CN102072850B - 粒子传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粒子传感器，其包括：膜片(1)，膜片加热装置(2)，和至少两个设置在膜片(1)上的用于测量导电性的测量电极(3，4)，其中膜片(1)具有小于或等于50μm的厚度(d)，以便能够实现用量热法确定粒子量。

Description

粒子传感器

技术领域

本发明涉及粒子传感器以及用于运行该粒子传感器的方法。

背景技术

除了用于粒子测量的光学方法之外，公开了粒子传感器，其通过在表面上在两个测量电极之间积聚的粒子的导电性测量来测量废气中的粒子含量。为了例如将液化的湿气对导电性的影响最小化，在较高的、恒定的温度情况下进行该导电性测量。接着，这种粒子传感器周期性地通过热学方法和/或电学方法来再生，其中所积聚的粒子通过所谓的“烧尽(Freibrennen)”被去除。

测量的精度通常是有限的，尤其在再生之后和在检测到小的粒子数量情况下，因为为了测量导电性必须首先在测量电极之间构造粒子桥。

出版物DE 101 33 384 A1描述了一种粒子传感器，其具有带有集成的加热元件的承载层以及带有印刷的测量电极的第二层。

发明内容

本发明的主题是一种用于检测在气流中的粒子的粒子传感器，例如在废气流中尤其是检测炭黑粒子，该粒子传感器包括膜片、膜片加热装置以及至少两个设置在膜片上的测量电极用于测量导电性，其中膜片具有小于或者等于50μm的厚度。

在此，膜片尤其是理解为机械上稳定的、薄的层状承载元件。

由于膜片的小的厚度，所以有利地减少了其占整个被加热的物质的部分，由此又成比例地提高了粒子占整个被加热的物质的部分并且能够实现量热法确定粒子量。由此，又可以改进粒子传感器的精度并且降低粒子传感器对于环境影响如湿气的横向灵敏度。

膜片优选由具有高的温度稳定性和低的导电性的材料构造。

膜片可以具有小于或者等于40μm、例如小于或等于20μm或者小于或等于10μm的厚度。例如，膜片可以具有大于等于1μm至小于等于20μm的厚度，尤其是大于等于5μm至小于等于10μm。这种厚度证明一方面有利于实现膜片的所测量的机械稳定性，另一方面有利于实现尽可能低的热容量。

为了进一步降低热容量，膜片此外可以是微结构化的。例如，膜片可以具有凹部用于减小热容量和/或具有强化的区域用于提高机械稳定性。

膜片可以由多个层构建。换而言之，膜片可以构造为层系统。例如，膜片可以包括一个或多个承载层，和/或一个或多个绝缘层和/或一个或多个功能层，例如加热元件和/或传感器元件如温度传感器或导热性传感器集成到其中的层。在此，膜片的厚度尤其是相应于整个层系统的厚度。

在粒子传感器的一个实施形式的范围中，膜片包括碳化硅(SiC)。碳化硅作为高的温度稳定性的材料用于构造膜片已证明是有利的。例如，膜片可以完全由碳化硅构造。然而同样可能的是，膜片由多个层构建，其中至少一个层包括碳化硅或者由其构造。

膜片加热装置可以集成到膜片中也可以构造在膜片表面上。

在另一实施形式的范围中，膜片加热装置集成到膜片中。例如，膜片可以由多个层构建，其中一个层尤其是中间层包括膜片加热装置。通过这种方式，可以在膜片的两个主面上设置分别由至少两个测量电极构成的测量电极系统用于导电性测量。特别地，可以在膜片的两个主面上设置不同地构造的测量电极系统，例如具有不同的测量电极距离的测量电极系统。对此附加地或者可替换地，可以在膜片的两个主面上设置其他传感器元件，例如温度传感器和/或质量流量传感器和/或导热性传感器。

在另一实施形式的范围中，膜片加热装置构造在膜片表面上。特别地，可以在膜片的主面上构造膜片加热系统，其中在膜片的相对的主面上构造有测量电极。

测量电极尤其是构造用于执行导电性测量，例如用于执行在测量电极之间的、尤其是积聚在膜片上的粒子的与频率相关的阻抗测量。例如，测量电极可以以相互交错的、梳状电极的形式来构造并且形成所谓的叉指型测量电极系统。在此，可以针对炭黑粒子量的不同的测量范围来匹配所述电极的间距及其长度。优选的是，在这些电极之间实现大于等于1μm至小于等于100μm的间距。

膜片可以通过衬底来浮置(schwebend)地保持。通过这种方式，可以减少加热时在传感器的其他区域中的热流失。例如，膜片可以在至少两个尤其是相对的部位上通过衬底浮置地保持。衬底同样可以由具有高的温度稳定性的材料构造。例如，衬底可以包括碳化硅(SiC)或者由其构成。传感器的分析电路和电子装置可以集成到衬底中。这具有的优点是，向外的电端子的数目被减少并且由此可以简化结构技术和连接技术。

在粒子传感器的另一实施形式的范围中，膜片表面催化粒子的分解和/或燃烧，尤其是炭黑粒子的分解和/或燃烧。这可以通过合适地选择膜片材料和/或通过由催化活性材料制成的膜片涂层来保证。优选的是，在此催化活性膜片材料或者催化活性膜片涂层此外是电绝缘的。

在粒子传感器的另一实施形式的范围中，传感器具有两个或者更多个单元，尤其是具有三个或者更多个单元，它们分别具有至少两个设置在膜片上的用于导电性测量的测量电极以及尤其是用于加热所述单元的测量电极的膜片加热装置。膜片加热装置在此可以同样与已经阐述的那样集成到膜片中或者设置在膜片表面上。

基本上，各单元的测量电极和膜片加热装置可以彼此间隔地构造在共同的膜片上或者其中。然而，为了避免由于热流导致的测量误差，优选的是每个单元具有自己的膜片，尤其是具有小于或等于50μm的厚度的膜片。

这种单元可以有利地在不同的温度情况下工作，这可以有利地作用于粒子传感器的灵敏度。尤其是多个单元能够实现测量的更好的时间分辨率。于是，例如可以是总是(immer)多个单元在粒子积聚模式中，而另一单元在粒子测量模式中，并且积聚的粒子量通过导电性测量和/或量热法测量来确定并且此外可选地从所积聚的粒子部分地或者完全地释放。

在粒子传感器的另一实施形式的范围中，各单元的膜片表面分别具有不同的催化活性。例如，膜片表面可以将粒子、尤其是炭黑粒子的分解和/或燃烧不同强度地催化。这例如可以导致粒子的不同的分解温度和/或燃烧温度，这又可以有利地影响气流的组分的确定。

如已经阐述的那样，其他的传感器功能可以集成到粒子传感器中。于是，例如膜片加热装置可以通过特定的与温度相关的电阻变化曲线也被考虑用于调节限定的温度。作为另外的例子，传感器可以包括一个或多个温度传感器用于确定膜片温度和/或环境温度，和/或包括一个或多个质量流量传感器用于确定气流的质量流量，和/或包括一个或多个导热性传感器用于确定气流的导热性。通过这种方式，例如可以在经历温度分布曲线的情况下由导热性测量的结果给出关于气流的组分、例如气流的二氧化碳含量和/或含湿量的进一步说明。

本发明的另一主题是一种用于运行根据本发明的粒子传感器的方法，其中在粒子积聚模式中积聚粒子并且在粒子测量模式中通过导电性测量和/或量热法测量来确定所积聚的粒子量。

通过量热法测量，尤其是可以确定所积聚的粒子(尤其是炭黑颗粒)的燃烧热和/或分解热。量热法测量在此可以基于加热功率和膜片温度的同时测量。在此，膜片温度可以通过膜片加热装置或者附加的膜片温度传感器来确定。尤其是可以在量热法测量中经历加热分布曲线。合乎目的的是，在加热曲线的范围中实现如下温度：在这些温度情况下所积聚的粒子、尤其是炭黑粒子被燃烧和/或分解。在此，膜片结构具有的优点是，温度可以非常快地被调制。这种量热法测量在传统的粒子传感器的情况下由于粒子占整个被加热的物质的非常小的部分而是不可能的。通过根据本发明地使用膜片，减少了传感器结构占整个所加热的物质的部分，由此成比例地提高了粒子占整个所加热的物质的部分。

为了提高确定粒子的精度，可以在粒子测量模式中通过量热法测量、热学测量和电测量的组合来确定所积聚的粒子量。

在该方法的一个实施形式的范围中，进行与温度分布曲线相关的导电性测量和/或导热性测量。在温度分布曲线的范围中(例如在低温情况下)也可以测量不同于要确定的粒子的、其他的积聚的材料的导电性和/或导热性，例如烟雾小滴中的湿度和/或流动性。从这样获得的数据(这些数据例如给出关于粒子层中的潮湿程度的信息)中必要时可以间接地确定粒子量。

在该方法的另一实施形式的范围中，积聚的粒子量间接地由不同于要确定的粒子的其他的积聚的材料的导电性测量和/或导热性测量的结果中来确定。

在较高的温度情况下，其他的积聚的材料如烟雾小滴中的湿气和/或流动性于是排出，使得导电性如在传统的粒子传感器情况下那样通过所积聚的粒子量来确定。

有利的是，可以通过测量确定的温度范围此外确定气流的其他组分的至少一部分，例如气流的含湿量。这样，气流的其他组分的至少一部分，例如气流的二氧化碳含量和/或含湿量可以通过与温度分布曲线相关的导电性测量和/或导热性测量来确定。

粒子传感器的再生、即粒子传感器从所积聚的粒子中的释放(Befreiung)、所谓的“烧尽”可以在粒子测量模式的范畴中以及在随后的再生模式的范畴中进行。

因为膜片的快速的温度控制是可能的，所以所积聚的粒子尤其是通过加热连同同时的导电性测量而不仅可以完全地被去除，而且还可以被去除到除了限定的残留物。换而言之，积聚的粒子可以被部分地去除，使得维持在测量电极之间的粒子桥的最少量。通过这种方式，可以在测量电极之间维持粒子桥的最少量，并且由此保持确定的基本导电性和确定的基本电阻。这具有的优点是，可以立即通过导电性变化或者电阻变化来继续测量新的粒子积聚，而无需首先在测量电阻之间构造导电桥，这尤其是在低的粒子浓度情况下会是耗时的。

在该方法的另一实施形式的范围中，粒子传感器具有两个或者更多个的已经说明的单元，其中一个单元在粒子测量模式中，而一个或者多个其他的单元在粒子积聚模式中。

附图说明

根据本发明的主题的其他优点和有利的扩展方案通过附图示出并且在下面的描述中说明。在此要注意的是，附图仅仅具有说明性的特点，并且并非旨在将本发明以任何形式限定。其中：

图1示出了通过根据本发明的粒子传感器的一个实施形式的示意性横截面图。

具体实施方式

图1示出了粒子传感器包括：膜片1，设置在膜片1上的膜片加热装置2，以及两个设置在膜片1上的测量电极3、4用于测量导电性。在此，膜片加热装置2和测量电极3、4在所示的实施形式中设置在膜片1的相对的侧上。图1此外示出了膜片1在两个相对的部位通过衬底5来浮置地保持。

Claims (10)

1.一种用于检测气流中的粒子的粒子传感器，包括：

-膜片(1)，

-膜片加热装置(2)，和

-至少两个设置在所述膜片(1)上的用于测量导电性的测量电极(3，4)，

其中所述膜片(1)具有大于或等于1μm至小于或等于50μm的厚度(d)，

其中所述膜片加热装置(2)被构造在所述膜片(1)的主面上，并且在所述膜片(1)的相对的主面上构造所述测量电极(3，4)，其中所述膜片(1)在至少两个相对的部位上通过衬底浮置地保持，在所述衬底中集成有所述粒子传感器的分析电路和电子装置。

2.根据权利要求1所述的粒子传感器，其特征在于，所述膜片(1)包含碳化硅。

3.根据权利要求1或2所述的粒子传感器，其特征在于，膜片表面催化粒子的分解和/或燃烧。

4.根据权利要求3所述的粒子传感器，其特征在于，所述粒子是炭黑粒子。

5.根据权利要求1或2所述的粒子传感器，其特征在于，该传感器具有两个或者更多个单元，它们分别具有至少两个设置在膜片(1)上的用于测量导电性的测量电极(3，4)和膜片加热装置(2)。

6.根据权利要求5所述的粒子传感器，其特征在于，各单元的膜片表面具有不同的催化活性。

7.一种用于运行根据权利要求1至6之一所述的粒子传感器的方法，其中

-在粒子积聚模式中积聚粒子，以及

-在粒子测量模式中通过导电性测量和/或量热法测量来确定积聚的粒子量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进行与温度分布曲线相关的导电性测量和/或导热性测量。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所积聚的粒子量间接地从不同于要确定的粒子的、其他的积聚的材料的导电性测量和/或导热性测量的结果中确定。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，一个单元在粒子测量模式中，而一个或者多个另外的单元在粒子积聚模式中。