Titel

Sensorelement zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem

Messgasraum

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen zu Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln. Insbesondere kann es sich bei den Partikeln um Ruß- oder Staubpartikel handeln. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer

Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensorelemente zur Detektion von Rußpartikeln beschrieben.

Zwei oder mehrere metallische Elektroden können auf einem elektrisch isolierenden Träger angebracht werden. Die sich unter Einwirkung einer

Spannung anlagernden Teilchen, insbesondere die Rußpartikel, bilden in einer sammelnden Phase des Sensorelements elektrisch leitfähige Brücken zwischen den beispielsweise als kammartig ineinander greifende Interdigitalelektroden ausgestalteten Elektroden und schließen diese dadurch kurz. In einer regenerierenden Phase werden die Elektroden üblicherweise mit Hilfe eines integrierten Heizelementes freigebrannt. In der Regel werten die

Partikelsensoren die aufgrund der Partikelanlagerung geänderten elektrischen Eigenschaften einer Elektrodenstruktur aus. Es kann beispielsweise ein abnehmender Widerstand oder ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung gemessen werden.

Nach diesem Prinzip arbeitende Sensorelemente werden im Allgemeinen als resistive Sensoren bezeichnet und existieren in einer Vielzahl von

Ausführungsformen, wie z.B. aus DE 103 19 664 AI, DE 10 2006 042 362 AI, DE 103 53 860 AI, DE 101 49 333 AI und WO 2003/006976 A2 bekannt. Die als Rußsensoren ausgestalteten Sensorelemente werden üblicherweise zur Überwachung von Diesel-Partikelfiltern eingesetzt. Im Abgastrakt einer

Brennkraftmaschine sind die Partikelsensoren der beschriebenen Art in der Regel in ein Schutzrohr aufgenommen, das gleichzeitig beispielsweise die Durchströmung des Partikelsensors mit dem Abgas erlaubt.

Aufgrund eines steigenden Umweltbewusstseins und auch zum Teil bedingt durch gesetzliche Vorschriften muss der Rußausstoß während des Fahrbetriebes überwacht und die Funktionalität der Überwachung sichergestellt werden. Diese Art der Überwachung der Funktionalität wird im Allgemeinen als On-board- Diagnose bezeichnet. Vorrichtungen und Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors sind beispielsweise aus DE 10 2009 028 239 AI, DE 10 2009 028 283 AI, DE 2007 046 096 AI, DE 10 2006 042 605 AI und US

2012/0119759 AI bekannt.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente zur Erfassung von Partikeln beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So ist insbesondere die gesetzlich geforderte Eigenüberwachung des Rußsensors hinsichtlich elektrischer Funktionalität schwierig umzusetzen. Insbesondere eine kontinuierliche Überwachung, vorzugsweise mit einer fest vorgegebenen, minimalen Frequenz, wie beispielsweise eine Überwachung mit mindestens 2 Hz, stellt eine Herausforderung dar. Weiterhin können parasitäre Effekte, wie beispielsweise die Impedanz eines mitzumessenden Kabelbaums, die

Eigendiagnose erschweren. Auch Ablagerungen mit unbekannten elektrischen Eigenschaften, beispielsweise auf Elektrodeneinrichtungen, können zu

Überlagerungen des gewünschten Messeffektes führen. Des Weiteren können bekannte Verfahren und/oder bekannte Vorrichtungen den Nachteil haben, dass im Fehlerfall stets ein Totalausfall detektiert wird, selbst wenn die

Elektrodeneinrichtung bei einem Teildefekt noch teilweise, insbesondere beispielsweise noch zu 90 %, funktionsfähig ist.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorelement zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum

vorgeschlagen. Unter einem Sensorelement wird im Rahmen der vorliegenden

Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, die Partikel qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen und welche beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Ansteuereinheit und geeignet ausgestalteten Elektroden ein elektrisches Messsignal entsprechend der erfassten Partikel erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Bei den erfassten Partikeln kann es sich insbesondere um Rußpartikel und/oder Staubpartikel handeln. Hierbei können DC-Signale und/oder AC-Signale verwendet werden. Des

Weiteren kann beispielsweise zur Signalauswertung aus der Impedanz ein resistiver Anteil und/oder ein kapazitiver Anteil verwendet werden.

Das Sensorelement kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas des Kraftfahrzeugs handeln. Auch andere Gase und Gasgemische sind grundsätzlich möglich. Bei dem Messgasraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen, offenen oder geschlossenen Raum handeln, in welchem das Messgas aufgenommen ist und/oder welcher von dem Messgas durchströmt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgasraum um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, handeln.

Das Sensorelement umfasst einen Träger, wobei auf den Träger eine erste Elektrodeneinrichtung und eine zweite Elektrodeneinrichtung aufgebracht sind. Die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung weisen jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenfingern auf, wobei jeder Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung mit mindestens einem Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung durch mindestens einen Abschlusswiderstand verbunden ist.

Unter einem Träger wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Substrat verstanden, welches geeignet ist, die erste

Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung zu tragen, und/oder auf welches die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung aufgebracht werden können. Unter Elektrodeneinrichtungen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich beliebige elektrische Leiter verstanden, die für eine Strommessung und/oder eine Spannungsmessung geeignet sind, und/oder welche mindestens ein mit den Elektrodeneinrichtungen in Kontakt stehendes Element mit einer Spannung und/oder einem Strom beaufschlagen können. Unter dem Begriff Elektrodenfinger wird im Rahmen der vorliegenden

Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Elektrodeneinrichtung verstanden, deren Abmessung in einer Dimension die Abmessung in mindestens einer anderen Dimension deutlich überschreitet, beispielsweise mindestens um einen Faktor 2, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 3, besonders bevorzugt mindestens um einen Faktor 5. Unter einer Mehrzahl wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Anzahl von mindestens zwei verstanden.

Unter einem Abschlusswiderstand wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger elektrischer Widerstand verstanden, der mindestens einen Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung mit mindestens einem Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung elektrisch verbindet derart, dass in Abwesenheit abgelagerter Partikel, insbesondere in Abwesenheit abgelagerter Ruß- oder Staubpartikel, bei Anlegen einer Spannung an die erste und die zweite Elektrodeneinrichtung zwischen der ersten Elektrodeneinrichtung und der zweiten Elektrodeneinrichtung ein messbarer Strom fließt. Insbesondere kann der messbare Strom bei Anlegen einer Spannung von 5 bis 60 V während einer Betriebstemperatur des Sensorelements in einem Temperaturintervall von 50 °C bis 500 °C einen Stromwert von 0,1 μΑ bis 10 μΑ annehmen.

Der mindestens eine Abschlusswiderstand kann mindestens einen Abschnitt eines Elektrodenfingers der ersten Elektrodeneinrichtung und mindestens einen

Abschnitt eines Elektrodenfingers der zweiten Elektrodeneinrichtung berühren. Unter einem Abschnitt eines Elektrodenfingers wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Segment eines Elektrodenfingers verstanden. Insbesondere kann der mindestens eine Abschlusswiderstand auch einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte oder sämtliche Abschnitte sämtlicher

Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung und einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte oder sämtliche Abschnitte sämtlicher Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung berühren. Der mindestens eine Abschlusswiderstand kann beispielsweise als diskretes

Bauelement auf den Träger aufgebracht sein. Der mindestens eine

Abschlusswiderstand kann jedoch auch als weiter unten noch näher

beschriebener Dotierbereich innerhalb des Trägers ausgestaltet sein.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements kann der mindestens eine Abschlusswiderstand derart ausgestaltet sein, dass in Abwesenheit abgelagerter Partikel, insbesondere in Abwesenheit abgelagerter Ruß-oder Staubpartikel, vorzugsweise bei der Betriebstemperatur des Sensorelements, ein Elektrodengesamtwiderstand in einem Bereich von 1 ΜΩ bis 150 ΜΩ, bevorzugt in einem Bereich von 2 ΜΩ bis 75 ΜΩ und besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 ΜΩ bis 50 ΜΩ liegt. Unter dem Begriff des„Elektrodengesamtwiderstands" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der elektrische Widerstand des durch die erste

Elektrodeneinrichtung, durch die zweite Elektrodeneinrichtung, durch den mindestens einen Abschlusswiderstand und gegebenenfalls durch weitere Bauelemente gebildeten Stromkreises verstanden. Aufgrund des geringen Widerstands der beiden Elektrodeneinrichtungen umfasst der

Elektrodengesamtwiderstand in der Regel im Wesentlichen den

Abschlusswiderstand oder, für den Fall, dass mehrere Abschlusswiderstände vorhanden sind, eine Summe der Abschlusswiderstände.

Unter dem Ausdruck "über einen Abschlusswiderstand verbunden" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass jeder

Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung mit mindestens einem

Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung mittels eines

Abschlusswiderstandes in elektrischem Kontakt steht. Der Träger kann als Trägermaterial mindestens ein keramisches Material, umfassen. Insbesondere kann der Träger eine oxidische Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid, insbesondere AI2O3, umfassen. Weitere Oxide, beispielsweise Zirkoniumoxid, sind jedoch möglich. Weiterhin kann der Träger mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen. Der Träger kann eine

Trägeroberfläche aufweisen. Unter einer Trägeroberfläche wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzliche eine beliebige Schicht verstanden, welche den Träger von seiner Umgebung abgrenzt, und auf welche die erste und die zweite Elektrodeneinrichtung aufgebracht sind. Der Träger kann mindestens einen Dotierbereich umfassen, wobei der

Dotierbereich mindestens einen Abschnitt eines Elektrodenfingers der ersten Elektrodeneinrichtung und mindestens einen Abschnitt eines Elektrodenfingers der zweiten Elektrodeneinrichtung berührt. Insbesondere kann der Dotierbereich auch einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte oder sämtliche Abschnitte sämtlicher Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung und einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte oder sämtliche Abschnitte sämtlicher Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung berühren. Unter dem Begriff Berühren wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass zwei Objekte in direktem Kontakt stehen. Insbesondere können die beiden Objekte in elektrischem Kontakt stehen. Unter einem Dotierbereich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Bereich des Trägers verstanden, welcher über in das Trägermaterial eingebrachte Fremdatome, insbesondere Metallatome verfügt, wobei die metallischen Fremdatome einen Teil der in dem Trägermaterial enthaltenen Metallatome ersetzen. Hierdurch kann der Dotierbereich mindestens ein dotiertes Trägermaterial umfassen, insbesondere ein mit Metalloxiden dotiertes Aluminiumoxid. Weitere Oxide sind jedoch möglich, insbesondere welche, die auch als Dotiermaterial Verwendung finden.

Der Träger kann somit in dem mindestens einen Dotierbereich mit einem

Dotiermaterial dotiert sein, wobei das Dotiermaterial das mit den metallischen

Fremdatomen versehene oxidische Trägermaterial bezeichnet. Insbesondere kann eine Konzentration des Dotiermaterials in dem mindestens einen

Dotierbereich einen Wert von 1 mol-% bis 100 mol-%, bevorzugt von 10 mol-% bis 90 mol-% und besonders bevorzugt von 20 mol-% bis 80 mol-% aufweisen. In einer beosnderen Ausführung kann somit in dem Dotierbereich das

Trägermaterial vollständig durch das Dotiermaterial ersetzt sein.

Das Dotiermaterial kann bevorzugt ein Metalloxid umfassen, wobei das

Dotiermaterial vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisenoxid, insbesondere Fe203; ZrÜ2; Cr203; MgO; MnO; Snri203; Tb ₄ Ü7; Gd203;

Y2O3 und einer beliebigen Mischung dieser Materialien.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann der Träger AI2O3 und der Dotierbereich 20 mol-% bis 100 mol-% Fe ₂ 0 ₃ , bevorzugt 40 bis 80 mol-% Fe ₂ 0 ₃ aufweisen, insbesondere da das so beschaffene keramische Mischoxid über eine geeignete elektrische Leifähigkeit verfügt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Oxide Snri203; Tb ₄ Ü7; Gd2Ü3 und/oder Y2O3 zum Dotieren geeignet. Hierbei kann sich auch die Dotierung aus einer Kombination von mindestens zwei Oxiden als vorteilhaft erweisen, z.B. um einen möglichst niedrigen Temperaturgang eines elektrischen Widerstands des dotierten Trägermaterials innerhalb eines ausgewählten Temperturfensters zu realisieren. Die Konzentrationen der einzelnen

Dotiermaterialien können in dem mindestens einen Dotierbereich jeweils einen Wert von 0 mol-% bis 100 mol-% aufweisen, beispielsweise kann eine

Materialkombination Sm ₂ 0 ₃ / Tb ₄ 0 ₇ / Gd ₂ 0 ₃ / Y ₂ 0 ₃ im Verhältnis 25% / 50% / 0% / 25% als besonders vorteilhaft verwendet werden. Andere Verhältnisse sind jedoch möglich.

Eine Breite des Dotierbereichs kann in einem Bereich von 10 μηη bis 2 mm, bevorzugt von 25 μηη bis 500 μηη und besonders bevorzugt von 50 μηη bis 250 μηη liegen. Weiterhin kann eine Länge des Dotierbereichs in einem Bereich von

10 μηη bis 2 mm, bevorzugt von 25 μηη bis 500 μηη und besonders bevorzugt von 50 μηη bis 250 μηη liegen. Eine Dicke des Dotierbereichs kann ferner in einem Bereich von 0,1 μηη bis 100 μηη, bevorzugt von 1 μηη bis 50 μηη und besonders bevorzugt von 2 bis 20 μηη liegen.

Unter einer Breite des Dotierbereichs wird im Rahmen der vorliegenden

Erfindung grundsätzlich die Ausdehnung des Dotierbereichs in diejenige

Raumdimension verstanden, welche parallel zu der Trägeroberfläche und senkrecht zu der hauptsächlichen Erstreckungsrichtung des Elektrodenfingers ist, welchen der Dotierbereich berührt. Unter einer Länge des Dotierbereichs wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich die Ausdehnung des Dotierbereichs in diejenige Raumdimension verstanden, welche parallel zu der Trägeroberfläche und parallel zu der hauptsächlichen Erstreckungsrichtung des Elektrodenfingers ist, welchen der Dotierbereich berührt. Unter einer Dicke des Dotierbereichs wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich die

Ausdehnung des Dotierbereichs in diejenige Raumdimension verstanden, welche sich senkrecht zu der Trägeroberfläche erstreckt.

Eine elektrische Leitfähigkeit des mindestens einen Dotierbereichs kann in Abwesenheit abgelagerter Partikel in einem Temperaturintervall von 50 °C bis

500 °C in einem Bereich von 1-10 ^"9 (Qcm) ^"1 bis 10 (Qcm) ^"1 , vorzugsweise in einem Bereich von 1-10 ^"8 (Qcm) ^"1 bis 1-10 ^"2 (Qcm) ^"1 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1-10 ^"7 (Qcm) ^"1 bis 1-10 ^"3 (Qcm) ^"1 liegen.

Die Elektrodenfinger der ersten und/oder der zweiten Elektrodeneinrichtu können einen mäanderförmigen Verlauf aufweisen. Unter einem mäanderförmigen Verlauf wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Verlauf der Elektrodeneinrichtung auf der

Trägeroberfläche verstanden, der mindestens eine S-Form und/oder mindestens eine Schlangenform und/oder mindestens eine Windung aufweist. Des Weiteren können die Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung und die

Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung kammartig ineinander greifen.

Die Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung können einen Abstand voneinander aufweisen, wobei der Abstand der Elektrodenfinger der ersten

Elektrodeneinrichtung innerhalb des Sensorelements konstant sein kann oder zumindest über einen Teil des Sensorelements variieren kann. Die

Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung können ebenfalls einen Abstand voneinander aufweisen, wobei der Abstand der Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung innerhalb des Sensorelements konstant sein kann oder zumindest über einen Teil des Sensorelements variieren kann. Die

Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung können einen Abstand von den Elektrodenfingern der zweiten Elektrodeneinrichtung aufweisen, wobei der Abstand innerhalb des Sensorelements konstant sein kann oder zumindest über einen Teil des Sensorelements variieren kann.

Das Sensorelement kann mindestens zwei Abschlusswiderstände aufweisen. Die Abschlusswiderstände können unterschiedliche Werte aufweisen. Die

Abschlusswiderstände können aber auch alle den gleichen Wert aufweisen. Bei unterschiedlichen Werten kann ggf. eine Fehlerzuordnung realisiert werden, welcher Bereich betroffen ist und davon abgeleitet eine Korrekturfunktion in der Ansteuereinheit realisiert werden, die eine bereichsabhängige Kompensation dieses Fehlers mit höherer Genauigkeit bei der Signalauswertung ermöglicht.

Die Abschlusswiderstände können sämtlich in einem Bereich des

Sensorelements liegen, welcher auch als„kalter Bereich" des Sensorelements bezeichnet werden kann und der nicht von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird. Der kalte Bereich des Sensorelements kann hierbei insbesondere eine Seite mit Anschlusskontakten zu einem Kabelbaum umafssen und typischerweise mittels einer Dichtpackung vom heißen Abgas getrennt und deshalb auch kälter sein. Die Abschlusswiderstände können jedoch zumindest teilweise in einem Bereich des Sensorelements liegen, welcher auch als„heißer Bereich" des Sensorelements bezichnet werden kann und der von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird. Hier kann sich der eigentliche Messbereich der Elektroden befinden; die aufgedruckten Elektrodenzuleitungen könnne in einem Übergangsbereich angebracht sein. Weiterhin können die

Abschlusswiderstände sich zumindest teilweise in einem Steuergerät befinden. Die zumindest teilweise Unterbringung der Abschlusswiderstände in dem

Steuergerät ermöglicht eine im Vergleich zu außerhalb des Steuergeräts untergebrachten Abschlusswiderständen höhere Temperaturkonstanz.

Im Falle eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit nur einem einzigen Abschlusswiderstand kann der Abschlusswiderstand in dem Steuergerät untergebracht sein. Dies ermöglicht eine im Vergleich zu einem außerhalb des Steuergeräts untergebrachten Abschlusswiderstand höhere

Temperaturkonstanz. Der eine Abschlusswiderstand kann aber auch in einem Bereich des Sensorelements liegen, der nicht von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird. Weiterhin kann der eine Abschlusswiderstand auch in einem Bereich des Sensorelements liegen, der von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird..

Das Sensorelement kann insbesondere als Rußpartikelsensor ausgestaltet sein. Weiterhin kann das Sensorelement in mindestens ein Schutzrohr aufgenommen sein.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle der Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten auch weitere Verfahrensschritte umfassen. Die Verfahrensschritte sind:

a) Bereitstellen eines Trägers; b) Aufbringen einer ersten Elektrodeneinrichtung und einer zweiten

Elektrodeneinrichtung auf den Träger, wobei die erste

Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung eine Mehrzahl von Elektrodenfingern aufweisen;

c) Erzeugen von mindestens einem Abschlusswiderstand auf dem Träger oder in dem Träger, wobei jeder Elektrodenfinger der ersten

Elektrodeneinrichtung mit mindestens einem Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung durch mindestens einen Abschlusswiderstand verbunden wird.

Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung, also gemäß einer der oben genannten

Ausführungsformen oder gemäß einer der unten noch näher beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Dementsprechend kann für Definitionen und optionale Ausgestaltungen weitgehend auf die Beschreibung des

Sensorelements verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.

In Schritt c) kann eine Dickschichttechnologie zur Aufbringung des

Abschlusswiderstands auf den Träger verwendet werden oder es kann eine Dotierung des Trägers zur Erzeugung mindestens eines Dotierbereichs in dem Träger erfolgen. Bei einer Nutzung der Dickschichttechnologie zur Erzeugung des Abschlusswiderstands kann der Abschlusswiderstand als diskretes

Bauelement auf den Träger, insbesondere auf das keramische Substrat, gedruckt werden.

Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Elektrodeneinrichtungen, insbesondere der Elektrodenstruktur, kann es möglich sein, eine

Eigendiagnosefähigkeit eines Sensorelements zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere kann es möglich sein, die Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung und die Elektrodenfinger der zweiten

Elektrodeneinrichtung einzeln, insbesondere mit einer Frequenz von mindestens 2 Hz, zu überwachen. Insbesondere kann es möglich sein bei einem Defekt eines Elektrodenfingers oder weniger Elektrodenfinger diesen Defekt zu detektieren und das Sensorelement weiterhin auf Basis der verbleibenden, intakten Elektrodenfinger zu benutzen.

Des Weiteren kann es möglich sein, die Genauigkeit, insbesondere die

Messgenauigkeit, mithilfe des erfindungsgemäßen Sensorelements gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere im Fall eines oder mehrerer defekter Elektrodenfinger, zu erhöhen. Insbesondere kann es möglich sein, bei einer Detektion eines Teildefekts eine Kompensation des Messsignals durchzuführen entsprechend der verringerten Empfindlichkeit des Sensorelements, solange diese einen Minimalwert nicht unterschreitet.

Weiterhin ist es möglich, die Anzahl der Elektrodenfinger möglichst hoch zu wählen. Dadurch kann es möglich sein, im Fehlerfall eine möglichst hohe

Differenzierung zwischen einem defekten Bereich und einem intakten Bereich zu erzielen. Insbesondere kann es möglich sein, dass bei einer hohen Anzahl von

Elektrodenfingern der Defekt eines einzelnen Elektrodenfingers oder von wenigen Elektrodenfingern geringe Auswirkung hat. Insbesondere kann es möglich sein, den Defekt eines oder weniger Elektrodenfinger zu kompensieren, insbesondere bei geringem Empfindlichkeitsverlust.

Des Weiteren können sich die Abschlusswiderstände in dem Bereich befinden, der nicht von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird, insbesondere in einem kalten Bereich oder kälteren Bereich des Sensorelements. Weiterhin ist es auch möglich, dass sich die Abschlusswiderstände im Steuergerät befinden, was eine hohe Temperaturkonstanz ermöglichen kann.

Ferner kann es möglich sein, dass bei Verwendung der Dickschichttechnologie, insbesondere bei Verwendung einer aktuellen Dickschicht-Technologie, zur Umsetzung der Elektrodeneinrichtungen bis auf die Abschlusswiderstände keine weiteren Änderungen erforderlich sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

Figuren 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen eines

erfindungsgemäßen Sensorelements, wobei das

Sensorelement in einer Draufsicht gezeigt ist;

Figur 4 Darstellung einer Abhängigkeit eines

Elektrodengesamtwiderstands bzw. eines

Eigendiagnosestroms von einer Anzahl defekter

Elektrodenfinger in einem Sensorelement; und

Figuren 5 bis 6 verschiedene Ausführungsformen eines

erfindungsgemäßen Sensorelements in einer

Querschnittsansicht.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren 1 bis 3 sind verschiedene Ausführungsformen eines

erfindungsgemäßen Sensorelements 110 zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum in einer Draufsicht gezeigt. Figur 4 zeigt in Form eines Diagramms 130 eine Abhängigkeit des

Elektrodengesamtwiderstands 128 sowie eine Abhängigkeit des

Eigendiagnosestroms 126 von einer Anzahl defekter Elektrodenfinger 132, wobei sich das Diagramm 130 auf die in Figur 3 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 bezieht. In den Figuren 5 und 6 sind verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum in einer Querschnittsansicht gezeigt. Diese Figuren werden im Folgenden gemeinsam erläutert.

Das Sensorelement 110 kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas des Kraftfahrzeugs handeln. Das Sensorelement 110 kann insbesondere ein oder mehrere in den Figuren nicht dargestellte weitere Funktionselemente umfassen, wie beispielsweise Elektroden, Elektrodenzuleitungen und Kontakte, mehrere Schichten, Heizelemente, elektrochemische Zellen oder andere

Elemente, wie beispielsweise in dem oben genannten Stand der Technik gezeigt. Weiterhin kann das Sensorelement 110 beispielsweise in einem ebenfalls nicht dargestellten Schutzrohr aufgenommen sein. Das Sensorelement 110 umfasst einen Träger 112, wobei auf den Träger 112 eine erste Elektrodeneinrichtung 114 und eine zweite Elektrodeneinrichtung 116 aufgebracht sind. Die erste Elektrodeneinrichtung 114 und die zweite

Elektrodeneinrichtung 116 weisen eine Mehrzahl von Elektrodenfingern 118 auf, wobei jeder Elektrodenfinger 118 der ersten Elektrodeneinrichtung 114 mit mindestens einem Elektrodenfinger 118 der zweiten Elektrodeneinrichtung 116 durch mindestens einen Abschlusswiderstand 120 verbunden ist.

Der mindestens eine Abschlusswiderstand 120 kann beispielsweise als diskretes Bauelement auf den Träger 112 aufgebracht sein, wie in Figur 5 dargestellt. Der mindestens eine Abschlusswiderstand 120 kann jedoch auch als weiter unten noch näher beschriebener Dotierbereich 122 innerhalb des Trägers 112 ausgestaltet sein, wie in Figur 6 gezeigt.

Der Träger 112 kann als Trägermaterial in diesen bevorzugten

Ausführungsformen mindestens ein keramisches Material umfassen.

Insbesondere kann der Träger 112 Aluminiumoxid, insbesondere AI2O3, umfassen. Weiterhin kann der Träger 112 mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen.

Der Träger 112 kann mindestens einen Dotierbereich 122 umfassen, wobei der Dotierbereich 122 mindestens einen Abschnitt eines Elektrodenfingers 118 der ersten Elektrodeneinrichtung 114 und mindestens einen Abschnitt eines

Elektrodenfingers 118 der zweiten Elektrodeneinrichtung 116 berührt, wie in

Figur 6 gezeigt. Insbesondere kann der Dotierbereich 122 auch einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte sämtlicher Elektrodenfinger 118 der ersten

Elektrodeneinrichtung 114 und einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte sämtlicher Elektrodenfinger 118 der zweiten Elektrodeneinrichtung 116 berühren. Der Abschnitt des Elektronenfingers 118 der ersten Elektrodeneinrichtung 114 und der Abschnitt des Elektrodenfingers 118 der zweiten Elektrodeneinrichtung 116, welche den Dotierbereich 122 berühren, können mit dem Dotierbereich 122 in elektrischem Kontakt stehen.

Der Träger 112 kann in dem mindestens einen Dotierbereich 122 über in das keramische Material eingebrachte Fremdatome, insbesondere Metallatome verfügen, wobei die metallischen Fremdatome einen Teil der in dem keramischen Material des Trägers 112 enthaltenen Metallatome ersetzen. Hierdurch kann der Dotierbereich 122 mindestens ein dotiertes keramisches Material umfassen, insbesondere ein mit Metalloxiden dotiertes Aluminiumoxid. Weitere Oxide sind jedoch möglich. Der Träger 112 kann somit in dem mindestens einen

Dotierbereich 122 mit einem Dotiermaterial dotiert sein, wobei das Dotiermaterial die mit den metallischen Fremdatomen versehene oxidische Keramik bezeichnet. Das Dotiermaterial kann bevorzugt ein Metalloxid umfassen, wobei das

Dotiermaterial vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisenoxid, insbesondere Fe2Ü3; ZrCh; 0203; MgO; MnO, Sm203, Tb ₄ 07, Gd203, Y2O3 und einer beliebigen Mischung dieser Materialien.

Weiterhin kann das Dotiermaterial in dem mindestens einen Dotierbereich 122 eine Konzentration von 1 mol-% bis 100 mol-%, bevorzugt von 10 mol-% bis 90 mol-% und besonders bevorzugt von 20 mol-% bis 80 mol-% aufweisen.

Insbesondere kann der Träger 112 AI2O3 aufweisen und der Dotierbereich 122 kann 40 bis 80 mol-% Fe2Ü3 aufweisen.

Eine Breite b des Dotierbereichs 122 kann in einem Bereich von 10 μηη bis 2mm, bevorzugt von 25 μηη bis 500 μηη und besonders bevorzugt von 50 μηη bis 250 μηη liegen. Weiterhin kann eine Länge des Dotierbereichs in einem Bereich von

10 μηη bis 2 mm, bevorzugt von 25 μηη bis 500 μηη und besonders bevorzugt von 50 μηη bis 250 μηη liegen. Eine Dicke d des Dotierbereichs kann ferner in einem Bereich von 0,1 μηη bis 100 μηη, bevorzugt von 1 μηη bis 50 μηη und besonders bevorzugt von 2 bis 20 μηη liegen. Die Breite b und die Dicke d des

Dotierbereichs sind in Figur 6 gezeigt. Eine elektrische Leitfähigkeit des mindestens einen Dotierbereichs kann in Abwesenheit abgelagerter Partikel in einem Temperaturintervall von 50 °C bis 500 °C in einem Bereich von 1-10 ^"9

(Qcm) ^"1 bis 10 (Qcm) ^"1 , vorzugsweise in einem Bereich von 1-10 ^"8 (Qcm) ^"1 bis 1-10 ^"2 (Qcm) ^"1 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1-10 ^"7 (Qcm) ^"1 bis 1-10 ^"3 (Qcm) ^"1 liegen.

Die Elektrodenfinger 118 der ersten Elektrodeneinrichtung 114 und/oder die Elektrodenfinger 118 der zweiten Elektrodeneinrichtung 116 können einen mäanderförmigen Verlauf 124 aufweisen. Figuren 1 und 2 zeigen zwei Beispiele eines mäanderförmigen Verlaufs 124. Die Elektrodenfinger 118 der ersten Elektrodeneinrichtung 114 und die Elektrodenfinger 118 der zweiten

Elektrodeneinrichtung 116 können eine Vielzahl anderer mäanderförmiger Verläufe aufweisen. Des Weiteren können die Elektrodenfinger 118 der ersten Elektrodeneinrichtung 114 und die Elektrodenfinger 118 der zweiten

Elektrodeneinrichtung 116 kammartig ineinander greifen, wie in den Figuren 1-3, 5 und 6 dargestellt.

Das Sensorelement 110 kann mindestens zwei Abschlusswiderstände 120 aufweisen, wie in den Figuren 1-3, 5 und 6 gezeigt. Die Abschlusswiderstände 120 können unterschiedliche Werte aufweisen. Die Abschlusswiderstände 120 können aber auch alle den gleichen Wert aufweisen.

Die Elektrodenfinger 118 der ersten Elektrodeneinrichtung 114 können einen Abstand a voneinander aufweisen, wobei der Abstand a der Elektrodenfinger 118 der ersten Elektrodeneinrichtung 114 innerhalb des Sensorelements 110 konstant sein kann, wie in Figur 3 gezeigt, oder zumindest über einen Teil des Sensorelements 110 variieren kann. Die Elektrodenfinger 118 der zweiten

Elektrodeneinrichtung 116 können einen Abstand c voneinander aufweisen, wobei der Abstand c der Elektrodenfinger 118 der zweiten Elektrodeneinrichtung 116 innerhalb des Sensorelements 110 konstant sein kann, wie in Figur 3 gezeigt, oder zumindest über einen Teil des Sensorelements 110 variieren kann. Die Elektrodenfinger 118 der ersten Elektrodeneinrichtung 114 können einen

Abstand e von den Elektrodenfingern 118 der zweiten Elektrodeneinrichtung 116 aufweisen, wobei der Abstand e innerhalb des Sensorelements 110 konstant sein kann, wie in Figur 3 gezeigt, oder zumindest über einen Teil des

Sensorelements 110 variieren kann.

Die Abschlusswiderstände 120 können sämtlich in einem Bereich des

Sensorelements 110 liegen, der nicht von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird. Die Abschlusswiderstände 120 können jedoch zumindest teilweise in einem Bereich des Sensorelements 110 liegen, der von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird. Weiterhin können sich einer oder mehrere der vorhandenen Abschlusswiderstände 120 in einem in den Figuren nicht dargestellten Steuergerät befinden.

Unter einem Elektrodengesamtwiderstand wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der elektrische Widerstand des durch die erste Elektrodeneinrichtung, durch die zweite Elektrodeneinrichtung, durch den mindestens einen

Abschlusswiderstand und gegebenenfalls durch weitere Bauelemente gebildeten Stromkreises verstanden. Der Elektrodengesamtwiderstand kann in einem Bereich von 1 ΜΩ bis 150 ΜΩ, bevorzugt in einem Bereich von 2 ΜΩ bis 75 ΜΩ und besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 ΜΩ bis 50 ΜΩ liegen. Aufgrund des geringen Widerstands der beiden Elektrodeneinrichtungen umfasst der Elektrodengesamtwiderstand in der Regel im Wesentlichen den

Abschlusswiderstand oder, für den Fall, dass mehrere Abschlusswiderstände vorhanden sind, eine Summe der Abschlusswiderstände, welche im Folgenden mit Rges bezeichnet wird. Insbesondere lässt sich ein Gesamtwiderstand R _ges der vorhandenen

Abschlusswiderstände 120 für die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 mit einer Anzahl von insgesamt n Elektrodenfingern 118 wie folgt berechnen: wobei die erste Elektrodeneinrichtung 114 eine Anzahl von n/2 Elektrodenfingern 118 aufweist, und wobei die zweite Elektrodeneinrichtung 116 ebenfalls eine Anzahl von n/2 Elektrodenfingern 118 aufweist, und wobei jeder Elektrodenfinger 118 der erste Elektrodeneinrichtung 114 mit mindestens einem Elektrodenfinger

118 der zweiten Elektrodeneinrichtung durch mindestens einen

Abschlusswiderstand R, (120) verbunden ist. Die Abschlusswiderstände R, 120 können alle denselben Wert Ro aufweisen. Für diesen Fall ergibt sich folgende Berechnung des Gesamtwiderstands R _ges Rges/RO = ^l f _n (3) Weiterhin lässt sich der Gesamtwiderstand R _ges für die in Figur 3 dargestellte

Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 mit einer Anzahl von m defekten Elektrodenfingern 118 bei insgesamt n Elektrodenfingern 118 wie folgt berechnen, wo 1)0 die erste Elektrodeneinrichtung 114 eine Anzahl von n/2 Elektrodenfingern 118 aufweist, welche intakt oder zumindest teilweise defekt sein können, und wobei die zweite Elektrodeneinrichtung 116 ebenfalls eine Anzahl von n/2 Elektrodenfingern 118 aufweist, welche intakt oder zumindest teilweise defekt sein können, und wobei jeder Elektrodenfinger 118 der ersten

Elektrodeneinrichtung 114 mit mindestens einem Elektrodenfinger 118 der zweiten Elektrodeneinrichtung durch mindestens einen Abschlusswiderstand R, 120 verbunden ist: Die Abschlusswiderstände R, 120 können alle denselben Wert Ro aufweisen. Für diesen Fall ergibt sich folgende Berechnung des

Gesamtwiderstands R _ses :

Das Sensorelement 110 kann insbesondere als Rußpartikelsensor ausgestaltet sein. Weiterhin kann das Sensorelement 110 in mindestens ein in den Figuren nicht dargestelltes ein Schutzrohr aufgenommen sein.

Zur Eigendiagnose kann zumindest zeitweise eine Messspannung zwischen der ersten Elektrodeneinrichtung 114 und der zweiten Elektrodeneinrichtung 116 angelegt werden und ein Eigendiagnosestrom 126 und/oder ein

Elektrodengesamtwiderstand 128 kann gemessen werden. Der

Eigendiagnosestrom 126 fließt durch die erste Elektrodeneinrichtung 114, die zweite Elektrodeneinrichtung 116 und den mindestens einen

Abschlusswiderstand 120. Der Eigendiagnosestrom 126 kann ein Maß für die Funktionstüchtigkeit des Sensorelements 110 und/oder die Güte des

Sensorelements 110 sein.

Figur 4 zeigt beispielhaft ein Diagramm 130, bei dem der Eigendiagnosestrom 126 in Abhängigkeit der Anzahl defekter Elektrodenfinger 132, sowie der

Elektrodengesamtwiderstand 128 in Abhängigkeit der Anzahl defekter

Elektrodenfinger 132 dargestellt ist. Das Diagramm 130 in Figur 4 bezieht sich auf die in Figur 3 gezeigte Ausführungsform eines Sensorelements 110. Aufgetragen ist ein Strom 134 über die Anzahl defekter Elektrodenfinger 132, sowie ein Widerstand 136 über die Anzahl defekter Elektrodenfinger 132.