DE102006002111A1

DE102006002111A1 - Sensor element for gas sensors for determining concentration of particles in gas mixtures has heating element, which is placed inside sensor element in spatial manner between measuring arrangement and temperature measuring element

Info

Publication number: DE102006002111A1
Application number: DE102006002111A
Authority: DE
Inventors: Sabine Rösch; Thorsten Ochs; Bernhard Kamp; Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2006-08-03

Abstract

The sensor element (10) has at least one measuring arrangement that is exposed to gas to be identified. A heating element (40) and a temperature measuring element (30) are integrated in the sensor element. The heating element is placed inside the sensor element in a spatial manner between measuring arrangement and temperature measuring element. Independent claims are also included for the following: (A) Method for operating sensor element; and (B) Use of sensor element.

Description

Die Erfindung geht von einem Sensorelement und einem Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen sowie deren Verwendung gemäß der im Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche definierten Art aus.The The invention is based on a sensor element and a method for determination the concentration of particles in gas mixtures and their use according to the Generic term of the independent claims defined type.

Im Zuge einer sich verschärfenden Umweltgesetzgebung erlangen zunehmend Abgasnachbehandlungssysteme Bedeutung, die die Filtration bzw. Eliminierung von in Verbrennungsabgasen existierenden Rußpartikeln ermöglichen. Um die Funktionstüchtigkeit derartiger Abgasnachbehandlungssysteme zu überprüfen bzw. zu überwachen, werden Sensoren benötigt, mit denen auch im Langzeitbetrieb eine genaue Ermittlung der aktuell im Verbrennungsabgas vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise eines in einem Abgassystem vorgesehenen Dieselpartikelfiltern ermöglicht werden, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere Filtermaterialien einsetzen zu können.in the Course of a tightening Environmental legislation is increasingly gaining exhaust aftertreatment systems Meaning, the filtration or elimination of in combustion gases existing soot particles enable. To the functionality such exhaust aftertreatment systems to check or monitor, sensors are needed with which even in long-term operation an accurate determination of the current be made possible in the combustion exhaust gas particle concentration can. About that In addition, by means of such sensors, a loading forecast, for example a diesel particulate filters provided in an exhaust system are enabled, to achieve a high system security and thus more cost-effective To be able to use filter materials.

Aus der US 6,634,210 B1 ist ein Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Fluidstrom bekannt, der auf der Basis eines keramischen Mehrlagensubstrats ausgeführt ist. Er umfasst zwei voneinander beabstandete Messelektroden, die dem zu untersuchenden Verbrennungsabgas ausgesetzt sind. Lagert sich zwischen den beiden Messelektroden Ruß ab, so kommt es beim Anlegen einer Spannung an die Messelektroden zu einem Stromfluss zwischen den Messelektroden. Ein schichtförmig ausgeführtes Heizelement ermöglicht es, die Elektroden bzw. deren Umgebung auf thermischem Wege von abgelagerten Rußpartikeln zu befreien. Der Sensor umfasst weiterhin ein Temperaturmesselement, mit dem die Temperatur des Sensors detektiert werden kann. Das Temperaturmesselement befindet sich innerhalb des Schichtverbundes des Sensors zwischen dem Heizelement und den Messelektroden. Nachteilig an diesem Aufbau des Sensors ist, dass die über das Temperaturmesselement ermittelte Temperatur nicht derjenigen Temperatur entspricht, die im Bereich der Messelektroden herrscht.From the US 6,634,210 B1 For example, a sensor for detecting substances in a fluid flow is known, which is designed on the basis of a ceramic multilayer substrate. It comprises two spaced-apart measuring electrodes, which are exposed to the combustion exhaust gas to be examined. If soot is deposited between the two measuring electrodes, a current flow between the measuring electrodes occurs when a voltage is applied to the measuring electrodes. A layered heating element makes it possible to free the electrodes or their surroundings by thermal means from deposited soot particles. The sensor further comprises a temperature measuring element with which the temperature of the sensor can be detected. The temperature measuring element is located within the composite layer of the sensor between the heating element and the measuring electrodes. A disadvantage of this design of the sensor is that the temperature determined via the temperature measuring element does not correspond to the temperature which prevails in the region of the measuring electrodes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement für Sensoren und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen bereitzustellen, das eine genaue Temperaturregelung gestattet und dennoch kostengünstig ausgeführt werden kann.task The present invention is a sensor element for sensors and a method for determining the concentration of particles in gas mixtures that provide accurate temperature control allowed and yet inexpensive accomplished can be.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das Sensorelement bzw. das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in vorteilhafter Weise gelöst wird. Dies beruht insbesondere auf dem einfachen Aufbau des Sensorelements und darauf, dass das Heizelement innerhalb des Sensorelements räumlich zwischen einer Messanordnung und einem Temperaturmesselement des Sensorelements angeordnet ist. Dabei ist insbesondere eine symmetrische Anordnung des Temperaturmesseiements bzw. der Messelektroden bezüglich der Lage des Heizelements innerhalb des Sensorelements bzw. bezüglich der Großflächen des Sensorelements vorgesehen.The Sensor element or the method with the characterizing features which has independent claims the advantage that the problem underlying the invention in solved in an advantageous manner. This is based in particular on the simple structure of the sensor element and that the heating element is spatially interposed within the sensor element a measuring arrangement and a temperature measuring element of the sensor element is arranged. In this case, in particular, a symmetrical arrangement of the temperature measuring element or measuring electrodes with respect to Position of the heating element within the sensor element or with respect to the large areas of the Sensor element provided.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des vorliegenden Sensorelements bzw. Verfahrens zum Betrieb desselben ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments the present sensor element or method for operating the same emerge from the dependent claims.

So ist es von Vorteil, wenn die Messelektroden vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgeführt sind, da auf diese Weise der elektrische Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit großer Oberflächenbereiche unter definierten Bedingungen bestimmt werden kann und somit die Empfindlichkeit und die Güte der Messsignale deutlich verbessert wird.So it is advantageous if the measuring electrodes are preferably in one another toothed interdigital electrodes are executed, since in this way the electrical resistance or the electrical conductivity greater surface areas can be determined under defined conditions and thus the sensitivity and the goodness the measurement signals is significantly improved.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Auswertevorrichtung vorgesehen, die eine Veränderung des zwischen den Messelektroden anliegenden Stromflusses ermittelt und dies als Maß für die Partikelkonzentration ausgibt.In a particularly advantageous embodiment of the present invention Invention, an evaluation device is provided, which is a change of determined between the measuring electrodes adjacent current flow and this as a measure of the particle concentration outputs.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Messelektroden des Sensorelements in der selben Schichtebene angeordnet sind wie das Heizelement und/oder das Temperaturmesselement, da dadurch der Aufbau des Sensorelements deutlich vereinfacht werden kann.Farther is advantageous if the measuring electrodes of the sensor element in the the same layer plane are arranged as the heating element and / or the Temperature measuring element, since thereby the structure of the sensor element can be significantly simplified.

Das Sensorelement bzw. das Verfahren zum Betrieb desselben ist in vorteilhafter Weise geeignet zur Überwachung der Betriebsweise eines Dieselmotors bzw. zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit oder des Beladungszustands eines Partikelfilters.The Sensor element or the method for operating the same is more advantageous Way suitable for monitoring the operation of a diesel engine or to check the functionality or the loading state of a particulate filter.

Zeichnungdrawing

Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensorelements sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt 1 ein Sensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung und 2 ein Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Aufsicht.Two embodiments of the sensor element according to the invention are shown schematically simplified in the drawing and are explained in more detail in the following description. It shows 1 a sensor element according to a first embodiment in an exploded view and 2 a sensor element according to a second embodiment in a plan view.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit 10 ist ein keramisches Sensorelement bezeichnet, das der Bestimmung einer Partikelkonzentration, wie beispielsweise der Rußkonzentration, in einem das Sensorelement umgebenden Gasgemisch dient. Das Sensorelement 10 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten 11a, 11b und 11c. Die Festelektrolytschichten 11a und 11c werden dabei als keramische Folien ausgeführt und bilden einen planaren keramischen Körper. Sie bestehen aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y₂O₃ stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO₂.In 1 a basic structure of an embodiment of the present invention is shown. With 10 a ceramic sensor element is designated which serves to determine a particle concentration, such as, for example, the soot concentration, in a gas mixture surrounding the sensor element. The sensor element 10 For example, it includes a plurality of oxygen ion conductive solid electrolyte layers 11a . 11b and 11c , The solid electrolyte layers 11a and 11c are carried out as ceramic films and form a planar ceramic body. They consist of an oxygen ion-conducting solid electrolyte material, such as ZrO ₂ stabilized or partially stabilized with Y ₂ O ₃ .

Die Festelektrolytschicht 11b wird dagegen mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf der Festelektrolytschicht 11a erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei bevorzugt dasselbe Festelektrolytmaterial verwendet, aus dem auch die Festelektrolytschichten 11a, 11c bestehen.The solid electrolyte layer 11b in contrast, by means of screen printing of a pasty ceramic material, for example on the solid electrolyte layer 11a generated. As a ceramic component of the pasty material preferably the same solid electrolyte material is used, from which also the solid electrolyte layers 11a . 11c consist.

Weiterhin weist das Sensorelement beispielsweise eine Vielzahl von elektrisch isolierenden keramischen Schichten 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f auf. Die Schichten 12a – 12f werden dabei ebenfalls mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf den Festelektrolytschichten 11a, 11b, 11c erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei beispielsweise bariumhaltiges Aluminiumoxid verwendet, da dieses auch bei Temperaturwechselbeanspruchungen über einen langen Zeitraum einen weitgehend konstant hohen elektrischen Widerstand aufweist. Alternativ ist auch die Verwendung von Cerdioxid bzw. der Zusatz anderer Erdalkalioxide möglich.Furthermore, the sensor element, for example, a plurality of electrically insulating ceramic layers 12a . 12b . 12c . 12d . 12e and 12f on. The layers 12a - 12f are also by screen printing of a pasty ceramic material, for example, on the solid electrolyte layers 11a . 11b . 11c generated. As a ceramic component of the pasty material, for example, barium-containing aluminum oxide is used, since this has a largely constant high electrical resistance even with thermal cycling over a long period of time. Alternatively, the use of ceria or the addition of other alkaline earth oxides is possible.

Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit der Festelektrolytschicht 11b und mit Funktionsschichten sowie den Schichten 12a – 12f bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.The integrated shape of the planar ceramic body of the sensor element 10 is laminated by laminating with the solid electrolyte layer 11b and with functional layers as well as the layers 12a - 12f printed ceramic films and subsequent sintering of the laminated structure in a conventional manner.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin ein keramisches Heizelement 40 auf, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist und der Aufheizung des Sensorelementes 10 insbesondere auf die Temperatur des zu bestimmenden Gasgemischs bzw. zum Abbrand der auf den Großflächen des Sensorelements 10 abgelagerten Rußpartikel dient. Die Widerstandsleiterbahn ist vorzugsweise aus einem Cermet-Material ausgeführt; vorzugsweise als Mischung von Platin oder einem Platinmetall mit keramischen Anteilen, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Die Widerstandsleiterbahn ist weiterhin vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgebildet und weist an beiden Enden Durchkontaktierungen 42, 44 sowie elektrische Anschlüsse 46, 48 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung an die Anschlüsse 46, 48 der Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelementes 40 entsprechend reguliert werden.The sensor element 10 also has a ceramic heating element 40 on, which is designed in the form of an electrical resistance track and the heating of the sensor element 10 in particular to the temperature of the gas mixture to be determined or to burn off the on the large surfaces of the sensor element 10 Deposited soot particles serves. The resistor track is preferably made of a cermet material; preferably as a mixture of platinum or a platinum metal with ceramic portions, such as alumina. The resistance conductor track is furthermore preferably designed in the form of a meander and has plated-through holes at both ends 42 . 44 as well as electrical connections 46 . 48 on. By applying an appropriate heating voltage to the terminals 46 . 48 The resistance track can control the heating power of the heating element 40 be regulated accordingly.

Auf einer Großfläche des Sensorelements 10 sind beispielsweise zwei Messelektroden 14, 16 aufgebracht, die vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sind. Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden 14, 16 ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 14, 16 befindenden Oberflächenmaterials. Zur Kontaktierung der Messelektroden 14, 16 sind im Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Ende des Sensorelements Kontaktflächen 18, 20 vorgesehen. Dabei sind die Zuleitungsbereiche der Elektroden 14, 16 vorzugsweise durch eine weitere, elektrisch isolierende, keramische Schicht 12f gegenüber den Einflüssen eines das Sensorelement 10 umgebenden Gasgemischs abgeschirmt.On a large surface of the sensor element 10 are for example two measuring electrodes 14 . 16 applied, which are preferably formed as interdigitated interdigital electrodes. The use of interdigital electrodes as measuring electrodes 14 . 16 advantageously allows a particularly accurate determination of the electrical resistance or the electrical conductivity of the between the measuring electrodes 14 . 16 surface material. For contacting the measuring electrodes 14 . 16 are in the region of a gas mixture facing away from the end of the sensor element contact surfaces 18 . 20 intended. Here are the supply areas of the electrodes 14 . 16 preferably by a further, electrically insulating, ceramic layer 12f against the influences of the sensor element 10 shielded surrounding gas mixture.

Auf der mit den Messelektroden 14, 16 versehenen Großfläche des Sensorelements 10 kann zusätzlich eine aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte poröse Schicht vorgesehen sein, die die Messelektroden 14, 16 in ihrem ineinander verzahnten Bereich gegenüber einem direkten Kontakt mit dem zu bestimmenden Gasgemisch abschirmt. Dabei ist die Schichtdicke der porösen Schicht vorzugsweise größer als die Schichtdicke der Messelektroden 14, 16. Die poröse Schicht ist vorzugsweise offenporös ausgeführt, wobei die Porengröße so gewählt wird, dass die zu bestimmenden Partikel im Gasgemisch in die Poren der porösen Schicht eindiffundieren können. Die Porengröße der porösen Schicht liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 10 μm. Die poröse Schicht ist aus einem keramischen Material ausgeführt, das vorzugsweise dem Material der Schicht 12a ähnlich ist oder diesem entspricht und kann mittels Siebdruck hergestellt werden. Die Porosität der porösen Schicht kann durch Zusatz von Porenbildnern zu der Siebdruckpaste entsprechend eingestellt werden.On the with the measuring electrodes 14 . 16 provided large area of the sensor element 10 In addition, a porous layer, not shown for reasons of clarity may be provided, which the measuring electrodes 14 . 16 shielded in their interlocked region against direct contact with the gas mixture to be determined. The layer thickness of the porous layer is preferably greater than the layer thickness of the measuring electrodes 14 . 16 , The porous layer is preferably made open-porous, wherein the pore size is selected so that the particles to be determined in the gas mixture can diffuse into the pores of the porous layer. The pore size of the porous layer is preferably in a range of 2 to 10 microns. The porous layer is made of a ceramic material, preferably the material of the layer 12a is similar or corresponds to this and can be prepared by screen printing. The porosity of the porous layer can be adjusted accordingly by adding pore formers to the screen printing paste.

Während des Betriebs des Sensorelementes 10 wird an die Messelektroden 14, 16 eine Spannung angelegt. Da die Messelektroden 14, 16 auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 12a angeordnet sind, kommt es zunächst im wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16.During operation of the sensor element 10 gets to the measuring electrodes 14 . 16 a voltage applied. Because the measuring electrodes 14 . 16 on the surface of the electrically insulating layer 12a are arranged, it comes first in wesentli no current flow between the measuring electrodes 14 . 16 ,

Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Gasgemisch Partikel, insbesondere Ruß, so lagern sich diese auf der Oberfläche des Sensorelementes 10 ab. Durch die offenporige Struktur der porösen Schicht diffundieren die Partikel durch die poröse Schicht hindurch bis in unmittelbare Nähe der Messelektroden 14, 16. Da Ruß eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Sensorelementes 10 bzw. der porösen Schicht mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.Contains one the sensor element 10 flowing gas mixture particles, in particular soot, so they store on the surface of the sensor element 10 from. Due to the open-pore structure of the porous layer, the particles diffuse through the porous layer into the immediate vicinity of the measuring electrodes 14 . 16 , Since soot has a certain electrical conductivity, it comes with sufficient loading of the surface of the sensor element 10 or the porous layer with soot to an increasing current flow between the measuring electrodes 14 . 16 which correlates with the extent of loading.

Wird nun an die Messelektroden 24, 26 eine vorzugsweise konstante Gleich- oder Wechselspannung angelegt und der zwischen den Messelektroden 24, 26 auftretende Stromfluss ermittelt, so kann aus dem Integral des Stromflusses über der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Mit dieser Messmethode wird die Konzentration all derjenigen Partikel in einem Gasgemisch erfasst, die die elektrische Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 24, 26 befindenden keramischen Materials positiv oder negativ beeinflussen.Will now contact the measuring electrodes 24 . 26 a preferably constant DC or AC voltage applied and that between the measuring electrodes 24 . 26 ascertained current flow, it can be concluded from the integral of the current flow over time on the deposited particle mass or on the current particle mass flow, in particular soot mass flow, and on the particle concentration in the gas mixture. With this measurement method, the concentration of all those particles in a gas mixture is detected, which determines the electrical conductivity of itself between the measuring electrodes 24 . 26 have a positive or negative influence on the ceramic material.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Anstieg des Stromflusses über der Zeit zu ermitteln und aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten aus Stromfluss nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch zu schließen. Eine Berechnung der Partikelkonzentration ist auf der Basis der Messwerte möglich, sofern die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bekannt ist. Diese bzw. der Volumenstrom des Gasgemisches kann bspw. mittels eines geeigneten weiteren Sensors bestimmt werden.A another possibility is to determine the increase in current flow over time and from the quotient of current flow increase and time or from the differential quotient from current flow after the time to the deposited particle mass or to the current particle mass flow, in particular soot mass flow, and to close the particle concentration in the gas mixture. A Calculation of the particle concentration is based on the measured values possible, provided the flow rate the gas mixture is known. This or the volume flow of the gas mixture can be determined, for example, by means of a suitable further sensor.

Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 10 ein Temperaturmesselement 30, das vorzugsweise in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist. Die Widerstandsleiterbahn ist beispielsweise aus einem ähnlichen oder dem selben Material ausgeführt, wie das der Widerstandsleiterbahn des Heizelementes 40. Die Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselementes 30 ist vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgeführt, wobei einer der Anschlüsse der Widerstandsleiterbahn vorzugsweise über den Anschluss 48 auf Masse gelegt ist. Weiterhin weist das Temperaturmesselement 30 einen weiteren elektrischen Anschluss 32 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Anschlüsse 32, 48 der Widerstandsleiterbahn und durch Bestimmen des elektrischen Widerstandes derselben kann auf die Temperatur des Sensorelements geschlossen werden. Alternativ ist eine Temperaturbestimmung mittels Thermoelementen möglich. Eine weitere alternative bzw. zusätzliche Möglichkeit der Tempraturmessung besteht darin, die per se temperaturabhängige Leitfähigkeit des zwischen der Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselements 32 und den Messelektroden 24, 26 angeordneten keramischen Körpers zu bestimmen und aus dessen Höhe auf die Temperatur des Sensorelementes zu schließen.In addition, the sensor element comprises 10 a temperature measuring element 30 , which is preferably designed in the form of an electrical resistance track. The resistance track is made, for example, of a similar or the same material as that of the resistance track of the heating element 40 , The resistance trace of the temperature measuring element 30 is preferably in the form of a meander, wherein one of the terminals of the resistor track preferably via the terminal 48 is grounded. Furthermore, the temperature measuring element 30 another electrical connection 32 on. By applying an appropriate voltage to the terminals 32 . 48 the resistance trace and by determining the electrical resistance thereof can be closed to the temperature of the sensor element. Alternatively, a temperature determination by means of thermocouples is possible. Another alternative or additional possibility of Tempraturmessung is the per se temperature-dependent conductivity of the between the resistance track of the temperature measuring element 32 and the measuring electrodes 24 . 26 to determine arranged ceramic body and close from its height to the temperature of the sensor element.

Der mittels den Messelektroden 14, 16 bestimmte elektrische Widerstand des zwischen den Messelektroden 14, 16 sich befindenden Materials unterliegt einer starken Temperaturabhängigkeit. Insofern ist eine möglichst exakte Bestimmung der im Bereich der Messelektroden 14, 16 auftretenden Sensortemperatur eine wichtige Voraussetzung für den Erhalt verwertbarer Messergebnisse. Da aus räumlichen Gründen jedoch eine Temperaturbestimmung im unmittelbaren Bereich der Messelektroden 14, 16 oft nicht realisierbar ist, werden die Messelektroden 14, 16, das Heizelement 40 und das Temperaturmesselement 30 innerhalb des Sensorelementes 10 räumlich so angeordnet, dass das Heizelement 40 in einer Schichtebene angeordnet ist, die sich zwischen der die Messelektroden 14, 16 enthaltenden Schichtebene und der das Temperaturmesselement 30 enthaltenden Schichtebene befindet. Insbesondere dann, wenn die Messelektroden 14, 16 und das Temperaturmesselement 30 dabei im wesentlichen den gleichen Abstand bezüglich dem Heizelement 40 aufweisen, sind zwar die Messelektroden 14, 16 und das Temperaturmesselement 30 in verschiedenen Bereichen des Sensorelementes 10 angeordnet, durch einen im wesentlichen vergleichbaren Abstand der Messelektroden 14, 16 bzw. des Temperaturelements 30 vom Heizelement 40 kann jedoch unterstellt werden, dass an den Messelektroden 14, 16 eine vergleichbare Temperatur herrscht, wie sie vom Temperaturmesselement 30 erfasst wird. Durch eine räumliche Anordnung des Heizelementes 40 zwischen den Messelektroden 14, 16 und dem Temperaturmesselement 30, insbesondere bei einer symmetrischen bzw. äquidistanten Anordnung des Heizelementes 40 bezüglich der Messelektroden 14, 16 und dem Temperaturmesselement 30, kann durch eine Temperaturbestimmung mit dem Temperaturmesselement 30 wirksam ein Rückschluss auf die Temperatur der Messelektroden 14, 16 gezogen werden. Dies ermöglicht eine effektive Berücksichtigung der aktuellen Temperatur des Sensorelements bei der Bestimmung des elektrischen Widerstandes über die Messelektroden 14, 16.The by means of the measuring electrodes 14 . 16 certain electrical resistance of between the measuring electrodes 14 . 16 material is subject to a strong temperature dependence. In this respect, the most accurate determination possible is that in the area of the measuring electrodes 14 . 16 sensor temperature is an important prerequisite for obtaining usable measurement results. Because of spatial reasons, however, a temperature determination in the immediate area of the measuring electrodes 14 . 16 often can not be realized, the measuring electrodes 14 . 16 , the heating element 40 and the temperature measuring element 30 within the sensor element 10 spatially arranged so that the heating element 40 arranged in a layer plane that extends between the measuring electrodes 14 . 16 containing layer plane and the temperature measuring element 30 layer containing layer is located. In particular, when the measuring electrodes 14 . 16 and the temperature measuring element 30 while substantially the same distance with respect to the heating element 40 have, are indeed the measuring electrodes 14 . 16 and the temperature measuring element 30 in different areas of the sensor element 10 arranged, by a substantially comparable distance of the measuring electrodes 14 . 16 or the temperature element 30 from the heating element 40 however, it can be assumed that at the measuring electrodes 14 . 16 a comparable temperature prevails, as they of the temperature measuring element 30 is detected. By a spatial arrangement of the heating element 40 between the measuring electrodes 14 . 16 and the temperature measuring element 30 , Especially in a symmetrical or equidistant arrangement of the heating element 40 with respect to the measuring electrodes 14 . 16 and the temperature measuring element 30 , by a temperature determination with the temperature measuring element 30 Effectively a conclusion on the temperature of the measuring electrodes 14 . 16 to be pulled. This enables effective consideration of the current temperature of the sensor element in the determination of the electrical resistance across the measuring electrodes 14 . 16 ,

In 2 ist ein Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.In 2 is a sensor element according to a illustrated second embodiment. In this case, the same reference numerals designate the same component components as in FIG 1 ,

Das in einer Aufsicht dargestellte Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel stellt eine weitere Möglichkeit dar, wie eine Anordnung des Heizelementes 40 zwischen den Messelektroden 14, 16 einerseits und dem Temperaturmesselement 30 andererseits realisiert werden kann. Dabei sind auf der elektrisch isolierenden Schicht 12a sowohl die Elektroden 14, 16 als auch das Heizelement 40 und das Temperaturmesselement 30 aufgebracht. Das Heizelement 40 ist dabei räumlich in der selben Schichtebene des Sensorelements zwischen der Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselementes 30 und den Messelektroden 14, 16 angeordnet. Dies erfolgt vorzugsweise so, dass zumindest der heizende Bereich des Heizelements 40 im wesentlichen den gleichen Abstand zu den Messelektroden 14, 16 aufweist wie zum Temperaturmesselement 30. Auf diese Weise wird eine symmetrische bzw. äquidistante Anordnung des Heizelementes 40 bezüglich der Messelektroden 14, 16 und dem Temperaturmesselement 30 erreicht; weiterhin kann der Schichtaufbau auf wenige keramische Schichten reduziert werden. Vorzugsweise sind jedoch die Widerstandleiterbahnen von Heiz- und Temperaturmesselement 30, 40 mit der weiteren keramischen Schicht 12f gegenüber korrosiven Einflüssen des zu bestimmenden Gasgemischs abgedeckt.The sensor element shown in a plan view according to a second embodiment represents a further possibility, such as an arrangement of the heating element 40 between the measuring electrodes 14 . 16 on the one hand and the temperature measuring element 30 on the other hand can be realized. Here are on the electrically insulating layer 12a both the electrodes 14 . 16 as well as the heating element 40 and the temperature measuring element 30 applied. The heating element 40 is spatially in the same layer plane of the sensor element between the resistor track of the temperature measuring element 30 and the measuring electrodes 14 . 16 arranged. This is preferably done so that at least the heating area of the heating element 40 essentially the same distance to the measuring electrodes 14 . 16 has as the temperature measuring element 30 , In this way, a symmetrical or equidistant arrangement of the heating element 40 with respect to the measuring electrodes 14 . 16 and the temperature measuring element 30 reached; Furthermore, the layer structure can be reduced to a few ceramic layers. Preferably, however, the resistance traces of heating and temperature measuring element 30 . 40 with the further ceramic layer 12f covered against corrosive influences of the gas mixture to be determined.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen eines Sensorelements beschränkt, sondern es können zahlreiche Abwandlungen dieses Sensorelements vorgenommen werden. So ist es beispielsweise möglich, zusätzliche keramische Schichten im Sensorelement vorzusehen oder den Mehrschichtaufbau des Sensorelements anwendungsbezogen zu vereinfachen, sowie weitere Messelektroden vorzusehen. Auch die Verwendung mehrerer Heiz- und Temperaturmesselemente ist möglich.The present invention is not applicable to those in 1 and 2 illustrated embodiments of a sensor element limited, but it can be made numerous modifications of this sensor element. Thus, it is possible, for example, to provide additional ceramic layers in the sensor element or to simplify the multi-layer structure of the sensor element according to the application, as well as to provide further measuring electrodes. The use of several heating and temperature measuring elements is possible.

Die Anwendung des beschriebenen Sensorelements ist nicht auf die Bestimmung von Rußpartikeln in Abgasen von Verbrennungsmotoren beschränkt, sondern es kann allgemein zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln, die die elektrische Leitfähigkeit eines keramischen Substrats bei Einlagerung verändern, beispielsweise in chemischen Herstellungsprozessen oder Abluftnachbehandlungsanlagen, eingesetzt werden.The Application of the described sensor element is not on the determination of soot particles in exhaust gases of internal combustion engines, but it can be general for determining the concentration of particles containing the electric conductivity a ceramic substrate when stored change, for example, in chemical Manufacturing processes or exhaust aftertreatment systems used become.

Claims

Sensor element for gas sensors for determining the concentration of particles in gas mixtures, in particular soot sensors, with at least one measuring arrangement exposed to the gas to be determined, at least one heating element integrated into the sensor element ( 40 ) and at least one integrated into the sensor element temperature measuring element ( 30 ), characterized in that the heating element ( 40 ) within the sensor element spatially between the measuring arrangement and the temperature measuring element ( 30 ) is arranged.

Sensor element for gas sensors for determining the concentration of particles in gas mixtures, in particular soot sensors, with at least one measuring arrangement exposed to the gas to be determined, at least one heating element integrated in the sensor element (US Pat. 40 ) and at least one integrated into the sensor element temperature measuring element ( 30 ), characterized in that the measuring arrangement and the temperature measuring element ( 30 ) substantially equidistant from the heating element ( 40 ) and / or are arranged to large areas of the sensor element.

Sensor element according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring arrangement comprises a first and a second measuring electrode ( 14 . 16 ), with which an electrical resistance can be determined.

Sensor element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first and the second measuring electrode ( 14 . 16 ) is designed as an interdigital electrode.

Sensor element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first and the second measuring electrode ( 14 . 16 ) on an electrically insulating substrate ( 12a ), wherein the electrically insulating substrate contains alumina and / or alkaline earth oxides.

Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that an evaluation device is provided, which is a change of between the measuring electrodes ( 14 . 16 ) determines adjacent current flow and / or resistance and outputs this as a measure of the particle concentration.

Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second measuring electrode ( 14 . 16 ) is arranged in the same layer plane as the heating element ( 40 ) and / or the temperature measuring element ( 30 ).

Method for determining the concentration of particles in gas mixtures, in particular of soot in exhaust gases of internal combustion engines, by means of a sensor element according to one of the preceding claims, wherein at least two measuring electrodes ( 14 . 16 ) a voltage is applied and located between the measuring electrodes ( 14 . 16 ) adjusting current flow is determined and output as a measure of the particle concentration.

A method according to claim 10, characterized in that a regeneration of the sensor element is initiated, as soon as the between the measuring electrodes ( 14 . 16 ) adjusting current flow exceeds a predetermined value and / or assumes a constant value for a predetermined period.

Use of a sensor element according to one of claims 1 to 7 or a method according to any one of claims 8 or 9 for monitoring the operation of a diesel engine or the functionality and / or the loading state of a particulate filter.