DE10331838B3

DE10331838B3 - Sensorelement, Verfahren zu seiner Herstellung und Verfahren zur Erfassung von Partikeln

Info

Publication number: DE10331838B3
Application number: DE10331838A
Authority: DE
Inventors: Georg Bernitz; Heinrich Zitzmann; Horst Sirtl
Original assignee: Individual
Current assignee: Sensotherm Temperatursensorik GmbH
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-07-15

Abstract

Ein Sensorelement besitzt einen Sensorkörper mit einer Sensoroberfläche, die eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die eine Anlagerung von Rußpartikeln ermöglicht. Ferner ist lediglich eine Widerstandsstruktur zum Erwärmen des Sensorkörpers und zum Erfassen einer Temperatur des Sensorkörpers vorgesehen. Bei einem Verfahren zum Erfassen von Partikeln, bei dem ein solches Sensorelement eingesetzt werden kann, wird die Sensoroberfläche in einem Gasstrom plaziert, so daß, falls vorhanden, Partikel in dem Gasstrom an der Sensoroberfläche anlagern. Die thermische Masse des Sensorkörpers und möglicher an demselben angelagerter Partikel wird unter Erwärmung des Sensorkörpers auf eine Temperatur, die geringer ist als eine Verbrennungstemperatur der Partikel, erfaßt. Aus der erfaßten thermischen Masse wird eine in dem Gasstrom vorliegende Partikelkonzentration abgeleitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und insbesondere ein solches Sensorelement, das zur Detektion der Rußpartikelbeladung eines Gasstromes, insbesondere eines Abgasstromes, geeignet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensorelements und ein Verfahren zur Erfassung von Partikeln, das die Ableitung einer in einem Gasstrom, insbesondere einem Abgasstrom, vorliegenden Partikelkonzentration, insbesondere der Rußpartikelbeladung, ermöglicht.
Verschiedene Sensoren zur Ermittlung der Rußkonzentration eines Abgasstroms sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Die DE 19536705 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der in einem Abgasstrom enthaltenen Rußpartikel. Das Meßprinzip der in der DE 19536705 A1 beschriebenen Sensoranordnung beruht darauf, daß das von einer Elektrodenanordnung innerhalb einer Abgasleitung erzeugte elektrische Feld gestört wird, sobald das elektrische Feld von einem Gasstrom mit elektrisch leitenden oder geladenen Partikeln, beispielsweise Rußpartikeln, durchströmt wird. Die Elektrodenanordnung bildet einen Kondensator, aus dem durch die Aufladung der Partikel elektrische Energie abtransportiert wird. Bei konstanter Spannung muß zur Wiederherstellung der ursprünglichen Feldstärke ein Ladestrom fließen, der ein Maß für die Menge der durch die Partikel abtransportierten Ladung, also für die Partikelbelastung des Abgasstroms, darstellt.

Eine vergleichbare Sensoranordnung ist aus der DE 19817402 C1 bekannt. Um einen Kurzschluß durch sich auf den zu der Elektrodenanordnung führenden Leitern absetzende Partikel zu verhindern, werden gemäß dieser Schrift diese Leiter auf eine die Partikel thermisch zerstörende Temperatur aufgeheizt.

Aus der DE 19959871 A1 sind ein Sensor und ein Verfahren zur Ermittlung von Rußkonzentrationen bekannt. Die dort beschriebenen Sensoren umfassen einen offen-porösen Formkörper, mindestens ein elektrisches Heizelement und mindestens einen Temperaturfühler. Unter offen-porösem Formkörper wird gemäß dieser Schrift ganz allgemein ein Körper mit in Strömungsrichtung offener Porosität bzw. durchgehenden Öffnungen oder Löchern verstanden, die geordnet oder ungeordnet vorliegen können. Als Beispiele eines solchen offenporösen Formkörpers werden in der DE 19959871 A1 ein einfaches Lochblech, ein Röhrchen, ein Paket aus Fasern oder Wolle, eine poröse Keramik, ein poröses Glas, eine poröse dünne Schicht oder auch eine stark rauhe Oberfläche genannt. Das Meßprinzip gemäß der DE 19959871 A1 beruht darauf, daß Rußpartikel an dem offen-porösen Formkörper haften bleiben und daß in definierten zeitlichen Abständen der Formkörper mittels des elektrischen Heizelements auf die Zündtemperatur des Rußes aufgeheizt wird, wobei die bei der Verbrennung der Rußpartikel auftretende Wärmeentwicklung, die durch den Temperatursensor erfaßt wird, als ein direktes Maß für eine Menge an Ruß verwendet wird, die am Rußsensor vorbeigeströmt ist.

Auf einen Sensor mit einem gleichartigen Wirkprinzip bezieht sich die DE 10020539 A1 . Um die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen, ist gemäß dieser Schrift eine Meßanordnung vorgesehen, bei der der Rußsensor ein elektrisch leitendes Gebilde mit einer elektrischen Ladung aufweist, wobei im Gasstrom aufwärts des Rußsensors eine Anordnung zur Erzeugung einer anderen elektrischen Ladung an den Rußpartikeln vorgesehen ist. Durch diese Meßanordnung gemäß der DE 10020539 A1 können die Coulombschen Anziehungskräfte ausgenutzt werden, um den Ruß gezielt in Richtung des Rußsensors zu lenken und dort einer Auswertung zugänglich zu machen.

Aus der DE 19959871 A1 und der DE 10020539 A1 sind somit Sensoren zur Ermittlung der Rußkonzentration eines Abgasstromes bekannt, die auf dem physikalischen Prinzip der Wärmetönung basieren, d. h. auf dem Prinzip der Erfassung der Temperaturerhöhung, die durch eine gezielte Verbrennung der Rußpartikel auftritt. Als Sensorelement kommt in beiden Fällen eine Kombination aus mindestens einem Temperatursensor und mindestens einem Heizelement zur Anwendung. Zusätzlich sind für die Rußbeladung noch Wabenkörper oder durchströmbare Schichten oder Körper notwendig. Dies hat einerseits den Nachteil, daß ein großer konstruktiver Aufwand nötig ist, um derartige Sensoren herzustellen, und andererseits den Nachteil, daß Sensoren dieser Bauart eine sehr hohe thermische Masse besitzen.

Aus der DE 33 04 846 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion und/oder Messung der Rußkonzentration im Abgas vorgeschlagen. Dabei wird aus der sich ändernden Heizleistung einer berußten Heizfläche gegenüber einer im wesentlichen rußfreien Heizfläche der Rußniederschlag bestimmt und daraus auf die Rußkonzentration im Abgas geschlossen. Hierzu weist ein Rußsensor zwei Heizflächen auf, die in jeweils einem parallelen Brückenzweig einer Wheatstonschen Brücke angeordnet sind. Die eine Heizfläche ist ständig vorgeheizt. In Intervallen werden beide Heizflächen mit voller Heizleistung betrieben und hierbei die Spannung und/oder die Spannungszunahme (bzw. Stom und/oder Stromzunahme) im Diagonalzweig der Brücke gemessen. Das Spannungs- bzw. Strommaximum bzw. die Steilheit des Spannungs- bzw. Stromanstiegs ist ein Maß für die Rußkonzentration im Abgas.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement, das zur Detektion der Rußpartikelbeladung eines Abgasstroms geeignet ist, mit einem einfachen Aufbau, ein Verfahren zur Herstellung desselben und ein Verfahren zur Erfassung von Partikeln, das mit einem Sensorelement mit einem einfachen Aufbau durchgeführt werden kann, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren zur Erfassung von Partikeln gemäß Anspruch 8 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Sensorelement mit folgenden Merkmalen:
einem Sensorkörper mit einer Sensoroberfläche, die eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die eine Anlagerung von Rußpartikeln ermöglicht; und
nur einer Widerstandsstruktur zum Erwärmen des Sensorkörpers und zum Erfassen einer Temperatur des Sensorkörpers.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements umfaßt folgende Schritte:
Bereitstellen eines Sensorkörpers mit nur einer Widerstandsstruktur zum Erwärmen des Sensorkörpers und zum Erfassen einer Temperatur des Sensorkörpers; und
Erzeugen einer Sensoroberfläche durch Versehen einer Oberfläche des Sensorkörpers mit einer Oberflächenrauhigkeit, die eine Anlagerung von Rußpartikeln ermöglicht.

Schließlich umfaßt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung von Partikeln folgende Schritte:
Plazieren einer Sensoroberfläche eines Sensorkörpers, die eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die eine Anlagerung von Partikeln ermöglicht, in einem Gasstrom, so daß, falls vorhanden, Partikel in dem Gasstrom an der Sensoroberfläche anlagern;
Erfassen der thermischen Masse des Sensorkörpers und möglicher an demselben angelagerter Partikel unter Erwärmung des Sensorkörpers auf eine Temperatur, die geringer ist als eine Verbrennungstemperatur der Partikel; und
Ableiten einer in dem Gasstrom vorliegenden Partikelkonzentration aus der erfaßten thermischen Masse.

Das erfindungsgemäße Sensorelement kommt mit nur einer Widerstandsstruktur zum Erwärmen des Sensorkörpers und zum Erfassen einer Temperatur des Sensorkörpers aus, da die erfindungsgemäßen Sensoren auf einer Veränderung der thermischen Masse vom rußfreien zum rußbeladenen Sensor basieren. Somit besitzt das erfindungsgemäße Sensorelement den Vorteil eines einfachen Aufbaus, da maximal ein sensitives Element in der Form einer Widerstandsstruktur verwendet wird. Ferner ist erfindungsgemäß eine Oberfläche in ihrer Oberflächenrauhigkeit teilweise oder ganzflächig modifiziert, um eine Anlagerung von Rußpartikeln zu ermöglichen. Die Oberflächenrauhigkeit der teilweise oder ganzflächig modifizierten Sensoroberfläche ist dabei vorzugsweise derart, daß Rußpartikel, insbesondere Verbrennungspartikel aus Brennkraftmaschinen, beständig gegen Vibrationskräfte und Strömungskräfte angelagert werden können. Die Sensoroberfläche weist dazu eine Oberflächenrauhigkeit, beispielsweise hinsichtlich voneinander beabstandeter durch die Rauhigkeit bedingter Halteflächen, auf, die im Bereich der Größe der Rußpartikel bzw. im Bereich von Oberflächenstrukturen der Rußpartikel, die an der Sensoroberfläche anlagern sollen, liegt. Die erfindungsgemäß einzige verwendete Widerstandsstruktur ist vorzugsweise durch einen als Heizer ausgebildeten Platinmeßwiderstand, der in Dünnschichttechnik gefertigt ist, gebildet, wobei dieser Platinmeßwiderstand ferner als Temperaturfühler zum Erfassen der Temperatur des Sensorkörpers verwendet wird.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau, bei dem eine Oberfläche des Sensorkörpers in ihrer Oberflächenrauhigkeit teilweise oder ganzflächig modifiziert ist, und bei dem lediglich ein sensitives Element verwendet ist, kann die thermische Masse des Sensors gering gehalten werden, wobei diese thermische Masse nicht durch zusätzliche Formkörper nachteilig verändert wird.

Standardmäßig gefertigte Platinmeßwiderstände weisen eine Oberfläche auf, die im allgemeinen eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit besitzen. Derartige Oberflächen sind beispielsweise durch über dem Platinmeßwiderstand vorgesehene dielektrische Glasschichten, Keramikschichten oder Glaskeramikschichten gebildet. An derartigen Oberflächen können sich Rußpartikel nicht beständig anlagern, sondern werden bereits beispielsweise durch Abgasströmungen und/oder mechanische Schwingungen entfernt. Somit wäre bei standardmäßig gefertigten Platinmeßwiderständen eine nachfolgende Auswertung einer Rußbeladung und der damit verbundenen Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters, das dem Sensorelement vorgeschaltet ist, sehr fehlerbehaftet. Daher weist das erfindungsgemäße Sensorelement eine Sensoroberfläche auf, die hinsichtlich ihrer Oberflächenrauhigkeit teilweise oder ganzflächig modifiziert ist, um eine gegen Vibrationskräfte und Strömungskräfte beständige Anlagerung von Rußpartikeln zu ermöglichen.

Die Oberflächenmodifikation der Sensoroberfläche kann kostengünstig im Nutzen, d. h. für viele Sensorelemente gleichzeitig, durchgeführt werden. Zum Erzeugen einer Sensoroberfläche mit der gewünschten Oberflächenrauhigkeit sind eine Vielzahl von Verfahren denkbar. Beispielsweise kann die Oberflächenrauhigkeit durch eine mechanische Bearbeitung einer Oberfläche des Sensorkörpers erfolgen, beispielsweise durch Sandstrahlen oder Schleifen. Ferner kann die Oberflächenmodifikation chemisch durch eine Flußsäureätzung oder durch einen Photonenbeschuß (Laserbestrahlung) erfolgen.

Neben einer Erzeugung der Oberflächenmodifikation an einer ursprünglichen Einfachabdeckschicht des Sensorelements ist es auch möglich, eine Oberflächenveränderung durch Aufbringen zusätzlicher Schichten oder Schichtkombinationen herbeizuführen. Möglich wäre hier beispielsweise ein Bedampfen oder Besputtern mit Aluminiumoxid oder anderen, dem Fachmann hinreichend bekannten, hochtemperaturstabilen Materialien, die geeignet sind, eine höhere Oberflächenrauhigkeit zu erzielen. Beispielsweise könnten auch ein oder mehrere zusätzliche Schichten durch Siebdruck erzeugt werden, was eine kostengünstige Methode darstellt, um die Oberflächenrauhigkeit entsprechend zu verändern. Daneben könnte die Oberfläche durch eine im Sol-Gel-Verfahren aufgebrachte Schicht modifiziert werden. Die zusätzliche aufgebrachte Schicht könnte ferner durch PVD (PVD = physical vapor deposition) oder CVD (CVD = chemical vapor deposition) aufgebraucht werden.

Die Oberfläche bzw. die aufgebrachten Schichten können nach dem Aufbringen durch eine thermische Behandlung ihre endgültigen Eigenschaften erhalten oder die darunterliegende Schicht verändern, wobei die zusätzlich aufgebrachte Schicht durch diesen oder einen nachfolgenden Prozeß entfernt wird. Eine solche thermische Behandlung kann beispielsweise eine Kristallisation der Oberfläche bzw. der aufgebrachten Schicht zur Folge haben. Schließlich ist es möglich, entsprechend modifizierte Oberflächen durch Plasmaspray-Verfahren zu erzielen. Es sei angemerkt, daß die Oberflächenmodifikation bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement durch eines der genannten Verfahren bzw. eine Kombination derselben herbeigeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Partikelkonzentration in einem Gasstrom durch die Änderung der thermischen Masse des Sensorkörpers durch an demselben anhaftende Partikel abgeleitet. Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zu diesem Zweck der Sensorkörper mit einer vorbestimmten Energie erwärmt und die Temperatur des Sensorkörpers nach dem Erwärmen mit der vorbestimmten Energie erfaßt. Aus der bekannten Temperatur, auf die der Sensor, an dem keine Partikel anhaften, bei dieser vorbestimmten Energie erwärmt wird, und der erfaßten Temperatur, kann auf die Änderung der thermischen Masse, die durch an dem Sensorkörper anhaftende Partikel bedingt ist, rückgeschlossen werden. Aus der Änderung der thermischen Masse kann wiederum auf die Menge bzw. Anzahl von anhaftenden Partikeln rückgeschlossen werden. Aus dieser Menge bzw. Anzahl von Partikeln, die über eine vorbestimmte Zeit an der Sensoroberfläche anhaften, kann dann wiederum auf die Partikelkonzentration in dem Gasstrom rückgeschlossen werden.

Alternativ kann der Sensorkörper beim Schritt des Erfassens der thermischen Masse auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden, wobei die zum Erwärmen des Sensorkörpers auf die vorbestimmte Temperatur benötigte Energie erfaßt wird. Die notwendige Energie hängt wiederum von der thermischen Masse ab, so daß aus der Differenz der benötigten Energie und der bekannten, für das Sensorelement ohne anhaftende Partikel notwendigen Energie wiederum auf die Anzahl bzw. Menge von anhaftenden Partikeln rückgeschlossen werden kann.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 bis 4 schematische Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Sensorelements; und

5 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung zur Erfassung einer in einem Gasstrom vorliegenden Partikelkonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bezug nehmend auf die 1 bis 4 werden zunächst Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Sensorelementen näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußsensors, beispielsweise entlang der Linie x-x in 5. Der Sensor umfaßt ein Keramiksubstrat 1. Auf dem Keramiksubstrat 1 ist ein Platinwiderstand 4 in einer Mäanderstruktur vorzugsweise in Dünnschichttechnik aufgebracht. Ferner ist den Platindünnfilmwiderstand 4 und die obere Oberfläche des Substrats 1 zumindest teilweise bedeckend eine Passivierungsschicht 2 vorgesehen. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist auf der Passivierungsschicht 2 eine Schicht 3 zur Oberflächenmodifikation vorgesehen.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Oberflächenmodifikationsschicht 3 eine im Siebdruckverfahren aufgedruckte Schicht aus Aluminiumoxidpulver. Diese Oberflächenmodifizierungsschicht 3 wird auf die noch nicht eingebrannte Passivierungsschicht 2 aufgebracht, woraufhin beide Schichten 2 und 3 miteinander thermisch behandelt werden, wodurch eine Versinterung der beiden Schichten erfolgt, die den in 1 gezeigten Schichtaufbau zur Folge hat.

Um eine zur Anlagerung von Rußpartikeln geeignete Oberflächenrauhigkeit zu bewirken, kann dabei zur Erzeugung der Modifizierungsschicht 3 Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Partikelgröße zwischen 50 nm und 1 μm verwendet werden. Vorzugsweise kann ein Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 500 nm verwendet werden. Durch die thermische Behandlung besitzt die Schicht 3 dann die erforderliche Oberflächenrauhigkeit.

Bei dem in 1 gezeigten Sensorelement stellen die Schichten 1, 2 und 3 den erfindungsgemäßen Sensorkörper dar, während die Platinmäanderstruktur 4 die einzige Widerstandsstruktur zum Erwärmen des Sensorkörpers und zum Erfassen der Temperatur des Sensorkörpers darstellt.

Das Keramiksubstrat 1 kann vorzugsweise aus Al₂O₃ bestehen und eine Dicke zwischen 0,05 mm und 0,6 mm aufweisen. Im Sinne einer geringen thermischen Masse, die eine erhöhte Empfindlichkeit des Sensorelements zur Folge hat, kann vorzugsweise ein Keramiksubstrat 1 mit einer Dicke von 0,1 mm verwendet werden. Die Dicke der Platinschicht, die die Platinmäanderstruktur 4 darstellt, kann zwischen 0,5 μm und 2 μm betragen, mit einer bevorzugten Dicke von ca. 1 μm. Diese Mäanderstruktur, die erfindungsgemäß sowohl als Heizer als auch als Temperatursensor Verwendung findet, weist vorzugsweise einen Widerstand zwischen 5 Ohm und 30 Ohm, vorzugsweise 10 Ohm bis 20 Ohm, besonders bevorzugt 15 Ohm bei 0°C, und einen Temperaturkoeffizienten nach DIN IEC751 auf. Die Passivierungsschicht 2 kann vorzugsweise aus Glas-, Keramik- oder Glaskeramikschichten bestehen. Ferner kann die Passivierungsschicht 2 durch mehrere Schichten aus Keramik bzw. Glas gebildet sein.

2 zeigt einen Querschnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußsensorelements, bei dem wiederum auf einem Keramiksubstrat 1 eine Platinmäanderstruktur 4 aufgebracht ist, die durch eine Passivierungsschicht 2, vorzugsweise Passivierungsglas, abgedeckt ist. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist keine zusätzliche Schicht zur Erzeugung der Sensoroberfläche vorgesehen, sondern vielmehr ist die Oberfläche der Passivierungsschicht 2 modifiziert, um im Bereich der Sensoroberfläche 3a die gewünschte Oberflächenrauhigkeit aufzuweisen. Diese Oberflächenrauhigkeit der Sensoroberfläche 3a kann beispielsweise erzeugt werden, indem auf der Passivierungsschicht 2, die bereits eingebrannt ist, eine mechanische oder thermische Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Sensoroberfläche 3a durch eine Oberflächenkristallisation des Passivierungsglases 2 mittels einer Laserbearbeitung zu bilden.

Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Sensoroberfläche 3b durch eine Flußsäureätzung des Passivierungsglases 2 realisiert. Die aufgerauhte Sensoroberfläche wird dabei erzeugt, indem durch eine, in 3 nicht dargestellte Maske, die beispielsweise photolithographisch aufgebracht wird, durch Flußsäureätzung das Passivierungsglas in definierten Bereichen 3b, die dann die die Oberflächenrauhigkeit aufweisende Sensoroberfläche darstellen, angeätzt wird.

Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußsensorelements unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, daß das Trägerkeramiksubstrat 1 einen Bereich 5 mit reduziertem Querschnitt besitzt. Dieser Bereich 5 ist durch eine flächige Ausnehmung in der Unterseite des Trägersubstrats 1 gebildet, wobei Randbereiche 6 des Trägersubstrats eine erhöhte Dicke besitzen, um eine Stabilität des Trägersubstrats 1 zu gewährleisten. Durch diese im Querschnitt teilweise reduzierte Trägerkeramik 1 kann eine weitere Verringerung der thermischen Masse des erfindungsgemäßen Sensorelements erzielt werden, wodurch die Sensitivität des Sensorelements weiter erhöht werden kann. Eine geringere thermische Masse des Sensorelements bei gleich groß gehaltener Rußanlagerungsfläche ermöglicht, daß geringere Mengen von Ruß detektiert werden, da dann bereits geringe Mengen angelagerten Rußes zu einer vergleichsweise großen Masseänderung des Sensors führen. Es ist klar, daß auch bei den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen die thermische Masse durch entsprechende Ausnehmungen in den dortigen Trägersubstraten reduziert sein könnte.

5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rußsensorelements zusammen mit einer Ansteuerschaltung für dasselbe. In 5 sind gleiche Elemente wie in den 1 – 4 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Wie zu erkennen ist, umfaßt das erfindungsgemäße Rußsensorelement das Trägersubstrat 1, die Passivierungsschicht 2, die in 5 der Einfachheit halber lediglich zweidimensional und durchsichtig dargestellt ist, eine Sensoroberfläche 3 mit modifizierter Oberflächenrauhigkeit, die durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist, und eine Platinmäanderstruktur 4. Gemäß 3 ist die Oberflächenmodifikation lediglich über den Bereichen, in denen die Platinmäanderstruktur 4 gebildet ist, vorgesehen. Es ist jedoch klar, daß die gesamte Oberfläche der Passivierungsschicht 2 eine entsprechende Oberflächenrauhigkeit aufweisen könnte.

Wie in 5 gezeigt ist, sind Anschlußmetallisierungen 10 mit Anschlußkontaktfeldern 10a auf dem Trägersubstrat 1 vorgesehen. An den Anschlußkontaktfeldern 10a sind in elektrisch leitfähiger Verbindung Anschlußdrähte 12 angebracht, beispielsweise mittels Schweissen. Über den Anschlußkontaktfeldern 10a kann in üblicher Form ferner eine dicke Schutzglasur 14 vorgesehen sein.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor das Passivierungsglas 2 nicht auf der gesamten oberen Oberfläche des Trägersubstrats 1 vorgesehen, da dadurch ebenfalls die thermische Masse des Sensors gering gehalten werden kann. Der den Anschlußdrähten 12 zugewandte Bereich des Sensorelements kann ausgebildet sein, um eine Ankopplungs- und Befestigungsmöglichkeit an ein Gehäuse zu liefern. Dadurch können die Anschlußdrähte 12 entlastet werden. Darüber hinaus kann das Gehäuse angepaßt sein, um einen Einbau des Sensorelements in eine Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. Das erfindungsgemäße Sensorelement kann dabei vorzugsweise stromabwärts von einem Rußpartikelfilter des Kraftfahrzeugs angebracht werden, um die Funktionsfähigkeit des Rußpartikelfilters überprüfen zu können.

Wie in 5 ferner schematisch gezeigt ist, sind die Anschlußdrähte 12 mit einer Steuerschaltung 20 verbunden. Die Steuerschaltung 20 umfaßt eine Einrichtung 22 zum Zuführen von Energie zu dem Platinwiderstand 4, um dadurch das Sensorelement zu erwärmen. Die Steuerschaltung 20 umfaßt ferner eine Einrichtung 24 zum Erfassen der Temperatur des Sensorelements durch Messen des Widerstands des Platinwiderstands 4. Ferner umfaßt die Steuereinheit 20 eine Auswertungseinrichtung 26 zum Ermitteln der Partikelkonzentration in einem Gasstrom aus der dem Platinwiderstand zugeführten Energie und der erfaßten Temperatur des Sensorelements.

Das durch die Steuereinheit 20 ausgeführte und dem erfindungsgemäßen Sensorelement zugrundeliegende Meßprinzip wird im folgenden erläutert. Die Einrichtung 22 ist bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung aufgebaut, um dem Platinwiderstand, der als temperatursensitives Heizelement dient, mit einem definierten Stromimpuls zu beaufschlagen, um das Sensorelement zu erwärmen. Der Stromimpuls erwärmt das Sensorelement auf eine Temperatur, die geringer ist als die Temperatur, bei der angelagerte Rußpartikel abgebrannt werden. Die aus dem Stromimpuls resultierende Erwärmung des Sensorelements ist abhängig von seiner thermischen Masse, die sich wiederum durch eine zunehmende Rußbeladung erhöht. Die resultierende Erwärmung wird erfaßt, indem die Einrichtung 24 den Widerstandswert des Platindünnfilmwiderstands 4 mißt, der von der Temperatur desselben, und damit von der Temperatur des Sensorelements, abhängt. In der Auswertungseinrichtung 26 kann dann auf der Grundlage der erfaßten Temperatur und einer gespeicherten Temperatur, auf die sich der Sensor bei dem gleichen Stromimpuls erwärmt, wenn keine Partikel angelagert sind, auf die durch angelagerte Partikel, insbesondere Rußpartikel, bedingte Änderung der thermischen Masse geschlossen werden. Diese Änderung der thermischen Masse stellt ein Maß für die in dem Gasstrom vorliegende Partikelkonzentration dar.

Durch eine gezielte, länger andauernde Bestromung kann das erfindungsgemäße Sensorelement beispielsweise nach einem Wechsel des vorgeschalteten Partikelfilters oder nach einer erfolgten Regeneration des Partikelfilters in seinen Ausgangszustand bezüglich seiner thermischen Masse versetzt werden, indem die Temperatur des Heizelements und somit des Sensorelements über die notwendige Temperatur aufgeheizt wird, bei der die Rußpartikel zu verbrennen beginnen.

Alternativ zu der oben beschriebenen Vorgehensweise, bei der das temperatursensitive Heizelement 4 mit einem definierten Stromimpuls beaufschlagt wird, ist es auch möglich, das temperatursensitive Heizelement 4 auf eine vorbestimmte Temperatur, die durch die Widerstandserfassungseinrichtung 24 erfaßt wird, aufzuheizen und die Energie zu ermitteln, die notwendig ist, um diese Erwärmung auf die vorbestimmte Temperatur zu erreichen. Die benötigte Energie hängt wiederum von der thermischen Masse des Sensorelements ab und ist um so höher, je mehr Rußpartikel an dem Sensorelement angelagert sind. Somit ist in diesem Fall die erforderliche Energie ein Maß für eine in einem Gasstrom enthaltene Partikelkonzentration.

Um eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit des beschriebenen Sensorelements erreichen zu können, könnte, wie in der DE 10020539 A1 , ein System vorgesehen sein, um eine Anziehung der Rußpartikel zu dem Sensorelement zu bewirken.

Das Ableiten einer in dem Gasstrom vorliegenden Partikelkonzentration erfolgt somit erfindungsgemäß jeweils durch den Vergleich der erfaßten thermischen Masse bei angelagerten Rußpartikeln mit der thermischen Masse ohne angelagerte Rußpartikel. Diese thermische Masse ohne angelagerte Rußpartikel (in der Form einer entsprechenden Temperatur bzw. einer entsprechenden Energie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen) ist vorzugsweise in der Auswertungseinrichtung 26 abgelegt, um durch einen Vergleich mit den jeweiligen Meßwerten eine Änderung der thermischen Masse, die eine Anlagerung von Rußpartikeln anzeigt, erfassen zu können.

Claims

Sensorelement mit folgenden Merkmalen: einem Sensorkörper (1, 2) mit einer Sensoroberfläche (3; 3a; 3b), die eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die eine Anlagerung von Rußpartikeln ermöglicht; und nur einer Widerstandsstruktur (4) zum Erwärmen des Sensorkörpers und zum Erfassen einer Temperatur des Sensorkörpers.
Sensorelement nach Anspruch 1, bei dem die Widerstandsstruktur (4) ein Platinmeßwiderstand in Dünnschichttechnik ist.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sensoroberfläche (3; 3a; 3b) eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die im Bereich der Größe der Rußpartikel, die an der Sensoroberfläche anlagern sollen, liegt.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Sensoroberfläche (3; 3a; 3b) eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die eine Anlagerung von Verbrennungspartikeln aus Brennkraftmaschinen ermöglicht.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Sensoroberfläche die Oberfläche einer Glasschicht, einer Keramikschicht oder einer Glaskeramikschicht mit modifizierter Oberflächenrauhigkeit ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Sensorkörper ein Trägersubstrat (1), auf das die Widerstandsstruktur (4) aufgebracht ist, und eine Passivierungsschicht (2), die die Widerstandsstruktur bedeckt, aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 6, bei dem die Sensoroberfläche durch eine Oberfläche der Passivierungsschicht, die in ihrer Oberflächenrauhigkeit teilweise oder ganzflächig modifiziert ist, gebildet ist.
Sensorelement nach Anspruch 6, bei dem die Sensoroberfläche durch eine auf der Passivierungsschicht gebildete zusätzliche Schicht gebildet ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Trägersubstrat in einer der Widerstandsstruktur gegenüberliegenden Oberfläche einen oder mehrere ausgenommene Bereiche aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Sensorkörpers (1, 2) mit nur einer Widerstandsstruktur (4) zum Erwärmen des Sensorkörpers und zum Erfassen einer Temperatur des Sensorkörpers; und Erzeugen einer Sensoroberfläche (3; 3a; 3b) durch Versehen einer Oberfläche des Sensorkörpers mit einer Oberflächenrauhigkeit, die eine Anlagerung von Rußpartikeln ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Sensoroberfläche (3; 3a; 3b) durch zumindest eine Oberflächenmodifikation aus der folgenden Gruppe erzeugt wird: Aufbringen zusätzlicher Schichten, mechanische Oberflächenmodifikation, chemische Oberflächenmodifikation, Oberflächenmodifikation per Siebdruck, PVD, CVD, Sol-Gel-Beschichtung, Laserbestrahlung, thermische Behandlung und Kristallisationsprozesse.
Verfahren zur Erfassung von Partikeln mit folgenden Schritten: Plazieren einer Sensoroberfläche (3; 3a; 3b) eines Sensorkörpers (1, 2), die eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die eine Anlagerung von Partikeln ermöglicht, in einem Gasstrom, so daß, falls vorhanden, Partikel in dem Gasstrom an der Sensoroberfläche anlagern; Erfassen der thermischen Masse des Sensorkörpers und möglicher an demselben angelagerter Partikel unter Erwärmung des Sensorkörpers auf eine Temperatur, die geringer ist als eine Verbrennungstemperatur der Partikel; und Ableiten einer in dem Gasstrom vorliegenden Partikelkonzentration aus der erfaßten thermischen Masse.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Erfassens der thermischen Masse einen Schritt des Erwärmens des Sensorkörpers (1, 2) mit einer vorbestimmten Energie und einen Schritt des Erfassens der Temperatur des Sensorkörpers nach dem Erwärmen mit der vorbestimmten Energie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Erfassens der thermischen Masse einen Schritt des Erwärmens des Sensorkörpers auf eine vorbestimmte Temperatur und einen Schritt des Erfassens der dazu notwendigen Energie aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, das ferner einen Schritt des Rücksetzens des Sensorelements durch Erwärmen desselben auf eine Temperatur, die größer als die Verbrennungstemperatur von an der Sensoroberfläche (3; 3a; 3b) angelagerter Partikel ist.