DE102006002111A1

DE102006002111A1 - Sensorelement für Partikelsensoren und Verfahren zum Betrieb desselben

Info

Publication number: DE102006002111A1
Application number: DE102006002111A
Authority: DE
Inventors: Sabine Rösch; Thorsten Ochs; Bernhard Kamp; Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2006-08-03

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) für Gassensoren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere Rußsensoren, beschrieben mit mindestens einer dem zu bestimmenden Gas ausgesetzten Messanordnung, mindestens einem in das Sensorelement integrierten Heizelement (40) und mindestens einem in das Sensorelement integrierten Temperaturmesselement (30), wobei das Heizelement (40) innerhalb des Sensorelements räumlich zwischen der Messanordnung und dem Temperaturmesselement (30) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung geht von einem Sensorelement und einem Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen sowie deren Verwendung gemäß der im Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche definierten Art aus.

Im Zuge einer sich verschärfenden Umweltgesetzgebung erlangen zunehmend Abgasnachbehandlungssysteme Bedeutung, die die Filtration bzw. Eliminierung von in Verbrennungsabgasen existierenden Rußpartikeln ermöglichen. Um die Funktionstüchtigkeit derartiger Abgasnachbehandlungssysteme zu überprüfen bzw. zu überwachen, werden Sensoren benötigt, mit denen auch im Langzeitbetrieb eine genaue Ermittlung der aktuell im Verbrennungsabgas vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise eines in einem Abgassystem vorgesehenen Dieselpartikelfiltern ermöglicht werden, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere Filtermaterialien einsetzen zu können.

Aus der US 6,634,210 B1 ist ein Sensor zur Detektion von Stoffen 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 Temperaturmesselement befindet sich innerhalb des Schichtverbundes des Sensors zwischen dem Heizelement und den Messelektroden. Nachteilig an diesem Aufbau des Sensors ist, dass die über das Temperaturmesselement ermittelte Temperatur nicht derjenigen Temperatur entspricht, die im Bereich der Messelektroden herrscht.

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 kostengünstig ausgeführt werden kann.

Vorteile der Erfindung

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 Sensorelements und darauf, dass das Heizelement innerhalb des Sensorelements räumlich zwischen einer Messanordnung und einem Temperaturmesselement des Sensorelements angeordnet ist. Dabei ist insbesondere eine symmetrische Anordnung des Temperaturmesseiements bzw. der Messelektroden bezüglich der Lage des Heizelements innerhalb des Sensorelements bzw. bezüglich der Großflächen des Sensorelements vorgesehen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des vorliegenden Sensorelements bzw. Verfahrens zum Betrieb desselben ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So ist es von Vorteil, wenn die Messelektroden vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgeführt sind, da auf diese Weise der elektrische Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit großer Oberflächenbereiche unter definierten Bedingungen bestimmt werden kann und somit die Empfindlichkeit und die Güte der Messsignale deutlich verbessert wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Auswertevorrichtung vorgesehen, die eine Veränderung des zwischen den Messelektroden anliegenden Stromflusses ermittelt und dies als Maß für die Partikelkonzentration ausgibt.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Messelektroden des Sensorelements in der selben Schichtebene angeordnet sind wie das Heizelement und/oder das Temperaturmesselement, da dadurch der Aufbau des Sensorelements deutlich vereinfacht werden kann.

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.

Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensorelements sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt 1 ein Sensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung und 2 ein Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Aufsicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit 10 ist ein keramisches Sensorelement bezeichnet, das der Bestimmung einer Partikelkonzentration, wie beispielsweise der Rußkonzentration, 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 aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y₂O₃ stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO₂.
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.
Weiterhin weist das Sensorelement beispielsweise eine Vielzahl von elektrisch isolierenden keramischen Schichten 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f auf. Die Schichten 12a – 12f 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.
Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit der Festelektrolytschicht 11b und mit Funktionsschichten sowie den Schichten 12a – 12f bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
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. zum Abbrand der auf den Großflächen des Sensorelements 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 Anschlüsse 46, 48 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung an die Anschlüsse 46, 48 der Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelementes 40 entsprechend reguliert werden.
Auf einer Großfläche des Sensorelements 10 sind beispielsweise zwei Messelektroden 14, 16 aufgebracht, die vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sind. 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 Ende des Sensorelements Kontaktflächen 18, 20 vorgesehen. Dabei sind die Zuleitungsbereiche der Elektroden 14, 16 vorzugsweise durch eine weitere, elektrisch isolierende, keramische Schicht 12f gegenüber den Einflüssen eines das Sensorelement 10 umgebenden Gasgemischs abgeschirmt.
Auf der mit den Messelektroden 14, 16 versehenen Großfläche des Sensorelements 10 kann zusätzlich eine aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte poröse Schicht 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 Schicht vorzugsweise größer als die Schichtdicke der Messelektroden 14, 16. Die poröse Schicht ist vorzugsweise offenporös ausgeführt, wobei die Porengröße so gewählt wird, dass die zu bestimmenden Partikel im Gasgemisch in die Poren der porösen Schicht eindiffundieren können. Die Porengröße der porösen Schicht liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 10 μm. Die poröse Schicht 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 Schicht kann durch Zusatz von Porenbildnern zu der Siebdruckpaste entsprechend eingestellt werden.
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 12a angeordnet sind, kommt es zunächst im wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16.
Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Gasgemisch Partikel, insbesondere Ruß, so lagern sich diese auf der Oberfläche des Sensorelementes 10 ab. Durch die offenporige Struktur der porösen Schicht diffundieren die Partikel durch die poröse Schicht hindurch bis in unmittelbare Nähe der Messelektroden 14, 16. Da Ruß eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Sensorelementes 10 bzw. der porösen Schicht mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.
Wird nun an die Messelektroden 24, 26 eine vorzugsweise konstante Gleich- oder Wechselspannung angelegt und der zwischen den Messelektroden 24, 26 auftretende Stromfluss ermittelt, so kann aus dem Integral des Stromflusses über der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Mit dieser Messmethode wird die Konzentration all derjenigen Partikel in einem Gasgemisch erfasst, die die elektrische Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 24, 26 befindenden keramischen Materials positiv oder negativ beeinflussen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Anstieg des Stromflusses über der Zeit zu ermitteln und aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten aus Stromfluss nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch zu schließen. 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.
Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 10 ein Temperaturmesselement 30, das vorzugsweise in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist. Die Widerstandsleiterbahn ist beispielsweise aus einem ähnlichen oder dem selben Material ausgeführt, wie das der Widerstandsleiterbahn des Heizelementes 40. Die Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselementes 30 ist vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgeführt, wobei einer der Anschlüsse der Widerstandsleiterbahn vorzugsweise über den Anschluss 48 auf Masse gelegt ist. Weiterhin weist das Temperaturmesselement 30 einen weiteren elektrischen Anschluss 32 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Anschlüsse 32, 48 der Widerstandsleiterbahn und durch Bestimmen des elektrischen Widerstandes derselben kann auf die Temperatur des Sensorelements geschlossen werden. Alternativ ist eine Temperaturbestimmung mittels Thermoelementen möglich. Eine weitere alternative bzw. zusätzliche Möglichkeit der Tempraturmessung besteht darin, die per se temperaturabhängige Leitfähigkeit des zwischen der Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselements 32 und den Messelektroden 24, 26 angeordneten keramischen Körpers zu bestimmen und aus dessen Höhe auf die Temperatur des Sensorelementes zu schließen.
Der mittels den Messelektroden 14, 16 bestimmte elektrische Widerstand des zwischen den Messelektroden 14, 16 sich befindenden Materials unterliegt einer starken Temperaturabhängigkeit. Insofern ist eine möglichst exakte Bestimmung der im Bereich der Messelektroden 14, 16 auftretenden Sensortemperatur eine wichtige Voraussetzung für den Erhalt verwertbarer Messergebnisse. Da aus räumlichen Gründen jedoch eine Temperaturbestimmung im unmittelbaren Bereich der Messelektroden 14, 16 oft nicht realisierbar ist, werden die Messelektroden 14, 16, das Heizelement 40 und das Temperaturmesselement 30 innerhalb des Sensorelementes 10 räumlich so angeordnet, dass das Heizelement 40 in einer Schichtebene angeordnet ist, die sich zwischen der die Messelektroden 14, 16 enthaltenden Schichtebene und der das Temperaturmesselement 30 enthaltenden Schichtebene befindet. Insbesondere dann, wenn die Messelektroden 14, 16 und das Temperaturmesselement 30 dabei im wesentlichen den gleichen Abstand bezüglich dem Heizelement 40 aufweisen, sind zwar die Messelektroden 14, 16 und das Temperaturmesselement 30 in verschiedenen Bereichen des Sensorelementes 10 angeordnet, durch einen im wesentlichen vergleichbaren Abstand der Messelektroden 14, 16 bzw. des Temperaturelements 30 vom Heizelement 40 kann jedoch unterstellt werden, dass an den Messelektroden 14, 16 eine vergleichbare Temperatur herrscht, wie sie vom Temperaturmesselement 30 erfasst wird. Durch eine räumliche Anordnung des Heizelementes 40 zwischen den Messelektroden 14, 16 und dem Temperaturmesselement 30, insbesondere bei einer symmetrischen bzw. äquidistanten Anordnung des Heizelementes 40 bezüglich der Messelektroden 14, 16 und dem Temperaturmesselement 30, kann durch eine Temperaturbestimmung mit dem Temperaturmesselement 30 wirksam ein Rückschluss auf die Temperatur der Messelektroden 14, 16 gezogen werden. Dies ermöglicht eine effektive Berücksichtigung der aktuellen Temperatur des Sensorelements bei der Bestimmung des elektrischen Widerstandes über die Messelektroden 14, 16.
In 2 ist ein Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
Das in einer Aufsicht dargestellte Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel stellt eine weitere Möglichkeit dar, wie eine Anordnung des Heizelementes 40 zwischen den Messelektroden 14, 16 einerseits und dem Temperaturmesselement 30 andererseits realisiert werden kann. Dabei sind auf der elektrisch isolierenden Schicht 12a sowohl die Elektroden 14, 16 als auch das Heizelement 40 und das Temperaturmesselement 30 aufgebracht. Das Heizelement 40 ist dabei räumlich in der selben Schichtebene des Sensorelements zwischen der Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselementes 30 und den Messelektroden 14, 16 angeordnet. Dies erfolgt vorzugsweise so, dass zumindest der heizende Bereich des Heizelements 40 im wesentlichen den gleichen Abstand zu den Messelektroden 14, 16 aufweist wie zum Temperaturmesselement 30. Auf diese Weise wird eine symmetrische bzw. äquidistante Anordnung des Heizelementes 40 bezüglich der Messelektroden 14, 16 und dem Temperaturmesselement 30 erreicht; weiterhin kann der Schichtaufbau auf wenige keramische Schichten reduziert werden. Vorzugsweise sind jedoch die Widerstandleiterbahnen von Heiz- und Temperaturmesselement 30, 40 mit der weiteren keramischen Schicht 12f gegenüber korrosiven Einflüssen des zu bestimmenden Gasgemischs abgedeckt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen eines Sensorelements beschränkt, sondern es können zahlreiche Abwandlungen dieses Sensorelements vorgenommen werden. So ist es beispielsweise möglich, zusätzliche keramische Schichten im Sensorelement vorzusehen oder den Mehrschichtaufbau des Sensorelements anwendungsbezogen zu vereinfachen, sowie weitere Messelektroden vorzusehen. Auch die Verwendung mehrerer Heiz- und Temperaturmesselemente ist möglich.
Die Anwendung des beschriebenen Sensorelements 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.

Claims

Sensorelement für Gassensoren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere Rußsensoren, mit mindestens einer dem zu bestimmenden Gas ausgesetzten Messanordnung, mindestens einem in das Sensorelement integrieren Heizelement (40) und mindestens einem in das Sensorelement integrierten Temperaturmesselement (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (40) innerhalb des Sensorelements räumlich zwischen der Messanordnung und dem Temperaturmesselement (30) angeordnet ist.
Sensorelement für Gassensoren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere Rußsensoren, mit mindestens einer dem zu bestimmenden Gas ausgesetzten Messanordnung, mindestens einem in das Sensorelement integrierten Heizelement (40) und mindestens einem in das Sensorelement integrierten Temperaturmesselement (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung und das Temperaturmesselement (30) im wesentlichen äquidistant zum Heizelement (40) und/oder zu Großflächen des Sensorelementes angeordnet sind.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine erste und eine zweite Messelektrode (14, 16) umfasst, mit denen ein elektrischer Widerstand bestimmbar ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Messelektrode (14, 16) als Interdigitalelektrode ausgeführt ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Messelektrode (14, 16) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (12a) angeordnet sind, wobei das elektrisch isolierende Substrat Aluminiumoxid und/oder Erdalkalioxide enthält.
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.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Messelektrode (14, 16) in der selben Schichtebene angeordnet ist wie das Heizelement (40) und/oder das Temperaturmesselement (30).
Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere von Ruß in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mittels eines Sensorelements 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 bestimmt wird und als Maß für die Partikelkonzentration ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regenerierung des Sensorelements eingeleitet wird, sobald der sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellende Stromfluss einen vorbestimmten Wert überschreitet und/oder für einen vorbestimmten Zeitraum einen konstanten Wert annimmt.
Verwendung eines Sensorelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 oder 9 zur Überwachung der Betriebsweise eines Dieselmotors oder der Funktionstüchtigkeit und/oder des Beladungszustands eines Partikelfilters.