DE102009000319A1 - Resistive particle sensor, preferably resistive oxygen sensor for detecting particles in gas stream, comprises electrode system with two electrodes, and semiconducting material, where semiconducting material is contacted with electrodes - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Teilchensensor, ein Verfahren zu dessen Herstellung und ein Verfahren zu dessen Betrieb.The The present invention relates to a particle sensor, a method for its production and a method for its operation.
Stand der TechnikState of the art
In naher Zukunft muss der Partikelausstoß, insbesondere von Fahrzeugen während des Fahrbetriebes, nach dem Durchlaufen eines Motors beziehungsweise Dieselpartikelfilters (DPF) per gesetzlicher Vorschrift überwacht werden und die Funktionalität dieser Überwachung sichergestellt werden (On Board Diagnose, OBD). Darüber hinaus ist eine Beladungsprognose von Dieselpartikelfiltern zur Regenerationskontrolle notwendig, um eine hohe Systemsicherheit bei wenigen effizienten, kraftstoffsparenden Regenerationszyklen zu gewährleisten und kostengünstige Filtermaterialien, beispielsweise Cordierit, einsetzen zu können.In In the near future, particle emissions, especially of vehicles, have to be addressed while the driving operation, after passing through an engine or Diesel Particulate Filter (DPF) monitored by law and the functionality this monitoring be ensured (on-board diagnostics, OBD). Furthermore is a load forecast of diesel particulate filters for regeneration control necessary to ensure high system security with few efficient, to ensure fuel-efficient regeneration cycles and cost-effective filter materials, For example, cordierite, to be able to use.
Eine Möglichkeit hierzu bieten resistive Partikelsensoren. Resistive Partikelsensoren weisen ein Elektrodensystem mit mindestens zwei, dem Abgas frei ausgesetzten metallischen Elektroden auf. In so genannten Interdigitalelektrodensystemen greifen dabei mindestens zwei kammartige Elektroden ineinander. Unter dem Einfluss einer an die Elektroden angelegten Spannung und dem resultierenden elektrischen Feld, lagern sich die zu detektierenden Partikel, insbesondere Rußpartikel, an beziehungsweise zwischen den Elektroden ab, was ab einer gewissen angelagerten Partikelmenge zu einem Kurzschluss der Elektroden und damit zu einer Widerstands- und/oder Impedanzänderung zwischen den Elektroden führt, welche Rückschlüsse auf die Partikelanlagerung ermöglicht.A possibility resistive particle sensors offer this. Resistive particle sensors have an electrode system with at least two, the exhaust gas freely exposed to metallic electrodes. In so-called interdigital electrode systems At least two comb-like electrodes engage each other. Under the influence of a voltage applied to the electrodes and In the resulting electric field, the ones to be detected are deposited Particles, in particular soot particles, at or between the electrodes, which starts at a certain level Particle quantity to a short circuit of the electrodes and thus to a Resistance and / or impedance change between the electrodes, which conclusions on the particle attachment allows.
Da bei einem Einsatz zur On Board Diagnose der Partikelsensor hinter dem Dieselpartikelfilter verbaut wird, sind bei voller Funktion des Filters an der Position des Partikelsensors keine Partikel im Abgas, welche ein Partikelsensorsignal erzeugen könnten. Kein Signal kann allerdings auch bedeuten, dass der Partikelsensor defekt ist und deshalb einen ebenfalls defekten Filter nicht erkennt.There in use for on-board diagnosis of the particle sensor behind the diesel particulate filter is installed, are at full function of the filter at the position of the particle sensor no particles in the Exhaust gas that could generate a particulate sensor signal. No However, signal can also mean that the particle sensor is defective is and therefore does not recognize a likewise defective filter.
Zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas von Verbrennungsmaschinen werden Lambdasonden eingesetzt. Die weit verbreiteten binäre Lambdasonden überwachen auf der Basis des Nernstprinzips die Einhaltung eines konstanten Lambdawert λ = 1, bei welchem diese Sonden ihre größte Empfindlichkeit aufweisen. Diese Sonden weisen im mageren Bereich (λ > 1) jedoch eine geringe Empfindlichkeit auf, weshalb diese Sonden zur Messung größerer Lambdabereiche, beispielsweise von λ = 0,8 bis Luft, welche beispielsweise bei Magermotoren, wie Direkteinspritzern und Dieselmotoren erforderlich ist, nicht geeignet sind.to Determination of the oxygen content in the exhaust gas of internal combustion engines Lambda probes are used. Monitor the widely used binary lambda probes on the basis of the Nernst principle the observance of a constant Lambda value λ = 1, at which these probes their greatest sensitivity exhibit. However, these probes have a low in the lean range (λ> 1) Sensitivity, why these probes are used to measure larger lambda ranges, for example, λ = 0.8 to air, which for example in lean-burn engines, such as direct injection and diesel engines is required are not suitable.
Resistive Lambdasonden, stellen hierzu eine Alternative dar. Resistive Lambdasonden weisen eine mischleitende Oxidkeramik auf, deren elektrischer Widerstand bei genügend hohen Temperaturen, beispielsweise von 600°C bis 1100°C, vom Sauerstoffgehalt der umgebenden Atmosphäre abhängig ist und als Maß für den Sauerstoffgehalt herangezogen werden kann. Resistive Lambdasonden sind jedoch nur wenig verbreitet, da zum einen eine hohe Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, zum anderen die chemische Stabilität vieler halbleitender Materialien unter Abgasbedingungen unzureichend sind.resistive Lambda probes, represent an alternative to this. Resistive lambda probes have a mixed oxide ceramic whose electrical resistance with enough high temperatures, for example, from 600 ° C to 1100 ° C, the oxygen content of surrounding atmosphere is dependent and as a measure of the oxygen content can be used. Resistive lambda sensors are only not very common, because on the one hand a high temperature dependence resistance, and the chemical stability of many semiconducting materials under exhaust conditions are insufficient.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein resistiver Teilchensensor, welcher ein Elektrodensystem aus mindestens zwei Elektroden und mindestens ein halbleitendes, Material, welches die Elektroden kontaktiert, umfasst und der dadurch gekennzeichnet ist, dass das halbleitende Material mindestens ein Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Seltenerd-Seltenerd-Mischoxiden, Seltenerd-Zirkonium-Mischoxiden, Erdalkali-Zirkonium-Mischoxiden, Übergangsmetall-Zirkonium-Mischoxiden, Seltenerd-Aluminium-Mischoxiden, Erdalkali-Aluminium-Mischoxiden, Übergangsmetall-Aluminium-Mischoxiden, Seltenerd-Titan-Mischoxiden, Barium-Titan-Mischoxiden, Übergangsmetall-Titan-Mischoxiden, Seltenenerd-Indium-Mischoxiden, Erdalkali-Indium-Mischoxiden, Übergangsmetall-Indium-Mischoxiden, Seltenerd-Zink-Mischoxiden, Erdalkali-Zink-Mischoxiden, Übergangsmetall-Zinkoxid-Mischoxiden, Samariumoxid, Yttriumoxid, Terbiumoxid und/oder Mischungen davon, umfasst beziehungsweise daraus besteht.object The present invention is a resistive particle sensor which an electrode system of at least two electrodes and at least a semiconductive material that contacts the electrodes, and characterized in that the semiconductive Material at least one oxide selected from the group consisting of Rare earth-rare earth mixed oxides, rare earth-zirconium mixed oxides, Alkaline earth-zirconium mixed oxides, transition metal-zirconium mixed oxides, Rare earth-aluminum mixed oxides, alkaline earth-aluminum mixed oxides, transition metal-aluminum mixed oxides, Rare earth titanium mixed oxides, barium titanium mixed oxides, transition metal titanium mixed oxides, rare earth indium mixed oxides, alkaline earth indium mixed oxides, transition metal indium mixed oxides, Rare earth zinc mixed oxides, alkaline earth zinc mixed oxides, transition metal zinc oxide mixed oxides, Samarium oxide, yttrium oxide, terbium oxide and / or mixtures thereof, includes or consists of.
Unter dem Begriff „Teilchen” können im Sinn der vorliegenden Erfindung gasförmige, feste und/oder flüssige Teilchen verstanden werden. Insbesondere können im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Teilchen” leitfähige Partikel, wie Rußpartikel, und/oder leitfähige Tröpfchen und/oder Sauerstoff verstanden werden.Under The term "particles" can be used in the Purpose of the present invention gaseous, solid and / or liquid particles be understood. In particular, in the context of the present Invention by the term "particles" conductive particles, like soot particles, and / or conductive Droplets and / or Oxygen can be understood.
Unter dem Begriff „Mischoxid” kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Mischung aus mindestens zwei Oxiden unterschiedlicher Elemente verstanden werden. Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Mischoxid” eine Mischung aus mindestens zwei Oxiden unterschiedlicher Elemente verstanden werden, in welcher der stöchiometrische Anteil der einzelnen Oxide im Wesentlichen in der gleichen Größenordnung liegt. Beispielsweise kann bei einem Mischoxid das Verhältnis zwischen dem Element mit der größten stöchiometrischen Menge und jeweils einem der anderen Element in einem Bereich von 1:1 bis 1:0,01 liegen.In the context of the present invention, the term "mixed oxide" can be understood as meaning a mixture of at least two oxides of different elements. In particular, in the context of the present invention, the term "mixed oxide" can be understood as meaning a mixture of at least two oxides of different elements, in which the stoichiometric proportion of the individual oxides is substantially of the same order of magnitude. For example, in a mixed oxide, the ratio between the element with the largest stoichiometric amount and one of the other element in a range of 1: 1 to 1: 0.01.
Unter dem Begriff „kontaktieren” kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden werden, das halbleitende Material die Elektroden derart kontaktiert, dass die Elektroden über das halbleitende Material elektrisch leitend verbindbar sind.Under The term "contact" may be in the sense in particular, the semiconducting Material contacted the electrodes such that the electrodes on the semiconducting material are electrically conductively connected.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Materialien haben den Vorteil, dass diese einen reversiblen Sauerstoffeinbau beziehungsweise -ausbau und/oder eine gute Anbindung der Elektroden, insbesondere von Platin-basierten Elektroden, an das halbleitende Material gewährleisten, und/oder eine hohe Abgasstabilität und/oder eine hohe Alterungsbeständigkeit aufweisen können.The used according to the invention Materials have the advantage that they have a reversible oxygen incorporation or -ausbau and / or a good connection of the electrodes, especially of platinum-based electrodes, to the semiconducting Ensure material and / or high exhaust gas stability and / or a high resistance to aging can have.
Der erfindungsgemäße Teilchensensor hat den Vorteil, dass dieser als resistiver Partikelsensor, als resistiver Flüssigkeitssensor und/oder als Sauerstoffssensor, beispielsweise als resistive Lambdasonde, eingesetzt werden kann. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Teilchensensor zur Detektion von leitfähigen Partikeln, leitfähigen Flüssigkeiten und/oder zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Gasstrom, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungs(kraft)maschine, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs oder einer Verbrennungsanlage, eingesetzt werden. Vorteilhafterweise beruht der erfindungsgemäße Teilchensensor darüber hinaus auf einem einfachen Messprinzip und einem einfachen und kostengünstigen Aufbau.Of the Particle sensor according to the invention has the advantage that this as a resistive particle sensor, as resistive liquid sensor and / or as an oxygen sensor, for example as a resistive lambda probe, can be used. In particular, the particle sensor according to the invention for the detection of conductive Particles, conductive Liquids and / or for determining the oxygen concentration in a gas stream, in particular in an exhaust gas of a combustion (kraft) machine, such as a Motor vehicle or an incinerator, are used. Advantageously, the particle sensor according to the invention is additionally based on a simple measuring principle and a simple and inexpensive Construction.
Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors ist der Teilchensensor ein resistiver Partikelsensor, insbesondere Rußpartikelsensor. Vorteilhafterweise kann dabei neben der Partikelbestimmung auch, im Rahmen einer „Eigendiagnose”, die Funktionstüchtigkeit, insbesondere Intaktheit, des Partikelsensors in Abwesenheit von darauf angelagerten Partikeln überprüft werden. Daher kann das halbleitende Material auch als Eigendiagnosematerial, beispielsweise als Eigendiagnoseschicht, bezeichnet werden. Die Eigendiagnosefunktion des Partikelsensors kann dabei auf der Messung der Leitfähigkeit, insbesondere auf der Basis von Oxidionen- und/oder Elektronenleitung, beziehungsweise des elektrischen Widerstandes des halbleitenden Materials beruhen. Die Leiffähigkeit beziehungsweise der Widerstand des halbleitenden Materials kann dabei unter kathodischer Beschaltung der einen Elektrode und anodischer Beschaltung der anderen Elektrode bestimmt werden. Vorteilhafterweise kann das Elektrodensystem dabei als Einheit auf die Funktionstüchtigkeit überprüft und/oder die Empfindlichkeit des Diagnoseverfahrens optimiert werden. Für den Einsatz in einem Partikelsensor weist das halbleitende Material vorzugsweise während der Partikelmessphase eine geringe Leitfähigkeit und während der Diagnosephase eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Für den Einsatz in einem Partikelsensor haben sich insbesondere halbleitende Materialien als vorteilhaft erwiesen, deren Leitfähigkeit beziehungsweise Widerstand von der Temperatur und dem Sauerstoffpartialdruck abhängig ist und die bei Eigendiagnosetemperatur, eine zur Diagnose geeignete Leitfähigkeit unter Einhaltung ausreichend hoher Isolatoreigenschaften während des Partikelmessbetriebs aufweisen können. Für den Einsatz in einem Partikelsensor weist das halbleitende Material vorzugsweise ab einer Temperatur von ≥ 400°C, beispielsweise von ≥ 500°C, insbesondere von ≥ 550°C, und/oder ab einem λ von ≥ 0,8, insbesondere von ≥ 1,1, eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von ≥ 10–5 S/m, beispielsweise von ≥ 10–3 S/m, insbesondere von ≥ 0,1 S/m auf. Durch die Nutzung der Temperaturabhängigkeit und der Sauerstoffquerempfindlichkeit kann vorteilhafterweise eine hohe Aussagekraft der Eigendiagnosemessung bei bekanntem Sauerstoffgehalt des Abgases erzielt werden.Within the scope of an embodiment of the particle sensor according to the invention, the particle sensor is a resistive particle sensor, in particular a soot particle sensor. Advantageously, in addition to the particle determination, in the context of a "self-diagnosis", the functionality, in particular intactness, of the particle sensor can be checked in the absence of particles deposited thereon. Therefore, the semiconductive material may also be referred to as a self-diagnostic material, for example, a self-diagnostic layer. The self-diagnosis function of the particle sensor can be based on the measurement of the conductivity, in particular on the basis of oxide ion and / or electron conduction, or the electrical resistance of the semiconductive material. The conductivity or the resistance of the semiconducting material can be determined by cathodic wiring of one electrode and anodic connection of the other electrode. Advantageously, the electrode system can be checked as a unit for the functionality and / or the sensitivity of the diagnostic method can be optimized. For use in a particle sensor, the semiconductive material preferably has low conductivity during the particle measurement phase and high conductivity during the diagnostic phase. For use in a particle sensor in particular semiconducting materials have proven to be advantageous whose conductivity or resistance is dependent on the temperature and the oxygen partial pressure and at self-diagnostic temperature, a suitable for diagnosis conductivity while maintaining sufficiently high Isolatoreigenschaften may have during particle measuring operation. For use in a particle sensor, the semiconducting material preferably has a temperature of ≥ 400 ° C., for example of ≥ 500 ° C., in particular of ≥ 550 ° C., and / or of a λ of ≥ 0.8, in particular of ≥ 1 , 1, has a specific electrical conductivity of ≥ 10 -5 S / m, for example of ≥ 10 -3 S / m, in particular of ≥ 0.1 S / m. By utilizing the temperature dependence and the oxygen interference, it is advantageously possible to achieve a high significance of the self-diagnostic measurement with known oxygen content of the exhaust gas.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors ist der Teilchensensor ein Sauerstoffsensor, insbesondere eine resistive Lambdasonde. Für den Einsatz in einer Lambdasonde weist das halbleitende Material vorzugsweise zumindest in einem Temperaturbereich, beispielsweise von ≥ 700°C bis ≤ 900°C, einen im Wesentlichen konstanten elektrischen Widerstandswert auf. Auf diese Weise können Temperaturschwankungen, beispielsweise durch eine Änderungen in der Anströmung, vorteilhafterweise toleriert werden, ohne dass diese die Messung der Sauerstoffkonzentration verfälschen. Weiterhin weist das halbleitende Material für den Einsatz in einer Lambdasonde vorzugsweise eine eindeutige Kennlinie über den gesamten Lambdabereich, das heißt λ = 0,8 bis Luft, bei gleichzeitig geringer Temperaturabhängigkeit auf. Für den Einsatz in einer Lambdasonde weist das halbleitende Material weiterhin vorzugsweise eine Sauerstoffempfindlichkeit (m) R = R0pO2 –m (m: 0,1–0,3) auf. Auf diese Weise können Lambdasprünge zu einer Widerstandsänderung innerhalb einer Größenordnung führen, weshalb der Messbereich entsprechend klein ausgelegt werden kann.Within the scope of another embodiment of the particle sensor according to the invention, the particle sensor is an oxygen sensor, in particular a resistive lambda probe. For use in a lambda probe, the semiconductive material preferably has a substantially constant electrical resistance value, at least in a temperature range, for example from ≥ 700 ° C. to ≦ 900 ° C. In this way, temperature fluctuations, for example due to changes in the flow, can advantageously be tolerated without these falsifying the measurement of the oxygen concentration. Furthermore, the semiconducting material for use in a lambda probe preferably has an unambiguous characteristic curve over the entire lambda range, that is to say λ = 0.8 to air, while at the same time having a low temperature dependence. For use in a lambda probe, the semiconducting material furthermore preferably has an oxygen sensitivity (m) R = R 0 pO 2 -m (m: 0.1-0.3). In this way, lambda jumps can lead to a change in resistance within an order of magnitude, which is why the measuring range can be designed correspondingly small.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors umfasst das halbleitende Material mindestens ein Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Seltenerd-Seltenerd-Mischoxiden, Seltenerd-Zirkonium-Mischoxiden, Erdalkali-Zirkonium-Mischoxiden, Übergangsmetall-Zirkonium-Mischoxiden, Seltenerd-Titan-Mischoxiden, Barium-Titan-Mischoxiden, Übergangsmetall-Titan-Mischoxiden, Samariumoxid, Yttriumoxid, Terbiumoxid und/oder Mischungen davon. Beispielsweise kann das halbleitende Material dabei aus mindestens einem Oxid, ausgewählt aus dieser Gruppe, bestehen.In a preferred embodiment of the particle sensor according to the invention, the semiconductive material comprises at least one oxide selected from the group consisting of rare earth-rare earth mixed oxides, rare earth-zirconium mixed oxides, alkaline earth-zirconium mixed oxides, transition metal-zirconium mixed oxides, rare earth-titanium Mixed oxides, barium-titanium mixed oxides, transition metal-titanium mixed oxides, samarium oxide, yttrium oxide, terbium oxide and / or mixtures thereof. For example, the semiconducting material may consist of at least one oxide selects from this group.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors umfasst das halbleitende Material mindestens ein Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Terbium-Seltenerd-Mischoxiden, Seltenerd-Zirkonium-Mischoxiden, Calcium-Zirkonium-Mischoxiden, Lanthan-Zirkonium-Mischoxiden, Barium-Titan-Mischoxiden, Samariumoxid, Yttriumoxid, Terbiumoxid und/oder Mischungen davon. Beispielsweise kann das halbleitende Material dabei aus mindestens einem Oxid, ausgewählt aus dieser Gruppe, bestehen.in the Frame of a particularly preferred embodiment of the particle sensor according to the invention For example, the semiconductive material comprises at least one oxide selected from the group consisting of terbium-rare earth mixed oxides, Rare earth-zirconium mixed oxides, calcium-zirconium mixed oxides, lanthanum-zirconium mixed oxides, Barium-titanium mixed oxides, samarium oxide, yttrium oxide, terbium oxide and / or mixtures thereof. For example, the semiconducting Material thereby consist of at least one oxide selected from this group.
Im Rahmen einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors umfasst das halbleitende Material weiterhin Gadoliniumoxid.in the Frame of a further, particularly preferred embodiment the particle sensor according to the invention For example, the semiconductive material further comprises gadolinia.
Im
Rahmen einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Teilchensensors
umfasst das halbleitende Material mindestens ein Oxid, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Terbium-Yttrium-Mischoxiden,
Terbium-Samarium-Mischoxiden, Terbium-Gadolinium-Mischoxiden, Terbium-Yttrium-Samarium-Mischoxiden,
Terbium-Yttrium-Gadolinium-Mischoxiden,
Terbium-Samarium-Gadolinium-Mischoxiden, Terbium-Yttrium-Samarium-Gadolinium-Mischoxiden
und/oder Mischungen davon. Beispielsweise kann das halbleitende
Material dabei aus mindestens einem Oxid, ausgewählt aus dieser Gruppe, bestehen.
Derartige halbleitende Materialien können p-leitend sein, das heißt der elektrische
Widerstand kann mit zunehmendem Sauerstoffgehalt über den
gesamten Lambdabereich (λ > 0,8) eindeutig abnehmen.
Darüber
hinaus können
sich derartige halbleitende Materialien dadurch auszeichnen, dass sie
in einem großen
Lambdabereich, insbesondere von λ =
0,8 bis Luft, einen differenzierbaren Widerstand (eindeutige Kennlinie)
und/oder eine Sauerstoffempfindlichkeit m von ≥ 0,1 bis ≤ 0,3 zeigen, welche sich eindeutig
einem Sauerstoffpartialdruck zuordnen lassen. Derartige halbleitende
Materialien können
darüber
hinaus eine Lambdaempfindlichkeit ab einer Temperatur von etwa 400°C aufweisen.
Die Arbeitstemperatur kann daher zwischen 400°C und 1000°C gewählt werden. Diese Temperaturen
können
beispielsweise durch eine, insbesondere integrierte Heizvorrichtung
realisiert werden. Derartige halbleitende Materialien können vorteilhafterweise
im Temperaturbereich von ≥ 700°C bis ≤ 900°C ein Widerstandsplateau
(siehe
Der
spezifische Widerstand des halbleitenden Materials und des Plateaus
kann dabei vorteilhafterweise über
den Anteil an Terbium, Yttrium, Samarium und/oder Gadolinium eingestellt
werden (siehe
Beispielsweise kann dabei:
- – der Anteil an Terbium von > 0% bis ≤ 90%, insbesondere von ≥ 1% bis ≤ 50%, und/oder
- – der Anteil an Yttrium von ≥ 0% bis ≤ 99%, insbesondere von ≥ 25% bis ≤ 99%, und/oder
- – der Anteil an Samarium von ≥ 0% bis ≤ 50%, insbesondere von ≥ 25% bis ≤ 50%, und/oder
- – der Anteil an Gadolinium von ≥ 0% bis ≤ 50%, insbesondere von ≥ 40% bis ≤ 50%,
- The proportion of terbium from> 0% to ≤ 90%, in particular from ≥ 1% to ≤ 50%, and / or
- The proportion of yttrium from ≥ 0% to ≤ 99%, in particular from ≥ 25% to ≤ 99%, and / or
- - the proportion of samarium from ≥ 0% to ≤ 50%, in particular from ≥ 25% to ≤ 50%, and / or
- The proportion of gadolinium from ≥ 0% to ≤ 50%, in particular from ≥ 40% to ≤ 50%,
Im Rahmen einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors umfasst das halbleitende Material Samariumoxid, Yttriumoxid, Terbiumoxid, Bariumtitanat, La2Zr2O7 und/oder CaZrO3. insbesondere kann das halbleitende Material dabei aus Samariumoxid, Yttriumoxid, Terbiumoxid, Bariumtitanat, La2Zr2O7 und/oder CaZrO3 bestehen. Vorzugsweise weist das halbleitende Material eine Pyrochlor-ähnliche Kristall-Struktur auf. Derartige halbleitende Materialien haben sich insbesondere für den Einsatz in einem resistiven Partikelsensor als vorteilhaft erwiesen.In the context of a further, particularly preferred embodiment of the particle sensor according to the invention, the semiconducting material comprises samarium oxide, yttrium oxide, terbium oxide, barium titanate, La 2 Zr 2 O 7 and / or CaZrO 3 . In particular, the semiconducting material may consist of samarium oxide, yttrium oxide, terbium oxide, barium titanate, La 2 Zr 2 O 7 and / or CaZrO 3 . Preferably, the semiconductive material has a pyrochlore-like crystal structure. Semiconducting materials of this type have proven advantageous, in particular, for use in a resistive particle sensor.
Das halbleitende Material kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise als keramischer Sinterkörper, Dickschicht, Dünnschicht, keramische Folie oder Leiterbahn ausgeführt sein.The Semiconductive material can be used in the context of the present invention for example, as a ceramic sintered body, thick film, thin film, be executed ceramic film or conductor track.
Im Rahmen einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors weist der Teilchensensor eine Schicht aus dem halbleitenden Material auf. Das Elektrodensystem kann dabei auf der Schicht aus dem halbleitenden Material angeordnet sein. Beispielsweise kann die Schicht aus dem halbleitenden Material dabei das Elektrodensystem teilweise oder vollständig kontaktieren.Within the scope of a further, preferred embodiment of the particle sensor according to the invention, the particle sensor has a layer of the semiconducting material. The electrodensys Tem can be arranged on the layer of the semiconducting material. For example, the layer of the semiconductive material may partially or completely contact the electrode system.
Im Rahmen einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors weist der Teilchensensor weiterhin eine Isolationsschicht auf. Beispielsweise kann die Isolationsschicht Aluminiumoxid und/oder Glas umfassen beziehungsweise daraus bestehen. Die Schicht aus dem halbleitenden Material kann dabei insbesondere auf der Isolationsschicht angeordnet sein. Grundsätzlich kann die Schicht aus dem halbleitenden Material die Isolationsschicht sowohl vollständig als auch teilweise bedecken. Im Rahmen einer Ausgestaltung bedeckt die Schicht aus dem halbleitenden Material nur einen Teil der Isolationsschicht. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise der Sensoraufbau für eine getrennte Beschaltung der Elektroden vereinfacht werden.in the Frame of a further preferred embodiment of the particle sensor according to the invention the particle sensor furthermore has an insulation layer. For example For example, the insulating layer may comprise alumina and / or glass, respectively consist of it. The layer of the semiconductive material can be arranged in particular on the insulating layer. Basically the layer of the semiconducting material, the insulating layer both completely as well as partially cover. Covered as part of a design the layer of the semiconducting material only a part of the insulating layer. In this way, advantageously, the sensor structure for a separate Wiring of the electrodes can be simplified.
Im Rahmen einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors weist mindestens ein Metall, beispielsweise Zirkonium, des halbleitenden Materials in den Bereichen des halbleitenden Materials, welche die Elektroden kontaktieren, zumindest teilweise eine geringere oder höhere Oxidationszahl auf als das gleiche Metall in den anderen Bereichen des halbleitenden Materials. Eine derartige erfindungsgemäße Ausgestaltung kann durch das später erläuterte erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erzielt werden und hat vorteilhafterweise eine verbesserte Anbindung des Elektrodenmaterials, insbesondere Platin, an das halbleitende Material sowie eine verbesserte Leitfähigkeit zur Folge.in the Frame of a further preferred embodiment of the particle sensor according to the invention has at least one metal, for example zirconium, of the semiconducting one Materials in the areas of the semiconducting material which the Contact electrodes, at least partially a lower or higher Oxidation number on than the same metal in the other areas semiconducting material. Such an inventive embodiment may through the later explained Production method according to the invention be achieved and advantageously has an improved connection the electrode material, in particular platinum, to the semiconductive Material and improved conductivity result.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors umfasst das Elektrodensystem mindestens drei, insbesondere mindestens vier, Elektroden. Beispielsweise kann die Widerstandsmessung mittels Zweidraht-, Dreidraht-, oder Vierdrahtmessung erfolgen.in the Frame of another embodiment of the particle sensor according to the invention the electrode system comprises at least three, in particular at least four, electrodes. For example, the resistance measurement means Two-wire, three-wire or four-wire measurement done.
Im Rahmen einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors ist das Elektrodensystem ein Interdigitalelektrodensystem aus mindestens zwei kammartig ineinander greifenden Interdigitalelektroden.in the Frame of a further preferred embodiment of the particle sensor according to the invention the electrode system is an interdigital electrode system of at least two comb-like interdigitated interdigital electrodes.
Im Rahmen einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors umfassen die Elektroden ein Edelmetall, beispielsweise Platin und/oder Gold.in the Frame of a further preferred embodiment of the particle sensor according to the invention The electrodes comprise a noble metal, for example platinum and / or Gold.
Im Rahmen einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors sind die Elektroden aus einem Zermet aus mindestens einem Edelmetall, insbesondere Platin, und dem halbleitenden Material ausgebildet. Beispielsweise kann der Anteil des halbleitenden Materials, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zermets, von ≥ 0,1 Gewichtsprozent bis ≤ 20 Gewichtsprozent, insbesondere von ≥ 5 Gewichtsprozent bis ≤ 15 Gewichtsprozent, betragen. Auf diese Weise kann eine Verbesserung der Anbindung der Elektrode an das halbleitende Material gewährleistet werden. Insbesondere kann dadurch vorteilhafterweise bereits während der Herstellung des Teilchensensors, insbesondere während des Sinterns, eine gute Anbindung der Elektroden an das halbleitende Material stattfinden.in the Frame of a further, particularly preferred embodiment the particle sensor according to the invention the electrodes are made of a cermet of at least one precious metal, in particular platinum, and formed the semiconducting material. For example may be the proportion of semiconducting material, based on the total weight of the Zermet, of ≥ 0.1 Weight percent up to ≤ 20 Percent by weight, in particular of ≥ 5 Weight percent up to ≤ 15 Percent by weight. This can be an improvement ensures the connection of the electrode to the semiconducting material become. In particular, this can advantageously already during the Production of the particle sensor, especially during sintering, a good Connection of the electrodes to the semiconducting material take place.
Im
Rahmen einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weisen die Elektroden (
Im Rahmen einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Oberfläche des Teilchensensors, insbesondere des halbleitenden Materials, eine teilweise oder vollständige Imprägnierung aus mit mindestens einem Metal auf, welches brennbare Gase, insbesondere die Reduktion von Sauerstoff zu Sauerstoffionen, katalysiert. Unter eine „Imprägnierung” kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Art Beschichtung verstanden werden, die auf zueinander beabstandeten, beispielsweise inselförmigen, katalytischen Metallbereichen beruht. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Sensor auch zur Bestimmung von brennbaren Gasen eingesetzt werden, ohne dabei die Elektroden direkt über das katalystisch aktive Metall kurzzuschließen. Beispielsweise eignen sich als katalytisches Metall Platin und/oder Palladium, insbesondere Platin. Eine Imprägnierung hat den Vorteil, dass, insbesondere im Fahrbetrieb, gebundener Sauerstoff während der Eigendiagnose einfacher umgesetzt werden kann und dadurch eine Reduktion des halbleitenden Materials während des Betriebs des Teilchensensors vermieden werden kann.in the Frame of a further, particularly preferred embodiment The present invention has the surface of the particle sensor, in particular semiconducting material, a partial or complete impregnation made with at least one metal, which combustible gases, in particular the reduction of oxygen to oxygen ions, catalyzed. Under an "impregnation" can thereby understood in the context of the present invention, a kind of coating which are spaced apart, for example, island-like, catalytic Metal areas based. In this way, the sensor according to the invention also be used for the determination of combustible gases, without while the electrodes directly over short circuit the catalytically active metal. For example, are suitable as catalytic metal platinum and / or palladium, in particular Platinum. An impregnation has the advantage that, especially when driving, bound oxygen while The self-diagnosis can be implemented more easily and thus a reduction of the semiconducting material during the operation of the particle sensor can be avoided.
Im Rahmen einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors weist der Teilchensensor Zuleitungen und Kontakte zur Kontaktierung der Elektroden auf. Die Zuleitungen und/oder Kontakte können ein Edelmetall, beispielsweise Platin und/oder Gold, umfassen oder daraus bestehen.in the Frame of a further preferred embodiment of the particle sensor according to the invention the particle sensor has leads and contacts for contacting of the electrodes. The supply lines and / or contacts can Noble metal, for example platinum and / or gold, include or from consist.
Im Rahmen einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors umfasst der Teilchensensor eine Trägerschicht. Die Trägerschicht kann beispielsweise als Substrat für das halbleitende Material und/oder für die später erläuterte Heizvorrichtung und/oder Temperaturmessvorrichtung dienen. Die Trägerschicht kann beispielsweise Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und/oder Magnesiumoxid umfassen beziehungsweise daraus bestehen. Insofern die Trägerschicht aus einem leitfähigen Material ausgebildet ist, ist diese vorzugsweise durch mindestens eine Isolationsschicht von dem halbleitenden Material und den Elektroden beabstandet.Within the scope of a further, preferred embodiment of the particle sensor according to the invention, the particle sensor comprises a carrier layer. The carrier layer can, for example, as Substrate for the semiconducting material and / or serve for the later-explained heater and / or temperature measuring device. The carrier layer may comprise or consist of, for example, aluminum oxide, zirconium oxide and / or magnesium oxide. Insofar as the carrier layer is formed from a conductive material, it is preferably spaced apart from the semiconducting material and the electrodes by at least one insulating layer.
Im Rahmen einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors umfasst der Teilchensensor eine Temperaturmessvorrichtung.in the Frame of a further, particularly preferred embodiment the particle sensor according to the invention the particle sensor comprises a temperature measuring device.
Im Rahmen einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teilchensensors umfasst der Teilchensensor eine Heizvorrichtung. Die Heizvorrichtung kann auf einer Drahtschleife, einer Dick- oder Dünnschichtstruktur basieren. Die Heizvorrichtung kann beispielsweise aus einem oxidationsbeständigen Werkstoff, insbesondere Platin, ausgebildet sein. Vorzugsweise wird die Heizvorrichtung über mindestens eine Isolationsschicht von dem halbleitenden Material und den Elektroden getrennt.in the Frame of a further, particularly preferred embodiment the particle sensor according to the invention the particle sensor comprises a heating device. The heater can be based on a wire loop, a thick or thin film structure. The heating device can be made, for example, of an oxidation-resistant material, in particular platinum, be formed. Preferably, the heater is at least over an insulating layer of the semiconducting material and the electrodes separated.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Teilchensensors, indem unter einer Oxidationsmittel- und/oder Reduktionsmittel-freien, insbesondere Sauerstofffreien, Atmosphäre eine Spannung an die Elektroden und das halbleitende Material angelegt wird, wobei die Spannung derart gewählt wird, dass mindestens ein Metall, beispielsweise Zirkonium, des halbleitenden Materials in den Bereichen des halbleitenden Materials, welche die Elektroden kontaktieren, zumindest teilweise reduziert oder oxidiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass das oder die Metalle, insbesondere Zirkonium, des halbleitenden Materials am Übergang zwischen den Elektroden und dem halbleitenden Material teilweise zu niederere Valenzzuständen reduziert oder zu höheren Valenzzuständen oxidiert wird, woraus eine verbesserte Anbindung des Elektrodenmaterials an das halbleitende Material sowie eine verbesserte Leitfähigkeit resultiert.One Another object of the present invention relates to a method for producing a particle sensor according to the invention, by under an oxidant and / or reducing agent-free, especially oxygen-free, atmosphere a voltage to the electrodes and the semiconductive material is applied, the voltage being such chosen is that at least one metal, such as zirconium, the semiconducting material in the areas of the semiconductive material, which contact the electrodes, at least partially reduced or oxidized. The method according to the invention has the advantage that the one or more metals, in particular zirconium, of the semiconducting Materials at the transition partially between the electrodes and the semiconductive material to lower valence states reduced or higher valence is oxidized, resulting in an improved connection of the electrode material to the semiconductive material and improved conductivity results.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann beispielsweise unter einer Stickstoff-Atmosphäre durchgeführt werden. Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Temperatur durchgeführt, bei der das halbleitende Material leitend ist. Für die Reduktion eines Metalls können die Elektroden als Kathoden beschaltet sein. Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl möglich beide Elektroden gleichzeitig mit dem gleichen Potential gegenüber dem halbleitenden Material als auch die Elektroden nacheinander mit einem Potential gegenüber dem halbleitenden Material zu beschalten.The Production method according to the invention can be carried out, for example, under a nitrogen atmosphere. Appropriately, will the inventive method performed at a temperature, in which the semiconductive material is conductive. For the reduction of a metal can the electrodes be connected as cathodes. It is in the frame of the present invention both possible both electrodes simultaneously with the same potential the semiconducting material as well as the electrodes one after the other with a potential opposite to connect the semiconducting material.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann vorteilhafterweise im Rahmen der als Grundprüfung oder als 100%-Prüfung bezeichneten, abschließenden Überprüfung eines durch ein herkömmliches Verfahren hergestellten Partikelsensors erfolgen.The Production method according to the invention can advantageously be used as part of the basic test or as a 100% exam designated, final review of a by a conventional Procedure produced particle sensor done.
Das Ausbilden des Interdigitalelektrodensystems und des halbleitenden Materials kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren über herkömmliche zur Herstellung von Teilchensensoren bekannte Verfahren, beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren, erfolgen.The Forming the interdigital electrode system and the semiconducting one Material can be used in the context of the manufacturing method of the invention over conventional For the production of particle sensors known methods, for example by a screen printing process.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: teilweises oder vollständiges Imprägnieren der Oberfläche des Partikelsensors, insbesondere des halbleitenden Materials, mit mindestens einem Metall, welches brennbare Gase, insbesondere die Reduktion von Sauerstoff zu Sauerstoffionen, katalysiert. Beispielsweise eignen sich hierzu Platin und/oder Palladium, insbesondere Platin. Das Imprägnieren kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Partikelsensor mit einer, insbesondere gering konzentrierten, Lösung des Metalls besprüht oder in eine solche eingetaucht wird.in the Frame of a preferred embodiment of the production method according to the invention the method further comprises the step of: partially or completely impregnating the surface the particle sensor, in particular the semiconducting material, with at least one metal containing combustible gases, in particular the reduction from oxygen to oxygen ions, catalyzed. For example, are suitable this is platinum and / or palladium, in particular platinum. The Impregnate can be done for example by the fact that the particle sensor with one, in particular low concentrated, sprayed solution of the metal or is immersed in such.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Teilchensensor hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren.One Another object of the present invention is a particle sensor prepared by the production process according to the invention.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Eigendiagnose eines erfindungsgemäßen Teilchensensors, insbesondere eines resistiven Partikelsensors, indem in einer Eigendiagnosephase: an die Elektroden eine Spannung angelegt wird; und die resultierende Leitfähigkeit beziehungsweise der resultierende elektrische Widerstand gemessen und bezüglich der von einer Temperaturmessvorrichtung gemessenen Temperatur und dem von einer Sauerstoffmessvorrichtung gemessenen Sauerstoffpartialdruck kompensiert wird; und das resultierende Ergebnis als Maß für die Funktion des Partikelsensors ausgegeben wird.One Another object of the present invention is a method for the self-diagnosis of a particle sensor according to the invention, in particular one Resistive particle sensor, in a self-diagnosis phase: on the electrodes are applied with a voltage; and the resulting conductivity or the resulting electrical resistance measured and re the temperature measured by a temperature measuring device and the oxygen partial pressure measured by an oxygen meter is compensated; and the resulting result as a measure of the function of the particle sensor is output.
Die Temperatur kann beispielsweise durch die Temperaturmessvorrichtung des Teilchensensors gemessen werden. Der Sauerstoffpartialdruck kann zum Beispiel durch einen, insbesondere dem Teilchensensor vorgeschalteten, Sauerstoffsensor, beispielsweise eine (Breitband)-Lambdasonde, bestimmt werden. Nach Kompensation der elektrischen Leitfähigkeit beziehungsweise des elektrischen Widerstands bezüglich seiner Abhängigkeit von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck kann vorteilhafterweise eine Aussage über den Zustand Teilchensensors getroffen werden. Insbesondere können etwaige Beschädigungen detektiert und die Intaktheit des Teilchensensors überprüft werden.The temperature can be measured, for example, by the temperature measuring device of the particle sensor. The oxygen partial pressure can be determined, for example, by an oxygen sensor, for example a (broadband) lambda probe, which is connected in front of the particle sensor in particular. After compensation of the electrical conductivity or the electrical resistance with respect to its dependence on Tempe Temperature and oxygen partial pressure can advantageously be made a statement about the state of the particle sensor. In particular, any damage can be detected and the integrity of the particle sensor can be checked.
Zeichnungendrawings
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther Advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and in the following description explained. It should be noted that the drawings are only descriptive in nature and are not meant to be the invention in any way Restrict shape. It demonstrate
Die
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