DE102007047614A1 - Particle e.g. sooty particle, sensor, has surface wave sensor comprising sensor surface that is supplied with particles on electrostatic path using direct voltage source that is coupled to surface wave sensor - Google Patents

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Abstract

The sensor (1) has a sensor unit including a surface wave sensor (2), and a direct voltage source (6) connected to the surface wave sensor. A sensor surface (11) of the surface wave sensor is supplied with particles on an electrostatic path using the direct voltage source. The surface wave sensor comprises two electrodes (4, 5) provided on an electrostrictive substrate (3), where the direct voltage source is connected between the electrodes. The surface wave sensor is interconnected with a high frequency voltage source (7). An independent claim is also included for a method for detecting a particle in a gas.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen von Partikeln in einem Gas mit einer auf die Anwesenheit von Partikeln empfindlichen Sensoreinheit.The The invention relates to a sensor for detecting particles in a Gas with a sensitive to the presence of particles sensor unit.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb des Sensors.The The invention further relates to a method for operating the sensor.

Ein derartiger Sensor ist aus der US 2007/0097372 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle und einen Detektor, mit dem das Licht von der Lichtquelle erfasst werden kann. Zwischen Lichtquelle und Detektor ist ein Strömungskanal ausgebildet, der von einer Partikel enthaltenden Luftströmung durchströmt wird. Durch die Partikel im Strömungskanal wird Licht aus dem Strahlengang herausgestreut. Die Schwächung des Lichtstrahls lässt sich mit Hilfe des Detektors erfassen. Bei der bekannten Vorrichtung ist der Detektor eine CCD-Kamera, mit der sich Rauchteilchen, Staubteilchen und Pollen unterscheiden lassen. Mit der bekannten Vorrichtung lässt sich beispielsweise die Luftbelastung mit Feinstaub und Rußpartikeln erfassen.Such a sensor is from the US 2007/0097372 A1 known. The known device comprises a light source and a detector with which the light from the light source can be detected. Between the light source and the detector, a flow channel is formed, which is flowed through by a particle-containing air flow. Due to the particles in the flow channel, light is scattered out of the beam path. The attenuation of the light beam can be detected with the aid of the detector. In the known device, the detector is a CCD camera with which smoke particles, dust particles and pollen can be distinguished. With the known device, for example, the air pollution with particulate matter and soot particles can be detected.

Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, deren komplexer Aufbau, da neben der Lichtquelle und dem Detektor weitere optische Elemente, wie zum Beispiel Kollimationslinsen, erforderlich sind. Diese optischen Elemente können zudem mit der Zeit verschmutzen, so dass eine regelmäßige Wartung nötig ist.One Disadvantage of the known device whose complex structure, because besides the light source and the detector further optical elements, such as collimating lenses, are required. This optical In addition, elements can become dirty over time, so that regular maintenance is necessary.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Sensor zum Erfassen von Partikeln in einem Gas zu schaffen.outgoing From this prior art, the invention is therefore the task based, a simple sensor for detecting particles in one To create gas.

Der Erfindung liegt ferner auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb des Sensors anzugeben.Of the The invention is also based on the object, a method to indicate the operation of the sensor.

Bei dem Sensor zum Erfassen von Partikeln in einem Gas umfasst die Sensoreinheit einen Oberflächenwellensensor und eine an den Oberflächenwellensensor angeschlossene Gleichspannungsquelle, mit der eine Sensoroberfläche des Oberflächenwellensensors auf elektrostatischen Wege mit Partikeln beaufschlagbar ist. Durch die auf der Sensoroberfläche angelagerten Partikel ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen und damit die Resonanzfrequenzen des Oberflächenwellensensors, was auf bekannte Art und Weise festgestellt werden kann. Ferner kann der Oberflächenwellensensor in eine einzelne elektronische Baueinheit integriert sein, so dass sich der Sensor zum Erfassen von Partikeln mit Hilfe eines einzelnen Bauelements realisieren lässt.at The sensor for detecting particles in a gas comprises the sensor unit a surface wave sensor and a surface wave sensor connected DC voltage source, with a sensor surface of the surface acoustic wave sensor by electrostatic means is acted upon by particles. Through the on the sensor surface attached particles, the propagation speed changes the surface waves and thus the resonance frequencies the surface acoustic wave sensor, which in a known way and Way can be determined. Further, the surface acoustic wave sensor be integrated into a single electronic module so that The sensor for detecting particles with the help of a single device can be realized.

Der Oberflächenwellensensor weist vorzugsweise ein Substrat aus einem elektrostriktiven Material auf, auf das Elektroden aufgebracht sind. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Elektroden in einer Interdigital-Struktur.Of the Surface wave sensor preferably has a substrate from an electrostrictive material, applied to the electrodes are. These are preferably electrodes in an interdigital structure.

Das Gleichfeld an der Sensoroberfläche kann nun erzeugt werden, indem die Gleichspannung zwischen den Elektroden des Oberflächenwellensensors angelegt wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass keine weiteren äußeren Elektroden vorgesehen werden müssen.The DC field on the sensor surface can now be generated by the DC voltage between the electrodes of the surface acoustic wave sensor is created. This embodiment has the advantage that no further outer electrodes are provided have to.

Bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform ist die Gleichspannung zwischen einer Elektrode auf der Sensoroberfläche des Oberflächenwellensensors und einer im Abstand zur Sensoroberfläche angeordneten äußeren Elektrode angelegt. In diesem Fall werden Partikel in dem Raum zwischen der äußeren Elektrode und der Sensoroberfläche zur Sensoroberfläche bewegt. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere zur Detektion von niedrigen Partikelkonzentrationen.at Another modified embodiment is the DC voltage between an electrode on the sensor surface of the surface acoustic wave sensor and an outer space spaced from the sensor surface Electrode applied. In this case, particles in the space between the outer electrode and the sensor surface moved to the sensor surface. This embodiment is particularly suitable for the detection of low particle concentrations.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das die Partikel zur Sensoroberfläche bewegende elektrische Gleichfeld deaktiviert und an die Elektroden des Oberflächenwellensensors eine Wechselspannung angelegt werden, deren Amplitude und Frequenz zu Beschleunigungskräften führen, die die Adhäsionskräfte der Partikel an der Sensoroberfläche übersteigt. Auf diese Weise kann die Sensoroberfläche des Oberflächenwellensensors von anhaftenden Partikeln gereinigt werden.at In another preferred embodiment, the Particle moving to the sensor surface DC electric field disabled and to the electrodes of the surface acoustic wave sensor an alternating voltage are applied whose amplitude and frequency lead to acceleration forces affecting the adhesion forces exceeds the particle at the sensor surface. In this way, the sensor surface of the surface acoustic wave sensor of be cleaned adhering particles.

Der Reinigungsvorgang wird vorzugsweise zwischen zwei Messvorgängen durchgeführt, so dass eine verschmutzungsbedingte Drift des Sensors verhindert wird.Of the Cleaning process is preferably between two measuring operations carried out, so that a drip caused by pollution of the sensor is prevented.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description, in the embodiments of the invention based the accompanying drawings explained in detail become. Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Partikelsensors; und 1 a first embodiment of a particle sensor; and

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Partikelsensors. 2 A second embodiment of a particle sensor.

1 zeigt einen Partikelsensor 1, der einen Oberflächenwellensensor 2 mit einem Substrat 3 umfasst. Auf das Substrat 3 sind Elektroden 4 und 5 ausgebildet. Die Elektroden 4 und 5 sind einerseits mit einer Gleichspannungsquelle 6 und einer Hochfrequenz-Spannungsquelle 7 sowie andererseits mit einer Wechselspannungsquelle 8 verbunden. Die Verbindung wird dabei jeweils über Schalter 9 und 10 hergestellt. 1 shows a particle sensor 1 , which is a surface wave sensor 2 with a substrate 3 includes. On the substrate 3 are electrodes 4 and 5 educated. The electrodes 4 and 5 are on the one hand with a DC voltage source 6 and a high frequency power source 7 and on the other hand with an AC voltage source 8th connected. The connection is in each case via switches 9 and 10 produced.

Bei dem Substrat 3 handelt es sich vorzugsweise um ein piezoelektrisches Substrat, das auf eine Substratoberfläche 11 den von den Elektroden 4 und 5 gebildeten Interdigitalwandler trägt. Durch Schließen des Schalters 9 wird die von der Gleichspannungsquelle 6 erzeugte Gleichspannung an die Elekt roden 4 und 5 angelegt. Dadurch entsteht zwischen den Elektroden 4 und 5 ein Gleichfeld, durch das Partikel, die in einem sich oberhalb der Substratoberfläche 11 befindenden Gas vorhanden sind, zu der Substratoberfläche 11 gezogen und dort gehalten werden. Dadurch verändert sich die Massenbelastung der auf der Substratoberfläche 11 anregbaren Oberflächenwellen. Infolgedessen ändert sich auch die Resonanzfrequenz des Oberflächenwellensensors 2. Die Änderung der Resonanzfrequenz kann mit Hilfe der Hochfrequenz-Spannungsquelle 7 bestimmt werden, indem beispielsweise die Frequenz der Hochfrequenz-Spannungsquelle 7 auf die Resonanzfrequenz des Oberflächenwellensensors 2 geregelt wird oder indem bei fester Frequenz der Hochfrequenz-Spannungsquelle 7 die Impedanz des Oberflächenwellensensors 2 bestimmt wird.At the substrate 3 it is preferably a piezoelectric substrate, which on a substrate surface 11 that of the electrodes 4 and 5 formed formed interdigital transducer. By closing the switch 9 becomes that of the DC voltage source 6 generated DC voltage to the Elekt roden 4 and 5 created. This creates between the electrodes 4 and 5 a dc field through which the particles are in an above the substrate surface 11 gas present to the substrate surface 11 pulled and held there. This changes the mass load on the substrate surface 11 Excitable surface waves. As a result, the resonant frequency of the surface acoustic wave sensor also changes 2 , The change of the resonant frequency can be achieved by means of the high frequency voltage source 7 determined, for example, by the frequency of the high frequency power source 7 to the resonant frequency of the surface acoustic wave sensor 2 or at fixed frequency of the high frequency power source 7 the impedance of the surface acoustic wave sensor 2 is determined.

Nach Beendigung des Messvorgangs kann der Schalter 9 geöffnet und der Schalter 10 geschlossen werden. Jetzt liegt das Signal der Wechselspannungsquelle 8 an dem von den Elektroden 4 und 5 gebildeten Interdigitalwandler an. Die Frequenz und Amplitude der Wechselspannungsquelle 8 wird so gewählt, dass die auf die Partikel auf der Substratoberfläche 11 wirkenden Beschleunigungskräfte größer als die Adhäsionskräfte sind. Dadurch werden die an der Substratoberfläche 11 anhaftenden Partikel entfernt und können mit Hilfe einer Gasströmung weggeblasen werden.After completion of the measuring process, the switch 9 opened and the switch 10 getting closed. Now lies the signal of the AC voltage source 8th at the of the electrodes 4 and 5 formed interdigital transducer. The frequency and amplitude of the AC voltage source 8th is chosen so that the on the particles on the substrate surface 11 acting acceleration forces are greater than the adhesion forces. This will cause the on the substrate surface 11 adherent particles removed and can be blown away by means of a gas flow.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform des Partikelsensors 1 sind die Gleichspannungsquelle 6 und die Hochfrequenz-Spannungsquelle 7 parallel geschaltet und können wechselweise mit den Elektroden 4 und 5 verbunden werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden zunächst mit Hilfe der Gleichspannungsquelle 6 Partikel aus dem anliegenden Gas auf die Substratoberfläche gezogen und anschließend die Massenbelegung der Substratoberfläche 11 bestimmt.In a modified embodiment of the particle sensor 1 are the DC voltage source 6 and the high frequency power source 7 connected in parallel and can alternately with the electrodes 4 and 5 get connected. In this embodiment, first with the aid of the DC voltage source 6 Particles drawn from the adjacent gas on the substrate surface and then the mass occupation of the substrate surface 11 certainly.

In 2 ist ein weiterer Partikelsensor 12 dargestellt, bei dem die Gleichspannungsquelle 6 zwischen der Elektroden 5 und einer äußeren Elektrode 13 geschaltet ist. Die Verbindung zwischen der äußeren Elektrode 13 und der Gleichspannungsquelle 6 kann dabei durch einen weiteren Schalter 14 unterbrochen werden.In 2 is another particle sensor 12 represented in which the DC voltage source 6 between the electrodes 5 and an outer electrode 13 is switched. The connection between the outer electrode 13 and the DC voltage source 6 can thereby by another switch 14 to be interrupted.

Der in 2 dargestellte Partikelsensor 12 bietet den Vorteil, dass sich das von der äußeren Elektrode 13 zu der Substratoberfläche 11 verlaufende Gleichfeld über ein größeres Volumen erstreckt als bei dem in 1 dargestellten Partikelsensor 1. Insofern eignet sich der Partikelsensor 12 auch zur Erfassung von niedrigen Partikelkonzentrationen in einem zu untersuchenden Gasvolumen.The in 2 illustrated particle sensor 12 offers the advantage of being that of the outer electrode 13 to the substrate surface 11 extending dc field extends over a larger volume than in the 1 shown particle sensor 1 , In this respect, the particle sensor is suitable 12 also for the detection of low particle concentrations in a gas volume to be examined.

Mit den Partikelsensoren 1 und 12 ist auch die Bestimmung von Partikelkonzentrationen in einem definierten Gasvolumen möglich, da mit den Partikelsensoren 1 und 12 die Menge der in einem bestimmten Zeitintervall auf die Substratoberfläche 11 auftreffenden Partikeln bestimmt werden kann. Aus der dabei auftretenden Massebelastung kann dann auf die Konzentration der Partikel im zu untersuchenden Gasvolumen geschlossen werden.With the particle sensors 1 and 12 it is also possible to determine particle concentrations in a defined gas volume, as with the particle sensors 1 and 12 the amount of in a given time interval on the substrate surface 11 impinging particles can be determined. From the occurring mass load can then be concluded that the concentration of particles in the gas volume to be examined.

Weiterhin sind die Partikelsensoren 1 und 12 wartungsfreundlich, da die Partikelsensoren 1 und 12 eine Reinigungsfunktion bieten, durch die an der Substratoberfläche 11 anhaftende Partikel von der Substratoberfläche 11 entfernt werden können.Furthermore, the particle sensors 1 and 12 Easy to maintain, as the particle sensors 1 and 12 Provide a cleaning function through which at the substrate surface 11 adherent particles from the substrate surface 11 can be removed.

Die Partikelsensoren 1 und 12 können beispielsweise in die Wand eines Strömungskanals eingebracht werden, um die Gasströmung quasikontinuierlich hinsichtlich des Gehalts an Partikeln zu überwachen.The particle sensors 1 and 12 For example, they can be introduced into the wall of a flow channel to monitor the gas flow quasi-continuously with respect to the content of particles.

Bei den erfassten Partikeln kann es sich sowohl um Feinstaub- als auch um Russpartikel handeln.at The particles detected can be both particulate matter and particulate matter to act on soot particles.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.Finally It should be noted that features and properties that are in Described in connection with a particular embodiment have been, even with another embodiment can be combined except when this is out For reasons of compatibility is excluded.

Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.After all It should be noted that in the claims and in the description the singular includes the plural, unless otherwise stated in the context. In particular, if the indefinite article is used is both the singular as well as the plural meant.

11
Partikelsensorparticle sensor
22
OberflächenwellensensorSurface acoustic wave sensor
33
Substratsubstratum
44
Elektrodeelectrode
55
Elektrodeelectrode
66
GleichspannungsquelleDC voltage source
77
Hochfrequenz-SpannungsquelleHigh-frequency voltage source
88th
WechselspannungsquelleAC voltage source
99
Schalterswitch
1010
Schalterswitch
1111
Substratoberflächesubstrate surface
1212
Partikelsensorparticle sensor
1313
äußere Elektrodeouter electrode
1414
Schalterswitch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 2007/0097372 A1 [0003] US 2007/0097372 A1 [0003]

Claims (11)

Sensor zum Erfassen von Partikeln in einem Gas mit einer auf die Anwesendheit von Partikeln empfindlichen Sensoreinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit einen Oberflächenwellensensor (2) und eine an den Oberflächenwellensensor (2) angeschlossene Gleichspannungsquelle (6) umfasst, mit der eine Sensoroberfläche (11) des Oberflächenwellensensors (2) auf elektrostatischem Wege mit Partikeln beaufschlagbar ist.Sensor for detecting particles in a gas with a presence of particles sensitive sensor unit, characterized in that the sensor unit comprises a surface wave sensor ( 2 ) and one to the surface wave sensor ( 2 ) connected DC voltage source ( 6 ), with which a sensor surface ( 11 ) of the surface wave sensor ( 2 ) Is acted upon by electrostatic means with particles. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenwellensensor (2) wenigstens zwei auf einem elektrostriktivem Substrat (3) aufgebrachte Elektroden (4, 5) aufweist.Sensor according to claim 1, characterized in that the surface wave sensor ( 2 ) at least two on an electrostrictive substrate ( 3 ) applied electrodes ( 4 . 5 ) having. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 5) eine Interdigital-Struktur aufweisen.Sensor according to claim 2, characterized in that the electrodes ( 4 . 5 ) have an interdigital structure. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (6) zwischen den beiden Elektroden (4, 5) geschaltet ist.Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the DC voltage source ( 6 ) between the two electrodes ( 4 . 5 ) is switched. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (6) zwischen einer der beiden Elektroden (4, 5) auf der Substratoberfläche (11) und einer äußeren Elektrode (13) geschaltet ist.Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the DC voltage source ( 6 ) between one of the two electrodes ( 4 . 5 ) on the substrate surface ( 11 ) and an outer electrode ( 13 ) is switched. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenwellensensor mit einer Wechselspannungsquelle (8) verschaltet ist, mit der der Oberflächenwellensensor (2) mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagbar ist, dessen Ampli tude und Frequenz eine auf die Partikel an der Sensoroberfläche (11) wirkende Beschleunigungskraft erzeugt, die größer als die Adhäsionskraft der Partikel an der Sensoroberfläche (11) ist.Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the surface wave sensor with an AC voltage source ( 8th ), with which the surface wave sensor ( 2 ) can be acted upon with an AC signal whose amplitude and frequency one on the particles on the sensor surface ( 11 ) acting acceleration force that is greater than the adhesion force of the particles on the sensor surface ( 11 ). Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenwellensensor (2) mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle (7) verschaltet ist, mit deren Hilfe die Massenbelegung der Sensoroberfläche (11) bestimmbar ist.Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the surface wave sensor ( 2 ) with a high frequency power source ( 7 ), with the aid of which the mass allocation of the sensor surface ( 11 ) is determinable. Verfahren zum Erfassen von Partikeln in einem Gas, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoroberfläche (11) eines Oberflächenwellensensor (2) mit Hilfe einer am Oberflächenwellensensor (2) anliegenden Gleichspannung auf elektrostatischem Wege mit Partikeln aus einem Gas beaufschlagt wird.Method for detecting particles in a gas, characterized in that a sensor surface ( 11 ) a surface wave sensor ( 2 ) with the aid of a surface wave sensor ( 2 ) applied DC voltage is applied by electrostatic means with particles from a gas. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung für eine vorbestimmte Zeit an den Oberflächenwellensensor (2) angelegt wird.A method according to claim 8, characterized in that the DC voltage for a predetermined time to the surface wave sensor ( 2 ) is created. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Oberflächenwellensensor (2) eine Hochfrequenzspannung angelegt wird, mit der die Massenbelastung der Sensoroberfläche (11) bestimmt wird.Method according to claim 8 or 9, characterized in that the surface wave sensor ( 2 ) a high-frequency voltage is applied, with which the mass load of the sensor surface ( 11 ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss eines Messvorgangs der Oberflächenwellensensor (2) mit einer Reinigungsspannung beaufschlagt wird, durch die die Sensoroberfläche (11) des Oberflächenwellensensor (2) von Partikeln befreit wird.Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that after completion of a measuring operation of the surface wave sensor ( 2 ) is subjected to a cleaning voltage through which the sensor surface ( 11 ) of the surface wave sensor ( 2 ) is freed from particles.
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