CN111693419A - 颗粒传感器和对此的制造方法 - Google Patents

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Abstract

颗粒传感器，具有用于给流体流中的颗粒充电的颗粒充电装置，其中，所述颗粒充电装置具有用于产生电晕放电的至少一个电晕电极，其中，颗粒传感器具有带表面的载体元件，并且，其中，所述至少一个电晕电极构造为平坦的元件并且布置在所述载体元件的表面上。

Description

颗粒传感器和对此的制造方法
技术领域
本公开涉及一种具有用于使流体流中的颗粒充电的颗粒充电装置的颗粒传感器。
本公开还涉及一种用于制造这种颗粒传感器的方法。
发明内容
优选的实施方式涉及一种具有用于使流体流中的颗粒充电的颗粒充电装置的颗粒传感器，其中，颗粒充电装置具有用于产生电晕放电的至少一个电晕电极，其中，颗粒传感器具有带着表面的载体元件，并且，其中，所述至少一个电晕电极构造为平坦的元件并且布置在载体元件的表面上。这能够实现简单的和成本有利的结构并且同时实现高的寿命，因为平坦的电晕电极根据申请人的研究相对较缓慢地退化、尤其是烧毁。
流体流例如可以是内燃机的排气流。颗粒例如可以是炭黑颗粒，所述炭黑颗粒例如在燃料通过内燃机燃烧的框架下产生。根据实施方式的原理既可以用于感测形成为固体的颗粒(如炭黑颗粒，所述炭黑颗粒例如包含在内燃机的排气流中)，也可以用于感测如液态颗粒(如气溶胶)。
在另外的优选实施方式中设置为，所述至少一个电晕电极尤其借助于筛网印刷方法印刷到载体元件的表面上。
在另外的优选实施方式中设置为，电晕电极沿着第一坐标轴在载体元件的表面中的长度大于、尤其明显大于电晕电极沿着垂直于第一坐标轴的第二坐标轴在载体元件的表面中的宽度(长度例如大于五倍的宽度)。
在另外的优选实施方式中设置为，所述至少一个电晕电极或所述至少一个电晕电极的至少一个电极尖端具有下列元素中的至少一个元素和/或由下列元素中的至少一个元素或下列元素中的多个元素的混合物组成或制成：铂、铂合金、铱、铱合金、类似铂的贵金属、陶瓷材料、尤其是氧化铝(Al2O3)、由在金属基质中的陶瓷材料制成的复合材料(金属陶瓷)、尤其是金属陶瓷膏(更特别的是陶瓷稳定的贵金属膏)。
在另外的优选实施方式中设置为，颗粒传感器具有用于偏转和/或收集流体流的带电微粒(如自由的载流子、如离子)的至少一个陷阱电极和/或用于感测关于流体流中的带电颗粒的信息的至少一个传感器电极，其中，所述至少一个陷阱电极和/或所述至少一个传感器电极尤其与所述至少一个电晕电极布置在载体元件的同一个表面上。
在另外的优选实施方式中设置为，设置有多个电晕电极，其中，第一电晕电极尤其布置在载体元件的第一表面上并且第二电晕电极布置在载体元件的第二表面上，其中，第二表面优选与第一表面不同。
在另外的优选实施方式中设置为，载体元件由优选高度绝缘的陶瓷材料、尤其是陶瓷薄膜组成，其中，至少一个电极和/或用于所述至少一个电极的至少一个供应导线尤其优选构造为筛网印刷元件，和/或，其中，用于电极的至少一个供应导线和/或至少一个区域(如电晕电极的轴向端部区域)的至少一个钝化部优选构造为筛网印刷元件。
在另外的优选实施方式中设置为，所述至少一个电晕电极的轴向端部区域具有电绝缘的钝化部。
在另外的优选实施方式中设置为，所述至少一个电晕电极的轴向端部区域是倒圆的，其中，倒圆的端部区域尤其具有凸状区域，该凸状区域具有曲率半径，该曲率半径大于电晕电极的宽度的50％。
在另外的优选实施方式中设置为，所述至少一个电晕电极的轴向端部区域具有电绝缘的钝化部并且同时是倒圆的，其中，倒圆的端部区域尤其具有凸状区域，该凸状区域具有曲率半径，该曲率半径大于电晕电极的宽度的50％。
另外的优选实施方式涉及一种用于制造颗粒传感器的方法，该颗粒传感器具有用于给流体流中的颗粒充电的颗粒充电装置，其中，颗粒充电装置具有用于产生电晕放电的至少一个电晕电极，其中，颗粒传感器具有带着表面的载体元件，其中，所述方法具有：将所述至少一个电晕电极构造为平坦的元件，并且将所述至少一个电晕电极布置在载体元件的表面上。
在另外的优选实施方式中设置为，所述至少一个电晕电极沿着载体元件的表面的表面法线的最大尺寸延展小于所述至少一个电晕电极在相应于载体元件的表面的虚拟平面中的最大尺寸延展。
在另外的优选实施方式中设置为，尤其优选借助于筛网印刷方法将所述至少一个电晕电极印刷到载体元件的表面上。
附图说明
本发明的其他特征、应用可能性和优点由下面对本发明的附图中示出的实施例的描述得出。在此，所有描述的或示出的特征本身或以任意的组合形成本发明的主题，而与它们在权利要求中的组合或它们的引用关系无关，以及与它们在说明书中的表述以及在附图中的显示无关。
在附图中：
图1示意性示出根据优选实施方式的颗粒传感器的侧视图，
图2示意性示出根据图1的颗粒传感器在目标系统中的布置，
图3A以部分的横截面示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器的侧视图，
图3B示意性示出根据图3A的颗粒传感器的俯视图，
图4示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器的侧视图，
图5以部分的横截面示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器的侧视图，
图6示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器的俯视图，
图7示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器的俯视图，和
图8示意性示出根据另外的优选实施方式的方法的简化流程图。
具体实施方式
图1示意性示出根据优选实施方式的颗粒传感器100。颗粒传感器具有用于使流体流A1中的颗粒P充电的颗粒充电装置110，由此得到带电颗粒P’。颗粒充电装置110具有用于产生电晕放电113的至少一个电晕电极112。
此外，颗粒传感器100具有带着第一表面102a的载体元件102。优选地，电晕电极112构造为平坦的元件(例如呈“扁平线”形式)并且布置在载体元件102的第一表面102a上。这能够实现简单的和成本有利的结构并且同时实现高寿命，因为平坦的电晕电极112根据申请人的研究相对较缓慢地退化、尤其是烧毁。如果电晕电极112的电极尖端112_1退化(例如由于电极尖端112_1的材料烧蚀)，那么在另外的优选实施方式中电晕电极112的紧接着的“线”区段作为(新的)电极尖端使用，这提高了使用寿命。
流体流A1例如可以是内燃机的排气流。颗粒P例如可以是炭黑颗粒和/或另外的固体和/或滴状颗粒，所述颗粒如在燃料通过内燃机燃烧的框架下产生。根据实施方式的原理既可以用于探测作为固体形成的颗粒P(如炭黑颗粒，所述炭黑颗粒例如包含在内燃机的排气流A1)，也用于探测例如液态颗粒(如气溶胶)。
在另外的优选实施方式中设置为，尤其借助于筛网印刷方法将电晕电极112印刷或施加到载体元件102的表面102a上。
在另外的优选实施方式中设置为，电晕电极112沿着第一坐标轴x在载体元件102的表面102a中(或平行于该表面)的长度L大于、尤其明显大于电晕电极112沿着垂直于第一坐标轴x(垂直于图1的绘图平面)的第二坐标轴在载体元件102的表面102a中的宽度(长度L优选大于五倍的宽度)。
在另外的优选实施方式中设置为，电晕电极112或电晕电极112的至少一个电极尖端112_1具有下列元素中的至少一个元素和/或由下列元素中的至少一个元素或下列元素中的多个元素的混合物组成：铂、铂合金、铱、铱合金、(尤其在物理和/或化学特性方面)类似铂的贵金属、陶瓷材料、尤其是氧化铝(Al2O3)。
在另外的优选实施方式中设置为，颗粒传感器100具有用于使流体流的带电微粒(尤其是离子)偏转的至少一个可选的陷阱电极120和/或用于感测关于流体流A1中的带电颗粒P’的信息的至少一个可选的传感器电极130，其中，所述至少一个陷阱电极120和/或所述至少一个传感器电极130尤其与所述至少一个电晕电极112布置在载体元件102的同一个(第一)表面102a上。
在另外的优选实施方式中设置为，设置有多个电晕电极112、112’，其中，尤其地，第一电晕电极112布置在载体元件102的第一表面102a上并且第二电晕电极112’布置在载体元件102的第二表面102b上。
在另外的优选实施方式中，设置有用于电晕电极112和/或可选的陷阱电极120的可选的对应电极114，所述对应电极例如可以加载以参考电位、如接地电位。
在另外的优选实施方式中，颗粒传感器100构造成用于借助感应原理来感测关于带电颗粒P’的信息。在这里，运动经过传感器电极130旁边的带电颗粒P’在传感器电极130中产生信号，能够以已知的方式分析处理该信号。同样通过电晕放电113产生的较轻的带电微粒、如离子(对此例如使颗粒P充电)在它们达到传感器电极130并且由此以不期望的方式对关于颗粒的电荷测量产生影响之前例如可以通过可选的陷阱电极120捕获或收集。
在另外的优选实施方式中，颗粒传感器100构造成用于借助逃逸电流原理感测关于带电颗粒P’的信息。为此，可以使包含颗粒传感器100的整个系统向外离子化(由此尤其可以使用于电晕电极112的对应电极114和可能存在的用于可选的陷阱电极120的可选的对应电极114变“虚拟”，例如虚拟的接地电极)，并且测量电流，带电颗粒P’以其充电的形式将所述电流从电绝缘并且因此封闭的系统中带出来。所观察的电流例如从所述至少一个电晕电极112、112’通过电晕放电113流到电晕电极的对应电极114中，并且可选的陷阱电极120捕获其余的离子。由带电颗粒P’产生的电流必须又补充给对应电极114，由此所述对应电极的电位保持恒定。该电流被称为“逃逸电流”并且是用于充电颗粒P’的浓度的量度。
在另外的优选实施方式中设置为，载体元件102(图1)由陶瓷材料、尤其薄膜陶瓷组成，其中，至少一个电极112、112’、114、120、130和/或用于所述至少一个电极的至少一个供应导线尤其优选构造为筛网印刷元件，和/或，其中，用于至少一个供应导线的至少一个钝化部尤其优选构造为筛网印刷元件。
图2示意性示出根据图1的颗粒传感器100在目标系统Z中的布置，该目标系统在这里例如是机动车的内燃机的排气系。在这里，排气流动以附图标记A2标明。同样画出由两个彼此同轴布置的管R1、R2组成的保护管组件1000，其中，颗粒传感器100这样布置在内管R1中，使得载体元件102(图1)的第一表面102a基本上平行于内管R1的纵轴线LA地走向。在另外的优选实施方式中，由于管R1、R2的不同长度和相对彼此的布置，通过文丘里效应产生涡旋，在该涡旋中排气流动A2引起从内管R1出来的、在图2中沿竖直方向向上的流体流动P1或A1。另外的箭头P2、P3、P4表明这种通过文丘里效应引起的流体流动穿过在两个管R1、R2之间的中间空间至保护管组件1000的周围环境的继续。总体上，通过在图2中画出的布置引起，比较均匀地流过颗粒传感器100或该颗粒传感器的沿着流体流动P1定向的第一表面110a(尤其在层状流动的意义上)，这能够实现位于流体流动A1、P1中的颗粒的有效感测。此外，颗粒传感器100被保护以防止与主要排气流A2的直接接触。
附图标记R2’表明外管R2和/或内管R1与参考电位、如接地电位的可选的电连接，使得相关的管或两个管可以有利地同时作为例如用于所述至少一个电晕电极112、112’(图1)和/或可选的陷阱电极120的对应电极以用于其流体引导功能(例如替代于可选的对应电极114，图1)。
在图2中，块状箭头P5象征着可选的新鲜气体供应、尤其是新鲜空气供应，在一些实施方式中可以期望所述新鲜气体供应，但在特别优选的实施方式中不设置所述新鲜气体供应。
图3A以部分横截面示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器100a的侧视图。图3B示意性示出根据图3A的颗粒传感器100a的俯视图。在这里，内管R1(也参见图2)形成用于电晕电极112的对应电极。由根据图3B的俯视图可看出，电晕电极112的沿着图3B中的水平坐标轴x测量的长度L比沿着图3B中的竖直坐标轴y测量的宽度B大四倍。由此，电晕电极112例如具有基本上细长的形状，类似于“扁平线”。特别优选地，电晕电极112遵循根据实施方式的原理构造为平坦的元件，使得在图3B中垂直于绘图平面测量的厚度D(也参见图1)同样明显小于长度L。在另外的优选实施方式中，厚度D例如由针对电晕电极112所使用的制造过程、例如筛网印刷方法得出。在另外的优选实施方式中，宽度B大于厚度D。在另外的优选实施方式中，宽度B(图3B)例如是厚度D的至少十倍大。
图4示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器100b的侧视图。在该构型中，管R1也设置为用于电晕电极112的对应电极，并且在电极尖端112_1处形成电晕放电113。在更下游设置有可选的陷阱电极120并且在更下游还设置有可选的传感器电极130。
图5示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器100c的侧视图。根据图5的构型100c具有两个电晕电极112、112’，其中，第一电晕电极112设置在第一表面102a上(也参见图1)，并且第二电晕电极112’设置在载体元件102的第二表面102b上。在另外的优选实施方式中，设置有至少一个可选的陷阱电极120，该陷阱电极优选构造为埋入的电极，由此不布置在表面102a、102b中的一个表面上，而是布置在载体元件102的内部。在另外的优选实施方式中，设置有至少一个可选的传感器电极130，该传感器电极构造为埋入的电极，由此不布置在表面102a、102b中的一个表面上，而是布置在载体元件102的内部。在另外的优选实施方式中，替代地或补充地，可以在表面102a、102b中的至少一个表面或两个表面上分别设置有至少一个可选的陷阱电极120和/或可选的传感器电极130。在根据图5的颗粒传感器100c中，排气流A1可以通过两个电晕电极112、112’(参见相应的电晕放电113、113’)在载体元件102的上方和下方特别有效地充电。
图6示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器100d的俯视图。在载体元件102上布置具有电极尖端112_1的、构造为平坦的元件的电晕电极112。在此，电极尖端112_1也是平坦的，例如呈三角的形状，而剩余的电晕电极112例如具有带着长度L和宽度B的基本上矩形的基本形状，参见图3B。附加地，由图6还可看出用于电晕电极112的供应导线112_2，借助于该供应导线可以使电晕电极112加载以能预给定的电位来产生电晕放电113(图1)。同样地，在根据图6的颗粒传感器100d中设置有可选的陷阱电极120和可选的传感器电极130。载体元件102布置在第一管R1的内部，该第一管又有利地形成用于电晕电极112的对应电极。为此，管R1例如可以加载以可预给定的参考电位、如接地电位。
图7示意性示出根据另外的优选实施方式的颗粒传感器100e的俯视图。画出电晕电极112，该电晕电极例如基本上具有“扁平线”的形状。在该电晕电极的在图7左边的轴向端部区域EB1中，电晕电极112与供应导线112_2连接。在该电晕电极的在图7右边的轴向端部区域EB2中，电晕电极112具有电绝缘的钝化部PAS，该钝化部优选完全遮盖电晕电极112的右边的轴向端部区域EB2，使得在该区域EB2中不能进行电晕放电，因为通过钝化部PAS防止该区域中的电场的过高。由此，在该实施方式中有利地得出沿着扁平线形的电晕电极112的、即在轴向端部区域EB1、EB2之间的基本上长形的电晕放电113。由此有利地降低对于电晕电极112的局部负载(例如相比于电晕放电113在电极尖端112_1处的集中)，并且提高了使用寿命。
在另外的优选实施方式中设置为，电晕电极112的轴向端部区域、在这里是在图7右边的轴向端部区域EB2是倒圆的，参见附图标记112_3，其中，倒圆的端部区域112_3尤其具有凸状区域，该凸状区域具有曲率半径，该曲率半径优选大于电晕电极112的宽度B的50％，更优选地大于电晕电极112的宽度B的250％。
在另外的优选实施方式中设置为，所述至少一个电晕电极112的轴向端部区域EB2具有电绝缘的钝化部PAS并且同时是倒圆的，如在这里在图7中示例性画出的那样。
另外的优选实施方式涉及用于制造根据所述实施方式的颗粒传感器的方法，所述颗粒传感器具有用于给流体流中的颗粒充电的颗粒充电装置，其中，颗粒充电装置具有用于产生电晕放电的至少一个电晕电极，其中，颗粒传感器具有带着表面的载体元件，其中，所述方法具有：将所述至少一个电晕电极构造为平坦的元件并且将所述至少一个电晕电极布置在载体元件的表面上。
对此，图8示意性示出所述方法的简化流程图。在步骤200中将所述至少一个电晕电极112(图1)构造为平坦的元件，该元件例如呈扁平显示的形式、例如呈扁平线的形式、例如被印刷，并且在步骤202(图8)中将所述至少一个电晕电极112布置在载体元件102的表面102a上。在另外的优选实施方式中，步骤200、202例如也可以基本上同时实施，例如借助筛网印刷方法将所述至少一个电晕电极112布置在载体元件102的表面102a上。在另外的优选实施方式中，所述构造200或布置202也可以包括至少两个电晕电极112、112’的构造200或布置202。
优选实施方式的另外的重要优点是，当电晕电极112的端部(即例如电极尖端112_1，参见图1)去腐蚀或去氧化时，平坦的电晕电极的紧接着保留的区段可以简单地用作为电极尖端，在该电极尖端处可以点燃电晕放电113，这有利地增大了颗粒传感器的总使用寿命。
在另外的优选实施方式中，也可以设置有可选的加热元件140(图1)，例如用于烧尽炭黑和/或用于实现保护加热功能(通过提高的衬底温度减少炭黑积聚)。在另外的优选实施方式中，可选的加热元件140可以集成到载体元件102中。

Claims (12)

1.颗粒传感器(100)，该颗粒传感器具有用于给流体流(A1)中的颗粒(P)充电的颗粒充电装置(110)，其中，所述颗粒充电装置(110)具有用于产生电晕放电(113)的至少一个电晕电极(112；112’)，其中，所述颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)具有带着表面(102a)的载体元件(102)，并且，其中，所述至少一个电晕电极(112；112’)构造为平坦的元件并且布置在所述载体元件(102)的所述表面(102a)上。
2.根据权利要求1所述的颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)，其中，所述至少一个电晕电极(112；112’)沿着所述载体元件(102)的所述表面(102a)的表面法线(102a’)的最大尺寸延展(D)小于所述至少一个电晕电极(112；112’)在相应于所述载体元件(102)的所述表面(102a)的虚拟平面中的最大尺寸延展(L、B)。
3.根据前述权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)，其中，所述至少一个电晕电极(112；112’)施加到、尤其印刷到、尤其借助于筛网印刷方法印刷到所述载体元件(102)的所述表面(102a)上。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)，其中，所述电晕电极(112；112’)沿着第一坐标轴(x)在所述载体元件(102)的所述表面(102a)中的长度(L)大于、尤其至少十倍地大于所述电晕电极(112；112’)沿着垂直于所述第一坐标轴的第二坐标轴在所述载体元件(102)的所述表面(102a)中的宽度(B)。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)，其中，所述电晕电极(112；112’)或所述电晕电极(112；112’)的至少一个电极尖端(112_1)具有下列元素中的至少一个元素和/或由下列元素中的至少一个元素或下列元素中的多个元素的混合物组成：铂，铂合金，铱，铱合金，类似铂的贵金属，陶瓷材料、尤其是氧化铝、Al2O3。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)，其中，所述颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)具有用于使所述流体流(A1)的带电微粒偏转的至少一个陷阱电极(120)和/或用于感测关于所述流体流(A1)中的带电颗粒(P’)的信息的至少一个传感器电极(130)，其中，所述至少一个陷阱电极(120)和/或所述至少一个传感器电极(130)尤其与所述至少一个电晕电极(112；112’)布置在所述载体元件(102)的同一个表面(102a)上。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)，其中，设置有多个电晕电极(112、112’)，其中，尤其是，第一电晕电极(112)布置在所述载体元件(102)的第一表面(102a)上并且第二电晕电极(112’)布置在所述载体元件(102)的第二表面(102b)上。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)，其中，所述载体元件(102)由陶瓷材料、尤其是薄膜陶瓷组成，其中尤其是，至少一个电极(112、112’、114、120、130)和/或用于所述至少一个电极的至少一个供应导线(112_2)构造为筛网印刷元件，和/或，其中尤其是，用于所述电晕电极(112)的至少一个供应导线(112_2)和/或至少一个区域(EB2)的至少一个钝化部(PAS)构造为筛网印刷元件。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)，其中，所述至少一个电晕电极(112；112’)的轴向端部区域(EB2)
a)具有电绝缘的钝化部(PAS)，和/或
b)是倒圆的，
其中尤其是，倒圆的所述端部区域(EB2)具有凸状区域(112_3)，该凸状区域具有曲率半径，该曲率半径大于所述电晕电极(112；112’)的所述宽度(B)的50％。
10.用于制造颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)的方法，该颗粒传感器具有用于给流体流中的颗粒充电的颗粒充电装置(110)，其中，所述颗粒充电装置(110)具有用于产生电晕放电(113)的至少一个电晕电极(112；112’)，其中，所述颗粒传感器(100；100a；100b；100c；100d；100e)具有带着表面(102a)的载体元件(102)，其中，所述方法具有：将所述至少一个电晕电极(112；112’)构造(200)为平坦的元件，并且将所述至少一个电晕电极(112；112’)布置(202)在所述载体元件(102)的所述表面(102a)上。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一个电晕电极(112；112’)的沿着所述载体元件(102)的所述表面(102a)的表面法线(102a’)的最大尺寸延展(D)小于所述电晕电极(112)在相应于所述载体元件(102)的所述表面(102a)的虚拟平面中的最大尺寸延展(L、B)。
12.根据权利要求10至11中至少一项所述的方法，其中，将所述至少一个电晕电极(112；112’)施加到、尤其印刷到、尤其借助于筛网印刷方法印刷到所述载体元件(102)的所述表面(102a)上。
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