用于感测测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件的制作方法

由现有技术已知多个用于感测测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件。例如，测量气体可以是内燃机的废气。尤其地，颗粒可以是煤烟或灰尘颗粒。下面将尤其参考用于探测煤烟颗粒的传感器元件来说明本发明，但不限制另外的实施方法和使用方法。

两个或更多个金属电极能够安装在电绝缘的载体上。在电压的作用下积聚的粒子、尤其是煤烟颗粒在传感器元件的收集阶段中在例如构型为梳状地彼此嵌合的叉指电极的电极之间形成导电桥，并且这些电极由此短路。在恢复阶段中，通常借助集成的加热元件使所述电极自洁式燃烧。通常，颗粒传感器分析处理电极结构的由于颗粒积聚而改变的电特性。例如能够在恒定地施加电压时测量减小的电阻或增大的电流。

根据该原理工作的传感器元件通常表示为电阻式传感器并且存在于多种实施方式中，所述传感器元件例如由de10319664a1、de102006042362a1、de10353860a1、de10149333a1和wo2003/006976a2已知。构型为煤烟传感器的传感器元件通常用于监测柴油机颗粒过滤器。在内燃机的排气装置中，所述类型的颗粒传感器通常接收在保护管中，该保护管同时例如允许以废气流经该颗粒传感器。

基于提高的环境意识并且也部分地由于法律规定，在行驶期间必须监测煤烟排放并且确保监测的功能性。这种类型功能性的监测的通常称为机载诊断(on-board-diagnose)。用于粒子传感器的自诊断的装置和方法例如由de102009028239a1、de102009028283a1、de2007046096a1、de102006042605a1和us2012/0119759a1已知。

尽管由现有技术已知的用于感测颗粒的传感器元件有这些优点，所述传感器元件还具有改进的潜力。因此，尤其是在电功能性方面难以实现法律要求的煤烟传感器的自监测。尤其连续的监测，优选地以确定的预给定的最小频率、例如以至少2hz的频率进行监测是一种挑战。此外，寄生效应、例如要一同测量的线缆束的阻抗会使自诊断变困难。具有未知的电特性的、例如在电极装置上的积聚物会导致期望的测量效果的叠加。此外，已知的方法和/或已知的设备会具有以下缺点：在故障的情况下，即使电极装置在部分故障的情况下仍部分地正常运转时、尤其例如仍有90％正常运转时，也总是探测到完全故障。

技术实现要素：

因此，在本发明的范畴中提出了一种用于感测测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件。在本发明的范畴中，传感器元件理解为任意的下述装置，所述装置适合于定性地和/或定量地感测颗粒并且能够借助合适的操控单元和合适地构型的电极产生对应于所感测到的颗粒的电测量信号、例如电压或电流。所感测的颗粒尤其可以是煤烟颗粒和/或灰尘颗粒。在此，能够使用dc-信号和/或ac-信号。此外，例如能够使用电阻分量和/或电容分量用于由阻抗进行信号分析处理。

传感器元件尤其能够设置成用在机动车辆中。尤其地，测量气体可以是机动车辆的废气。原则上其他气体和气体混合物也是可能的。原则上，测量气体室可以是任意开放或封闭的室，测量气体接收在该室中和/或测量气体流经该室。例如，测量气体室可以是内燃机、例如燃烧发动机的排气装置。

传感器元件包括载体，其中，第一电极装置和第二电极装置施加到该载体上。第一电极装置和第二电极装置分别具有多个电极指，其中，第一电极装置的每个电极指通过至少一个终端电阻与第二电极装置的至少一个电极指连接。

在本发明的范畴中，载体原则上理解为任意的下述衬底，所述衬底适合于承载第一电极装置和第二电极装置，和/或能够将第一电极装置和第二电极装置施加到所述衬底上。在本发明的范畴中，电极装置原则上理解为任意的下述电导体，所述电导体适合于电流测量和/或电压测量，和/或所述电导体能够以电压和/或电流施加与所述电极装置接触的至少一个元件。在本发明的范畴中，术语“电极指”原侧上理解为电极装置的任意以下形状，所述形状在一个维度上的尺寸明显超过在至少一个另外的维度上的尺寸，例如是至少2倍、优选至少3倍、特别优选至少5倍。在本发明的范畴中，“多个”原则上理解为任意的至少两个的数量。

在本发明的范畴中，终端电阻原则上理解为任意的下述电阻，所述电阻将第一电极装置的至少一个电极指与第二电极装置的至少一个电极指这样连接，使得在不存在积聚的颗粒、尤其不存在积聚的煤烟或灰尘颗粒的情况下，在将电压施加到第一电极装置和第二电极装置上时，在第一电极装置和第二电极装置之间流过可测量的电流。尤其地，在施加5至60v的电压的情况下，而传感器元件的运行温度在50℃至500℃的温度区间中时，可测量的电流可以具有0.1μα至10μα的电流值。

所述至少一个终端电阻能够接触第一电极装置的电极指的至少一个区段和第二电极装置的电极指的至少一个区段。在本发明的范畴中，电极指的区段原则上理解为电极指的任意部段。尤其地，所述至少一个终端电阻也能够接触第一电极装置的所有电极指的一个区段或多个区段或所有区段和第二电极装置的所有电极指的一个区段或多个区段或所有区段。

所述至少一个终端电阻能够例如作为分立的结构元件施加到载体上。然而，所述至少一个终端电阻也能够构型为在载体内部的掺杂区域，在下面还将详细说明该掺杂区域。在根据本发明的传感器元件的特别优选的实施方式中，所述至少一个终端电阻能够这样构型，使得在不存在积聚的颗粒、尤其在不存在积聚的煤烟或灰尘颗粒的情况下，优选在传感器元件的运行温度中，电极总电阻处于1mω至150mω的范围内、优选在2mω至75mω的范围内、并且特别优选在5mω至50mω的范围内。在本发明的范畴中，术语“电极总电阻”理解为通过第一电极装置、通过第二电极装置、通过至少一个终端电阻和必要时通过其他的结构元件形成的电路的电阻。基于两个电极装置的低电阻，电极总电阻通常基本上包括该终端电阻，或对于存在多个终端电阻的情况包括这些终端电阻的总和。

在本发明的范畴中，表述“通过终端电阻连接”原则上理解为，第一电极装置的每个电极指借助于终端电阻与第二电极装置的至少一个电极指电接触。

载体能够包括至少一种陶瓷材料作为载体材料。尤其地，载体能够包含氧化陶瓷、优选地包括氧化铝、尤其包括al2o3。然而，其他氧化物、例如氧化锆也是可能的。此外，载体能够包括至少一种电绝缘材料。载体能够具有载体表面。在本发明的范畴中，载体表面原则上理解为任意的下述层，该层将载体与其周围环境隔开，并且第一和第二电极装置被施加到该层上。

载体能够包括至少一个掺杂区域，其中，掺杂区域接触第一电极装置的电极指的至少一个区段和第二电极装置的电极指的至少一个区段。尤其地，掺杂区域也能够接触第一电极装置的所有电极指的一个区段或多个区段或所有区段和第二电极装置的所有电极指的一个区段或多个区段或所有区段。在本发明的范畴中，术语“接触”原则上理解为两个物体处于直接接触中。尤其地，两个物体能够处于电接触中。

在本发明的范畴中，掺杂区域原则上理解为载体的任意的下述区域，该区域具有引入到陶瓷材料中的杂质原子、尤其是金属原子，其中，金属杂质原子取代包含在载体的陶瓷材料中的金属原子的一部分。由此，掺杂区域能够包括至少一种掺杂的载体材料，尤其是掺杂有金属氧化物的氧化铝。然而，其他氧化物也是可能的，尤其是那些也用作掺杂材料的氧化物。

因此，载体能够在所述至少一个掺杂区域中掺杂有掺杂材料，其中，掺杂材料表示配设有金属杂质原子的氧化的掺杂材料。尤其地，掺杂材料的浓度在所述至少一个掺杂区域中能够具有1mol％至100mol％、优选为10mol％至90mol％、特别优选为20mol％至80mol％的值。在特别的实施方式中，载体材料在掺杂区域中能够完全被掺杂材料取代。

掺杂材料优选能够包括金属氧化物，其中，掺杂材料优选地从一个组中选择出，该组由氧化铁、尤其是fe2o3；zro2；cr2o3；mgo；mno；sm2o3；tb4o7；gd2o3；y2o3和这些材料的任意混合物组成。

在特别优选的构型中，载体能够具有al2o3，并且掺杂区域能够具有20mol％至100mol％的fe2o3、优选地具有40至80mol％的fe2o3，尤其是因为这样实现的陶瓷的混合氧化物具有合适的导电率。

在另一优选构型中，氧化物sm2o3；tb4o7；gd2o3和/或y2o3适用于掺杂。在这种情况下，由至少两种氧化物的组合物的掺杂也能够证明是有利的，例如以便在选择出的温度窗口内实现掺杂的载体材料的电阻的尽可能低的温度特性曲线(temperaturgang)。各个掺杂物的浓度在所述至少一个掺杂区域中能够分别具有0mol％至100mol％的值，例如特别有利地使用比例为25％/50％/0％/25％的sm2o3/tb4o7/gd2o3/y2o3的材料组合。然而，其他比例也是可能的。

掺杂区域的宽度能够处于10μm至2mm、优选在25μm至500μm并且特别优选在50μm至250μm的范围内。此外，掺杂区域的长度能够处于10μm至2mm、优选在25μm至500μm并且特别优选在50μm至250μm的范围内。此外，掺杂区域的厚度能够处于0.1μm至100μm、优选在1μm至50μm、特别优选在2μm至20μm的范围内。

在本发明的范畴中，掺杂区域的宽度原则上理解为掺杂区域在下述空间维度中的尺寸，该空间维度平行于载体表面并且垂直于掺杂区域所接触的电极指的主延伸方向。在本发明的范畴中，掺杂区域的长度原则上理解为掺杂区域在下述空间维度中的尺寸，该空间维度平行于载体表面并且平行于掺杂区域所接触的电极指的主延伸方向。在本发明的范畴中，掺杂区域的厚度原则上理解为掺杂区域在垂直于载体表面延伸的空间维度上的尺寸。

在不存在积聚的颗粒的情况下，所述至少一个掺杂区域的导电率能够在50℃至500℃的温度区间内处于1×10^-9(ωcm)^-1至10(ωcm)^-1、优选在1×10^-8(ωcm)^-1至1×10^-2(ωcm)^-1、特别优选在1×10^-7(ωcm)^-1至1×10^-3(ωcm)^-1的范围内。

第一电极装置和/或第二电极装置的电极指能够具有曲折的走向。在本发明的范畴中，曲折的走向原则上理解为电极装置在载体表面上的任意下述走向，所述走向具有至少一个s形形状和/或至少一个蛇形形状和/或至少一个曲折部。此外，第一电极装置的电极指和第二电极装置的电极指能够梳状地彼此嵌合。

第一电极装置的电极指相对彼此能够具有间距，其中，第一电极装置的电极指在传感器元件内部的间距可以是恒定的或者至少在传感器元件的一部分上改变。第二电极装置的电极指相对彼此同样能够具有间距，其中，第二电极装置的电极指在传感器元件内部的间距可以是恒定的或者至少在传感器元件的一部分上改变。第一电极装置的电极指相对于第二电极装置的电极指能够具有间距，其中，该间距在传感器元件内部能够是恒定的或至少在传感器元件的一部分上改变。

传感器元件能够具有至少两个终端电阻。终端电阻能够具有不同的值。但终端电阻也能够都具有相同的值。在不同的值的情况下能够在必要时实现与哪个区域相关的误差分配，并且由此能够实现驱控单元中的修正功能，所述修正功能够在信号分析处理时以更高的准确性实现该误差的区域相关的补偿。

终端电阻能够全部位于传感器元件的下述区域中，该区域也能够被称为传感器元件的“冷区域”并且未施加有测量气体的颗粒。在此，传感器元件的冷区域尤其能够包括具有用于线缆束的终端触点的一侧，并且通常借助于密封包装与热废气分隔开并且因而也较冷。然而，该终端电阻能够至少部分地位于传感器元件的下述区域中，该区域也能够被称为传感器元件的“热区域”并且施加有测量气体的颗粒。在这里可以存在电极的实际测量范围；压印的电极导线能够安装在过渡区域中。此外，终端电阻能够至少部分地位于控制器中。与安置在控制器外部的终端电阻相比，将终端电阻至少部分地安置在控制器中能够实现更高的温度稳定性。

在根据本发明的传感器元件仅具有单个终端电阻的情况下，该终端电阻能够安置在控制器中。与安置在控制器外部的终端电阻相比，这能实现更高的温度稳定性。但这一个终端电阻也能够位于传感器元件的未施加有气体颗粒的区域中。此外，这一个终端电阻也能够位于传感器元件的施加有气体颗粒的区域中。

传感器元件尤其能够构型为煤烟颗粒传感器。此外，传感器元件能够接收在至少一个保护管中。

在本发明的另一方面中提出了一种用于制造用于感测测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件的方法，该方法包括以下步骤，所述步骤优选地按照给定的顺序。原则上也能够是另外的顺序。此外，还能够重复进行一个或多个或所有的方法步骤。此外，两个或更多个方法步骤也能够在时间上完全或部分重叠地进行或者同时地进行。除了所提到的方法步骤之外，所述方法也能够附加地包括其他方法步骤。所述方法步骤是：

a)提供载体；

b)将第一电极装置和第二电极装置施加到载体上，其中，第一电极装置和第二电极装置具有多个电极指；

c)在载体上或载体中产生至少一个终端电阻，其中，第一电极装置的每个电极指通过至少一个终端电阻与第二电极装置的至少一个电极指连接。

该方法尤其能够用于制造根据本发明的、即根据上述实施方式之一或根据下面更详细描述的实施方式之一的传感器元件。与此对应的，对于定义和可选的构型，能够在很大程度上参考传感器元件的说明。然而，其他的构型原则上也是可能的。

在步骤c)中，能够使用厚层技术以用于将终端电阻施加到载体上，或者能够进行载体的掺杂以用于在载体中产生至少一个掺杂区域。在使用厚层技术用于制造终端电阻时，终端电阻能够作为分立的结构元件压印到载体上、尤其是压印到陶瓷的衬底上。

所提出的设备和所提出的方法相对于已知的设备和方法具有许多优点。通过电极装置的根据本发明的构型、尤其是电极结构的构型，与现有技术相比能够改善用于感测测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件的自诊断能力。尤其能够单独地监测第一电极装置的电极指和第二电极装置的电极指，尤其是以至少2hz的频率进行监测。尤其能够在一个电极指或几个电极指出现故障的情况下探测到该故障并且能够在剩余的、完好的电极指的基础上继续使用该传感器元件。

此外，尤其是在一个或多个电极指出现故障的情况下，与现有技术相比能够借助于根据本发明的传感器元件提高精度、尤其是测量精度。在探测到部分故障的情况下，尤其能够对应于传感器元件的降低的灵敏度实施测量信号的补偿，只要该灵敏度不低于最小值。

此外，能够尽可能大地选择电极指的数量。由此，在故障的情况下能够实现故障区域和完好区域之间的尽可能高度的区分。尤其可能的是，在电极指的数量大的情况下，单个电极指或几个电极指的故障仅有小的影响。尤其是在低的灵敏度损失的情况下，尤其能够补偿一个或少量电极指的故障。

此外，终端电阻能够位于未施加有测量气体颗粒的区域中，尤其是在传感器元件的冷区域或较冷的区域中。此外，终端电阻也能够位于控制器中，这能够实现高的温度稳定性。

此外可能的是，在使用厚层技术时、尤其是在使用现有的厚层技术时，为了将电极装置实施到终端电阻上不需要其他的改变。

附图说明

本发明的其他可选的细节和特征由以下优选实施例的说明给出，所述优选实施例在附图中示意性示出。附图示出：

图1至3根据本发明的传感器元件的不同实施例，其中，以俯视图示出传感器元件；

图4电极总电阻或自诊断电流与传感器元件中的故障的电极指的数量的相关性的示图；和

图5至6根据本发明的传感器元件的不同实施方式的横截面视图。

具体实施方式

在图1至3中以俯视图示出根据本发明的传感器元件110的不同实施方式，所述传感器元件用于感测测量气体室中的测量气体的颗粒。图4以图表130的形式示出了电极总电阻128以及自诊断电流126与故障的电极指132的数量的相关性，其中，图表130涉及根据本发明的传感器元件110在图3中所示的实施方式。在图5和6中示出根据本发明的传感器元件110的不同实施方式，所述传感器元件用于感测测量气体室中的测量气体的颗粒。这些附图将在下面一起阐明。

传感器元件110尤其能够设置成用在机动车辆中。尤其地，测量气体可以是机动车辆的废气。传感器元件110尤其能够包括一个或多个未在图中示出的其他功能元件，例如电极、电极导线和触点、多个层、加热元件、电化学电池或其他元件，如在上面提到的现有技术中所示的那样。此外，传感器元件110例如能够接收在同样未示出的保护管中。

传感器元件110包括载体112，其中，将第一电极装置114和第二电极装置116施加到该载体112上。第一电极装置114和第二电极装置116具有多个电极指118，其中，第一电极装置114的每个电极指118通过至少一个终端电阻120与第二电极装置116的至少一个电极指118连接。

如图5中所示，所述至少一个终端电阻120能够作为分立的结构元件施加到载体112上。然而，如图6中所示，所述至少一个终端电阻120也能够构型为在载体112内部的掺杂区域122，在下面还将详细说明该掺杂区域。

在这些优选的实施方式中，载体112能够包括至少一种陶瓷材料作为载体材料。尤其地，载体112能够包括氧化铝、尤其是al2o3。此外，载体112能够包括至少一种电绝缘材料。

载体112能够包括至少一个掺杂区域122，其中，如图6中所示，该掺杂区域122接触第一电极装置114的电极指118的至少一个区段和第二电极装置116的电极指118的至少一个区段。尤其地，掺杂区域122也能够接触第一电极装置114的所有电极指118的一个区段或多个区段和第二电极装置116的所有电极指118的一个区段或多个区段。第一电极装置114的电极指118的接触掺杂区域122的区段和第二电极装置116的电极指118的接触掺杂区域的区段能够与该掺杂区域122处于电接触中。

载体112能够在所述至少一个掺杂区域122中具有引入到陶瓷材料中的杂质原子、尤其是金属原子，其中，金属杂质原子取代包含在载体112的陶瓷材料中的金属原子的一部分。由此，掺杂区域122能够包括至少一种掺杂的陶瓷材料，尤其是掺杂有金属氧化物的氧化铝。然而，其他的氧化物也是可能的。因此，载体112能够在所述至少一个掺杂区域122中掺杂有掺杂材料，其中，掺杂材料表示配设有金属杂质原子的氧化陶瓷。掺杂材料优选能够包括金属氧化物，其中，掺杂材料优选地从一个组中选择出，该组由氧化铁、尤其是fe2o3；zro2；cr2o3；mgo；mno、sm2o3、tb4o7、gd2o3、y2o3和这些材料的任意混合物组成。

此外，掺杂材料能够在所述至少一个掺杂区域122中具有1mol％至100mol％、优选为10mol％至90mol％、特别优选为20mol％至80mol％的浓度。尤其地，载体112能够具有al2o3，并且掺杂区域122能够具有40至80mol％的fe2o3。

掺杂区域122的宽度b能够处于10μm至2mm、优选在25μm至500μm、特别优选在50μm至250μm的范围内。此外，掺杂区域的长度能够处于10μm至2mm、优选在25μm至500μm、特别优选在50μm至250μm的范围内。此外，掺杂区域的厚度d能够处于0.1μm至100μm、优选在1μm至50μm、特别优选在2至20μm的范围内。掺杂区域的宽度b和厚度d在图6中示出。在不存在积聚的颗粒的情况下，在50℃至500℃的温度区间内，所述至少一个掺杂区域的导电率可以处于1×10^-9(ωcm)^-1至10(ωcm)^-1、优选在1×10^-8(ωcm)^-1至1×10^-2(ωcm)^-1、特别优选在1×10^-7(ωcm)^-1至1×10^-3(ωcm)^-1的范围内。

第一电极装置114的电极指118和/或第二电极装置116的电极指118能够具有曲折的走向124。图1和2示出了曲折的走向124的两个示例。第一电极装置114的电极指118和第二电极装置116的电极指118能够具有多个另外的曲折走向。此外，如图1-3、5和6中所示，第一电极装置114的电极指118和第二电极装置116的电极指118能够梳状地彼此嵌合。

如图1-3、5和6中所示，传感器元件110能够具有至少两个终端电阻120。终端电阻120能够具有不同的值。但终端电阻120也能够都具有相同的值。

第一电极装置114的电极指118相对彼此能够具有间距a，其中，如图3中所示，第一电极装置114的电极指118的间距a在传感器元件110内部可以是恒定的，或者可以至少在传感器元件110的一部分上改变。第二电极装置116的电极指118相对彼此能够具有间距c，其中，如图3中所示，第二电极装置116的电极指118的间距c在传感器元件110内部可以是恒定的，或者可以至少在传感器元件110的一部分上改变。第一电极装置114的电极指118相对于第二电极装置116的电极指118能够具有间距e，其中，如图3中所示，间距e在传感器元件110内部可以是恒定的，或者可以至少在传感器元件110的一部分上改变。

终端电阻120能够全部位于传感器元件110的未施加有测量气体的颗粒的区域中。然而，终端电阻120能够至少部分地位于传感器元件110的施加有测量气体的颗粒的区域中。此外，现有的终端电阻120的一个或多个终端电阻能够位于图中未示出的控制器中。

在本发明的范畴中，电极总电阻理解为通过第一电极装置、通过第二电极装置、通过至少一个终端电阻和必要时通过其他结构元件形成的电路的电阻。电极总电阻能够在1mω至150mω的范围内、优选在2mω至75mω的范围内、并且特别优选在5mω至50mω的范围内。基于两个电极装置的低电阻，电极总电阻通常基本上包括终端电阻或对于存在多个终端电阻的情况包括这些终端电阻的总和，该总和在下面标记为rges。

尤其能够以如下方式计算用于图3中所示的根据本发明的总共具有n个电极指118的传感器元件110的实施方式的存在的终端电阻120的总电阻rges：

其中，第一电极装置114具有数量为n/2的电极指118，其中，第二电极装置116也具有数量为n/2的电极指118，并且，其中，第一电极装置114的每个电极指118通过至少一个终端电阻ri(120)与第二电极装置的至少一个电极指118连接。终端电阻ri120能够都具有相同的值r0。对于这种情况得出以下总电阻rges的计算方式：

rges/r0＝1/n(3)

此外，能够以如下方式计算用于图3中所示的根据本发明的在总共具有n个电极指118的情况下具有m个故障的电极指118的传感器元件110的实施方式的总电阻rges，

其中，第一电极装置114具有数量为n/2的、可能是完好的或至少部分故障的电极指118，其中，第二电极装置116同样具有数量为n/2的、可能是完好的或至少部分故障的电极指118，并且，其中，第一电极装置114的每个电极指118通过至少一个终端电阻ri120与第二电极装置的至少一个电极指118连接：终端电阻ri120能够都具有相同的值r0。对于这种情况得出以下总电阻rges的计算方式：

rges/r0＝1/(n-m)(6)

传感器元件110尤其能够构型为煤烟颗粒传感器。此外，传感器元件110能够接收在图中未示出的至少一个保护管中。

为了自我诊断，在第一电极装置114和第二电极装置116之间能够至少暂时地施加测量电压，并且能够测量自诊断电流126和/或电极总电阻128。自诊断电流126流过第一电极装置114、第二电极装置116和至少一个终端电阻120。自诊断电流126能够是传感器元件110的功能性和/或传感器元件110的品质的量度。

图4示例性示出图表130，在该图表中示出与故障的电极指132的数量相关的自诊断电流126，以及与故障的电极指132的数量相关的电极总电阻128。图4中的图表130涉及传感器元件110的在图3中所示的实施方式。关于故障的电极指132的数量绘制电流134，以及关于故障的电极指132的数量绘制电阻136。