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DE102005018838A1 - Sensor element for particle sensors and method for operating the same - Google Patents

Sensor element for particle sensors and method for operating the same Download PDF

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DE102005018838A1
DE102005018838A1 DE102005018838A DE102005018838A DE102005018838A1 DE 102005018838 A1 DE102005018838 A1 DE 102005018838A1 DE 102005018838 A DE102005018838 A DE 102005018838A DE 102005018838 A DE102005018838 A DE 102005018838A DE 102005018838 A1 DE102005018838 A1 DE 102005018838A1
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DE
Germany
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sensor element
measuring
element according
sensor
temperature
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102005018838A
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German (de)
Inventor
Lothar Diehl
Henrico Runge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to PCT/EP2006/061200 priority patent/WO2006111459A1/en
Priority to EP06725448A priority patent/EP1875198A1/en
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Abstract

Es wird ein Sensorelement für Gassensoren, insbesondere zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, mit mindestens einem dem zu bestimmenden Gas ausgesetzten Messelement und mindestens einem in das Sensorelement integrierten Temperaturmesselement (30) beschrieben, wobei das Temperaturmesselement (30) als Thermoelement ausgeführt ist.The invention relates to a sensor element for gas sensors, in particular for the determination of particles in gas mixtures, with at least one measuring element exposed to the gas to be determined and at least one temperature measuring element (30) integrated into the sensor element, wherein the temperature measuring element (30) is designed as a thermocouple.

Description

Die Erfindung geht von einem Sensorelement und einem Verfahren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen sowie deren Verwendung gemäß der im Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche definierten Art aus.The The invention is based on a sensor element and a method for determination of particles in gas mixtures and their use according to the Generic term of the independent claims defined type.

Um die Funktionstüchtigkeit aktueller in Kraftfahrzeugen eingesetzter Abgasnachbehandlungssysteme zu überprüfen bzw. zu überwachen, werden Sensoren benötigt, mit denen auch im Langzeitbetrieb eine genaue Ermittlung der in einem Verbrennungsabgas vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise eines in einem Abgassystem vorgesehenen Dieselpartikelfilters ermöglicht werden, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere Filtermaterialien einsetzen zu können.Around the functionality current exhaust aftertreatment systems used in motor vehicles to check or to be monitored Sensors needed, with which even in long-term operation an accurate determination of in a concentration of particulates present in the combustion exhaust gas is allowed can. About that In addition, by means of such sensors, a loading forecast, for example a diesel particulate filter provided in an exhaust system, to achieve a high system security and thus more cost-effective To be able to use filter materials.

So ist aus der DE 10 2005 003118 ein Sensor zur Detektion von Partikeln in einem Fluidstrom bekannt, der auf der Basis eines keramischen Mehrlagensubstrats ausgeführt ist. Er umfasst zwei voneinander beabstandete Messelektroden, die dem zu untersuchenden Verbrennungsabgas ausgesetzt sind. Lagert sich zwischen den beiden Messelektroden Ruß ab, so kommt es beim Anlegen einer Spannung an die Messelektroden zu einem Stromfluss zwischen den Messelektroden. Ein schichtförmig ausgeführtes Heizelement ermöglicht es, die Elektroden bzw. deren Umgebung auf thermischem Wege von abgelagerten Rußpartikeln zu befreien. Der Sensor umfasst weiterhin ein Temperaturmesselement, mit dem die Temperatur des Sensors detektiert werden kann. Das Heizelement befindet sich innerhalb des Schichtverbundes des Sensors zwischen dem Temperaturmesselement und den Messelektroden. Nachteilig ist dabei der relativ aufwändige Aufbau des Sensors, da für die Messelektroden, das Temperaturmess- und das Heizelement jeweils separate und voneinander isolierte Schichtebenen im Sensor vorgesehen sein müssen.So is out of the DE 10 2005 003118 a sensor for detecting particles in a fluid flow, which is carried out on the basis of a ceramic multilayer substrate. It comprises two spaced-apart measuring electrodes, which are exposed to the combustion exhaust gas to be examined. If soot is deposited between the two measuring electrodes, a current flow between the measuring electrodes occurs when a voltage is applied to the measuring electrodes. A layered heating element makes it possible to free the electrodes or their surroundings by thermal means from deposited soot particles. The sensor further comprises a temperature measuring element with which the temperature of the sensor can be detected. The heating element is located within the laminate of the sensor between the temperature measuring element and the measuring electrodes. The disadvantage here is the relatively complex construction of the sensor, since separate and mutually insulated layer planes must be provided in the sensor for the measuring electrodes, the temperature measuring and the heating element.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement für Sensoren und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen bereitzustellen, das eine genaue Temperaturregelung gestattet und dennoch auf einen einfachen Gesamtaufbau des Sensorelementes zurückgreift.task The present invention is a sensor element for sensors and a method for determining the concentration of particles in gas mixtures that provide accurate temperature control allowed and yet on a simple overall design of the sensor element recourse.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das Sensorelement bzw. das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in vorteilhafter Weise gelöst wird. Dies beruht insbesondere auf dem einfachen Aufbau des Sensorelementes und auf einer geringeren Anzahl benötigter elektrischer Kontakte zur Steuerung des Sensorelementes. Das Sensorelement umfasst mindestens ein dem zu bestimmenden Gas ausgesetztes Messelement, mindestens ein in das Sensorelement integriertes Heizelement und mindestens ein in das Sensorelement integriertes Temperaturmesselement. Dabei ist insbesondere eine Zusammenlegung eines elektrischen Kontaktes des Temperaturmesselementes mit einem elektrischen Kontakt eines der beiden anderen Elemente vorgesehen.The Sensor element or the method with the characterizing features which has independent claims the advantage that the problem underlying the invention in solved in an advantageous manner. This is based in particular on the simple structure of the sensor element and on a smaller number of required electrical contacts for controlling the sensor element. The sensor element comprises at least a measuring element exposed to the gas to be determined, at least a heating element integrated in the sensor element and at least a temperature measuring element integrated in the sensor element. there is in particular a combination of an electrical contact of the temperature measuring element with an electrical contact of a the other two elements provided.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Temperaturmesselement als Thermoelement ausgeführt. Dabei werden unter Ausnutzung des sogenannten Seebeck-Effektes zwei metallische Leiterbahnen unterschiedlicher Thermospannung im Bereich der zu messenden Temperatur miteinander in elektrischen Kontakt gebracht und es wird die sich an den offenen, einer Referenztemperatur ausgesetzten Enden der Leiterbahnen einstellende Potentialdifferenz bestimmt. Die Potentialdifferenz stellt ein Maß für die zu messende Temperatur dar. Der Vorteil besteht darin, dass als erste Leiterbahn des Thermoelementes eine Leiterbahn herangezogen werden kann, die zur elektrischen Kontaktierung des Mess- oder des Heizelementes vorgesehen ist.In an advantageous embodiment the temperature measuring element is designed as a thermocouple. there are taking advantage of the so-called Seebeck effect two metallic Conductor tracks of different thermoelectric voltage in the area of measuring temperature brought into electrical contact with each other and it becomes the ends exposed to a reference temperature the conductor tracks adjusting potential difference determined. The potential difference provides a measure of that The advantage is that as the first Trace of the thermocouple a trace can be used, for electrical contacting of the measuring or heating element is provided.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des vorliegenden Sensorelementes bzw. Verfahrens zum Betrieb desselben ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments the present sensor element or method for operating the same emerge from the dependent claims.

So ist von Vorteil, wenn das Thermoelement eine Leiterbahn aus einer Platin-Rhodium-Legierung insbesondere mit der Zusammensetzung Pt13Rh aufweist, da diese Legierung eine Temperaturbestimmung bis 1600°C gestattet.So is advantageous if the thermocouple is a conductor of a Platinum-rhodium alloy in particular having the composition Pt13Rh, since this alloy has a Temperature determination up to 1600 ° C allowed.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn das Sensorelement zwei Messelemente aufweist, die auf sich gegenüberliegenden Außenflächen des Sensorelementes angeordnet sind, da die resultierenden Messergebnisse dann auf zwei voneinander unabhängigen Messungen basieren und somit an Genauigkeit gewinnen.Farther is advantageous if the sensor element has two measuring elements, the ones on opposite sides Exterior surfaces of the Sensor element are arranged, since the resulting measurement results then on two independent measurements based and thus gain in accuracy.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Auswertevorrichtung vorgesehen, die eine Veränderung des zwischen den Messelektroden des Messelementes anliegenden Stromflusses ermittelt und dies als Maß für die Partikelkonzentration ausgibt.In a further advantageous embodiment of the present invention, an evaluation device is provided which determines a change in the voltage applied between the measuring electrodes of the measuring element current flow and this as a measure for the particle concentration.

Das Sensorelement bzw. das Verfahren zum Betrieb desselben ist in vorteilhafter Weise geeignet zur Überwachung der Betriebsweise eines Dieselmotors bzw. zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit oder des Beladungszustands eines Partikelfilters.The Sensor element or the method for operating the same is more advantageous Way suitable for monitoring the operation of a diesel engine or to check the functionality or the loading state of a particulate filter.

Zeichnungdrawing

Drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensorelementes sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigtThree embodiments of the sensor element according to the invention are shown schematically in the drawing and simplified explained in more detail in the following description. It shows

1 ein Sensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung, 1 a sensor element according to a first embodiment in an exploded view,

2 einen Ausschnitt des in 1 dargestellten Sensorelementes in einer Aufsicht, 2 a section of the in 1 shown sensor element in a plan view,

3 ein Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung, 3 a sensor element according to a second embodiment in an exploded view,

4 ein Sensorelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung und 4 a sensor element according to a third embodiment in an exploded view and

5 eine Korrelation der Thermospannung eines Pt13Rh-Thermoelementes mit der zu bestimmenden Temperatur in °C. 5 a correlation of the thermal voltage of a Pt13Rh thermocouple with the temperature to be determined in ° C.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit 10 ist ein keramisches Sensorelement bezeichnet, das der Bestimmung von Partikeln, wie beispielsweise Rußpartikeln, in einem das Sensorelement umgebenden Gasgemisch dient. Das Sensorelement 10 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten 11a, 11b und 11c. Die Festelektrolytschichten 11a und 11c werden dabei als keramische Folien ausgeführt und bilden einen planaren keramischen Körper. Sie bestehen vorzugsweise aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y2O3 stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO2.In 1 a basic structure of an embodiment of the present invention is shown. With 10 is a ceramic sensor element referred to, which serves the determination of particles, such as soot particles in a gas mixture surrounding the sensor element. The sensor element 10 For example, it includes a plurality of oxygen ion conductive solid electrolyte layers 11a . 11b and 11c , The solid electrolyte layers 11a and 11c are carried out as ceramic films and form a planar ceramic body. They preferably consist of an oxygen-ion-conducting solid electrolyte material, such as Y 2 O 3 stabilized or partially stabilized ZrO 2 .

Die Festelektrolytschicht 11b wird dagegen mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf der Festelektrolytschicht 11a erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei bevorzugt dasselbe Festelektrolytmaterial verwendet, aus dem auch die Festelektrolytschichten 11a, 11c bestehen.The solid electrolyte layer 11b in contrast, by means of screen printing of a pasty ceramic material, for example on the solid electrolyte layer 11a generated. As a ceramic component of the pasty material preferably the same solid electrolyte material is used, from which also the solid electrolyte layers 11a . 11c consist.

Weiterhin weist das Sensorelement 10 beispielsweise eine Vielzahl von elektrisch isolierenden keramischen Schichten 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f auf. Die Schichten 12a12f werden dabei ebenfalls mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf den Festelektrolytschichten 11a, 11b, 11c erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei beispielsweise bariumhaltiges Aluminiumoxid verwendet, da dieses auch bei Temperaturwechselbeanspruchungen über einen langen Zeitraum einen weitgehend konstant hohen elektrischen Widerstand aufweist. Alternativ ist auch die Verwendung von Cerdioxid bzw. der Zusatz anderer Erdalkalioxide möglich.Furthermore, the sensor element 10 For example, a plurality of electrically insulating ceramic layers 12a . 12b . 12c . 12d . 12e and 12f on. The layers 12a - 12f are also by screen printing of a pasty ceramic material, for example, on the solid electrolyte layers 11a . 11b . 11c generated. As a ceramic component of the pasty material, for example, barium-containing aluminum oxide is used, since this has a largely constant high electrical resistance even with thermal cycling over a long period of time. Alternatively, the use of ceria or the addition of other alkaline earth oxides is possible.

Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelementes 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit den Festelektrolytschicht 11b und mit Funktionsschichten sowie den keramischen Schichten 12a12f bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.The integrated shape of the planar ceramic body of the sensor element 10 is laminated by laminating with the solid electrolyte layer 11b and with functional layers as well as the ceramic layers 12a - 12f printed ceramic films and subsequent sintering of the laminated structure in a conventional manner.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin ein keramisches Heizelement 40 auf, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist und der Aufheizung des Sensorelementes 10 insbesondere auf die Temperatur des zu bestimmenden Gasgemischs bzw. dem Abbrand der auf den Großflächen des Sensorelementes 10 abgelagerten Rußpartikel dient. Die Widerstandsleiterbahn ist vorzugsweise aus einem Cermet-Material ausgeführt; vorzugsweise als Mischung von Platin oder einem Platinmetall mit keramischen Anteilen, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Die Widerstandsleiterbahn ist weiterhin vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgebildet und weist an beiden Enden Durchkontaktierungen 42, 44 sowie elektrische Kontakte 46, 48 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung an die Kontakte 46, 48 der Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelementes 40 entsprechend reguliert werden.The sensor element 10 also has a ceramic heating element 40 on, which is designed in the form of an electrical resistance track and the heating of the sensor element 10 in particular to the temperature of the gas mixture to be determined or the burnup of the large areas of the sensor element 10 Deposited soot particles serves. The resistor track is preferably made of a cermet material; preferably as a mixture of platinum or a platinum metal with ceramic portions, such as alumina. The resistance conductor track is furthermore preferably designed in the form of a meander and has plated-through holes at both ends 42 . 44 as well as electrical contacts 46 . 48 on. By applying an appropriate heating voltage to the contacts 46 . 48 The resistance track can control the heating power of the heating element 40 be regulated accordingly.

Auf einer Großfläche des Sensorelementes 10 sind beispielsweise zwei Messelektroden 14, 16 aufgebracht, die vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sind und ein Messelement bilden. Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden 14, 16 ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 14, 16 befindenden Oberflächenmaterials. Zur Kontaktierung der Messelektroden 14, 16 sind im Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Endes des Sensorelementes Kontakte 18, 20 vorgesehen. Dabei sind die Zuleitungsbereiche der Elektroden 14, 16 vorzugsweise durch die elektrisch isolierende Schicht 12a gegenüber den Einflüssen eines das Sensorelement 10 umgebenden Gasgemischs abgeschirmt.On a large surface of the sensor element 10 are for example two measuring electrodes 14 . 16 applied, which are preferably designed as interdigitated interdigital electrodes and form a measuring element. The use of interdigital electrodes as measuring electrodes 14 . 16 advantageously allows a particularly accurate determination of the electrical resistance or the electrical conductivity of the between the measuring electrodes 14 . 16 surface material. For contacting the measuring electrodes 14 . 16 are in the region of a gas mixture facing away from the end of the sensor element contacts 18 . 20 in front seen. Here are the supply areas of the electrodes 14 . 16 preferably by the electrically insulating layer 12a against the influences of the sensor element 10 shielded surrounding gas mixture.

Auf der mit den Messelektroden 14, 16 versehenen Großfläche des Sensorelementes 10 kann zusätzlich eine aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte poröse Deck- oder Schutzschicht vorgesehen sein, die die Messelektroden 14, 16 in ihrem ineinander verzahnten Bereich gegenüber einem direkten Kontakt mit dem zu bestimmenden Gasgemisch abschirmt. Dabei ist die Schichtdicke der porösen Schutzschicht vorzugsweise größer als die Schichtdicke der Messelektroden 14, 16. Die poröse Schutzschicht ist vorzugsweise offenporös ausgeführt, wobei die Porengröße so gewählt wird, dass die zu bestimmenden Partikel im Gasgemisch in die Poren der porösen Schutzschicht eindiffundieren können. Die Porengröße der porösen Schutzschicht liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 10 μm. Die poröse Schutzschicht ist aus einem keramischen Material ausgeführt, das vorzugsweise dem Material der Schicht 12a ähnlich ist oder diesem entspricht und kann mittels Siebdruck hergestellt werden. Die Porosität der porösen Schutzschicht kann durch Zusatz von Porenbildnern zu der Siebdruckpaste entsprechend eingestellt werden.On the with the measuring electrodes 14 . 16 provided large area of the sensor element 10 may additionally be provided for reasons of clarity not shown porous cover or protective layer, the measuring electrodes 14 . 16 shielded in their interlocked region against direct contact with the gas mixture to be determined. The layer thickness of the porous protective layer is preferably greater than the layer thickness of the measuring electrodes 14 . 16 , The porous protective layer is preferably made open-porous, wherein the pore size is selected so that the particles to be determined in the gas mixture can diffuse into the pores of the porous protective layer. The pore size of the porous protective layer is preferably in a range of 2 to 10 microns. The porous protective layer is made of a ceramic material, preferably the material of the layer 12a is similar or corresponds to this and can be prepared by screen printing. The porosity of the porous protective layer can be adjusted accordingly by adding pore formers to the screen printing paste.

Während des Betriebs des Sensorelementes 10 wird an die Messelektroden 14, 16 eine Spannung angelegt. Da die Messelektroden 14, 16 auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 12b angeordnet sind, kommt es zunächst im wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16.During operation of the sensor element 10 gets to the measuring electrodes 14 . 16 a voltage applied. Because the measuring electrodes 14 . 16 on the surface of the electrically insulating layer 12b are arranged, there is initially substantially no current flow between the measuring electrodes 14 . 16 ,

Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Gasgemisch Partikel, insbesondere Ruß, so lagert sich dieser auf der Oberfläche des Sensorelementes 10 ab. Da Ruß eine merkliche elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Sensorelementes 10 bzw. der porösen Schutzschicht mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.Contains one the sensor element 10 flowing gas mixture particles, in particular soot, so this superimposed on the surface of the sensor element 10 from. Since soot has a noticeable electrical conductivity, it comes with sufficient loading of the surface of the sensor element 10 or the porous protective layer with soot to an increasing current flow between the measuring electrodes 14 . 16 which correlates with the extent of loading.

Wird nun an die Messelektroden 14, 16 eine vorzugsweise konstante Gleich- oder Wechselspannung angelegt und der zwischen den Messelektroden 14, 16 auftretende Stromfluss bzw. der Anstieg des Stromflusses über der Zeit ermittelt, so kann aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten des Stromflusses nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Eine Berechnung der Partikelkonzentration ist auf der Basis der Messwerte möglich, sofern die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bekannt ist. Diese bzw. der Volumenstrom des Gasgemisches kann bspw. mittels eines geeigneten weiteren Sensors bestimmt werden.Will now contact the measuring electrodes 14 . 16 a preferably constant DC or AC voltage applied and that between the measuring electrodes 14 . 16 ascertained current flow or the increase of the current flow over time, so can from the quotient of current flow increase and time or from the differential quotient of the current flow to the deposited particle mass or the current particle mass flow, in particular soot mass flow, and the particle concentration be closed in the gas mixture. A calculation of the particle concentration is possible on the basis of the measured values, as long as the flow velocity of the gas mixture is known. This or the volume flow of the gas mixture can be determined, for example, by means of a suitable further sensor.

Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 10 ein Temperaturmesselement 30, das in Form eines Thermoelementes ausgeführt ist. Dessen Funktion beruht auf dem sogenannten Seebeck-Effekt, bei dem zwei Leiterbahnen aus zwei Metallen oder metallischen Werkstoffen, die unterschiedliche Thermospannungen aufweisen, miteinander in geeigneter Weise verbunden sind. Wird diese Verbindungs- oder Lötstelle einer ersten Temperatur ausgesetzt und werden die freien Enden der beiden Leiterbahnen einer zweiten Temperatur ausgesetzt, die von der ersten Temperatur verschieden ist, so kann zwischen den beiden freien Enden der Leiterbahnen eine Spannung in Form einer Thermospannung oder Thermokraft gemessen werden.In addition, the sensor element comprises 10 a temperature measuring element 30 , which is designed in the form of a thermocouple. Its function is based on the so-called Seebeck effect, in which two tracks made of two metals or metallic materials, which have different thermal stresses are connected to each other in a suitable manner. If this connection or soldering point is exposed to a first temperature and the free ends of the two strip conductors are exposed to a second temperature which is different from the first temperature, then a voltage in the form of a thermo-voltage or thermo-power can be measured between the two free ends of the strip conductors ,

Eine Darstellung des Thermoelementes 30 ist 2 zu entnehmen. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.A representation of the thermocouple 30 is 2 refer to. Here, the same reference numerals designate the same component components as in FIG 1 ,

Um die Zahl der nötigen Kontakte des Sensorelementes 10 gering zu halten, wird vorzugsweise eine der Messelektroden 14, 16 als erste Leiterbahn des Thermoelementes 30 herangezogen. Diese ist aus einem ersten Metall oder metallischen Werkstoff ausgeführt, insbesondere aus Platin. Weiterhin weist die Messelektrode 16 beispielsweise eine Verzweigung 32 auf, die zu einer Lötstelle 34 führt. An der Lötstelle 34 steht die Verzweigung 32 vorzugsweise in einem flächigen Kontakt zu einer zweiten Leiterbahn 36 des Thermoelementes 30. Diese ist aus einem zweiten Metall oder metallischen Werkstoff ausgeführt, der ungleich dem ersten Metall oder metallischen Werkstoff ist. Dabei wird vorzugsweise als zweiter metallischer Werkstoff eine Edelmetalllegierung, insbesondere eine Platinlegierung wie PtxRh eingesetzt, wobei x eine Zahl von 6 bis 30, vorzugsweise von 6 bis 20 und insbesondere von 10 bis 18 darstellt. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung dieser metallischen Materialien ist darin zu sehen, dass sie hohen Temperaturen von über 1000°C dauerhaft standhalten können. Alternative Thermoelemente können auf der Basis von Nickel-Chromlegierungen, die in Kontakt mit einer Leiterbahn aus Nickel stehen, ausgeführt sein oder als Kupfer-Konstantan-Thermoelemente.To the number of necessary contacts of the sensor element 10 is to keep low, preferably one of the measuring electrodes 14 . 16 as the first trace of the thermocouple 30 used. This is made of a first metal or metallic material, in particular of platinum. Furthermore, the measuring electrode 16 for example, a branch 32 on, leading to a solder joint 34 leads. At the soldering point 34 stands the branch 32 preferably in area contact with a second conductor track 36 of the thermocouple 30 , This is made of a second metal or metallic material, which is unlike the first metal or metallic material. In this case, a noble metal alloy, in particular a platinum alloy such as PtxRh is preferably used as the second metallic material, wherein x represents a number from 6 to 30, preferably from 6 to 20 and in particular from 10 to 18. A significant advantage of the use of these metallic materials is the fact that they can withstand high temperatures of over 1000 ° C permanently. Alternative thermocouples may be based on nickel-chromium alloys in contact with a nickel track, or as copper-constantan thermocouples.

Die zweite Leiterbahn 36 des Thermoelementes 30 ist vorzugsweise in einem dem zu bestimmenden Gas abgewandten Bereich des Sensorelementes über einen weiteren elektrischen Kontakt 38 elektrisch kontaktiert. Der weitere elektrische Kontakt 38 ist beispielsweise aus dem Material der zweiten Leiterbahn 36 ausgeführt, dies gilt auch für die nicht dargestellte weitere elektrische Verbindung zwischen dem weiteren elektrischen Kontakt 38 und einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung, mittels der eine zwischen der ersten und der zweiten Leiterbahn 32, 36 auftretende Thermospannung bestimmt und mittels eines Kennfeldes einer Temperatur des Gasgemisches zugeordnet wird. Eine kostengünstigere Lösung besteht darin, den Kontakt 18 und/oder die elektrische Verbindung des Kontaktes 18 mit der Auswerteeinheit aus einem metallischen Material auszuführen, das einen vergleichbaren Seebeck-Koeffizienten aufweist wie das Material der Verzweigung 32, jedoch geringere Materialkosten bedingt. Gleiches gilt für den weiteren elektrischen Kontakt 38 bzw. die elektrische Verbindung des weiteren elektrischen Kontaktes 38 mit der Auswerteeinheit The second track 36 of the thermocouple 30 is preferably in a region remote from the gas to be determined region of the sensor element via a further electrical contact 38 electrically contacted. The further electrical contact 38 is for example made of the material of the second conductor track 36 executed, this also applies to the not shown further electrical connection between the further electrical contact 38 and an evaluation device, not shown, by means of which one between the first and the second conductor track 32 . 36 determined thermoelectric voltage is determined and assigned by means of a map of a temperature of the gas mixture. A cheaper solution is to contact 18 and / or the electrical connection of the contact 18 to perform with the evaluation of a metallic material having a comparable Seebeck coefficient as the material of the branch 32 , but lower material costs. The same applies to the further electrical contact 38 or the electrical connection of the further electrical contact 38 with the evaluation unit

Die Bestimmung der an der Lötstelle 34 vorherrschenden Temperatur erfolgt, indem mittels der Auswerteeinheit die zwischen den beiden freien Enden der ersten und zweiten Leiterbahn 32, 26 gemessene Potentialdifferenz mit einer entsprechenden Messtemperatur korreliert wird. Dazu ist beispielsweise in der Auswereeinheit eine Korrelation möglicher Messtemperaturen mit zu erwartenden Spannungswerten bezogen auf ein Thermoelement mit festgelegter Ausführung hinterlegt. Ein Beispiel einer derartigen Korrelation ist in 5 abgebildet. Dort sind für Thermoelemente, die als Pt13Rh/Pt-Thermoelemente ausgeführt sind, die bei bestimmten Messtemperaturen im Bereich von 0–ca. 1700°C zu erwartenden Potentialdifferenzen in Millivolt aufgeführt. Die einer bestimmten Temperatur zuzuordnende Potentialdifferenz ergibt sich, indem die als Spaltenüberschrift der betrachteten Potentialdifferenz genannte Temperatur in °C zu der als Zeilenüberschrift der betrachteten Potentialdifferenz genannten Temperatur in °C addiert wird. Es zeigt sich, dass Pt13Rh/Pt-Thermoelemente im gesamten Temperaturmessbereich für die jeweiligen Messtemperaturen charakteristische Spannungswerte zeigen.The determination of the solder joint 34 prevailing temperature takes place by means of the evaluation unit between the two free ends of the first and second conductor track 32 . 26 measured potential difference is correlated with a corresponding measurement temperature. For this purpose, for example, a correlation of possible measurement temperatures with expected voltage values based on a thermocouple with a defined design is stored in the evaluation unit. An example of such a correlation is in 5 displayed. There are for thermocouples, which are designed as Pt13Rh / Pt thermocouples, which at certain measurement temperatures in the range of 0-ca. 1700 ° C expected potential differences in millivolts listed. The potential difference attributable to a specific temperature is obtained by adding the temperature in ° C referred to as the column heading of the considered potential difference to the temperature in ° C mentioned as the row heading of the considered potential difference. It can be seen that Pt13Rh / Pt thermocouples show characteristic voltage values for the respective measuring temperatures over the entire temperature measuring range.

Dabei wird die am Thermoelement gemessene Thermospannung willkürlich für eine Messtemperatur von 0°C gleich 0 mV gesetzt. Um zu vermeiden, dass die gemessene Thermospannung von der Umgebungstemperatur abhängig ist, die im Bereich der Auswerteeinheit herrscht, wird mittels einer Kompensation in Form einer sogenannten Cold-Junction-Compensation der Einfluss der Umgebungstemperatur rechnerisch aus der gemessenen Thermospannung eliminiert. Die Cold-Junction-Compensation ist dabei vorzugsweise in die Auswerteeinheit integriert.there the thermoelectric voltage measured at the thermocouple becomes arbitrary for a measuring temperature from 0 ° C set equal to 0 mV. To avoid the measured thermoelectric voltage depends on the ambient temperature is, which prevails in the area of the evaluation is by means of a Compensation in the form of a so-called cold-junction compensation of the influence of Ambient temperature calculated from the measured thermoelectric voltage eliminated. The cold junction compensation is preferred integrated into the evaluation unit.

In 3 ist ein Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1 und 2.In 3 a sensor element according to a second embodiment is shown. In this case, the same reference numerals designate the same component components as in the 1 and 2 ,

Das in einer Explosionsdarstellung dargestellte Sensorelement gemäß zweitem Ausführungsbeispiel stellt eine weitere Möglichkeit dar, wie ein Thermoelement als Temperaturmesselement 30 in das Sensorelement integriert werden kann. Dabei ist das Temperaturmesselement 30 gleichzeitig als Heizelement 40 ausgestaltet. Dazu weist das Thermoelement 30 eine erste und eine zweite Leiterbahn 36, 37 auf, wobei die Leiterbahnen 36, 37 vorzugsweise aus den bereits bei 1 für die zweite Leiterbahn 36 bzw. die Verzweigung 32 beschriebenen Materialien ausgeführt sind. Die Kontaktierung der ersten und zweiten Leiterbahn erfolgt über die Durchkontaktierungen 42, 44 bzw. die Kontakte 46, 48.The sensor element shown in an exploded view according to the second embodiment is another possibility, such as a thermocouple as a temperature measuring element 30 can be integrated into the sensor element. Here is the temperature measuring element 30 at the same time as a heating element 40 designed. This is indicated by the thermocouple 30 a first and a second conductor track 36 . 37 on, with the tracks 36 . 37 preferably from those already at 1 for the second trace 36 or the branch 32 described materials are executed. The contacting of the first and second conductor track via the vias 42 . 44 or the contacts 46 . 48 ,

Wird eine Beheizung des Sensorelementes benötigt, so wird das Temperaturmesselement 30 temporär als Heizelement geschaltet. Dazu wird an die Kontakte 46, 48 in diesem Zeitraum eine entsprechende Heizspannung angelegt.If a heating of the sensor element is required, then the temperature measuring element 30 temporarily switched as a heating element. This is to the contacts 46 . 48 in this period a corresponding heating voltage applied.

Da die zweite Leiterbahn 36 vorzugsweise aus einer Platin-Rhodium-Legierung ausgeführt ist, weist diese bedingt durch den sogenannten Legierungseffekt einen höheren spezifischen Widerstand auf als eine gleich dimensionierte Leiterbahn aus Platin. Um eine einseitige Erwärmung des Sensorelementes während der Beheizung zu verhindern, wird daher die zweite Leiterbahn 36, die aus einer Platin-Rhodium-Legierung ausgeführt ist, mit einem vergleichsweise größeren Querschnitt versehen als die erste Leiterbahn 37 aus Platin, sodass beide Leiterbahnen 36, 37 einen vergleichbaren elektrischen Widerstand aufweisen.Because the second trace 36 is preferably made of a platinum-rhodium alloy, this has due to the so-called alloy effect on a higher resistivity than a uniformly sized conductor made of platinum. In order to prevent unilateral heating of the sensor element during heating, therefore, the second conductor 36 , which is made of a platinum-rhodium alloy, provided with a comparatively larger cross-section than the first conductor track 37 made of platinum, so that both tracks 36 . 37 have a comparable electrical resistance.

Alternativ kann eine der Leiterbahnen 36, 37 mittels einer geeigneten Durchkontaktierung anstatt mit den Kontakten 46, 48 auch mit einem der Kontakte 18, 20 der Messelektroden 14, 16 verbunden sein. Auf diese Weise verringert sich die Anzahl der nötigen elektrischen Kontakte des Sensorelementes auf drei Kontakte. Die Kontaktierung des Thermoelementes erfolgt vorzugsweise in einer Weise, dass sich bei Verwendung des Thermoelementes als Heizelementes 40 zusätzlich zur Jouleschen Erwärmung aufgrund des elektrischen Widerstandes der Leiterbahnen 36, 37 eine Erwärmung durch den Peltier-Effekt ergibt.Alternatively, one of the tracks 36 . 37 by means of a suitable via instead of the contacts 46 . 48 also with one of the contacts 18 . 20 the measuring electrodes 14 . 16 be connected. In this way, the number of required electrical contacts of the sensor element is reduced to three contacts. The contacting of the thermocouple is preferably carried out in such a way that when using the thermocouple as a heating element 40 in addition to the Joule heating due to the electrical resistance of the tracks 36 . 37 Warming by the Peltier effect results.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelementes ist in 4 dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen weiterhin gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1 bis 3.Another embodiment of a sensor element is shown in FIG 4 shown. Here, the same reference numerals designate the same component components as in the 1 to 3 ,

Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist wie bei dem in 3 abgebildeten Sensorelement das Temperaturmesselement 30 zusätzlich als Heizelement ausgebildet. Um der letztgenannten Funktion besonders gut gerecht werden zu können, sind vorzugsweise beide Leiterbahnen 36, 37 im Bereich einer erwünschtermaßen guten Beheizung des Sensorelementes mäanderförmig ausgebildet.At the in 4 illustrated embodiment is as in the 3 mapped sensor element, the temperature measuring element 30 additionally designed as a heating element. To the latter To be able to cope with the function particularly well are preferably both conductor tracks 36 . 37 formed in the region of a desirably good heating of the sensor element meandering.

Weiterhin weist das in 4 dargestellte Sensorelement ein zweites Messelement auf, das die weiteren Messelektroden 14', 16' umfasst und das vorzugsweise auf einer dem ersten Messelement gegenüberliegenden Großfläche des Sensorelementes beispielsweise auf der keramischen Schicht 12e vorgesehen ist. Das zweite Messelement weist dabei vorzugsweise einen weiteren elektrischen Kontakt 50 auf. Durch die Verwendung zweier voneinander unabhängig ausgestalteter Messelemente erhöht sich die Messgenauigkeit des Sensorelementes und dessen Messergebnisse sind weitgehend von Strömungsverhältnissen in einem das Sensorelement umgebenden Gasgemisch unabhängig.Furthermore, the in 4 shown sensor element on a second measuring element, which the further measuring electrodes 14 ' . 16 ' and preferably on a large surface of the sensor element opposite the first measuring element, for example on the ceramic layer 12e is provided. The second measuring element preferably has a further electrical contact 50 on. The use of two independently designed measuring elements increases the measuring accuracy of the sensor element and its measurement results are largely independent of flow conditions in a gas mixture surrounding the sensor element.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen eines Sensorelementes beschränkt, sondern es können zahlreiche Abwandlungen dieses Sensorelementes vorgenommen werden. So ist es beispielsweise möglich, zusätzliche keramische Schichten im Sensorelement vorzusehen oder den Mehrschichtaufbau des Sensorelementes anwendungsbezogen zu vereinfachen, sowie weitere Messelektroden vorzusehen. Auch die Verwendung mehrerer Heiz- und Temperaturmesselemente ist möglich.The present invention is not applicable to those in 1 to 5 illustrated embodiments of a sensor element limited, but it can be made numerous modifications of this sensor element. Thus, it is possible, for example, to provide additional ceramic layers in the sensor element or to simplify the multi-layer structure of the sensor element in relation to the application, as well as to provide further measuring electrodes. The use of several heating and temperature measuring elements is possible.

Die Anwendung des beschriebenen Sensorelementes ist nicht auf die Bestimmung von Rußpartikeln in Abgasen von Verbrennungsmotoren beschränkt, sondern es kann allgemein zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln, die die elektrische Leitfähigkeit eines keramischen Substrats bei Einlagerung verändern, beispielsweise in chemischen Herstellungsprozessen oder Abluftnachbehandlungsanlagen, eingesetzt werden.The Application of the described sensor element is not on the determination of soot particles in exhaust gases of internal combustion engines, but it can be general for determining the concentration of particles containing the electric conductivity a ceramic substrate when stored change, for example, in chemical Manufacturing processes or exhaust aftertreatment systems used become.

Claims (13)

Sensorelement für Gassensoren, insbesondere zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, mit mindestens einem dem zu bestimmenden Gas ausgesetzten Messelement und mindestens einem in das Sensorelement integrierten Temperaturmesselement (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmesselement (30) als Thermoelement ausgeführt ist.Sensor element for gas sensors, in particular for the determination of particles in gas mixtures, with at least one measuring element exposed to the gas to be determined and at least one temperature measuring element integrated in the sensor element (US Pat. 30 ), characterized in that the temperature measuring element ( 30 ) is designed as a thermocouple. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement aus einer ersten und einer zweiten miteinander in Kontakt stehenden Leiterbahn (32, 36, 37) ausgeführt ist, wobei die erste Leiterbahn als metallische Komponente eine Platin-Rhodium-Legierung oder eine Nickel-Chrom-Legierung enthält.Sensor element according to claim 1, characterized in that the thermocouple of a first and a second interconnected interconnect ( 32 . 36 . 37 ), wherein the first conductor as a metallic component contains a platinum-rhodium alloy or a nickel-chromium alloy. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platin-Rhodium-Legierung einen Rhodiumgehalt von 6 bis 30 Gew.% aufweist.Sensor element according to claim 2, characterized that the platinum-rhodium alloy has a rhodium content of 6 to 30 wt.%. Sensorelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platin-Rhodium-Legierung die Zusammensetzung Pt10Rh oder Pt13Rh hat.Sensor element according to claim 2 or 3, characterized that the platinum-rhodium alloy the composition has Pt10Rh or Pt13Rh. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leiterbahn als metallische Komponente Platin enthält.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the second conductor track as a metallic component Contains platinum. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement eine erste und eine zweite Messelektrode (14, 16) umfasst, wobei eine der Messelektroden (14, 16) mit dem Thermoelement in elektrischem Kontakt steht.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring element has a first and a second measuring electrode ( 14 . 16 ), wherein one of the measuring electrodes ( 14 . 16 ) is in electrical contact with the thermocouple. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Heizelement (40) vorgesehen ist, wobei das Thermoelement mit einem der elektrischen Anschlüsse des Heizelementes (40) in elektrischem Kontakt steht.Sensor element according to one of claims 1 to 5, characterized in that an electrical heating element ( 40 ) is provided, wherein the thermocouple with one of the electrical connections of the heating element ( 40 ) is in electrical contact. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messelemente (14, 16) auf sich gegenüberliegenden Außenflächen des Sensorelementes vorgesehen sind.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that two measuring elements ( 14 . 16 ) are provided on opposite outer surfaces of the sensor element. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertevorrichtung vorgesehen ist, die eine Veränderung des zwischen den Messelektroden (14, 16) anliegenden Stromflusses und/oder Widerstandes ermittelt und dies als Maß für die Partikelkonzentration ausgibt.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that an evaluation device is provided, which is a change of between the measuring electrodes ( 14 . 16 ) determines adjacent current flow and / or resistance and outputs this as a measure of the particle concentration. Verfahren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere von Ruß in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mittels eines Sensorelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei an mindestens zwei Messelektroden (14, 16) eine Spannung angelegt wird und der sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellende Stromfluss oder elektrische Widerstand bestimmt wird und als Maß für die Partikelkonzentration oder den Partikelmassenstrom ausgegeben wird.Method for determining particles in gas mixtures, in particular soot in exhaust gases of internal combustion engines, by means of a sensor element according to one of the preceding claims, wherein at least two measuring electrodes ( 14 . 16 ) a voltage is applied and between the measuring electrodes ( 14 . 16 ) adjusting current flow or electrical resistance is determined and output as a measure of the particle concentration or the particle mass flow. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellende Stromfluss oder elektrische Widerstand mit einer über ein Thermoelement (30) bestimmten Temperatur korreliert wird und durch Auswertung eines Kennfeldes, in dem die Temperaturabhängigkeit des sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellenden Stromflusses oder elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Partikelbeladung hinterlegt ist, ein Maß für die Partikelkonzentration oder den Partikelmassenstrom ausgegeben wird.Method according to claim 10, characterized in that between the measuring electrodes ( 14 . 16 ) adjusting current flow or electrical resistance with a via a thermocouple ( 30 ) is correlated to a specific temperature and by evaluating a characteristic diagram in which the temperature dependence of the temperature between the measuring electrodes ( 14 . 16 ) adjusting current flow or elektri rule resistance is deposited as a function of the particle loading, a measure of the particle concentration or the particle mass flow is output. Gassensor zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere Rußsensor, mit einem Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit enthalten ist, in die eine Korrelation zwischen einer mittels dem Sensorelement bestimmten Thermospannung und einer zu bestimmenden am Sensorelement herrschenden Messtemperatur integriert ist.Gas sensor for the determination of particles in gas mixtures, especially soot sensor, with a sensor element according to one of claims 1 to 9, characterized that an evaluation unit is included, in which a correlation between a determined by the sensor element thermoelectric voltage and a measuring temperature to be determined prevailing on the sensor element is integrated. Verwendung eines Sensorelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 oder 11 oder eines Sensors nach Anspruch 12 zur Überwachung der Betriebsweise eines Dieselmotors oder zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit und/oder des Beladungszustands eines Partikelfilters.Use of a sensor element according to one of claims 1 to 9, a method according to any one of claims 10 or 11 or a sensor according to Claim 12 for monitoring the operation of a diesel engine or to monitor the functionality and / or the loading state of a particulate filter.
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