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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem und ein Verfahren zur Bestimmung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Kohlendioxyd- und/oder Wasserkonzentration.
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Bei modernen Verbrennungsmotoren wird die effiziente Verbrennung des zugeführten Treibstoffes immer wichtiger. Zum einen wird durch die effiziente Verbrennung des Treibstoffes die zur Verfügung stehende Treibstoffreserve geschont und zum anderen wird durch eine effiziente Verbrennung des Treibstoffes die Belastung der Umwelt durch die Abgase des Verbrennungsprozesses auf ein Minimum reduziert. Bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge hat sich zur Reduktion des Schadstoffausstoßes die Rückführung der Abgase in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors als effiziente Methode zur Reduktion von Schadstoffen erwiesen. Da jedoch diese zurückgeführten Abgase schon einen Verbrennungsprozess durchlaufen haben, ist der im zurückgeführten Abgas enthaltenen Sauerstoffanteil gegenüber dem Anteil in der normalen Umgebungsluft reduziert. Für eine optimale Verbrennung ist es jedoch notwendig, genau zu wissen, wie das zur Verbrennung bereitgestellte Gas, insbesondere mit Hinblick auf den Sauerstoffanteil zusammengesetzt ist, damit dem Verbrennungsmotor genau die richtige Menge Sauerstoff zugeführt werden kann. Die Zusammensetzung der normalen Umgebungsluft ist bekannt. Sie besteht aus 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und etwa 0,03% Kohlendioxyd. Nachdem die frische Umbebungsluft im Verbrennungsmotor einem Verbrennungsprozess unterzogen wurde, ist der Sauerstoffanteil wesentlich reduziert und der Kohlendioxydanteil erheblich erhöht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstigen Sensorsystem anzugeben, mit dem die im Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltene Kohlendioxyd- und/oder Wasserkonzentration bestimmt werden kann, um durch die Bestimmung des Kohlendioxydanteils im Abgas des Verbrennungsmotors auf den verbliebenen Sauerstoffanteil im Abgas des Verbrennungsmotors schließen zu können.
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Die Aufgabe wird durch einen Sensorsystem zur Bestimmung der im Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Kohlendioxyd- und/oder Wasserkonzentration nach dem Patentanspruch 1 gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Kohlendioxyd- und/oder Wasserkonzentration nach dem Patentanspruch 10.
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Dadurch, dass die Passivierung in direktem Kontakt mit dem Abgas steht, wobei das Heizelement mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist, die das Heizelement mit elektrischen Strom versorgt und die Strahlungsquelle auf eine zur Abstrahlung der charakteristischen elektromagnetischen Strahlung notwendige Temperatur heizt, wobei das Heizelement bei einer Verschmutzung der Strahlungsquelle durch Abgasbestandteile, die Strahlungsquelle auf eine Abbrandtemperatur der Verschmutzung aufheizt, kann ein sehr kostengünstiges Sensorsystem geschaffen werden, das über einen langen Zeitraum sehr gute Messergebnisse liefert. Zwischen dem Substrat und dem Abgas sind im Rahmen dieser Erfindung keinerlei Fenster notwendig, die das Heizelement vor dem Abgas schützen. Da im Abgas eines Verbrennungsmotors sehr hohe Temperaturen herrschen ist die Abdichtung von Fenstern zwischen dem Substrat und dem Abgas eine aufwendige und teure Vorgehensweise. Zudem sind geeignete Fenster nur aus hochwertigen und sehr teuren Materialien herstellbar. Durch den direkten Kontakt der Passivierung mit dem Abgas werden alle diese Nachteile vermieden. Verschmutzungen auf der Strahlungsquelle können zyklisch oder nach Bedarf entfernt werden.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Energiequelle mit einer elektronische Schaltung verbunden ist, die den Strom für das Heizelement derart regelt, dass die Strahlungsquelle auf eine zur Abstrahlung der charakteristischen elektromagnetischen Strahlung notwendige Temperatur geheizt wird und bei einer Verschmutzung der Passivierung durch Abgasbestandteile, die Strahlungsquelle auf eine Abbrandtemperatur der Verschmutzung geheizt wird. Die elektrische Energiequelle kann eine elektrische Stromquelle sein. Die elektronische Schaltung überwacht den Zustand der Strahlungsquelle und leitet bei einem kritischen Verschmutzungsgrad das Abbrennen der Verschmutzung ein. Hierzu können auch andere Signale, zum Beispiel die eines Abgastemperatursensors, vorteilhaft einbezogen werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist auf dem Substrat ein schwarzer Körper ausgebildet und/oder die Passivierung ist als schwarzer Köper ausgebildet. Einige Materialien verhalten sich zumindest in einem begrenzten Spektralbereich wie ein Schwarzköper Strahler. Die Materialien können so gewählt werden, dass sie im Bereich der Kohlendioxyd- oder Wasserresonanzlinie besonders intensiv strahlen. Dazu kann der schwarze Körper als temperaturbeständige Paste ausgebildet sein.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist auf dem Substrat ein Siliziumgras ausgebildet. Siliziumgras verhält sich, wenn es erhitzt wird, nahezu wie ein idealer schwarzer Körper, der in seiner thermischen Strahlungscharakteristik dem Plankschen Strahlungsgesetz folgt. Der gleiche Effekt ergibt sich, wenn die Passivierung als Siliziumgras ausgebildet ist.
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Wenn auf oder an dem Substrat eine Membran ausgebildet ist, auf der das elektrische Heizelement angeordnet ist, kommt es nur in dem Bereich der Membran zu einem signifikanten Temperaturanstieg. Alle anderen Gereichte der Strahlungsquelle werden thermisch weniger belastet, was besondere Vorteile beim Einbau des Sensors in die Abgasanlage hat.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung und anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
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1 einen Verbrennungsmotor,
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2 die Funktionsweise des Sensorssystems,
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3 eine Draufsicht auf die Strahlungsquelle,
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4 den Strahlungsempfänger,
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5 den Sensor mit dem Strahlungsempfänger und Strahlungsquelle,
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6 die aus 2 bekannte Strahlungsquelle.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Abgaskrümmer 2 und dem sich an den Abgaskrümmer 2 anschließenden Abgasrohr 3. Im Abgasrohr 3 ist ein Schalldämpfer 4 ausgebildet. Vom Abgasrohr 3 zweigt ein Abgasrückführrohr 5 ab, das mit einem Abgasrückführventil 6 versehen ist. Wenn das Abgasrückführventil 6 geöffnet wird, können Abgase 13 aus dem Abgasrohr 3 über das Abgasrückführrohr 5 in das Ansaugrohr 9 geführt werden. Damit werden die Abgase 13 vom Verbrennungsmotor 1 der angesaugten Frischluft beigemischt. Die Frischluft für den Verbrennungsmotor 1 wird über einen Luftfilter 7, der eine Luftfiltermatte 8 enthält, in das Ansaugrohr 9 angesaugt. Die Frischluft wird bei geöffnetem Abgasrückführventil 6 mit den Abgasen 13 vermischt und dieses Gasgemisch wird dem Verbrennungsmotor 1 zur Verbrennung des Treibstoffes zugeführt. Zur Messung der Kohlendioxydkonzentration im Abgas 13 des Verbrennungsmotors 1 ist das Sensorsystem zur Bestimmung der im Abgas 13 des Verbrennungsmotors 1 enthaltenen Kohlendioxydkonzentration aus einem Sensor 10 und einer elektrischen Energiequelle 11 aufgebaut. Die elektrische Energiequelle 11 kann eine elektrische Stromquelle sein. Weiterhin kann das Sensorsystem zur Bestimmung der in einem Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Kohlendioxydkonzentration eine Auswerteelektronik 12 und eine elektronische Schaltung 31 zur Regelung des Stromes für das Heizelement 22 enthalten. Der Sensor 10 kann im Abgasrohr 3, im Abgasrückführrohr 5 oder im Ansaugrohr 9 im Bereich nach der Beimischung des Abgases 13 angeordnet sein.
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Die Funktionsweise des Sensors 10 zur Bestimmung der im Abgas 13 eines Verbrennungsmotors 1 enthaltenen Kohlendioxydkonzentration wird in 2 dargestellt.
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2 zeigt das Abgasrohr 3, in dem der Sensor 10 angeordnet ist. Wie schon in 1 dargestellt, kann der Sensor 10 auch im Abgasrückführrohr 5 oder im Ansaugrohr 9 angeordnet sein. Der Sensor 10 weist eine Strahlungsquelle 16 auf, die thermische Strahlung 17, 18 im infraroten Spektralbereich erzeugt. Die Strahlungsquelle 16 besteht aus einem Substrat 20, an dem oder auf dem mit mikromechanischen Methoden eine dünne Membran 21 ausgebildet ist. Auf der Membran 21 ist ein elektrisches Heizelement 22 angeordnet. Die Membran 21 und das darauf angeordnete elektrische Heizelement 22 können durch eine Passivierung 23 abgedeckt sein. Das elektrische Heizelement 22 ist über elektrische Anschlüsse 28 mit einer elektrischen Energiequelle 11 verbunden. Die elektrische Energiequelle 11 kann eine Stromquelle sein. Mithilfe dieser Energiequelle 11 wird das elektrische Heizelement und damit die Strahlungsquelle 16 nach Möglichkeit auf eine konstante Temperatur erhitzt, so dass die Strahlungsquelle 16 eine für sie charakteristische elektromagnetische Strahlung abstrahlt. Die Membran 21 dient in erster Linie dazu, das beim Erhitzen des elektrischen Heizelementes 22 möglichst wenig Wärmeenergie auf die äußeren Bereiche des Substrats 20 übertragen wird. Der heiße Bereich der Strahlungsquelle 16 soll damit vor allem im Bereich der Membran 21 entstehen. Die Strahlungsquelle 16 ist dabei so zu erhitzen, dass sie eine charakteristische elektromagnetische Strahlung 17, 18 abstrahlt, die eine möglichst hohe Intensität im Bereich von Resonanzwellenlängen des im Abgas befindlichen Kohlendioxydes oder Wassers aufweist. Dazu muss die Strahlungsquelle 16 auf eine konstante Temperatur geheizt werden, die allerdings in Abhängigkeit von der Abgastemperatur stehen kann. Ein Temperatursensor 30 erfasst die Abgastemperatur und führt diesen Messwert der elektronischen Schaltung 31 zu, die die Stromquelle 11 ansteuert, welche die Strahlungsquelle 16 versorgt. Der Temperatursensor 30 kann auch auf dem Substrat 20 der Strahlungsquelle 16 angeordnet sein.
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In dem Abgas 13 von dem Verbrennungsmotor 1 sind Kohlendioxydpartikel 14 und Wasserpartikel zu erkennen. Weiterhin werden mit dem Abgas 13 vom Verbrennungsmotor Verschmutzungen 15 durch das Abgasrohr 3 transportiert. Diese Verschmutzungen 15 können zum Beispiel Rußpartikel sein, die vermehrt bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff entstehen. Diese Rußpartikel neigen dazu, sich zum Beispiel auf der Passivierung 23 der Strahlungsquelle 16 abzulagern. Durch diese Verschmutzungen 15 auf der Strahlungsquelle 16 wird die charakteristische Strahlung der Strahlungsquelle 16 verändert, was die Messung des Kohlendioxydanteils im Abgas 13 wesentlich verfälschen kann. Auch hier ist es zunächst denkbar die konstante Temperatur der Strahlungsquelle 16 dem Verschmutzungsgrad der Strahlungsquelle 16 anzupassen. Wenn die Strahlungsquelle 16 jedoch soweit verschmutzt ist, das eine Nachführung der konstanten Heiztemperatur wirkungslos wird, ist es notwendig die Strahlungsquelle 16 von der Verschmutzung 15 zu reinigen. Dazu ist die Energiequelle 11 derart ausgebildet, dass sie die Strahlungsquelle 16 zum einen auf die zur Abstrahlung der charakteristischen elektromagnetischen Strahlung notwendige Temperatur aufheizen kann und zum anderen die Strahlungsquelle 16 auch auf die Abbrandtemperatur der Verschmutzung 15 aufheizen kann, womit die Oberfläche der Passivierung 23 von der Verschmutzung 15 befreit werden kann. Die Abbrandtemperatur für die Verschmutzung 15 (z. B. Ruß) liegt bei über 500°C. Es sei darauf hingewiesen, dass die Passivierung 23 im Rahmen dieser Erfindung in direktem Kontakt mit dem Abgas 13 vom Verbrennungsmotor 1 steht. Dies hat den Vorteil, dass aufwendige Fensterlösungen vermieden werden, wodurch der Sensor 10 besonders preisgünstig hergestellt werden kann. Um der Verschmutzungsproblematik bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Sensors 10 zu begegnen, kann das Heizelement 22 von der elektrischen Stromquelle 11 zum einen auf die zur Abstrahlung der charakteristischen elektromagnetischen Strahlung notwendige Temperatur geheizt werden und zum anderen auf die zur Beseitigung einer Verschmutzung 15 notwendige Abbrandtemperatur der Verschmutzung 15 aufgeheizt werden.
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Die Wirkungsweise des Sensors 10 nach 2 wird im Folgenden dargestellt:
Die Strahlungsquelle 16 sendet eine charakteristische elektromagnetische Strahlung aus, die eine erste Strahlung 17 mit einer Wellenlänge von z. B. 4,28 μm enthält. Die Strahlungsquelle 16 ist vorzugsweise mit mikromechanischen Techniken gefertigt und weist eine anisotrop geätzte Membran 21 auf, die von dem elektrischen Heizelement 22 zum Beispiel auf 400°C aufgeheizt wird. Bei 400°C erzeugt die Strahlungsquelle 16 die charakteristische elektromagnetische Strahlung, die alle benötigten Wellenlängen enthält. Bei dieser Anwendung liegt das Spektrum der Strahlung im Infraroten (IR) Bereich. Im Spektrum der Strahlungsquelle 16 ist zumindest eine zweite Strahlung 18 z. B. mit einer Wellenlänge von zum Beispiel 4,0 μm oder einer Wellenlänge von 5 μm enthalten. Wenn die erste Strahlung 17 mit einer Wellenlänge 4,28 μm auf ein Kohlendioxydpartikel 14 auftrifft, gerät diese erste Strahlung 17 mit dem Kohlendioxydpartikel 14 in Resonanz und wird vollständig vom Kohlendioxydpartikel 14 absorbiert. Hingegen geht die zweite Strahlung 18 ungehindert durch die Kohlendioxydpartikel 14 hindurch, da für die Wellelänge der zweiten Strahlung 18 keine Resonanzen mit dem Kohlendioxydpartikel 14 bestehen. Im Strahlungsempfänger 19 sind ein erstes Fenster 24 und ein zweites Fenster 25 zu erkennen. Das erste Fenster 24 lässt ausschließlich die erste Strahlung 17 mit einer Wellenlänge von 4,28 μm passieren. Das zweite Fenster 25 lässt ausschließlich die zweite Strahlung 18 mit der anderen Wellenlänge (z. B. 4,0 μm) passieren. Diese Fenster sind also Frequenzfilter.
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Hinter dem ersten Fenster 24 und dem zweiten Fenster 25 sind sogenannte Thermopiles 26 angeordnet, die die Intensität der durch das erste Fenster 24 und das zweite Fenster 25 gelangten elektromagnetischen Strahlung detektieren. Die hier beschriebene Wirkungsweise kann ebenso auf eine Resonanzwellenlänge von Wasser angepasst werden, wodurch der erfindungsgemäße Sensor sowohl zur Bestimmung einer in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Kohlendioxydkonzentration als auch zur Bestimmung einer in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Wasserkonzentration eingesetzt werden kann. Werden von der Strahlungsquelle eine erste und eine zweite Strahlung 17, 18, sowie eine dritte Strahlung erzeugt und ist die erste Strahlung 17 zum Beispiel auf die Resonanz mit dem Kohlendioxyd und die dritte Strahlung auf die Resonanz mit dem Wasser abgestimmt, wobei die zweite Strahlung keinerlei Resonanz mit den Abgasbestandteilen zeigt, so kann, unter Verwendung von drei entsprechenden Fenstern zur Frequenzfilterung und drei dahinter angeordneten Theropiles 26, die Kohlendioxyd- und die Wasserkonzentration im Abgas bestimmt werden.
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Basierend auf dem thermoelektrischen Effekt kann das Thermopile 26 als Temperaturmesselement eingesetzt werden, um die Intensität einer Wärmestrahlung zu messen. In einem Thermopile 26 sind mehrere Thermoelemente hintereinander geschaltet und erzeugen dadurch wesentlich höhere Messspannungen und eine höhere Empfindlichkeit. In jedem einzelnen Thermoelement wird eine zu der einstrahlenden Strahlungsintensität proportionale elektrische Spannung erzeugt. Die Ursache dafür ist der sogenannte Seebeck-Effekt. Hierbei fließen elektrische Ladungsträger in einem erwärmten Metall von dem warmen zum kalten Pol. Somit entsteht eine Differenzspannung zwischen den beiden verbundenen Metallen des Thermoelementes. Diese Differenzspannung wird abgegriffen und zum Beispiel mit einem Operationsverstärker verstärkt. Ein Thermopile 26 kann zum Beispiel aus 100 Thermoelementen, die aus Nickel-Chrom und Nickel bestehen, aufgebaut sein. Thermopiles 26 können sehr gut zur Messung der Intensität von IR-Strahlen (IR steht für Infra Rot) angewendet werden. Das Thermopile 26 kann mikromechanisch auf Siliziumbasis hergestellt werden. Besonders vorteilhaft kann das Thermopile 26 zur berührungslosen Temperaturmessung von Oberflächen eingesetzt werden.
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Wenn nun aufgrund einer hohen Kohlendioxydkonzentration 14 oder aufgrund eines hohen Wasseranteiles im Abgas 13 ein hoher Anteil der ersten Strahlung 17 (oder der dritten Strahlung) absorbiert wird, wird das erste Thermopile 26 hinter dem ersten Fenster 24 nur ein kleines elektrisches Signal liefern. Dieses Signal kann man mit dem Signal des zweiten Thermopiles 26 hinter dem zweiten Fenster 25 vergleichen. Da die zweite Strahlung 18 weder von Kohlendioxydpartikeln 14 noch von Wasserpartikeln im Abgas 13 absorbiert wird, wird das zweite Thermopile 26 hinter dem zweiten Fenster 25 immer die volle Leistung der Strahlungsquelle 16 empfangen und ein entsprechend großes elektrisches Signal liefern. Der Vergleich der von den zwei Thermopiles 26 gelieferten elektrischen Signale erfolgt in der Auswerteelektronik 12. Anhand dieses Vergleiches kann auf die Kohlendioxydkonzentration oder die Wasserkonzentration im Abgas 13 des Verbrennungsmotors 1 geschlossen werden. Da der Sauerstoffanteil in der Umgebungsluft bekannt ist, kann über die im Abgas 13 ermittelte Kohlendioxydkonzentration auch auf den Sauerstoffanteil im Abgas 13 geschlossen werden. Mit diesen Informationen kann dem Verbrennungsmotor 1 ein optimales Gemisch aus Frischluft und zurückgeführten Abgasen zugeführt werden.
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3 zeigt eine Draufsicht auf die Strahlungsquelle 16. Auf der Strahlungsquelle 16 ist das elektrische Heizelement 22 ausgebildet, das über die elektrischen Anschlüsse 28 mit der Stromquelle 11 verbunden werden kann. Das elektrische Heizelement 22 ist im Bereich der Membran 21 ausgebildet und mit einer Passivierungsschicht 23 überzogen.
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4 zeigt den Strahlungsempfänger 19, der ein erstes Fenster 24 und ein zweites Fenster 25 aufweist. Hinter dem ersten Fenster 24 ist ein erstes Thermopile 26 ausgebildet und hinter dem zweiten Fenster 25 ist ein zweites Thermopile 26 ausgebildet.
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5 zeigt den Sensor 10 mit dem Strahlungsempfänger 19 und Strahlungsquelle 16. Der Strahlungsempfänger 19 ist hier mit einer Halterung 29 mit der Strahlungsquelle 16 verbunden. Innerhalb der Halterung 29 sind elektrische Leitungen zu erkennen, die das Heizelement 22 mit der Stromquelle 11 und/oder der Auswerteelektronik 12 verbinden. Die Strahlungsquelle 16 besteht aus einem Substrat 20, das eine Membran 21 aufweist. Auf der Membran 21 ist das elektrische Heizelement 22 ausgebildet, welches von einer Passivierung 23 abgedeckt wird. Der Strahlungsempfänger 19 weist ein erstes Fenster 24 und ein zweites Fenster 25 auf, hinter diesen Fenstern sind die Thermopiles 26 angeordnet.
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6 zeigt die aus 2 bekannte Strahlungsquelle 16. Zu erkennen ist wiederum das Substrat 20 mit der Membran 21. Auf der Membran 21 ist das elektrische Heizelement 22 angeordnet und mit einer Passivierung 23 überzogen. Auf der Passivierung 23 ist ein sogenanntes Siliziumgras 27 ausgebildet. Dieses Siliziumgras 27 verleiht der Strahlungsquelle 16 die Eigenschaften eines nahezu idealen Schwarzkörperstrahlers. Siliziumgras, auch schwarzes Silizium (engl. black silicon) genannt, ist eine Oberflächenmodifikation des kristalinen Siliziums. Dabei entstehen zum Beispiel durch Beschuss mit hochenergetischen Ionen oder ultrakurzen Laserpulsen nadelförmige Strukturen auf der Oberfläche, die die Reflexion des Substrates stark verringern. Damit ist Siliziumgras eine nadelförmige Oberflächenstruktur, wobei die Nadeln zum Beispiel eine Länge > 10 μm und eine Durchmesser < 1 μm auf einem einkristallinen Silizium aufweisen. Diese Strukturform wird auch als „silicon grass” oder „RIE grass” bezeichnet. Ein wesentliches Merkmal des Siliziumsgrases 27 ist eine erhöhte Absorption von einfallendem Licht. Als Lichtemitter verhält sich das Siliziumgras 27 ähnlich wie ein idealer Schwarzkörperstrahler. Die abgestrahlte thermische Strahlung folgt in ihrer spektralen Verteilung beim Siliziumgras 27 weitgehend dem Planckschen Strahlungsgesetz.
