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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Verwendung in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Herstellen desselben, insbesondere einen im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine eingesetzten Partikelsensor zur Ermittlung der Partikelmenge im Abgas der Brennkraftmaschine.
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Im Abgas einer Brennkraftmaschine werden Sensoren für unterschiedlichste Zwecke angeordnet. Beispielsweise werden Partikelsensoren, Stickoxidsensoren, Sauerstoffsensoren und/oder Lamdbasonden eingesetzt, um unterschiedliche Parameter zu erfassen, um die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine optimiert einstellen zu können. In solchen Sensoren werden häufig elektrische und elektronische Bauteile verwendet, an denen im Messbetrieb häufig unterschiedliche elektrische Potentiale angelegt werden. Zwischen Bauteilen, an denen unterschiedliche elektrische Potentiale anliegen, wird durch die unterschiedlichen elektrischen Potentiale ein elektrisches Feld erzeugt, das in Bauteilverbindungen, wie z.B. Lotverbindungen, eine sogenannte Elektromigration hervorrufen kann, die die Dauerhaftigkeit der Bauteilverbindung negativ beeinflussen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen Sensor vorzusehen, der im Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann und bei dem die Haltbarkeit zumindest einer innerhalb des Sensors vorhandenen Lotverbindung dauerhaft gewährleistet werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Sensor gemäß unabhängigem Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß unabhängigem Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einem ersten Aspekt wird ein Sensor zur Verwendung in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine offenbart. Der Sensor weist eine erste Elektrodenanordnung, eine mittels einer Isolationsanordnung von der ersten Elektrodenanordnung elektrisch isolierte zweite Elektrodenanordnung und zumindest eine Verbindungsanordnung auf, die über zumindest eine Lotverbindung an der ersten Elektrodenanordnung und der Isolationsanordnung befestigt ist. Die Verbindungsanordnung ist dazu ausgebildet, die erste Elektrodenanordnung relativ zur zweiten Elektrodenanordnung zu positionieren. Die zumindest eine Lotverbindung ist außerhalb eines elektrischen Felds angeordnet, das im Messbetrieb des Sensors durch Anlegen eines ersten elektrischen Potentials an der ersten Elektrodenanordnung und durch Anlegen eines zum ersten elektrischen Potential unterschiedlichen zweiten elektrischen Potentials an der zweiten Elektrodenanordnung erzeugt wird.
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Dabei weist vorzugsweise die erste Elektrodenanordnung eine erste Sensorelektrode und eine mit der ersten Sensorelektrode elektrisch verbundene zweite Sensorelektrode auf.
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Somit besteht die erfindungsgemäße Idee im Wesentlichen darin, eine (weitere) Sensorelektrode vorzusehen, so dass ein elektrisches Feld derart verschoben wird, dass etwaige zuvor innerhalb eines solchen elektrischen Felds angeordnete Lotverbindungen nach dem Anordnen dieser (weiteren) Sensorelektrode und dem Verschieben des elektrischen Felds außerhalb davon angeordnet sind. Diese Lösung ist auf eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren übertragbar. Insbesondere findet diese Lösung bei Sensoren Anwendung, die in heißen Abgasen von Brennkraftmaschinen bzw. Brennkraftanlagen eingesetzt werden. Brennkraftmaschinen bzw. Brennkraftanlagen sind beispielsweise Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge, wie Autos, Motorräder, Schiffe, etc. aber auch Heizkraftanlagen Müllverbrennungsanlagen oder Turbinen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Verbindungsanordnung elektrisch leitfähig und dazu ausgebildet, die erste Sensorelektrode der ersten Sensoranordnung mit der zweiten Sensorelektrode der ersten Sensoranordnung elektrisch zu verbinden. Vorzugsweise ist dabei die zweite Sensorelektrode der ersten Sensoranordnung an der Isolationsanordnung angebracht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors weist dieser eine mittels der Isolationsanordnung von der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung elektrisch isolierte dritte Elektrodenanordnung auf, an der im Messbetrieb des Sensors ein drittes elektrisches Potential angelegt wird. Dabei umfasst die zweite Elektrodenanordnung zumindest eine Guardelektrode, die dazu ausgebildet ist, Leckströme zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung abzuleiten.
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Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Sensor ein elektrostatischer Partikelsensor, der dazu ausgebildet ist, die Partikelmenge im Abgasstrom der Brennkraftmaschine zu ermittelnund/oder die Funktionstüchtigkeit eines Partikelfilters zu überwachen. Folglich sind auch die erste Elektrodenanordnung, die zweite Elektrodenanordnung sowie die dritte Elektrodenanordnung, wie für einen elektrostatischen Partikelsensor bekannt ist, relativ zueinander angeordnet und von der Isolationsanordnung voneinander elektrisch getrennt.
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Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors, der dazu ausgebildet ist, in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine verwendet zu werden. Das Verfahren weist ein Anordnen einer ersten Elektrodenanordnung, ein Anordnen einer zweiten Elektrodenanordnung, so dass die zweite Elektrodenanordnung mittels einer Isolationsanordnung von der ersten Elektrodenanordnung elektrisch isoliert ist, und ein Positionieren der ersten Elektrodenanordnung relativ zur zweiten Elektrodenanordnung mittels einer Verbindungsanordnung auf, die über zumindest eine Lotverbindung an der ersten Elektrodenanordnung und der Isolationsanordnung befestigt ist. Die zumindest eine Lotverbindung ist außerhalb eines elektrischen Felds angeordnet, das im Messbetrieb des Sensors durch Anlegen eines ersten elektrischen Potentials an der ersten Elektrodenanordnung und durch Anlegen eines zum ersten elektrischen Potential unterschiedlichen zweiten elektrischen Potentials an der zweiten Elektrodenanordnung erzeugt wird.
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Vorzugsweise weist der Schritt des Anordnens einer ersten Elektrodenanordnung ein Anordnen einer ersten Sensorelektrode und ein Anordnen einer mit der ersten Sensorelektrode elektrisch verbundenen zweiten Sensorelektrode auf. Bevorzugt sind die erste Sensorelektrode der ersten Elektrodenanordnung und die zweite Sensorelektrode der ersten Elektrodenanordnung derart relativ zueinander angeordnet, dass bei einem fiktiven Anlegen von unterschiedlichen Potentialen zwischen der ersten Sensorelektrode der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Sensorelektrode der ersten Elektrodenanordnung ein elektrisches Feld erzeugt werden würde, in dem sich die Verbindungsanordnung samt der Lotverbindungen zumindest teilweise befinden würde.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verbindungsanordnung elektrisch leitfähig und dazu ausgebildet, die erste Sensorelektrode der ersten Elektrodenanordnung mit der zweiten Sensorelektrode der ersten Elektrodenanordnung elektrisch zu verbinden.
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Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
- 1 eine Schnittansicht entlang einer Längsachse durch einen bekannten Sensor zeigt, und
- 2 eine Schnittansicht entlang einer Längsachse durch einen erfindungsgemäßen Sensor zeigt.
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Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßer Sensor anhand eines elektrostatischen Partikelsensors erläutert und dargestellt, wobei die Merkmale der vorliegenden Erfindung auch in weiteren Sensoren realisiert werden können, die in heißen Abgasen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden können, wie z. B. Stickoxidsensoren, Sauerstoffsensoren oder Lambdasonden.
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Sensor, der beispielhaft als elektrostatischer Partikelsensor 100 zur Erfassung einer Partikelmenge im Abgas einer Brennkraftmaschine angeordnet werden kann. Der Sensor 100 weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 110 auf, das sich im Wesentlichen entlang einer Längsachse 102 erstreckt. In weiteren Ausgestaltungen kann das Gehäuse 110 konisch oder gestuft ausgebildet sein. Das Gehäuse 110 weist einen Gewindeabschnitt 112 auf, mittels dem der Partikelsensor 100 beispielsweise in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingeschraubt werden kann. Das Gehäuse 110 weist ferner einen Bereich 114 auf, beispielsweise in der Form eines Außensechskants, an dem ein entsprechendes Werkzeug angesetzt werden kann, damit der Partikelsensor 100 in den Abgaskanal der Brennkraftmaschine wie gewünscht eingeschraubt werden kann.
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Innerhalb des Gehäuses 110 ist ein Messbereich 120 vorgesehen, der sich zwischen einem ersten Gehäusebereich 116, der dazu ausgebildet ist, in einem eingebauten Zustand des Partikelsensors 100 zumindest teilweise in einen Gasstrom (angedeutet mit einem Pfeil 10 in der 1), der durch den Abgaskanal der der Brennkraftmaschine strömt, zumindest teilweise hervorzustehen, und einen zweiten Gehäusebereich 118 im Wesentlichen entlang der Längsachse 102 erstreckt. Insbesondere beschreibt der erste Gehäusebereich 116 einen vordereren Endbereich des Gehäuses 110 und der zweite Gehäusebereich 118 beschreibt einen vom ersten Gehäusebereich 116 beabstandeten Gehäusebereich des Gehäuses 110. Genauer gesagt wird der Messbereich 120 durch den ersten Gehäusebereich 116 und den zweiten Gehäusebereich 118 in einer Richtung parallel zur Längsachse 102 festgelegt bzw. definiert.
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Das Gehäuse 110 weist ferner einen weiteren, sich entlang der Längsachse 102 erstreckenden und dem ersten Gehäusebereich 116 gegenüberliegenden Gehäusebereich 119 auf, in dem ein Kontakteaufnahmebereich 122 vorgesehen ist, in dem zumindest teilweise elektrische Kontakte (nicht gezeigt) des Partikelsensors 100 untergebracht werden können, über die der Partikelsensor 100 mit beispielsweise einer Steuereinheit eines Fahrzeugs verbunden werden kann.
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Im Messbereich 120 ist ferner eine erste Elektrodenanordnung 130 angeordnet, die eine im Wesentlichen zylindrische erste Sensorelektrode 132 aufweist, die koaxial zur Längsachse 102 angeordnet ist. Die Form der ersten Sensorelektrode 132 ist nicht auf die zylindrische Form begrenzt und kann jede weitere geeignete Form haben. Die erste Sensorelektrode 132 umfasst einen innerhalb des Messbereichs 120 angeordneten Messabschnitt 133A sowie einen sich entlang der Längsachse 102 durch den zweiten Gehäusebereich 118 in den Kontakteaufnahmebereich 122 erstreckenden Verbindungsabschnitt 133B, der mit dem Messabschnitt 133A elektrisch verbunden ist. Der Messabschnitt 133A ist beispielsweise als hohlzylindrischer Bereich ausgebildet.
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Der Verbindungsabschnitt 133B ist insbesondere dazu ausgebildet, eine elektrische Verbindung des Messabschnitts 133A zu im Kontakteaufnahmebereich 122 angeordneten elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) herzustellen, über die der Partikelsensor 100 mit z. B. der Steuereinheit des Fahrzeugs verbunden werden kann.
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Der Partikelsensor 100 weist ferner eine zweite Elektrodenanordnung 140 auf, die mittels einer Isolationsanordnung 160, die in der in der 1 dargestellten Ausgestaltung beispielhaft aus drei aus keramischen Werkstoff gebildeten Isolationselementen 162, 164, 166 gebildet ist, von der ersten Elektrodenanordnung 130 elektrisch isoliert ist. Die zweite Elektrodenanordnung 140 weist zumindest eine Guardelektrode 142 auf, die von der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130 mittels der Isolationsanordnung 160 elektrisch isoliert ist. Die Guardelektrode 142 ist über eine Guardverbindung 144 mit den im Kontakteaufnahmebereich 122 angeordneten elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) elektrisch verbunden.
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Ferner weist der Partikelsensor 100 gemäß der in der 1 dargestellten Ausführungsform eine mittels der Isolationsanordnung 160 von der ersten Elektrodenanordnung 130 und der zweiten Elektrodenanordnung 140 elektrisch isolierte dritte Elektrodenanordnung 150 auf, die zumindest eine im Messbereich 120 bezüglich der Längsachse 102 in radialer Richtung außerhalb der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130 und koaxial zu dieser angeordnete Sensorelektrode 152 aufweist. In weiteren Ausgestaltungen kann die Sensorelektrode 152 der dritten Elektrodenanordnung 150 eine konische oder gestufte Form aufweisen.
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Insbesondere ist Sensorelektrode 152 der dritten Elektrodenanordnung 150 um den Messabschnitt 133A der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130 derart angeordnet, dass ein erster Strömungspfad 104 zwischen einer radialen Innenwand 111 des Gehäuses 110 und einer radialen Außenwand 154 der Sensorelektrode 152 der dritten Elektrodenanordnung 150 derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den ersten Strömungspfad 104 vom ersten Gehäusebereich 116 in Richtung des zweiten Gehäusebereichs 118 strömt, und ein zweiter Strömungspfad 106 zwischen der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130 und der Sensorelektrode 152 der dritten Elektrodenanordnung 150 derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den zweiten Strömungspfad 106 vom zweiten Gehäusebereich 118 in Richtung des ersten Gehäusebereichs 116 strömt. In der 1 ist die Strömungsrichtung des Gasstroms durch den ersten Strömungspfad 104 mit einem Pfeil 12 angedeutet und die Strömungsrichtung durch den zweiten Strömungspfad 106 mit einem Pfeil 14 angedeutet.
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Damit der Gasstrom 10 durch den Messbereich 120 strömen kann, weist das Gehäuse 110 im ersten Gehäusebereich 116 zumindest eine Einlassöffnung 101 sowie eine sich entlang der Längsachse 102 erstreckende Auslassöffnung 103 auf.
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Der Partikelsensor 100 weist ferner zumindest eine Verbindungsanordnung 170 auf, die über Lotverbindungen 172, 174 (in der 1 schematisch jeweils als Punkte dargestellt) an der ersten Elektrodenanordnung 130, genauer gesagt an der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130, und der Isolationsanordnung 160, genauer gesagt an dem Isolationselement 166 der Isolationsanordnung 160, befestigt ist. Die Verbindungsanordnung 170 ist dazu ausgebildet, die erste Elektrodenanordnung 130, genauer gesagt die erste Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130, relativ zur zweiten Elektrodenanordnung 140, genauer gesagt zu der zumindest einen Guardelektrode 142, zu positionieren. Außerdem kann die vorzugsweise aus metallischem Werkstoff gebildete Verbindungsanordnung 170 einen Längenausgleich gewährleisten, der sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zwischen der ersten Elektrodenanordnung 130 und der Isolationsanordnung 160 ergibt.
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Während des Messbetriebs des Partikelsensors 100 werden mittels einer nicht dargestellten Spannungsversorgung an der ersten Elektrodenanordnung 130 ein erstes elektrisches Potential, an der zweiten Elektrodenanordnung 140 ein zweites elektrisches Potential und an der dritten Elektrodenanordnung 150 ein drittes elektrisches Potential angelegt. Beispielsweise beträgt das erste elektrische Potential ungefähr 1.000 V, das zweite elektrische Potential ungefähr 1 V und das dritte elektrische Potential ungefähr 0 V (d. h. dass an der dritten Elektrodenanordnung 150 ein Ground-Potential anliegt).
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Die zweite Elektrodenanordnung 140 wird in erster Linie zur Stabilisierung der Spannungsverhältnisse und elektrischen Potentiale im Partikelsensor 100 genutzt und sorgt dafür, dass im Messbetrieb des Partikelsensor 100 keine Leckströme zwischen der erste Elektrodenanordnung 130 und der dritten Elektrodenanordnung 150 fließen. Leckströme sind unerwünschte Ströme, die infolge unzureichender Isolationseigenschaften über die Isolationsanordnung 160 im Messbetrieb des Partikelsensors 100 fließen und damit die Messergebnisse des Partikelsensor 100 wesentlich verfälschen. Wie oben bereits beschrieben, wird im Messbetrieb das zweite elektrische Potential der zweiten Elektrodenanordnung 140 etwas oberhalb des dritten elektrischen Potentials der dritten Elektrodenanordnung 150 eingestellt. Dadurch fließen eventuell vorhandene Leckströme zur Guardelektrode 142 der zweiten Elektrodenanordnung 140 und werden dort abgeleitet, ohne die Strommessung des Partikelsensors 100 zu beeinflussen. Die Leckströme werden beispielsweise durch sich an der Isolationsanordnung 160 abgelagerten Feuchtigkeit ermöglicht, die die erste Elektrodenanordnung 130 und/oder zweite Elektrodenanordnung 140 und/oder die dritte Elektrodenanordnung 150 miteinander verbindet.
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Die Messung der Partikelmenge im Abgas mittels eines solchen elektrostatischen Partikelsensors 100 ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, weshalb vorliegend auf dieses Messverfahren nicht näher eingegangen wird.
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Bei dem bekannten Messverfahren wird aufgrund der an der ersten Elektrodenanordnung 130 und der zweiten Elektrodenanordnung 140 unterschiedlich angelegten elektrischen Potentiale ein elektrisches Feld erzeugt, in dem gemäß der 1 die Verbindungsanordnung 170 samt den Lotverbindungen 172, 174 zumindest teilweise angeordnet sind. Dieses elektrische Feld kann eine sogenannte Elektromigration (auch Lotmigration genannt) der Lotverbindungen 172, 174 verursachen, die zu einer Ablösung der Verbindungsanordnung 170 von der ersten Elektrodenanordnung 130 und/oder von der Isolationsanordnung 160 führen kann. Bei einer solchen Elektromigration kann sich aus den Lotverbindungen 172, 174 z. B. Silber lösen, das mittels des elektrischen Felds radial nach außen diffundiert.
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Elektromigration oder Lotmigration entsteht überwiegend dann, wenn mehrere Elektroden, an denen jeweils ein unterschiedliches Potential anliegt, durch ein leitendes Medium, z. B. Flüssigkeit oder leitende Rußpartikel, miteinander elektrisch verbunden werden. Im Ergebnis lagern sich die an der Anode ausgelösten Ionen an der Kathode ab und bilden durch Dendritenwachstum einen leitfähigen Pfad in Richtung der Anode. Zusätzlich können sich die Ionen beim Eintrocknen der Flüssigkeit auf der Isolatoroberfläche ablagern. Damit kann sich der Widerstandswert der Isolatoroberfläche reduzieren und sogar einen Kurzschluss hervorrufen.
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Unter Verweis auf die 2 ist ein erfindungsgemäßer Sensor beispielhaft als Partikelsensor 100 dargestellt. Der erfindungsgemäße Partikelsensor 100 der 2 unterscheidet sich vom bekannten Partikelsensor 100 der 1 darin, dass die erste Elektrodenanordnung 130 ferner eine zweite Sensorelektrode 134 aufweist, die mit der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130 elektrisch verbunden ist. In der in der 2 dargestellten Ausführungsform ist die zweite Sensorelektrode 134 der ersten Sensoranordnung 130 über eine elektrische Verbindungsleitung 136 mit der elektrisch leitenden Verbindungsanordnung 170 elektrisch verbunden, die wiederum mit der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Sensoranordnung 130 elektrisch verbunden ist.
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Folglich liegt bei Anlegen des ersten elektrischen Potentials an der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130 dieses erste elektrische Potential auch an der zweiten Sensorelektrode 134 der ersten Elektrodenanordnung 130 an. Aufgrund des Fehlens einer Potentialdifferenz zwischen der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130 und der zweiten Sensorelektrode 134 der ersten Elektrodenanordnung 130 ergibt sich zwischen der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130 und der zweiten Sensorelektrode 134 der ersten Elektrodenanordnung 130 kein elektrisches Feld.
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Die zweite Sensorelektrode 134 der ersten Elektrodenanordnung 130 ist derart angeordnet, dass das Verbindungselement 170, insbesondere die Lotverbindungen 172, 174, außerhalb des elektrischen Felds liegen, das durch Anlegen des ersten elektrischen Potentials an der zweiten Sensorelektrode 134 der ersten Elektrodenanordnung 130 und durch Anlegen des zweiten elektrischen Potentials an der zweiten Elektrodenanordnung 140 erzeugt wird. Somit kann die Gefahr der Elektromigration bzw. Lotmigration der Lotverbindungen 172, 174 vermieden werden, was zu einer Verbesserung der Dauerhaftigkeit dieser Lotverbindungen 172, 174 führen kann. Genauer gesagt ist die zweite Sensorelektrode 134 dazu ausgebildet, derart angeordnet zu werden, dass die Lotverbindungen 172, 174 feldfrei sind.
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In der in der 2 gezeigten Ausgestaltung ist die zweite Sensorelektrode 134 der ersten Elektrodenanordnung 130 ein im Wesentlichen zylindrischer Ring und koaxial zur Längsachse 102 angeordnet. Außerdem ist die zweite Sensorelektrode 134 der ersten Elektrodenanordnung 130 an der Isolationsanordnung 160 befestigt und mittels der elektrischen Verbindungsleitung mit der ersten Sensorelektrode 132 der ersten Elektrodenanordnung 130 elektrisch verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8713991 B2 [0003]
- DE 102006006112 A1 [0003]
- US 6454923 B1 [0003]
- EP 2237018 B1 [0003]
