CN106796168B - 用于确定气流中的颗粒浓度的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定气流(114)中的颗粒(112)浓度、尤其是内燃机排气中的炭黑颗粒浓度的传感器(110)，所述传感器包括至少一个载体元件(116)和至少一个布置在所述载体元件(116)的表面(118)上的、能暴露给所述气流(114)的传感器元件(120)，其中，所述传感器元件(120)具有至少一个由至少两个不同极性的测量电极(124、126)组成的电极结构(122)，其中，所述测量电极(124、126)以具有指型电极(130)的交叉指型梳状结构(128)的形式构型，其中，所述指型电极(130)相对彼此具有相互的间距(132)，其中，在所述交叉指型梳状结构(128)存在具所述指型电极(130)的第一间距(132、150)的第一区域(148)和具有所述指型电极(130)的第二间距(132、154)的第二区域(152)，其中，所述第一间距(132、150)超过所述第二间距(132、154)，其中，所述第一区域(148)和所述第二区域(152)在所述交叉指型梳状结构(128)中至少部分地分别交替地相互邻接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定气流中的颗粒浓度、尤其是内燃机排气中的炭黑颗粒浓度的传感器。
背景技术
由现有技术已知用于确定在内燃机排气管中的炭黑颗粒浓度、尤其用于监控柴油颗粒过滤器的传感器。例如DE 10 2006 032 741 A1和DE 10 2006 029 215 A1分别描述了一种具有载体元件和布置在载体元件表面上、可暴露给气流的传感器元件的颗粒传感器。在这里，该载体包括不导电的、高度绝缘的材料，尤其是由氧化铝制成的陶瓷。在这里，布置在载体元件表面上的传感器元件具有由至少两个不同极性的测量电极组成的电极结构，其中，测量电极呈具有各个指型电极的交叉指型梳状结构的形式构型，这些指型电极相互电连接。名称“交叉指型梳状结构”表示，两个测量电极的指型电极梳状交替地相互嵌入。这样构型的测量电极中的每个测量电极通过导体轨与用于连接到测量和控制单元上的连接触点连接。交叉指型梳状结构作为在运行时直接暴露给气流的电阻测量结构使用。如果在气流中携带的导电颗粒、尤其是具有这种特性的炭黑颗粒沉积在传感器元件上，则两个测量电极之间的电阻改变。随着在传感器元件上的颗粒浓度增大，例如电阻下降。由各个测量参数、尤其是电阻随时间的改变可以借助于测量和控制单元确定沉积的颗粒浓度，并由此推断出气流中的颗粒浓度。
常见的颗粒传感器具有带有指型电极的交叉指型梳状结构，其中，指型电极彼此具有等距的相互间距，而DE 10 2004 059 650 A1公开了一种用于确定气流中的颗粒浓度的传感器，在该传感器中交叉指型梳状结构具有在指型电极之间变化的间距。以这种方式可以实现具有相互远离布置的指型电极的第一区域和具有相互紧邻的指型电极的第二区域。具有带有相互间等距布置的指型电极的交叉指型梳状结构的传感器元件在以电压加载时在测量电极之间形成对称的电场，其特征在于，所述电场具有在指型电极之间恒定的方向和强度，而在根据DE 10 2004 059 650 A1的传感器元件中在施加电压时形成位置不恒定的电场。沉淀在紧邻的指型电极之间的颗粒能够在该区域快速地形成导电路径并且以该方式触发测量信号，由此增大传感器的灵敏度。通过其他颗粒的逐渐沉积也在相互远离布置的指型电极之间形成导电路径，由此在较长的时间段内达到更强的信号增强，该信号增强比在相互间等距布置的测量电极中更强，这最终能够导致传感器信号的增强。此外，颗粒沉积率通过增强的场梯度提高，该增强的场梯度由此产生：指型电极具有例如呈均匀布置的尖端、正方形、点或其他几何形状形式的子结构。
所述传感器一般至少部分被至少一个保护管包围，该保护管尤其用于气流沿着传感器元件的流动输送。在这里，保护管通常烟囱形地构型，使得气流从进入开口沿着传感器单元的表面向着排出开口的方向上导向。以这种方式，保护管应该在尽可能小的角度相关性的同时导致，沿主电极方向尽可能均匀地流经传感器元件，该主电极方向在下面也被称为X方向。以气流均匀层式地流经传感器元件的结果是，尽管许多颗粒到达传感器元件附近，但是如现在的实验所示，只有其中的一小部分颗粒真正沉积在传感器元件的表面上。只有在靠近交叉指型梳状结构表面的层中流动的颗粒才受到足够大的垂直于主流的吸力，并由此向着传感器元件的方向(该方向在下面也被称为Z方向)加速，在那里这些颗粒通过相应的沉积形成连续的导电颗粒路径、尤其是炭黑路径。
在根据现有技术的颗粒传感器中，只有保持在电极结构上方一般明显小于500μm距离的层中的颗粒才受到借助于测量电极形成的电场的相应吸引。而所有保持较远离电极结构的颗粒在传感器元件旁边流过，并且在无助于可测量的效应的情况下通过排出开口离开保护管。
而到达进行吸引的电场的吸引范围内的颗粒通常得到在时间上的快速加速，由此电极结构的加载主要在传感器元件上首先被气流流经的那个区域中进行。通过这种方式，在许多情况下只有传感器元件上的一小部分现有电极结构面被用于得到可测量的信号，使得传感器经常只具有相对较小的灵敏度。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于确定气流中的颗粒浓度、尤其是内燃机排气中的炭黑颗粒浓度的传感器，该传感器在不引起传感器过早饱和的情况下具有尽可能高的灵敏度。该任务由此解决：通过传感器元件的电极结构尽可能优化的构型使在传感器元件上可供使用的电极结构面在保持该传感器的动态特性的情况下能够尽可能完全地用于在传感器中形成信号。
为此，用于确定气流中的颗粒浓度的传感器具有至少一个载体元件和至少一个布置在载体元件表面上的、可暴露给气流的传感器元件。如上所述，在这里传感器在优选构型中被至少一个保护管包围，该保护管至少部分地包围传感器，并且该保护管尤其用于输送气流越过传感器元件。作为载体元件优选使用在机械上足够稳定的衬底，该衬底具有尽可能好的绝缘材料，尤其是陶瓷、例如氧化铝。
可暴露给气流的传感器元件具有至少一个电极结构，其中，该电极结构具有至少两个测量电极，其中，测量电极具有彼此不同的极性。根据本发明，在这里测量电极以具有指型电极的交叉指型梳状结构的形式构型，该交叉指型梳状结构以这种方式提供电阻测量结构。如开始时已经限定的那样，名称“交叉指型梳状结构”理解为电极结构，在该电极结构中两个测量电极的指型电极梳状交替地相互嵌入。
为了解决上述任务，在交叉指型梳状结构中的指型电极彼此具有相互的间距，该间距在整个电极结构上不是等距的。等距的间距理解为一种电极结构的构型，在该构型中指型电极在通常的公差范围内具有相同间距。以这种方式尤其要保证，在以电压加载测量电极时在指型电极之间产生的电场具有尽可能均匀的结构。然而，因为如在实验中确认并且在上面已经解释过的那样有利的是电极结构在上述传感器元件中产生不均匀的电场，为了该目的，如在DE 10 2004 059 650 A1中表明的那样，根据本发明，指型电极相互的间距不是在整个电极结构上等距地选择。
根据本发明，具有指型电极的交叉指型梳状结构这样构型，使得越过电极结构的整个长度和整个宽度的尽可能所有的区域(这些区域具有相对于平均间距的较小的指型电极间距)也可以用于在上述传感器中形成信号，由此能够明显提高传感器灵敏度。根据本发明，为此提高加载传感器元件的颗粒含量，所述颗粒能够有助于形成信号。但是另一方面也要在交叉指型梳状结构中存在足够的区域，所述区域具有相对于平均间距的较大的指型电极间距，以便通过这种方式导致从传感器元件上面较远离的层吸引颗粒，这些颗粒然后沉积在具有较小间距的后续区域中，并且以这种方式附加地有助于形成信号，并且在保持传感器动态特性的情况下避免过早饱和。
根据本发明，这种所期望的效应由此实现，在交叉指型梳状结构中设置具有指型电极的大的第一间距的第一区域和具有指型电极的小的第二间距的第二区域，其中，第一间距超过第二间距，其中，第一区域和第二区域在交叉指型梳状结构上至少部分地分别交替地相互邻接。在此，大的第一间距与小的第二间距的区别在于，第一间距位于平均间距之上，而第二间距位于平均间距之下，其中，平均间距可以对应于指型电极之间沿X和/或Y方向的间距的平均值或中位值，其中，平均间距可以由电极结构中的所有相关间距或者由极限值、即最大间距和最小间距确定。
根据本发明，具有大的第一间距的第一区域基本作为静电捕捉器，具有与现有技术相比更大的电场空间抓取作用。这样从相对于传感器单元较大的间距感测并且吸引的颗粒优选沉积在具有小的第二间距的第二区域上，尤其是那些直接邻接到第一区域的第二区域上，并且可以在那里形成路径。通过这种方式可以基本上只在第二区域内部进行信号形成。因此，根据本发明在传感器元件表面上的第一区域和第二区域至少部分、优选在传感器元件表面上的宽的范围上交替布置的构型有助于促进来自扫过传感器元件的气流中的颗粒沉积。
优选地，第二区域具有相同的、最好小的电极间距，该电极间距借助于数字计算求得，而在第一区域中的电极间距优选阶梯式地变化，其中，尤其沿流动方向(X方向)实现变化。由此一方面能够在传感器元件上沉积尽可能多的、在气流中被引导经过传感器元件的颗粒，在该传感器元件上，一旦足够的颗粒沉积在指型电极之间的部位上，所述颗粒由于其固有的导电性可以产生传导路径，不会另一方面如在现有技术中那样由于只在电极表面的部分区域中局部沉积而出现传感器的过早饱和。通过这种方式实现根据本发明的任务，即在不限制传感器动态特性的情况下提高所述传感器的灵敏度。
在优选的构型中，不仅在第一区域中而且在第二区域中这样选择指型电极的间距，使得沿气流方向观察在传感器元件上的这些间距或者增大、或者减小，尤其取决于尤其由于保护管的构型而在传感器元件上产生的流动条件。所述间距的增大或减小尤其近似连续地进行，这也可以被称为阶梯式或阶梯式。对此理解为间距这样变化：在该变化过程中间距在一个区域上保持恒定或者甚至再增大，以便在邻接的区域中在减小情况下具有更小值或者在增大情况下具有更大值。如上所述，替代地可以使间距只在第一区域阶梯式地增大或减小，而其在第二区域中保持恒定。
同样地，相反的情况也可能有利的是，间距在第二区域中阶梯式地增大或减小，而其在第一区域中保持恒定。在该另一构型中，这样确定在交叉指型梳状结构中的指型电极相互的间距，使得所述间距可以垂直于气流方向(也被称为Y方向)增大或者减小。在该构型中也有利的是，指型电极间距的变化可以呈近似连续或者说阶梯式的形式进行。间距的这种变化在相应构型的情况下同样有助于提高所述传感器的灵敏度。
在特别的构型中，在交叉指型梳状结构中垂直于气流方向、即沿Y方向走向的指型电极的表面小于在交叉指型梳状结构中沿气流方向、即沿X方向走向的指型电极的表面。由相应的实验得出，具有尽可能小的垂直于流动方向、即沿Y方向走向的指型电极部分的电极结构可能导致更高的电极面利用，用于沉积颗粒并由此形成炭黑路径。
在另一构型中，在交叉指型梳状结构中的指型电极具有的厚度可以在传感器元件上的交叉指型梳状结构上变化。在此可能尤其有利的是，指型电极的厚度沿气流方向、即沿X方向减小或增大。根据在传感器元件上的流动特性，交叉指型梳状结构首先与气流接触的那部分上的指型电极的要么较小要么较大的厚度附加地有助于提高传感器灵敏度。如果具有较大相互间距的第一区域的指型电极尤其与在第一区域与第二区域之间交替的电极间距相结合地具有较大的厚度，则可以特别有利地在提高所述传感器灵敏度方面起作用。
在优选的构型中，第一区域在传感器元件上占据的第一面积与第二区域在传感器元件上占据的第二面积的比例位于从至少0.1、优选至少0.3、特别优选至少0.4到包括0.9在内、优选到包括0.7在内、特别优选到包括0.6在内的区间中，其中，两个比例的和为1.0，其中，两个面积分量的比例优选借助于数字模拟确定。
在另一构型中，指型电极，即所有指型电极、一部分指型电极或者一个区域的所有指型电极，在交叉指型梳状结构中具有附加的子结构。示例性的子结构可以从下面对所列举实施例的描述中或者从DE 10 2004 059 650 A1中得出。借助于附加的子结构可以实现所述传感器灵敏度的进一步提高。
为了制造根据本发明的传感器，可以有利地使用由现有技术中公知的厚层技术方法，以便以该方法为基础制造呈具有指型电极的交叉指型梳状结构形式的电极结构。在这里，已知的方法如丝网印刷或者模板印刷适用于该目的。但是为了通过所选择的制造方法也进一步提高所述传感器的灵敏度，有利的是，使用新方法来进行在交叉指型梳状结构中的指型电极的精细结构化。如实验所示，在这里优选借助于激光结构化、尤其在使用皮秒激光器的情况下构型电极结构，该皮秒激光器能够由施加到载体结构上的导电电极膏快速和灵活地产生几乎任意的结构。
替代或附加地，能够借助于3D打印机产生电极结构、尤其是具有尽可能小的指型电极间距的电极结构。对此例如参阅M.Hermatscheiler的文章：3D-Druck auf derMikroskala erreicht neue Dimensionen,Sensormagazin，2/2013，第36-39页，该文章给出关于从借助于快速原型制造的小批量制造到在汽车工业中的数字式生产的3D打印机使用的概述。
附图说明
本发明的优选实施例在附图中示出并且在下面的说明中详细阐述。在这里详细示出：
图1由现有技术已知的用于确定气流中颗粒浓度的传感器；
图2将传感器引入到保护壳体中和附属气流导向的示意性垂直剖面视图(现有技术)；
图3电极结构在传感器元件上产生的电场的示意性横截面视图(现有技术)；
图4至7根据本发明的电极结构实施例的相应示意性俯视图；
图8根据本发明的电极结构的另一实施例的示意性俯视图，该电极结构具有附加的子结构；和
图9至10根据本发明的电极结构呈梯形的其他实施例的示意性俯视图；和
图11至12根据本发明的电极结构呈梯形的其他构型的示意性俯视图，这些构型具有附加的子结构。
具体实施方式
图1示意性地示出由现有技术已知的用于确定气流114、14中的颗粒112、尤其是内燃机排气中的炭黑颗粒的浓度的传感器110。在这里，传感器110包括载体元件116和布置在载体元件116表面118上的、可暴露给气流114的传感器元件120。传感器元件120具有由两个测量电极124、126组成的电极结构122，其中，两个电极结构124、126具有彼此不同的极性。由现有技术已知，电极结构122的测量电极124、126以具有指型电极130的交叉指型梳状结构128的形式构型。指型电极通常具有相互的间距132，这些间距通常是等距的。在传感器元件120上的电极结构122在该优选构型中形成坐标系134，在该坐标系中可以如下确定方向X、Y和Z：
-X方向相应于气流114在传感器元件120上的方向。
-Y方向垂直于气流在电极结构平面中的方向。
-Z方向垂直于传感器元件120的表面118，该传感器元件具有交叉指型梳状结构128形式的电极结构122。坐标系124也以该形式使用在下面的附图中。
图2示意性示出保护壳体136的垂直剖面，该保护壳体包围传感器110。保护壳体136具有进入开口138，气流114可以通过该进入开口进入到保护壳体136的内腔中。保护壳体136这样构型，使得在气流114通过排出开口140离开保护壳体136的内腔之前，气流114尽可能平行地、即沿X方向被导向经过传感器110、尤其经过传感器元件120上的电极结构122。
为此，在图2a)中示意性示出气流114通过保护壳体136的流动导向，其中，横向剖开地示出传感器元件120。在这里，在传感器元件上的电极结构122这样取向，使得指型电极130平行于气流114的流动方向、即X方向地走向。
图2b)和2c)以侧向剖面图示出施加到六棱体142上的保护壳体136，在该保护壳体中传感器元件120暴露给气流114，其中，图2c)示出图2b)的具有加入的坐标系134的详细截面。
在图3a)中以横截面的形式示出由传感器元件120的电极结构122所产生的电场144。只有达到靠近电极结构122表面118的层136中的颗粒才受到足够大的沿Z方向的吸力，并且能够以这种方式形成在指型电极130之间的炭黑路径。
由图3b)得知，在由现有技术已知的传感器10中，电场144仅能够在层146内部对气流中的颗粒上施加作用，这些颗粒位于电极结构112的表面118上方的层146内部，该层的厚度一般具有明显小于0.5mm的值。
图4至12分别示出根据本发明的传感器110的优选实施例。在这里，传感器元件120具有呈具有指型电极130的交叉指型梳状结构128形式的上述电极结构122，其中，指型电极130的间距132不是在整个电极结构122上相互等距。
根据本发明，交叉指型梳状结构128具有带有指型电极130的较大的第一间距132、150的第一区域148和带有指型电极的较小的第二间距132、154的第二区域152，其中，第一间距132、150超过第二间距132、154。在这里，较大的第一间距132、154与较小的第二间距132、154的不同在于，较大的第一间距132、150位于平均间距之上，而较小的第二间距132、154位于平均间距之下，其中，平均间距可以相当于指型电极130之间沿X方向和/或Y方向的间距的平均值或中位值，其中，平均间距可以由电极结构122中的所有相关间距或者由极限值、即最大间距和最小间距确定。
根据本发明，在这里，交叉指型梳状结构128中的第一区域148和第二区域152至少在传感器元件120表面118上的大范围上分别交替地彼此邻接，即在具有指型电极130相互间较大的第一间距132、150的第一区域148之后是具有指型电极130相互间较小的第二间距132、154的第二区域152，接着，只要在传感器元件120表面118上还存在空间，就布置具有指型电极130相互间较大的第一间距132、150的另一第一区域148。
根据本发明的交叉指型梳状结构128的可能构型可以由在图4至12中示出的实施方式中得出。对此示出实施例，在这些实施例中，在交叉指型梳状结构128中垂直于气流114方向走向的指型电极130的长度小于沿气流114方向走向的指型电极130的长度。但是也可以考虑其他构型，这些构型也可以是由所示实施方案组成的组合，或者可以具有其他在这里未示出的元件。
在图4至8中示出实施方案，在这些实施方案中，在交叉指型梳状结构128中的指型电极130的间距132沿气流114方向阶梯式地增大，而图9至10示出实施例，在这些实施例中，交叉指型梳状结构128中的指型电极130的间距132由于该指型电极的梯形布置而沿气流114方向持续地减小。作为其他构型也可以考虑这些实施方案的组合，例如根据图11和12尽管梯形地布置交叉指型梳状结构128中的电极结构122，但在第一区域148中的指型电极130保持相同的第一间距132、150并且在第二区域152中的指型电极130保持相同的第二间距132、154。
此外，如在图8、11和12中示例性示出的那样，在交叉指型梳状结构128中的指型电极130可以具有子结构，该子结构尤其在适当布置的情况下能够进一步提高传感器元件120的灵敏度。
Claims (13)
1.用于确定气流(114)中的颗粒(112)浓度的传感器(110)，所述传感器包括至少一个载体元件(116)和至少一个布置在所述载体元件(116)的表面(118)上的、能暴露给所述气流(114)的传感器元件(120)，其中，所述传感器元件(120)具有至少一个由至少两个不同极性的测量电极(124、126)组成的电极结构(122)，其中，所述测量电极(124、126)以具有指型电极(130)的交叉指型梳状结构(128)的形式构型，其中，所述指型电极(130)相对彼此具有相互的间距(132)，其中，在所述交叉指型梳状结构(128)存在具有所述指型电极(130)的第一间距(132、150)的第一区域(148)和具有所述指型电极(130)的第二间距(132、154)的第二区域(152)，其中，所述第一间距(132、150)超过所述第二间距(132、154)，其特征在于，所述第一区域(148)和所述第二区域(152)在所述交叉指型梳状结构(128)中沿所述气流(114)方向和/或垂直于所述气流(114)方向在所述传感器元件(120)的所述表面(118)的至少部分上分别交替地相互邻接。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，在所述交叉指型梳状结构(128)中的所述指型电极(130)的相互的第一间距(132、150)和/或第二间距(132、154)分别沿所述气流(114)方向和/或垂直于所述气流(114)方向在所述传感器元件(120)的所述表面(118)上增大或减小。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，在所述交叉指型梳状结构(128)中的所述指型电极(130)的相互的间距(132)在所述第一区域(148)中和/或在所述第二区域(152)中增大或减小。
4.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，在所述交叉指型梳状结构(128)中垂直于所述气流(114)方向走向的所述指型电极(130)的长度小于在所述交叉指型梳状结构(128)中沿所述气流(114)方向走向的所述指型电极(130)的长度。
5.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，在所述交叉指型梳状结构(128)中的所述指型电极(130)具有厚度，该厚度在所述交叉指型梳状结构(128)上不是恒定的。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述指型电极(130)的厚度沿所述气流(114)方向和/或垂直于所述气流(114)方向在所述传感器元件(120)的所述表面(118)上增大或减小。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述指型电极(130)的厚度在所述第一区域(148)和/或在所述第二区域(152)中沿所述气流(114)方向增大或减小。
8.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述第一区域(148)在所述传感器元件(120)上占据的第一面积相对于所述第二区域(152)在所述传感器元件(120)上占据的第二面积的比例位于从0.1到0.9的区间中，其中，两个比例的和为1.0。
9.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，在所述交叉指型梳状结构(128)中的所述指型电极(130)具有子结构。
10.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，在所述交叉指型梳状结构(128)中的所述指型电极(130)在所述载体元件(116)的所述表面(118)上借助于激光结构化和/或借助于3D打印机构型。
11.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述传感器(110)构造成用于确定内燃机的排气中的炭黑颗粒浓度。
12.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，在所述交叉指型梳状结构(128)中的所述指型电极(130)的相互的间距(132)在所述第一区域(148)中和/或在所述第二区域(152)中连续地或阶梯式地增大或减小。
13.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述指型电极(130)的厚度沿所述气流(114)方向和/或垂直于所述气流(114)方向在所述传感器元件(120)的所述表面(118)上连续地或阶梯式地增大或减小。
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