WO2008006640A1 - Sensorelement für einen partikelsensor - Google Patents

Sensorelement für einen partikelsensor Download PDF

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Benjamin Gaertner
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    • G01N1/2247—Sampling from a flowing stream of gas
    • G01N1/2252—Sampling from a flowing stream of gas in a vehicle exhaust

Definitions

  • the invention is based on a sensor element for a particle sensor for the detection of particles contained in a gas stream, in particular of soot particles in the exhaust gas of an internal combustion engine, according to the preamble of claim 1.
  • a known particle sensor of this type (WO 03/006976 A2) is provided as so-called.
  • Soot sensor for installation in the exhaust system of an internal combustion engine and is preferably used in diesel internal combustion engines and there downstream of a soot filter in the exhaust system.
  • the particle sensor comprises a sensor element with a carrier of a highly insulating material, e.g. from a ceramic made of alumina
  • a measuring surface constructed as a resistance measuring structure is printed from two interdigital comb electrodes. Depending on one of the meshing with their comb teeth comb electrodes is connected via a conductor to a terminal for connection to a measuring and control unit. During operation, the measuring surface is directly exposed to the gas or exhaust gas flow. If the electrically conductive particles entrained in the gas or exhaust gas, such as soot particles, are deposited on the measuring surface, the resistance measured between the comb electrodes changes. From the change over time of the resistance, the particle concentration in the gas or the soot particle concentration in the exhaust gas is determined in the measuring and control unit. For regeneration of the sensor element, the accumulated particles are burned from time to time by means of the heating element.
  • the sensor element according to the invention for a particle sensor for the detection of particles contained in a gas stream has the advantage that the measuring surface exposed on the surface of the carrier during handling of the sensor element, starting from its sintering until final installation in the particle sensor, through the protective frame is largely protected against mechanical damage of all kinds.
  • the protective frame surrounding the measuring surface is mechanically and thermally very stable and firmly connected to the carrier and prevents manufacturing or assembly tools can reach the measuring surface and cause scratches or scoring there. Even when storing the sensor element, the protective frame ensures that no damage to the measuring surface occur during storage or retrieval in or out of the storage magazine.
  • the protective frame is applied directly to the carrier.
  • Carrier and protective frame consist of ceramic material, preferably aluminum oxide, and are integrally connected to one another by sintering the sensor element.
  • the protective frame is preferably printed in the green state of the ceramic support on these in the screen printing process. The printing takes place in the same printing step as the printing of a cover layer via conductor tracks on the surface of the ceramic support duri fenden connecting the measuring surface with terminal contacts.
  • the covering layer covers the entire area of the surface of the carrier in which the conductor tracks extend.
  • FIG. 1 shows a plan view of a sensor element for a particle sensor
  • FIG. 2 shows a side view of the sensor element in FIG. 1.
  • the sensor element of a particle sensor shown in FIG. 1 in plan view and in FIG. 2 for detecting particles contained in a gas flow preferably a so-called soot sensor for detecting soot particles and for determining the soot concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine, in particular one Diesel internal combustion engine, has a plate-like carrier 11 made of a highly insulating material, in the embodiment of a ceramic material such as alumina (Al 2 O 3 ), and arranged on the surface 111 of the carrier 11 structured measuring surface 12 of platinum, which is printed on the support 11 is.
  • the measuring surface 12 is open on the support 11, so it is uncovered and exposed directly to the gas flow during operation.
  • the structured measuring surface 12 consists of two so-called.
  • Interdigital electrodes which are comb electrodes 13, 14 which are arranged on the carrier 11 so that they mesh with each other with their comb teeth spaced apart.
  • Each comb electrode 13 or 14 is connected via a running on the surface 111 of the carrier 11 trace 15 and 16 with a terminal contact 17 and 18 respectively.
  • the sensor element is connected to a measuring and control unit.
  • the surface area of the carrier 11 between the two connection contacts 17, 18 on the one hand and the measuring surface 12 on the other hand is coated with a covering layer 19 of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), so that the conductor tracks 15, 16 are completely covered.
  • the measuring surface 12 is surrounded by a protective frame 20 made of ceramic material, which is applied directly to the carrier 11.
  • a ceramic material in turn alumina (Al 2 O 3 ) is used.
  • the application of the protective frame 20 is carried out by screen printing on the present in the green state carrier 11, ie prior to sintering of the provided with the measuring surface 12 carrier 11.
  • an alumina paste is printed on the carrier 11, in the manufacture of the protective frame 20 same printing step in which the cover layer 19 is printed on the surface area between the terminal contacts 17, 18 and the measuring surface 12.
  • cover layer 19 and protective frame 20 are integrally connected to each other, wherein the protective frame 20 attaches to the cover 19 and along three edges of the support 11 extends.
  • the protective frame 20 is arranged so that it is retained during the subsequent edge grinding of the sintered sensor element. Preferably, by the edge grinding, the protective frame 20 is flush with the edges of the carrier 11.
  • the thickness of the protective mens 20, ie the order of the protective frame 20 on the surface 111 of the carrier 11 is at least equal to the thickness of the measuring surface 2 dimensioned, preferably equal to the thickness of the coated on the support 11 cover layer 19, so that there is a flat top of the sensor element.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement für einen Partikelsensor zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine angegeben, das einen Träger (11) und eine auf der Oberfläche (111) des Trägers (11) angeordnete, dem Gasstrom aussetzbare Messfläche (12) aufweist. Um die Messfläche (12) beim Verbau und der Lagerung des Sensorelements vor mechanischen Beschädigungen zu schützen, ist die Messfläche (12) von einem Schutzrahmen (20) umgeben, der aus keramischem Material besteht und auf den Träger (11) aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt, und zusammen mit diesem gesintert ist.

Description

Beschreibung
Titel
Sensorelement für einen Partikelsensor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement für einen Partikelsensor zur Detekti- on von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekannter Partikelsensor dieser Art (WO 03/006976 A2) ist als sog. Rußsensor zum Einbau in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine vorgesehen und wird bevorzugt bei Dieselverbrennungsmotoren eingesetzt und dort im Abgasstrang einem Rußfilter nachgeordnet. Der Partikelsensor weist ein Sensorelement mit einem Träger aus einem hochisolierenden Werkstoff, z.B. aus einer Keramik aus Aluminiumoxid
(AI2O3), und einem in dem Träger integrierten Heizelement zum Abbrennen von auf der Oberfläche des Sensorelements sich absetzenden Partikeln, wie Rußpartikeln, auf. Auf der Oberfläche des Trägers ist eine als Widerstandsmessstruktur ausgebildete Messfläche aus zwei interdigitalen Kammelektroden aufgedruckt. Je eine der mit ihren Kammzähnen ineinandergreifenden Kammelektroden ist über eine Leiterbahn mit einem Anschlusskontakt zum Anschließen an eine Mess- und Steuereinheit verbunden. Im Betrieb ist die Messfläche dem Gas- bzw. Abgasstrom unmittelbar ausgesetzt. Lagern sich die im Gas oder Abgas mitgeführten, elektrisch leitenden Partikel, wie sie Rußpartikel darstellen, auf der Messfläche ab, so ändert sich der zwischen den Kammelektroden gemessene Widerstand. Aus der zeitlichen Änderung des Widerstands wird in der Mess- und Steuereinheit die Partikel konzentration im Gas bzw. die Rußpartikelkonzentration im Abgas bestimmt. Zur Regenerierung des Sensorelements werden die angelagerten Partikel von Zeit zu Zeit mittels des Heizelements abgebrannt.
Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Sensorelement für einen Partikelsensor zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln hat den Vorteil, dass die auf der Oberfläche des Trägers offen liegende Messfläche bei der Handhabung des Sensorelements, ausge- hend von dessen Sintern bis zum endgültigen Verbau im Partikelsensor, durch den Schutzrahmen gegen mechanische Beschädigungen aller Art weitgehend geschützt ist. Der die Messfläche umschließende Schutzrahmen ist mechanisch und thermisch sehr stabil und fest mit dem Träger verbunden und verhindert, dass Fertigungs- oder Montagewerkzeuge an die Messfläche gelangen und dort Kratzer oder Riefen hervorrufen können. Auch beim Lagern des Sensorelements sorgt der Schutzrahmen dafür, dass bei der Ein- oder Auslagerung in das oder aus dem Lagermagazin keine Schäden an der Messfläche auftreten.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Wei- terbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Sensorelements möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Schutzrahmen unmittelbar auf den Träger aufgebracht. Träger und Schutzrahmen bestehen aus kerami- schem Material, vorzugsweise Aluminiumoxid, und sind durch Sintern des Sensorelements einstückig miteinander fest verbunden. Dabei wird bevorzugt der Schutzrahmen im Grünzustand des keramischen Trägers auf diesen im Siebdruckverfahren aufgedruckt. Das Aufdrucken erfolgt im gleichen Druckschritt wie das Aufdrucken einer Abdeckschicht über Leiterbahnen auf der Oberfläche des keramischen Trägers verlau- fenden die die Messfläche mit Anschlusskontakten verbinden. Die Abdeckschicht ü- berdeckt dabei den gesamten Bereich der Oberfläche des Trägers, in welchem sich die Leiterbahnen erstrecken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Sensorelements für einen Partikelsensor, Fig. 2 eine Seitenansicht des Sensorelements in Fig. 1. Ausführungsformen der Erfindung
Das in Fig. 1 in Draufsicht und in Fig. 2 in Seitenansicht dargestellte Sensorelement eines Partikelsensors zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln, vor- zugsweise ein sog. Rußsensor zur Detektion von Rußpartikeln und zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselverbrennungsmotors, weist einen plattenartigen Träger 11 aus einem hochisolierenden Werkstoff, im Ausführungsbeispiel aus einem keramischen Werkstoff wie Aluminiumoxid (AI2O3), und eine auf der Oberfläche 111 des Trägers 11 angeordnete strukturierte Messfläche 12 aus Platin auf, die auf den Träger 11 aufgedruckt ist. Die Messfläche 12 liegt auf dem Träger 11 offen, ist also unbedeckt und im Betrieb unmittelbar dem Gasstrom ausgesetzt. Die strukturierte Messfläche 12 besteht aus zwei sog. interdigitalen Elektroden, das sind Kammelektroden 13, 14, die auf dem Träger 11 so angeordnet sind, dass sie mit ihren Kammzähnen voneinander beabstandet ineinandergreifen. Jede Kammelektrode 13 bzw. 14 ist über eine auf der Oberfläche 111 des Trägers 11 verlaufende Leiterbahn 15 bzw. 16 mit einem Anschlusskontakt 17 bzw. 18 verbunden. Mittels der Anschlusskontakte 17, 18 wird das Sensorelement an eine Mess- und Steuereinheit angeschlossen. Der Oberflächenbereich des Trägers 11 zwischen den beiden Anschlusskontakten 17, 18 einerseits und der Messfläche 12 andererseits ist mit einer Abdeckschicht 19 aus Aluminiumoxid (AI2O3) überzogen, so dass die Leiterbahnen 15, 16 vollständig abgedeckt sind.
Die Messfläche 12 ist von einem Schutzrahmen 20 aus keramischem Werkstoff umgeben, der unmittelbar auf den Träger 11 aufgebracht ist. Als keramischer Werkstoff wird wiederum Aluminiumoxid (AI2O3) verwendet. Das Aufbringen des Schutzrahmens 20 erfolgt im Siebdruckverfahren auf den im Grünzustand sich befindlichen Träger 11, also vor dem Sintern des mit der Messfläche 12 versehenen Trägers 11. Dabei wird zur Herstellung des Schutzrahmens 20 eine Aluminiumoxid-Paste auf den Träger 11 aufgedruckt, und zwar im gleichen Druckschritt, in dem auch die Abdeckschicht 19 auf den Oberflächenbereich zwischen den Anschlusskontakten 17, 18 und der Messfläche 12 aufgedruckt wird. Auf diese Weise sind Abdeckschicht 19 und Schutzrahmen 20 einstückig miteinander verbunden, wobei der Schutzrahmen 20 an der Abdeckschicht 19 ansetzt und längs dreier Kanten des Trägers 11 verläuft. Der Schutzrahmen 20 ist dabei so angeordnet, dass er beim anschließenden Kantenschleifen des gesinterten Sensorelements erhalten bleibt. Vorzugsweise ist durch das Kantenschleifen der Schutzrahmen 20 bündig mit den Kanten des Trägers 11. Die Dicke des Schutzrah- mens 20, d.h. der Auftrag des Schutzrahmens 20 auf der Oberfläche 111 des Trägers 11, ist mindestens gleich der Dicke der Messflächel2 bemessen, vorzugsweise gleich der Dicke der auf den Träger 11 aufgetragenen Abdeckschicht 19, so dass sich eine plane Oberseite des Sensorelements ergibt.
Durch den die Messfläche 12 umgebenden Schutzrahmen 20 sind, ungeachtet einer häufigen Handhabung des Sensorelements beim Sintern, Lagern und Verbauen, auf den Kammelektroden 13, 14 nachweislich deutlich weniger Beschädigungen, wie Kratzspuren und dgl., vorhanden, als bei Sensorelementen ohne den Schutzrahmen 20.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement für einen Partikelsensor zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem Träger (11) und einer auf der Oberfläche (111) des Trägers (11) angeordneten, dem Gasstrom aussetzbaren Messfläche (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (12) von einem Schutzrahmen (20) umgeben ist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzrahmen (20) auf den Träger (11) aufgebracht ist.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzrahmen (20) aus keramischem Material, vorzugsweise aus Aluminiumoxid (AI2O3) besteht.
4. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (11) aus einer Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid (AI2O3), gefertigt ist und der Schutzrahmen (20) als Paste, vorzugsweise als Aluminiumoxid- Paste, auf die O- berfläche (111) des im Grünzustand sich befindlichen Trägers (11) mittels Siebdruck aufgedruckt und der bedruckte Träger (11) gesintert ist.
5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftraghöhe des Schutzrahmens (20) auf der Oberfläche (111) des Trägers (11) mindestens gleich der Auftraghöhe der Messfläche (12) bemessen ist.
6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (12) mit zwei auf der Oberfläche (111) des Trägers (11) zu Anschlusskontakten (17, 18) sich erstreckenden Leiterbahnen (15, 16) verbunden ist, dass die Oberfläche (111) des Trägers (11) im Erstreckungsbereich der Leiterbahnen (15, 16) mit einer die Leiterbahnen (15, 16) überdeckenden Abdeckschicht (19) versehen ist und dass der Schutzrahmen (20) an der Abdeckschicht (19), Vorzugs- weise einstückig, seitlich ansetzt und um die Messfläche (12) längs dreier Kanten des Trägers (11) verläuft.
7. Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzrahmen (20) mit den Kanten des Trägers (11) bündig ist.
8. Sensorelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (19) aus keramischem Material, vorzugsweise aus Aluminiumoxid (AI2O3), besteht und in Pastenform mit dem Schutzrahmen (20) im gleichen Druck- schritt auf den Träger (11) aufgedruckt ist.
9. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (12) aus Platin hergestellt ist.
10. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (12) zwei Kammelektroden (13, 14) aufweist, die mit ihren Kammzähnen ineinandergreifen.
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