CN103782162A

CN103782162A - 颗粒物传感器及颗粒物传感器的制造方法

Info

Publication number: CN103782162A
Application number: CN201180073062.XA
Authority: CN
Inventors: 西岛大贵; 桥田达弘
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2031-08-29
Also published as: EP2752658B1; JP5686196B2; EP2752658A1; WO2013030930A1; EP2752658A4; US20140245815A1; CN103782162B; US9523632B2; JPWO2013030930A1

Abstract

本发明的颗粒物传感器（2）是用于检测被测量气体中的颗粒物数量的颗粒物传感器，其具有绝缘体（8）和在绝缘体（8）的主表面（8a）上相互隔开间隔地配置的一对电极（10、12）。绝缘体（8）在未形成有一对电极（10、12）的部分具有绝缘部（8b），该绝缘部（8b）在与主表面（8a）垂直的方向上的高度为一对电极（10、12）的高度以上。在该颗粒物传感器1的制造方法中，首先，在构成绝缘体（8）的基板上形成由一对电极（10、12）的构成材料构成的电极图案，在电极图案上形成与电极图案相同的图案的掩模，该掩模由在电极图案的烧结温度以下的温度挥发的材料构成。在该掩模上形成由绝缘部（8b）的构成材料构成的薄膜，使电极图案和薄膜烧结，从而形成电极（10、12）和绝缘部（8b）。

Description

颗粒物传感器及颗粒物传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及颗粒物传感器及其制造方法。更具体地说，涉及与被测量气体中的颗粒物数量相应地输出电气特性的颗粒物传感器及其制造方法。

背景技术

例如在专利文献1的系统中，配置有用于检测内燃机的排气路径中的颗粒物（particulate matter；以下也称为“PM”）的PM传感器（颗粒物传感器）。该PM传感器具有绝缘基材和相互隔开间隔地配置在绝缘基材上的一对电极。当在PM传感器的一对电极之间堆积废气中的PM时，与PM堆积量相应地电极之间的导电性发生变化，因此，电极之间的电阻发生变化。

另外，在专利文献1的技术中，PM传感器配置在颗粒物捕获用过滤器下游。因此，向PM传感器的电极堆积的PM堆积量与颗粒物捕获用过滤器下游的废气中含有的PM量相关联。在专利文献1中，基于PM传感器的电极之间的电阻值，检测颗粒物捕获用过滤器的故障等。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-144577号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在废气中的PM中，虽然是少量，但不定期地含有大粒径的PM。在大粒径的PM堆积在PM传感器的电极之间时，电极之间的导电性突变。因此，存在实际的PM量和传感器输出不具有相关性的情况。即，因大粒径的PM的附着而导致PM传感器产生与实际的PM量不同的输出，存在传感器输出的偏差增大的情况。

本发明以解决上述课题为目的而提供一种PM传感器及其制造方法，通过抑制大粒径的PM向电极之间附着，从而抑制了输出偏差。

用于解决课题的方案

为了实现上述目的，第一发明是用于检测被测量气体中的颗粒物数量的颗粒物传感器，其特征在于，具有：绝缘体和在所述绝缘体的主表面上相互隔开间隔地配置的一对电极，所述绝缘体在未形成有所述一对电极的部分具有绝缘部，所述绝缘部在与所述主表面垂直的方向上的高度为所述一对电极的高度以上。

第二发明是第一发明的颗粒物传感器的制造方法，其特征在于，具有：在构成所述绝缘体的基板上形成由构成所述一对电极的材料构成的电极图案的工序；在形成所述电极图案之后，在所述电极图案上形成与所述电极图案相同的图案的掩模的工序，所述掩模由在所述电极图案烧结的温度以下的温度挥发的材料构成；在所述掩模及所述基板上形成由构成所述绝缘部的材料构成的薄膜的工序；以及，使所述电极图案和所述薄膜烧结来形成所述电极和所述绝缘部的工序。

第三发明是第一发明的颗粒物传感器的制造方法，其特征在于，具有：在由构成所述绝缘体的材料构成的基板上，形成与所述一对电极的图案相同的形状的槽的工序；以及在所述槽的底部形成所述一对电极的工序。

发明的效果

根据本发明，在颗粒物传感器的电极之间形成高度为电极的高度以上的绝缘部。由此，成为如下结构：即便在废气中含有大粒径的颗粒物（PM），由于PM被电极之间的绝缘部阻挡，因此，也容易堆积在电极上而难以堆积在电极之间。因此，可以抑制因大粒径的PM的附着而导致电极之间的导电性突变，可以抑制传感器输出的偏差。

附图说明

图1是用于对本发明的实施方式中的PM传感器的整体结构进行说明的示意图。

图2是用于对本发明的实施方式的PM传感器的元件部的结构进行说明的示意图。

图3是用于对本发明的实施方式的PM传感器的元件部的截面形状进行说明的示意图。

图4是用于对以往的PM传感器的元件部的截面形状进行说明的示意图。

图5是用于对本发明的实施方式的PM传感器的相对于PM量的传感器输出与以往的PM传感器的相对于PM量的传感器输出进行比较说明的图。

图6是对本发明的实施方式的PM传感器的输出偏差与以往的PM传感器的输出偏差进行比较说明的图。

图7是用于说明在本发明的实施方式中、相对于PM传感器的电极与绝缘部之间的高度差的输出的偏差或PM检测极限量的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。另外，在各图中，对相同或相当的部分标注相同的附图标记并简化或省略其说明。

实施方式.

[关于本实施方式的PM传感器的结构]

图1及图2是用于对本发明的实施方式中的PM传感器进行说明的示意图，图1是PM传感器的整体图、图2是将传感器元件部的局部放大后的图。图1所示的PM传感器2在例如搭载于车辆的内燃机的排气路径的颗粒物捕获用过滤器（DPF）下游设置，用于检测废气中的PM量。

如图1所示，PM传感器2具有罩4和设置在罩4内的空间的元件部6。罩4具有使气体流过的多个孔。在使用PM传感器2时，废气从罩4的多个孔流入罩4内部，元件部6成为与废气接触的状态。

如图2所示，PM传感器2的元件部6具有绝缘基材8（绝缘体）。绝缘基材8由氧化铝构成。在绝缘基材8的主表面8a上形成有一对电极10、12。电极10、12以相互不接触的状态隔开一定的间隔而配置。电极10、12分别具有呈梳齿形状形成的部分，并形成为在该部分相互啮合。在绝缘基材8内部的电极10、12的下层埋入有未图示的加热器。

［关于本实施方式的PM传感器的特征结构］

图3是用于对本实施方式的PM传感器2的、图2中的元件部6的虚线（a）部的A-B截面进行说明的示意图。另外，图4是用于对以往的PM传感器的与图3相当的部分进行说明的示意图。

如图3所示，在本实施方式的PM传感器2中，在绝缘基材8的主表面8a上的未形成有电极10、12的部分，形成有绝缘部8b。绝缘部8b由与绝缘基材8相同的材料即氧化铝的烧结体构成。即，在主表面8a上的被电极10、12夹着的部分形成有绝缘部8b。在与PM传感器2的元件部6的主表面8a垂直的方向上（即在图3的纸面上在上下方向上），电极10、12表面的高度比绝缘部8b表面的高度低。

另一方面，在图4的以往的PM传感器中，在绝缘基材108的主表面上形成有具有梳齿形状的部分的一对电极110、112。但是，在绝缘基材108上的未形成有电极110、112的部分未形成有绝缘部。即，如图4所示，在与元件部的主表面108a垂直的方向上，一对电极110、112之间成为凹陷的状态，绝缘基材108的主表面108a露出。

［本实施方式的PM传感器的制造方法］

本实施方式的PM传感器2利用以下的制造方法来制造。首先，准备构成绝缘基材8的氧化铝基板，在该氧化铝基板上印刷用于形成电极10、12的电极图案。此后，在电极图案上印刷形状与电极10、12相同的掩蔽剂，将电极图案掩蔽。在此，作为掩蔽剂，使用在电极烧结温度以下的温度挥发的材料。在掩模形成后，在整体形成氧化铝薄膜。在氧化铝薄膜形成后，利用高温对氧化铝薄膜和电极图案进行烧结，从而形成绝缘部8b、电极10、12。由于在烧结时掩模挥发，因此，形成在掩模上部的氧化铝薄膜也同时被剥离。其结果是，作为氧化铝烧结体的绝缘部8b仅残留在未形成有电极10、12的部分。

［本实施方式的PM传感器2的特性］

另外，废气中的PM的粒子分布大致在100nm以下具有粒径的峰值。但是，虽然是少量，但会不定期地产生数μm以上的大粒径的PM。在以往的PM传感器的情况下，尤其是大粒径的PM被相对于绝缘基材108的主表面108a呈凸状形成的电极110、112阻挡，因此，容易堆积在电极110、112之间的凹部即主表面108a上（参照图4）。另外，大粒径的PM容易使电极110、112之间的导电性突变。因此，在以往的PM传感器的情况下，在产生了大粒径的PM的情况下，受其影响而导致电极110、112之间的电阻容易突变，PM传感器的输出从实际的PM量偏离而容易产生偏差。

相比之下，在本实施方式的PM传感器2的情况下，在电极10、12之间不存在空间地形成有比电极10、12更凸出的凸状的绝缘部8b。因此，在产生了大粒径的PM的情况下，PM也被凸状的绝缘部8b阻挡而容易堆积在电极10、12上部（参照图3）。PM即便堆积在电极10、12上部，也不会对电极10、12之间的导通状态带来大的影响。即，在本实施方式的PM传感器2的情况下，由于在电极10、12之间难以堆积大粒径的PM，因此，即便产生大粒径的PM，也难以因此而产生输出偏差，可以稳定地产生传感器输出。

图5是用于对本实施方式的PM传感器2与以往的PM传感器的、相对于PM量的传感器输出变化进行比较说明的图。在图5中，横轴表示PM量、纵轴表示传感器输出。另外，在图5中，曲线（a）表示本实施方式的PM传感器2的输出、曲线（b）表示以往的PM传感器的输出。另外，图5的（c）表示本实施方式2的PM传感器的检测下限量、（d）表示以往的PM传感器的检测下限量。

如图5所示，以往的PM传感器的检测下限量小（参照（d）），相对于少的PM量也以高的灵敏度进行检测，但在PM量少的状态下，输出容易产生偏差（参照（b））。另一方面，本实施方式的PM传感器2的检测极限量与以往相比增大（参照（c）），其输出难以产生偏差，可以稳定地产生与PM量相应的输出（参照（a））。

图6是表示本实施方式的PM传感器2和以往的PM传感器的、作为被测量气体而测量了PM量20mg的废气的情况下的传感器输出的偏差的图。在图6中，纸面左侧表示基于以往的PM传感器的输出的检测值、右侧表示基于本实施方式的PM传感器2的输出的检测值。

从图6可知：在以往的PM传感器的情况下，对于相同的PM量（20mg），基于传感器输出的检测值在大的范围产生偏差，相比之下，在本实施方式的PM传感器2的情况下，传感器输出的偏差减小。

这样，在本实施方式的PM传感器2中，通过在电极10、12之间形成绝缘部8b，输出偏差减小，可以得到稳定的传感器输出。但是，另一方面，由于绝缘部8b成为障碍，因此，难以由电极10、12之间的PM形成导电通路。因此，尤其是在向元件部6堆积的PM堆积量少时，存在难以产生传感器输出的趋势。即，因形成凸状的绝缘部8b而带来的输出偏差的减小与传感器灵敏度的提高存在相悖关系。

图7是说明相对于绝缘部8b与电极10、12之间的表面（在图3中为上侧的面）的高度差的、传感器输出的偏差和PM检测下限量的关系的图。在图7中，横轴表示电极10、12之间（绝缘部8b）与电极10、12的高度差（绝缘部面-电极面），其表示：值越小，电极10、12的高度越高，值越大，绝缘部8b的高度越高。另外，图7的左侧纵轴表示PM检测的下限量、右侧纵轴表示检测偏差，曲线（a）表示PM检测的下限量、曲线（b）表示检测偏差。

如图7（a）所示，在电极10、12表面的高度比绝缘部8b高的范围（即横轴高度差比0小的区域），PM检测下限量小。即，即便是少的PM量，也可以进行检测，从而确保高的传感器灵敏度。但是，在电极10、12的高度比绝缘部8b低的区域（高度差比0大的区域），随着其高度差增大，PM检测下限量逐渐增大。即，若不是堆积了更多的PM的状态，则不能得到传感器输出，PM传感器的灵敏度低。

另一方面，如图7的曲线（b）所示，检测偏差在电极10、12的高度比绝缘部8b高的范围（即高度差比0小的区域）大，在绝缘部8b的高度比电极10、12高的范围小。另外，从图7的曲线（b）可知：该检测偏差在电极10、12表面和绝缘部8b的高度相同即高度差为0附近较大地突变。因此，可认为即便使电极10、12表面比绝缘部8b稍低、输出偏差也大幅被改善。

根据上述趋势，考虑被允许的检测偏差和所希望的传感器灵敏度，适当确定绝缘部8b的高度和电极10、12的高度。但是，如上所述，PM检测下限量在高度差比0大的区域，随着高度差增大，PM检测下限量逐渐增大，相比之下，检测偏差在高度差为0附近突变，在绝缘部大的区域（高度差为负的区域），检测偏差增大。因此，高度差优选设定在正向侧（绝缘部8b高）的极小的值。另外，在本发明中，绝缘部8b和电极10、12的表面的高度也可以相同（高度差为0）。

另外，在本实施方式中，对PM传感器2的制造方法进行了说明，但在本发明中，PM传感器的制造方法并不限于此，也可以是其他方法。具体来说，例如，电极图案、掩模、氧化铝薄膜也可以不通过印刷法来形成，只要能够通过蒸镀法、溅射法、CVD法等其他方法等最适合于各自所使用的材料的方法来形成即可。另外，并不限于上述制造方法，也可以采用如下方法：在作为绝缘基材的氧化铝基板上形成与电极图案相同的槽，在该槽的底部通过印刷或其他方法埋入电极。在该情况下，通过调节所要形成的槽的深度、电极的厚度，也可以将成为绝缘部8b的部分（氧化铝基板的未形成有槽的部分）的表面和电极10、12的表面的高度差调节到所希望的值。

另外，在本实施方式中，对在主表面8a上的未形成有电极10、12的整个部分形成比电极10、12更突出的绝缘部8b的情况进行了说明。但是，本发明并不限于此，也可以采用仅在电极10、12的梳齿形状的部分形成有高度为电极10、12的高度以上的绝缘部的结构。PM传感器2产生与尤其是堆积在了梳齿形状部的电极10、12之间的PM量相应的输出。因此，即便仅在电极10、12的梳齿形状部形成有比电极10、12更突出的绝缘部8b，也可以抑制因大粒径的PM堆积而产生输出偏差。

另外，在本实施方式中，对作为绝缘基材8及绝缘部8b的构成材料而使用氧化铝的情况进行了说明。但是，在本发明中，绝缘体的构成材料并不限于氧化铝。作为绝缘体的材料，优选具有绝缘性且耐热性好的材料。具体来说，例如优选为，碳化硅、堇青石、钛酸铝、硅铝氧氮陶瓷、富铝红柱石、氮化硅、磷酸锆、氧化锆、二氧化钛、氧化铝或硅石、或者由它们的组合构成的陶瓷、或者由以烧结金属为主成分的材料构成。

另外，在本发明中，电极10、12的材料并未特别限定，例如作为构成电极的材料，优选为，Pt、Rh、Pd、Ag、Au及Ir等过渡元素、包含这些过渡元素中的任一种的合金材料、或者与包含这些过渡元素中的任一种的传感器陶瓷材料构成的复合材料等。

在以上的实施方式中，在提及了各要素的个数、数量、量、范围等数的情况下，除特别明示的情况和在原理上明显被确定在该数的情况之外，本发明并不限于上述提及的数。另外，在该实施方式中说明的构造、制造工序等，除特别明示的情况和在原理上被确定于此的情况之外，并不是本发明所必须的。

附图标记说明

2 传感器

6 元件部

8 绝缘基材

8a 主表面

8b 绝缘部

10、12 电极

Claims

1.一种颗粒物传感器，用于检测被测量气体中的颗粒物数量，其特征在于，具有：

绝缘体；以及

在所述绝缘体的主表面上相互隔开间隔地配置的一对电极，

所述绝缘体在未形成有所述一对电极的部分具有绝缘部，该绝缘部在与所述主表面垂直的方向上的高度为所述一对电极的高度以上。

2.一种颗粒物传感器的制造方法，是权利要求1所述的颗粒物传感器的制造方法，其特征在于，具有：

在构成所述绝缘体的基板上，形成由构成所述一对电极的材料构成的电极图案的工序；

在形成所述电极图案之后，在所述电极图案上形成与所述电极图案相同的图案的掩模的工序，所述掩模由在所述电极图案烧结的温度以下的温度挥发的材料构成；

在所述掩模及所述基板上，形成由构成所述绝缘部的材料构成的薄膜的工序；以及

使所述电极图案和所述薄膜烧结来形成所述电极和所述绝缘部的工序。

3.一种颗粒物传感器的制造方法，是权利要求1所述的颗粒物传感器的制造方法，其特征在于，具有：

在构成所述绝缘体的基板上，形成与所述一对电极的图案相同的形状的槽的工序；以及

在所述槽的底部形成所述一对电极的工序。