CN114222906A - 用于检测在测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测在测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件(112)，其中，所述传感器元件(112)包括至少一个衬底(134)和至少一个第一电极(116)和至少一个第二电极(118)，所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极梳状地彼此嵌接，其中，所述传感器元件(112)还具有至少在高温时导电的至少一个材料(124)，所述材料至少在高温时不仅具有带正电的自由载流子而且具有带负电的自由载流子，其中，所述材料(124)布置在所述衬底(134)上，其中，所述材料(124)将所述第一电极(116)和所述第二电极(118)至少在高温时电连接。
Description
技术领域
背景技术
从现有技术中已知多种用于检测在测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件。例如，测量气体能够是内燃机的废气。颗粒尤其能够是炭黑颗粒或者灰尘颗粒。下面，在不限制另外的实施方式和应用的情况下，尤其参照用于探测炭黑颗粒的传感器元件来描述本发明。
两个或者多个金属电极能够安置在电绝缘的或者被绝缘的衬底上。在施加在电极之间的电压的作用下积聚的微粒、尤其是炭黑颗粒在传感器元件的收集阶段中在例如构型为梳状地彼此嵌接的叉指电极的电极之间形成导电桥并且所述电极由此短路。在再生阶段中，电极通常借助集成的加热元件自洁式燃烧(freigebrannt)。通常，颗粒传感器分析处理电极结构的由于颗粒积聚而改变的电特性。例如，能够在施加恒定电压的情况下测量出减小的电阻或者增大的电流。
根据该原理工作的传感器元件一般被称为电阻式传感器并且存在于多种实施方式中，如从DE102005 053120 A1、DE10319 664 A1、DE102004 0468 82 A1、DE102006 042362 A1、DE103 53 860 A1、DE101 49 333 A1和WO2003/006976 A2中已知。构型为炭黑传感器的传感器元件通常用于监控柴油颗粒过滤器。在内燃机的废气管路中，所描述类型的颗粒传感器通常被接收到保护管中，该保护管同时例如允许以废气流经颗粒传感器。
虽然由现有技术已知的用于检测颗粒的传感器元件具有优点，但所述传感器元件仍包含改善潜力。
发明内容
本发明基于发明人的这种新的认识：颗粒在电极上和电极之间的积聚的动力学不仅由施加在电极之间的电压给出，而且主要受构造在传感器元件的周围环境中的电场的干扰影响。通常，由于这些效应而降低颗粒的检测的精度和可复制性。
发明人已经认识到，这种电场的来源能够是传感器元件中的电荷、尤其是离子，所述电荷在测量阶段期间在传感器元件的衬底中具有相对低的迁移率。例如，能够出现，第一极性的离子在传感器元件的衬底中具有高的迁移率并且与第一极性相反的第二极性的离子在传感器元件的衬底中具有低的迁移率。如果现在施加在电极之间的电压在测量阶段期间借助产生的电场也作用在衬底上，则离子在衬底中移动，然而第一极性的离子由于其更高的迁移率比第二极性的离子移动得强烈得多。与第二极性的离子相关联的电荷量现在本身成为电场的来源，然而，所述电场在颗粒积聚到电极上的范畴内已被证明为干扰场：它们降低了存在于测量气体中的颗粒浓度与构造在电极之间的电传导性的相关性。
根据本发明，所描述的效应能够通过独立权利要求的特征来避免。由于传感器元件还具有至少在高温时导电的至少一个材料，所述材料至少在高温时不仅具有带正电的自由载流子而且具有带负电的自由载流子，其中，该材料布置在衬底上，其中，该材料将第一电极和第二电极至少在高温时电连接，能够避免：在传感器元件的测量阶段期间在传感器元件的衬底中，特定极性的离子过量地存在，并且所述离子通过由此产生的电干扰场不利地影响电极上的颗粒的积聚。
通过根据本发明的材料，尤其能够实现，从待证实的颗粒的角度来看，在衬底中过量的、由于少量地可运动的离子通过在材料中自由地可运动的载流子被电中和。总的来说，这些颗粒然后仅暴露在由电极的几何形状和电势产生的电场中。结果是颗粒的精确且可复制的可检测性。
为了借助根据本发明的传感器元件来充分利用所描述的优点，特别有利的是，如此运行该传感器元件，使得将该传感器元件加热到燃烧温度(Abbrandtemperatur)并且在此在第一电极和第二电极之间至少暂时地施加电压(再生阶段)，并且(不必立即)接着将该传感器元件冷却到低于燃烧温度的温度，并且其中，在第一电极和第二电极之间施加与在第一运行阶段中相同的电压，并且在此，基于代表在第一电极和第二电极之间的电流或者欧姆电阻的参量来检测所述颗粒(测量阶段)。
替代地，也能够有利的是，选择性地首先将该传感器元件加热到燃烧温度(再生阶段)，并且紧接着或者稍后或者也完全独立于再生阶段地，该传感器元件被冷却到低于燃烧温度但高于400℃的温度或者说具有该温度，并且在此，至少暂时地在第一电极和第二电极之间施加电压(热化阶段)，并且(不必立即)接着，该传感器元件被冷却到低于400℃的温度或者说具有该温度，并且其中，在第一电极和第二电极之间施加与在热化阶段中至少暂时施加的电压相同的电压，并且其中，基于代表在第一电极和第二电极之间的电流或者欧姆电阻的参量来检测所述颗粒(测量阶段)。
通过结合材料中的载流子的迁移率的效应并且借助在再生期间(在燃烧温度下)或者说在至少400℃下的热化阶段期间已经施加测量电压的新型方法特征实现：在测量阶段开始时(低于燃烧温度或者说低于400℃)完全结束上述的电效应。
如果该材料作为层施加在衬底上(例如在厚膜技术中)并且第一电极和第二电极布置在该材料上，则在制造技术方面是简单且稳健的。
另一方面，如果材料仅在第一电极和第二电极之间施加在衬底上并且电极就其而言同样布置在衬底上，则能够节省材料。
为了能够尽可能精确地执行该测量，尤其设置，衬底是电绝缘的，或者与第一电极并与第二电极并与该材料电绝缘，例如由氧化铝组成或者说以氧化铝来绝缘。
如果材料是导热的材料，即，尤其是仅在高温时显著导电的材料，则这有助于在测量阶段期间(低于燃烧温度)避免分流。
例如，该材料能够涉及由以下物质中的一个或者多个组成或者包括以下物质中的一个或者多个的材料：铁掺杂的氧化铝、铬掺杂的氧化铝、锌掺杂的氧化铝、钙掺杂的氧化铝、钒掺杂的氧化铝、镁掺杂的氧化铝、磷掺杂的氧化铝、铜掺杂的氧化铝，尤其是分别具有0.1Mol％的最小掺杂；钙掺杂的氧化锆、钇掺杂的氧化锆，尤其是分别具有0.1Mol％的最小掺杂和2Mol％的最高掺杂；AlFeO3。
有利地能够设置，该材料在500℃和1000℃之间的温度下在第一电极和第二电极之间构造300kΩ(千欧)至30MΩ(兆欧)的欧姆电阻，反之在80℃和500℃之间的温度下在第一电极和第二电极之间构造更大的欧姆电阻，例如至少30MΩ。
反之，本发明的一种替代扩展方案设置，该材料具有几乎不与温度相关的传导性(例如，在20℃时小于1％/K)和/或在80℃和500℃之间的温度下具有300kΩ(千欧)至30MΩ(兆欧)的欧姆电阻。这具有如下优点：为了实际上实现有利的电效应，不再必然地需要在实际的测量阶段之前将传感器元件加热到高的温度。在此在测量阶段中出现的分流能够以计算的方式来补偿。
尤其能够设置，施加在所述电极上的电压是正电压，也就是说，尤其地，两个电极中的一个电极的电势高于另一个电极的电势，和/或，至少一个电极的电势高于传感器元件的周围环境的电势、例如传感器装置的保护管的或者其中布置有传感器元件的排气管路的电势。如果所述颗粒带负电，则它们优选积聚在电极上。反之，带正电的颗粒优选积聚在具有较低电势的电极上。
所提出的方法能够有利地扩展，其方式是：在第一运行阶段期间(高于燃烧温度)检测代表在第一电极和第二电极之间的电流或者欧姆电阻的参量，并且，如果该电流高于阈值或者该欧姆电阻低于阈值，则推断出第一电极和第二电极以及馈电线的完整性；和/或，如果该电流低于阈值或者该欧姆电阻高于阈值，则推断出第一电极或者第二电极或者馈电线的不完整性。
附图说明
本发明的其他细节和可选特征在实施例中示出，所述实施例在下面的附图中示意性示出。
附图示出：
图1以立体图示出包括根据本发明的传感器元件和控制器的根据本发明的传感器设备；
图2以横截面视图示出根据本发明的传感器元件的另一个实施方式；
图3示出在根据本发明的方法期间传感器元件的温度的变化过程以及施加在传感器元件的电极之间的电压的变化过程；
图4示出在执行根据本发明的方法之后的传感器元件。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的传感器设备110的实施例，该传感器设备包括用于检测在测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件112和控制器114。传感器元件112包括至少一个第一电极116和至少一个第二电极118。在此，第一电极116具有多个第一电极指120，并且，第二电极118具有多个第二电极指122。第一电极指120和第二电极指122梳状地彼此嵌接。此外，传感器元件112包括至少一个材料124的至少一层。在此，第一电极指12和第二电极指122分别至少部分地施加在材料124的层上。
材料124能够是能激活的。在此，材料124的离子电导率在传感器元件112的运行温度范围内能够比在传感器元件112的再生温度范围内小。在此，运行温度范围的运行温度能够低于再生温度范围的再生温度。尤其地，运行温度范围能够在80℃至500℃的范围内，并且再生温度范围能够在550℃至900℃的范围内。
在第一电极指120和最近的第二电极指122之间的间距A能够具有5μm至200μm的值。在图1和图2中示出的、在第一电极指120和最近的第二电极指122之间的间距A能够由颗粒在运行温度下通过导电的颗粒桥桥接。在将运行电压施加到第一电极116和第二电极118上时在运行温度下流经颗粒桥的桥电流能够比在没有颗粒桥的情况下在相同的运行温度下且在将相同的运行电压施加到第一电极116和第二电极118上时流经材料124的层的层电流大了至少一个数量级。
材料124能够包括至少一个电解质，所述电解质选自包括如下的组：氧离子导体；氢离子导体。此外，固体电解质126能够包括氧化锆。尤其地，固体电解质126能够包括至少一个材料，所述材料选自包括如下的组：氧化钙掺杂的氧化锆；钙钛掺杂的氧化锆；钇掺杂的氧化锆；镧掺杂的氧化铝；钙掺杂的氧化铝；包括氧化镧和氧化锶的合金，尤其是由氧化镧和氧化锶组成的合金；包括钙掺杂的氧化钆的合金，尤其是由钙掺杂的氧化钆组成的合金。也可设想其他材料，例如掺杂的氧化钨。其他材料，尤其是不同掺杂的氧化锆或者不同掺杂的氧化铝，也是可能的。如在图1和图2中所示出的，材料124的层能够具有1μm至1mm的厚度DF。
另外，能够设置，材料124是导热的材料124，尤其是由以下物质中的一个或者多个组成或者具有以下物质中的一个或者多个：铁掺杂的氧化铝、铬掺杂的氧化铝、锌掺杂的氧化铝、钙掺杂的氧化铝、钒掺杂的氧化铝、镁掺杂的氧化铝、磷掺杂的氧化铝、铜掺杂的氧化铝，尤其是分别具有0.1Mol％的最小掺杂；钙掺杂的氧化锆、钇掺杂的氧化锆、钙钛掺杂的氧化锆，尤其是分别具有0.1Mol％的最小掺杂和2Mol％的最高掺杂；AlFeO3；和/或，该材料在500℃和1000℃之间的温度下在第一电极116和第二电极118之间构造300kΩ(千欧)至30MΩ(兆欧)的欧姆电阻，反之，在80℃和500℃之间的温度下在第一电极和第二电极之间构造更大的欧姆电阻。
材料124的层能够与第一电极指120和第二电极指122分别至少部分地直接接触。第一电极指120能够分别经由至少一个第一电极指表面128分别至少部分地与测量气体直接接触，并且，第二电极指122能够分别经由至少一个第二电极指表面130分别至少部分地与测量气体直接接触。第一电极指120和第二电极指122能够包括铂132。
图2以横截面视图示出传感器元件112的另一个实施例。如在图2中所示出的，传感器元件112能够包括至少一个衬底134。材料124的层能够施加到衬底134上。衬底134能够包括至少一个绝缘材料。它尤其能够包括至少一个陶瓷材料。
传感器元件112包括至少一个第一电极116和至少一个第二电极118。第一电极116包括多个第一电极指120，并且，第二电极118包括多个第二电极指122。第一电极指120和第二电极指122梳状地彼此嵌接，如在图1和图2中可看出的。
如在图2中所示出的，第一电极指120能够具有1μm至50μm、优选2μm至20μm并且特别优选5μm至10μm的厚度D1。此外，第二电极指122能够具有1μm至50μm、优选2μm至20μm并且特别优选5μm至10μm的厚度D2。尤其地，第一电极指120的厚度D1和第二电极指122的厚度D2能够是相同的。
传感器元件112能够具有至少一个、在所述附图中未示出的、用于加热传感器元件112的加热设备。在这种情况下，该加热设备能够由控制器114操控。
控制器114例如设置用于，在例如三个运行阶段中运行传感器元件112，参见图3。
在先前的运行阶段Pi(保护加热阶段)中，将传感器元件112加热到例如为200℃的温度T(图3中的虚线)。传感器元件112的电极116、118例如都处于地电势，从而在它们之间施加有0V的电压U(图3中的实线)。
在接着的第一运行阶段P1(再生阶段)中，将传感器元件112加热到燃烧温度，例如750℃，并且在第一电极116和第二电极118之间施加电压U，例如46伏特。第一运行阶段P1持续例如20至40秒。
在随后的第二运行阶段P2(测量阶段)中，将传感器元件冷却到低于燃烧温度的温度，例如冷却到250℃，并且在第一电极116和第二电极118之间施加与在第一运行阶段P1中相同的电压U(在示例中为46V)，并且基于代表在第一电极116和第二电极118之间的电流或者欧姆电阻的参量来检测所述颗粒。例如，第二运行阶段P2持续，直至达到预给定的电流强度或者预给定的电阻。
在变型方案中，能够设置，在包括加热阶段的整个再生阶段期间将电压U施加在电极116、118之间，或者，仅在再生阶段的一个时间部分期间或者甚至仅在与再生阶段在时间上邻接的冷却阶段期间、例如热化阶段期间将电压U施加在电极116、118之间。也可能的是，代替再生阶段地仅执行热化阶段，在该热化阶段中传感器温度至少为400℃，并且，在该热化阶段中电压U如所述地被施加。
根据本发明的方法的结果在图4中示出，其示出在第二运行阶段P2之后根据本发明的传感器元件112。在传感器元件112的表面上，在第一电极116和第二电极118之间构造具有低分支度的直线性的炭黑桥200。这些炭黑桥200在测量阶段期间沿着电极116、118之间的电场线形成。在此，从相对少的炭黑量中产生相对高的电传导性。因此，传感器元件112具有高的灵敏度。
反之，在常规的传感器元件112的运行中，由于电干扰场，在电极116、118之间产生更强烈地分支的炭黑路径。需要更高的炭黑量以实现与上述相当的传导性。因此，常规的传感器元件112与根据本发明的传感器元件112相比不那么灵敏。
Claims (14)
1.一种用于检测在测量气体室中的测量气体的颗粒的传感器元件(112)，其中，所述传感器元件(112)包括至少一个衬底(134)和至少一个第一电极(116)和至少一个第二电极(118)，所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极梳状地彼此嵌接，其中，所述传感器元件(112)还具有至少在高温时导电的至少一个材料(124)，所述材料至少在高温时不仅具有带正电的自由载流子而且具有带负电的自由载流子，其中，所述材料(124)布置在所述衬底(134)上，其中，所述材料(124)将所述第一电极(116)和所述第二电极(118)至少在高温时电连接。
2.根据权利要求1所述的传感器元件(112)，其中，所述材料(124)作为层施加在所述衬底(134)上，并且，所述第一电极(116)和所述第二电极(118)布置在所述材料(124)上。
3.根据权利要求1或2所述的传感器元件(112)，其中，所述第一电极(116)和所述第二电极(118)布置在所述衬底(134)上，其中，所述材料(124)在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间施加在所述衬底(134)上。
4.根据权利要求1或2所述的传感器元件(112)，其中，所述第一电极(116)和所述第二电极(118)布置在所述衬底(134)上，其中，所述材料(124)仅在所述第一电极(116)和第二电极(118)之间施加在所述衬底(134)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(112)，其中，所述衬底(134)是电绝缘的，或者与所述第一电极(116)并与所述第二电极(118)并与所述材料(124)电绝缘。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(112)，其中，所述材料(124)是导热的材料(124)，尤其是由以下物质中的一个或者多个组成或者具有以下物质中的一个或者多个，优选主要(>50重量百分比)具有：铁掺杂的氧化铝、铬掺杂的氧化铝、锌掺杂的氧化铝、钙掺杂的氧化铝、钒掺杂的氧化铝、镁掺杂的氧化铝、磷掺杂的氧化铝、铜掺杂的氧化铝，尤其是分别具有0.1Mol％的最小掺杂；钙掺杂的氧化锆、钇掺杂的氧化锆、钙钛掺杂的氧化锆，尤其是分别具有0.1Mol％的最小掺杂和2Mol％的最高掺杂；AlFeO3。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(112)，其中，所述材料(124)在500℃和1000℃之间的温度(T)下在所述第一电极和所述第二电极之间构造300kΩ(千欧)至30MΩ(兆欧)的欧姆电阻，反之在80℃和500℃之间的温度(T)下在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间构造更大的欧姆电阻。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器元件(112)，其中，所述材料(124)具有几乎不与温度相关的传导性，和/或，在80℃和500℃之间的温度(T)下具有300kΩ(千欧)至30MΩ(兆欧)的欧姆电阻。
9.一种用于检测在测量气体室中的测量气体的颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少一个根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(112)；
在第一运行阶段(P1)中运行所述传感器元件(112)，其中，将所述传感器元件(112)加热到燃烧温度并且在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间施加电压(U)；
随后，在第二运行阶段(P2)中运行所述传感器元件(112)，其中，将所述传感器元件(112)冷却到低于所述燃烧温度的温度(T)，其中，在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间施加与在所述第一运行阶段(P1)中相同的电压(U)，其中，基于代表在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间的电流或者欧姆电阻的参量来检测所述颗粒。
10.一种用于检测在测量气体室中的测量气体的颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少一个根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(112)；
选择性地：在第一运行阶段(P1)中运行所述传感器元件(112)，其中，将所述传感器元件(112)加热到燃烧温度，
在热化阶段中运行所述传感器元件(112)，在所述热化阶段中所述传感器元件(112)具有低于所述燃烧温度但高于400℃的温度，并且在所述热化阶段期间至少暂时在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间施加电压(U)；
-紧接着或者稍后：在第二运行阶段(P2)中运行所述传感器元件(112)，其中，所述传感器元件(112)具有低于400℃的温度(T)，其中，在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间施加与在所述热化阶段中至少暂时施加的电压相同的电压(U)，其中，基于代表在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间的电流或者欧姆电阻的参量来检测所述颗粒。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，施加在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间的电压(U)是正电压(U)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，在所述第一运行阶段(P1)期间检测代表在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间的电流或者欧姆电阻的参量，并且，如果所述电流高于阈值或者所述欧姆电阻低于阈值，则推断出所述第一电极(116)及其馈电线的和所述第二电极及其馈电线的完整性；和/或，如果所述电流低于阈值或者所述欧姆电阻高于阈值，则推断出所述第一电极或其馈电线的或者所述第二电极或其馈电线的不完整性。
13.一种传感器设备(110)，所述传感器设备包括根据权利要求1至8中任一项所述的传感器元件(112)并且包括控制器(114)，所述控制器设置用于，相应于权利要求9至12中任一项所述的方法来操控所述传感器元件(112)。
14.一种用于检测在测量气体室中的测量气体的颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少一个根据权利要求8所述的传感器元件(112)；
在第一运行阶段(P1)中运行所述传感器元件(112)，其中，将所述传感器元件(112)加热到燃烧温度；
随后，在第二运行阶段(P2)中运行所述传感器元件(112)，其中，冷却所述传感器元件(112)，其中，在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间施加电压(U)，其中，基于代表在所述第一电极(116)和所述第二电极(118)之间的电流或者欧姆电阻的且根据所述材料(124)的分流而校正的参量来检测所述颗粒。
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