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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors
zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom, wobei der Partikelsensor
auf seiner Oberfläche mindestens zwei ineinander greifende
interdigitale Elektroden und ein, durch eine Isolationsschicht von
den Elektroden getrenntes Heizelement aufweist, mit dem der Partikelsensor
in einer Regenerationphase aufgeheizt und dabei eine Russbeladung
am Partikelsensor entfernt werden kann.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Eigendiagnose
eines entsprechenden Partikelsensors, wobei der Partikelsensor mit
einer Motorsteuerung oder einer Sensorsteuereinheit in Verbindung
steht und die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit Einrichtungen
zur Diagnose der Russbeladung des Partikelsensors und des Partikelsensors
selbst aufweisen.
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Partikelsensoren
werden heute beispielsweise zur Überwachung des Russausstoßes
von Brennkraftmaschinen und zur On Bord Diagnose (OBD), beispielsweise
zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, eingesetzt.
Dabei sind sammelnde, resistive Partikelsensoren bekannt, die eine Änderung
der elektrischen Eigenschaften einer unterdigitalen Elektrodenstruktur
aufgrund von Partikelanlagerungen auswerten. Es können
zwei oder mehrere Elektroden vorgesehen sein, die bevorzugt kammartig
ineinander greifen. Durch eine steigende Anzahl an dem Partikelsensor
anlagernder Partikel werden die Elektroden kurzgeschlossen, was
sich in einem mit steigender Partikelanlagerung abnehmendem elektrischen
Widerstand, einer abnehmenden Impedanz oder in einer Veränderung
einer mit dem Widerstand beziehungsweise der Impedanz zusammen hängenden
Kenngröße wie einer Spannung und/oder einem Strom
auswirkt. Zur Auswertung wird im Allgemeinen ein Schwellwert, beispielsweise
eines Messstroms zwischen den Elektroden, festgelegt und die Zeit
bis zur Erreichung des Schwellwertes als Maß für
die angelagerte Partikelmenge verwendet. Alternativ kann auch eine
Signal-Änderungsgeschwindigkeit während der Partikelanlagerung
ausgewertet werden. Ist der Partikelsensor voll beladen, werden
die angelagerten Partikel in einer Regenerationsphase mit Hilfe eines
in dem Partikelsensor integrierten Heizelements verbrannt.
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Ein
solcher resistiver Partikelsensor ist in der
DE 101 33 384 A1 beschrieben.
Der Partikelsensor ist aus zwei ineinander greifenden, kammartigen Elektroden
aufgebaut, die zumindest teilweise von einer Fanghülse überdeckt
sind. Lagern sich Partikel aus einem Gasstrom an dem Partikelsensor
ab, so führt dies zu einer auswertbaren Änderung
der Impedanz des Partikelsensors, aus der auf die Menge angelagerter
Partikel und somit auf die Menge im Abgas mitgeführter
Partikel geschlossen werden kann.
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Die
DE 101 49 333 A1 beschreibt
eine Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen, mit
einer auf einem Substrat angeordneten Widerstandsmessstruktur, wobei
die Messstruktur mit einer Russschicht zusammenwirkt und eine Temperaturmesseinrichtung
vorgesehen ist. Mit dieser Sensorvorrichtung kann ebenfalls die
Russkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine bestimmt werden.
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Aus
der
DE 10 2004
028 997 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Partikelanlagerung
auf einem Sensorelement bekannt, das eine erste Elektrode und eine
weitere Elektrode aufweist und an welchem an Spannungsklemmen eine
erste Spannung U
1 sowie eine zweite Spannung
U
2 anlegbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass
das Sensorelement während einer ersten Zeitspanne t
1 mit einer erhöhten Spannung U
1 betrieben werden kann und nach Überschreiten
einer Auslöseschwelle AP des Sensorelements dieses mit
einer niedrigeren Spannung U
2 betrieben
werden kann, die geringer als die erhöhte Spannung U
1 ist. Das Verfahren ermöglicht
es, die Zeit nach einer Regeneration des Sensorelements, in der
kein Messsignal zur Verfügung steht, bis zu dem Zeitpunkt,
an dem durch Ablagerung einer ausreichenden Menge an Partikeln ein
auswertbares Signal erhalten wird, zu verkürzen, in dem
während dieser Phase das Sensorelement mit einer erhöhten
Betriebsspannung betrieben wird. Die erhöhte Betriebsspannung
führt zu einer erhöhten Ablagerungsrate von Partikeln
an dem Sensorelement. Wenn sich eine ausreichend große
Menge Partikel an dem Sensorelement abgelagert hat, so dass ein
verwertbares Messsignal vorliegt, wird das Sensorelement mit einer
niedrigeren Spannung mit einer entsprechend niedrigeren Partikel-Ablagerungsrate
betrieben, so dass die Messdauer bis zur nächsten notwendigen Regeneration
des Sensorelements verlängert wird. Das Verfahren sieht
demnach zwei aufeinander folgende Betriebsphasen vor, eine erste
Phase mit erhöhter Betriebsspannung, während der
noch kein ausreichendes Messsignal vorliegt, und eine zweite Phase
mit verringerter Spannung, während der die eigentliche
Messung der Partikelkonzentration erfolgt. Dabei erfolgt während
beider Phasen eine Bestimmung des Widerstandes oder der Impedanz
des Sensorelements über eine entsprechende Strommessung,
einmal zur Erkennung der Auslöseschwelle und einmal zur
Bestimmung der Partikel-Ablagerungsrate. In beiden Phasen ist eine
definierte Partikelablagerung notwendig. Die gewählten
Spannungen stellen demnach in beiden Phasen einen Kompromiss zwischen
optimierter Partikelablagerung und genauer Widerstands- oder Impedanzmessung
dar.
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Aus
der
DE 103 19 664
A1 ist ein Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom,
insbesondere von Russpartikeln in einem Abgasstrom, mit mindestens
zwei Messelektroden, die auf einem Substrat aus einem elektrisch
isolierenden Werkstoff angeordnet sind, bekannt. Dabei ist es vorgesehen, dass
die Messelektroden von einer Schutzschicht überzogen sind.
Durch die Schutzschicht werden die Elektroden bei rauen Umgebungstemperaturen
vor Korrosion geschützt. Dabei kann die Schutzschicht elektrisch
leitend oder als elektrischer Isolator ausgeführt sein.
Eine leitfähige Schutzschicht ermöglicht eine
Bestimmung der Partikelkonzentration durch eine resistive Gleichstrommessung,
wobei sich eine Parallelschaltung zwischen den Elektroden über
die Schutzschicht und die angelagerten Partikel ergibt. Bei einer
isolierenden Schutzschicht ist eine Impedanzmessung mit Hilfe einer
Wechselspannung erforderlich.
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Zur
Regeneration des Partikelsensors nach erfolgter Partikelanlagerung
muss das Sensorelement mit Hilfe eines integrierten Heizelementes
frei gebrannt werden. Dies muss in bestimmten zeitlichen Abständen
durchgeführt werden, um Verfälschungen bei der
Partikelkonzentrationsbestimmung zu vermeiden.
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Zur
Eigendiagnose ist beispielsweise in einer weiteren Anmeldung der
Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen R.318399 vorgesehen, dass
der Partikelsensor eine zusätzliche flächige Prüfelektrode
aufweist, und in mehreren Verfahrensschritten zwischen den Messelektroden
und der Prüfelektrode verschiedene Prüfspannungen
angelegt und jeweils ein Strom bzw. eine Kapazität gemessen
und anhand der ermittelten Werte auf eine ordnungsgemäße Funktion
des Partikelsensors geschlossen wird.
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Die
EP 1 925 926 A1 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Auswerteverfahren zur Überprüfung
der Funktionsfähigkeit bzw. zur Plausibilisierung eines auf
einem Elektrodensystem basierenden Sensors, insbesondere eines Partikelsensors,
wobei die Vorrichtung mindestens ein Referenzelektrodensystem umfasst.
Das Auswerteverfahren sieht dabei vergleichende Messungen an den
Messelektroden sowie an den Referenzelektroden vor, wobei anhand
der ermittelten Werte auf eine ordnungsgemäße
Funktion des Sensors geschlossen wird.
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Da
bei einem Einsatz zur On-Board-Diagnose der Partikelsensor bezüglich
eines Partikelfilters stromabwärts im Abgasstrom angeordnet
ist, sollten sich bei einem voll funktionsfähigen Partikelfilter
an der Stelle, an der der Partikelsensor angeordnet ist, keine Partikel,
insbesondere Rußpartikel mehr im Abgas befinden, die ein
entsprechendes Sensorsignal liefern könnten. Dass kein
Signal von einem Sensor geliefert wird, kann allerdings auch bedeuten, dass
der Partikelsensor defekt ist und somit ein möglicherweise
ebenfalls defekter Partikelfilter nicht als defekt erkannt wird.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
welches eine zuverlässige Eigendiagnose des Partikelfilters
insbesondere in dieser Einbausituation erlaubt.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung
des Verfahrens entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche
1 bis 5 gelöst.
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit Einrichtungen
zur Auswertung eines Eigendiagnosestroms bei Anlegen einer Wechsel-
oder Gleichspannung als Messspannung an den Elektroden aufweist
und dass der Partikelsensor bei Verwendung von Gleichspannung als
Messspannung mittels der Motorsteuerung oder der Sensorsteuereinheit
zur Eigendiagnose kurzzeitig auf Temperaturen > 500°C aufheizbar ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass
mittels Fremddotierung oder Eigendotierung in der Isolationsschicht
unmittelbar unter den Elektroden eine halbleitende Schicht ausgebildet wird
und zur Eigendiagnose zumindest zeitweise eine Messspannung zwischen
den Elektroden angelegt und ein Eigendiagnosestrom gemessen wird.
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Dieses
Vorgehen hat den Vorteil, dass eine Diagnose der Funktionstüchtigkeit
der Messelektroden des Partikelsensors durchgeführt werden
kann. Durch eine derartige Eigendiagnose ist es möglich, defekte
Partikelsensoren, deren Elektroden während der Fertigung
oder im Einsatz über die Lebensdauer des Sensors beschädigt
wurden, zu erkennen und durch entsprechende Korrektur des gemessenen Partikelsignals
den Fehler auszugleichen oder dem Fahrer/Betreiber des Fahrzeugs/der
Anlage bei einem Totalausfall des Sensors durch optische und/oder
akustische Warnungen davon in Kenntnis zu setzen. Dies ist insbesondere
von Vorteil bei Partikelsensoren, die in Strömungsrichtung
des Abgases gesehen stromabwärts von einem Partikelfilter
verbaut sind, und dabei unklar ist, ob der Partikelsensor ordnungsgemäß funktioniert
und das Abgas nur einen geringen bis gar keinen Russanteil aufweist
oder ob der Partikelsensor fehlerhaft ist und möglicherweise
das Abgas aber gerade stark mit Ruß belastet ist. In vorteilhafter
Weise erfolgt die erfindungsgemäße Funktionsprüfung
des Sensors sowohl bei der Endkontrolle vor der Auslieferung an
den Kunden als auch während des Betriebs „russfrei”,
d. h. in einer Betriebsphase des Fahrzeugs/der Anlage, in der keine
Rußpartikel freigesetzt werden, was eventuell die Messwerte
verfälschen könnte.
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Der
Partikelsensor weist zumindest bereichsweise unmittelbar unter den
Elektroden in einer Isolationsträgerschicht eine halbleitende
Schicht auf, die durch Eigendotierung und/oder durch eine Fremddotierung
der Isolationsträgerschicht mit Natrium-Ionen und/oder
anderen leicht beweglichen Ionen, z. B. Lithium-Ionen, erzeugt ist,
welche einen Anteil im Bereich von 100 ppm bis 10000 ppm in der Isolationsträgerschicht
aufweisen. Mittels dieser Dotierung kann insbesondere bei hohen
Temperaturen eine gewisse Leitfähigkeit in der halbleitenden Schicht
erzeugt werden, in dem die Beweglichkeit der Ionen durch den Temperatureinsatz
erhöht wird. Durch die Konzentration und die Auswahl der
Ionen können die Eigenschaften der halbleitenden Schicht hinsichtlich
des temperaturabhängigen Widerstandes vorgegeben werden.
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So
weisen derartig erzeugte Schichten im Messbetrieb (Russsammeln)
bis etwa 400°C zwischen den Elektroden elektrische Widerstände
im Bereich > 100 MΩ auf.
Wird diese Schicht zu Diagnosezwecken aufgeheizt, beispielsweise
auf etwa 850°C, sinkt der Widerstand auf 0,2 bis 1 MΩ ab,
was einem Strom von etwa 10 bis 50 μA bei einer Messspannung
von 10 V DC entspricht. Dieser Strom kann als Maß für
die Güte des Partikelsensors herangezogen werden.
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In
einer Ausführungsvariante ist die Fremddotierung der Isolationsträgerschicht
zur Erzeugung der halbleitenden Schicht unter den Elektroden durch Natrium-Verunreinigungen
aus den im Herstellprozess aufgebrachten Elektroden erzielt worden.
Dabei wird dieser eher ungewünschte Effekt gezielt zur
Dotierung eingesetzt. Ein zusätzlicher Dotierprozess kann
dabei entfallen.
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In
einer anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass
die Eigendotierung der Isolationsträgerschicht zur Erzeugung
der halbleitenden Schicht unter den Elektroden durch gezielte Einbringung
von Natrium-Ionen und/oder anderen leicht beweglichen Ionen in die
Isolationsträgerschicht erzeugt ist. Dies ist zwar gegenüber
der ersten Variante aufwendiger, ist aber im Hinblick auf eine definierte Dotierung
von Vorteil.
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Um
die halbleitende Schicht des Partikelsensors im Schichtaufbau nach
unten zu isolieren, kann unter der halbleitenden Schicht eine Isolationsschicht aus
reinem Aluminiumoxid eingebracht sein. Damit kann eine wirkungsvolle
Abgrenzung zu, im Partikelsensoraufbau tiefer gelegenen funktionalen
Schichten mit ggf. ebenfalls halbleitenden Eigenschaften erzielt
werden.
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Zusätzlich
kann unter der Isolationsschicht aus reinem Aluminiumoxid eine zusätzliche
Schicht aus mit Barium dotiertem Aluminiumoxid eingebracht sein,
womit eine besonders wirkungsvolle Sperrschicht insbesondere für
die leicht beweglichen Natrium-Ionen ausgebildet ist.
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Wird
zur Eigendiagnose als Messspannung eine Wechselspannung zwischen
den Elektroden angelegt, ergibt sich eine einfache Auswertung des
Eigendiagnosestroms, wobei der schaltungstechnische Aufwand der
Auswertung deutlich reduziert ist.
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In
einer anderen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass zur Eigendiagnose
als Messspannung eine Gleichspannung zwischen den Elektroden angelegt
und der Partikelsensor vor oder nach der Beschaltung mit Gleichspannung
mittels des Heizelementes auf Temperaturen > 500°C, vorzugsweise auf etwa
850°C aufgeheizt wird. Die Aufheizung des Partikelsensors
auf diese Temperaturen erfolgt dabei in bevorzugter Verfahrensvariante
für mindestens 30 Sekunden, typischerweise für
etwa eine Minute.
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Durch
Anlegen einer Gleichspannung, was insbesondere in Fahrzeugen von
Vorteil sein kann, ergibt sich normalerweise ein Polarisationseffekt,
der zur Folge hat, dass die Leitfähigkeit der halbleitenden Schicht
stetig abnimmt. Durch die Aufheizung kann diese wieder regeneriert
werden, da durch diese Maßnahme die leicht beweglichen
Ionen wieder gleichmäßig innerhalb der halbleitenden
Schicht verteilt werden können und somit die Polarisation
wieder aufgehoben werden kann. Zusätzlich kann ein Umladepuls
von 1 bis 1000 ms Dauer bei etwa –10 V DC Spannung aufgeprägt
werden, um eine „aktive” Regeneration zu erzielen.
Als Maß für die Güte des Partikelsensors
mit seinen Elektroden kann bei dieser Verfahrensvariante der Maximalwert
des gemessenen Eigendiagnosestroms herangezogen werden, der sich
direkt bei Anlegen der Messspannung ergibt.
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In
einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass
die Beschaltung der Elektroden mit Gleichspannung nur für
eine kurze Zeit im Bereich von 1 ms bis 100 ms durchgeführt
wird. Dies bietet den Vorteil, dass in diesen kurzen Zeitintervallen
die halbleitende Schicht nur geringfügig polarisiert wird
und daher mehrere Messzyklen (beispielsweise bis zu 1000 Zyklen) über
längere Zeiten möglich sind, bis wieder eine Regeneration
erfolgen muss.
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Eine
bevorzugte Anwendung der Verfahrensvarianten, wie sie zuvor beschrieben
wurde, sieht die Regeneration des Partikelsensors im Rahmen einer
On-Board-Diagnose bei einer Diesel-Brennkraftmaschine vor. In dieser
Anwendung kommt es insbesondere auf eine genaue und reproduzierbare
Diagnose der Partikelbeladung eines im Abgasstrang der Diesel-Brennkraftmaschine
angeordneten Russpartikelfilters (DPF) an.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung das technische Umfeld, in der das
Verfahren angewendet werden kann,
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2 schematisch
einen Partikelsensor in einer Explosionsdarstellung und
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3 ein
Messdiagramm zur Eigendiagnose des Partikelsensors.
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1 zeigt
schematisch das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße
Verfahren angewendet werden kann. Eine Brennkraftmaschine 10, die
als Dieselmotor ausgeführt sein kann, bekommt Verbrennungsluft über
eine Luftzuführung 11 zugeführt. Dabei
kann die Luftmenge der Verbrennungsluft mittels eines Luftmassenmessers 12 in
der Luftzuführung 11 bestimmt werden. Die Luftmenge
kann bei einer Korrektur einer Anlagerungswahrscheinlichkeit von
im Abgas der Brennkraftmaschine 10 vorhandenen Partikeln
verwendet werden. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über
einen Abgasstrang 17 abgeführt, in dem eine Abgasreinigungsanlage 16 angeordnet
ist. Diese Abgasreinigungsanlage 16 kann als Diesel-Partikelfilter
ausgeführt sein. Weiterhin sind im Abgasstrang 17 eine
als Lambdasonde ausgeführte Abgassonde 15 und
ein Partikelsensor 20 angeordnet, deren Signale einer Motorsteuerung 14 zugeführt
werden. Die Motorsteuerung 14 ist weiterhin mit dem Luftmassenmesser 12 verbunden
und bestimmt auf Basis der ihr zugeführten Daten eine Kraftstoffmenge,
die über eine Kraftstoff-Dosierung 13 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt
werden kann.
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Der
Partikelsensor 20 kann dabei auch in Strömungsrichtung
des Abgases hinter der Abgasreinigungsanlage 16 angeordnet
sein, was Vorteile hinsichtlich einer Homogenisierung der Abgasströmung an
dieser Stelle mit sich bringt und insbesondere beim Einsatz im Rahmen
der On-Board-Diagnose der Fall ist. Mit den gezeigten Vorrichtungen
ist eine Beobachtung des Partikelausstoßes der Brennkraftmaschine 10 und
eine Prognose der Beladung der als Diesel-Partikelfilter (DPF) ausgebildeten
Abgasreinigungsanlage 16 möglich.
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2 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor 20 entsprechend
dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung.
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Auf
Isolierträgerschichten 21, beispielsweise aus
Aluminiumoxid, sind eine erste Elektrode 22 und eine zweite
Elektrode 23 aufgebracht. Die Elektroden 22, 23 sind
in Form zweier interdigitaler, ineinander greifender Kammelektroden
ausgeführt. An den stirnseitigen Enden der Elektroden 22, 23 sind
ein erster Anschluss 24 und ein zweiter Anschluss 25 vorgesehen, über
welche die Elektroden 22, 23 zur Spannungsversorgung
und zur Durchführung der Messung mit einer nicht dargestellten
Sensorsteuereinheit verbunden werden können.
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Zusätzlich
ist im gezeigten Beispiel zwischen den Isolierträgerschichten 21 ein
Heizelement 26 integriert, welches über zusätzliche
Anschlüsse mit der Sensorsteuereinheit verbunden ist.
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Wird
ein solcher Partikelsensor 20 in einem Partikel 29 führenden
Gasstrom, beispielsweise in einem Abgaskanal eines Dieselmotors
oder einer Feuerungsanlage, betrieben, so lagern sich Partikel 29 aus
dem Gasstrom an dem Partikelsensor 20 ab. Im Falle des
Dieselmotors handelt es sich bei den Partikeln 29 um Rußpartikel
mit einer entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit. Dabei
hängt die Ablagerungsrate der Partikel 29 an den
Partikelsensor 20 neben der Partikelkonzentration in dem
Abgas unter anderem auch von der Spannung ab, welche an den Elektroden 22, 23 anliegt.
Durch die anliegende Spannung wird ein elektrisches Feld erzeugt,
welches auf elektrisch geladene Partikel 29 und auf Partikel 29 mit
einer Dipol-Ladung eine entsprechende Anziehung ausübt.
Durch geeignete Wahl der an den Elektroden 22, 23 anliegenden
Spannung kann daher die Ablagerungsrate der Partikel 29 beeinflusst werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 22, 23 und
die oberste Isolationsträgerschicht 21, auf der
sich die Elektroden 22, 23 befinden, mit einer
Schutzschicht 27 überzogen. Diese optionale Schutzschicht 27 schützt
die Elektroden 22, 23 bei den zumeist vorherrschenden
hohen Betriebstemperaturen des Partikelsensors 20 vor Korrosion.
Sie ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Material
mit einer geringen Leitfähigkeit hergestellt, kann jedoch
auch aus einem Isolator gefertigt sein.
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Auf
der Schutzschicht 27 haben sich Partikel 29 aus
dem Gasstrom in Form einer Schicht abgelagert. Durch die gering
leitfähige Schutzschicht 27 bilden die Partikel 29 einen
leitfähigen Pfad zwischen den Elektroden 22, 23,
so dass sich, abhängig von der Menge der abgelagerten Partikel 29,
eine Widerstandsänderung zwischen den Elektroden 22, 23 ergibt.
Diese kann zum Beispiel gemessen werden, in dem eine konstante Spannung
an die Anschlüsse 24, 25 der Elektroden 22, 23 angelegt
und die Änderung des Stromes durch die angelagerten Partikel 29 bestimmt
wird.
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Ist
die Schutzschicht 27 isolierend aufgebaut, führen
die abgelagerten Partikel 29 zu einer Änderung
der Impedanz des Partikelsensors 20, was durch eine entsprechende
Messung, bevorzugt mit einer Wechselspannung, ausgewertet werden
kann.
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Ist
der Partikelsensor 20 so weit mit einer Schicht aus Partikeln 29 belegt,
dass zusätzlich angelagerte Partikel 29 zu keiner
zusätzlichen Änderung des Widerstandes beziehungsweise
der Impedanz des Partikelsensors 20 führen, so
wird der Partikelsensor 20 innerhalb einer Regenerationsphase regeneriert.
Dazu wird der Partikelsensor 20 mit Hilfe des Heizelements 26 so
weit aufgeheizt, dass die anliegenden Partikel 29 verbrennen.
In einer ersten Phase nach der Regeneration, wenn nur wenige Partikel 29 an
dem Partikelsensor 20 anliegen, ist keine aussagekräftige
Widerstands- oder Impedanzmessung möglich. Erst nach einer
ausreichend langen Zeit liegen wieder so viele Partikel 29 an
dem Partikelsensor 20 an, dass sich über die Partikel 29 ein geschlossener
Strompfad zwischen den Elektroden 22, 23 ausbildet
und eine Messung möglich wird. Bekannte Auswerteverfahren
bestimmen die Zeit nach einer Regeneration bis zur Erreichung einer
vorgegebenen Schwelle des Messsignals, beispielsweise eines vorgegebenen
Stromwertes, um eine Aussage über die Partikelkonzentration
in dem Gasstrom zu ermitteln. Alternative Verfahren nutzen die Signal-Änderungsgeschwindigkeit
nach Erreichen eines Mindestsignals zur Bestimmung der Partikelkonzentration.
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Die
oberste Isolationsträgerschicht 21, auf der sich
die Elektroden 22, 23 befinden, ist erfindungsgemäß zusätzlich
dotiert, so dass eine halbleitende Schicht 28 ausgebildet
ist. Diese kann beispielsweise wie folgt ausgebildet sein:
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Variante 1:
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Unterhalb
der Elektroden 22, 23 befindet sich die Isolationsträgerschicht 21,
welche aus reinem Aluminiumoxid ausgebildet ist. Diese wird durch
Natrium-Verunreinigungen verunreinigt, wenn die Elektroden 22, 23,
welche üblicherweise als Platin-Messelektroden ausgebildet
sind, aufgebracht werden. Dadurch bildet sich im Bereich der Elektroden 22, 23 die
halbleitende Schicht 28 aus. Die Elektroden 22, 23 können
besonders einfach und kostengünstig mittels eines Siebdruckverfahren
aufgebracht und durch einen anschließenden Einbrandprozess
auf der Isolationsträgerschicht 21 fixiert werden.
Dabei können die Natrium-Ionen in die Isolationsträgerschicht 21 eindiffundieren
und die halbleitende Schicht ausbilden.
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Variante 2:
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Unterhalb
der Elektroden 22, 23 befindet sich die Isolationsträgerschicht 21,
welche aus reinem Aluminiumoxid ausgebildet ist, in die durch gezielte Dotierung
Natrium-Ionen eingebracht sind. Die Konzentration der Natrium-Ionen
in der Isolationsträgerschicht 21 beträgt
in der Dotierungszone, welche die halbleitende Schicht 28 ausbildet,
zwischen 100 ppm und 10000 ppm. Typischerweise liegt dieser Wert
bei etwa 1000 ppm. Grundsätzlich können auch andere leicht
bewegliche Ionen, wie beispielsweise Lithium, als Dotierung eingebracht
werden.
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Variante 3:
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Wie
in Variante 2 aufgeführt, ist die Isolationsträgerschicht 21 durch
gezielte Dotierung mit Natrium-Ionen angereichert und bildet somit
die halbleitenden Schicht 28 aus. Um die halbleitenden
Schicht 28 nach unten hin zu anderen funktionalen Schichten des
Partikelsensors 20 zu isolieren, ist unmittelbar unter
der halbleitenden Schicht 28 eine weitere Schicht aus Aluminiumoxid
eingebracht. Zusätzlich kann unter dieser Schicht noch
eine Schicht aus Barium-dotiertem Aluminiumoxid eingebracht sein,
welche insbesondere für die leicht beweglichen Natrium-Ionen
als Sperrschicht wirkt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass
zur Eigendiagnose zumindest zeitweise eine Messspannung zwischen
den Elektroden 22, 23 angelegt und ein Eigendiagnosestrom 31,
welcher durch die Elektroden 22, 23 und die halbleitende Schicht 28 fließt,
gemessen wird, wobei der Eigendiagnosestrom 31 ein Maß für
die Funktionstüchtigkeit des Partikelsensors 20 bzw.
für seine Güte ist.
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Dabei
ist in einer Verfahrensvariante vorgesehen, dass zur Eigendiagnose
als Messspannung eine Wechselspannung zwischen den Elektroden 22, 23 angelegt
wird.
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In
einer anderen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass zur Eigendiagnose
als Messspannung eine Gleichspannung zwischen den Elektroden 22, 23 angelegt
wird. Aufgrund von Polarisationseffekten nimmt bei dieser Variante
der Eigendiagnosestrom 31 nach Anlegen der Messspannung
stetig ab. Daher ist vorgesehen, dass der Partikelsensor 20 vor oder
nach der Beschaltung mit Gleichspannung mittels des Heizelementes 26 auf
Temperaturen > 500°C,
typischerweise auf ca. 850°C aufgeheizt wird, so dass die
halbleitende Schicht 28 sich wieder regenerieren kann,
wobei sich die Natrium-Ionen wieder gleichmäßig
in der halbleitenden Schicht 28 verteilen können,
so dass die Polarisation wieder aufgehoben wird. Diese zur Regeneration
dienende Aufheizung wird üblicherweise für mindestens
30 Sekunden, typischerweise für etwa 1 Minute durchgeführt.
Diese Regenerationstemperatur kann dabei beispielsweise mittels
eines Messmäanders (Platin-Widerstand), der üblicherweise
zur Temperaturüberwachung im Partikelsensor 20 integriert
ist, überwacht und geregelt werden. Es kann auch vorgesehen
sein, dass der temperaturabhängige Widerstand des Heizelements 26 zur
Temperaturüberwachung bzw. zur Temperaturregelung eingesetzt
werden.
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Eine
Verfahrensvariante sieht bei Beschaltung der Elektroden 22, 23 mit
Gleichspannung vor, dass diese nur für eine kurze Zeit,
im Bereich von 1 ms bis 100 ms, typischerweise für 10 ms,
an den Elektroden 22, 23 anliegt.
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3 zeigt
beispielhaft ein Messdiagramm 30, bei dem der zeitliche
Verlauf des Eigendiagnosestroms 31 dargestellt ist. Aufgetragen
ist ein Strom 32 über die Zeit 33, welcher über
die Elektroden 22, 23 und durch die halbleitende
Schicht 28 fließt, wenn die Messspannung angelegt
ist.
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Im
gezeigten Beispiel wird als Messspannung eine Gleichspannung von
10 V angelegt. Der Eigendiagnosestrom 31 steigt zunächst,
abhängig von der Dotierung der halbleitenden Schicht 28 auf Werte
zwischen 10 μA und 50 μA und fällt innerhalb von
etwa 10 s aufgrund der Polarisationseffekte stetig auf Null ab.
Die Höhe des Anfangwertes für den Eigendiagnosestrom 31 kann
als Nachweis für die Funktionsfähigkeit des Partikelsensors 20 herangezogen
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10133384
A1 [0004]
- - DE 10149333 A1 [0005]
- - DE 102004028997 A1 [0006]
- - DE 10319664 A1 [0007]
- - EP 1925926 A1 [0010]