CN104685340B - 用于探测微粒的传感器 - Google Patents

Abstract

提出一种用于探测微粒、尤其烟灰颗粒的传感器(10)。所述传感器(10)包括至少两个测量电极(16)和一个加热元件(14)。所述测量电极(16)设置在由电绝缘材料构成的芯片(18)上或者所述测量电极(16)通过电绝缘中间层设置在所述芯片上。所述传感器(10)还包括陶瓷衬底(12)，在所述陶瓷衬底上设置所述加热元件(14)。所述芯片(18)与所述陶瓷衬底(12)连接。所述芯片(18)由具有高导热能力的材料组成。

Description

用于探测微粒的传感器

背景技术

由现有技术已知大量用于探测微粒——例如烟灰颗粒或灰尘颗粒的方法和装置。

以下在不限制其他实施方式和应用的情况下尤其在参考用于探测微粒、尤其内燃机的废气流中的烟灰颗粒的传感器的情况下描述本发明。

由实践已知，借助设置在陶瓷上的两个电极测量废气中的微粒——例如烟灰颗粒或灰尘颗粒的浓度。这例如可以通过使两个电极分离的陶瓷材料的电阻的测量实现。更确切地说，测量在将电压施加到电极上时在所述电极之间流动的电流。烟灰颗粒由于静电力沉积在电极之间并且随着时间形成电极之间的导电桥。所述桥越多地存在，所测量的电流就越增大。这因此形成电极的增大的短路。

这样的传感器例如设置在内燃机——例如柴油型内燃发动机的废气支路中。所述传感器通常位于排出阀或者柴油颗粒过滤器的下游。由于增强的环境意识并且由法律规定决定地，将来必须在机动车的行驶运行期间监视烟灰排放并且确保废气再处理装置——例如颗粒过滤器的功能性。功能性的这种监视通常称作车载诊断(On-Bord-Diagnose)。此外，需要柴油颗粒过滤器的负荷预测。阻性烟灰传感器提供对此的可能性，所述阻性烟灰传感器考虑叉指电极结构由于烟灰沉积的电阻变化来探测烟灰。在收集原则的情况下，根据其功能方式来分类阻性烟灰传感器。

例如，DE 10 2006 002 111 A1描述了一种烟灰颗粒传感器，其由陶瓷多层技术——即由多个相互层叠设置的层构造。多层技术能够实现紧凑且稳健的结构方式，其中在不同的层面上相互层叠地实现以下功能：烟灰感测、加热和温度感测。在此，在丝网印刷技术中将由铂构造的叉指电极施加在陶瓷衬底的上侧上，在施加电势差时在所述叉指电极之间构造烟灰桥，所述烟灰桥因此通过短路得到传感器信号。传感器的敏感度基本上受叉指电极之间的间距限制，所述间距力求尽可能小。

尽管由现有技术已知的用于探测微粒的方法和装置的大量优点，但它们仍包含改善潜力。因此，由陶瓷制成的传感器的以上描述的结构具有相对较小的导热能力。相应地，加热元件必须设计有更高的加热功率，以便确保对于传感器的烧净而言足够的、具有所要求的动态性的温度。由此增大电流消耗。此外，可借助所述传感器达到的μΑ量级的电信号流要求大于40V的电势差，因此信号处理需要自身的控制设备。由此，传感器的应用开销较大。由材料——例如硅构成的传感器的制造虽然能够实现叉指电极测量区域的光刻精细结构化并且因此提供能够放弃传感器控制设备的潜力以便实现成本优势，然而由于与陶瓷相比大得多的导热能力引起显著的过程技术开销，以便在热方面如此好地隔离叉指电极测量区域，使得再生(Regeneration)所需的加热功率仍可控。此外，硅作为材料用在传感器领域中是过于昂贵的，在那里其优势没有得到发挥或者在那里其他特性——例如易碎性甚至是不利的。

发明内容

因此，提出一种用于探测微粒、尤其烟灰颗粒的传感器，其可以至少在很大程度上避免已知传感器的不利。

根据本发明的用于探测微粒、尤其烟灰颗粒的传感器包括至少两个测量电极和一个加热元件，其中所述测量电极设置在由电绝缘材料构成的芯片上，其中所述传感器还包括陶瓷衬底，所述加热元件设置在所述陶瓷衬底上，其中所述芯片与陶瓷衬底连接。

陶瓷衬底可以具有缺口(Aussparung)，其中芯片设置在所述缺口中。陶瓷衬底可以如此构造，使得陶瓷衬底将芯片固定在缺口中。测量电极可以通过陶瓷衬底、尤其通过陶瓷衬底上的至少两个印制导线电接通。测量电极可以相互交叉地构造。测量电极可以圆形地和/或星形地设置在芯片上。陶瓷衬底可以部分地覆盖芯片的表面，在所述表面上设置有测量电极。陶瓷衬底可以如此覆盖芯片，使得暴露芯片的表面的圆形的、椭圆形的、矩形的或多边形的区域，其中电极设置在所述圆形的区域内。陶瓷电极可以包括层结构。层结构可以包括至少一个第一层和至少一个第二层，在所述至少一个第一层上设置有加热元件，其中第二层如此设置，使得其部分地覆盖芯片的表面，在所述表面上设置有测量电极。第二层可以具有用于测量电极的电接通的印制导线。可以朝着芯片的表面倒圆地构造陶瓷衬底，在所述表面上设置有测量电极。芯片可以靠触加热元件。芯片可以具有500μm至800μm、优选550μm至750μm、更优选600μm至700μm的厚度。芯片可以具有2mm至4mm、优选2.5mm至3.5mm、更优选2.75mm至3.25mm的宽度。芯片可以至少部分地由无机半导体材料制造。芯片例如可以基本上由硅制造。

本发明意义上的微粒尤其理解为导电微粒——例如烟灰颗粒或灰尘颗粒。

在本发明的范畴内，测量电极理解为适于电流/电压测量的电极。

在本发明的范畴内，电流/电压测量理解为以下测量：在所述测量中或者在测量电极上施加确定的电压并且测量测量电极之间的电流或者在测量电极上施加电流并且测量测量电极之间的电压。电流/电压测量尤其可以是电阻测量，其中可以测量通过测量电极和衬底构成的结构的电阻。例如可以进行电压控制的或电压调节的测量和/或电流控制的和/或电流调节的测量。能够以连续信号的形式和/或以脉冲信号的形式实现电流和/或电压的施加。因此，例如可以施加直流电压和/或直流电流并且检测电流响应或者电压响应。替代地，可以施加脉冲电压和/或脉冲电流并且检测电流响应或者电压响应。

在本发明的范畴内，测量参量因此理解为通过电流/电压测量求取的参量，所述参量相应地可以是电流或电压。也可以使用由此导出的电阻作为测量参量。

在本发明的范畴内，叉指电极理解为以下电极：其如此设置，使得其相互交叉、尤其梳状地相互交叉。

在本发明的范畴内，电绝缘材料理解为适于阻止电流流动的任意材料——例如陶瓷。尤其可以使用硅和/或氧化铝和/或氧化锆。

在本发明的范畴内，加热元件理解为以下元件：其适于如此加热传感器，使得消除沉积在测量电极之间的微粒。这例如可以通过转换成焦耳热的电能实现。加热元件例如构造为阻性加热元件，即构造为电阻导线(Widerstandsbahn)。例如，在加热元件上施加电压，所述电压导致流过加热元件的印制导线的电流。由于印制导线的电阻，出现发热。热在此还输出到测量电极之间的衬底区域，在所述区域中已经沉积了微粒。在此，达到约700℃的温度。

在本发明的范畴内，芯片理解为方形或薄片形的未封装的衬底。这样的“裸芯片”通过将完成加工的晶片锯切或折断成矩形部件得到，在这些矩形部件上分别存在一个完全的、有功能能力的部件——例如测量电极。

在本发明的范畴内，陶瓷衬底也包括多层结构。也就是说，陶瓷衬底可以由多个层或者薄膜构造。在此，层理解为单一材料以一定高度的平面延伸，其可以设置在其他部件上方、之间、下方或其他部件上。

在此，芯片的厚度理解为平行于这样的层结构的布置方向的尺寸，即垂直于相互层叠设置的层的分别最大的表面。

在本发明的范畴内，芯片的宽度理解为垂直于这样的层结构并且垂直于传感器的延伸方向的尺寸。

在本发明的范畴内，由“基本上”一种材料的制造理解为相应部件直至70％(体积百分比)由所述材料制造。例如，陈述“部件基本上由硅制造”意味着：所述部件至少70％(体积百分比)由硅制造。

在本发明的范畴内，将提供一定的热稳健性和机械稳健性和低导热能力的所述陶瓷多层结构的优点与硅技术、尤其可微结构化性的优点进行组合。在此，将对于测量功能最优的硅部件集成到陶瓷衬底中。特别地，为了改善灵敏度将微结构化限制到硅芯片上，所述硅芯片仅仅包含测量电极并且本身不可移除地插到陶瓷结构中的相应缺口中。这具有以下优点：仅仅在其提供功能优点的位置上使用作为昂贵材料的硅，由此对于每个晶片增大硅芯片的产量。可以借助已知的方法在硅芯片上以薄层喷涂且光刻地结构化铂，由此可实现直至1μm的结构大小，例如缺口和电极宽度。通过所述措施，在电势差12V时可实现1mA量级的传感器信号电流，其中根据测量电极结构的设计可实现比在陶瓷元件中额外短得多的触发时间，例如30s相比于传统传感器中的300s。此外，作为芯片材料的硅相比陶瓷材料——例如二氧化锆具有根据温度水平大15-30倍的导热能力并且整体上具有更大的热导率(Temperaturleitwert)，由此在用于再生循环的加热时在测量电极的范围中在加热时间同时更快的情况下调节出更均匀的温度分布。对于为了再生最大所需的加热功率的限制重要的是，棒状的传感器的剩余区域具有低的导热能力，以便最小化加热功率流出到壳体中。这通过陶瓷用作硅芯片的承载材料来保证。

附图说明

由在附图中示意性示出的优选实施例的以下描述得到本发明的其他可选细节和特征。

附图示出：

图1：沿着根据本发明的用于探测微粒的传感器的纵向的横截面视图；

图2：芯片的透视图；

图3：芯片的横截面视图；

图4：根据本发明的用于探测微粒的传感器的俯视图。

具体实施方式

图1示出用于探测微粒、尤其气体流——例如内燃机的废气流中的烟灰颗粒的传感器10的横截面视图，所述传感器用于安装在机动车的废气支路中。传感器10例如构造为烟灰传感器并且优选设置在具有柴油内燃发动机的机动车的烟灰过滤器的下游。

传感器10包括衬底12。衬底12由陶瓷——例如由二氧化锆制造或者构造。相应地，衬底12是陶瓷衬底。传感器10还包括一个加热元件14和两个测量电极16。测量电极16设置在由电绝缘材料构成的芯片18上。测量电极16也可以设置在绝缘的、薄的中间层上，所述中间层沉积在芯片18的表面上。特别地，芯片18至少部分地由无机半导体材料制造。例如，芯片18基本上由硅制造。在所示出的实施方式中，芯片18例如完全由硅制造。

陶瓷衬底12尤其包括层结构20。层结构由第一层22、第二层24和第三层26构成。在图1的纵剖面示图中，第一层22和第三层26三明治状地包围加热元件14。然而可理解的是，加热元件14实际上如此集成在第一层22和第三层26之间，使得加热元件14全面地由第一层22和第三层26包围。温度传感器28可以设置在第三层26的背向加热元件14的一侧上。

第一层22还具有缺口30，芯片18设置在所述缺口中。加热元件14和芯片18不一定必须设置在层结构20的同一陶瓷层22中。如从图2和3的示图中看到的那样，芯片18基本上方形地构造。芯片18例如可以具有500μm至800μm、优选550μm至750μm、更优选600μm至700μm、例如675μm的厚度。芯片18的厚度是平行于层布置22、24、26的方向的尺寸并且在图1的示图中从上向下延伸，反之亦然。芯片18可以具有2mm至4mm、优选2.5mm至3.5mm、更优选2.75mm至3.25mm、例如3.0mm的宽度。芯片18的宽度是平行于层22、24、26并且垂直于传感器10的纵向延伸方向的尺寸。在图1的示图中，所述宽度垂直于图平面延伸，而在稍后描述的图4的示图中所述宽度从上向下延伸，反之亦然。

在芯片18的表面32上可以设置具有例如2.5μm的厚度的、薄的氧化层33，在所述表面上设置有测量电极16。氧化层33用于测量电极16的可靠的电绝缘并且在硅作为用于芯片18的衬底材料的情形中由二氧化硅组成，所述二氧化硅作为所谓的热氧化物在约1000℃的高温度时时间控制地生长到直至5μm的厚度。测量电极16例如可以圆形地和/或星形地设置在芯片18上。测量电极16可以具有例如150nm的厚度。例如，测量电极16借助薄层方法喷涂且光刻地结构化在表面32上。测量电极16例如作为铂薄层存在。

在图2中示出了例如测量电极16的星形结构。替代地，测量电极16的棒状结构也是可能的，其中对于表面32和传感器10的滞点流(Staupunkt-)而言优选星形结构，因为其具有更快的响应时间和更高的灵敏度的潜力。然而可理解的是，测量电极16的线性布置或者梳状相互交叉是可能的。这种结构例如适于传感器10的纵向流()。

参考图1示出，第二层24部分地覆盖芯片18的表面32。第二层24例如可以部分地如此覆盖表面32，使得表面32的圆形区域34暴露，例如在图4中示出的那样。替代地，区域34可以椭圆地、矩形地或多边形地构造。在所暴露的区域34内设置有测量电极16。此外，第二层24可以朝着表面32倒圆地构造，例如以倒圆的台阶36的形式。此外，第二层24在其下侧38、即朝向第一层22的那一侧上具有用于测量电极16的电接通的两个印制导线40。如在图1和2中示出的那样，印制导线40如此部分地覆盖芯片18的表面32，使得它们可以与测量电极16电接通。

陶瓷衬底12和尤其第二层24将芯片18固定在缺口30中。在此，芯片18借助与测量电极16或者表面32相对置的、表示芯片18的下侧的表面42靠触加热元件14，使得从加热元件14施加的加热功率可以直接到达芯片18中并且到达测量电极16。

整个传感器10例如1mm厚、4mm宽并且60mm长，其中在图1的示图中传感器的长度或纵向延伸方向是从左向右的尺寸，反之亦然。测量电极16、加热元件14和温度传感器28共同具有10μm至20μm的厚度、例如15μm。芯片18可以与传感器10的其余部件——例如层22、24、26、加热元件14、温度传感器28等分离地制造。测量电极16例如可以在芯片18上分离地制成，即在将芯片18安置到缺口30中之前。然而同样能够实现的是，在安置芯片18之后制造测量电极16。例如，以以上所述的具有150nm的层厚度的铂薄层的形式施加测量电极16。然后，可以将如此准备的芯片18安置到衬底12的缺口30中。第二层24例如用作盖薄膜，以便固定芯片18。另一方面，在第二层24的下侧上施加用于测量电极16的电接通的印制导线40。如此确定芯片18的表面32上的印制导线40以及测量电极16的接触面的尺寸，使得在考虑所有公差——例如用于芯片18的缺口30的间隙配合的情况下在所有条件下保证相互覆盖。

第一层22又具有缺口30，所述缺口有利地与芯片18的轮廓匹配并且保证与硅芯片18的足够的重叠区域。由此，可以在装配并且最后的烧结之后可靠地固定所述芯片。特别地，第一层22的厚度匹配时实现在烧结时陶瓷衬底12的收缩导致实现所期望的预应力并且因此实现芯片18和测量电极16的良好接通。如以上所提及的那样，芯片18以其下侧直接位于加热元件14上，使得在加热功率传递时不发生显著的损失。倒圆的台阶36的构造可以是优选的，因为在此流径向地从内向外不受干扰地沿测量电极16延伸，而在纵向流的情况下位于上游的台阶表示干扰，所述干扰可能对传感器信号产生影响。

传感器10还包括没有示出的壳体，所述壳体包围在图1中示出的结构并且出于简化传感器10的结构的阐述的原因在图1中没有示出。壳体例如可以构造为捕捉套，所述捕捉套设置在位于测量电极16上方的具有开口的区域中并且用于使在废气支路中流动的气体流平静，从而烟灰颗粒或者包含在气体流中的其他微粒优选在测量电极16的区域中沉积。

在图1中示出的传感器10可以如下工作：当烟灰颗粒或者其他导电微粒沉积在芯片18的表面32上时，两个测量电极16之间的电阻减小。在测量电压的作用下沉积的微粒、尤其烟灰颗粒使梳状相互交叉的测量电极短路并且在所施加的电压恒定的情况下在测量电极16之间可测量到减小的电阻或者增大的电流。这可以通过电流/电压测量确定。例如，通过测量两个测量电极16之间的阻抗得到对于所谓的RC单元而言典型的特性。这意味着，可以根据RC单元的电阻分量的时间变化来确定相关废气中的烟灰浓度或者微粒浓度。

为了传感器10的再生，在一定时间之后借助集成在陶瓷衬底12中的加热元件14燃烧掉所沉积的微粒。在功能良好的传感器10中，在所谓的加热之后测量电极16之间的电阻应明显增大并且优选趋于无穷大。

Claims (13)

1.一种用于探测微粒的传感器(10)，其中，所述传感器(10)包括至少两个测量电极(16)和一个加热元件(14)，其中，所述测量电极(16)设置在芯片(18)上，其中，所述芯片至少部分地由无机半导体材料制造，其中，所述传感器(10)还包括陶瓷衬底(12)，所述加热元件(14)设置在所述陶瓷衬底上，其中，所述芯片(18)与所述陶瓷衬底(12)连接，其中，所述陶瓷衬底(12)具有缺口(30)，其中，所述芯片(18)设置在所述缺口(30)中，其中，所述陶瓷衬底(12)部分地覆盖所述芯片(18)的表面(32)，在所述表面上设置有所述测量电极(16)。

2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述陶瓷衬底(12)如此构造，使得所述陶瓷衬底(12)将所述芯片(18)固定在所述缺口(30)中。

3.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述测量电极(16)能够通过所述陶瓷衬底(12)电接通。

4.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述测量电极(16)相互交叉地构造。

5.根据权利要求4所述的传感器(10)，其中，所述测量电极(16)圆形地和/或星形地设置在所述芯片(18)上。

6.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述陶瓷衬底(12)如此覆盖所述芯片(18)，使得所述芯片(18)的表面(32)的圆形的、椭圆形的、矩形的或多边形的区域(34)暴露，其中，所述测量电极(16)设置在所述区域(34)内。

7.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述陶瓷衬底(12) 包括层结构(20)

8.根据权利要求7所述的传感器(10)，其中，所述层结构包括至少一个第一层(22)和至少一个第二层(24)，在所述至少一个第一层上设置有所述加热元件(14)，其中，所述第二层(24)如此设置，使得其部分地覆盖所述芯片(18)的表面(32)，在所述表面上设置有所述测量电极(16)。

9.根据权利要求8所述的传感器(10)，其中，所述第二层(24)具有用于所述测量电极(16)的电接通的印制导线(40)。

10.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述陶瓷衬底(12)朝着所述芯片(18)的表面(32)倒圆地构造，在所述表面上设置有所述测量电极(16)。

11.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述芯片(18)靠触所述加热元件(14)。

12.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述微粒是烟灰颗粒。

13.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述测量电极(16)能够通过所述陶瓷衬底(12)上的至少两个印制导线(40)电接通。