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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für einen resistiven Partikelsensor,
eine Zusammensetzung zur Herstellung einer derartigen Elektrode,
einen resistiven Partikelsensor, umfassend ein Elektrodensystem
mit mindestens zwei derartigen Elektroden sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines derartigen Partikelsensors.
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Stand der Technik
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In
naher Zukunft muss der Partikelausstoß, insbesondere von Fahrzeugen
während
des Fahrbetriebes, nach dem Durchlaufen eines Motors beziehungsweise
Dieselpartikelfilters (DPF) per gesetzlicher Vorschrift überwacht
werden (On Board Diagnosis, OBD). Darüber hinaus ist eine Beladungsprognose
von Dieselpartikelfiltern zur Regenerationskontrolle notwendig,
um eine hohe Systemsicherheit bei wenigen effizienten, kraftstoffsparenden
Regenerationszyklen zu gewährleisten
und kostengünstige
Filtermaterialien einsetzen zu können.
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Eine
Möglichkeit
hierzu bieten resistive Partikelsensoren. Resistive Partikelsensoren
weisen ein Elektrodensystem mit mindestens zwei, dem Abgas frei
ausgesetzten Elektroden auf, an beziehungsweise zwischen denen sich
die zu detektierenden Partikel, insbesondere Rußpartikel, unter dem Einfluss
eines angelegten elektrischen Feldes ablagern und zu einer Widerstands- und/oder Impedanzänderung
führen.
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Um
die Haftung auf einem Substrat zu verbessern und den Platingehalt
und damit die Kosten zu senken, werden derartige Elektroden meist
aus einer Platin-Keramik-Mischung, beispielsweise umfassend Aluminiumoxid,
Zirkoniumoxid, Yttriumoxid, Ceroxid, insbesondere α-Aluminiumoxid, hergestellt.
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Derartige
Elektroden weisen jedoch eine sehr poröse Struktur und damit eine
besonders große,
für das
Abgas zugängliche
Oberfläche
auf. Dies hat zur Folge, dass ab einem Temperaturbereich von etwa
800°C Platin
verstärkt
zu Platindioxid (PtO2) oxidiert und abgetragen
wird, was eine allmähliche
Verschlechterung der Sensorcharakteristik zur Folge hat.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäße Elektrode,
umfassend Platin und ein Glas mit einer Erweichungstemperatur von ≥ 1000°C, insbesondere ≥ 1100°C, in der das
Platin und das Glas homogen verteilt vorliegen, hat den Vorteil,
dass Poren und Zwischenräume
und damit die innere Oberfläche
der Elektrode drastisch reduziert sind, wodurch der oxidative Angriff
auf das Platin deutlich verringert wird. Auf diese Weise kann die „Lebensdauer”, das heißt der Zeitraum
bis es zu einer funktionsbeeinträchtigenden
Veränderung
der Elektrode kommt, verlängert
werden. Darüber
hinaus ist eine erfindungsgemäße Elektrode
besonders temperaturstabil und kann daher vorteilhafterweise bei höheren Temperaturen
als herkömmliche
Elektroden eingesetzt werden.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Elektrode
aus einer später
erläuterten,
erfindungsgemäßen Zusammensetzung, beispielsweise
durch ein ebenfalls später
erläutertes erfindungsgemäßes Verfahren,
ausgebildet sein.
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Im
Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Elektrode eine Interdigitalelektrode.
Dabei wird unter einer Interdigitalelektrode eine kammartig ausgebildete
Elektrode verstanden. Ein Elektrodensystem aus mindestens zwei ineinandergreifenden
Interdigitalelektroden, ein so genanntes Interdigitalelektrodensystem,
hat sich für
resistive Partikelsensoren als besonders vorteilhaft herausgestellt,
da hierdurch die Empfindlichkeit des Partikelsensors deutlich erhöht wird.
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Im
Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist das Glas einen Erweichungspunkt von ≥ 1000°C bis ≤ 1500°C, insbesondere
von ≥ 1100°C bis ≤ 1400°C, auf. Gläser mit
einem Erweichungspunkt in diesem Bereich haben sich als besonders
vorteilhaft erwiesen, da diese einerseits der Elektrode eine hohe Temperaturbeständigkeit
verleihen und andererseits eine gute Prozessierbarkeit aufweisen.
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Im
Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung basiert das Glas auf einem SiO2-B2O3-Stoffsystem,
beispielsweise auf einem SiO2-B2O3-Al2O3-Stoffsystem, insbesondere
auf einem SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-Stoffsystem.
Beispielsweise kann das Glas ein Borosilikatglas sein. Gläser auf
der Basis dieser Stoffsysteme haben sich im Rahmen der vorliegenden
Erfindung als besonders geeignet zur Steigerung der Temperaturbeständigkeit
bei gleichzeitig guter Prozessierbarkeit erwiesen.
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Vorzugsweise
umfasst das Glas weiterhin mindestens ein Oxid, ausgewählt aus
der Gruppe umfassend Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Zinkoxid
und/oder Zirkoniumoxid.
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Im
Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung basiert das Glas auf einem SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-Stoffsystem, SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-ZnO-MgO-ZrO2-Stoffsystem,
oder SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-BaO-Stoffsystem.
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Vorzugsweise
beträgt
der Glasanteil der Elektrode ≥ 1
Massenprozent bis ≤ 20
Massenprozent, insbesondere ≥ 1
Massenprozent bis ≤ 10
Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode. Ein
derartiger Glasanteil hat den Vorteil, dass eine Oxidation des Platins
wirksam reduziert wird, wobei gleichzeitig eine ausreichende elektrische
Leitfähigkeit über die
Platin-Partikel-Pfade
gewährleistet
ist.
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Im
Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung umfasst die Elektrode Aluminiumoxid, insbesondere α-Aluminiumoxid.
Das Aluminiumoxid, insbesondere α-Aluminiumoxid,
kann dabei homogen verteilt in der Elektrode vorliegen. Auf diese
Weise können
die Haftungseigenschaften der Elektrode verbessert werden.
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Um
die Oxidationsstabilität,
Haftung und Prozessierbarkeit zu optimieren, können 0,01% bis 10% des Glasanteils
der Elektrode durch Aluminiumoxid, insbesondere α-Aluminiumoxid, ersetzt werden. Vorzugsweise
beträgt
die Summe des Glas- und des Aluminiumoxidanteils, insbesondere des
Glas- und des α-Aluminiumoxidanteils,
der Elektroden dabei ≥ 1 Massenprozent
bis ≤ 20
Massenprozent, insbesondere ≥ 1
Massenprozent bis ≤ 10
Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektroden.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Zusammensetzung
zur Herstellung einer Elektrode, einer elektrischen Leitung und/oder
eines elektrischen Kontakts für
einen resistiven Partikelsensor, umfassend Platinpulver, und ein Glaspulver
mit einer Erweichungstemperatur von ≥ 1000°C, insbesondere ≥ 1100°C, wobei
das Platinpulver und das Glaspulver homogen verteilt in der Zusammensetzung
vorliegen.
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Im
Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die Zusammensetzung eine Siebdruckpaste. Dies hat den
Vorteil, dass die Elektrode, die elektrische Leitung beziehungsweise
der elektrische Kontakt auf einfache Weise durch ein Siebdruckverfahren
hergestellt werden kann.
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Hinsichtlich
der Vorteile der im Folgenden genannten Ausführungsformen wird auf die Erläuterungen
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektrode verwiesen.
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Im
Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das Glaspulver einen Erweichungspunkt
von ≥ 1000°C bis ≤ 1500°C, insbesondere
von ≥ 1100°C bis ≤ 1400°C, auf.
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Im
Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung basiert das Glaspulver auf einem SiO2-B2O3-Stoffsystem,
beispielsweise auf einem SiO2-B2O3-Al2O3-Stoffsystem, insbesondere
auf einem SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-Stoffsystem.
Beispielsweise kann das Glaspulver ein Borosilikatglas sein. Vorzugsweise
umfasst das Glaspulver weiterhin mindestens ein Oxid, ausgewählt aus
der Gruppe umfassend Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Zinkoxid
und/oder Zirkoniumoxid.
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Im
Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung basiert das Glaspulver auf einem SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-Stoffsystem, SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-ZnO-MgO-ZrO2-Stoffsystem, oder SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-BaO-Stoffsystem.
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Vorzugsweise
beträgt
der Glaspulveranteil der Zusammensetzung ≥ 1 Massenprozent bis ≤ 20 Massenprozent,
insbesondere ≥ 1
Massenprozent bis ≤ 10
Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Feststoffe in der
Zusammensetzung.
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Im
Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung umfasst die Zusammensetzung weiterhin Aluminiumoxid, insbesondere α-Aluminiumoxid.
Das Aluminiumoxid, insbesondere α-Aluminiumoxid,
kann dabei ebenfalls homogen verteilt in der Zusammensetzung vorliegen. Um
die Oxidationsstabilität,
Haftung und Prozessierbarkeit zu optimieren, können 0,01% bis 10% des Glaspulveranteils
der Zusammensetzung durch Aluminiumoxid, insbesondere α-Aluminiumoxid,
ersetzt werden. Vorzugsweise beträgt die Summe des Glaspulver-
und des Aluminiumoxidanteils, insbesondere des Glaspulver- und des α-Aluminiumoxidanteils,
der Zusammensetzung dabei ≥ 1
Massenprozent bis ≤ 20
Massenprozent, insbesondere ≥ 1
Massenprozent bis ≤ 10
Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Feststoffe in der
Zusammensetzung.
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Weitere
Gegenstände
der vorliegenden Erfindung betreffen eine elektrische Leitung ausgebildet
aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
und einen elektrischen Kontakt ausgebildet aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen, insbesondere
resistiven, Partikelsensor, umfassend ein Elektrodensystem mit mindestens
zwei erfindungsgemäßen Elektroden oder
ein Elektrodensystem mit mindestens zwei Elektroden ausgebildet
aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung.
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Unter
einem Partikel wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein
Feststoff, insbesondere ein elektrisch leitender oder leitfähiger Feststoff, beispielsweise
ein Rußpartikel,
verstanden. Insbesondere kann des sich bei dem erfindungsgemäßen Partikelsensor
um einen Rußpartikelsensor
handeln.
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Beispielweise
ist das Elektrodensystem dabei ein Interdigitalelektrodensystem
mit mindestens zwei erfindungsgemäßen Interdigitalelektroden.
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Im
Rahmen einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung umfasst der Partikelsensor weiterhin mindestens
zwei Zuleitungen zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden,
und/oder mindestens zwei Kontakte zur elektrischen Kontaktierung
der Elektroden, insbesondere über
die Zuleitung. Die Zuleitungen und/oder Kontakte können beispielsweise
Platin und/oder Aluminiumoxid umfassen. Dies hat sich als vorteilhaft
erwiesen insofern die Zuleitungen und/oder Kontakte nicht oder nur
geringfügig
dem Abgas ausgesetzt sind, beispielsweise indem sie unter einer
Abdeckschicht angeordnet sind. Die Zuleitungen und/oder Kontakte
können
jedoch erfindungsgemäß Platin
und ein Glas mit einer Erweichungstemperatur von ≥ 1000°C, insbesondere ≥ 1100°C, umfassen.
Dies hat sich insbesondere in den Fällen als vorteilhaft erwiesen,
in denen die Zuleitungen und/oder Kontakte dem Abgas und damit der Korrosion
ausgesetzt sind. Das Platin und das Glas können dabei homogen verteilt
in den Zuleitungen und/oder den Kontakten vorliegen, oder die Zuleitungen
und/oder Kontakte können
aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
ausgebildet sein. Der Glasanteil der Zuleitungen und/oder Kontakte
kann ≥ 0
Massenprozent bis ≤ 20
Massenprozent, insbesondere ≥ 0
Massenprozent bis ≤ 10
Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zuleitungen beziehungsweise
der Kontakte, betragen. Die Zuleitungen und/oder Kontakte können Aluminiumoxid,
insbesondere α-Aluminiumoxid,
umfassen. Beispielsweise kann die Summe des Glas- und des Aluminiumoxidanteils,
insbesondere des Glas- und des α-Aluminiumoxidanteils,
der Zuleitungen und/oder Kontakte dabei ≥ 1 Massenprozent bis ≤ 20 Massenprozent,
insbesondere ≥ 1
Massenprozent bis ≤ 10 Massenprozent,
bezogen auf das Gesamtgewicht der Zuleitungen beziehungsweise der
Kontakte, betragen. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen dieser Ausführungsform
wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit
der erfindungsgemäßen Elektrode
verwiesen.
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Um
die Anlagerung von Partikeln zwischen den beiden Zuleitungen und/oder
zwischen den beiden Kontakten der Elektroden des Elektrodensystems
zu verhindern, kann der erfindungsgemäße Partikelsensor eine Abdeckschicht
aufweisen, welche abgasseitig auf den Zuleitungen und/oder Kontakten
angeordnet ist. Die Zuleitungen können von der Abdeckschicht
vollständig
bedeckt sein. Die Kontakte können
ebenfalls zumindest teilweise von der Abdeckschicht bedeckt sein,
insofern eine elektrische Beschaltung der Kontakte gewährleistet
ist.
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Der
erfindungsgemäße Partikelsensor
kann weiterhin mindestens eine erste Isolationsschicht aufweisen.
Das Elektrodensystem, die Zuleitungen zur elektrischen Kontaktierung
der Elektroden und die Kontakte zur elektrischen Kontaktierung der
Elektroden können
dabei auf der ersten Isolationsschicht angeordnet sein.
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Der
erfindungsgemäße Partikelsensor
kann darüber
hinaus mindestens eine erste Trägerschicht aufweisen.
Die Trägerschicht
kann dabei auf der Seite der ersten Isolationsschicht angeordnet
sein, welche dem Elektrodensystem, den Zuleitungen des Elektrodensystems
und den Kontakten des Elektrodensystems gegenüberliegt.
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Zur
Regeneration des Elektrodensystems kann der erfindungsgemäße Partikelsensor
weiterhin eine Heizvorrichtung aufweisen. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Sensor
eine Temperaturmessvorrichtung aufweisen. Die Heizvorrichtung und/oder
die Temperaturmessvorrichtung können
dabei mittels Durchkontaktierungen durch eine oder mehrere Isolationsschichten
und/oder Trägerschichten
kontaktiert sein.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode und/oder eines
erfindungsgemäßen Partikelsensors,
umfassend die Verfahrensschritte:
- a) Ausbilden
der Elektrode/n, beispielsweise des Elektrodensystems, durch Auftragen
einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
auf ein Substrat durch eine Siebdrucktechnik,
- b) Erhitzen der Zusammensetzung und des Substrats auf eine Temperatur
größer oder
gleich dem Erweichungspunkt des Glases.
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Vorzugsweise
wird das Glas derart ausgewählt,
dass dessen Erweichungspunkt unterhalb der Temperatur liegt, bei
der das Substrat und/oder weitere Komponenten des Partikelsensors
gesintert werden. Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform wird
in Verfahrensschritt b) die Zusammensetzung und das Substrats auf
eine Temperatur größer oder gleich
dem Erweichungspunkt des Glases und kleiner oder gleich der Sintertemperatur
des Substrats, beispielsweise kleiner oder gleich der Sintertemperatur
des Substrats und gegebenenfalls anderer Sensorkomponenten, erhitzt.
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Durch
das Erhitzen der Zusammensetzung und des Substrats auf eine Temperatur
größer oder gleich
dem Erweichungspunkt des Glases schmilzt der Glasanteil der Zusammensetzung
auf und dichtet dabei die Poren und Zwischenräume in Elektroden/Zuleitungs/Kontakt-Struktur
ab, wodurch der oxidative Angriff auf das Platin deutlich verringert
wird.
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Im
Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst der Verfahrensschritt a) auch das Ausbilden der Zuleitungen
(5, 6) zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden
(3, 4), und/oder der Kontakte (7, 8)
zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden (3, 4) durch
Auftragen der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 8 bis
11 auf ein Substrat (9) durch eine Siebdrucktechnik.
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Das
Substrat kann dabei eine Isolationsschicht oder ein äußere Isolationsschicht
eines Mehrschichtsystems sein.
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Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
zur Herstellung einer Elektrode, einer elektrischen Leitung und/oder
eines elektrischen Kontakts, insbesondere für einen resistiven Partikelsensor.
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Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes
werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden
Beschreibung erläutert.
Dabei ist zu beachten, dass die Figur nur beschreibenden Charakter
hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form
einzuschränken.
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1 zeigt
eine schematische Explosionszeichnung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors.
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1 zeigt,
dass diese Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen, insbesondere
resistiven, Partikelsensors 1 ein Interdigitalelektrodensystem 2 mit
zwei Interdigitalelektroden 3, 4 umfasst. Erfindungsgemäß umfassen
die Interdigitalelektroden 3, 4 Platin und ein
Glas mit einer Erweichungstemperatur von ≥ 1000°C, wobei das Platin und das
Glas homogen verteilt in den Interdigitalelektroden 3, 4 vorliegt. Vorzugsweise
sind die Interdigitalelektroden 3, 4 im Rahmen
dieser Ausführungsform
aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung,
beispielsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren, ausgebildet.
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Darüber hinaus
weist der erfindungsgemäße Partikelsensor 1 zwei
Zuleitungen 5, 6 zur elektrischen Kontaktierung
der Interdigitalelektroden 3, 4 auf, wobei zweckmäßigerweise
jeweils eine der Zuleitungen 5, 6 eine der Interdigitalelektroden 3, 4 kontaktiert.
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1 zeigt,
dass der erfindungsgemäße Partikelsensor 1 weiterhin
zwei Kontakte 7, 8 zur elektrischen Kontaktierung
der Interdigitalelektroden 3, 4 aufweist, von
denen jeweils einer 7, 8 über eine der Zuleitungen 5, 6 mit
einer der Interdigitalelektroden 3, 4 verbunden
ist. Da die Kontakte 7, 8 des gezeigten Partikelsensors 1 im
montierten Zustand nicht dem Abgas ausgesetzt sind, können die
Kontakte 7, 8 aus einem herkömmlichen leitenden Material
ausgebildet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch
ebenso möglich,
dass die Kontakte 7, 8 Platin und ein Glas mit
einer Erweichungstemperatur von ≥ 1000°C umfassen,
wobei das Platin und das Glas homogen verteilt in den Kontakten 7, 8 vorliegen,
oder, dass die Kontakte 7, 8 aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
ausgebildet sind.
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Um
die Anlagerung von Partikeln zwischen den beiden Zuleitungen 5, 6 zu
verhindern, weist der dargestellte Partikelsensor 1 eine
Abdeckschicht 10 auf, welche abgasseitig auf den Zuleitungen 5, 6 angeordnet
ist und die Zuleitungen 5, 6 vollständig bedeckt.
Da die Zuleitungen im Rahmen der gezeigten Ausführungsform durch die Abdeckschicht 10 vor dem
Abgas geschützt
sind, können
die Zuleitungen 5, 6 aus einem herkömmlichen
leitenden Material ausgebildet sein. Im Rahmen der vorliegenden
Erfindung ist es jedoch ebenso möglich,
dass die Zuleitungen 5, 6 Platin und ein Glas
mit einer Erweichungstemperatur von ≥ 1000°C umfassen, wobei das Platin und
das Glas homogen verteilt in den Zuleitungen 5, 6 vorliegen,
oder, dass die Zuleitungen 5, 6 aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
ausgebildet sind.
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1 zeigt,
dass der Partikelsensor 1 weiterhin eine erste Isolationsschicht 9 aufweist,
auf der das Interdigitalelektrodensystem 2, die Zuleitungen 5, 6 und
die Kontakte 7, 8 angeordnet sind.
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Darüber hinaus
weist der gezeigte Partikelsensor 1 eine erste Trägerschicht 11 auf,
welche auf der Seite der ersten Isolationsschicht 9 angeordnet ist,
welche dem Elektrodensystem 2, den Zuleitungen 5, 6 und
den Kontakten 7, 8 gegenüberliegt. Als Trägerschichtmaterial
eignet sich beispielsweise Yttrium-dotiertes Zirkoniumdioxid oder
Aluminiumoxid.
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1 zeigt,
dass der Partikelsensor 1 ferner eine Heizvorrichtung 14 zur
Regeneration des Elektrodensystems 2 aufweist. Durch die
Heizvorrichtung 14 kann das Interdigitalelektrodensystem 2 auf
eine Temperatur erhitzt werden, bei der angelagerte Partikel desorbieren
und/oder verbrennen.
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Die
Heizvorrichtung 14 ist in der in 1 gezeigten
Ausführungsform
zwischen der ersten Trägerschicht 11 und
einer zweiten Trägerschicht 19 angeordnet,
wobei zwischen der Heizvorrichtung 14 und den Trägerschichten 11, 19 jeweils
eine weitere Isolationsschicht 12, 13 angeordnet
ist. Darüber
hinaus ist auch auf der Außenseite
der zweiten Trägerschicht 19 eine
weitere Isolationsschicht 20 angeordnet. Die somit innen
liegende Heizvorrichtung 14 ist dabei über innen liegende Zuleitungen 15, 16,
Durchkontaktierungen 17,18 und Außenkontakte 21, 22 beschaltbar.