CN103733076A - 烟尘传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及烟尘传感器系统。一种烟尘传感器包括烟尘传感器，该烟尘传感器包括位于烟尘传感器的第一表面上的第一元件。一种烟尘感测系统可以包括烟尘传感器和电耦合到该烟尘传感器的第一元件的电路系统。该电路系统配置成确定第一元件上所积累的烟尘量并且响应于烟尘积累而控制第一元件的加热。

Description

烟尘传感器系统
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年5月26日提交的美国临时专利申请序列No.61/490,310的权益，该申请的全部公开内容在此引入作为参考。
技术领域
本公开内容总体上涉及烟尘传感器，而且更具体地，涉及用于检测废气流中的烟尘的传感器系统。
背景技术
烟尘传感器可以用在发动机排放应用中，例如，用于车载诊断（OBD）。这种类型的传感器可以用于检测和测量发动机废气中颗粒物的积聚，例如烟尘浓度。尤其是在柴油发动机中，当废气被释放到环境中时，期望具有最低可能的烟尘颗粒浓度。为了监视内部内燃机的运行状态，为了这个目的，最好把烟尘传感器放到与内部内燃机关联的废气系统中。烟尘传感器可以位于柴油机颗粒过滤器（DPF）的上游或下游。如果它位于DPF的下游，则监视DPF的功能也可以利用烟尘传感器来执行。当DPF失败时，烟尘传感器可以检测发动机废气中过多的烟尘并且提醒车辆发动机控制单元（ECU）。
烟尘传感器可以是相对简单的电阻设备。图1是具有车载加热器元件的烟尘传感器的一种已知配置的示意性顶视图，而图2是图1烟尘传感器的示意性底部视图。传感器100可以包括限定第一表面104和与第一表面104相对的第二表面106的非传导性衬底102。传感器元件108在衬底102的第一表面104上形成，并且包括限定第一电极110和分离的第二电极112的传导性材料。传导性材料可以是选择成耐高温的贵金属，而且第一110和第二112电极可以彼此电分离，以便在其间建立开路。
如所示出的，第一和第二电极110、112可以配置成具有最大化第一和第二电极110、112之间周长的相互数字化的“手指”。第一电极110限定第一组手指114，而第二电极112限定分离的第二组手指116。在操作中，当来自废气的烟尘（未示出）落在感测元件108上时，烟尘中的碳电连接第一和第二电极110、112，从而有效地降低其间的电阻。电极之间的电阻是作为所存在的烟尘量的指示来测量的。
图3是沿线3-3取得的图1和2烟尘传感器的放大的截面图。如图2和3中所示，在有些应用中，传感器100还将具有在衬底102的第二表面106上实现的车载加热器元件118。车载加热器元件118配置成通过电阻加热来加热烟尘传感器110。例如，可能期望清除在衬底102的第一和/或第二表面104、106上收集到的烟尘。可以包括具有已知电阻的铂轨道的车载加热器元件118可以被激活，从而把传感器元件108加热到相对高的温度，例如650℃，由此使任何积累的烟尘颗粒焚化。
上述类型的烟尘传感器在废气系统中存在的条件下易于崩溃。电极直接受废气流作用，其中某些废气物质可能导致电极的腐蚀和/或传感器表面的污染，这可能对烟尘积累测量有干扰影响。此外，目前烟尘传感器的感测元件缺少能够感测感测元件轨道断开的诊断功能。而且，目前烟尘传感器中所包括的车载加热器难以在高流速条件下达到充分焚化所积累烟尘所需的高温。
附图说明
所要求的主题的特征和优点将从以下对与其一致的实施例的具体描述变得清楚，这种描述应当参考附图来考虑，其中：
图1是烟尘传感器的示意性顶视图；
图2是图1烟尘传感器的示意性底部视图；
图3是沿线3-3取得的图1和2烟尘传感器的放大的截面图；
图4是与本公开内容一致的烟尘传感器的示意性顶视图；
图5A是与本公开内容一致的、沿线5-5取得的图4烟尘传感器的一部分的截面图；
图5B是根据与本公开内容一致的另一种实施例、沿线5-5取得的图4烟尘传感器的一部分的截面图；
图6是图5B烟尘传感器部分的放大视图；
图7是与本公开内容一致的烟尘传感器的另一种实施例的示意性顶视图；
图8A是图7烟尘传感器的一部分的放大视图；
图8B是根据与本公开内容一致的另一种实施例、图7烟尘传感器的一部分的放大视图；
图8C是根据与本公开内容一致的另一种实施例、图7烟尘传感器部分的放大视图；
图9是与本公开内容一致的烟尘传感器尖端的透视图；
图10是沿线10-10取得的图9烟尘传感器尖端的放大的透视截面图；
图11是与本公开内容一致的烟尘传感器系统的一种示例性实施例的框图；
图12是包括钝化层的图7烟尘传感器的示意性顶视图；
图13是与本公开内容一致的烟尘传感器的另一种实施例的示意性顶视图；
图14是图13烟尘传感器的一部分的放大视图；
图15是处于烟尘感测模式的图13烟尘传感器的示意性顶视图；
图16是处于再生模式的图13烟尘传感器的示意性顶视图；
图17A-17D是处于第一和第二再生模式的图13烟尘传感器的示意性顶视图和关联的电路系统；
图18是与本公开内容一致的烟尘传感器组件的透视截面图；
图19A-19B是图18烟尘传感器组件的实施例的透视图；
图19C是图18烟尘传感器组件的一部分的放大的透视图；
图20是与本公开内容一致的另一种烟尘传感器组件的透视分解视图；
图21是处于组装状态的图20烟尘传感器组件的透视图；
图22A是沿线A-A取得的图21烟尘传感器组件的截面图；
图22B是沿线B-B取得的图21烟尘传感器组件的截面图；
图23A-23B是图20烟尘传感器组件的一部分的一种实施例的透视和截面图；
图24A-24B是图20烟尘传感器组件的一部分的另一种实施例的透视和截面图；
图25是耦合到图13烟尘传感器的电路系统的示意图；
图26是耦合到图13烟尘传感器的信号处理系统的框图；
图27是图26信号保护电路系统的示意图；
图28是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的输出电压对电阻的图；
图29包括与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的输出电压对时间的图；
图30A是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的电路系统的示意图；
图30B是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的电路系统的示意图；
图31是与图30A-30B的电路系统关联的电阻对时间的图；
图32是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的电源瓦数对空气流速的图；
图33A-33D是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的电源电压对时间的图；
图34是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的电阻对时间的图；
图35是与图34的图关联的烟尘积累对时间的图；及
图36是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的传感器响应对时间的图。
具体实施例
本公开内容总体上针对用于检测烟尘颗粒的烟尘传感器和烟尘传感器系统。总的来说，与本公开内容一致的烟尘传感器系统包括限定第一表面和与第一表面相对的第二表面的衬底。具有传导性材料的至少一个连续回路的至少一个元件位于衬底的第一表面上。这至少一个元件配置成以感测所述衬底的至少所述第一表面上烟尘积累的第一模式操作并且以除去所述衬底的至少所述第一表面上积累的烟尘的第二模式操作。第一和第二电触点位于这至少一个元件相对的末端上。电路系统电耦合到第一和第二电触点并且配置成确定在衬底的第一表面和该元件上积累的烟尘量并且响应于烟尘积累而控制元件的加热。
与本公开内容一致的烟尘传感器和/或烟尘传感器系统可以配置成位于具有柴油发动机的机动车辆的废气系统中。此外，烟尘传感器和/或烟尘传感器系统可以配置成用在油加热系统中的家用技术领域中，例如，为它提供了依赖于应用的适当设计的支撑。对于在机动车辆的废气系统中的使用，与本公开内容一致的烟尘传感器系统可以配置成检测来自废气流的烟尘积累。此外，烟尘传感器系统可以耦合到并且配置成与车辆的车载诊断系统通信。此外，烟尘传感器可以位于具有柴油发动机的机动车辆的柴油机颗粒过滤器（DPF）的下游，其中传感器可以配置成监视DPF的性能。
参考图4，示意性地绘出了与本公开内容一致的烟尘传感器的一种实施例。烟尘传感器400包括衬底402，例如由电介质或非传导性材料构成，限定第一表面404（例如，如图5A中所示，顶表面）和与第一表面404相对的第二表面406（例如，如图5A中所示，底部表面）。烟尘传感器400包括在衬底402的第一表面404上形成的传感器元件408。传感器元件408包括位于衬底402上的传导性材料的至少一个连续回路410。回路410可以采取任何规则和/或不规则的几何形状，例如，蛇形、螺旋形、矩形、圆形等。
在所说明的示例性实施例中，回路410布置在蛇形配置中，包括多个波状起伏的第一集合412及在多个波状起伏412中每一个当中和之间限定的多个间隙G1和G2。在所说明的实施例中，回路410中包括与传感器侧面413相邻的转弯411的部分被间隙G1隔开，而回路410中包括与传感器侧面417相邻的转弯415的部分被间隙G2隔开，而且间隙G1比间隙G2宽。如本文所使用的，术语“蛇形”指包括任何形状转弯的配置，例如，如图4中所示的弓形、方形、弓形与方形的组合等，而且还包括由统一和/或不同尺寸的间隙隔开的转弯。
传感器元件408进一步包括位于回路410相对末端的第一和第二电触点414、416。第一和第二电触点414、416可以配置成用于耦合到提供通过回路410的电流的电路系统。在所说明的实施例中，输入电流Isense可以在第一电触点414（或者第二电触点416）提供。
Isense的值可以代表传感器400上的烟尘量。在所说明的实施例中，例如，烟尘颗粒428示为在衬底402的第一表面404上积累，包括在传感器元件408上。随着烟尘428在传感器元件上积聚，回路410的电阻改变，这改变了Isense的值。因而，Isense的值代表传感器上积累的烟尘量。
传感器元件400进一步包括在衬底402的第一表面404上形成的加热器元件418。加热器元件418包括位于衬底402上的传导性材料的至少一个连续回路420。回路420可以采取任何规则和/或不规则的几何形状，例如，蛇形、螺旋形、矩形、圆形等，而且可以在其长度的至少一部分中定位成与传感器元件回路410相邻。
在所说明的示例性实施例中，回路420布置在蛇形配置中，包括与多个波状起伏的第一集合412互补并交织的多个波状起伏的第二集合422。加热器元件418进一步包括位于回路420相对末端的第一和第二电触点424、426。第一和第二电触点424、426可以配置成用于耦合到提供通过回路420的电流的电路系统。在所说明的实施例中，输入电流Iheater可以在第一电触点424（或者第二电触点426）提供。在一种实施例中，例如，当传感器元件408上积累了阈值量的烟尘428时，例如，由达到Isense的阈值所确定的，可以施加加热器电流Iheater，以便使加热器元件418加热并且至少部分地除去，例如焚化，烟尘428，由此清洁/再生传感器400供继续使用。
传感器元件408可以包括导电材料或金属，诸如金、铂、锇、铑、铱、钌、铝、钛、锆等，及氧化物、合金，以及包括上述金属中至少一种的组合。加热器元件418可以包括各种材料。例如，材料可以包括铂、金、钯等和/或合金、氧化物及其组合。衬底402可以包括非传导性和/或电绝缘的材料。材料可以包括氧化物，包括但不限于，氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镧、氧化硅和/或包括以上至少一种的组合，或者能够抑制电通信并且提供结构完整性和/或物理保护的任何类似的材料。此外，烟尘传感器400可以包括厚膜和/或薄膜构造。
图5A是与本公开内容的一种实施例一致的、沿线5-5取得的图4烟尘传感器400的一部分的截面图。在所说明的实施例中，烟尘颗粒428在至少传感器元件408上积累。特别地，当暴露给废气流时，烟尘颗粒428可能在传感器元件408的回路410的多个波状起伏412中每一个当中和之间限定的多个间隙G1和/或G2中至少一个中积累。当传感器元件408没有任何烟尘颗粒时，在第一和第二电触点414、416之间创建的传感器元件408的电子电路具有第一电阻。当烟尘颗粒428在传感器元件408上积累时，而且，特别是在多个间隙G1和/或G2中的至少一个当中积累时，其中烟尘颗粒428与回路410接触，第一和第二电触点414、416之间的电阻可能改变。随着更多的烟尘颗粒428聚集并积累，电阻可能增加。当期望把积累的烟尘颗粒428从烟尘传感器408除去时，加热器元件418可以被激活。加热器元件418可以配置成达到焚化烟尘颗粒428的温度。
图5B是根据与本公开内容一致的另一种实施例、沿线5-5取得的图4烟尘传感器的一部分的截面图，而图6是图5B烟尘传感器的一部分的放大视图。在一种实施例中，保护层532在衬底402的第一表面404之上形成并且分别覆盖传感器和加热器元件408、418的波状起伏412、422的至少一部分。保护层532可以配置成隔离传感器元件408的波状起伏412的至少一部分与废气流。保护层532进一步限定对应于并且与由传感器元件408的波状起伏412限定的多个间隙G1对准的多个通道534。
参考图6，多个通道534中的每一个都把传感器元件的至少一部分，例如波状起伏412的边缘636，暴露给废气流和烟尘颗粒428。在所说明的实施例中，多个通道534中的每一个的尺寸和/或形状都设计成允许烟尘颗粒428在多个通道534中的至少一个当中和对应的间隙G1中积累，使得烟尘颗粒428与暴露的传感器元件408传导性材料的至少一部分，例如波状起伏412的边缘636，接触。
图7是与本公开内容一致的烟尘传感器的另一种实施例的示意性顶视图，而图8A是图7烟尘传感器的一部分的放大视图。这种实施例类似于图4的实施例，而且以七百而不是四百给相同的组件指定相同的标号。烟尘传感器700包括限定第一表面704的衬底702。传感器元件708和加热器元件718在第一表面704上形成。传感器和加热器元件708、718每个都分别包括位于衬底702上的传导性材料的至少一个连续回路710、720。类似于图4的实施例，回路710、720可以布置在包括波状起伏的第一712和第二722集合的蛇形配置中。参考图8A，波状起伏的第一712和第二722集合进一步分别限定波状起伏的第一828和第二830子集。多个间隙832在多个波状起伏的第一828和第二830子集的每一个当中和之间限定。
传感器元件708进一步包括位于回路710相对末端的第一714和第二716电触点。第一和第二电触点714、716可以配置成用于耦合到提供通过回路710的电流的电路系统。在所说明的实施例中，输入电流Isense可以在第一电触点714（或者第二电触点716）提供。类似地，加热器元件718进一步包括位于回路720相对末端的第一724和第二726电触点。第一和第二电触点724、726可以配置成用于耦合到提供通过回路720的电流的电路系统。在所说明的实施例中，输入电流Iheater可以在第一电触点724（或者第二电触点726）提供。
在所说明的实施例中，传感器和加热器元件708、718可以配置成彼此分离和独立地操作，如以上关于图4的实施例所描述的。此外，烟尘传感器700可以进一步包括分别耦合到加热器718和传感器708元件的第一724和第二716电触点的开关S1，用于选择性地耦合和解耦触点724、716。当开关S1打开时，感测电流Isense由触点714和716之间传导性材料的回路710所关联的电阻确定并且随淀积在回路710上的烟尘颗粒而变，由此允许传感器元件感测烟尘颗粒。当开关S1闭合时，回路710和720串联地电耦合，从而在触点714和726之间建立传导性材料的单个连续回路。于是，电流Isense可以既通过传感器708又通过加热器718元件，以便允许传感器708和加热器718元件都充当单个加热器元件。
图8B是根据与本公开内容一致的另一种实施例的图7烟尘传感器的一部分的放大视图。在所说明的实施例中，传感器和加热器元件708、718包括位于第一表面704上的传导性材料的连续回路810、820。回路810、820布置在包括多个波状起伏的第一和第二集合812、822的蛇形配置中。多个波状起伏的第一和第二集合812、822进一步分别限定多个波状起伏的第一和第二子集834、836。多个间隙838在多个波状起伏的第一和第二子集834、836的每一个当中和之间限定，其中间隙838的尺寸和/或形状基本上是统一的。
在所说明的实施例中，回路810的宽度基本上比图8A所示的回路710更窄，由此把回路810的电阻增加至大于回路710的电阻的值。电阻的增加可能允许回路810配置成以比回路710更大的准确性感测温度。
图8C是根据与本公开内容一致的另一种实施例的图7烟尘传感器的一部分的放大视图。在所说明的实施例中，多个间隙840、842在多个波状起伏的第一和第二子集834、836的每一个当中和之间限定，其中间隙840、842的尺寸和/或形状变化。例如，间隙840具有宽度W1而间隙842具有宽度W2，其中宽度W1总体上比宽度W2大。当感测烟尘颗粒积累时，变化尺寸和/或形状的间隙840、842可以允许传感器元件708具有更宽的动态响应范围。
图9是与本公开内容一致的烟尘传感器尖端的透视图，而图10是沿线10-10取得的图9烟尘传感器尖端的放大的透视截面图。尖端900配置成至少部分地封住烟尘传感器1014，其中烟尘传感器1014可以包括与本公开内容一致的实施例。尖端900包括具有外表面904和内表面1004及近端908和远端910的主体902。在所说明的实施例中，主体902逐步从近端908总体上圆形的形状过渡到远端910总体上矩形的形状。主体902的几何形状配置成最小化尖端900内部的体积。主体902限定至少一个有角度部署的通道912，该通道912限定从主体902的外表面904到主体902的内表面1006的路径1016。
路径1016配置成把废气流指引到烟尘传感器1014，而且可以由相对于烟尘传感器1014的第一表面1018以小于90度的角度θ定向的侧壁限定，如由图10中箭头A指示的。因此，路径1016可以配置成相对于第一表面1018处于小于90度的一个角度，以便允许来自废气流的烟尘进入主体的内部并且相对于烟尘传感器1014的第一表面1018以小于90度的角度影响烟尘传感器1014。主体902可以限定沿主体的整个周界定位的多个有角度部署的通道912。
图11是与本公开内容一致的烟尘传感器系统的一种示例性实施例的框图。烟尘传感器系统1100包括烟尘传感器400。为了清晰和描述，将参考图4的烟尘传感器400。但是，应当指出，烟尘传感器系统1100可以包括与本公开内容一致的烟尘传感器的其它实施例。烟尘传感器系统1100进一步包括电耦合到烟尘传感器400并且配置成向烟尘传感器400提供电流的电路系统1102。在一种实施例中，电路系统1102可以分别耦合到传感器和加热器元件408、418的第一和第二电触点414、416和424、426，用于提供电流Isense和/或Iheater。
电路系统1102包括电耦合并配置成与控制器1106通信的测量电路1104。测量电路还电耦合到烟尘传感器400，例如，耦合到传感器元件408的第一和第二电触点414、416和/或加热器元件418的第一和第二电触点424、426。测量电路1104可以配置成在第一和第二电触点414、416之间施加电压并且向控制器1106提供代表Isense的结果值的输出。控制器1106可以是汽车的已知发动机控制单元（ECU）而且烟尘传感器400、测量电路1104和控制器之间的通信可以经已知的CAN总线实现。
通过传感器元件408的电流Isense的值可以用于确定已经淀积到烟尘传感器400上的烟尘的量，这可以进一步指示与传感器400相通的废气流中烟尘的量。如前面所指出的，当烟尘淀积在第一和第二电触点414、416之间时，触点414、416之间导电路径的电阻改变，这导致Isense的对应变化。Isense的值代表已经淀积到传感器400上的烟尘的量。
测量电路1104还可以配置成在加热器元件的第一和第二电触点424、426之间施加电压。当Isense的值达到预定阈值时，控制器1106可以向测量电路1104提供输出，以便通过向加热器元件418提供电流Iheater来使测量电路激活加热器元件418。一旦激活了加热器元件418，加热器元件418就可以加热至使积累的烟尘颗粒焚化的温度，由此从烟尘传感器400，特别是传感器元件408，清除烟尘颗粒。
此外，电路系统1102可以配置成检测传感器和/或加热器元件408、418中的开路和/或中断。例如，如果传感器元件408有中断，则该传感器元件的触点414、416之间的电路将是开路或者是具有高于正常的电阻的电路。因而，如果电流Isense降至低于预定阈值，则控制器1106可以提供指示传感器元件中故障的输出。
图12是包括钝化层的图7烟尘传感器的示意性顶视图。在所说明的实施例中，烟尘传感器700可以包括限定至少传感器元件708的第一714和第二716电触点和/或加热器元件718的第一724和第二726电触点的垫子部分1244。烟尘传感器700可以进一步包括位于衬底702的第一表面704上并且至少在垫子部分1244之上的钝化层1246。钝化层1246可以配置成抑制和/或防止传感器元件708的第一714和第二716电触点之间和/或加热器元件718的第一724和第二726电触点之间的任何传导。此外，钝化层1246可以配置成抑制和/或防止高热量的发生。钝化层1246可以包括非传导和/或电绝缘的材料。材料可以包括氧化物，包括但不限于氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镧、氧化硅和/或包括以上至少一种的组合，或者能够抑制电通信的任何类似材料。此外，钝化层1246可以包括配置成提供热绝缘的材料。在所说明的实施例中，钝化层1246可以包括厚膜玻璃。
图13是与本公开内容一致的烟尘传感器1300的另一种实施例的示意性顶视图，而图14是图13烟尘传感器1300的一部分的放大视图。总的来说，烟尘传感器1300包括限定第一表面1304的衬底1302。第一传感器/加热器元件1308和第二传感器/加热器元件1318在第一表面1304上形成。如本文更具体描述的，第一和第二传感器/加热器元件1308、1318可以每个都配置成以与图4中所示传感器元件408相似的方式感测烟尘积累。此外，第一和第二传感器/加热器元件1308、1318可以每个都配置成加热并且至少部分地除去，例如焚化，积累的烟尘，由此清洁/再生传感器1300供继续使用。
第一和第二传感器/加热器元件1308、1318每个都分别包括位于衬底1302上的传导性材料的至少一个连续回路1310、1320。类似于图4的实施例，回路1310、1320可以布置在分别包括波状起伏的第一和第二集合1312、1322的蛇形配置中。参考图14，波状起伏的第一和第二集合1312、1322进一步分别限定波状起伏的第一1328和第二1330子集。多个间隙1332在多个波状起伏的第一1328和第二1330子集当中和之间限定。如所示出的，间隙1332可以具有基本上统一的尺寸和/或形状。在所说明的实施例中，间隙1332可以具有宽度W。间隙1332的宽度W可以从10微米到100微米变化。在一种实施例中，间隙1332的宽度W是20微米。应当指出，多个间隙1332中一些可以改变尺寸和/或形状，由此，当感测烟尘颗粒积累时，允许传感器/加热器元件1308、1318具有更宽的动态响应范围。
如所示出的，第一传感器/加热器元件1308包括位于回路1310相对末端的第一1314和第二1316电触点。第一和第二电触点1314、1316可以配置成用于耦合到提供通过回路1310的电流的电路系统。类似地，第二传感器/加热器元件1318包括位于回路1320相对末端的第一1324和第二1326电触点。第一和第二电触点1324、1326可以配置成用于耦合到提供通过回路1320的电流的电路系统。
第一和第二传感器/加热器元件1308、1318可以包括导电材料或金属，诸如氧化铝、金、铂、锇、铑、铱、钌、铝、钛、锆等，及氧化物、合金以及包括以上金属中至少一种的组合。在一种实施例中，元件1308、1318可以包括具有淀积在其一部分上的薄膜铂轨道的氧化铝。
衬底1302可以包括非传导性和/或电绝缘的材料。材料可以包括氧化物，包括但不限于氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镧、氧化硅和/或包括以上至少一种的组合，或者能够抑制电通信并且提供结构完整性和/或物理保护的任何类似材料。此外，烟尘传感器1300可以包括厚膜和/或薄膜构造。
如本文更具体地描述的，烟尘传感器1300可以配置成以第一模式（下文中称为“烟尘感测模式”）操作，其中第一和第二传感器/加热器元件1308、1318配置成感测烟尘传感器1300的至少第一表面1304上的烟尘积累。烟尘传感器1300可以进一步配置成以第二模式（下文中称为“再生模式”）操作，其中第一和第二传感器/加热器元件1308、1318配置成加热并除去（例如，焚化）第一表面1304上所积累的烟尘的至少一部分，由此清洁/再生传感器1300。
第一和第二传感器/加热器元件1308、1318可以配置成彼此分离且独立地操作，如关于图4的实施例所描述的。此外，烟尘传感器1300可以进一步包括分别耦合到第一和第二传感器/加热器元件1308、1318的第二电触点1316、1326的开关S1，用于选择性地耦合和解耦触点1316、1326。例如，当开关S1打开时，第一和第二传感器/加热器元件1308、1318可以彼此分离地操作。当开关S1闭合时，第一和第二传感器/加热器元件1308、1318可以彼此电耦合，从而在触点1314和1324之间建立传导性材料的连续回路。
当传感器1300处于烟尘感测模式时，如图15中所示，输入电流Isense可以在第一电触点1314（或者第二电触点1316）提供。Isense的值可以代表传感器1300上的烟尘的量。如图15中所示，当开关S1闭合时，第一和第二传感器/加热器元件1308、1318彼此电耦合并且在触点1314和1324之间建立传导性材料的连续回路。于是，电流Isense可以既通过第一传感器/加热器元件1308又通过第二传感器/加热器元件1318，以便允许第一和第二传感器/加热器元件1308、1318都充当单个传感器元件。烟尘颗粒1333示为积累在衬底1302的第一表面1304上，包括第一和第二传感器/加热器元件1308、1318上。随着烟尘1333在传感器/加热器元件1308、1318上积聚，（例如，由回路1310和1320构成的）连续回路的电阻改变，这改变了Isense的值。因而，Isense的值代表传感器上积累的烟尘的量。
当阈值量的烟尘1333在第一和第二传感器/加热器元件1308、1318上积累时，例如，如由到达Isense的阈值所确定的，烟尘传感器1300可以配置成进入再生模式，如图16和17A-17B所示。如图16中所示，当传感器1300处于再生模式时，输入电流Iheater1可以在第一传感器/加热器元件1308的第一电触点1314（或者第二电触点1316）提供。类似地，输入电流Iheater2可以在第二传感器/加热器元件1318的第一电触点1324（或者第二电触点1326）提供。在一种实施例中，当阈值量的烟尘1333在第一和第二传感器/加热器元件1308、1318上积累时，例如，如由到达Isense的阈值所确定的，可以施加加热器电流Iheater1和/或Iheater2，以便使对应的第一和第二传感器/加热器元件1308、1318加热并且至少部分地除去，例如焚化，烟尘433，由此清洁/再生传感器300供继续使用。
在一种实施例中，当开关S1打开时，第一和第二传感器/加热器元件1308、1318可以彼此独立地操作，其中可以施加加热器电流Iheater1，以便只使第一传感器/加热器元件1308发热。类似地，可以施加加热器电流Iheater2，以便只使第二传感器/加热器元件1318发热。当开关S1闭合时，回路1310和1320彼此电耦合，从而在触点1314和1324之间建立传导性材料的单个连续回路。于是，电流Iheater1可以既通过第一传感器/加热器元件1308又通过第二传感器/加热器元件1318，以便允许两个元件1308、1318都充当单个发热器元件并发热。
烟尘传感器1300可以配置成以第一再生模式和第二再生模式操作，如图17A-17D中所示。图17A说明了处于第一再生模式的烟尘传感器1300，而图17B说明了与处于第一再生模式的烟尘传感器1300关联的电路系统的示意图。如所示出的，当处于第一再生模式时，第一和第二传感器/加热器元件1308、1318可以布置成彼此并联。这种配置对于其中第一和第二传感器/加热器元件1308、1318是热的而且电阻高的情形可能是适合的，由此使得在高流量条件下让更多输入电流进入元件1308、1318以便增加元件1308、1318发热的需求成为必需。
图17C说明了处于第二再生模式的烟尘传感器1300，而图17D说明了与处于第二再生模式的烟尘传感器1300关联的电路系统的示意图。如所示出的，当处于第二再生模式时，第一和第二传感器/加热器元件1308、1318可以布置成彼此串联。第一和第二传感器/加热器元件1308、1318的串联布置通常导致比（图17A中所示）并联布置的电阻更高的电阻。因而，以第二再生模式（例如，串联配置）操作对于其中期望限定电流消耗和/或当第一和第二传感器/加热器元件1308、1318是冷的并且期望快速加热的情形可能是适合的。此外，更高的电阻也可以提供再生过程中由于更高分辨率造成的元件1308、1318改进的温度测量。应当指出，第一和第二再生模式可以在固态切换和软件控制下被控制。相应地，在与本公开内容一致的有些实施例中，烟尘传感器可以配置成提供阶段性加热，其中处于第一和/或第二再生模式的元件1308、1318的操作可以实时地或者近乎实时地被控制（例如，开始、停止、暂停、在模式之间改变，等等），以解决废气流速度和/或废气温度。
图18是与本公开内容一致的烟尘传感器组件1800的一种实施例的透视截面图。总的来说，烟尘传感器组件1800包括具有第一端1804和第二端1806的外罩1802。外罩1802的形状和/或尺寸设计成部分封住金属块（slug）插入物1810。外罩1802可以包括金属和/或非金属材料。如所示出的，外罩1802的第二端1806的形状和/或尺寸设计成接纳金属块插入物1810的一部分并且通过耦合到金属块插入物1810的至少一部分的环1808保持金属块插入物1810。环1808可以通过本领域技术人员已知的各种方法耦合到外罩1802。在一种实施例中，环1808可以是焊接到外罩1802的激光，由此在外罩1802和环1808之间提供气密封（hermetic seal）（例如，基本上不透空气和/或气体）。
烟尘传感器组件1800进一步包括耦合到金属块插入物1810的烟尘传感器1300。为了清晰和描述，将参考图13的烟尘传感器1300。但是，应当指出，烟尘传感器组件1800可以包括与本公开内容一致的烟尘传感器的其它实施例。烟尘传感器组件1800进一步包括耦合到至少外罩1802并且配置成至少部分地封住烟尘传感器1300的传感器尖端1812。传感器尖端1812包括具有开放的近端1816和闭合的远端1818的主体1814。主体1814包括外表面1819A和内表面1819B。
在所说明的实施例中，传感器尖端1812的近端1816可以限定配置成与外罩1802的第二端1806的凸缘部分1822啮合配对的凸缘部分1820。传感器尖端1812可以在对应的凸缘部分1820、1822耦合到至少外罩1802，其中凸缘部分1820、1822可以彼此密封。此外，外罩1802可以配置成部分封住电耦合到烟尘传感器1300并且配置成向烟尘传感器1300提供电流的电路系统1102。
图19A-19B是图18烟尘传感器组件1800的金属块插入物1810的透视图。图19A说明了与环1808分离的金属块插入物1810，而图19B说明了耦合到环1808的金属块插入物1810。环1808可以包括限定内表面1928的主体1924和具有周界的外围1926。环1808可以配置成接纳金属块插入物1810的至少一部分。环1808可以包括金属和/或非金属材料。
在所说明的实施例中，金属块插入物1810包括具有近端1932和远端1934的主体1930。主体1930还包括其周界小于环1808的外围1926的周界的离散部分1936，使得离散部分1936配置成适合放在环1808中并且耦合到内表面1928。金属块插入物1810的离散部分1936可以通过本领域技术人员已知的各种方法耦合到环1808的内表面1928。在一种实施例中，例如，金属块插入物1810的离散部分1936可以通过铜焊方法结合到环1808的内表面1928，由此在金属块插入物1810和环1808之间提供基本上气密封。
金属块插入物1810的主体1930还包括配置成支撑烟尘传感器1300的至少一部分的第一表面1938和配置成支撑电连接，例如耦合到如箭头1947所指示的烟尘传感器1300的导线1944的互连线1946，的第二表面1940。主体1930进一步包括从至少第二表面1940通过主体1930并且到达金属块插入物1810的近端1932的小孔1942。小孔1942配置成接纳并允许互连线1946从外罩1802中的电路系统1102通过金属块插入物1810的一部分（例如，主体1930）到达第二表面1940。
第一表面1938可以限定其形状和/或尺寸设计成接纳烟尘传感器1300的至少一部分的通道。第一表面1938可以进一步配置成提供与烟尘传感器的最小接触并且防止烟尘传感器再生过程中的热量损失（加热器元件的加热）。传感器元件1300可以利用玻璃密封到第一表面1938，由此增加生产组装过程中烟尘传感器1300的耐用性并且减小振动趋势。如本领域技术人员所认识到的，烟尘传感器1300可以通过其它已知的方法耦合到第一表面1938。
如所示出的，第二表面1940可以限定其形状和/或尺寸设计成接纳导线1944和耦合到其的关联的互连线1946的一部分的通道。具有通过其的互连线1946的小孔1942可以用密封剂，诸如玻璃，填充，由此在互连线1946和关联的小孔1942之间提供气密封。
金属块插入物1810可以包括非传导性和/或电绝缘的材料。材料可以包括氧化物，包括但不限于氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镧、氧化硅和/或包括以上至少一种的组合，或者能够抑制电通信的任何类似材料。在所说明的实施例中，金属块插入物1810可以包括陶瓷材料。
图19C是图18烟尘传感器组件1800的一部分的放大的透视图。如早先描述过的，烟尘传感器组件1800可以包括耦合到至少外罩1802并且配置成至少部分地封住烟尘传感器1300的传感器尖端1812。在所说明的实施例中，传感器尖端的主体1814限定至少一个有角度部署的通道1948，该通道限定从主体1814的外表面1819A到主体1814的内表面1819B的路径1950。类似于图9的实施例，路径1950配置成把废气流指引到烟尘传感器1300。在所说明的实施例中，传感器尖端1812的主体1814限定多个沿主体1814的整个周界定位的有角度部署的通道1948。应当指出，烟尘传感器组件1800可以包括与本公开内容一致的传感器尖端的其它实施例。
在所说明的实施例中，传感器尖端1812的近端1816可以限定凸缘部分1820。凸缘部分1820配置成与外罩1802的第二端1806的凸缘部分1822啮合配对。传感器尖端1812的凸缘部分1820可以是焊接到外罩1802的凸缘部分1822的激光束，由此提供气密封，如由箭头1952所指示的。如本领域技术人员将很容易认识到的，凸缘部分1820、1822可以通过其它已知的方法彼此耦合。
图20是与本公开内容一致的另一个烟尘传感器组件2000的透视分解图，而图21是处于组装状态的图20烟尘传感器组件2000的透视图。总的来说，烟尘传感器组件2000包括配置成接纳并保留烟尘传感器的一部分的绝缘构件2002。为了清晰和描述，将参考图13的烟尘传感器1300。但是，应当指出，烟尘传感器组件2000可以包括与本公开内容一致的烟尘传感器的其它实施例。绝缘构件2002可以包括非传导性和/或电绝缘的材料。材料可以包括氧化物，包括但不限于氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镧、氧化硅和/或包括以上至少一种的组合，或者能够抑制电通信和/或耐相对高温（例如，600℃）的任何类似材料。在所说明的实施例中，绝缘构件2002可以包括陶瓷材料。
如所示出的，组件2000进一步包括具有第一端2006和第二端2008及从第一端2006延伸到第二端2008的纵向部署通路2010的内部外罩构件2004。通路2010的形状和/或尺寸设计成在其中接纳绝缘构件2002的一部分。如本文更具体描述的，内部外罩构件2004的形状和/或尺寸可以设计成接纳配置成在相对固定的位置固定（在图22A-22B中示出的）导线的一种或多种材料。
如所示出的，烟尘传感器组件2000进一步包括配置成耦合到内部外罩构件2004的一部分的传感器尖端。为了清晰和描述，将参考图18的传感器尖端1812。但是，应当指出，烟尘传感器组件2000可以包括与本公开内容一致的传感器尖端的其它实施例。传感器尖端1812可以耦合到至少内部外罩构件2004并且配置成部分地封住烟尘传感器1300。在所说明的实施例中，传感器尖端1812的凸缘部分1820配置成与在内部外罩构件2004的第二端2008上限定的凸缘部分2012啮合配对。传感器尖端1812可以在对应的凸缘部分1820、2012耦合到至少内部外罩构件2004，其中凸缘部分1820、2012可以彼此密封。
组件2000进一步包括与内部外罩构件2002的第一端2006相邻定位的第一间隔构件2014。例如，第一间隔构件2014的尺寸（例如，宽度）可以依赖于导线的期望长度。烟尘传感器组件2000进一步包括与间隔构件2014相邻定位的第二间隔构件2016。为了清晰，第二间隔构件2016部分地在截面中示出。例如，第二间隔构件2016的尺寸（例如，宽度）可以依赖于端子2018的期望长度。第一和第二间隔构件2014、2016可以包括非传导性和/或电绝缘的材料。材料可以包括氧化物，包括但不限于氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镧、氧化硅和/或包括以上至少一种的组合，或者能够抑制电通信的任何类似材料。在所说明的实施例中，第一和/或第二间隔构件2014、2016可以包括陶瓷材料。
烟尘传感器组件2000进一步包括配置成在其中接纳并保留每个端子2018的一部分的应力消除小块（nugget）2020。小块2020可以进一步耦合到束线（wire harness）组件2136（在图21中示出）。如所示出的，小块2020可以包括用于要在其中接纳的每个端子2018的一条或多条通路。小块2020可以包括两个互补的块半，其中，当定位成彼此相邻且互补时，它们组合形成一个单一的小块2020，如所示出的。小块2020可以进一步包括在其一部分上限定的径向槽2022。槽2022可以提供允许外部外罩构件2026的一部分朝小块2020向内卷曲的净空（例如，空间），使得外部外罩构件2026的卷曲部分对小块2020施加很小的或者不施加力。
小块2020可以配置成为把束线组件2136的线耦合到端子2018的连接（例如，焊接）提供应力消除。例如，如果束线组件2136在安装或经常性的使用中被拉，则小块2020可以提供应力消除。小块2020可以包括非传导性和/或电绝缘的材料。此外，小块2020可以包括塑料包覆成型材料。
如所示出的，垫环2024可以定位成与小块2020相邻。垫环2024可以具有真空管状横截面，使得束线组件2136可以通过垫环2024并且耦合到端子2018。垫环2024可以包括柔性且有弹性的材料，诸如模制的高温橡胶。
烟尘传感器组件2000进一步包括具有第一端2028和第二端2030及从第一端2028延伸到第二端2030的纵向部署通路2032的外部外罩构件2026。通路2032的形状和/或尺寸设计成接纳并封住第一和第二间隔构件2014、2016、端子2018及与来自（图22A-22B中所示）传感器1300的导线的对应连接、小块2020，及其中垫环2024的一部分。外部外罩构件2026可以包括能够抑制电通信并且对其中的部件提供结构完整性和/或物理保护的一种或多种材料。外部外罩构件2026还可以包括能够耐高温的材料。
在所说明的实施例中，外部外罩构件2026的第二端230限定凸缘部分2034。凸缘部分2034配置成与内部外罩构件2004的第二端2008的凸缘部分2012啮合配对。因此，外部外罩构件2026可以在对应的凸缘部分2034、2012耦合到至少内部外罩构件2004，其中凸缘部分2034、2012可以通过任何已知的方法彼此密封，以便提供总体上紧密的密封，由此防止湿气和/或其它污染物经第二端2030进入外部外罩构件2026的通路2032。
当外部外罩构件2026在组件2000的部件之上定位时（例如，滑动），外部外罩构件2026位于第一端2028或者其附近的一部分可能卷曲，使得外部外罩构件2026的直径可以在第一端2028或者其附近减小。卷曲的部分2138可能压缩位于通路2032中的垫环2024的一部分，其中垫环2024被压缩的部分可以提供总体上紧密的密封并且防止湿气和/或其它污染物进入外部外罩构件2026的第一端2028。卷曲的部分2138可以进一步密封地在外部外罩构件2026的通路2032中保留并固定小块2020。
图22A是沿线A-A取得的图21烟尘传感器组件的顶部截面图，而图22B是沿线B-B取得的图21烟尘传感器组件的侧面截面图。如所示出的，烟尘传感器1300的一部分在绝缘构件2002中定位并保留。在所说明的实施例中，耦合到传感器1300（例如，耦合到元件1308、1318的第一1314、1316和第二1324、1326电触点）的导线2240从传感器1300延伸离开并且进入内部外罩构件2004的通路2010并且最终进入外部外罩构件2026的通路2032。导线2240可以耦合到关联的端子2018，如由箭头2242所指示的。
导线2240的一部分可以通过固定材料2244固定在内部外罩构件2004中相对固定的位置。在一种实施例中，固定材料2244可以位于内部外罩构件2004的通路2010的一部分中并且完全包围导线2240的一部分。固定材料2244可以以液态形式提供并且随后固化。固定材料2244可以配置成对传感器1300和导线2240提供稳定性和振动保护，由此改善热响应。固定材料2244可以包括非传导性和/或电绝缘的材料，及抗湿和/或腐蚀的材料，诸如热固性塑料。
在一种实施例中，固定材料2244可以包括玻璃而且可以用于在内部外罩构件2004的通路2010的一部分中密封导线2240和传感器1300的一部分，由此增加生产组装过程中烟尘传感器1300和/或导线2240的耐用性并且减小振动趋势。如本领域技术人员所认识到的，导线2240的一部分可以通过其它已知的方法，诸如任何已知的铸封（potting）方法，在内部外罩构件2004中固定并密封。
转向图23A-23B，分别总体上说明了图20烟尘传感器组件2000的内部外罩构件的一种实施例2304的透视和截面图。这种实施例类似于图20的实施例，而且以二十三百而不是两百给相同的部件指定相同的标号。总的来说，内部外罩构件2304包括第一端2306和第二端2308及从第一端2306延伸到第二端2308的纵向部署通路2310。第二端2308限定配置成配对啮合传感器尖端1812的凸缘部分1820的凸缘构件2312。内部外罩构件2304进一步包括沿内部外罩构件2304的半径限定的扩展部分2314。如图23B中所示，扩展部分2314导致在通路2310的内表面2318上形成互补的凹陷部分2316。
如前所述，例如，固定材料2244，诸如玻璃，可以在通路2310的一部分中填充，以便牢固地在其中固定一根或多根导线2240。固定材料2244可以填充通路2310中的凹陷部分2316。当固定材料2244固化时，凹陷部分2316可以提供在通路2310中固定固化的固定材料2244的手段。更具体地说，凹陷部分2316中固定材料2244的固化部分将防止固化的固定材料2244在至少纵向方向（即，从内部外罩构件2304的第一到第二端2306、2308）的实质性运动。此外，通路2310的内表面2318可以配置成改善固定材料2244和内部外罩构件2304之间的相互作用。例如，在一种实施例中，内表面2318可以通过任何已知的方式（例如，但不限于，被氧化等）变粗糙，从而提供固定材料2244和内部外罩构件2304之间改善的相互作用。
图24A-24B分别是图20烟尘传感器组件2000的内部外罩构件的另一种实施例2404的透视与截面图。总的来说，内部外罩构件2404包括第一端2406和第二端2408及从第一端2406延伸到第二端2408的纵向部署通路2410。第二端2408限定配置成配对啮合传感器尖端1812的凸缘部分1820的凸缘构件2412。内部外罩构件2404进一步包括沿内部外罩构件2404的半径限定的凹陷部分2414。如图24B中所示，凹陷部分2314通常导致从内表面2418朝通路2410的中心延伸的互补的通常环形脊部2416。
当固定材料2244填充在通路2410中时，固定材料2244可以啮合并且在通路2410中脊部2416的周围填充。当固定材料2244固化时，脊部2416可以防止固化的固定材料2244的运动，由此在通路2410中固定固化的固定材料2244。类似于图23A-23B的实施例，通路2410的内表面2418可以配置成改善固定材料2244和内部外罩构件2404之间的相互作用。例如，在一种实施例中，内表面2418可以通过任何已知的方式（例如，但不限于，被氧化等）变粗糙，从而改善固定材料2244和内表面2418之间的相互作用。
图25是耦合到图13烟尘传感器的电路系统的示意图。图25的电路系统提供了在尝试增强烟尘传感器1300的烟尘收集时使泄漏电流效应为零的手段。如所示出的，第一和第二传感器/加热器元件（例如，传感器/加热器1和传感器/加热器2）可以配置成用于耦合到提供通过第一和第二传感器/加热器元件的传导性材料的电流的电路系统2500，其中电流可以由配置成提供例如38V输入电压的电源提供。在所说明的实施例中，电路系统2500可以包括第一晶体管Qs1、第二晶体管Qs2、第三晶体管Qs3和第四晶体管Qs4。晶体管Qs1-Qs4可以包括任何类型的开关设备。在所说明的实施例中，晶体管Qs1-Qs4可以包括MOSFET。晶体管Qs1-Qs4可以配置成控制电流从电源到第一和第二传感器/加热器元件的施加。
如所示出的，Qh断开而且第三晶体管Qs3断开，由此通过电阻器Rs9在源极提供与栅极相同的电势（0V）。2.5V的电压施加到第一和第二晶体管Qs1、Qs2，由此导致第一和第二晶体管Qs1、Qs2都断开。当第一晶体管Qs1断开时，5V的电压将通过上拉电阻器Rs7施加到第二晶体管Qs2的漏极。由此，2.5V的电势通过电阻器R5r在第三晶体管Qs3的漏极和第二晶体管Qs2的源极提供。对于所述布置的电路，第二晶体管Qs2将在其漏极具有5V的电势并且在其源极具有2.5V的电势，从而导致2.5V的漏极-源极压降。此外，由于第二晶体管Qs2源极有2.5V而且栅极有2.5V，因此第二晶体管Qs2将在其栅极和源极之间有0V电势差。第三晶体管Qs3将在其漏极具有2.5V电势，而且其源极接地，源极具有0V电势，导致2.5V的漏极-源极压降，这与第二晶体管Qs2的匹配。由于第二晶体管Qs2的栅极和源极与第三晶体管Qs3的栅极和源极处于相同的电势，因此第三晶体管Qs3栅极和源极之间结果产生的电势差为0V，这同样与第二晶体管Qs2的匹配。由于第二和第三晶体管Qs2、Qs3相等地偏置，因此可以抵消泄漏电流效果的方式取得烟尘测量。
图26是耦合到图13烟尘传感器的交流电流（AC）耦合信号处理系统的框图。AC耦合信号处理系统2600可以包括配置成接收输入AC电源电压Vac并且耦合到放大器2602的烟尘传感器1300，如图13中所示，其中放大器2602配置成接收通过烟尘传感器1300的信号电流，烟尘传感器1300包括第一和第二传感器/加热器元件1308、1318之间的电阻（Rsoot）。系统2600可以进一步包括耦合到放大器2602的DC恢复器2604。DC恢复器2604可以配置成同步地使来自所述放大器2602的信号接地。峰值检测器2606可以耦合到并且配置成从DC恢复器2604接收信号。此外，缓冲器2608，诸如单位增益运算放大器（图20中所示），可以耦合到并且配置成从峰值检测器260接收信号。系统2600可以进一步包括耦合到并且配置成从缓冲器2608接收信号的低通滤波器2610，其中低通滤波器2610可以配置成从所接收到的信号除去开关瞬态。通过假设到地和到输入电源都有500M欧姆的动态电阻，AC等效电路被说明为两个到地的500M欧姆电阻器。此外，递增地，两个500M欧姆的电阻器耦合在地和运算放大器2602的反向输入之间，而且，因此，可能对AC信号（电流）具有很小的影响。
图27是图26信号处理系统的电路系统的示意图。为了减小在烟尘传感器1300的电路系统的晶体管中可能发生的DC泄流电路的影响，可以实现AC耦合的方法。由于晶体管的DC泄漏的动态电阻可能比DC电阻大得多的事实，因此AC分压器将利用这个效果。理想的恒定电流源的动态电阻是∞欧姆。晶体管的泄漏的动态电阻是δv/δi。在一个例子中，该动态电阻可以是大约500M欧姆。这个值对于泄漏和操作点中的变化可能更加稳定。
通过利用AC耦合信号处理系统2600，晶体管的DC泄漏可以有效地从电阻测量Rsoot中消除。系统2600可以利用泄漏电流源的非常高的动态电阻。例如，系统2600利用能够经电容器耦合方波模拟和结果AC信号，由此允许期望的AC信号无衰减地通过电路系统（具有适当尺寸的电容器）。（由于晶体管泄漏电流造成的）不期望的DC电压和/或由于热效应造成的缓慢变化的电压可以被拒绝。
参考图27，依赖于考虑系统和/或传感器中所包括的任何软件和/或固件和/或硬件的应用，烟尘传感器1300可以配置成接收具有变化波形（方形、锯齿形、正弦曲线等）的各种信号频率。在所说明的实施例中，烟尘传感器1300可以配置成接收具有50Hz频率的方形波形的信号。应当指出，最佳频率可以帮助增加对EMC的健壮性、允许与软件和固件及硬件的更好集成，并且还可能具有信噪比的效果而且有可能随其寿命增加稳定性。
此外，波可以在零伏周围平衡，使得波可以相对于地相等地加减循环。此外，可以使用从地到某个预定电压电平，诸如30Vdc，循环的标准波形，从而导致不平衡的波形。不平衡的版本会由于Pt的迁移而降低Pt电极的寿命。但是，就考虑成本而言，不平衡的实现起来可能更廉价。
AC耦合信号处理系统2600可以配置成有效地从烟尘传感器电路系统中的晶体管消除DC泄漏。在操作过程中，DC恢复器2604可以配置成在方波的低压侧期间同步地使信号接地，由此在1.0uF电容器的输出侧产生基于零伏的方波。此外，串联的MOSFET同步地把这个方波的峰值传递到1.0uF的电容器。这个电容器在下一个周期之前一直保持这个峰值。这个电压被单位增益运算放大器2608缓冲，而且随后输出经低通滤波器2610被低通滤波，以除去开关瞬态。在一个例子中，其中不存在电流泄漏，如果Rsoot是100M，则Vout是5V*5.0μA/(3.0μA+100M)=0.24V。类似地，如果Rsoot是5M，则Vout是5V*5.0μA/(5.0μA+5.0M)=2.5V。
图28是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的输出电压对电阻的图。（下面紧接着示出的）下表包括在烟尘测量周期中两个加热器元件之间电阻Rsoot及处于25℃和105℃的对应输出电压的测量。
Figure BDA0000447724130000261
在所说明的实施例中，由于AC耦合信号处理系统2600的电路系统的设计，因此输出电压Vout与1/Rsoot成比例。这个数据呈现出高度的温度稳定性。在期望的时候，1/Rsoot方法在Rsoot的低值给出了高分辨率。
图29包括与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的输出电压对时间的图。用于测量电阻Rsoot的电压（峰值到峰值）信号可能影响传感器响应时间。随着电压增加，响应时间减小。由于AC耦合信号处理系统的电路可以配置成在5Vdc电源操作，因此可以实现电荷泵或者其它装置，由此增加传感器激励电压。这可能导致来自5Vdc电源的所需电流增加。
图30A和30B是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的电路系统的示意图。图30A绘出了上拉电阻器配置而图30B绘出了下拉电阻器配置。
图31包括与图30A-30B上拉和下拉电阻器配置关联的电阻对时间的图。图31说明了处于两个分离的激励电压，包括10V和5V，的上拉和下拉电阻器配置的电阻。在所说明的实施例，下拉电阻器配置利用更平滑的输出信号产生了稍有改进的传感器响应。
图32是暴露给具有200℃温度的废气的、与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的电源瓦数对空气流速的图。本文所述的烟尘传感器的实施例可以配置成在0℃到650℃甚至漂移到950℃的温度范围内操作。例如，与本公开内容一致的烟尘传感器可以配置成在从150℃到650℃的废气温度范围内操作。使传感器达到其再生温度所需的瓦数随废气温度和流速而变。对于这些不同条件，瓦数是可以预测和可以重复的。在所说明的实施例中，x-轴说明不同的废气速度，而y-轴说明让传感器达到其再生温度所需的瓦数。瓦数是通过测量跨第一和第二加热器元件的电压及通过第一和第二加热器元件的任何电流来测量的。知道电压和电流还允许计算加热器的电阻。加热器的电阻对温度曲线也是已知的。通过监视处于再生温度的加热器的电阻，可以确定加热器电阻是否改变或者偏移到其可接受的窗口之外。
当烟尘传感器暴露给废气流时，废气中所存在的某些物质可能不能在传感器再生过程中完全被加热器元件焚化。例如，这些物质可能包括灰和铁氧化物。这些物质可能随时间在传感器的表面上积聚并且造成传感器响应曲线的偏移（响应曲线：传感器电阻的变化对传感器面上所存在的烟尘的毫克数）。可以实现抵消这些物质随时间的响应的方案。例如，在达到露点之后，可以使传感器通过再生循环并且传感器可以存储处于无烟尘状态时的当前电阻。如果这个电阻与之前看到的不同，则这个偏移量可以用于补偿预期的传感器响应曲线。
一方面，本公开内容可以特征化一种预测烟尘传感器上烟尘浓度的方法。该方法可以包括测量传感器再生之间的时间并且确定那个时间帧内的平均烟尘浓度。对于典型的烟尘浓度水平，再生之间的时间可以小于两分钟至超过20分钟。但是，对于非常低的烟尘浓度水平，再生周期之间的时间可以长得多。这种方法的主要缺点是它只随相当长的时间周期提供平均烟尘浓度水平，这使它很慢，尤其是在低烟尘浓度水平。
另一方面，本公开内容可以特征化一种预测烟尘传感器上烟尘浓度的方法。这种方法比上述前一种方法的烟尘浓度确定更快。传感器的实际响应（传感器电阻的变化对时间）用于“实时地”计算更小时间片中传感器上所存在的烟尘量。这种方法使用电阻的变化对时间或者如在电压的变化对时间中所测量到的。
图33A-33D是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的电源电压对时间的图。图33A-33D中所说明的曲线示为具有15m/s的废气流和270℃的废气温度。x-轴以分钟为单位，而y-轴是电源电压的百分比。每条曲线中所使用的烟尘传感器耦合到下侧的下拉电阻器（在图30B中示出）。如在图33A-33D中可以最清楚地看到的，随着烟尘浓度增加，传感器的斜率也增加。水平的蓝线指示传感器获得再生的电源电压的百分比。所示出的蓝线被挑选（pick），以允许传感器响应主要在传感器响应斜率的线性区域中测量。有可能进一步缩短传感器再生之间的时间跨度，诸如处于静态的10%。如果烟尘浓度改变很多（通过传感器曲线中的斜率变化知道），则可以使用其它百分比。这将导致传感器上更少的烟尘，从而允许再生更快地发生。
图34是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的电阻对时间的图。烟尘传感器暴露给具有大约10.4mg/m3已知烟尘浓度、大约15.5m/s流速和大约273℃温度的废气。烟尘传感器的电阻是通过一个全周期来测量的（例如，通过烟尘传感器的完整再生对烟尘积累的感测）。如由箭头A所指示的，传感器电阻随着烟尘的积累开始下降。一旦达到预定的阈值电阻，如由箭头B所指示的，传感器就从烟尘感测模式切换到再生模式。当烟尘从烟尘传感器被清除后，电阻开始增加。如由箭头C所指示的，再生模式结束。
图35是与图34的图关联的烟尘积累对时间的图。总的来说，图35是图34的电阻测量对时间的线性化。如所示出的，烟尘在与电阻开始下降几乎相同的时间开始积累（图34中所示）。类似地，在烟尘积累并达到预定阈值的时刻，如由箭头B所指示的，再生模式开始并且烟尘积累水平开始下降（与图34的电阻增加一致）。电阻对时间到烟尘积累对时间的图的线性化是利用公式等式Sensor Vout=9206/√R确定的，其中Sensor Vout是传感器的输出电压，而R是电阻。应当指出，这是一个示例性公式等式，而且其它等式也可以用于图34的图的线性化。
图36是与本公开内容一致的示例性烟尘传感器所关联的传感器响应对时间的图。烟尘传感器暴露给具有大约27.5m/s流速和大约275℃温度的废气。
与本公开内容一致的烟尘传感器提供了各种优点。例如，图13的烟尘传感器1300的第一和第二传感器/加热器元件1308、1318的单层设计提供了众多独特且有利的特征。例如，由于元件可能既具有感测烟尘积累又加热至再生（即，清洁）衬底表面的能力的事实，烟尘传感器的再生效率提高了。因此，元件可以充当这二者的角色并且不需要加热单独的表面，诸如衬底的第二个相对表面（例如，背面）。此外，改进了高流量条件下的再生。衬底的第二个表面（例如，背面）可以用于附加的部件，诸如为系统进一步增加价值和多功能性并且可能降低成本的另一个传感器（例如，高精度废气温度传感器，等等）。
在与有些目前已知的电阻PM传感器相比时，单层设计还使用更少的材料，包括但不限于铂。贵金属的价格相对高而且由于其有限的供应会继续逐步升高。
在不运行在再生模式的情况下，与本公开内容一致的烟尘传感器电路系统也在开钥匙（upon key）和冷启动期间提供立即的传感器诊断自检。这种电路系统是相对简单和可靠的而且诊断检查可以利用低电流回路执行。
与本公开内容的一种实施例一致，提供了烟尘传感器。该烟尘传感器包括限定第一表面和与第一表面相对的第二表面的衬底。该烟尘传感器进一步包括具有位于衬底第一表面上的传导性材料的至少一个连续回路的第一元件。这至少一个元件配置成以感测衬底的至少第一表面上烟尘积累的第一模式操作并且以除去衬底的至少第一表面上积累的烟尘的第二模式操作。
与本公开内容的另一种实施例一致，提供了烟尘传感器系统。该烟尘传感器系统包括烟尘传感器。烟尘传感器包括限定第一表面和与第一表面相对的第二表面的衬底。烟尘传感器进一步包括具有位于衬底第一表面上的传导性材料的至少一个连续回路的第一元件。这至少一个元件配置成以感测衬底的至少第一表面上烟尘积累的第一模式操作并且以除去衬底的至少第一表面上积累的烟尘的第二模式操作。
烟尘传感器系统进一步包括电耦合到第一元件的电路系统。该电路系统配置成向第一元件提供电流并且确定在衬底的第一表面和第一元件上积累的烟尘量并且响应于衬底的第一表面和第一元件上所积累的烟尘量而控制第一元件的加热。
与本公开内容的还有另一种实施例一致，提供了测量淀积在烟尘传感器上的烟尘量的方法。该方法包括提供烟尘传感器。烟尘传感器包括限定第一表面和与第一表面相对的第二表面的衬底。该烟尘传感器进一步包括具有位于衬底第一表面上的传导性材料的至少一个连续回路的第一元件。这至少一个元件配置成以感测衬底的至少第一表面上烟尘积累的第一模式操作并且以除去衬底的至少第一表面上积累的烟尘的第二模式操作。
该方法进一步包括监视通过第一元件的感测电流，该电流代表在第一元件上积累的烟尘量。该方法进一步包括，当感测电流到达预定阈值时，响应于监视步骤而提供通过第一元件的加热器电流，以便由此除去在第一元件上积累的至少一部分烟尘。
虽然本发明的几种实施例已经在本文进行了描述和说明，但是本领域普通技术人员将很容易设想用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或本文所述的一个或多个优点的多种其它装置和/或结构，而且这些变化和/或修改中的每一个都被认为是在本发明的范围之内。更一般地说，本领域技术人员将很容易认识到，本文所述的所有参数、维度、材料和配置都意味着是示例性的，而且实际的参数、维度、材料和/或配置将依赖于要使用本发明教义的具体应用。本领域技术人员将认识到，或者能够利用不超过常规的经验确定，本文所述本发明具体实施例的许多等价物。因此，应当理解，以上实施例仅仅是作为例子给出的而且，在所附权利要求及其等价物范围内，本发明可以按照与具体描述和要求不同的其它方式实践。本发明针对本文所述的每种个别的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，如果这种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互矛盾的话，则两个或多个这种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任意组合也包括在本发明的范围内。
如本文所限定和使用的，所有限定都应当理解为涵盖（controlover）词典限定、引入作为参考的文档中的限定和/或所限定术语的普通意义。
如在本说明书和权利要求中所使用的，除非明确地相反指示，否则不定冠词“一个”应当理解为指“至少一个”。
如在本说明书和权利要求中所使用的，短语“和/或”应当理解为指这样连接的要素的“任意一个或者两者”，即，在有些情况下联合存在而在其它情况下分离存在的要素。除非清楚地另外指出，否则除了由“和/或”子句具体识别的要素，其它要素也可以可选地存在，这些其它要素与具体识别出的那些要素相关或者不相关。

Claims (20)

1.一种烟尘传感器，包括：
衬底，限定第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
第一元件，具有位于所述衬底的所述第一表面上的传导性材料的至少一个连续回路，至少一个所述元件配置成以感测所述衬底的至少所述第一表面上烟尘积累的第一模式操作并且以除去所述衬底的至少所述第一表面上所积累的烟尘的第二模式操作。
2.如权利要求1所述的烟尘传感器，其中所述第一元件是在蛇形配置中提供的，该蛇形配置包括多个波状起伏的第一集合和在所述多个波状起伏中每个之间限定的多个间隙。
3.如权利要求1所述的烟尘传感器，其中所述第一元件包括在其相对末端的第一电触点和第二电触点。
4.如权利要求3所述的烟尘传感器，其中，当烟尘颗粒在所述第一元件上积累时，所述第一电触点和第二电触点之间的电阻改变。
5.如权利要求1所述的烟尘传感器，进一步包括在所述衬底的所述第一表面之上形成并且覆盖所述第一元件的至少一部分的保护层，所述保护层配置成隔离所述第一元件的至少一部分与废气流。
6.如权利要求5所述的烟尘传感器，其中所述保护层限定对应于并且与所述第一元件的所述多个间隙对准的多个通道，使得所述第一元件的所述传导性材料的部分暴露给废气流和来自废气流的烟尘颗粒。
7.如权利要求1所述的烟尘传感器，进一步包括第二元件，该第二元件具有位于所述衬底的所述第一表面上的传导性材料的至少一个连续回路，所述第二元件配置成以感测所述衬底的至少所述第一表面上烟尘积累的第一模式操作并且以除去所述衬底的至少所述第一表面上所积累的烟尘的第二模式操作。
8.如权利要求7所述的烟尘传感器，其中所述第二元件是在蛇形配置中提供的，该蛇形配置包括与所述第一元件的所述多个波状起伏的所述第一集合交织的多个波状起伏的第二集合，而且其中所述第二元件包括在其相对末端的第一和第二电触点。
9.如权利要求8所述的烟尘传感器，进一步包括耦合在所述第一元件的第一电触点和第二电触点中一个与所述第二元件的第一电触点和第二电触点中一个之间的开关，所述开关配置成当所述开关闭合时串联连接所述第一元件的回路和所述第二元件的回路。
10.如权利要求1所述的烟尘传感器，进一步包括配置成至少部分封住所述烟尘传感器的尖端，所述尖端包括具有外表面和内表面的主体，所述主体限定至少一个有角度部署的通道，该通道限定从所述主体的所述外表面到所述主体的所述内表面的路径，所述路径配置成把废气流指引到所述烟尘传感器。
11.一种烟尘传感器系统，包括：
烟尘传感器，包括：
衬底，限定第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
第一元件，具有位于所述衬底的所述第一表面上的传导性材料的至少一个连续回路，至少一个所述元件配置成以感测所述衬底的至少所述第一表面上烟尘积累的第一模式操作并且以除去所述衬底的至少所述第一表面上所积累的烟尘的第二模式操作；及电路系统，电耦合到所述第一元件，所述电路系统配置成向所述第一元件提供电流并且确定在所述衬底的所述第一表面和所述第一元件上积累的烟尘量并且响应于在所述衬底的所述第一表面和所述第一元件上积累的烟尘量而控制第一元件的加热。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述第一元件是在蛇形配置中提供的，该蛇形配置包括多个波状起伏的第一集合和在所述多个波状起伏中每个之间限定的多个间隙。
13.如权利要求11所述的系统，进一步包括在所述衬底的所述第一表面之上形成并且覆盖所述第一元件的至少一部分的保护层，所述保护层配置成隔离所述第一元件的至少一部分与废气流。
14.如权利要求11所述的系统，其中所述第一元件包括在其相对末端的第一和第二电触点，其中，当烟尘颗粒在所述第一元件上积累时，所述第一和第二电触点之间的电阻改变。
15.如权利要求1所述的系统，进一步包括第二元件，该第二元件具有位于所述衬底的所述第一表面上的传导性材料的至少一个连续回路，所述第二元件配置成以感测所述衬底的至少所述第一表面上烟尘积累的第一模式操作并且以除去所述衬底的至少所述第一表面上所积累的烟尘的第二模式操作。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述第二元件是在蛇形配置中提供的，该蛇形配置包括与所述第一元件的所述多个波状起伏的所述第一集合交织的多个波状起伏的第二集合，而且其中所述第二元件包括在其相对末端的第一和第二电触点。
17.如权利要求16所述的系统，所述烟尘传感器进一步包括耦合在所述第一元件的第一电触点和第二电触点中一个与所述第二元件的第一和第二电触点中一个之间的开关，所述开关配置成当所述开关闭合时串联连接所述第一元件回路和所述第二元件回路。
18.如权利要求11所述的系统，进一步包括配置成至少部分封住所述烟尘传感器的尖端，所述尖端包括具有外表面和内表面的主体，所述主体限定至少一个有角度部署的通道，该通道限定从所述主体的所述外表面到所述主体的所述内表面的路径，所述路径配置成把废气流指引到所述烟尘传感器。
19.如权利要求11所述的系统，其中所述电路系统配置成当所述第一元件上积累的所述烟尘达到预定的阈值水平时激活所述第一元件以所述第二模式操作，所述第一元件配置成加热至除去所述第一元件和所述衬底的所述第一表面上所积累的至少一部分所述烟尘的温度。
20.一种测量烟尘传感器上所淀积的烟尘量的方法，所述方法包括：
提供烟尘传感器，所述烟尘传感器包括：
衬底，限定第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
第一元件，具有位于所述衬底的所述第一表面上的传导性材料的至少一个连续回路，所述至少一个元件配置成以感测所述衬底的至少所述第一表面上烟尘积累的第一模式操作并且以除去所述衬底的至少所述第一表面上所积累的烟尘的第二模式操作；
监视通过所述第一元件的感测电流，所述电流代表所述第一元件上积累的烟尘量；及
当所述感测电流达到预定的阈值时，响应于所述监视步骤，提供通过所述第一元件的加热器电流，以便由此除去所述第一元件上积累的至少一部分所述烟尘。
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