DE102006032549A1

DE102006032549A1 - Sensor element for determining gas component or particles, comprises carrier body with through hole , where sensitive area of sensor element is arranged as ceramic membrane in through hole and has measuring electrodes

Info

Publication number: DE102006032549A1
Application number: DE200610032549
Authority: DE
Inventors: Ralf Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-01-17

Abstract

The element (10) comprises a carrier body with a through hole. A sensitive area (12) of the sensor element is arranged as a ceramic membrane in the through hole. The sensitive area has measuring electrodes on its large surface and a plate (14) is fixed in the through hole. A heating element or an air conditioning probe is provided on the back of the panel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement sowie einen Gassensor dieses enthaltend zur Bestimmung einer Gaskomponente oder von Partikeln bzw. deren Konzentration in einem Messgas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The present invention relates to a sensor element and a gas sensor containing it for determining a gas component or particles or their concentration in a measuring gas according to the preamble of Claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Der effektive Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen setzt deren Kontrolle hinsichtlich ihrer Funktionstüchtigkeit im Dauereinsatz voraus. Dazu werden Sensoren benötigt, mit denen auch im Langzeitbetrieb eine bspw. genaue Ermittlung der aktuell in einem Verbrennungsabgas vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise eines in einem Abgassystem vorgesehenen Dieselpartikelfilter ermöglicht werden, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere Filtermaterialien einsetzen zu können. Für diese Anwendung sind insbesondere resistive Russsensoren geeignet, die die Widerstandsänderung einer interdigitalen Elektrodenstruktur aufgrund von Rußanlagerung zur Detektion des Rußes heranziehen.Of the effective use of exhaust aftertreatment systems puts their control in terms of their functionality in continuous use ahead. For this purpose, sensors are needed, with which even in long-term operation an example. Exact determination of the currently in a combustion exhaust gas present particle concentration can be made possible. Furthermore shall 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. For this In particular resistive Russian sensors are suitable, which are the resistance change an interdigital electrode structure due to Rußauflagerung for detecting the soot use.

So ist aus der DE 101 24 907 A1 ist ein Sensor zur Detektion von Ruß in einem Fluidstrom bekannt, der auf der Basis eines keramischen Substrats ausgeführt ist. Er umfasst mehrere voneinander beabstandete Messelektroden, die dem zu untersuchenden Verbrennungsabgas ausgesetzt sind. Lagert sich zwischen den Messelektroden Ruß ab, so kommt es zu einer Reduzierung des Isolationswiderstandes des keramischen Materials. Dies wird detektiert und einer Russkonzentration im Fluidstrom zugeordnet. Ein Heizelement des Sensors ermöglicht es, die Elektroden bzw. deren Umgebung auf thermischem Wege von abgelagerten Rußpartikeln zu befreien.So is out of the DE 101 24 907 A1 For example, a sensor is known for detecting soot in a fluid flow that is based on a ceramic substrate. It comprises a plurality of spaced-apart measuring electrodes, which are exposed to the combustion exhaust gas to be examined. If soot deposits between the measuring electrodes, the insulation resistance of the ceramic material is reduced. This is detected and assigned to a soot concentration in the fluid flow. A heating element of the sensor makes it possible to free the electrodes or their surroundings thermally from deposited soot particles.

Die Anlagerung der Partikel erfolgt durch Elektrophorese, also durch Einwirkung elektrischer Felder, und durch Diffusion von Partikeln infolge der Brownschen Molekularbewegung in Abhängigkeit von der Absoluttemperatur des Messgases. Daneben erfolgt die Anlagerung von Partikeln auf Oberflächen auch aufgrund von Temperaturgradienten durch sogenannte Thermophorese.The Addition of the particles is carried out by electrophoresis, ie by Action of electric fields, and by diffusion of particles due to the Brownian motion as a function of the absolute temperature of the sample gas. In addition, the addition of particles occurs surfaces also due to temperature gradients due to so-called thermophoresis.

Im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors treten bei Lastwechseln des Motors innerhalb kürzester Zeit starke Temperaturschwankungen auf, so dass sich die Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Sensor ständig ändert und zu unterschiedlichen Anlagerungsraten führt. Im Gegensatz zur Anlagerung durch Diffusion und Elektrophorese, bei der durch die Messung der Abgasabsoluttemperatur bzw. auf Basis von Geometrievorgaben und bei bekannten elektrischen Feldern und Strömungsverhältnissen die Anlagerungsraten direkt kontrolliert und beeinflusst werden können, ist die Thermophorese nicht kontrollierbar, sondern nur erfassbar. Für ein stabiles Messsignal müssen deshalb die Temperaturverhältnisse aktuell gemessen und auch Korrekturen bzw. in einem Kompensationsalgorithmus berücksichtigt werden. Das ist recht aufwändig und verteuert das Messprinzip.in the Exhaust line of an internal combustion engine occur during load changes of Motors within the shortest possible time Time strong temperature changes, so that the temperature difference between exhaust and sensor constantly changes and leads to different accumulation rates. In contrast to the attachment by diffusion and electrophoresis, in which by measuring the Exhaust gas absolute temperature or based on geometry specifications and in known electric fields and flow conditions, the deposition rates can not be directly controlled and influenced, thermophoresis is not controllable, but only detectable. For a stable measurement signal must therefore the temperature conditions currently measured and also corrections or in a compensation algorithm considered become. That is quite expensive and makes the measuring principle more expensive.

Aufgabe und Vorteile der ErfindungPurpose and advantages of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement für Sensoren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen bereitzustellen, das die bestehenden Mängel herkömmlicher resistiver Gassensoren hinsichtlich der großen Beeinflussung der Partikelanlagerung durch thermophoretische Effekte reduziert.task The present invention is a sensor element for sensors to provide for the determination of the concentration of particles in gas mixtures, that the existing defects conventional Resistive gas sensors with regard to the large influence of particle accumulation reduced by thermophoretic effects.

Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in vorteilhafter Weise gelöst.These Task is a sensor element with the characterizing features of claim 1 solved in an advantageous manner.

Dies beruht insbesondere auf dem einfachen Aufbau des Sensorelements und darauf dass der auf Partikel sensitive Bereich des Sensorelementes eine geringe thermische Masse aufweist und somit seine Temperatur rasch der jeweiligen Umgebungstemperatur anpassen kann.This is based in particular on the simple structure of the sensor element and that on the particle sensitive area of the sensor element has a low thermal mass and thus its temperature can quickly adapt to the ambient temperature.

Weiterhin wird der sensitive Bereich des Sensorelementes vorzugsweise thermisch von anderen Sensorbereichen entkoppelt, indem der Trägerkörper des Sensorelementes mindestens eine Durchbrechung aufweist, durch die Messgas von einer Seite des Sensorelementes zur anderen Seite gelangen kann.Farther the sensitive region of the sensor element is preferably thermal decoupled from other sensor areas by the carrier body of Sensor element has at least one opening through which Take sample gas from one side of the sensor element to the other side can.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des vorliegenden Sensorelements 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 es von Vorteil, wenn der sensitive Bereich des Sensorelementes innerhalb der Durchbrechung angeordnet ist, sodass einerseits die thermische Entkopplung desselben gewährleistet ist sowie ein weitgehend ungehinderter Zutritt des Messgases zum sensitiven Bereich des Sensorelementes. Dabei ist insbesondere von Vorteil, wenn der sensitive Bereich als in der Durchbrechung fixiertes Plättchen ausgeführt ist, auf dessen einer Großfläche Messelektroden vorgesehen sind.So It is advantageous if the sensitive area of the sensor element is disposed within the aperture, so that on the one hand the thermal decoupling of the same is guaranteed as well as a largely unhindered access of the sample gas to the sensitive area of the sensor element. It is particularly advantageous if the sensitive area as in the opening fixed platelet is executed, on whose one large surface measuring electrodes are provided.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn auf der Rückseite des als Plättchen ausgeführten sensitiven Bereiches ein Widerstandsheizelement und/oder ein Temperaturfühler vorgesehen ist, da mittels des Widerstandsheizelementes angelagerter Ruß auf einfache Weise von Zeit zu Zeit entfernt werden kann und der Temperaturfühler eine zeitgenaue Temperaturkorrektur des Sensorsignals gestattet.Furthermore, it is advantageous if a resistance heating element and / or a temperature sensor is provided on the back of the sensitive area designed as a plate, since by means of the Wi derstandsheizelementes accumulated soot can be easily removed from time to time and the temperature sensor allows a timely temperature correction of the sensor signal.

Um die thermische Anbindung des sensitiven Bereiches an restliche Bereiche des Sensorelementes zu minimieren, ist es weiterhin von Vorteil, wenn das den sensitiven Bereich aufweisende Plättchen durch Zuleitungen der Messelektroden, des Temperaturfühlers und/oder des Heizelementes in der Durchbrechung des Sensorelementes fixiert ist. Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass das Plättchen brückenförmig zwischen mindestens einer Begrenzungsfläche der Durchbrechung und mindestens einer gegenüberliegenden Begrenzungsfläche der Durchbrechung ausgebildet ist.Around the thermal connection of the sensitive area to the remaining areas of the sensor element to minimize, it is also advantageous if the sensitive area having platelets through leads of the Measuring electrodes, the temperature sensor and / or the heating element in the opening of the sensor element is fixed. An alternative embodiment is that the Tile bridge-shaped between at least one boundary surface the opening and at least one opposite boundary surface of the Aperture is formed.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Sensorelement in einen Sensor integriert ist, der mit einem Schutzrohr versehen ist, der das Sensorelement vor abrasiven Einflüssen des Messgases schützt, wobei mindestens eine Öffnung des Schutzrohres so positioniert ist, dass sie im wesentlichen kongruent zu der Durchbrechung des Sensorelementes angeordnet ist. Dabei ist die Öffnung des Schutzrohres vorzugsweise auf einer dem Messgasstrom abgewandten Seite des Schutzrohres vorgesehen. Auf diese Weise kann das Messgas weitgehend ungehindert zum sensitiven Bereich des Sensorelementes gelangen, ohne dass ein Verlust der Schutzwirkung eintritt. Eine Alternative besteht darin, das Schutzrohr doppelwandig auszuführen und die Öffnung für den Zutritt des Messgases zum Sensorelement an der inneren Wandung des Schutzrohres vorzusehen.From It is particularly advantageous if the sensor element in a sensor integrated, which is provided with a protective tube, which is the sensor element against abrasive influences of the sample gas protects, with at least one opening the protective tube is positioned so that it is substantially congruent is arranged to the opening of the sensor element. It is the opening of the protective tube preferably facing away from the sample gas stream Side of the protective tube provided. In this way, the sample gas largely unhindered to the sensitive area of the sensor element reach without loss of protective effect. A Alternative is to perform the protective double-walled and the opening for the Access of the sample gas to the sensor element on the inner wall of the Provide protective tube.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden, darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenThe Invention will be with reference to the drawings and the following Description closer explained. Show it

1a die schematische Darstellung eines Sensorelementes zur Bestimmung von Partikeln gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 1a 2 the schematic representation of a sensor element for the determination of particles according to a first exemplary embodiment,

1b das in 1a dargestellte Sensorelement in einer Explosionsdarstellung, 1b this in 1a represented sensor element in an exploded view,

1c eine alternative Ausführungsform des in 1a dargestellten Sensorelementes in einer Explosionsdarstellung, 1c an alternative embodiment of the in 1a shown sensor element in an exploded view,

2a, 2b Aufsichten auf die den sensitiven Bereich des Sensorelementes tragende keramische Schicht gemäß zweier verschiedener Ausführungsformen, 2a . 2 B Top views of the ceramic layer supporting the sensitive area of the sensor element according to two different embodiments,

2c die Aufsicht auf die Unterseite der in den 2a, 2b dargestellten keramischen Schicht und 2c the supervision on the bottom of the in the 2a . 2 B illustrated ceramic layer and

3a, 3b schematische Darstellungen eines das Sensorelement enthaltenden Sensors 3a . 3b schematic representations of a sensor element containing the sensor

In 1a und 1b ist ein prinzipieller Aufbau einer ersten 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 keramischen Schichten 11a, 11b und 11c, die einen planaren keramischen Körper bilden. Sie bestehen vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, bariumhaltigem Aluminiumoxid oder Cerdioxid. In einer alternativen Ausführungsform sind die keramischen Schichten aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y₂O₃ stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO₂ ausgeführt, wobei in diesem Fall alle elektrisch leitfähigen Zuleitungen für Messelektroden, Heizelement oder Temperaturfühler durch nicht dargestellte Isolierschichten aus einem elektrisch isolierenden keramischen Material gegenüber dem umgebenden Festelektrolytmaterial isoliert sind. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung sogenannten Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) als Material der keramischen Schichten.In 1a and 1b a basic structure of a first embodiment of the present invention is shown. With 10 a ceramic sensor element is designated which serves to determine a particle concentration, such as, for example, the soot concentration, in a gas mixture surrounding the sensor element. The sensor element 10 includes, for example, a plurality of ceramic layers 11a . 11b and 11c that form a planar ceramic body. They are preferably made of an electrically insulating material such as alumina, barium-containing alumina or ceria. In an alternative embodiment, the ceramic layers of an oxygen ion-conducting solid electrolyte material, such as with Y ₂ O ₃ stabilized or partially stabilized ZrO ₂ executed, in which case all electrically conductive leads for measuring electrodes, heating element or temperature sensor by insulating layers, not shown, made of an electrically insulating ceramic Material are isolated from the surrounding solid electrolyte material. Another possibility is the use of so-called Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) as the material of the ceramic layers.

Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit Funktionsschichten 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 prepared by laminating together the functional films printed ceramic films and then sintering the laminated structure in a conventional manner.

Die keramischen Schichten 11a, 11b, 11c des Sensorelements 10 weisen vorzugsweise zueinander kongruent angeordnete Durchbrechungen 13a, 13b, 13c auf, die einen Durchtritt des zu bestimmenden Messgas durch den keramischen Körper des Sensorelements 10 gestatten. Dabei sind die Durchbrechungen 13a, 13b, 13c insbesondere in einem der Halterung bzw. Kontaktierung des Sensorelements entfernten Bereich des Sensorelementes 10 vorgesehen.The ceramic layers 11a . 11b . 11c of the sensor element 10 preferably have mutually congruently arranged openings 13a . 13b . 13c on, a passage of the measurement gas to be determined by the ceramic body of the sensor element 10 allow. Here are the openings 13a . 13b . 13c in particular in a region of the sensor element remote from the holder or contacting of the sensor element 10 intended.

Das Sensorelement 10 umfasst einen sensitiven Bereich 12, der vorzugsweise auf einem keramischen Plättchen 14 aufgebracht ist. Das keramische Plättchen 14 ist innerhalb der Durchbrechung 13b bspw. in Höhe der keramischen Schicht 11b fixiert, wobei das keramische Plättchen 14 eine möglichst geringen Masse und Wärmekapazität aufweist. Weiterhin ist von Vorteil, wenn das keramische Plättchen einer möglichst geringen thermischen Anbindung an den übrigen keramischen Körper des Sensorelements 10 unterliegt.The sensor element 10 includes a sensitive area 12 , preferably on a ceramic plate 14 is applied. The ceramic plate 14 is within the breakthrough 13b For example, in the amount of the ceramic layer 11b fixed, with the ceramic plate 14 has the lowest possible mass and heat capacity. Furthermore, it is advantageous if the ceramic plate of the lowest possible thermal connection to the other ceramic body of Senso relements 10 subject.

Durch Anordnung des Plättchens 14 innerhalb der Durchbrechung 13b ist gewährleistet, dass der auf dem Plättchen 14 vorgesehene sensitive Bereich 12 des Sensorelements unmittelbar durch das zu bestimmende Gasgemisch angeströmt ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass der sensitive Bereich 12 des Sensorelements stets die gleiche Temperatur wie das zu bestimmende Gasgemisch aufweist bzw. dass die Temperaturdifferenzen zwischen sensitivem Bereich 12 und Gasgemisch gering sind. Dies verhindert wirkungsvoll die Anlagerung von Partikeln bzw. eine Desorption von Partikeln bei negativer Temperaturdifferenz allein infolge thermophoretischer Effekte. Demzufolge kann bei der Signalauswertung eine mögliche Thermophorese als nur sehr schwer erfassbarer Anlagerungsmechanismus vernachlässigt werden und es wird ein kontrollierbares und einfach auswertbares Anlagerungsverhalten erzielt.By arranging the plate 14 within the opening 13b is guaranteed that the on the slide 14 provided sensitive area 12 of the sensor element has flowed directly through the gas mixture to be determined. In this way it is achieved that the sensitive area 12 of the sensor element always has the same temperature as the gas mixture to be determined or that the temperature differences between the sensitive area 12 and gas mixture are low. This effectively prevents the attachment of particles or a desorption of particles at a negative temperature difference solely due to thermophoretic effects. Consequently, in the signal evaluation, a possible thermophoresis can be neglected as a very difficult to detect attachment mechanism and it is achieved a controllable and easily evaluable accumulation behavior.

Die Fixierung des Plättchens 14 kann beispielsweise in Form von metallischen Drähten erfolgen, die gleichzeitig der elektrischen Kontaktierung von auf dem Plättchen 14 aufgebrachten Messelektroden 15, 16 dienen. Als metallische Materialien kommen hochtemperaturbeständige Metalle wie Edelstahl, Nickel oder Platin in Frage, die gleichzeitig eine möglichst kleine Wärmekapazität bzw. eine kleine Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Fixierung kann jedoch auch mittels keramischer Brücken erfolgen, wobei vorteilhafterweise das Plättchen 14 als Stanzteil ausgelegt wird, wodurch die Aufhängung des Plättchens 14 aus demselben Material besteht wie das Plättchen 14 bzw. die keramische Schicht 11b. Bei Auswahl des keramischen Materials für das als Stanzteil ausgeführte Plättchen 14 werden insbesondere Keramiken auf Basis von Zirkondioxid oder LTTC-Keramiken berücksichtigt, welche eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine kleine Wärmekapazität aufweisen. Dies führt zu einem vorteilhaften Temperaturverhalten des Plättchens 14, das auf diese Weise eine kleine thermische Masse und eine schlechte thermische Anbindung zum keramischen Körper des Sensorelements 10 aufweist.The fixation of the plate 14 can be done for example in the form of metallic wires, the same time the electrical contact on the plate 14 applied measuring electrodes 15 . 16 serve. As metallic materials are high-temperature resistant metals such as stainless steel, nickel or platinum in question, which at the same time have the lowest possible heat capacity or a small thermal conductivity. However, the fixation can also be effected by means of ceramic bridges, advantageously the platelet 14 is designed as a stamped part, causing the suspension of the plate 14 made of the same material as the plate 14 or the ceramic layer 11b , When selecting the ceramic material for the die as a stamped part 14 In particular ceramics based on zirconia or LTTC ceramics are considered, which have a low thermal conductivity and a small heat capacity. This leads to an advantageous temperature behavior of the platelet 14 , which in this way a small thermal mass and a poor thermal connection to the ceramic body of the sensor element 10 having.

Wird das Plättchen 14 als Stanzteil ausgeführt, so wird die gestanzte Struktur vorteilhafterweise so erzeugt, dass keine scharfen Kanten auftreten, die zu thermomechanisch induzierten Spannungsüberhöhungen bei Temperaturwechseln und zum Versagen führen können. Vielmehr werden auftretende scharfen Kanten gegebenenfalls im Rahmen einer mechanischen Nachbearbeitung verrundet. Das Plättchen 14 bzw. die keramische Schicht 11b weist vorzugsweise eine Schichtdicke von 200 bis 280, insbesondere von 230 bis 250 μm auf. Das Plättchen 14 ist vorzugsweise mit einer Fläche von ca. 1 mm² ausgeführt.Will the tile 14 designed as a stamped part, the stamped structure is advantageously generated so that no sharp edges occur, which can lead to thermomechanically induced voltage increases in temperature changes and failure. Rather, occurring sharp edges are optionally rounded in the context of a mechanical post-processing. The tile 14 or the ceramic layer 11b preferably has a layer thickness of 200 to 280, in particular from 230 to 250 microns. The tile 14 is preferably designed with an area of about 1 mm ² .

Zur Fixierung des Plättchens 14 sind mindestes zwei Stege nötig, die zusätzlich jeweils eine Zuleitung für Messelektroden, Heizelement oder Temperaturmessfühler aufweisen; aus Stabilitätsgründen ist jedoch eine Fixierung mittels vier Stegen von Vorteil.For fixation of the plate 14 At least two webs are necessary, which additionally each have a supply line for measuring electrodes, heating element or temperature sensor; for reasons of stability, however, fixing by means of four webs is advantageous.

Werden die keramischen Schichten 11b, 11c ausreichend stabil ausgeführt, so kann auch ein in 1c dargestellter vereinfachter Aufbau des Sensorelements 10 durch Weglassen der keramischen Schicht 11a realisiert werden.Be the ceramic layers 11b . 11c sufficiently stable, so can also in 1c illustrated simplified construction of the sensor element 10 by omitting the ceramic layer 11a will be realized.

Auf einer Großfläche des Plättchens 14 sind beispielsweise zwei Messelektroden 15, 16 aufgebracht, die den sensitiven Bereich 12 des Sensorelements 10 bilden und die beispielsweise, wie in 2a dargestellt, als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sein können. Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden 15, 16 ermöglicht eine besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 15, 16 befindenden Oberflächenmaterials. Vorteilhafterweise weisen die Messelektroden 15, 16 bedingt durch die direkte Anströmung des sensitiven Bereichs 12 mit dem zu bestimmenden Gasgemisch generell eine Radialsymmetrie auf.On a large surface of the plate 14 are for example two measuring electrodes 15 . 16 applied to the sensitive area 12 of the sensor element 10 form and which, for example, as in 2a represented as interdigitated interdigital electrodes can be formed. The use of interdigital electrodes as measuring electrodes 15 . 16 allows a particularly accurate determination of the electrical resistance or the electrical conductivity of the between the measuring electrodes 15 . 16 surface material. Advantageously, the measuring electrodes 15 . 16 due to the direct flow of the sensitive area 12 with the gas mixture to be determined in general a radial symmetry.

Eine alternative Ausführungsform des sensitiven Bereichs 12 des Sensorelements 10 ist in 2b dargestellt. Dabei sind die Messelektroden 15,16 mit ineinander verzahnten verbreiterten Elektrodenbereichen ausgeführt, wobei die verbreiterten Elektrodenbereiche zu den jeweiligen Elektrodenbereichen der jeweils anderen Messelektroden äquidistant ausgeführt sind.An alternative embodiment of the sensitive area 12 of the sensor element 10 is in 2 B shown. Here are the measuring electrodes 15 . 16 executed with interlocked widened electrode areas, wherein the widened electrode areas are designed to be equidistant to the respective electrode areas of the respective other measuring electrodes.

Zur Kontaktierung der Messelektroden 15, 16 sind im Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Ende des Sensorelements Kontaktflächen 18, 20 vorgesehen, die durch Zuleitungsbereiche 22, 24 mit den Messelektroden 15, 16 verbunden sind.For contacting the measuring electrodes 15 . 16 are in the region of a gas mixture facing away from the end of the sensor element contact surfaces 18 . 20 provided by lead areas 22 . 24 with the measuring electrodes 15 . 16 are connected.

Während des Betriebs des Sensorelementes 10 wird an die Messelektroden 15, 16 eine Spannung angelegt. Da die Messelektroden 15, 16 auf der Oberfläche des elektrisch isolierenden Plättchens 14 aufgebracht sind, kommt es zunächst im wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 15, 16. Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Messgas elektrisch leitfähige Partikel, insbesondere Ruß, so lagern sich diese auf der Oberfläche des Plättchens 14 ab. Da Ruß eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Plättchens 14 mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden 15, 16, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.During operation of the sensor element 10 gets to the measuring electrodes 15 . 16 a voltage applied. Because the measuring electrodes 15 . 16 on the surface of the electrically insulating plate 14 are applied, there is initially substantially no current flow between the measuring electrodes 15 . 16 , Contains one the sensor element 10 flowing measuring gas electrically conductive particles, especially soot, so they store on the surface of the plate 14 from. Since soot has a certain electrical conductivity, it comes with sufficient loading of the surface of the plate 14 with soot to an increasing current flow between the measuring electrodes 15 . 16 which correlates with the extent of loading.

Wird nun an die Messelektroden 15, 16 eine vorzugsweise konstante Gleich- oder Wechselspannung angelegt und der zwischen den Messelektroden 15, 16 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 15, 16 befindenden keramischen Materials positiv oder negativ beeinflussen.Will now contact the measuring electrodes 15 . 16 a preferably applied constant DC or AC voltage and the between the measuring electrodes 15 . 16 ascertained current flow, it can be concluded from the integral of the current flow over time on the deposited particle mass or on the current particle mass flow, in particular soot mass flow, and on the particle concentration in the gas mixture. With this measurement method, the concentration of all those particles in a gas mixture is detected, which determines the electrical conductivity of itself between the measuring electrodes 15 . 16 have a positive or negative influence on the ceramic material.

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.A another possibility is to determine the increase in current flow over time and from the quotient of current flow increase and time or from the differential quotient from current flow after the time to the deposited particle mass or to the current particle mass flow, in particular soot mass flow, and to close the particle concentration in the gas mixture. A Calculation of the particle concentration is based on the measured values possible, provided the flow rate 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.

Das Aufbringen der Elektrodenstrukturen der Messelektroden 15, 16 auf dem Plättchen 14 kann direkt per Siebdruck in Cofiretechnik oder auch im Nachgang zur Herstellung des keramischen Grundträgers durch anschließendes Einbrennen der Struktur durch Postfiring erfolgen. Der Vorteil des Postfiring liegt in der zusätzlichen Verwendbarkeit weiterer Materialien, die eine Sinterung im Rahmen des Cofiring bei ca. 1400°C nicht überstehen würden. Zur Durchführung der Erzeugung von Messelektroden 15, 16 mittels Postfiring bieten sich Beschichtungsprozesse an, die berührungslos arbeiten, wie z.B. Inkjet-Techniken.The application of the electrode structures of the measuring electrodes 15 . 16 on the slide 14 can be done directly by screen printing in Cofiretechnik or in the wake of the preparation of the ceramic base support by subsequent baking of the structure by Postfiring. The advantage of postfiring lies in the additional usability of other materials that would not survive sintering during cofiring at approx. 1400 ° C. To carry out the generation of measuring electrodes 15 . 16 Postfiring offers coating processes that work without contact, such as inkjet techniques.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin ein keramisches Heizelement 40 auf, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn auf einer den Messelektroden 15, 16 abgewandten Seite des Plättchens 14 ausgeführt ist und der Aufheizung des Plättchens 14 insbesondere auf die Temperatur des zu bestimmenden Gasgemischs bzw. zum Abbrand der auf den Großflächen des Plättchens 14 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 ist über nicht dargestellter Zuleitungen mit elektrischen Anschlüssen 46, 48 verbunden. Durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung an die Anschlüsse 46, 48 der Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelementes 40 entsprechend reguliert werden. Die Anordnung des Heizelement 40 auf der Rückseite des Plättchens 14 ist in 2c dargestellt.The sensor element 10 also has a ceramic heating element 40 on, in the form of an electrical resistance track on one of the measuring electrodes 15 . 16 opposite side of the plate 14 is executed and the heating of the platelet 14 in particular to the temperature of the gas mixture to be determined or to the burning of the large areas of the platelet 14 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 resistor track is further preferably formed in the form of a meander and is not shown supply lines with electrical connections 46 . 48 connected. By applying an appropriate heating voltage to the terminals 46 . 48 The resistance track can control the heating power of the heating element 40 be regulated accordingly. The arrangement of the heating element 40 on the back of the slide 14 is in 2c shown.

Darüber hinaus kann das Sensorelement 10 einen Temperaturmessfühler umfassen, der vorzugsweise in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist. Der Temperaturmessfühler ist vorzugsweise auf einer der Großflächen des Plättchens 14 aufgebracht. Er kann alternativ aus einem Thermoelement, oder einem NTC- bzw. PTC-Widerstand gebildet sein oder die Widerstandleiterbahn des Heizelementes 40 wird zusätzlich als Temperaturmessfühler verwendet.In addition, the sensor element 10 comprise a temperature sensor, which is preferably designed in the form of an electrical resistance track. The temperature sensor is preferably on one of the large areas of the platelet 14 applied. It may alternatively be formed of a thermocouple, or an NTC or PTC resistor or the resistance track of the heating element 40 is also used as a temperature sensor.

Der Temperaturmessfühler dient der Messung der Temperatur des Gasgemischs und wird u.a. zur Korrektur des temperaturabhängigen gemessenen Widerstandes des sich zwischen den Messelektroden 15,16 befindenden keramischen Materials bzw. zur Korrektur der Diffusionsanlagerung verwendet.The temperature sensor is used to measure the temperature of the gas mixture and is used, among other things, to correct the temperature-dependent measured resistance between the measuring electrodes 15 . 16 located ceramic material or used to correct the diffusion attachment.

Wird das Sensorelement in einem Sensor zur Bestimmung der Rußkonzentration in einem Abgassystem eingesetzt und existiert in diesem System ein separater Abgastemperatursensor, so kann auf einen in das Sensorelement integrierten Temperaturmessfühler verzichtet werden.Becomes the sensor element in a sensor for determining the soot concentration used in an exhaust system and exists in this system Separate exhaust gas temperature sensor, so can one in the sensor element integrated temperature sensor be waived.

In 3a ist ein Sensor 200 zur Bestimmung einer Gaskomponente oder von Partikeln bzw. deren Konzentration in einem Messgas dargestellt, der ein Sensorelement gemäß den 1a bis 1c bzw. 2a bis 2c aufweist. Um das Sensorelement 10 vor der Einwirkung abrasiver Messgase zu schützen, weist der Sensor 20 ein Schutzrohr 30 auf, das doppelwandig ausgeführt ist und eine erste Wandung 32 und eine zweite Wandung 34 aufweist. Dabei sind Öffnungen 36, 38 vorgesehen, durch die ein zu bestimmendes Gasgemisch in das Innere des Schutzrohr 30 gelangt. Das doppelwandige Schutzrohr 30 ist dabei so ausgeführt, dass die Öffnungen 36, 38 nicht übereinander zu liegen kommen und somit der Zutritt eines zu bestimmenden Messgases mit hoher Eigengeschwindigkeit verhindert wird. Weiterhin ist die Öffnung 38 in der inneren Wandung 34 vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie direkt auf die Durchbrechungen 13a, 13b, 13c des Sensorelementes 10 gerichtet ist. Auf diese Weise erfolgt eine direkte unmittelbare Anströmung des sensitiven Bereichs 12 mit dem zu bestimmenden Messgas. Die Strömungsrichtung des zu bestimmenden Messgases ist dabei in 3a wie auch in 3b durch Pfeile verdeutlicht. Das doppelwandige Schutzrohr 30 weist weiterhin einen Auslass 39 auf, durch den das eingedrungene Messgas wieder entweichen kann.In 3a is a sensor 200 for determining a gas component or particles or their concentration in a measuring gas, which is a sensor element according to the 1a to 1c respectively. 2a to 2c having. To the sensor element 10 to protect against the action of abrasive measuring gases, the sensor points 20 a protective tube 30 on, which is double-walled and a first wall 32 and a second wall 34 having. There are openings 36 . 38 provided by a gas mixture to be determined in the interior of the protective tube 30 arrives. The double-walled protective tube 30 is designed so that the openings 36 . 38 do not come to lie one above the other and thus the access of a measuring gas to be determined is prevented with high airspeed. Furthermore, the opening 38 in the inner wall 34 preferably aligned so that it is directly on the openings 13a . 13b . 13c of the sensor element 10 is directed. In this way, there is a direct direct flow of the sensitive area 12 with the sample gas to be determined. The flow direction of the sample gas to be determined is in 3a as well as in 3b illustrated by arrows. The double-walled protective tube 30 still has an outlet 39 on, through which the penetrated sample gas can escape again.

In 3b ist eine Alternativeausführungsform des Sensors 20 dargestellt. Der Sensor 200 weist ein einwandiges Schutzrohr 30 auf, in dessen äußerer Wanderung 32 eine Öffnung 36 vorgesehen ist, durch die das Messgas zum Sensorelement 10 gelangen kann. Dabei ist die Öffnung 36 vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie auf einer der Strömung des Messgases abgewandten Seite des Schutzrohrs 30 angeordnet ist und weiterhin so über dem sensitiven Bereich 12 des Sensorelementes vorgesehen ist, dass dieser durch das Messgas direkt angeströmt wird. Auf diese Weise wird zwar eine Umströmung des sensitiven Bereichs 12 des Sensorelementes 10 gewährleistet, ein direkter Aufprall des strömenden Messgases auf den sensitiven Bereich 12 wird jedoch vermieden.In 3b is an alternative embodiment of the sensor 20 shown. The sensor 200 has a single-walled protective tube 30 on, in its outer migration 32 an opening 36 is provided, through which the sample gas to the sensor element 10 can get. Here is the opening 36 preferably aligned so that they on a side facing away from the flow of the sample gas side of the protective tube 30 is arranged and continues to be so over the sensitive area 12 the sensor element is provided, that this is directly flowed through the sample gas. In this way, although a flow around the sensitive area 12 of the sensor element 10 ensures a direct impact of the flowing sample gas on the sensitive area 12 but is avoided.

Eine alternative Möglichkeit besteht darin, die Öffnungen in der äußeren Wandung des Schutzrohres 30 in der Verlängerung der Längsachse des Schutzrohres 30 vorzusehen, so dass die Einströmrichtung des Messgases senkrecht zu dessen eigentlicher Anströmrichtung ausgerichtet ist.An alternative possibility is the openings in the outer wall of the protective tube 30 in the extension of the longitudinal axis of the protective tube 30 provide, so that the inflow direction of the measurement gas is aligned perpendicular to its actual direction of flow.

Claims

Sensor element for determining a gas component or of particles or their concentration in a measurement gas, with a ceramic or metal-ceramic carrier body which comprises a region sensitive to the gas component or the particles, characterized in that the carrier body ( 11a . 11b . 11c ) at least one opening ( 13a . 13b . 13c ), and that the sensitive area ( 12 ) of the sensor element within the opening ( 13b ) is arranged.

Sensor element according to claim 1, characterized in that the sensitive area as a ceramic membrane within the opening ( 13b ) is arranged.

Sensor element according to claim 1, characterized in that the sensitive area ( 12 ) as one in the opening ( 13b ) fixed platelets ( 14 ) is executed, on whose one large surface measuring electrodes ( 15 . 16 ) are provided.

Sensor element according to claim 3, characterized in that on the back of the plate ( 14 ) a heating element ( 40 ) or a temperature sensor is provided.

Sensor element according to one of claims 3 and 4, characterized in that the plate ( 14 ) through leads of the measuring electrodes ( 15 . 16 ), the temperature sensor and / or the heating element ( 40 ) in the opening ( 13b ) is fixed.

Sensor element according to one of claims 3 and 4, characterized in that the plate ( 14 ) bridge-shaped between at least one boundary surface of the opening ( 13b ) and at least one opposite boundary surface of the opening ( 13b ) is trained.

Sensor element according to one of claims 3 to 6, characterized in that the measuring electrodes ( 15 . 16 ) are formed as interdigital electrodes.

Sensor for determining a gas component or of particles or their concentration in a measuring gas, with a sensor element according to one of claims 1 to 7 and a protective tube, which protects the sensor element from abrasive influences of the measuring gas, characterized in that at least one opening ( 36 . 38 ) of the protective tube ( 30 ) is positioned so that it is substantially congruent to the opening ( 13a . 13b . 13c ) of the sensor element ( 10 ) is arranged.

Sensor according to claim 8, characterized in that the at least one opening ( 36 ) of the protective tube ( 20 ) on a side facing away from the sample gas flow side of the protective tube ( 30 ) is provided.

Sensor according to claim 8, characterized in that the protective tube ( 30 ) is double-walled and the at least one opening ( 38 ) on the inner wall ( 34 ) is provided.