Titel

Sensor zur Detektion von Teilchen umfassend eine Prüfvorrichtung zur überprüfung der Beschaffenheit einer isolierenden Schicht

Beschreibung

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, gemäß der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 näher definierten Art aus.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Konzentration von leitfähigen Teilchen, beispielsweise Rußpartikeln in einem Abgas, mittels zweier oder mehrerer kammartig ineinander greifender metallischer Elektroden (interdigitales Elektrodensystem, Kammelektrode), die auf einer elektrisch isolierenden keramischen Schicht angeordnet sind, gemessen werden kann. Sensoren, die auf einem derartigen Prinzip beruhen, welches als sammelndes Prinzip einzuordnen ist, werden als resistive Partikelsensoren bezeichnet. Die Messung der Teilchenkonzentration kann dabei beispielsweise durch eine Messung des im Fall von Teilchenanlagerung abnehmenden elektrischen Widerstandes der die beiden Elektroden trennenden isolierenden keramischen Schicht erfolgen. Zur

Regeneration kann das Sensorelement mit Hilfe einer integrierten Heizvorrichtung von den angelagerten Teilchen befreit werden. Derartige Sensoren werden von der DE 101 493 33 Al sowie der WO 2003006976 A2 beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom mit den

Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der zusätzlich über mindestens

eine Prüfvorrichtung zur überprüfung der Beschaffenheit, insbesondere der isolierenden Wirkung, mindestens einer isolierenden Schicht verfügt, hat den Vorteil, dass eine oder mehrere Isolationsschichten eines Sensorelements unabhängig voneinander und eindeutig auf ihre Beschaffenheit bzw. Güte, beispielsweise hinsichtlich der Isolationsfestigkeit und Lochfreiheit, überprüft werden kann. Dies ist für die Güte der Sensormesszelle und des

Trägerelements von besonderer Wichtigkeit, da die Isolationsfestigkeit und Lochfreiheit einer zwischen den Elektroden und dem Trägerelement befindlichen isolierenden Schicht bzw. einer zwischen der Heizvorrichtung und dem Trägerelement befindlichen isolierenden Schicht dringende Voraussetzung für ein stabiles Sensorsignal bzw. für den Stabilitätserhalt des Trägerelements während des Betriebes der Heizvorrichtung ist. Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung kann daher der Qualitätsprüfung und -sicherstellung dienen. Darüber hinaus können durch eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise während einer Prozesskette oder in einem Fahrzeug, auftretende Fehlmessungen vermieden werden.

Der erfindungsgemäße Sensor kann beispielsweise in einem Abgasstrom eines Kraftfahrzeuges mit einem Dieselmotor oder einer ölheizung angeordnet sein und eingesetzt werden. Da in naher Zukunft der Partikelausstoß, insbesondere von Fahrzeugen während des Fahrbetriebes nach dem Durchlaufen eines Motors bzw. Dieselpartikelfilters (DPF), per gesetzlicher Vorschrift überwacht werden muss (On

Board Diagnose, OBD), ist die überwachung des Partikelausstoßes von besonderem Interesse. Die vorliegende Erfindung bietet neben einer Möglichkeit einer derartigen überwachung des Partikelausstoßes den Vorteil einer Beladungsprognose von Dieselpartikelfiltern, die zur Regenerationskontrolle benötigt wird und durch die eine hohe Systemsicherheit erreicht werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird.

Figur 1 zeigt eine Explosionszeichnung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit enthaltener Prüfvorrichtung zur überprüfung der Beschaffenheit, insbesondere der isolierenden Wirkung, mindesten einer isolierenden

Schicht.

Beschreibung der Abbildung

Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor (1) zur

Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, mindestens umfassend ein Elektrodensystem

(2) mit mindestens zwei, insbesondere kammartig ineinander greifenden, Elektroden, eine isolierende Schicht (3), eine Prüfvorrichtung (4), ein Trägerelement (5), eine weitere isolierende Schicht (6) sowie eine Heizvorrichtung (7). Die Prüfvorrichtung (4) dient zur überprüfung der Beschaffenheit, insbesondere der isolierenden Wirkung, der isolierenden Schichten (3) und (6). Die Prüfvorrichtung umfasst dabei ein flächenförmiges Element (8), ein Leitungselement (9), ein weiteres flächenförmiges Element (10), zwei weitere Leitungselemente (11) und (12) sowie zwei Strommessinstrumente (13) und (14). Der Stromkreis der Prüfvorrichtung (4) ist dabei derart mit dem Leitungselement (15) des Elektrodensystems bzw. dem Leitungselement

(16) der Heizvorrichtung verbunden, dass im Falle eines Defekts der isolierenden Schicht

(3) bzw. (6) ein Leckstrom gemessen wird.

Das direkt an die Prüfvorrichtung (4) angebundene elektrisch leitfähige Trägerelement (5) ist zudem an der Funktion der Prüfvorrichtung beteiligt.

Im Rahmen dieser bevorzugten Ausführungsform sind das Elektrodensystem (2), die isolierenden Schichten (3), die Prüfvorrichtung (4) und das Trägerelement (5), die isolierende Schicht (6) und die Heizvorrichtung (7) in Form von zueinander parallelen Ebenen ausgebildet, die in der Reihenfolge Elektrodensystem (2), isolierende Schicht (3),

Prüfvorrichtung (4), Trägerelement (5), isolierende Schicht (6) und Heizvorrichtung (7) aufeinander aufbauen. Zweckmäßiger Weise ist das flächenförmige Element (8) der Prüfvorrichtung (4) dabei unter- oder oberhalb der für die Detektion von Teilchen relevanten Fläche (17) des Elektrodensystems (2) angeordnet, welches über eine eigene Strommessinstrument (18) verfügt.

Da das flächenförmige Element (8), das Leitungselement (9) sowie das weitere flächenförmige Element (10) der Prüfvorrichtung (4) im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform von der isolierenden Schicht (3) und dem Trägerelement (5) eingeschlossen sind, verfügt die isolierende Schicht (3) in dieser Ausführungsform über eine Aussparung (19) durch welche diese durch das weitere Leitungselement (11) der

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Prüfvorrichtung an das Strommessinstrument (13) der Prüfvorrichtung angeschlossen werden kann.

Die für die Heizung relevante Fläche (20) der Heizvorrichtung (7) ist dabei unter- oder oberhalb, insbesondere mittig unter- oder oberhalb, zu der für die Detektion relevanten

Flächen des Elektrodensystems (17) bzw. des flächenförmigen Elementes (8) der Prüfvorrichtung angeordnet.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom mindestens ein Elektrodensystem mit mindestens zwei, insbesondere kammartig ineinander greifenden, Elektroden und mindestens eine isolierende Schicht sowie eine Heizvorrichtung und ist dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich über mindestens eine Prüfvorrichtung zur überprüfung der Beschaffenheit, insbesondere der isolierenden Wirkung, der mindestens einen isolierenden Schicht verfügt.

Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung mindestens ein flächenförmigen Element und mindestens einem Leitungselement. Gegebenenfalls umfasst die PrüfVorrichtung ein weiteres flächenförmiges Element. Darüber hinaus umfasst die PrüfVorrichtung mindestens ein weiteres Leitungselement und mindestens ein Strommessinstrument. Die Prüfvorrichtung ist an dem Leitungselement der Prüfvorrichtung bzw. gegebenenfalls an dem weiteren flächenförmigen Element der PrüfVorrichtung durch das mindestens eine weitere Leitungselement an das mindestens eine Strommessinstrument angeschlossen. Das flächenförmige Element und das erste Leitungselement sowie gegebenenfalls das zweite flächenförmige Element befinden sich dabei in einer Ebene.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße PrüfVorrichtung ein Trägerelement. Die Ebene des flächenförmigen Elements, des Leitungselement und des gegebenenfalls zweiten flächenförmigen Elements liegt dabei parallel zur Ebene des Trägerelements. Erfindungsgemäß stehen das flächenförmige Element, das Leitungselement sowie das gegebenenfalls zweite flächenförmige Element in Kontakt mit dem Trägerelement. Auf der der Trägerelementebene abgewandten Seite der Ebene des flächenförmigen Elements, des Leitungselements sowie des gegebenenfalls zweiten flächenförmigen Elements befindet sich eine ebenfalls parallele Ebene der zu prüfenden isolierenden Schicht. Mit dieser isolierenden Schicht stehen das

flächenförmige Element, das Leitungselement sowie das zweite flächenförmige Element der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ebenfalls in Kontakt. Auf der der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung abgewandten Seite der isolierenden Schicht befindet sich, ebenfalls in paralleler Anordnung, die Ebene eines Elektrodensystems. Auf der dem Elektrodensystem abgewandten Seite des Trägerelements befindet sich eine dem

Trägerelement ebenfalls parallele weitere Isolationsschicht von gleicher Größe.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Sensor eine Heizvorrichtung, die der weiteren Isolationsschicht auf der dem Elektrodensystem und der Trägerelement abgewandten Seite folgt. Die für die Heizung relevante Fläche der

Heizvorrichtung ist dabei vorzugsweise unter- oder oberhalb der für die Detektion von Teilchen relevanten Flächen des Elektrodensystems angeordnet.

Für die Messeigenschaften der Prüfvorrichtung ist es nicht notwendig, dass die Prüfvorrichtung die gesamte Fläche der isolierenden Schicht bzw. des Elektrodensystems oder der Heizvorrichtung abdeckt. Zweckmäßiger Weise deckt jedoch die Fläche des Trägerelements die gesamte Fläche der isolierenden Schicht bzw. des Elektrodensystems ab.

Die weiteren flächigen Elemente der Prüfvorrichtung können so angeordnet sein, dass die oberhalb oder unterhalb der Ebene des flächenförmigen Elements liegenden Schichten Aussparungen aufweisen, durch die das mindestens eine weitere Leitungselement geführt und das Leitungselement der Prüfvorrichtung bzw. das gegebenenfalls weitere flächenförmige Element und damit das Leitungselement der Prüfvorrichtung an das mindestens eine Strommessinstrument angeschlossen werden kann.

Das flächenförmige Element, das Leitungselement und das gegebenenfalls weitere flächenförmige Element der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung zur überprüfung der Beschaffenheit, insbesondere der isolierenden Wirkung, mindestens einer isolierenden Schicht, bestehen aus einem elektrisch leitfähigen und hochtemperaturstabilen Material.

Dabei bedeutet „hochtemperaturstabü" im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass das Material bis zu einer Temperatur von beispielsweise etwa 1200 ⁰ C keine der für den erfindungsgemäßen Zweck notwendigen Eigenschaften verliert. Für den erfindungsgemäßen Einsatz als elektrisch leitfähiges Material sind Halbleiter oder Metalle, beispielsweise übergangmetallen wie Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen,

Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium, Rhodium geeignet. Vorzugsweise

handelt es sich bei dem elektrisch leitfähigen und hochtemperaturstabilen Material um Platin.

Um die Materialkosten für das flächenformige Element, das Leitungselement und das gegebenenfalls weitere flächenformige Element der Prüfvorrichtung gering zu halten, bestehen diese aus möglichst wenig Material und sind so dünn gestaltet wie es, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Messeigenschaften der Prüfvorrichtung zu haben, möglich ist.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen die

Länge des flächenförmigen Elements in einem Bereich von etwa 200 bis etwa 3 500, beispielsweise in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 400, insbesondere in einem Bereich von etwa 190 bis etwa 210 μm, die Breite des flächenförmigen Elements in einem Bereich von etwa 200 bis etwa 10 000, beispielsweise in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 600, insbesondere in einem Bereich von etwa 190 bis etwa 200 μm und die

Dicke des flächenförmigen Elements in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 100 μm, beispielsweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 30 μm, insbesondere in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 20 μm.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen die

Länge und Breite des weiteren flächenförmigen Elements in einem Bereich von etwa 1000 bis etwa 2000, beispielsweise in einem Bereich von etwa 1100 bis etwa 1900, insbesondere in einem Bereich von etwa 1200 bis etwa 1300 μm und die Dicke des flächenförmigen Elements in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 100 μm, beispielsweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 30 μm, insbesondere in einem Bereich von etwa

15 bis etwa 20 μm.

Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Leitungselement der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung um ein schmales Band einer Länge in einem Bereich von etwa 30 000 bis etwa 48 000, beispielsweise in einem Bereich von etwa 35 000 bis etwa 45 000, insbesondere in einem Bereich von etwa 39 990 bis etwa 40 010 μm. Im Falle eines schmalen Bandes hat dieses eine Breite in einem Bereich von etwa 50 bis etwa 2000, beispielsweise in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 500, insbesondere in einem Bereich von etwa 190 bis etwa 210 μm und eine Dicke in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 100, beispielsweise in einem

Bereich von etwa 10 bis etwa 30, insbesondere in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 20 μm.

Das erfindungsgemäße Trägerelement besteht aus einem leitfähigen Material. Insbesondere basiert das Trägerelement auf einem keramischen Material, beispielsweise auf Zrü ₂ , welches insbesondere aufgrund einer Dotierung, beispielsweise mit Yttrium, leitfähig ist. Durch eine Dotierung kann die Leitfähigkeit des Trägerelementmaterials gezielt eingestellt werden. Zweckmäßiger Weise weist das Trägerelementmaterial eine Leitfähigkeit in einem Bereich von etwa 0,01 bis etwa 100, beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 50, insbesondere in einem Bereich von etwa 1 bis etwa

10 μS auf. Das Trägerelement kann in Form einer Folie ausgestaltet sein. Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform weist das Trägerelement eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,7 mm, beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,6 mm, insbesondere in einem Bereich von etwa 0,45 bis etwa 0,55 mm auf.

Die isolierende Schicht besteht aus einem platten- oder schichtförmigen Substrat. Bei dem platten- oder schichtförmigen Substrat, auch handelt es sich um ein isolierendes Material, beispielsweise eine Keramik oder ein Glas, insbesondere AI ₂ O3. Zweckmäßiger Weise weist die isolierende Schicht eine Platten- oder Schichtdicke in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 100 μm oder von etwa 10 bis etwa 50 μm, insbesondere von etwa 20 bis etwa 40 μm auf. Das Elektrodensystem kann auf einfache Weise durch Verfahren wie das Siebdruckverfahren auf die isolierende Schicht aufgedruckt werden.

Das Elektrodensystem mit mindestens zwei, insbesondere kammartig ineinander greifenden, Elektroden kann eine so genannte Interdigitalstruktur aufweisen und beispielsweise eine Kammelektrode sein. Zweckmäßiger Weise weisen die mindestens zwei kammartig ineinander greifenden Elektroden des Elektrodensystems zueinander beispielsweise Abstände in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 400 oder von etwa 190 bis etwa 210, insbesondere von etwa 70 bis etwa 80 auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist das flächenfόrmige Element der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung unter- oder oberhalb, insbesondere mittig unter- oder oberhalb, der für die Detektion relevanten Fläche des Elektrodensystems angeordnet.

Der erfindungsgemäße Sensor zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, in einem Gasstrom beruht auf dem Prinzip einer Widerstandsmessung an einem Elektrodensystem mit betriebsbedingter Teilchenanlagerung. Die steigende

Konzentration der sich auf der Sensoroberfläche anlagernden Teilchen führt dabei im Fall einer Wechselstromanordnung zu einer Verringerung der Impedanz bzw. im Fall einer Gleichstromanordnung zur Widerstandsabnahme des Elektrodensystems. Dies geht bei konstant angelegter Spannung mit einer Zunahme des Stromflusses einher. Die Zunahme des gemessenen Sensorstromes bzw. die Verringerung der Impedanz bzw. des

Widerstandes des Elektrodensystems kann gemessen und mit der angelagerten Teilchenmasse und damit auch mit der im Abgas vorherrschenden Teilchenkonzentration bzw. dem Teilchenmassenstrom korreliert werden. Alternativ dazu kann die angelagerte Teilchenmasse, insbesondere Rußmasse, auch durch die Definition eines Schwellwertes (Auslöseschwelle) und Messung einer Sammelzeit bis zum Erreichen dieses

Schwellwertes bestimmt werden.

Um den Sensor von angelagerten Teilchen zu befreien und zu regenerieren umfasst der erfindungsgemäße Sensor darüber hinaus, vorzugsweise eine integrierte, von der Lambda-Sonde bekannte, Heizvorrichtung. Durch eine solche Heizvorrichtung können die nach einer bestimmten Ruß-Sammelzeit an dem Sensor angelagerte Rußpartikel durch Eigenbeheizung verbrannt werden. Zweckmäßiger Weise umfasst die Heizvorrichtung über eine Heizerisolation. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die für die Heizung relevante Fläche der Heizvorrichtung unter- oder oberhalb, insbesondere mittig unter- oder oberhalb, der für die Detektion relevanten Flächen des Elektrodensystems bzw. des flächenförmigen Elementes der Prüfvorrichtung angeordnet.

Gegebenenfalls kann an den Elektroden des Sensors ein Plattenkondensator ausgebildet sein. Mittels eines derartigen Plattenkondensators, dessen Platten vorzugsweise parallel zu der isolierenden Schicht ausgebildet sind, sind erhöhte Kapazitäten realisierbar.

Zweckmäßiger Weise ist ein solcher Plattenkondensator mit einem Dilelektrikum ausgebildet, wobei das Dielektrikum beispielsweise AI ₂ O ₃ sein kann.

Zur Beruhigung des Gasstroms und damit zur bevorzugten Ablagerung von Teilchen auf dem Substrat und zum Schutz des Elektrodensystems vor einer abrasiven Wirkung der

Gasströmung, kann der Sensor eine Fanghülse, die zumindest zum Teil das Elektrodensystem überdeckt, aufweisen. Vorteilhafter Weise besteht eine solche Fanghülse aus einem hochisolierenden Werkstoff, beispielsweise aus einer Keramik wie Al ₂ O ₃ .

Unter Verwendung einer Temperaturmessvorrichtung, die vorzugsweise mäanderformig ausgestaltet und ist, kann beispielsweise die gemessene, temperaturabhängige Impedanz bzw. der temperaturabhängige Widerstandes korrigiert oder die Heizvorrichtung gesteuert werden. Zweckmäßiger Weise verfügt die Temperaturmessvorrichtung über ein Isolationssystem.

Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beruht der erfindungsgemäße Sensor auf einer von Lambda-Sensoren bekannten, keramischen Mehrlagentechnik.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen.