Titel

Resistiver Partikelsensor Stand der Technik

Aus der US-201201 19759 A1 ist bereits ein resistiver Partikelsensor zum Nachweis von Ruß im Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem Sensorelement mit zwei in einem einem Abgas aussetzbaren Bereich des Sensorelements beabstandet zueinander verlaufenden Leiterbahnen zum resistiven Nachweis einer Partikelmenge bekannt.

Dabei wird eine Partikelmenge mittels einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Leiterbahnen sensiert.

Um die Abwesenheit von Ruß im Abgas von einer mangelnden Integrität des

Partikelsensors unterscheiden zu können, wird gemäß dem Stand der Technik ein Widerstand vorgesehen, der die Leiterbahnen miteinander verbindet. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass im Fall einer zwischen den Leiterbahnen vorliegenden Partikelmenge und einer daraus resultierenden leitenden Verbindung zwischen den Leiterbahnen die Feststellung der Integrität des Partikelsensors nicht mehr eindeutig möglich ist. Aus der US 8,860,439 B2 ist ebenfalls ein resistiver Partikelsensor zum Nachweis von

Ruß im Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem Sensorelement mit zwei in einem einem Abgas aussetzbaren Bereich des Sensorelements beabstandet zueinander verlaufenden Leiterbahnen zum resistiven Nachweis einer Partikelmenge bekannt. Die Leiterbahnen sind jeweils mit „plate conductors" verbunden und verlaufen in dem dem Abgas aussetzbaren Bereich des Sensorelements in einer geraden Linie beabstandet zueinander. Ein Wechselwirkungsbereich zwischen den Leiterbahnen ist daher vergleichsweise kurz. Die Sensitivität des Partikelsensors ist entsprechend gering.

Ein weiterer resistiver Partikelsensor ist aus der DE 101 33 384 A1 bekannt und weist kammförmige Leiterbahnen zum resistiven Nachweis einer Partikelmenge sowie einen in das Sensorelement integrierten mit den kammförmigen Leiterbahnen elektrisch verbundenen Plattenkondensator auf.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Partikelsensor weist Leiterbahnen auf, die über eine Kapazität miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ist die Integrität des Partikelsensors feststellbar. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Leiterbahnen in dem sensitiven Bereich in

Mäandern parallel zueinander verlaufen. Unter Leiterbahnen sind im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere metallische Strukturen zu verstehen, die insbesondere lokal eine Längserstreckung und zu dieser und untereinander senkrecht eine

Quererstreckung und eine Hocherstreckung aufweisen, wobei die Längserstreckung insbesondere wesentlich größer ist als die Quererstreckung und die Hocherstreckung.

Unter Leiterbahnen oder Leiterbahnabschnitten, die parallel zueinander verlaufen, sind im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere Leiterbahnen oder Leiterbahnabschnitte zu verstehen, deren Längserstreckung lokal in die gleiche Richtung weist.

Unter Leiterbahnen, die in Mäandern verlaufen, sind im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere Leiterbahnen zu verstehen, die mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei oder mindestens vier, insbesondere parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende, Leiterbahnabschnitte aufweisen, wobei insbesondere zwischen benachbarten Leiterbahnabschnitten insbesondere Kehren der Leiterbahnen angeordnet sind, die insbesondere Kurven mit einem Winkel von 150° bis 210° sind.

Unter einer Kapazität ist im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere eine Struktur aus zwei voneinander isolierten elektrischen Leitern zu verstehen, die insbesondere von den oben erläuterten Leiterbahnen verschieden sind. Um eine Kapazität im Sinne der Erfindung zu qualifizieren, sind die zwei voneinander isolierten elektrischen Leiter insbesondere derart ausgebildet und voneinander beabstandet, dass sie bei einer Potentialdifferenz von einem Volt die Ladungsmenge 50-800 pC (Picocoulomb) zu speichern vermögen. Mit anderen Worten: Der Wert der Kapazität beträgt

insbesondere 50 - 800 pF (Pikofarad).

Es ist weiterhin besonders bevorzugt, wenn der Wert der Kapazität nicht weniger als 100 pF und/oder nicht mehr als 400 pF beträgt. Unter Kontaktfläche zur Kontaktierung des Sensorelements sind im Rahmen dieser

Anmeldung insbesondere Bereiche, beispielsweise Endbereiche, von Leiterbahnen zu verstehen in denen eine Quererstreckung der Leiterbahn insbesondere vergrößert ist.

Unter einem Kondensator ist im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere ein elektronisches Bauteil zu versehen, dass insbesondere zumindest grundsätzlich separat, insbesondere getrennt von dem Sensorelement handhabbar ist.

Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Leiterbahnen verzweigungsfreie Leiterbahnen sind, die jeweils von einer außerhalb des dem Abgas aussetzbaren Bereichs angeordneten Kontaktfläche zur Kontaktierung des Sensorelements ausgehen, von der Kontaktfläche zu dem dem Abgas aussetzbaren Bereich des Sensorelements führen, dort in Mäandern verlaufen und nachfolgend wieder aus dem dem Abgas aussetzbaren Bereich heraus zu einer weiteren Kontaktfläche zur

Kontaktierung des Sensorelements führen und die Leiterbahnen über die beiden weiteren Kontaktflächen über die Kapazität miteinander verbunden sind.

Vorteilhafterweise kann hierbei die Kapazität ein an sich als gebräuchliches elektronisches Bauteil verfügbarer Kondensator sein, der in einfacher Weise in einem Gehäuse des Partikelsensors separat von dem Sensorelement, in einem mit dem Partikelsensor verbundenen Kabel, in einer mit dem Partikelsensor verbundenen

Steckverbindung und/oder in einem mit dem Partikelsensor verbundenen Steuergerät angeordnet werden kann.

Andere Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Leiterbahnen verzweigungsfreie Leiterbahnen sind, die jeweils von einer außerhalb des dem Abgas aussetzbaren Bereichs angeordneten Kontaktfläche zur Kontaktierung des

Sensorelements ausgehen, von der Kontaktfläche zu dem dem Abgas aussetzbaren Bereich des Sensorelements führen, dort in Mäandern verlaufen und nachfolgend zu der Kapazität führen.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Kapazität ganz oder teilweise in dem dem Abgas aussetzbaren Bereich des Sensorelements angeordnet ist, insbesondere auf der Oberfläche des Sensorelements und/oder ganz oder teilweise im Inneren des Sensorelements angeordnet ist. In diesem Fall können die Leiterbahnen besonders kurz sein.

Alternativ ist insbesondere vorgesehen, dass die Kapazität ganz oder teilweise außerhalb des dem Abgas aussetzbaren Bereichs des Sensorelements angeordnet ist, insbesondere auf der Oberfläche des Sensorelements und/oder ganz oder teilweise im Inneren des Sensorelements angeordnet ist. In diesem Fall ist die Kapazität weniger hohen Temperaturen bzw. weniger großen Temperaturschwankungen aussetzbar.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Kapazität aus zwei übereinander angeordneten metallischen vollflächigen Schichten und einer zwischen den

metallischen vollflächigen Schichten angeordneten Isolationsschicht besteht. In diesem

Fall ist der Wert der Kapazität besonders hoch.

Alternativ können die metallischen vollflächigen Schichten insbesondere durch metallische Gitter oder durch metallische Linienstrukturen ersetzt werden. In diesem Fall ist die Überdruckbarkeit der Kapazität besser.

Es ist möglich, dass jeweils eine der beiden metallischen vollflächigen Schichten bzw. eine der beiden metallischen Gitter bzw. eine der beiden metallische Linienstrukturen offen an der Oberfläche des Sensorelements liegt, während sie und die

Isolationsschicht ihr jeweiliges Gegenstück bedeckt. Alternativ können die Kapazitäten auch komplett im Inneren des Sensorelements angeordnet sein, bei einem aus flächigen Folien zusammengesetzten Sensorelement beispielsweise komplett zwischen derartigen Folien. In diesem Fall umfassen die Leiterbahnen bevorzugt eine Durchkontaktierung durch mindestens eine derartige Folie. In alternativen Ausführungsformen ist insbesondere vorgesehen, dass die Kapazität aus zwei nebeneinander auf einem Isolator angeordneten, kammartig ineinander greifenden und voneinander beabstandeten metallischen Strukturen besteht.

Diese Kapazität kann insbesondere durch eine auf dem Sensorelement aufgebrachte Schutzschicht abgedeckt werden. Sie kann beispielsweise hergestellt werden, indem die zwei nebeneinander auf einem Isolator angeordneten, kammartig ineinander greifenden metallischen Strukturen zunächst zusammenhängend, beispielsweise in Dickschichttechnologie, erzeugt und dann, beispielsweise durch Laserstrahlung, voneinander getrennt werden. Hierbei kann der Wert der Kapazität eingestellt, insbesondere eingeregelt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 zeigt eine Übersicht über einen erfindungsgemäßen Partikelsensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel

Figur 2 zeigt das Sensorelement des Partikelsensors aus Figur 1 in einer ersten Ausführungsform

Figur 3 zeigt das Sensorelement des Partikelsensors aus Figur 1 in einer zweiten Ausführungsform

Figur 4 zeigt das Sensorelement eines Partikelsensors gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel

Die Figuren 5a, 5b, 5c und 5d zeigen verschiedene Ausführungsformen des zweiten Ausführungsbeispiels

Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine Übersicht über einen erfindungsgemäßen Partikelsensor 1 10 im Querschnitt entlang der Längsachse des Partikelsensors 1 10. Dieser Partikelsensor 1 10 weist ein metallisches Gehäuse 1 1 1 mit einer Durchgangsbohrung 1 12 auf, in der ein keramisches Sensorelement 1 13 durch eine Dichtpackung 131 sowie eine abgasseitige Isolationshülse 132 und eine kontaktseitigen Isolationshülse 1 14 festgelegt ist. Auf einen kontaktseitigen Endbereich des Sensorelements 232 sind beispielsweise 4 bis 6 Kontaktfedern 1 15 aufgeschoben, die wiederum in einem Kontakthalter 214 gehalten sind. Auf ihrer dem Abgas abgewandten Seite ist die Schutzhülse 1 16 durch eine Dichttülle 122 verschlossen, durch die mit den

Kontaktfedern 1 15 elektrisch verbundene isolierte Leiter 123 hindurchgeführt sind.

Auf der dem Abgas zugewandten Seite des metallischen Gehäuses 1 1 1 sind zwei koaxiale Schutzrohre 141 , 142 mittels einer gemeinsamen umlaufenden Schweißnaht 160 an einem abgasseitigen Kragen 161 des Gehäuses 1 1 1 fixiert. Die Schutzrohre 141 , 142 weisen Öffnungen auf und decken einen abgasseitigen Endbereich des Sensorelements 233 ab. Dieser abgasseitige Endbereich des Sensorelements 233 ist somit ein dem Abgas aussetzbarer Bereich des Sensorelements 1 13. Der

kontaktseitige Endbereich des Sensorelements 232 ist hingegen ein im Sinne der Erfindung nicht dem Abgas aussetzbarer Bereich.

Zur Montage in einem Abgassystem weist der Partikelsensor 1 10 ein Außengewinde 151 und ein Außensechskantprofil 152 auf.

Figur 2 zeigt das Sensorelement 1 13 des Partikelsensors 1 10 aus Figur 1 in einer ersten Ausführungsform. Das Sensorelement ist als elektrisch isolierende Keramik ausgebildet und weist auf seiner Oberfläche zwei in seinem

abgasseitigen Endbereich 233 in Mäandern 252, 262 parallel und beabstandet zueinander verlaufende Leiterbahnen 25, 26 auf.

Genauer sind die beiden Leiterbahnen 25, 26 jeweils verzweigungsfrei

ausgeführt und erstrecken sich jeweils ausgehend von einer im kontaktseitigen Endbereich des Sensorelements 232 angeordneten Kontaktfläche 251 , 261 , die der Kontaktierung des Sensorelements 1 13 dient, und von der Kontaktfläche

251 , 261 jeweils zu dem abgasseitigen Endbereich des Sensorelements 233.

Dort verlaufen die Leiterbahnen 25, 26 jeweils in Mäandern 252, 262 parallel und beabstandet zueinander, bevor sie nachfolgend jeweils in einem

Zuleitungsabschnitt 253, 263 jeweils zu einem Kapazitätselement 254, 264 führen, dass im kontaktseitigen Endbereich 232 angeordnet ist. Die beiden

Kapazitätselemente 254, 264 sind vollflächig ausgebildete, übereinander angeordnete und durch eine elektrische Isolationsschicht 27 voneinander getrennte Leiterbahnelemente. Die beiden Kapazitätselemente 254, 264 und die Isolationsschicht 27 bilden die Kapazität 30, deren Wert im Beispiel 150pF (Pikofarad), 200pF oder 300pF betragen kann.

Das Sensorelement 1 13 weist ferner in seinem Inneren und auf seiner Rückseite, in der Figur 2 nicht dargestellt, Leiterbahnstrukturen zu seiner Beheizung und Temperaturkontrolle auf.

Alternativ wäre es auch möglich, die Zuleitungsabschnitte 253, 263 jeweils zu verkürzen und die Kapazitätselemente 254, 264 nebst der Kapazität 30 in dem dem Abgas aussetzbaren Bereich oder in dem abgasseitigen Endbereich 233 anzuordnen und/oder zwischen den Zuleitungsabschnitten 253, 263 und den Kapazitätselementen 254, 264 jeweils Durchkontaktierungen vorzusehen, die in das Innere des Sensorelements 1 13 führen, sodass die Kapazität 30 im Inneren des Sensorelements 1 13 angeordnet ist, wo sie vor Alterung besser geschützt ist.

Zusätzlich oder alternativ wäre es auch möglich, die Kapazitätselement 254, 264 nicht als metallische Vollflächen, sondern als metallische Gitter und/oder als metallischen Linienstrukturen vorzusehen.

Figur 3 zeigt das Sensorelement 1 13 des Partikelsensors 1 10 aus Figur 1 in einer zweiten Ausführungsform. Das Sensorelement 1 13 ist als elektrisch isolierende Keramik ausgebildet und weist auf seiner Oberfläche zwei in seinem abgasseitigen Endbereich 233 in Mäandern 252, 262 parallel und beabstandet zueinander verlaufende Leiterbahnen 25, 26 auf.

Genauer sind die beiden Leiterbahnen 25, 26 jeweils verzweigungsfrei ausgeführt und erstrecken sich jeweils ausgehend von einer im kontaktseitigen Endbereich des Sensorelements 232 angeordneten Kontaktfläche 251 , 261 , die der Kontaktierung des Sensorelements 1 13 dient, und von der Kontaktfläche 251 , 261 jeweils zu dem abgasseitigen Endbereich des Sensorelements 233. Dort verlaufen die Leiterbahnen 25, 26 jeweils in Mäandern 252, 262 parallel und beabstandet zueinander, bevor sie nachfolgend jeweils in einem

Zuleitungsabschnitt 253, 263 jeweils zu einem Kapazitätselement 254, 264 führen, das im kontaktseitigen Endbereich 232 angeordnet ist. Die beiden Kapazitätselemente 254, 264 sind nebeneinander auf dem Sensorelement 1 13 angeordnete, kammartig ineinander greifende und voneinander beabstandete metallischen Strukturen. Die beiden Kapazitätselemente 254, 264 bilden in Zusammenwirkung mit der isolierenden Keramik des Sensorelements 1 13 die Kapazität 30, deren Wert im Beispiel 150pF (Pikofarad) beträgt.

Das Sensorelement 1 13 weist ferner in seinem Inneren und auf seiner Rückseite, in der Figur 3 nicht dargestellt, Leiterbahnstrukturen zu seiner Beheizung und Temperaturkontrolle auf.

Alternativ wäre es auch möglich, die Zuleitungsabschnitte 253, 263 jeweils zu verkürzen und die Kapazitätselemente 254, 264 nebst der Kapazität 30 in dem dem Abgas aussetzbaren Bereich oder in dem abgasseitigen Endbereich 233 anzuordnen und/oder zwischen den Zuleitungsabschnitten 253, 263 und den Kapazitätselementen 254, 264 jeweils Durchkontaktierungen vorzusehen, die in das Innere des Sensorelements 1 13 führen, sodass die Kapazität 30 im Inneren des Sensorelements 1 13 angeordnet ist, wo sie vor Alterung besser geschützt ist. Alternativ ist auch ein Schutz der Kapazitätselementen 254, 264 durch eine zusätzliche auf das Sensorelement 1 13 aufgebrachte Abdeckschicht möglich.

Die Kapazitätselemente 254, 264 in dieser Ausführungsform können

beispielsweise durch Trennen mittels Laserschnitt aus einer Vollfäche hergestellt werden.

Figur 4 zeigt das Sensorelement 1 13 eines Partikelsensors 1 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Das Sensorelement 1 13 ist als elektrisch isolierende Keramik ausgebildet und weist auf seiner Oberfläche zwei in seinem abgasseitigen Endbereich 233 in Mäandern 252, 262 parallel und beabstandet zueinander verlaufende

Leiterbahnen 25, 26 auf.

Genauer sind die beiden Leiterbahnen 25, 26 jeweils verzweigungsfrei ausgeführt und erstrecken sich jeweils ausgehend von einer im kontaktseitigen Endbereich des Sensorelements 232 angeordneten Kontaktfläche 251 , 261 , die der Kontaktierung des Sensorelements 1 13 dient, und von der Kontaktfläche 251 , 261 jeweils zu dem abgasseitigen Endbereich 233 des Sensorelements. Dort verlaufen die Leiterbahnen 25, 26 jeweils in Mäandern 252, 262 parallel und beabstandet zueinander, bevor sie nachfolgend jeweils in einem

Zuleitungsabschnitt 253, 263 jeweils zu einer weiteren Kontaktfläche 256, 266 zur Kontaktierung des Sensorelements 1 13 führen, die außerhalb des dem Abgas aussetzbaren Bereichs angeordnet sind.

Das Sensorelement 1 13 weist ferner in seinem Inneren und auf seiner Rückseite, in der Figur 4 nicht dargestellt, Leiterbahnstrukturen zu seiner Beheizung und Temperaturkontrolle auf.

Die Figuren 5a, 5b, 5c und 5d zeigen schematisch Gesamtansichten eines Partikelsensorssystems 300, das jeweils aus einem Partikelsensor 1 10 besteht, der grundsätzlich wie in der Figur 1 gezeigt aufgebaut ist und in den das in der Figur 4 gezeigte Sensorelement 1 13 integriert ist. Mit dem Partikelsensor 1 10 ist über ein Kabel 301 und eine Steckverbindung 302 ein Steuergerät 303, beispielsweise ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine, elektrisch verbunden.

Über die weiteren Kontaktflächen 256, 266 des Sensorelements 1 13 (siehe Figur 4) und entsprechende Kontaktfedern 1 15 (siehe Figur 1 ) sind die Leiterbahnen 25, 26 (siehe Figur 4) mit einer als Kondensator 31 ausgebildeten Kapazität 30 elektrisch verbunden, deren Wert im Beispiel 300pF (Pikofarad) beträgt.

Der Kondensator 31 kann beispielsweise in einem Gehäuse 1 1 1 des

Partikelsensors 1 13 oder in einer an dem Gehäuse 1 1 1 fixierten Schutzhülse 1 16 des Partikelsensors 1 10 angeordnet sein (siehe Figur 5a) oder in dem Kabel 301 (siehe Figur 5b) oder in der Steckverbindung 302 (siehe Figur 5c) oder in dem Steuergerät 303 (siehe Figur 5d) angeordnet sein.