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Patent Searching and Data


Title:
SOOT SENSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/111386
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to soot sensors based on one-piece strip conductor structures, to methods for measuring soot and to the use of heat conductor chips for soot measurement. The invention is based on the sensitivity of intensive variables, especially substance-specific variables. The inventive electric soot sensor is characterized by at least one chip which is provided with at least one one-piece strip conductor comprising especially two terminal panels and by having a soot determining device that is adapted to determine an intensive or specific change of a surface. The inventive method is characterized by determining the change of an intensive variable, especially a thermospecific or electrical parameter of a chip, which change is caused by the soot deposits.

Inventors:
WIENAND KARLHEINZ (DE)
MUZIOL MATTHIAS (DE)
ASMUS TIM (DE)
ULLRICH KARLHEINZ (DE)
OGRZEWALLA ANDREAS (DE)
TEUSCH DIETER (DE)
Application Number:
PCT/EP2006/003640
Publication Date:
October 26, 2006
Filing Date:
April 20, 2006
Export Citation:
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Assignee:
HERAEUS SENSOR TECHNOLOGY GMBH (DE)
WIENAND KARLHEINZ (DE)
MUZIOL MATTHIAS (DE)
ASMUS TIM (DE)
ULLRICH KARLHEINZ (DE)
OGRZEWALLA ANDREAS (DE)
TEUSCH DIETER (DE)
International Classes:
G01N27/16; G01N15/06; G01N25/22
Domestic Patent References:
WO2005015192A12005-02-17
Foreign References:
DE19959870A12001-06-21
DE3304846A11984-08-16
DE10331838B32004-09-02
Other References:
See also references of EP 1872115A1
Attorney, Agent or Firm:
KUEHN, Hans-Christian (Servicebereich Schutzrechte Heraeusstrasse 12-14, Hanau, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung von Rußablagerungen mittels einstückig ausgebildetem elektronischem Muster, insbesondere mittels einem in Dünnschicht einstückig erzeugtem elektronischen Muster, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußablagerungen durch eine änderung einer intensiven (spezifischen) Größe, insbesondere einer thermospezifischen oder elektrischen Kenngröße eines Chips bestimmt werden, die sie selbst verursachen.

2. Verfahren zur Messung von Rußablagerungen mittels einstückig ausgebildetem elektronischem Muster, insbesondere mittels einem in Dünnschicht einstückig erzeugtem elektronischen Muster, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußablagerungen durch eine änderung einer intensiven, spezifischen elektrischen Kenngröße eines Chips mittels eines Heizleiters (4) oder Temperatursensors (3) bestimmt wird.

3. Verfahren zur Bestimmung von Rußablagerungen, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zwei Heizleiter (4) aufweist, die wenigstens hinsichtlich eines der Parameter Stromverbrauch, Temperaturführung oder Rußabbrandverlauf unterschiedlich gesteuert werden.

4. Verfahren zur Rußbestimmung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Heizleiterchips mit Ruß belegt werden und ein mit Ruß belegter Heizleiterchip zum Abbrennen des Rußes erhitzt wird und der Verlauf des Stromverbrauchs oder des Temperaturverlaufs oder des Stromverbrauchs und Temperaturverlaufs jeweils gegeneinander zur Ermittlung der Rußeigenschaften ausgewertet wird.

5. Verwendung zweier unterschiedlich betriebener Heizleiterchips zur Rußmessung in einem Gehäuse.

6. Verwendung eines Heizleiterchips zur Rußmessung, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußmessung anhand eines durch Ruß veränderten Abkühlverhaltens oder Abstrahlungsverhalten des Chips über die Messung von elektrischen oder thermischen Messgrößen erfolgt.

7. Verwendung eines Heizleiterchips zur Rußmessung, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußmessung anhand eines durch Rußabbrand veränderten geänderten Temperaturverlaufs über die Messung von elektrischen oder thermischen Messgrößen über die gleiche Heizleiterstruktur erfolgt, die zum Aufheizen verwendet wird.

8. Verwendung eines Heizleiterchips nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußmessung durch eine änderung des elektrischen Widerstandes des Heizleiters bestimmt wird, oder durch die änderung der Temperatur oder IR-Abstrahlung des Heizleiters (4).

9. Elektrischer Rußsensor, bei dem mindestens ein Chip mit mindestens einer einstückig ausgebildeten, insbesondere zwei Anschlussfelder aufweisenden Leiterbahn ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußsensor eine Rußbestimmungseinrichtung aufweist, die auf die Bestimmung einer intensiven oder spezifischen Veränderung einer Oberfläche abgestellt ist.

10. Rußsensor insbesondere nach Anspruch 9, enthaltend wenigstens einen Heizleiterchip, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiterchip auf einer, insbesondere beiden flächigen Seiten metallisiert ist.

11. Rußsensor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußsensor zwei Heizleiterchips (4) aufweist.

12. Rußsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rußsensor einen über Anschlusspads mit elektrischen Anschlüssen verbundenen Chip umfasst, wobei der Widerstand des Chips durch Rußeinwirkung änderbar ist.

13. Rußsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, der einen Heizleiterchip umfasst, mit einem durch Rußeinwirkung änderbaren elektrischen Widerstand, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor bezüglich des Widerstands abgeglichen ist.

14. Rußsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußsensor einen Temperaturfühler (3) aufweist.

15. Rußsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) oder der Temperaturfühler (3) des Chips oder mehrere dieser Elemente mit einer elektrischen Isolierung (6) bedeckt sind.

16. Rußsensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) oder der Temperaturfühler (3) mit einer keramischen Dünnschicht (6) bedeckt ist.

17. Rußsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußsensor zwei Bauteile (7) aufweist, die jeweils einen Heizleiter (4) und einen Temperaturfühler (3) aufweisen.

18. Verwendung eines Rußsensors nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrußung eines Bauteils 7 mit einem zweiten Bauteil 7 durch Referenzmessung der Temperatur bei gleicher Heizleistung oder durch Referenzmessung der Heizleistung bei gleicher Temperatur bestimmt wird.

Description:

Rußsensor

Die vorliegende Erfindung betrifft Rußsensoren auf Basis einstückig ausgebildeter Leiterbahnstrukturen, Verfahren zur Rußmessung und die Verwendung von Heizleiterchips zur Rußmessung.

DE 199 59 870 A1 beschreibt einen Rußsensor, der mit einem Heizelement den Ruß auf Zündtemperatur bringt und mit einem Temperatursensor den Temperaturanstieg als direktes Maß für die verbrannte Menge an Rußpartikeln auswertet. Nachteilhaft an dieser indirekten Messung ist die mangelnde Reproduzierbarkeit. Die Strömungsverhältnisse im Abgassystem müssen bekannt sein, um eine Aussage aus dem Temperaturanstieg holen zu können. Weiterhin ist der sehr komplexe dreidimensionale Aufbau des Elementes sehr anfällig und teuer.

Gemäß DE 33 04 846 wird die unterschiedliche Aufheizleistung einer verrußten Heizfläche gegen eine im Wesentlichen rußfreie Heizfläche verglichen.

DE 103 31 838 betrifft ein Sensorelement mit einer aufgerauten Sensoroberfläche zur Rußablagerung, bei dem die thermische Masse des Sensorkörpers als Maß für seine Verrußung bestimmt wird. Hierzu wird der Sensor mit einer Widerstandsstruktur aufgeheizt und mit der gleichen Widerstandsstruktur wird die Temperatur des Sensorkörpers erfasst.

Bei all diesen Verfahren wird eine kleine änderung einer großen Größe möglichst schnell gemessen, damit der gemessene Effekt gegenüber anderen Effekten überwiegt. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um änderungen extensiver Größen, insbesondere um die geringe Zunahme der Masse des Sensors durch Rußablagerungen. Die dabei gemessenen Effekte basieren im Wesentlichen auf der geringen Massenänderung des Sensors durch die Rußablagerung.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, reproduzierbare qualitative und quantitative Aussagen über Rußpartikel machen zu können, insbesondere über die Menge und Größe der Rußpartikel, um den Rußpartikelfilter nach Füllgrad und Funktion beurteilen zu können.

Zur Lösung der Aufgabe wird auf die Empfindlichkeit intensiver Größen, insbesondere stoffspezifischer Größen abgestellt. Verfahrensseitig wird die Messung durch Rußbelegung veränderter intensiver Größen in Betracht gezogen. Vorrichtungsmäßig werden Sensibilisierungen zur besseren Erfassung des Einflusses von Ruß auf intensive Größen vorgenommen. Vorzugsweise erfolgt eine direkte Rußmessung mit Heizleitem, insbesondere mit einem oder zwei Heizleitern. Entsprechende Lösungen als Sensoren, Verfahren zur Rußmessung mit Heizleitern, sowie die Verwendung von Heizleitern zur Rußmessung sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Maßgeblich ist, dass reproduzierbare Messungen deutliche änderungen der Messgrößen erfordern. Intensive Größen insbesondere spezifische Größen eines Chips sind hierfür besser geeignet als die auf extensiven Effekten beruhenden Messungen im Stand der Technik. Effekte, die auf veränderten Oberflächeneigenschaften beruhen und die Oberfläche optisch oder wärmeleittechnisch, z.B. durch Isolation oder elektrisch, insbesondere streufeldtechnisch verändern, basieren auf intensiven und spezifischen Größen, die für erfindungsgemäße Lösungen ausgenutzt werden. Optische Veränderungen entstehen durch Rußbelegung einer metallischen Oberfläche, wobei die zunehmende Rußbewegung tendenziell einen schwarzen Körper schafft. Damit einhergehend ändert sich wärmeleittechnisch das Abstrahlverhalten der Oberfläche und damit das messbare Temperaturgleichgewicht zwischen zugeführter und abgestrahlter Energie. Auf einer keramischen Oberfläche wirkt eine Rußbewegung wärmeisolierend und schafft damit einhergehend ein verändertes Temperaturverhalten. Rußablagerungen auf einer Elektrodenstruktur vermindern als Dielektrikum die Isolation der Leiterbahnen und führen zu einem verminderten Widerstand der Elektrodenstruktur. Diesbezüglich wurde festgestellt, dass durch Rußbelegung die spezifischen elektrischen Eigenschaften deutlich beeinflussbar sind, die Abkühlung der Chips bei geeigneten Oberflächen deutlich von der Verrußung abhängig gemacht werden kann und Abbrennen der Rußbelegung den Temperaturverlauf deutlich beeinflussen kann. Die mit den Messeinheiten ermittelten Signale werden mit Referenzwerten oder Referenzkurven oder Vergleichsmessungen zur Einstellung oder Eichung des Rußsensors abgeglichen.

Beim Abbrennen von Ruß auf dem Heizleiter erhöht sich dessen Widerstand. Dieser Widerstand ist durch eine elektrische Schaltung bestimmbar. Aus dem Widerstand, insbesondere aus dessen zeitlichen Verlauf, lässt sich auf den Verrußungsgrad schließen. Vorzugsweise wird eine Widerstandskennlinie mit Bezug auf den Verrußungsgrad bestimmt. Anhand dieser Kennlinie ist der Verrußungsgrad ablesbar.

An einem elektronischen Muster, insbesondere einem Heizleiter, kann der elektrische Widerstand von der Rußbelegung abhängig gestaltet sein und die Rußbelegung anhand des elektrischen Widerstandes gemessen werden. Es wird also eine Veränderung von Kenngrößen des Chips vorgenommen. Hierbei werden chipspezifische Größen geändert, also zumindest nicht nur die an sich unter robusten Bedingungen schlecht beherrschbaren Temperaturabhängigkeiten ausgenutzt. Wird die Isolationswirkung der Luft durch Ruß herabgesetzt, ändert sich die spezifische Leitfähigkeit des elektrischen Musters des Chips bzw. der spezifische Widerstand des elektrischen Musters des Chips enorm. Analog erniedrigt Ruß den Widerstand eines Widerstandsmusters, insbesondere eines mäanderförmigen Widerstands.

Elektronische Muster sind in Dickschichttechnik oder in Dünnschichttechnik herstellbar. In Dünnschichttechnik lassen sich aus Schichten mit Schichtdicken unterhalb 1 μm elektronische Muster aus Leiterbahnen erstellen, deren Bahnbreite unter 10 μm liegt.

Einstückig ausgebildete elektrische Muster sind als Widerstand ausgebildete, ununterbrochene elektrische Leiterstrukturen, insbesondere Heizleiter oder Messwiderstände. Im Gegensatz hierzu sind IDK-Strukturen nicht einstückig. Bevorzugte Muster sind schlangenförmige oder mäanderförmige Leiterbahnen. In bevorzugter Ausführung sind die Leiterbahnen zwischen ihren Enden verjüngt. Die breiten Enden werden als Anschlusskontaktfelder bezeichnet.

Im Rahmen dieser Erfindung werden Chips, die einen Heizleiter aufweisen, als Heizleiterchips bezeichnet. Einhergehend mit der Verrußung eines Sensors nimmt mit zunehmender Zeit bei aufgeheizten Heizleitersensoren der elektrische Widerstand und die Temperatur verhältnismäßig um so mehr ab, je weniger Wärme der Sensor ursprünglich abgeben kann. Dieser Effekt bei tritt bei oberflächlich metallisierten Heizleitersensoren sehr deutlich auf. So zeigen Chips mit ungeschützten Heizleitern eine relativ deutlichere Abnahme hinsichtlich Temperatur und elektrischem Widerstand bei zunehmender Verrußung als die Chips deren Heizleiter mit einer weißen Keramik geschützt ist. Je umfassender die Oberfläche des Chips metallisiert ist, um so

deutlicher senkt eine Verrußung dessen Temperatur bzw. dessen Temperaturverlauf und entsprechend den elektrischen Widerstand bzw. den Verlauf des elektrischen Widerstands des Chips. Damit wird der Widerstand bei konstanter Heizleistung durch Verrußung abgesenkt. Besonders deutliche Effekte sind mit Goldbeschichtungen erhältlich. Bei Anwendung hoher Temperaturen kann die Temperaturstabilität von Platin oder Iridium maßgeblich werden.

Die Rußbelegung verändert auch das spezifische Temperaturverhalten und die spezifische Abstrahlung, insbesondere die IR-Abstrahlcharakteristik eines Heizleiters. Bei konstantem Stromverbrauch steigt mit zunehmender Rußbelegung die abgestrahlte Leistung an, wobei die Temperatur des Heizleiterchips entsprechend fällt. Die Verrußung ist daher auch anhand einer Temperaturbestimmung des Heizleiters oder seiner Abstrahlcharakteristik bestimmbar.

Auch der Abbrand des Rußes beeinflusst den Stromverbrauch und die Temperatur. Beim Freibrennen von Ruß steigt der elektrische Widerstand des verrußten Heizleitersensors gegenüber dem unverrußten Zustand an. Auch dieser Effekt tritt um so stärker auf, je weniger Wärme der unverrußte Sensor abführen kann.

Rußsensoren mit mehreren Leiterbahnen können mit IDK-Struktur ausgebildet sein. Die Widerstandsstruktur ist insbesondere ein Heizleiter oder Temperatursensor. Ein Messwiderstand ist 10 bis 100 Mal so groß wie der Widerstand eines Heizleiters.

Als Rußsensor sind grundsätzlich alle Sensoren verwendbar, auf deren Leiterbahnen, insbesondere Heizleiter, sich Ruß ablagern kann.

Ein Verfahren und ein Rußsensor als Lösung der vorliegenden Erfindung basieren auf einem Chip mit Anschlusspads und elektrischen Anschlüssen, der unter Rußeinwirkung hinsichtlich einer elektrischen Eigenschaft änderbar ist, insbesondere hinsichtlich Widerstand.

Vorzugsweise sind die Rußsensoren hitzebeständig, damit sie auch im Abgasbereich von Automobilen verwendbar sind. Diesbezüglich bewährt sich die Platin-Dünnschichttechnik zur Erstellung entsprechender Chips. Die Heizleiter und gegebenenfalls weitere funktionelle Strukturen können zur weiteren Erhöhung von Temperaturstabilität mit einer keramischen Dünnschicht abgedeckt werden.

In der bevorzugten Ausführung mit einem Heizelement kann sich der rußsensitive Chip durch Abbrennen der Rußbelegung selbst regenerieren. Dabei kann das Heizelement zur Rußmessung verwendet werden, indem das Heizleiterverhalten hinsichtlich seiner elektrischen oder thermischen Wirkung in Abhängigkeit einer Rußbelegung ausgewertet wird.

In einer Ausführung mit zwei Heizwiderständen kann die Reproduzierbarkeit der Messungen durch Relativmessung gesteigert werden. Insbesondere in einer Ausführung mit zwei Heizwiderständen kann die Rußbelegung unterschiedlich abgebrannt werden und aus den unterschiedlichen Heizleistungen, im Stromverbrauch oder dem Temperaturunterschied der Ruß analysiert werden.

Dabei kann die Reproduzierbarkeit bereits dadurch erhöht werden, dass ein Chip mit zwei Heizwiderständen ausgestattet ist. Dabei können die beiden Messeinheiten zum gegenseitigen Abgleich verwendet werden. Die gegenseitige Beeinflussung der Messeinheit kann durch eine Beabstandung zweier je eine Messeinrichtung aufweisender Chips minimiert werden, was wiederum die Reproduzierbarkeit erhöht.

Ein zusätzlicher Temperatursensor kann zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine und damit zur Regelung der Rußbildung oder des Rußabbaus beitragen. In Kombination mit einem Heizelement können mit dem Temperatursensor Informationen über die Menge und Beschaffenheit des Rußes beim Abbrennen des Rußes erzielt werden. So wurde festgestellt, dass die integrale Verbrennungswärme kleiner Rußpartikel geringer ist, als die großer Rußpartikel und dass die integrale Wärme kleiner Rußpartikel bei niederen Temperaturen erzielt wird, als die größerer Rußpartikel.

Ein Temperatursensor kann auch zur Temperaturmessung bzw. zur Erstellung eines zeitabhängigen Temperaturprofils eines Heizleiters herangezogen werden.

In bevorzugter Ausführung werden für hitzebeständige Sensoren für den Kfz-Abgasbereich Rußsensoren verwendet, deren Chips ausschließlich hochtemperaturbeständige Materialien aufweisen, wie beispielsweise ein keramisches Substrat auf dem eine Platinmäanderstruktur aufgedruckt ist und deren elektrische Zuleitungen Platin-ummantelte Nickel-Chrom-Legierungen sind, mit einem Chromgehalt zwischen 10 und 30 %.

In weiteren bevorzugten Ausführungen

■ werden Substrate gemäß der noch unveröffentlichten DE 10 2004 018 050 oder in Dünnschichttechnik bedruckt, insbesondere mit Platin;

■ ist die Leiterbahndicke des Heizleiters oder Temperatursensors <2 μm;

ist die Leiterbahnbreite des Temperatursensors schmaler als 20 μm;

■ ist der Heizleiter mit einer Schutzschicht beschichtet.

Ungeschützte Heizleiter sind zum dauerhaften Gebrauch in Abgasen bis zu Temperaturen von 600 0 C geeignet, geschützte Strukturen bis 850 0 C. Die geschützten Heizleiter sind vorzugsweise auf ihren Außenflächen metallisiert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.

Figur 1 zeigt einen Heizleiterchip in Explosionsdarstellung;

Figur 2 zeigt einen Rußsensorchip, wobei Leiterstrukturen eines Heizelements und eines Temperatursensors mit der IDK-Struktur in einer Ebene angebracht sind;

Figur 3 zeigt einen Rußsensorchip, bei dem Leiterstrukturen in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sind;

Figur 4 zeigt den Temperaturverlauf bei der Verbrennung von Feinstruß gegenüber der Verbrennung von grobkörnigem Ruß;

Figur 5 zeigt einen Querschnitt eines Rußpartikelfilters, daran angeschlossenem Abgaskanal und einem in den Abgaskanal hineinragenden Rußsensor;

Figur 6a zeigt eine Draufsicht des in den Kanal ragenden Sensors und

Figur 6b eine Vergrößerung dessen Messspitze;

Figur 7a zeigt einen weiteren Sensor und Figur 7b dessen Messspitze;

Figur 8 zeigt einen Heizwiderstandssensor bei der Verbrennung von Ruß in Abhängigkeit von der Zeit gegenüber einem unverrußten Heizwiderstandssensor.

Figur 9 zeigt einen Heizleiterchip mit integriertem Temperaturmesswiderstand in Explosionsdarstellung.

Figur 10 zeigt zwei aus einem Schutzrohr ragende Bauteile gemäß Figur 9.

In einer einfachen Ausführung nach Figur 1 wird lediglich ein Heizleiter 4, vorzugsweise aus Platin auf einem Substrat 1 , vorzugsweise einem keramischen Substrat 1 in Dünnschichttechnik aufgetragen. Dies kann nach den bekannten lithografischen Verfahren oder der noch unveröffentlichten DE 10 2004 018 050 geschehen. Bei diesem Heizleiterchip verändert sich durch Rußbelegung der Widerstand, weshalb ein derartiger Heizleiterchip direkt zur Rußmessung in Abgasen geeignet ist. Ein besonders wichtiger Anwendungsfall ist die Rußmessung in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren. Insbesondere lässt sich die Funktion des Rußpartikelfilters von Abgasen aus Dieselmotoren überwachen und steuern.

Die Chipausführung nach Figur 2 zeichnet sich durch ihre äußerst einfache Bauweise aus, mit der bereits komfortable Anwendungen möglich sind. Analog zu Figur 3 kann die Platinschicht mit einer Dünnschicht 6 geschützt werden. Die Dünnschicht kann auch teilweise aufgetragen werden, so dass sie beispielsweise nur den Heizleiter und den Temperatursensor bedeckt. In einer weiteren Ausführung gemäß Figur 2 wird eine Isolationsschicht 6 so aufgetragen, dass lediglich der Mittelteil der IDK-Struktur nicht bedruckt wird. Zu diesem breiten Feld von geeigneten Schutzmöglichkeiten für potentielle Anwendungen ist auch die Ausführung nach Figur 3 beachtlich, gemäß der der Temperatursensor und der Heizleiter bereits durch die Isolationsschicht 5 geschützt werden. Ein Chip nach Figur 3 kann dann optional mit offener IDK- Struktur 2 oder mit durch einer Isolationsschicht 6 geschützten IDK-Struktur hergestellt werden.

Mittels Heizleiter 4 gemäß Figur 2 oder 3 kann der am Chip angelagerte Ruß durch Aufheizen pyrolytisch verbrannt werden. Bewährt haben sich hierzu Aufheiztemperaturen bei ungefähr 500°C. Die IDK-Struktur 2 oder der Messwiderstand 3 zur Temperaturbestimmung werden zum Abgleich der Heizleistung für die Umstände, unter denen die Heizleistung erbracht wird, herangezogen. Mit der unter bestimmten Umständen erbrachten Heizleistung ist der Ruß bzw. die Verrußung bestimmbar.

Mit dem Temperatursensor 3 gemäß Figur 3 und 4 kann der Abbrand auf dem Heizleiterchip ausgewertet werden. Der Temperaturverlauf gibt zusätzliche Aussagen über die Verbrennungswärme des Rußabbrands wieder. Hieraus lässt sich durch Vergleichswerte oder

Vergleichskurven auf die Art und Beschaffenheit sowie die Menge des Rußes schließen. Insbesondere Menge und Partikelgröße des Rußes können so erfasst werden, wie in Figur 4 verdeutlicht wird.

Bei der neuen Generation von Dieselmotoren wird der Ruß aus dem Abgas gefiltert. Dabei kann der Rußfilter verbacken und verstopfen. Um die Wirksamkeit des Rußfilters aufrecht zu erhalten, empfiehlt es sich daher, dass die Rußbelegung des Filters wieder abgebaut wird. Zur Steuerung und überprüfung der Selbstreinigung kann ein erfindungsgemäßer Sensor am Rußfilter angeordnet sein und unter den gleichen Bedingungen wie dieser belegt werden, so dass über den Sensor die Selbstreinigung des Partikelfilters eingeleitet wird, sobald der Sensor einen definierten Wert einer elektrischen Größe misst. über den erfindungsgemäßen Sensor ist das Explosionsgemisch über den Kraftstoffeintrag, die Luftzufuhr oder Abgasrückführung steuerbar. Auf diese Weise lassen sich Abgasmischungen erzeugen, die die Rußbildung steuern und gegebenenfalls abbauen lassen.

Wenn Rußpartikel sich auf einer vorgeheizten Platinelektrodenkammstruktur (IDK) ablagern, ist der gemessene elektrische Widerstand der IDK-Struktur 2 ein Vergleichsmaß für die Konzentration der Rußbelegung. Ist die IDK-Struktur 2 durch eine Dünnfilmpassivierung 6 oder eine gedruckte Dickfilmschicht mit einem Dielektrikum passiviert, dann beeinflusst die Rußbelegung dieses Dielektrikums die Kapazität des Kondensators in Korrelation mit der Rußkonzentration. Die temperaturabhängigen Werte der Heizleistung und der IDK-Messung liefern gegeneinander abgeglichen ein genaues Maß der Verrußung.

Somit wird erfindungsgemäß eine mengenmäßige Detektion der Rußpartikelkonzentration mittels bewährtem, robusten Keramikchipaufbau in Platindünnfilmtechnik ermöglicht.

Zusätzliche Heiz- und Temperatursensorelemente ermöglichen die Auswertung der exothermen Reaktion bei der Rußverbrennung über die Temperaturerhöhung beim Abbrand der Rußschicht. Diese exotherme Reaktion korreliert mit der Temperaturerhöhung und kann mittels integriertem Temperatursensor protokolliert werden. Durch Vergleich des Kurvenverlaufs mit hinterlegten Verläufen kann auf die Menge, die Verteilung und die Partikelgröße des Rußes geschlossen werden.

über die Gleich- oder Wechselstromleitfähigkeit kann auf den Beladungsgrad geschlossen werden und ein Freibrennprozess eingeleitet werden.

In der Anordnung nach Figur 5 ragt der Sensor in einen Abgaskanal 12 hinein und ist dabei vor oder nach dem Rußpartikelfilter 11 angeordnet. Die Spitze 14 des Sensors 13 ist in Figur 6a, 7 und 7a mit zwei Chips ausgestattet. Mit zwei Chips werden Referenzmessungen jeweils zum anderen Chip ermöglicht. Weist ein Chip eine Heizeinrichtung 4 gemäß Figur 1 auf, kann mit der Heizeinrichtung 4 der Ruß abgebrannt werden. So lassen sich die Auswertung der Rußabbrennung durch den Sensor und weitere Referenzdaten über den zweiten Sensor erzielen. Durch den Freibrennprozess auf einem Chip wird die beide Chips umfassende Messbrücke verstimmt, wobei die Verstimmung ein Maß für die Verrußung darstellt und damit auch ein Maß für den Zustand des Partikelfilters 11. Zum Abgleichen der Brücke werden beide Chips geheizt, bis der Ruß auf ihnen abgebrannt ist. Der Heizleiter 4 wird nach Figur 1 mit einer Schutzschicht 6 geschützt. Bewährt haben sich hierfür eine keramische Beschichtung und ein Auftrag in Dünnschichttechnik, insbesondere der Auftrag einer keramischen Beschichtung in Dünnschichttechnik. Eine äußere Metallisierung mit Gold, Platin oder Iridium erhöht die Sensitivität bezüglich Ruß. Die Metallisierung kann in Dünnschichttechnik auf der Schutzschicht 6 und der Rückseite des keramischen Substrats 1 erfolgen. Die so hergestellten Rußsensoren sind für einen Dauerbetrieb bei Temperaturen bis zu 850 0 C verwendbar. Die Schutzschicht 6 kann darüber zur Verlängerung der Lebenszeit versiegelt werden, beispielsweise mit Glas oder einer Opferelektrode.

Eine einfache Schutzschicht aus Glas genügt für Anwendungen bis 650 0 C.

Das Diagramm in Figur 8 verdeutlicht am Freibrennprozess den erhöhten Heizwiderstand eines verrußten Sensors gegenüber einem unverrußten Sensor. Hierbei ist zu beachten, dass beim Aufheizen eines verrußten Rußsensors und eines unverrußten Rußsensors unterhalb der Freibrenntemperatur der verrußte Rußsensor kühler bleibt, bzw. sich langsamer aufheizt.

Heizleiterchip mit IDK-Struktur

Mittels Heizleiter lässt sich der Chip wieder vom Ruß frei brennen. Ein derartiger Sensor kann so betrieben werden, dass der Chip bei einer vorbestimmten Impedanz einen Freibrennprozess des Rußfilters initiiert und über den der Chip selbst frei gebrannt wird. Ein zusätzlicher Temperatursensor ist zur weiter verbesserten Reproduzierbarkeit hilfreich, beispielsweise um den Temperaturverlauf des Heizleiters zu bestimmen oder die Messung unter standardisierten Temperaturbedingungen vorzunehmen.

Rußmessunq per Heizleiter

Ein Heizleiterchip gemäß Figur 1 wird unter standardisierten Motorbedingungen hinsichtlich seiner Widerstandskennlinie bezüglich dem Verrußungsgrad geeicht. Bewährt hat sich hierfür eine Messung im abgestellten Zustand oder bei Leerlaufbetrieb. Ein solcher Sensor kann im Abgasstrom vor oder hinter dem Rußpartikelfilter 11 angeordnet sein. Ist der Sensor hinter dem Partikelfilter 11 angeordnet und zeigt eine Verrußung an, so wird ein Defekt des Rußfilters 11 angezeigt. Ein vor dem Rußfilter 11 angeordneter Rußsensor leitet bei Feststellung von Verrußung den Abbrand des Rußes durch den eigenen Heizer 4 und in Rußpartikelfilter 11 ein.

In einer weiteren Ausführung wird mit dem Heizleiterchip gemäß Figur 1 die Verrußung aufgrund eines unterschiedlichen Abstrahlverhaltens des Heizleiters 4 bestimmt. Dabei wurde festgestellt, dass unterhalb der Abbrandtemperatur der Widerstand bei gleicher Heizleistung mit zunehmender Verrußung abnimmt. Dieser Effekt kommt umso mehr zum Tragen, je größer der Unterschied im Abstrahlverhalten ist. Deshalb wird die Außenseite des Heizleiterchips metallisiert. Hierfür eignen sich besonders Gold, Iridium und Platin.

In einer Ausführung mit zwei Heizleitern 4 kann durch vergleichende Messung der Drift hinsichtlich der Eichkurve abgestellt werden. So können in dieser bevorzugten Ausführung die Heizleiter 4 wechselseitig den Ruß abbrennen und gegeneinander verglichen werden. Wenn sie unter gleichen Einsatzbedingungen betrieben werden, unterliegen sie gleichem Drift durch nicht abbrennbare Rußbestandteile, die sich auf der Oberfläche ablagern.

Der Widerstand des Heizleiters 4 stellt sich mit der Temperatur ein. Beim Verrußen eines Heizleiters 4 ändert der Heizleiter 4 seine Abstrahlcharakteristik, da ein verrußter Sensor wie ein schwarzer Strahler mehr Energie abstrahlt als andere Körper. Damit fällt beim Verrußen des Heizleiters 4 dessen Widerstand ab, weshalb der Widerstand des Heizleiters 4 als Maß für die Verrußung verwendbar ist. Somit ist der Heizleiter 4 geeignet, einen Freibrennprozess für einen analog verrußten Rußfilter 11 auszulösen. Dabei verschlackt der Rußsensor allmählich und driftet bezüglich seiner Widerstandskennlinie. Deshalb wird der Widerstand nach dem Freibrennprozess in einer bevorzugten Ausführung in funktionellem Zusammenhang zu der den Freibrennprozess oder die Gasgemischformulierung betreffenden Kenngrößen gesetzt. In einer weiter verbesserten Ausführung zur Vermeidung des Drifts werden zwei Heizleiter 4 enthaltende Sensoren zu einer Messbrücke verknüpft. Von den vielfältigen Abgleichmöglichkeiten seien das wechselseitige Abbrennen und die Referenzmessung hervorgehoben.

Ein Bauteil nach Fig. 9 weist einen Messwiderstand 3 und einen Heizwiderstand 4 auf. Zwei Bauteile 7 nach Fig. 9 werden in einen Sensor nach Fig. 10 betrieben, indem mit einem der beiden Heizleiter 4 ein Bauelement von Ruß freigeglüht wird und darauf mit beiden Heizleitern die Bauelemente bis zum Erreichen ihres thermischen Gleichgewichts beheizt werden. Aus den mit den Temperaturmesswiderständen 3 bestimmten Temperaturen des jeweiligen thermischen Gleichgewichts wird die Verrußung bestimmt. Die Temperaturdifferenz der Bauteile 7 ist somit ein Maß für die Verrußung.

Anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 9 und 10 wird eine weitere Wirkungsweise und ein weiteres Messprinzip erläutert. Zwei keramische Rußsensorchips 7 (Fig. 9) sind mit einem aufgeglasten keramischen Deckel 6 versehen; die Chips 7 sind jeweils mit einem Heizer 4 (Rho ca. 20 Ohm) und einem Pt-1000-Sensor 3 versehen. Die Rußsensorchips 7 sind jeweils in einem Gehäuse verbaut (Fig. 10 und 11). Elektrisch sind die beiden Heizer 4 mit zwei weiteren Präzisions-Messwiderständen von z.B. je 20 Ohm in einer Wheatstone 1 sehen Brücke verschaltet. Die Brückenspannung wird mit einem Instrumentenverstärkermodul um den Faktor 50 verstärkt. Die elektrische Brücke wird nun im Falle beider rußfreier Chips 7 abgeglichen, die Temperatur der beiden Heizerchips 7 wird dabei im Bereich von 300°C gewählt. Wird nun einer der beiden Chips 7 auf dem Chipdeckel 6 bzw. der Chiprückseite bzw. auf beiden Seiten mit Ruß beaufschlagt, so ändert sich das Abstrahlverhalten dieses Chips 7 im Vergleich zu einem nicht mit Ruß beaufschlagten Chip 7 derart, dass der mit Ruß beaufschlagte Chip 7 mehr Strahlung emittiert und sich dadurch etwas abkühlt. Die Abkühlung des eingerußten Chips 7 ändert gemäß der Platinkennlinie den Widerstand des Heizers 4 und führt so zu einer Verstimmung der Wheatstone' sehen Brücke, die gemessen werden kann.

Wird der eingerußte Chip 7 bei Temperaturen oberhalb von 600 0 C für einige Minuten wieder freigeglüht, so ist anschließend im Temperaturbereich von 300 0 C keine elektrische Verstimmung der Brücke mehr messbar.

Zur Verstärkung des Messeffekts werden der Chipdeckel 6 und die Chiprückseite vorzugsweise mit Au oder Pt ganzflächig metallisiert (z.B. per PVD-Beschichtung), um das Abstrahlverhalten im infraroten Bereich zu minimieren.