Sensorik für die Abgasreingiung

Durch die chemische Beständigkeit keramischer Werkstoffe auch bei hohen Temperaturen sind keramikbasierte Sensoren insbesondere für einen Einsatz in harschen Umgebungen wie der Abgasnachbehandlung und -reinigung geeignet. Das Fraunhofer IKTS bietet hier komplexe Sensorelemente und Sensorintegrationslösungen aus einer Hand. Ausgehend von der Synthese funktionskeramischer oder der Verarbeitung kommerzieller Werkstoffe entwickelt das IKTS Ruß-, Massenstrom-, Temperatur- und Gassensoren für die unterschiedlichsten Einsatzumgebungen. Für die Herstellung der Sensorelemente auf Basis der Dickschicht- und Multilayertechnologie verfügt das IKTS über ein langjähriges Know-how im Bereich keramischer Pasten und Tinten, die mit Hilfe verschiedener Drucktechnologien auf keramische, metallische sowie polymere Substrate abgeschieden werden. Mittels hochtemperaturtauglicher Aufbau- und Verbindungstechniken können diese Komponenten anschließend zuverlässig in Messsysteme integriert werden.

Um zuverlässige Diagnosefunktionen in der automobilen Abgasnachbehandlung zu erreichen, sind robuste Rußsensoren erforderlich, die den auftretenden aggressiven Atmosphären sowie der hohen Temperatur- und Vibrationsbelastung standhalten. Hierfür hat das Fraunhofer IKTS resistive Rußsensoren in Anwendung gebracht, die hinsichtlich ihrer Widerstands- und Heizleiterstrukturen, Schichteigenschaften und Packagingverfahren optimiert wurden.

Für eine Reduzierung der Partikel-, Stickstoffoxid- und Kohlenstoffdioxidemission während Verbrennungsvorgängen entwickelt das Fraunhofer IKTS pulsationsfähige Massenstromsensoren. Damit ist eine bessere sensorisch geregelte Abgassteuerung, insbesondere für die Abgasrückführung, realisierbar. Die Massenstromsensoren sind sowohl für die Bestimmung des Abgasmassenstroms von Dieselmotoren und Biogasanlagen geeignet als auch für den Einsatz in portablen Emissionsmonitoringsystemen (PEMS). Der hybride Materialansatz aus einem miniaturisierten, hochrobusten Sensorelement und einem thermisch entkoppeltem Gehäuse sowie einer angepassten, hochtemperaturtauglichen Aufbau- und Verbindungstechnologie ermöglicht den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen.

In der Abgasnachbehandlung und -reinigung spielt die Prozesstemperatur eine wichtige Rolle, da sie Informationen über die Effizienz und den Anlagenzustand liefert. Um die Prozesstemperatur an möglichst vielen Positionen messen zu können, bedarf es kompakter und integrierbarer Sensorlösungen. Hierfür verfügt das Fraunhofer IKTS über HTCC-basierte Temperatursensoren, mit denen es möglich ist, in Bereichen bis zu 1000 °C mit hoher Präzision zu messen. In Verbindung mit speziell entwickelten Gehäusekonzepten können diese Elemente ohne zusätzliche Kapselung zum Einsatz kommen und garantieren dadurch geringste Ansprechzeiten.

Für die Detektion von O₂, CO₂, H₂, CH₄ oder NH₃ bietet das Fraunhofer IKTS verschiedene Gassensoren an. Durch die geeignete Wahl von Messprinzip, Sensordesign und Betriebsparametern lassen sich diese an die verschiedensten Betriebsbedingungen anpassen. Amperiometrische Sauerstoffsensoren auf Basis von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid können beispielsweise bis zu einer Temperatur von 700 °C in einem Messbereich von 0 bis 100 Vol.-% eingesetzt werden. Zur Charakterisierung der Wechselwirkung mit Gasen sowie weiterer spezifischer Werkstoffeigenschaften stehen am IKTS zahlreiche Messplätze zur Verfügung.