WO2015022167A1 - Kapazitive eigendiagnose des elektrodensystems eines partikelsensors - Google Patents

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WO2015022167A1
WO2015022167A1 PCT/EP2014/065931 EP2014065931W WO2015022167A1 WO 2015022167 A1 WO2015022167 A1 WO 2015022167A1 EP 2014065931 W EP2014065931 W EP 2014065931W WO 2015022167 A1 WO2015022167 A1 WO 2015022167A1
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sensor
electrodes
layer
solid electrolyte
double
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PCT/EP2014/065931
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Inventor
Alexander Hetznecker
Christoph Peters
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1466—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being a soot concentration or content
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/22—Safety or indicating devices for abnormal conditions
    • F02D41/222—Safety or indicating devices for abnormal conditions relating to the failure of sensors or parameter detection devices
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    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N1/2247—Sampling from a flowing stream of gas
    • G01N1/2252—Sampling from a flowing stream of gas in a vehicle exhaust

Definitions

  • the particles may be soot or dust particles.
  • the invention will be described below, without limiting further embodiments and applications, in particular with reference to sensors for determining a particle content, in particular Ru ßpellen.
  • the sensor may be a soot particle sensor.
  • Such sensors are used for example in an exhaust system of an internal combustion engine, for example a diesel engine.
  • the measuring gas may be an exhaust gas stream of the internal combustion engine. Usually these are
  • US Pat. No. 6,634,210 B1 describes a soot particle sensor system which evaluates the flow of current flowing between two electrodes between which Ru.sup. Has attached.
  • the Ru ßpelle sensor system comprises a first electrode and a second electrode, which are arranged on a substrate and in thermal and electrical
  • a sensor such as known from the above-mentioned prior art, determines the particle content, in particular a concentration of particles, by means of two electrodes, which are arranged on a ceramic. This can
  • the electrical resistance of the two electrodes separating ceramic recyclable material.
  • the electric current between the electrodes is measured.
  • the Ru ßp store due to electrostatic forces between the electrodes and form with time electrically conductive bridges between the electrodes.
  • the measured current depends on the number of conductive bridges and increases the more of these conductive bridges are present. It thus forms an increasing short circuit of the electrodes.
  • the operation of these particle-collecting sensors requires a cyclic sensor regeneration, which degrades the soot collected so far again.
  • a proven method for this is the combustion of soot in oxygen-containing atmosphere, which begins at temperatures of about 700 ' ⁇ .
  • the generation of this regeneration temperature can be effected via a metallic heating element which is integrated in the sensor.
  • Ru ßpumblefilter which is arranged for example in front of the sensor, can not attach particles to the electrodes of the sensor.
  • a conductivity of the electrodes decreases to a value of a residual conductivity of the ceramic on which the electrodes are arranged.
  • the value of residual conductivity can be especially low
  • Temperatures be so low that not between a sensor without soot and a defective sensor, for example, with a separate electrode system,
  • a sensor for determining a particle content in a measurement gas which at least largely avoids the disadvantages of known sensors for determining a particle content of a measurement gas. Especially a distinction between an intact and a defective sensor should be made possible.
  • particles are to be understood as meaning electrically conductive particles, such as, for example, soot particles or dust particles.
  • electrically conductive particles such as, for example, soot particles or dust particles.
  • the measuring gas can basically be any gas or gas mixture
  • exhaust gas for example, exhaust gas, air, an air-fuel mixture or other gas.
  • the invention can be used in particular in the field of automotive engineering, so that it can be in the sample gas chamber in particular an exhaust gas tract of an internal combustion engine, for example, downstream of a particulate filter.
  • the measuring gas may therefore be in particular an air-fuel mixture and / or an exhaust gas.
  • the sensor for determining a particle content in a measurement gas has at least one measurement arrangement with at least two electrodes and at least one insulator element arranged between the electrodes. From a current flow, the particle content in the measuring gas can be determined between the electrodes.
  • a sensor can be understood to mean any device or a combination of devices which are set up to determine the particle content.
  • the sensor may be configured to generate at least one measurement signal which correlates with the particle content in the measurement gas.
  • the sensor may be selected from the group consisting of a particle sensor and a lambda probe.
  • another embodiment of the sensor is in principle possible.
  • an electrode Under an electrode is generally an electrically conductive region of the sensor element to understand, which can be applied, for example, with current or voltage. In particular, it may be an electrically conductive region,
  • an electrically conductive coating for example, an electrically conductive coating.
  • Electrodes be designed as interdigital electrodes.
  • an electrode can be understood which has at least one electrically conductive region which interacts with the electrically conductive electrode region of at least one so-called counterelectrode and in particular spatially engages it.
  • the electrodes may be arranged so that they mesh with each other in a comb-shaped manner. In principle, a deviation from a parallel arrangement of the electrodes relative to one another is possible.
  • An insulator element is an element made of electrically non-conductive material.
  • the insulator element has a low electrical residual conductivity.
  • the electrical resistance of the insulator element may be 1 ⁇ , preferably 10 ⁇ , more preferably 100 ⁇ .
  • an insulator element arranged between two electrodes is to be understood as meaning that the insulator element is arranged in at least one electrical path connecting the electrodes and / or that the insulator element connects the electrodes.
  • the electrodes have at least one metallic material.
  • the metallic material may comprise at least one metal selected from the group consisting of: platinum, palladium.
  • At least one of the electrodes is designed as a double layer electrode and has at least two phase boundaries.
  • a double-layer electrode is understood to be an electrode in which two oppositely charged electrodes are located
  • Facing charge layers for example at a phase boundary
  • phase boundary for example, a phase boundary between an electron conductor and an ion conductor.
  • a phase boundary may be a phase boundary between two layers of different phase, but may also be, for example, a phase boundary between microscopically distributed phases, for example between
  • a first of the phase boundary is a phase boundary between the metallic material and at least one solid electrolyte and a second of the phase boundary is a phase boundary between the solid electrolyte and the insulator element.
  • Solid electrolytes may in particular be a ceramic solid electrolyte.
  • the solid electrolyte may preferably ensure an ionic conductivity, in particular an oxygen ion conductivity.
  • the zirconia may be doped with at least one doping element selected from the group consisting of yttrium and scandium.
  • a doping element can be understood, for example, one or more impurities in a lattice of the solid electrolyte.
  • the solid electrolyte may be yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and / or scandium-doped zirconia (ScSZ).
  • the at least one double layer electrode may comprise at least one double layered double layer electrode having at least one
  • Solid electrolyte layer of the solid electrolyte wherein the solid electrolyte layer may be disposed between the metallic layer and the insulator element, wherein the metallic layer may have an electronic conductivity and the solid electrolyte layer having an ionic conductivity.
  • the solid electrolyte layer may have a thickness d F E, with 0 ⁇ d FE ⁇ 200 ⁇ , preferably 5 ⁇ ⁇ d FE ⁇ 30 ⁇ .
  • the metallic layer may have a thickness d Me with 0 ⁇ d Me ⁇ 200 ⁇ , preferably 5 ⁇ ⁇ d Me ⁇ 30 ⁇ .
  • Double layer electrode having at least one mixing element double layer electrode wherein the mixing element double layer electrode may comprise a mixture of the metallic material and the solid electrolyte.
  • a mixture may, in particular, be understood as meaning a layer which has both particles of the metallic material and also particles of solid electrolyte.
  • the particles of the solid electrolyte may, for example, be connected to particles of the metallic material and / or embedded in a matrix of the metallic material.
  • Mixture of the metallic material and the solid electrolyte may have a concentration C F E solid electrolyte of 0 ⁇ C F E ⁇ 60 vol%, preferably a concentration of 20 vol% ⁇ c FE ⁇ 40 vol%.
  • the design of the electrodes of the sensor as double-layer electrodes can be compared to an increase in electrical capacitance by several orders of magnitude Sensors in which electrodes are designed as a layer of metallic material lead.
  • the electric capacitance C may be in the range of 1 ⁇ ⁇ C ⁇ 1000 ⁇ .
  • the sensor may comprise at least one heating element, wherein the
  • Heating element is arranged to heat the electrodes and / or the insulator element to degrade deposited particles.
  • a heating element is meant an element which is arranged to heat the sensor such that the particles deposited between the electrodes are removed. This can be done for example by electrical energy, which is converted into Joule heat.
  • the heating element is designed as a resistive heating element, in particular as a resistance path.
  • a resistive heating element in particular as a resistance path.
  • an electrical connection to the heating element an electrical
  • Heating element leads. Due to the electrical resistance of the conductor, heat is generated.
  • the heat can be delivered, inter alia, to areas between the electrodes in which particles of the measurement gas have deposited. In this case, temperatures of 700 ° C or more can be achieved.
  • the sensor can have at least one substrate.
  • a substrate may be understood to mean a layer or a component on which other components and / or layers can be constructed, in particular a carrier layer.
  • the substrate may for example be wholly or partly made of a ceramic material.
  • other substrate materials are alternatively or additionally possible, for example, generally inorganic substrate materials and / or
  • the substrate may comprise a multi-layer structure and be composed of several layers, in particular films.
  • the substrate may have at least one applied to the substrate
  • the substrate may have electrically insulating properties.
  • an additional insulator layer can be omitted.
  • the senor may have at least one drive, wherein the
  • Control may be configured to determine a time constant of the measuring arrangement, wherein the drive may be further configured to from the
  • Time constants to close the particle content can
  • a current-voltage measurement, a voltage-voltage measurement, a voltage-time measurement, a current-time measurement or a combination of these measurements include, for example, over one or more components of the sensor.
  • a time-resolved voltage measurement may be performed over one or both of the electrodes and / or between one of the electrodes and the substrate. From a characteristic exponential increase or decrease of the curve thus detected can then by conventional methods, for example a
  • Matching parameters (Fit) corresponding parameters are determined, for example, the said time constant.
  • the latter is often referred to as ⁇ and characterizes, for example, an exponential decay over a course ⁇ Exp [-t / x], where t is the time.
  • a control can be understood as meaning a device or a combination of devices which is set up to operate the sensor and to carry out the measurement described in more detail below.
  • the sensor may include a voltage source and a current measuring device and / or current source and
  • the application of the electrical current and / or the electrical voltage can take place in the form of a continuous signal and / or in the form of a non-time-constant signal, for example a pulsed signal.
  • the drive can be set up to perform a time-resolved measurement, for example a pulsed measurement and / or a measurement with an abrupt change in the electrical voltage or the electric current.
  • the drive can have at least one current-voltage measuring device, in particular a current-voltage measuring device for the time-resolved measurement of currents through at least one of the electrodes when a voltage between the electrodes changes.
  • the current-voltage measuring device can be set up in order to apply an electrical voltage U of 0 V ⁇ U ⁇ 1 V over a measuring period t of 0 s ⁇ t ⁇ 30 s.
  • the control can be at least one programmatically established
  • Data processing device in particular at least one microprocessor.
  • the data processing device can receive and further process the response of the current-voltage measuring device.
  • the data processing device can be set up to determine the time constant, for example by program implementation of a fit method for adapting an exponential function, wherein the time constant is generated as a fit parameter.
  • a time constant is generally to be understood as meaning a characteristic variable which chronologically follows a response of a system, for example the entire sensor or a part thereof, for example the at least one double-layer electrode, at least one electrode and / or both electrodes, to a change in at least one input variable characterized.
  • the time constant can characterize a time profile of the electric current and / or the electrical voltage.
  • the time constant can be determined from the course of an exponentially decreasing function.
  • the time constant may be the product of the electrical resistance between the electrodes and the electrical capacitance.
  • the capacity may generally be a measure of the number of charge carriers, in particular a measure of adsorbed particles.
  • the control can be set up to conclude on the particle content.
  • the particle content can be determined from a change over time of a thickness of a layer of deposited particles, in particular a Ru layer, between the electrodes.
  • the particle content can be determined from a temporal change of the measured electric current.
  • the temporal change in the thickness of the layer of deposited particles may be dependent, for example, on a filter arranged upstream of the sensor.
  • Time constants and the determination of the particle content can be carried out, for example, at different times.
  • the driver may be configured to perform a fault diagnosis, wherein at least one threshold method may be used, wherein at least one threshold may be specified, wherein the time constant may be compared to the threshold, and if the time constant is below the threshold, an error can be closed in the sensor.
  • error diagnosis is understood to mean a method with which errors, that is, deviations from a predetermined one
  • An error in the sensor can be understood to mean an error of an electrode system comprising the electrodes, in particular an error from the group consisting of: a separation of the electrode
  • Electrode system in particular a defective electrical contacting of one or both electrodes; a detachment of the electrode system; a non-contact of the electrode system.
  • the fault diagnosis can be configured as a self-diagnosis of the sensor.
  • a threshold value method can be understood as a method in which a measured value, in particular the time constant, can be compared with the predetermined threshold value.
  • the time constant ⁇ can be in a range of 0.5 s to 30 s, in particular in a range of 5 s to 20 s, for example 10 s.
  • the threshold value S may in particular be in the range ⁇ 1 s, for example in the range 1 s>S> 10 ⁇ 6 s. If the time constant has a value below this threshold, the electrical capacitance may be in the pF range and indicate an error in the electrode system. If the time constant has a value above this threshold, the electrical capacitance may be in the ⁇ range and indicate an intact electrode system.
  • the proposed sensor allows the design of the electrodes as a double-layer electrodes, the proposed fault diagnosis, in particular a
  • the proposed fault diagnosis is particularly advantageous because, in contrast to checking a signal circuit of the electrode system by a sufficiently high residual conductivity, the proposed fault diagnosis is only slightly influenced by aging effect over a lifetime of the sensor. Thus, a robust fault diagnosis over the lifetime of the sensor may be possible.
  • the proposed fault diagnosis is also advantageous since the determination of the time constant is based on a measurement with a good signal-to-noise ratio through the choice of the voltage range and a long measuring time duration.
  • FIG. 1A shows a schematic structure of a measuring arrangement according to the invention with two double-layer electrodes with a metallic layer and a solid electrolyte layer;
  • FIG. 1B shows a schematic structure of a measuring arrangement according to the invention with two mixing element double-layer electrodes
  • Figure 2 an equivalent circuit diagram with a drive device
  • Figure 3 a time course of an electrical voltage during a
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram in addition to FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a further equivalent circuit diagram in addition to FIG. 2.
  • the electrodes 1 14 may each be formed as a double-layer electrodes 1 16.
  • the double-layer electrodes 1 16 may each have a metallic layer 1 18 and a solid electrolyte layer 120.
  • the metallic layer 118 may comprise at least one metal.
  • the metallic layer 1 18 may have a thickness d Me with 0 ⁇ d Me ⁇ 200 ⁇ , preferably 5 ⁇ ⁇ d Me ⁇ 30 microns.
  • the solid electrolyte layer 120 may have a thickness d F E of 0 ⁇ d F E 200 ⁇ , preferably of 5 ⁇ ⁇ d F E ⁇ 30 microns having.
  • the solid electrolyte layer 120 may be a solid electrolyte such as zirconia, particularly yttrium and / or
  • the senor 1 12 may have a substrate 124, which may in particular be made of a ceramic material.
  • the insulator element 122 may be applied to the substrate 124, for example in the form of an insulator layer.
  • Each double-layer electrode 16 has, in this example, a first phase boundary 126 and a second phase boundary 128.
  • the first phase boundary 126 may be between the metallic layer 1 18 having an electronic conductivity and the solid electrolyte layer 120 having an ionic conductivity, and the second phase boundary between the solid electrolyte layer 120 and the insulator element 122.
  • FIG. 1B A further embodiment of the measuring arrangement 110 according to the invention of the sensor 1 12 is shown schematically in FIG. 1B.
  • the two electrodes 1 14 may each be configured as mixing element double layer electrodes 130.
  • the mixing element double layer electrode 130 may comprise a mixture of a metallic material and a solid electrolyte.
  • the measuring arrangement 1 10 may have an insulator element 122 applied to the substrate 124.
  • the mixture of the metallic material and the solid electrolyte may have a concentration C F E of the solid electrolyte of 0 ⁇ c FF - 60 vol%, preferably a concentration of 20 vol% ⁇ c FE ⁇ 40 vol%.
  • the sensor 1 12 may further comprise a heating element 132, with which the electrodes 1 14 and / or the insulator element 122 can be heated in order to degrade deposited particles.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the measuring arrangement 1 10 according to the invention.
  • the electrodes 1 14 may be designed as interdigital electrodes 134.
  • Phase boundary 126 and the second phase boundary 128 may be a Faraday
  • the sensor 1 12 may have a control 138.
  • the driver 138 may be configured to perform a current-voltage measurement between the electrodes 14.
  • the driver 138 may comprise a current-voltage measuring device 139, which may be, for example, a
  • Voltage source and a device for measuring the electric current comprises, or which includes, for example, a power source and a device for measuring the electrical voltage.
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the driver 138 has the voltage source 140 and an apparatus for measuring the electrical current 142. Further, the driver 138 a
  • Data processing device 144 which is not shown in this figure, in particular a microprocessor.
  • Loading phase 146 is shown in the upper part of FIG. 3 and the time profile of an electrical voltage U M in [V] during a measurement phase 148 is shown in the lower part of FIG.
  • the double-layer capacitance can be charged for several seconds starting at a time t 0 to a second time.
  • the charging phase 146 may last from 0 s ⁇ t ⁇ 30 s.
  • the measurement phase 148 may start, in which the double-layer capacitance is no longer charged.
  • the measured voltage U M decreases with time.
  • the measuring curve 150 shows the time profile for a measuring arrangement in which the electrodes 1 14 are configured only from a metallic layer.
  • the measuring curve 152 shows the time profile for the measuring arrangement 110 according to the invention, in which the electrodes 1 14 are designed as mixing element double-layer electrodes 130.
  • the measuring curve 154 shows the time profile for the measuring arrangement 110 according to the invention, in which the electrodes 1 14 are configured as double-layer electrodes 1 16 each with the metallic layer 1 18 and the solid electrolyte layer 120.
  • the three measured curves 150, 152, 154 each show a decreasing time course.
  • the measured curve 150 drops steepest to a constant value and lies in the further course of the measurement phase below the measurement curves 152 and 154.
  • Measurement curve 154 drops the slowest over time and lies over the measurement curves 150 and 152 during the entire measurement phase the time profile of the voltage, a time constant can be determined become. This time constant can then be compared, for example by the control 138, with at least one threshold. If the time constant is below a predetermined threshold value, for example, it is possible to automatically deduce a defect in the sensor 12.
  • FIG. 4 shows a further equivalent circuit diagram of the sensor 12 according to FIG. 1A, in addition to FIG. 2.
  • the sensor 12 can have two double-layer electrodes 16, which comprise a metallic layer 11 and a solid electrolyte layer 120.
  • the double-layer electrodes 1 16 may each have a terminal resistor 156.
  • the connection resistance 156 may be, for example, 1 ⁇ to 100 ⁇ , in particular 10 ⁇ to 20 ⁇ .
  • the first phase boundary 126 and the second phase boundary 128 may be a Faraday
  • Double layer capacitance and will be represented in the equivalent circuit as capacitors 136
  • resistors may be at 1 ⁇ to 100 ⁇ , for example, each of the two resistors may be 50 ⁇ .
  • the substrate 124 may further have electrical insulating properties.
  • the ohmic resistance of the substrate 160 is shown in FIG. 4 as two ohmic resistances.
  • the ohmic resistance of the substrate 160 may be on the order of 10 ⁇ to 100 ⁇ .
  • the capacity of the Faraday double layer can be, for example, of the order of magnitude of 1 ⁇ to several hundreds ⁇ , in particular the capacity can amount to 2 ⁇ .
  • the electrical capacitance 162 of the electrodes 14 can be on the order of a few pF.
  • the time constant can be above the predetermined threshold value due to the capacitance of the Faraday double layer which is larger by orders of magnitude compared to the electric capacitance 162. If, on the other hand, a time constant is below the threshold value, the capacitance may be in the pF range and an error in the
  • FIG. 4 shows the control 138, which is set up to carry out a current-voltage measurement.
  • the drive may comprise the current voltage measuring device 139 and the data processing device 144.
  • FIG. 5 shows another greatly simplified equivalent circuit diagram.
  • the electrodes 1 14 of the sensor 1 12 are designed as double-layer electrodes 16 and are represented as a replacement capacitor 164 with a Faraday double layer. The capacity of the Faraday double layer is, as explained above, in the range.
  • the electrical capacitance 162 of the electrodes is shown as a capacitor which may have capacitances in the range of pF.
  • the connection resistances 156 and ohmic resistances of the substrate 160 shown in FIG. 4 may be on the order of a few ⁇ .
  • the ohmic resistances of the insulator element 158 illustrated as two resistors in FIG. 4 can, as explained above, be in the range from 1 ⁇ to 100 ⁇ , for example.
  • each of the two ohmic resistors may be 50 ⁇ .
  • Isolator element 158 as a replacement resistor 166 shown.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Sensor (112) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas. Der Sensor (112) weist mindestens eine Messanordnung (110) mit mindestens zwei Elektroden (114) sowie mindestens ein zwischen den Elektroden (114) angeordnetes Isolatorelement (122) auf. Aus einem Stromfluss zwischen den Elektroden (114) ist der Partikelgehalt in dem Messgas bestimmbar. Die Elektroden (114) weisen mindestens ein metallisches Material auf. Mindestens eine der Elektroden (114) ist als Doppelschichtelektrode (116) ausgebildet und weist mindestens zwei Phasengrenzen auf. Eine erste der Phasengrenzen (126) ist eine Phasengrenze zwischen dem metallischen Material und mindestens einem Festelektrolyten und eine zweite der Phasengrenzen (128) ist eine Phasengrenze zwischen dem Festelektrolyten und dem Isolatorelement (122).

Description

Beschreibung Titel
Kapazitive Eiqendiaqnose des Elektrodensvstems eines Partikelsensors
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas bekannt. Beispielsweise können die Partikel Ruß- oder Staubpartikel sein. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensoren zur Bestimmung eines Partikelgehalts, insbesondere von Ru ßpartikeln beschrieben. Insbesondere kann der Sensor ein Rußpartikelsensor sein. Derartige Sensoren werden beispielsweise in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einem Verbrennungsmotor der Diesel-Bauart eingesetzt. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgas um einen Abgasstrom der Brennkraftmaschine handeln. Üblicherweise befinden sich diese
Sensoren stromabwärts eines Auslassventils bzw. eines Rußpartikelfilters.
In US 6,634,210 B1 wird ein Rußpartikel-Sensorsystem beschrieben, das den Stromfluss auswertet, der zwischen zwei Elektroden fließt, zwischen denen sich Ru ß angelagert hat. Das Ru ßpartikel-Sensorsystem umfasst eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, welche auf einem Substrat angeordnet sind und in thermischer und elektrischer
Verbindung mit einem Heizer stehen. Grundsätzlich bestimmt ein Sensor, wie beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt, den Partikelgehalt, insbesondere eine Konzentration von Teilchen, mittels zweier Elektroden, die auf einer Keramik angeordnet sind. Dies kann
beispielsweise durch eine Messung des elektrischen Widerstandes des die beiden Elektroden trennenden keramischen Wertstoffs erfolgen. Insbesondere wird bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden der elektrische Strom zwischen den Elektroden gemessen. Die Ru ßpartikel lagern sich aufgrund elektrostatischer Kräfte zwischen den Elektroden ab und bilden mit der Zeit elektrisch leitfähige Brücken zwischen den Elektroden. Der gemessene Strom hängt von der Anzahl der leitfähigen Brücken ab und steigt je mehr dieser leitfähigen Brücken vorhanden sind. Es bildet sich somit ein zunehmender Kurzschluss der Elektroden. Der Betrieb dieser partikelsammelnden Sensoren erfordert eine zyklisch stattfindende Sensorregeneration, die den bis dahin gesammelten Ruß wieder abbaut. Ein bewährtes Verfahren hierfür ist die Verbrennung von Ruß in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, die ab Temperaturen von ca. 700 'Ό beginnt. Die Erzeugung dieser Regenerationstemperatur kann über ein metallisches Heizelement erfolgen, das in den Sensor integriert ist.
Bei einem Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, sollte eine sogenannte On-Board-Diagnose möglich sein, für welche insbesondere eine Unterscheidung zwischen einem defekten und einem funktionsfähigen Sensor zur Bestimmung des Partikelgehalts in einem Messgas nötig ist. Bei einem intakten
Ru ßpartikelfilter, welcher beispielsweise vor dem Sensor angeordnet ist, können sich keine Partikel an die Elektroden des Sensors anlagern. So sinkt eine Leitfähigkeit der Elektroden auf einen Wert einer Restleitfähigkeit der Keramik, auf der die Elektroden angeordnet sind. Der Wert der Restleitfähigkeit kann insbesondere bei niedrigen
Temperaturen so gering sein, dass nicht zwischen einem Sensor ohne Ruß und einem defekten Sensor, beispielsweise mit einem abgetrennten Elektrodensystem,
unterschieden werden kann.
Grundsätzlich ist eine Überprüfung eines Signalkreises des Elektrodensystems durch eine ausreichend hohe Restleitfähigkeit, beispielsweise der Volumen- bzw.
Oberflächenleitfähigkeit möglich. Dieses Überprüfungsverfahren ist jedoch nachteilig, da die Restleitfähigkeit über eine Lebensdauer so weit absinken kann, dass der Signalkreis des Elektrodensystems nicht mehr überwacht werden kann und insbesondere nicht mehr von einem defekten Elektrodensystem unterschieden werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend ein Sensor zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zur Bestimmung eines Partikelgehalts eines Messgases zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere soll eine Unterscheidung zwischen einem intakten und einem defekten Sensor ermöglicht werden.
Unter Partikeln im Sinne der vorliegenden Erfindung sind elektrisch leitfähige Teilchen zu verstehen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikel. Bei der Bestimmung eines Partikelgehalts kann beispielsweise eine Partikelmasse pro Volumeneinheit,
beispielsweise angegeben in kg/m3 oder eine Partikelanzahl pro Volumeneinheit angegeben beispielsweise in Partikel/m3, erfasst werden. Auch andere Eigenschaften sind grundsätzlich alternativ oder zusätzlich erfassbar.
Das Messgas kann grundsätzlich ein beliebiges Gas oder Gasgemisch sein,
beispielsweise Abgas, Luft, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch oder auch ein anderes Gas. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, sodass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brenn kraftmaschine handeln kann, beispielsweise stromabwärts eines Partikelfilters. Bei dem Messgas kann es sich deshalb insbesondere um ein Luft- Kraftstoff-Gemisch und/oder ein Abgas handeln.
Der Sensor zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas weist mindestens eine Messanordnung mit mindestens zwei Elektroden sowie mindestens ein zwischen den Elektroden angeordnetes Isolatorelement auf. Aus einem Stromfluss ist zwischen den Elektroden der Partikelgehalt in dem Messgas bestimmbar.
Unter einem Sensor kann grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung oder eine Kombination von Vorrichtungen verstanden werden, welche zur Bestimmung des Partikelgehalts eingerichtet sind. Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um mindestens ein Messsignal zu erzeugen, welches mit dem Partikelgehalt in dem Messgas korreliert. Insbesondere kann der Sensor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Partikelsensor und aus einer Lambda-Sonde. Auch eine andere Ausgestaltung des Sensors ist jedoch grundsätzlich möglich.
Unter einer Elektrode ist allgemein ein elektrisch leitender Bereich des Sensorelements zu verstehen, welcher beispielsweise mit Strom oder Spannung beaufschlagt werden kann. Insbesondere kann es sich um einen elektrisch leitfähigen Bereich handeln,
beispielsweise eine elektrisch leitfähige Beschichtung. Beispielsweise können die
Elektroden als Interdigitalelektroden ausgestaltet sein. Unter einer Interdigitalelektrode kann eine Elektrode verstanden werden, welche mindestens einen elektrisch leitenden Bereich aufweist, der mit dem elektrisch leitenden Elektrodenbereich mindestens einer sogenannten Gegenelektrode zusammenwirkt und insbesondere in diesen räumlich eingreift. Insbesondere können die Elektroden so angeordnet sein, dass sie kammförmig ineinander greifen. Grundsätzlich ist eine Abweichung von einer parallelen Anordnung der Elektroden zueinander möglich.
Unter einem Isolatorelement ist ein Element aus elektrisch nicht-leitendem Material zu verstehen. Bevorzugt weist das Isolatorelement eine geringe elektrische Restleitfähigkeit auf. Beispielsweise kann der elektrische Widerstand des Isolatorelements 1 ΜΩ, bevorzugt 10 ΜΩ, besonders bevorzugt 100 ΜΩ, betragen. Unter einem zwischen zwei Elektroden angeordnetem Isolatorelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass das Isolatorelement in mindestens einem elektrischen Pfad, der die Elektroden verbindet, angeordnet ist und/oder dass das Isolatorelement die Elektroden verbindet.
Die Elektroden weisen mindestens ein metallisches Material auf. Das metallische Material kann mindestens ein Metall umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus: Platin, Palladium.
Mindestens eine der Elektroden ist als Doppelschichtelektrode ausgebildet und weist mindestens zwei Phasengrenzen auf. Unter einer Doppelschichtelektrode ist hierbei eine Elektrode zu verstehen, in welcher sich zwei entgegengesetzt geladene
Ladungsschichten gegenüberstehen, beispielsweise an einer Phasengrenze,
beispielsweise einer Phasengrenze zwischen einem Elektronenleiter und einem lonenleiter. Eine Phasengrenze kann eine Phasengrenze zwischen zwei Schichten unterschiedlicher Phase sein, kann jedoch auch beispielsweise eine Phasengrenze zwischen mikroskopisch verteilten Phasen sein, beispielsweise zwischen
mikroskopischen Partikeln.
Eine Erste der Phasengrenze ist eine Phasengrenze zwischen dem metallischen Material und mindestens einem Festelektrolyten und eine Zweite der Phasengrenze ist eine Phasengrenze zwischen dem Festelektrolyten und dem Isolatorelement. Bei dem
Festelektrolyten kann es sich insbesondere um einen keramischen Festelektrolyt handeln. Der Festelektrolyt kann vorzugsweise eine ionische Leitfähigkeit, insbesondere eine Sauerstoffion-Leitfähigkeit gewährleisten. Insbesondere kann der Festelektrolyt
Zirkondioxid aufweisen. Das Zirkoniumdioxid kann mit mindestens einem Dotierelement ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus Yttrium und Scandium dotiert sein. Unter einem Dotierelement kann beispielsweise eine oder mehrere Störstellen in einem Gitter des Festelektrolyten verstanden werden. Beispielsweise kann der Festelektrolyt Yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ) sein. Das Dotierelement kann, insbesondere im Falle von Yttrium, beispielsweise eine Konzentration von cdot von 0 mol % < cdot ^ 8 mol % aufweisen, vorzugsweise eine Konzentration von cdot = 3,5 mol %.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die mindestens eine Doppelschichtelektrode mindestens eine zweischichtige Doppelschichtelektrode mit mindestens einer
metallischen Schicht des metallischen Materials und mindestens eine
Festelektrolytschicht des Festelektrolyten aufweisen, wobei die Festelektrolytschicht zwischen der metallischen Schicht und dem Isolatorelement angeordnet sein kann, wobei die metallische Schicht eine elektronische Leitfähigkeit und die Festelektrolytschicht eine ionische Leitfähigkeit aufweisen kann. Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht eine Dicke dFE aufweisen, mit 0 < d FE ^ 200 μηι, vorzugsweise 5 μηη < d FE ^ 30 μηι. Die metallische Schicht kann eine Dicke dMe aufweisen mit 0 < dMe ^ 200 μηι, vorzugsweise 5 μηη < dMe ^ 30 μηη.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die mindestens eine
Doppelschichtelektrode mindestens eine Mischelement-Doppelschichtelektrode aufweisen, wobei die Mischelement-Doppelschichtelektrode eine Mischung des metallischen Materials und des Festelektrolyten aufweisen kann. Unter einer Mischung kann insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche sowohl Partikel des metallischen Materials als auch Partikel Festelektrolyten aufweist. Die Partikel des Festelektrolyten können beispielsweise mit Partikeln des metallischen Materials verbunden und/oder in eine Matrix des metallischen Materials eingebettet sein. Die
Mischung des metallischen Materials und des Festelektrolyten kann eine Konzentration CFE Festelektrolyten von 0 < CFE ^ 60 vol % aufweisen, vorzugsweise eine Konzentration von 20 vol % < cFE ^ 40 vol %. Die Ausgestaltung der Elektroden des Sensors als Doppelschichtelektroden kann zu einer Erhöhung einer elektrischen Kapazität um mehrere Größenordnungen gegenüber Sensoren, in welchen Elektroden als eine Schicht aus metallischem Material ausgestaltet sind, führen. Beispielsweise kann die elektrische Kapazität C in dem Bereich von 1 μΡ< C < 1000 μΡ liegen. Weiterhin kann der Sensor mindestens ein Heizelement aufweisen, wobei das
Heizelement eingerichtet ist, um die Elektroden und/oder das Isolatorelement zu erhitzen, um angelagerte Partikel abzubauen. Unter einem Heizelement ist ein Element zu verstehen, das eingerichtet ist, um den Sensor derart zu erwärmen, dass die zwischen den Elektroden angelagerten Partikel beseitigt werden. Dies kann beispielsweise durch elektrische Energie erfolgen, welche in Joule'sche Wärme umgewandelt wird.
Beispielsweise ist das Heizelement als resistives Heizelement ausgebildet, insbesondere als Widerstandsbahn. Beispielsweise kann an das Heizelement eine elektrische
Spannung angelegt werden, die zu einem Stromfluss durch die Leiterbahn des
Heizelements führt. Aufgrund des elektrischen Widerstands der Leiterbahn kommt es zu einer Wärmeentwicklung. Die Wärme kann dabei unter anderem an Bereiche zwischen den Elektroden, in denen sich Partikel des Messgases abgelagert haben, abgegeben werden. Dabei können Temperaturen von 700 °C oder mehr erreicht werden.
Der Sensor kann mindestens ein Substrat aufweisen. Unter einem Substrat kann eine Schicht oder ein Bauteil verstanden werden, auf welcher bzw. welchem weitere Bauteile und/oder Schichten aufgebaut werden können, insbesondere eine Trägerschicht. Das Substrat kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem keramischen Material hergestellt sein. Auch andere Substratmaterialien sind jedoch alternativ oder zusätzlich möglich, beispielsweise allgemein anorganische Substratmaterialien und/oder
Halbleitermaterialien. Beispielsweise kann das Substrat ein Mehrschichtaufbau umfassen und aus mehreren Schichten, insbesondere Folien, aufgebaut sein.
Insbesondere kann das Substrat mindestens eine auf das Substrat aufgebrachte
Isolatorschicht aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. In dieser Ausführungsform kann eine zusätzliche Isolatorschicht entfallen.
Weiterhin kann der Sensor mindestens eine Ansteuerung aufweisen, wobei die
Ansteuerung eingerichtet sein kann, um eine Zeitkonstante der Messanordnung zu bestimmen, wobei die Ansteuerung weiterhin eingerichtet sein kann, um aus der
Zeitkonstanten auf den Partikelgehalt zu schließen. Die Messung der Zeitkonstanten kann insbesondere eine Strom-Spannungs-Messung, eine Spannungs-Spannungs-Messung, eine Spannungs-Zeit-Messung, eine Strom-Zeit-Messung oder eine Kombination dieser Messungen umfassen, beispielsweise über einem oder mehreren Bauteilen des Sensors. Beispielsweise kann eine zeitaufgelöste Spannungsmessung über einer oder beiden der Elektroden und/oder zwischen einer der Elektroden und dem Substrat durchgeführt werden. Aus einem charakteristischen exponentiellen Anstieg oder Abfall der derart erfassten Kurve können dann nach üblichen Methoden, beispielsweise einem
Anpassungsverfahren (Fit) entsprechende Parameter bestimmt werden, beispielsweise die genannte Zeitkonstante. Letztere wird häufig auch als τ bezeichnet und charakterisiert beispielsweise einen exponentiellen Abfall über einen Verlauf ~Exp[-t/ x], wobei t die Zeit ist.
Unter einer Ansteuerung kann eine Vorrichtung oder eine Kombination von Vorrichtungen verstanden werden, die eingerichtet ist, den Sensor zu betreiben und die nachfolgend noch näher beschriebene Messung durchzuführen. Beispielsweise kann der Sensor eine Spannungsquelle und eine Strommessvorrichtung und/oder Stromquelle und
Spannungsmessvorrichtung aufweisen. Das Anlegen des elektrischen Stroms und/oder der elektrischen Spannung kann in Form eines kontinuierlichen Signals und/oder in Form eines zeitlich nicht-konstanten Signals, beispielsweise eines gepulsten Signals, erfolgen. Vorzugsweise kann die Ansteuerung eingerichtet sein eine zeitaufgelöste Messung durchzuführen, beispielsweise eine gepulste Messung und/oder eine Messung mit abrupter Veränderung der elektrischen Spannung oder des elektrischen Stroms.
Insbesondere kann die Ansteuerung mindestens eine Strom-Spannungs-Messvorrichtung aufweisen, insbesondere eine Strom-Spannungs-Messvorrichtung zur zeitaufgelösten Messung von Strömen durch mindestens eine der Elektroden bei Veränderung einer Spannung zwischen den Elektroden. Insbesondere kann die Strom-Spannungs- Messvorrichtung eingerichtet sein, um eine elektrische Spannung U von 0 V < U < 1 V über einen Messzeitraum t von 0 s < t < 30 s anzulegen. Die Ansteuerung kann mindestens eine programmtechnisch eingerichtete
Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, insbesondere mindestens ein Mikroprozessor. Beispielsweise kann die Datenverarbeitungsvorrichtung die Antwort der Strom- Spannungs-Messvorrichtung aufnehmen und weiterverarbeiten. Insbesondere kann die Datenverarbeitungsvorrichtung eingerichtet sein, die Zeitkonstante zu bestimmen, beispielsweise durch programmtechnische Umsetzung eines Fitverfahrens zur Anpassung einer Exponentialfunktion, wobei die Zeitkonstante als Fitparameter generiert wird. Unter einer Zeitkonstanten ist allgemein eine charakteristische Größe zu verstehen, welche einen zeitlichen Verlauf einer Antwort eines Systems, beispielsweise des gesamten Sensors oder eines Teils desselben, beispielsweise der mindestens einen Doppelschichtelektrode, mindestens einer Elektrode und/oder beider Elektroden, auf eine Veränderung mindestens einer Eingangsgröße charakterisiert. Beispielsweise kann die Zeitkonstante einen zeitlichen Verlauf des elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung charakterisieren. Insbesondere kann die Zeitkonstante aus dem Verlauf einer exponentiell absinkenden Funktion bestimmt werden. Allgemein kann die Zeitkonstante das Produkt aus dem elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden und der elektrischen Kapazität sein. Die Kapazität kann allgemein ein Maß für die Anzahl von Ladungsträgern sein, insbesondere ein Maß für angelagerte Partikel.
Insbesondere kann die Ansteuerung eingerichtet sein, um auf den Partikelgehalt zu schließen. Beispielsweise kann der Partikelgehalt aus einer zeitlichen Änderung einer Dicke einer Schicht aus angelagerter Partikel, insbesondere einer Ru ßschicht, zwischen den Elektroden bestimmt werden. Insbesondere kann der Partikelgehalt aus einer zeitlichen Änderung des gemessenen elektrischen Stromes bestimmt werden. Die zeitliche Änderung der Dicke der Schicht aus angelagerten Partikeln kann beispielsweise von einem dem Sensor vorgeschaltetem Filter abhängig sein. Die Messung der
Zeitkonstanten und die Bestimmung des Partikelgehalts können beispielsweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen.
Die Ansteuerung kann eingerichtet sein, um eine Fehlerdiagnose durchzuführen, wobei mindestens ein Schwellwertverfahren verwendet werden kann, wobei mindestens ein Schwellwert vorgegeben werden kann, wobei die Zeitkonstante mit dem Schwellwert verglichen werden kann, wobei, wenn die Zeitkonstante unterhalb des Schwellwerts liegt, auf ein Fehler in dem Sensor geschlossen werden kann. Unter einer Fehlerdiagnose ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu verstehen, mit welchem Fehler, also Abweichungen von einem vorgegebenen
Normalzustand, erkannt werden können. Unter einem Fehler in dem Sensor kann ein Fehler eines die Elektroden umfassenden Elektrodensystems verstanden werden, insbesondere ein Fehler aus der Gruppe bestehend aus: einer Abtrennung des
Elektrodensystems, insbesondere einer mangelhaften elektrischen Kontaktierung einer oder beider Elektroden; einer Ablösung des Elektrodensystems; einer Nichtkontaktierung des Elektrodensystems. Insbesondere kann die Fehlerdiagnose als eine Eigendiagnose des Sensors ausgestaltet sein.
Unter einem Schwellwertverfahren kann ein Verfahren verstanden werden, in welchem ein Messwert, insbesondere die Zeitkonstante, mit dem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden kann. Beispielsweise kann die Zeitkonstante τ in einem Bereich 0,5 s bis 30 s liegen, insbesondere in einem Bereich 5 s bis 20 s, beispielsweise bei 10 s. Ein Ohmscher Widerstand R des Isolatorelements, auch als inverse Restleitfähigkeit bezeichnet, kann beispielsweise bei 1 ΜΩ bis 100 ΜΩ liegen, insbesondere bei 1 ΜΩ bis 20 ΜΩ, beispielsweise 10 ΜΩ. Dementsprechend berechnet sich die Zeitkonstante zu τ = R-C, wobei C die Kapazität des Elektrodensystems ist, die sich aus den einzelnen Kapazitäten zusammensetzt. Der Schwellwert S kann dabei insbesondere im Bereich < 1 s liegen, beispielsweise im Bereich 1 s > S > 10~6 s. Wenn die Zeitkonstante einen Wert unter diesem Schwellwert aufweist, kann die elektrische Kapazität im pF Bereich liegen und auf einen Fehler im Elektrodensystem hinweisen. Wenn die Zeitkonstante einen Wert oberhalb dieses Schwellwerts aufweist, kann die elektrische Kapazität im μΡ Bereich liegen und auf ein intaktes Elektrodensystem hinweisen.
Vorteile der Erfindung
Der vorgeschlagene Sensor ermöglicht durch die Ausgestaltung der Elektroden als Doppelschichtelektroden die vorgeschlagene Fehlerdiagnose, insbesondere eine
Eigendiagnose, des Sensors. Die vorgeschlagene Fehlerdiagnose ist besonders vorteilhaft, da im Gegensatz zu Überprüfung eines Signalkreises des Elektrodensystems durch eine ausreichend hohe Restleitfähigkeit, die vorgeschlagene Fehlerdiagnose nur gering durch Alterungseffekt über eine Lebensdauer des Sensors beeinflusst wird. So kann eine robuste Fehlerdiagnose über die Lebensdauer des Sensors möglich sein.
Die vorgeschlagene Fehlerdiagnose ist zudem vorteilhaft, da die Bestimmung der Zeitkonstante durch die Wahl des Spannungsbereichs und einer langen Messzeitdauer auf einer Messung mit einem guten Signal-Zu-Rausch-Verhältnis beruht.
Zur Herstellung des vorgeschlagenen Sensors können insbesondere Materialsysteme und Prozesse eingesetzt werden, welche grundsätzlich bereits aus anderen technischen Gebieten bekannt sind. Insbesondere sind daher Materialien und Prozesse einsetzbar, deren Fertigungseigenschaften, beispielsweise Fertigungseigenschaften bei
Sintern, bereits zuverlässig bekannt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Figuren 1 bis 3 dargestellt und werden nachfolgend noch näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 A: einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit zwei Doppelschichtelektroden mit einer metallischen Schicht und einer Festelektrolytschicht;
Figur 1 B: einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit zwei Mischelement-Doppelschichtelektroden;
Figur 2: ein Ersatzschaltbild mit einer Ansteuervorrichtung;
Figur 3: einen zeitlichen Verlauf einer elektrischen Spannung während einer
Ladephase und während einer Messphase;
Figur 4 ein Ersatzschaltbild ergänzend zu Figur 2; und
Figur 5 ein weiteres Ersatzschaltbild ergänzend zu Figur 2.
Ausführungsformen der Erfindung Ein schematischer Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Messanordnung 1 10 eines Sensors 1 12 mit zwei Elektroden 1 14 wird in Figur 1 A gezeigt. Die Elektroden 1 14 können jeweils als Doppelschichtelektroden 1 16 ausgebildet sein. Die Doppelschichtelektroden 1 16 können jeweils eine metallische Schicht 1 18 und eine Festelektrolytschicht 120 aufweisen. Die metallische Schicht 1 18 kann mindestens ein Metall umfassen. Die metallische Schicht 1 18 kann eine Dicke dMe mit 0 < dMe ^ 200 μηι, vorzugsweise 5 μηι < dMe ^ 30 μm aufweisen. Die Festelektrolytschicht 120 kann eine Dicke dFE von 0 < dFE 200 μηι, vorzugsweise von 5 μηι < dFE ^ 30 μm, aufweisen. Die Festelektrolytschicht 120 kann einen Festelektrolyt, beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium und/oder
Scandium dotiertes Zirkoniumdioxid, aufweisen. Beispielsweise kann das Zirkoniumdioxid mit Yttrium und/oder Scandium mit einer Konzentration cdot von 0 mol % < cdot ^ 8 mol % dotiert sein, vorzugsweise mit einer Konzentration von cdot = 3,5 mol %. Zwischen den Elektroden 1 14 kann ein Isolatorelement 122 mit einer niedrigen
Restleitfähigkeit angeordnet sein. Weiter kann der Sensor 1 12 ein Substrat 124 aufweisen, welches insbesondere aus einem keramischen Material hergestellt sein kann. Insbesondere kann das Isolatorelement 122 auf das Substrat 124 aufgebracht sein, beispielsweise in Form einer Isolatorschicht.
Jede Doppelschichtelektrode 1 16 weist in diesem Beispiel eine erste Phasengrenze 126 und eine zweite Phasengrenze 128 auf. Die erste Phasengrenze 126 kann zwischen der metallischen Schicht 1 18, welche eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, und der Festelektrolytschicht 120, welche eine ionische Leitfähigkeit aufweist, sein und die zweite Phasengrenze zwischen der Festelektrolytschicht 120 und dem Isolatorelement 122.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 10 des Sensors 1 12 ist schematisch in Figur 1 B gezeigt. In dieser Ausführungsform können die zwei Elektroden 1 14 jeweils als Mischelement-Doppelschichtelektroden 130 ausgestaltet sein. Die Mischelement-Doppelschichtelektrode 130 kann eine Mischung eines metallischen Materials und eines Festelektrolyten aufweisen. Auch in dieser Ausführungsform kann die Messanordnung 1 10 ein auf das Substrat 124 aufgebrachtes Isolatorelement 122 aufweisen. Die Mischung des metallischen Materials und des Festelektrolyten kann eine Konzentration CFE des Festelektrolyten von 0 < cFF— 60 vol %, vorzugsweise eine Konzentration von 20 vol % < cFE ^ 40 vol %, aufweisen.
Der Sensor 1 12 kann ferner ein Heizelement 132 aufweisen, mit dem die Elektroden 1 14 und/oder das Isolatorelement 122 erhitzt werden können, um angelagerte Partikel abzubauen. Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 10. Die Elektroden 1 14 können als Interdigitalelektroden 134 ausgestaltet sein. Die erste
Phasengrenze 126 und die zweite Phasengrenze 128 können eine faradaysche
Doppelschichtkapazität darstellen und können in dem Ersatzschaltbild als Kondensatoren 136 dargestellt werden. Weiter kann der Sensor 1 12 eine Ansteuerung 138 aufweisen. Die Ansteuerung 138 kann eingerichtet sein, eine Strom-Spannung-Messung zwischen den Elektroden 1 14 durchzuführen. Grundsätzlich kann die Ansteuerung 138 eine Strom- Spannungs-Messvorrichtung 139 aufweisen, welche beispielsweise eine
Spannungsquelle und eine Vorrichtung zur Messung des elektrischen Stromes umfasst, oder welche beispielsweise eine Stromquelle und eine Vorrichtung zur Messung der elektrischen Spannung umfasst. In Figur 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Ansteuerung 138 die Spannungsquelle 140 und eine Vorrichtung zur Messung des elektrischen Stromes 142 aufweist. Weiter kann die Ansteuerung 138 eine
Datenverarbeitungsvorrichtung 144 aufweisen, welche in dieser Figur nicht dargestellt ist, insbesondere einen Mikroprozessor.
Der zeitliche Verlauf t in [s] einer elektrischen Spannung UL in [V] während einer
Ladephase 146 wird in dem oberen Teil der Figur 3 und der zeitliche Verlauf einer elektrischen Spannung UM in [V] während einer Messphase 148 wird in dem unteren Teil der Figur 3 gezeigt. In der Ladephase 146 kann beginnend mit einem Zeitpunkt t0 bis zu einem zweiten Zeitpunkt die Doppelschichtkapazität über mehrere Sekunden aufgeladen werden. Insbesondere kann die Ladephase 146 von 0 s < t < 30 s andauern. Zum Zeitpunkt kann die Messphase 148 beginnen, in der die Doppelschichtkapazität nicht weiter aufgeladen wird. Die gemessene Spannung UM sinkt mit der Zeit ab. Die Messkurve 150 zeigt den zeitlichen Verlauf für eine Messanordnung, in der die Elektroden 1 14 nur aus einer metallischen Schicht ausgestaltet sind. Die Messkurve 152 zeigt den zeitlichen Verlauf für die erfindungsgemäße Messanordnung 1 10, in der die Elektroden 1 14 als Mischelement-Doppelschichtelektroden 130 ausgestaltet sind. Die Messkurve 154 zeigt den zeitlichen Verlauf für die erfindungsgemäße Messanordnung 1 10, in der die Elektroden 1 14 als Doppelschichtelektroden 1 16 jeweils mit der metallischen Schicht 1 18 und der Festelektrolytschicht 120 ausgestaltet sind. Die drei gezeigten Messkurven 150, 152, 154 zeigen jeweils einen absinkenden zeitlichen Verlauf. Die Messkurve 150 fällt dabei am steilsten auf einen konstanten Wert ab und liegt im weiteren zeitlichen Verlauf der Messphase unter den Messkurven 152 und 154. Messkurve 154 fällt am langsamsten mit der Zeit ab und liegt während der gesamten Messphase über den Messkurven 150 und 152. Aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung kann eine Zeitkonstante bestimmt werden. Diese Zeitkonstante kann anschließend, beispielsweise durch die Ansteuerung 138, mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Liegt die Zeitkonstante beispielsweise unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, so kann automatisch auf einen Defekt des Sensors 1 12 geschlossen werden.
In Figur 4 ist ein weiteres Ersatzschaltbild des Sensors 1 12 gemäß Figur 1 A gezeigt, ergänzend zu Figur 2. Der Sensor 1 12 kann in diesem Ausführungsbeispiel zwei Doppelschichtelektroden 1 16 aufweisen, welche eine metallische Schicht 1 18 und eine Festelektrolytschicht 120 umfassen. Die Doppelschichtelektroden 1 16 können jeweils einen Anschlusswiderstand 156 aufweisen. Der Anschlusswiderstand 156 kann beispielsweise bei 1 Ω bis 100 Ω liegen, insbesondere bei 10 Ω bis 20 Ω. Die erste Phasengrenze 126 und die zweite Phasengrenze 128 können eine faradaysche
Doppelschichtkapazität darstellen und werden in dem Ersatzschaltbild als Kondensatoren 136 dargestellt werden
Der ohmsche Widerstand des Isolatorelements 158, in Figur 4 als zwei ohmsche
Widerstände gezeigt, kann beispielsweise bei 1 ΜΩ bis 100 ΜΩ liegen beispielsweise kann jeder der zwei ohmschen Widerstände 50 ΜΩ betragen. Das Substrat 124 kann weiterhin elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Der ohmsche Widerstand des Substrat 160 ist in Figur 4 als zwei ohmsche Widerstände dargestellt. Beispielweise kann der ohmsche Widerstand des Substrats 160 in der Größenordnung von 10 Ω bis 100 Ω sein.
Die Kapazität der faradayschen Doppelschicht kann beispielsweise in der Größenordnung 1 μΡ bis mehrere hundert μΡ liegen, insbesondere kann die Kapazität 2 μΡ betragen. Die elektrische Kapazität 162 der Elektroden 1 14 kann in der Größenordnung von einigen pF liegen. Bei einem die beiden Elektroden 1 14 umfassenden intakten Elektrodensystem kann, durch die im Vergleich zur elektrischen Kapazität 162 um Größenordnungen größere Kapazität der faradayschen Doppelschicht, die Zeitkonstante über dem vorgegebenen Schwellwert liegen. Liegt dagegen eine Zeitkonstante unterhalb des Schwellwert, kann die Kapazität im pF Bereich sein und auf einen Fehler im
Elektrodensystem hinweisen.
Weiter zeigt Figur 4 die Ansteuerung 138, welche eingerichtet sei kann eine Strom- Spannung-Messung durchzuführen. Die Ansteuerung kann die Strom- Spannungsmessvorrichtung 139 und die Datenverarbeitungsvorrichtung 144 aufweisen. Ein weiteres stark vereinfachtes Ersatzschaltbild zeigt Figur 5. Die Elektroden 1 14 des Sensor 1 12 sind ausgestaltet als Doppelschichtelektroden 1 16 und werden als ein Ersatz- Kondensator 164 mit faradayscher Doppelschicht dargestellt. Die Kapazität der faradayschen Doppelschicht liegt wie oben erläutert, im Bereich. Die elektrische Kapazität 162 der Elektroden ist als ein Kondensator gezeigt, welcher Kapazitäten im Bereich von pF aufweisen kann. Die in Figur 4 gezeigten Anschlusswiderstände 156 und ohmsche Widerstände des Substrats 160 können in der Größenordnung von einigen Ω liegen. Die in Figur 4 als zwei Widerstände dargestellten ohmschen Widerstände des Isolatorelements 158 können wie oben erläutert, beispielsweise im Bereich von 1 ΜΩ bis 100 ΜΩ liegen. Beispielsweise kann jeder der zwei ohmschen Widerstände 50 ΜΩ betragen. Somit können die Anschlusswiderstände 156 und ohmsche Widerstände des Substrats gegenüber den ohmschen Widerständen des Isolatorelements 158
vernachlässigt werden. In Figur 5 werden die zwei ohmschen Widerstände des
Isolatorelements 158 als ein Ersatz -Widerstand 166 dargestellt.

Claims

Sensor (1 12) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas, wobei der Sensor (1 12) mindestens eine Messanordnung (1 10) mit mindestens zwei
Elektroden (1 14) sowie mindestens ein zwischen den Elektroden (1 14)
angeordnetes Isolatorelement (122) aufweist, wobei aus einem Stromfluss zwischen den Elektroden (1 14) der Partikelgehalt in dem Messgas bestimmbar ist, wobei die Elektroden (1 14) mindestens ein metallisches Material aufweisen, wobei mindestens eine der Elektroden (1 14) als Doppelschichtelektrode (1 16) ausgebildet ist und mindestens zwei Phasengrenzen aufweist, wobei eine erste der Phasengrenzen (126) eine Phasengrenze zwischen dem metallischen Material und mindestens einem Festelektrolyten ist und wobei eine zweite der Phasengrenzen (128) eine Phasengrenze zwischen dem Festelektrolyten und dem Isolatorelement (122) ist.
Sensor (1 12) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens eine Doppelschichtelektrode (1 16) mindestens eine zweischichtige
Doppelschichtelektrode mit mindestens einer metallischen Schicht (1 18) des metallischen Materials und mindestens einer Festelektrolytschicht (120) des Festelektrolyten aufweist, wobei die Festelektrolytschicht (120) zwischen der metallischen Schicht (1 18) und dem Isolatorelement (122) angeordnet ist wobei die metallische Schicht (1 18) eine elektronische Leitfähigkeit aufweist und wobei die Festelektrolytschicht (120) eine ionische Leitfähigkeit aufweist.
Sensor (1 12) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Festelektrolytschicht (120) eine Dicke dFE aufweist, mit 0 < dFE ^ 200 μηη, vorzugsweise 5 μηη < dFE ^ 30 μηι.
4. Sensor (1 12) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die
metallische Schicht (1 18) eine Dicke dMe aufweist, mit 0 < dMe ^ 200 μηη, vorzugsweise 5 μηη < dMe ^ 30 μηι.
Sensor (1 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Doppelschichtelektrode (1 16) mindestens eine Mischelement- Doppelschichtelektrode (130) aufweist, wobei die Mischelement- Doppelschichtelektrode (130) eine Mischung des metallischen Materials und des Festelektrolyten aufweist. 6. Sensor (1 12) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Mischung des
metallischen Materials und des Festelektrolyten eine Konzentration CFE des
Festelektrolyten von 0 < CFE ^ 60 vol% aufweist, vorzugsweise eine Konzentration 20 vol% < cFE ^ 40 vol%. 7. Sensor (1 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das metallische
Material mindestens ein Metall umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Pd.
8. Sensor (1 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (1 12) mindestens ein Substrat (124) aufweist.
9. Sensor (1 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (1 12) weiterhin mindestens eine Ansteuerung (138) aufweist, wobei die Ansteuerung (138) eingerichtet ist, um eine Zeitkonstante der Messanordnung (1 10) zu bestimmen, wobei die Ansteuerung (138) weiterhin eingerichtet ist, um auf den
Partikelgehalt zu schließen.
10. Sensor (1 12) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ansteuerung (138) eingerichtet ist, um eine Fehlerdiagnose durchzuführen, wobei mindestens ein Schwellwertverfahren verwendet wird, wobei mindestens ein Schwellwert vorgegeben wird, wobei die Zeitkonstante mit dem Schwellwert verglichen wird, wobei, wenn die Zeitkonstante unterhalb des Schwellwerts liegt, auf einen Fehler in dem Sensor (1 12) geschlossen wird.
PCT/EP2014/065931 2013-08-15 2014-07-24 Kapazitive eigendiagnose des elektrodensystems eines partikelsensors WO2015022167A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018050384A1 (de) * 2016-09-16 2018-03-22 Robert Bosch Gmbh Sensorelement zur erfassung von partikeln eines messgases in einem messgasraum

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016003108A1 (de) * 2016-03-15 2017-09-21 Forschungszentrum Jülich GmbH Fachbereich Patente Verfahren zur in-situ Charakterisierung einer auf einem Substrat abzuscheidenden Schicht und Sensoranordnung

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10133385C1 (de) * 2001-07-10 2003-01-16 Bosch Gmbh Robert Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Gasstrom
US20110163761A1 (en) * 2010-01-07 2011-07-07 Ngk Insulators, Ltd. Particulate matter detection device and inspection method of the particulate matter detection device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6634210B1 (en) 2002-04-17 2003-10-21 Delphi Technologies, Inc. Particulate sensor system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10133385C1 (de) * 2001-07-10 2003-01-16 Bosch Gmbh Robert Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Gasstrom
US20110163761A1 (en) * 2010-01-07 2011-07-07 Ngk Insulators, Ltd. Particulate matter detection device and inspection method of the particulate matter detection device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018050384A1 (de) * 2016-09-16 2018-03-22 Robert Bosch Gmbh Sensorelement zur erfassung von partikeln eines messgases in einem messgasraum
CN109716101A (zh) * 2016-09-16 2019-05-03 罗伯特·博世有限公司 用于感测在测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件

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