CN103776752A - 颗粒物质传感器单元 - Google Patents

Abstract

一种颗粒物质传感器单元。所述颗粒传感器装置可以包括排气管线和传感器，废气经过所述排气管线流动；所述传感器可以设置在所述排气管线的一侧并且当颗粒经过所述传感器附近时产生电荷，其中电极部分可以形成在面对所述颗粒的所述传感器的前表面上。

Description

颗粒物质传感器单元

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年10月25日提交的韩国专利申请第10-2012-0119183号的优先权，该申请的全部内容结合于此，用于通过该引用的所有目的。

技术领域

本发明涉及颗粒传感器单元，该传感器单元准确且有效地检测对颗粒过滤器的损坏，并将检测信号传送到控制部分，所述颗粒过滤器过滤废气中含有的颗粒物质（PM）。

背景技术

柴油车辆已经使用柴油颗粒过滤器（DPF）以便减少其中的PM，并且使用压差传感器以检测在柴油颗粒过滤器中获得的PM的数量。

在将来，根据废气条例将不再使用压差传感器来检测DPF的损坏，另外，压差传感器的检测精度也较低。

公开于本发明背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的各个方面涉及提供一种颗粒传感器单元，其优势为准确检测通过颗粒过滤器的PM（颗粒物质）的数量，以及通过所检测的PM数量来准确检测对颗粒过滤器的损坏。

在本发明的一个方面中，颗粒传感器装置可以包括排气管线和传感器，废气经过所述排气管线流动；所述传感器设置在所述排气管线的一侧并且当颗粒经过所述传感器附近时产生电荷，其中电极部分形成在面对所述颗粒的所述传感器的前表面上。

凹槽形成在电极部分之间，所述凹槽形成的方向与所述废气流动的方向相交叉。

所述电极部分垂直于所述废气流动的方向而形成。

所述电极部分的横截面为矩形。

倾斜表面从所述电极部分的上端表面至所述凹槽形成为所述电极部分的侧面。

所述倾斜表面相对于所述电极部分的所述上端表面形成了从50到60度范围的角度。

所述电极部分的横截面为形成为所述倾斜表面的梯形。

所述电极部分的横截面为形成为所述倾斜表面的三角形。

所述电极部分为柱形并且在所述传感器的前表面处以柱形突出。

所述电极部分具有所述电极部分的宽度为20nm，与相邻电极部分的距离范围从20nm至120nm，并且高度范围为从20nm至几百纳米。

倾斜表面形成在所述突出部分的侧面上，以便从所述电极部分的上端表面至所述前表面变宽。

所述电极部分的横截面为梯形。

所述电极部分的横截面为三角形。

所述电极部分在柱形中突出，并且外部直径小于10nm以成为纳米线形。

所述电极部分形成有凹陷在柱形中的孔。

所述孔具有立方形。

所述孔可以具有三角形以便从其上表面至下表面变窄。

柴油颗粒过滤器（DPF）设置在所述传感器的上游侧，所述传感器产生由所述废气中含有的颗粒感应的电荷，并且控制部分基于所述传感器的所述电荷来确定所述柴油过滤器是否损坏。

本发明的方法和装置具有其他的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

图1为显示根据本发明示例性实施方案的在柴油颗粒过滤器中获得的颗粒物质数量的图形。

图2为显示根据本发明示例性实施方案的设置在排气管线中的颗粒传感器的状况的内部立体图。

图3为显示根据本发明示例性实施方案的基于传感器和颗粒物质之间的距离变化由传感器单元产生的电荷量的图形。

图4为显示根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器的前侧的立体图。

图5为显示根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器的后侧的立体图。

图6为显示根据本发明实施方案的围绕颗粒传感器的废气流动及其周围环境的侧视图。

图7为根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器表面的局部细节横截面侧视图。

图8为显示根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器的表面形状的立体图。

图9为显示根据本发明示例性实施方案的基于形成在颗粒传感器的表面上的凹槽和突起之间比例的等位线的图形。

图10（a）、图10（b）和图10（c）为显示根据本发明示例性实施方案的形成在颗粒传感器的表面上的凹槽类型的立体图。

图11（a）、图11（b）和图11（c）为显示根据本发明示例性实施方案的形成在颗粒传感器表面上的不同类型凹槽的立体图。

图12为显示根据本发明示例性实施方案的基于形成在颗粒传感器表面上的凹槽类型的信号的图形。

图13（a）和图13（b）为根据本发明的示例性实施方案的传感器置于其中排放系统的示意图。

图14（a）至（e）为显示根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器的各种类型表面的立体图。

应当了解，附图并不必须是按比例绘制的，其示出了某种程度上经过简化了的本发明的基本原理的各个特征。在此所公开的本发明的特定的设计特征，包括例如特定的尺寸、定向、定位和外形，将部分地由特定目的的应用和使用环境所确定。

在这些附图中，在贯穿附图的多幅图形中，附图标记指代本发明的相同或等效的部分。

具体实施方式

现在将具体参考本发明的各个实施方案，在附图中和以下的描述中示出了这些实施方案的实例。虽然本发明与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等同形式以及其它实施方案。

下面将参考附图对本发明的示例性实施方案进行详细描述。

图1为显示根据本发明示例性实施方案的在柴油颗粒过滤器中获得的颗粒物质数量的图形，图2为显示根据本发明示例性实施方案的设置在排气管线中的颗粒传感器的状况的内部透视图，图3为显示根据本发明示例性实施方案的基于传感器和颗粒物质之间的距离变化由传感器单元产生的电荷量的图形，图4为显示根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器的前侧的立体图。

参考图1，横轴表示压差的大小，而纵轴表示捕获效率。

第一区域140表示逐渐加强的传感器单元的压差面积，第二区域12表示柴油颗粒过滤器的捕获效率小于50%并且由压差传感器检测的区域。另外，第三区域10是由于柴油颗粒过滤器的损坏使得捕获效率几乎为0的区域。

如图中所示，通用压差传感器的灵敏度较低并且检测区域较窄，因此需要新型的压差传感器或颗粒传感器。

参考图2到图4，废气在排气管线100中流动，颗粒110包含在废气中。

附近的颗粒110经过传感器（120，颗粒传感器）并且传感器120在颗粒110经过时产生信号。

颗粒物质的电荷在传感器120中产生信号。

通常而言，由带电粒子产生的电场显示为下面的方程式。

$\stackrel{\→}{E}=\frac{Q}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{r}^2}\stackrel{\→}{a_r}$ *电场由带电粒子产生。

Q为带电粒子具有的电荷量，而r为与带电粒子的距离。

另外，ε₀为真空条件下的介电常数。

表面电荷形成在传感器电极边界上，该表面电荷等于由带电粒子物质形成的电场。感应电荷通过拉普拉斯方程来计算。当具有电荷量Q的电荷在（0，0，d）坐标系中时，在Z为0的直角坐标系的平面上的导体平板上，通过点电荷感应的电势和表面电荷密度如下面的方程式所示。

$V(x,y,z)=\frac{Q}{{4\mathrm{\π\ϵ}}_0}[\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2+{(z-d)}^2}}-\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2+{(z+d)}^2}}]$

电势由点电荷产生。

$\stackrel{\→}{E}=-\▿V$

$=\frac{Q}{{4\mathrm{\π\ϵ}}_0}[\frac{x\·\stackrel{\→}{a_x}+y\·\stackrel{\→}{a_y}+(z-d)\·\stackrel{\→}{a_z}}{{(x^2+y^2+{(z-d)}^2)}^{3/2}}-\frac{x\·\stackrel{\→}{a_x}+y\·\stackrel{\→}{a_y}+(z+d)\·\stackrel{\→}{a_z}}{{(x^2+y^2+{(z+d)}^2)}^{3/2}}]$

电场由点电荷产生。

${\mathrm{\ρ}}_s={\mathrm{\ϵ}}_0{E}_z{|}_{z=0}=-\frac{\mathrm{Qd}}{2\mathrm{\π}{(x^2+y^2+d^2)}^{3/2}}$

感应了表面电荷密度。

和

表示X轴、Y轴和Z轴在直角坐标系中的单位向量。

如果通过带电粒子形成在感应电极上的感应电荷量在X轴上显示，那么根据带电粒子和电极之间的距离产生如下图中的正信号。

图3为根据传感器和颗粒之间的距离X所感应的电荷信号的图形。

参考图4，传感器120包括硅电极层330和绝缘层340。

硅电极层330形成在中间部分中以具有预定厚度，绝缘层340形成在硅电极层330的前表面300和后表面310上。

绝缘层340包括形成在硅电极层330上的氧化层342，以及形成在氧化层342上的氮化层344。

突起的电极部分320形成在传感器120的前表面300上，其中电极部分320处于相互之间在宽度方向上为第一距离D1，在长度方向上为第二距离D2的位置。

基于设计规格可以改变第一距离D1和第二距离D2。另外，基于设计规格可以改变每个电极部分320的高度。

在本发明的示例性实施方案中，形成在传感器前侧的电极部分320可以具有各种形状，其形状可以选自长方体、正六面体、球体、三棱锥、四棱锥以及圆锥体中的至少一个。

参考图5，将描述传感器120的后表面310。

图5为显示根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器的后侧的立体图。

参考图5，绝缘层340形成在传感器120的后表面的一侧处，并且绝缘层340不在其另一侧形成。

发热电极400形成在绝缘层340上，如图所示，发热电极400包括具有Z字型的部分。

感应电极板410形成在没有绝缘层340形成的部分上，并且电气连接到硅电极层330。

在本发明的示例性实施方案中，硅电极层330包括与硅晶片相似的Si元件，发热电极400和感应电极板410包括传输电力良好并且具有高强度的铂（Pt）。

图6为显示根据本发明实施方案的围绕颗粒传感器及其周围环境的废气流动的侧视图。

参考图6，电极部分320以预定距离沿废气的流动方向，突起在传感器120的前表面300上，并且等位线沿电极部分320之间的凹槽形成。

图7为根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器表面的局部细节横截面侧视图。参考图7，显示了具有沟槽形状的电极部分的区域。

图8为显示根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器的表面形状的立体图。参考图8，凹槽800形成在传感器120上，其形成在相对于其长度方向的垂直方向上，并且凹槽800以预定距离设置在长度方向上。另外，电极部分320形成在凹槽800之间。

在本发明的示例性实施方案中，凹槽800并不限定形成在相对于其长度方向的垂直方向上，也可以形成在相交叉的方向上。

图9为显示根据本发明示例性实施方案的基于形成在颗粒传感器的表面上的凹槽和突起之间比例的等位线的图形。

参考图9，横轴表示电极部分320的宽度（W）和凹槽的宽度（S）之间的比例，而纵轴表示等电位区域的大小。

图10（a）、图10（b）和图10（c）为显示根据本发明示例性实施方案的形成在颗粒传感器上的凹槽型的立体图。

参考图10（a）、图（b）和图（c），电极部分320以相对于废气的流动方向的垂直方向上形成在传感器120的前表面上，并且凹槽800形成在电极部分320之间。

另外，电极部分320的宽度和高度为20μm，并且电极部分320之间的宽度在（a）中为20μm，在（b）中为40μm，在（c）中为60μm。也就是说，凹槽800的宽度在（a）中为20μm，在（b）中为40μm，在（c）中为60μm。

图11（a）、图11（b）和图11（c）为显示根据本发明示例性实施方案的形成在颗粒传感器上的凹槽的不同类型的立体图。

参考图11（a），显示了具有宽度（w）、距离（s）和高度（h）的电极部分320。

此处，形成在传感器120前侧上的电极部分320在相对于废气的流动方向的垂直方向上连续形成以成为沟槽型。此处，宽度（w）和高度（h）为20μm，距离（s）可以为20、40和60μm中的一项。

参考图11（b），显示了具有预定宽度（w）、距离（s）和高度（h）的电极部分320。

形成在传感器120的前表面上的每个电极部分320为柱型（pillartype）。此处，宽度（w）和高度（h）设定为20μm，距离（s）可以设定为20、40和60μm中的一项。

参考图11（c），显示了具有预定宽度（w）、距离（s）和高度（h）的电极部分320。

形成在传感器120的前侧上的每个电极部分320为孔型（poretype），其中孔102陷在柱型中。

宽度（w）和高度（h）设定为20μm，距离（s）可以设定为20、40和60μm中的一项。

图12为显示根据本发明示例性实施方案的基于形成在颗粒传感器表面上的凹槽类型的信号的图形。

参考图12，横轴表示颗粒的密度（mg/m³），纵轴表示基于传感器类型所产生信号的大小。

此处，传感器120的类型包括在图11中描述的沟槽型、柱型和孔型。如图所示，对于沟槽型信号较大且有意义。

另外，宽度（W）和距离（s）可以为10μm，高度（h）可以为40μm。

图13为根据本发明的示例性实施方案的传感器置于其中的排放系统的示意图。

参考图13（a）和图13（b），排放系统包括发动机130、排气管线100、柴油颗粒过滤器132、传感器120和气体分析仪134。

在图13（a）中，向传感器120和气体分析仪134供应经过柴油颗粒过滤器132之前的废气。相应地，经过柴油颗粒过滤器132之前的废气的特性通过传感器120和气体分析仪134来检测，并且传感器120的信号特性是能够分析的。

在图13（b）中，向气体分析仪134和传感器120供应经过柴油颗粒过滤器132的废气。相应地，经过柴油颗粒过滤器132的废气的特性能够通过传感器120和气体分析仪134来检测，并且传感器120的信号特性是能够分析的。

图14为显示根据本发明示例性实施方案的颗粒传感器表面的各种类型的立体图。

图14（a）显示了柱型的电极部分320，并且倾斜表面142形成在柱型电极部分320的侧表面上。倾斜表面142形成使得电极部分320的宽度在前端面变窄。

图14（b）显示了具有纳米线型的电极部分320，并且纳米线型的电极部分320具有直径（d）、高度（h）以及在二者直径形成的距离（s）。

图14（c）显示了具有沟槽型的电极部分320，并且沟槽型的电极部分在其侧表面上具有倾斜表面142。电极部分320的区域具有梯形的倾斜表面142。

图14（d）显示了具有沟槽型电极部分320的传感器，并且倾斜表面142形成在沟槽型电极部分320的侧表面上。电极部分320的区域具有三角形的倾斜表面142。

图14（e）显示了具有孔型电极部分320的传感器，并且倾斜表面142形成在孔型凹槽102的内部表面上。凹槽102的区域具有梯形的倾斜表面142。

此处，纳米线型电极部分320的直径（d）短于10nm，其为纳米型。另外，宽度（w）为20μm，高度（h）长于20μm，而距离（s）范围可以从20μm到120μm。此外，倾斜表面142的倾斜角度可以选自范围为50度到60度区域中的一个值（优选为54.7度）。

在本发明的示例性实施方案中，传感器设置在柴油颗粒过滤器的下游侧，传感器产生具有从柴油颗粒过滤器排出的颗粒的电荷信号，而控制部分分析产生的电荷信号的大小和频率，并且确定柴油颗粒过滤器是否损坏。

为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”和“外”是用于参考图中显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。

前述对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。这些描述并非想穷尽本发明，或者将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。这些描述并非想穷尽本发明，或者将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化，以及各种替换和修改。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (18)

1.一种颗粒传感器装置，包括：

排气管线，废气经过所述排气管线流动；以及

传感器，所述传感器设置在所述排气管线的一侧并且当颗粒经过所述传感器附近时产生电荷，

其中电极部分形成在面向所述颗粒的所述传感器的前表面上。

2.根据权利要求1所述的颗粒传感器装置，其中凹槽形成在电极部分之间，所述凹槽形成的方向与所述废气流动的方向相交叉。

3.根据权利要求2所述的颗粒传感器装置，其中所述电极部分形成在垂直于所述废气流动的方向上。

4.根据权利要求2所述的颗粒传感器装置，其中电极部分的横截面为矩形。

5.根据权利要求2所述的颗粒传感器装置，其中倾斜表面形成为从所述电极部分的上端表面至所述凹槽的所述电极部分的侧面。

6.根据权利要求5所述的颗粒传感器装置，其中所述倾斜表面相对于所述电极部分的所述上端表面形成了从50到60度范围的角度。

7.根据权利要求5所述的颗粒传感器装置，其中所述电极部分的横截面是形成为所述倾斜表面的梯形。

8.根据权利要求5所述的颗粒传感器装置，其中所述电极部分的横截面为形成为所述倾斜表面的三角形。

9.根据权利要求1所述的颗粒传感器装置，其中所述电极部分为柱形并且在所述传感器的前表面处以柱形突出。

10.根据权利要求9所述的颗粒传感器装置，其中所述电极部分具有所述电极部分的宽度为20nm，与相邻电极部分的距离范围从20nm至120nm，并且高度范围为从20nm至几百纳米。

11.根据权利要求9所述的颗粒传感器装置，其中倾斜表面形成在所述突出部分的侧面上，以便从所述电极部分的上端表面至所述前表面变宽。

12.根据权利要求10所述的颗粒传感器装置，其中所述电极部分的横截面为梯形。

13.根据权利要求10所述的颗粒传感器装置，其中所述电极部分的横截面为三角形。

14.根据权利要求1所述的颗粒传感器装置，其中所述电极部分在柱形中突出，并且所述电极部分的外部直径小于10nm以成为纳米线形。

15.根据权利要求1所述的颗粒传感器装置，其中所述电极部分形成有凹陷在柱形中的孔。

16.根据权利要求15所述的颗粒传感器装置，其中所述孔具有立方形。

17.根据权利要求15所述的颗粒传感器装置，其中所述孔具有三角形以便从其上表面至下表面变窄。

18.根据权利要求1所述的颗粒传感器装置，其中柴油颗粒过滤器设置在所述传感器的上游侧，所述传感器产生由所述废气中含有的颗粒感应的电荷，并且控制部分基于所述传感器的所述电荷来确定所述柴油过滤器是否损坏。

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