DE102015016820A1

DE102015016820A1 - Partikelmessanordnung

Info

Publication number: DE102015016820A1
Application number: DE102015016820.7A
Authority: DE
Inventors: Rolf Merte; Ralf Stich
Original assignee: Testo SE and Co KGaA
Current assignee: Testo SE and Co KGaA
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-22
Also published as: US10705003B2; EP3394590A1; US20180372610A1; CN108431578A; WO2017108151A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (1) zur Detektion von Partikeln eines Partikelstroms (2) in einem Gasströmungsweg (3), mit einer Ionisierungsstufe (10), welche eine Ionisierungseinrichtung (11) aufweist, mittels der die zu erfassenden Partikel ionisierbar oder ionisiert sind. Die Messanordnung (1) hat außerdem eine Messstufe (20) mit einem Erfassungsmittel (21), welches die ionisierten Partikel des Partikelstroms (2) erfasst, wobei das Erfassungsmittel (21) wenigstens eine Elektrode (22) aufweist, an welcher Partikel, die an der Ionisierungseinrichtung (11) aufgenommene Ladung abgeben, wobei die abgegebene Ladung über einen an der wenigstens einen Elektrode (22) angeschlossenen elektrischen Widerstand (23, 30) messbar ist. Um eine günstige und wenig fehleranfällige, zuverlässige Messanordnung (1) zur Verfügung zu haben, wird die wenigstens eine Elektrode des Erfassungsmittels als Mikrosystem ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Detektion von Partikeln eines Partikelstroms in einem Gasströmungsweg, mit einer Ionisierungsstufe, welche eine Ionisierungseinrichtung aufweist, mittels der die zu erfassenden Partikel ionisierbar oder ionisiert sind und mit einer Messstufe mit einem Erfassungsmittel, welches die ionisierten Partikel des Partikelstroms erfasst, wobei das Erfassungsmittel wenigstens eine Elektrode aufweist, an welcher Partikel die an der Ionisierungseinrichtung aufgenommene Ladung abgeben, wobei die abgegebene Ladung über einen an der wenigstens einen Elektrode angeschlossenen elektrischen Widerstand messbar ist.
Messanordnungen zur Erfassung von Partikeln in einem Partikelstrom sind vielfältig bekannt und werden zur Detektion von Größe und/oder Anzahl von Partikeln eingesetzt. Man kennt hier beispielsweise Anordnungen zur Durchführung von gravimetrischen oder optischen Partikel-Messverfahren, aber auch solche der eingangs genannte Art, bei welchen in einem Gasströmungsweg ein Ionisierungsbereich bzw. eine Ionisierungsstufe mit einer Ionisierungseinrichtung, und dieser Stufe nachgeschaltet eine Messstufe mit einem Erfassungsmittel angeordnet und ausgebildet ist. Das Erfassungsmittel weist dabei eine elektronische Zähleinrichtung auf. Der Partikelstrom kann hierbei beispielsweise ein Abgasstrom, etwa aus einem Verbrennungsmotor sein.
Das Erfassungsmittel kann bei bekannten Partikel-Messanordnungen etwa als Elektrode ausgebildet sein, die mit der elektronischen Zähleinrichtung verbunden ist, während in dem Ionisierungsbereich als Ionisierungseinrichtung ein mit Hochspannung beaufschlagter Ionisierungsdraht, etwa ein Wolframdraht, angeordnet ist oder eine UV-Strahlungsquelle auf den Partikelstrom ionisierend einwirkt. Die wenigstens eine Elektrode kann dabei in Form eines Gitters ausgebildet sein, an das ein hochohmiger Widerstand angeschlossen ist. Zu Partikelzählung wird die von den Partikeln in der Ionisierungsstufe aufgenommene und an die Elektrode abgegebene Ladung als Stromfluss über den hochohmigen Widerstand gemessen.
Um solchen Partikel-Messanordnungen einen breiteres Einsatzspektrum zu verschaffen und eine günstige und wenig fehleranfällige, zuverlässige Messanordnung zur Verfügung zu stellen, liegt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Messanordnungen zu miniaturisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Partikel-Messanordnung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Solche Partikel-Messanordnungen sehen daher insbesondere vor, die wenigstens eine Elektrode als Mikrosystem auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass die Messstufe, gegebenenfalls gleich mit einer Auswertungsstufe, miniaturisiert ausführbar ist. Durch die Ausführung als Mikrosystem, auch MEMS (Akronym für micro electro-mechanical system) genannt, können die Messanordnungen mit einem höheren Integrationsgrad ausgelegt und vorliegend mechanische und elektrische Funktionen vereint werden, so dass ein mehr- bzw. multifunktionales System entsteht. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich elektrische Komponenten mit ihren Schaltkreisen an einem Trägersubstrat oder zuweilen auch einfach Substrat genannten Grundmaterial aus einem Halbleiter-Werkstoff mit hoher Funktionsdichte anordnen lassen. Der erwähnte höhere Grad an Integration geht üblicher Weise mit reduzierten Kosten aufgrund geringeren Materialeinsatzes und höherer Fertigungsdichte einher, außerdem kann bei zusammenwirkenden Systemen die Zuverlässigkeit und Reaktionsschnelligkeit aufgrund kurzer, schnittstellenarmer Wege verbessert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einer Mehrzahl von Elektroden ausgebildet sein, beispielsweise mit zwei oder drei Elektroden. Bei entsprechender geometrischer Anordnung kann hierdurch gegebenenfalls ein Diskriminierungskriterium für verschiedene, an den Elektroden ihre Ladung abgebende Partikel, etwa hinsichtlich ihrer Größe, etabliert werden.
Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Messanordnung, die die Miniaturisierung und damit den Integrationsgrad weiter vorantreibt sieht es vor, dass der hochohmige Widerstand ebenfalls als Mikrosystem ausgebildet ist. Dieser hochohmige Widerstand wird zur Messung der auftretenden geringen Ströme bei der Abgabe von Ladungsträgern an der Elektrode eingesetzt. Dies hat den Vorteil, dass der Widerstandswert des hochohmigen Widerstandes, der im Teraohm-Bereich liegen kann, mit geringer Fertigungstoleranzstreuung fertigbar ist. Gleichzeitig kann es dabei vorteilhaft sein, zusätzlich zu dem erwähnten Widerstand auch einen Operationsverstärker zur Verstärkung der geringen Ströme einzusetzen und als Mikrosystem auszubilden, so dass die einzelnen, Ladung abgebenden Partikel zuverlässig erfassbar sind.
In einer vorteilhaften Ausführung der Messanordnung kann die Elektrode als elektrisch leitende, insbesondere metallische Beschichtung einer zumindest bereichsweise mit der Beschichtung versehenen wandartigen Struktur vorgesehen sein, wobei insbesondere die wandartige Struktur etwa durch ein poröses Filtersubstrat gebildet sein kann, welches im Gasströmungsweg angeordnet und von dem Gasstrom durchfließbar oder durchflossen ist. Hierdurch kann die Elektrode selbst einen integralen Teil des von dem Partikelstrom zu durchtretenen Volumens bilden.
In einer bevorzugten Weiterbildung können dabei die in jedem Fall von dem Partikelstrom zu durchtretenen Poren des Filtersubstrats metallisiert ausgebildet sein und auf diese Weise die Elektrode bilden und hierbei mit dem Widerstand elektrisch verbunden sein.
In der Ausbildung als poröses Filtersubstrat lassen sich vorteilhafter Weise unterschiedliche Porenweiten an dem Filtersubstrat ausbilden, so dass in einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messanordnung das Erfassungsmittel der Messstufe mit wenigstens einem Filtersubstrat mit Poren einer Porenweite oder einer Mehrzahl von Filtersubstraten mit unterschiedlichen Porenweiten ausgebildet ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Messanordnung hat das Erfassungsmittel wenigstens zwei in dem Gasströmungsweg angeordnete Elektroden mit Poren unterschiedlicher Porenweite, die unterschiedlichen Filtersubstraten zugeordnet sind. Hierbei sind die die Elektroden bildenden Substrate mit ihren metallisierten Poren im Strömungsweg nebeneinander oder bevorzugt hintereinander angeordnet. Dabei befindet insbesondere bei zwei hintereinander angeordneten Elektroden die Elektrode mit größer dimensionierter Porenweite stromaufwärts der anderen Elektrode.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Messanordnung ist das Erfassungsmittel in einer Messkammer ausgebildet. Von Vorteil ist dabei, dass das Erfassungsmittel nach außen abgeschirmt anordenbar ist. Besonders günstig ist es dabei, wenn die Messkammer als Mikrosystem, insbesondere durch Strukturierung wenigstens eines Substrats, ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Messstufe vollständig oder nahezu vollständig als Mikrosystem ausbildbar ist.
Dies hat den Vorteil, dass die beiden Elektroden unterschiedlich auf unterschiedliche Größen von Partikeln ansprechen.
So ist es bereits von Filtern bekannt, dass grobmaschige Filter dazu tendieren, auf große Partikel unempfindlich zu sein, während kleine Partikel aufgrund der Brown'schen Bewegung ihre dort Ladung abgeben, während engmaschigere Filter die erwähnten großen Partikel ebenfalls detektieren. Die Partikel sollen daher zunächst ein grobmaschigeres, kleinere Partikel filterndes Substrat durchtreten, weswegen dies bei unterschiedlicher Porenweite stromaufwärts angeordnet ist.
Durch eine Hintereinanderschaltung einer Elektrode mit großer Porenweite und einer nachfolgenden Elektrode mit kleiner Porenweite kann somit erreicht werden, dass unterschiedliche elektrische Signale vorliegen, welche einen Rückschluss auf die Größenverteilung der Partikel erlauben.
Eine Messanordnung mit einem besonders einfachen Aufbau kann es zweckmäßigerweise vorsehen, dass eine Mehrzahl von Elektroden, insbesondere zwei Elektroden, mit ihrem jeweiligen Filtersubstrat in dem Gasströmungsweg hintereinander oder nebeneinander angeordnet benachbart sind und hierbei, gegebenenfalls beabstandet, miteinander in Anlage gebracht sind.
Es ist somit ein elektrisch isolierender Hohlraum zwischen den Elektroden bildbar, welcher von dem Gas durchströmbar ist. Dabei bilden die voneinander beabstandeten Filtersubstrate jeweils eine Art Filterstufe, die in geeigneter Weise gegeneinander isoliert sind, wodurch wiederum das Auftauchen von Leckströmen reduziert ist. Durch die Isolierung ist erreichbar, dass die Elektroden nicht kurzgeschlossen werden. Somit ist eine getrennte Strommessung ermöglicht. Hierbei ist es insbesondere in Bezug auf eine Nachweisgrenze von Vorteil, wenn die Leckströme gering sind.
Mit den porösen Substraten sind dabei periodische Strukturen zum Durchtritt der Partikel geschaffen, die durch strukturierte Halbleiter nach Art von photonischen Kristallen oder geätzten Kanälen, die jeweils Durchtritte gewünschter Form und Größe bilden können, gebildet sein können. An den Durchtritten können durch geeignete Beschichtungsverfahren, wie bspw. CVD (chemische Gasphasenabschneidung, chemical vapor deposition) oder PVD, physikalische Gasphasenabscheidung, chemical vapor deposition, Elektroden angeordnet werden.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Messanordnung ordnet jeder der einen oder mehreren Elektroden des Erfassungsmittels eine Auswerte-Elektronik zu, die gemeinsam mit der Elektrode auf einem mit dieser versehenen Trägersubstrat angeordnet ist. Das Trägersubstrat kann dabei die Elektrode(n) sowohl „nur” tragen, als auch umfassen. Der bzw. die für die Auswertung verwendeten Widerstände können beispielsweise in das Substrat implantiert und somit integriert sein, was durch den hiermit gebildeten Schutz zu einer geringeren Streuung von Werten führt. Gleichzeitig kann auch je ein Operationsverstärker integriert werden, dessen Verstärkung und Rauschverhalten sich hierdurch verbessert, während Offsetspannungen und Leckströme vernachlässigbar sind. Insgesamt lassen sich Messanordnungen mit geringeren baulichen Abmessungen erreichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung von möglicherweise eigenständiger erfinderischer Qualität kann vorgesehen sein, dass die in dem Ionisierungsbereich der Ionisierungsstufe angeordnete Ionisierungseinrichtung als Mikrosystem ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass auch die Ionisierungsstufe oder Vorbereitungsstufe miniaturisierbar ist. In der Ionisierungsstufe findet eine Ionisierung der Luft als Corona-Aufladung statt, wobei der Ionisierungsbereich beispielsweise kammerartig ausgebildet sein kann, in der betreffenden Kammer werden die an der Kammer vorbei oder durch diese hindurch geführten Partikel aufgeladen, also mit einer Ladung versehen. Eine mit einer in der Regel einige kV betragenden Hochspannung verbundene Ionisierungseinrichtung kann dabei als Mikrosystem ausgeführter Draht, als Gitter oder auch als flächiger Auftrag, etwa in Form einer Beschichtung vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise auch eine beschichtete kontaktierte Trägermembran sein, die an dem Substrat angeordnet ist Der Ionisierungsdraht, der beispielsweise bevorzugt ein Wolframdraht sein kann, kann auch durch eine UV-LED als alternative Ionisierungseinrichtung ersetzt werden, wodurch eine optische Ionisation der Luft erreicht werden kann. Auch eine solche Diode ist als Halbleiterbauelement integrierbar und somit als Mikrosystem ausbildbar. In einer Ausführung als Schicht kann diese mit einigen 10 Nanometern Dicke, bspw. 20 bis 50 nm, merklich dünner als ein Draht ausgebildet werden, dessen Durchmesser in der Regel einige 10 Mikrometer beträgt. Auf diese Weise kann die zur Ionisierung notwendige Spannung gegebenenfalls reduziert werden. Dabei können überdies auch die Hochspannungsquelle und deren Regelung als digitale Schaltung oder sog. mixed signal-Schaltung in das Substrat des Mikrosystems integriert sein. Genauso ist aber auch eine Zuführung von einer externen Quelle denkbar.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Messanordnung ist die Ionisierungseinrichtung mit wenigstens einem in einem Ionisierungsbereich angeordneten Ionisierungsdraht ausgebildet, wobei der Ionisierungdraht auf ein Substrat aufgebracht ist und/oder frei liegt, insbesondere wobei der Ionisierungsdraht über einer in dem Substrat ausgebildeten Ionisierungskammer gelegt oder geführt ist. Dabei liegt der Draht bevorzugt frei, das heißt, sowohl oberhalb als auch unterhalb des Drahtes ist die Ionisierungskammer oder ist der Ionisierungsbereich ausgebildet, so dass zu beiden „Seiten” Partikel in ihrem Strömungsweg an dem Draht vorbei geführt sein können.
Da die Fertigung der Vorbereitungsstufe und die Fertigung der Mess- und Auswertungsstufe in unterschiedlich komplexen Arbeitsschritten erfolgt, sind bei einer zweckmäßigen Ausbildung der Messanordnung die Ionisierungseinrichtung einerseits und das Erfassungsmittel mit einer oder mehreren Elektroden sowie gegebenenfalls wenigstens einer Auswerteelektronik andererseits auf verschiedenen Substraten angeordnet.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Ionisierungskammer, beispielsweise die bereits erwähnten Ionisierungskammer, durch Strukturierungen wenigstens eines Substrats, insbesondere zweier aufeinandergesetzter Substrate, gebildet ist. Die Strukturierung kann beispielsweise durch chemische, physikalische und/oder optische Bearbeitungsverfahren gebildet sein. Von Vorteil ist dabei, dass die Ionisierungseinrichtung vollständig oder nahezu vollständig als Mikrosystem, also in Mikrosystemtechnologie, fertigbar ist.
Die Substrate können dabei jeweils als Teile eines Wafers ausgebildet sein.
Um hierbei die kompakte Einheit der Messanordnung wahren zu können und die Funktionalitäten nicht weiter als notwendig voneinander zu beabstanden, sieht eine weitere Ausführung der Messanordnung die Anordnung mit einem Trägerteil vor, das die Substrate der verschiedenen Stufen gemeinsam trägt.
In vorteilhaften, weil den Gesamtaufbau der Messanordnung vereinfachenden Weiterbildungen kann hierbei einerseits der Gasströmungsweg als Gaskanal an dem Trägerteil ausgebildet sein, zum anderen kann der Ionisierungsbereich aber auch durch das Trägerteil begrenzbar sein, insbesondere kann das Trägerteil für den Ionisierungsbereich beispielsweise einen Deckel bilden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Träger aus Silizium oder einem Borosilikatglaswerkstoff, insbesondere aus Pyrex, ausgebildet sein, so dass das Trägerteil einfach herzustellen und handzuhaben ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. In teilweise stark schematisierter Form zeigen dabei die
1 eine geschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit deren Ionisierungsstufe, an welcher die Elektrode an einem Substrat angeordnet und mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist;
2 eine geschnittene Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung, bei welcher die Ionisierungsstufe mit höherem Integrationsgrad ausgeführt ist;
3 eine ebene Draufsicht auf die untere Hälfte der Ionisierungsstufe aus der 2
4 eine geschnittene Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Messanordnung mit einer Messstufe mit einem Erfassungsmittel, welches eine Mehrzahl von Substraten unterschiedlicher Porenweite aufweist.
5 eine geschnittene Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Messanordnung, bei welcher die Messstufe mit Erfassungsmittel in einem höheren Integrationsgrad ausgeführt ist;
6 eine geschnittene Seitenansicht des Gesamtaufbaus einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit Ionisierungsstufe und Messstufe.
In den 1 bis 6 erkennt man jeweils eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Messanordnung zur Detektion von Partikeln eines jeweils durch Pfeile in seiner Strömungsrichtung angedeuteten Partikelstroms 2 in einem Gasströmungsweg 3, mit einer Ionisierungsstufe 10, welche eine Ionisierungseinrichtung 11 aufweist, mittels der die zu erfassenden Partikel ionisierbar oder ionisiert sind. weiter weist die Messanordnung 1 eine Messstufe 20 mit einem Erfassungsmittel 21 auf, welches die ionisierten Partikel des Partikelstroms erfasst, wobei das Erfassungsmittel 21 wenigstens eine Elektrode 22 aufweist, an welcher Partikel, die an der Ionisierungseinrichtung 11 aufgenommene Ladung abgeben, wobei die abgegebene Ladung über einen an der Elektrode 22 angeschlossenen elektrischen Widerstand 23 messbar ist. Die wenigstens eine Elektrode der Messanordnung 1 ist dabei als Mikrosystem, also in Mikrosystemtechnik, ausgebildet.
In der 1 erkennt man hierzu von der Messanordnung 1 eine Ionisierungsstufe 10 mit in einer Ionisierungskammer 16 angeordneten Ionisierungseinrichtung 11. Innerhalb der Ionisierungskammer 16 ist an einer Platine 12 ein Wolframdraht 13 angeordnet, der über Kontakte 14 an eine Hochspannungsquelle 15 angeschlossen ist. In der Ionisierungskammer 12 findet an dem Wolframdraht 13 eine Ionisierung der Luft, eine sogenannte Corona-Aufladung statt, wodurch die Partikel des Partikelstroms 2 ebenfalls ionisiert erden, es wird also Ladung an die Partikel abgegeben. Hierdurch verlässt der Partikelstrom 2 die Ionisierungsstufe 10 ionisiert.
Mit einem höheren Integrationsgrad ist der gleiche Sachverhalt, nämlich die Passage des Partikelstroms 2 an einer Ionisierungsstufe vorbei, in den 2 und 3 dargestellt. Die Bewegung des Partikelstroms erfolgt dabei in die Zeichenebene der 2 hinein. Dort erkennt an hierzu im unteren Teil der Darstellung einen aus einem Halbleitermaterial, nämlich Silizium, das zur Isolation an seiner Oberseite mit einer dünnen Schicht Siliziumoxid oder Siliziumnitrid überzogen ist, gefertigten Wafer als Substrat 4, in welchen eine Vertiefung 5 beispielweise über einen Ätzprozess eingelassen ist. Die Isolation ermöglicht es, elektrisch leitende Strukturen aufzubringen, ohne dass diese durch das Silizium kurzgeschlossen werden. Die Vertiefung 5 wird dabei von einer stegartigen Trägermembran 6 überspannt, die mit einer metallischen Schicht 7 aus Wolfram versehen ist, welche den ionisierenden Teil der Ionisierungseinrichtung 11 bildet und über die elektrische Kontaktierung 14 mit einer nicht weiter dargestellten Hochspannungsquelle verbunden ist. In den Bereichen, in denen die stegartige Trägermembran 6 das Substrat 4 selbst übergreift, sind die beiden gegeneinander isoliert. Die Trägermembran 6 kann durch die Vertiefung 5 allseitig von dem nicht weiter dargestellten Partikelstrom 2 umströmt werden. In der 3 nicht dargestellt und in der 2 den oberen Teil der Darstellung bildend ist eine Art Deckel 8 aus Pyrex-Material gezeigt, dessen Deckelausnehmung den Gasströmungsweg 3 für den Partikelstrom 2 bildet. Gegenüber dem Wolframdraht 13 der 1 ist die an der Trägermembran 6 angeordnete Wolframschicht 7 der 2 und 3 deutlich dünner und kann mit einer reduzierten Spannung versorgt werden. Nicht dargestellt ist, dass die Hochspannungsquelle 15 sowie deren Regelung schaltungstechnisch an dem Substrat 4 integriert sind.
In den 4 und 5 ist die Messanordnung 1 jeweils Ausbildungen von Messstufen 20 mit unterschiedlichem Integrationsgrad darstellt, wobei erfindungsgemäß die Elektroden 22 des Erfassungsmittels 21 der Messstufe 20 jeweils als Mikrosystem ausgebildet sind. die Von einer dort nicht gezeigten Ionisierungsstufe 10 kommend tritt der Partikelstrom 2 dabei jeweils auf seinem Gasströmungsweg 3 in die Messstufe 20 ein, für den Betrachter an der linken Seite der Messstufe. Unter Änderung der Bewegungsrichtung passiert der Partikelstrom anschließend eine mehrstufiges Erfassungsmittel 21 der Messstufe 20, das mit einer Mehrzahl, nämlich zwei Elektroden 22 ausgebildet ist, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
In der 4 sind die Elektroden dabei jeweils als Gitter 24, 25 aus einem Metall ausgebildet und weisen eine unterschiedliche Maschenweite auf, wobei das grobmaschigere der beiden Gitter 24a stromaufwärts angeordnet ist, also für den Betrachter das untere Gitter 24 bildet. An diesem scheiden sich, bedingt durch die Brown'sche Bewegung kleinere Partikel ab, während an dem oberen, in Strömungsrichtung hinteren Gitter 25 größere Partikel „gesammelt” und entladen werden. Aufgrund der Abgabe der Ladungen an den Gittern 24, 25 wird jeweils ein Stromfluss verursacht, der über Widerstände 23 im Teraohmbereich gemessen wird. Zur Anzeige der betreffenden Ströme werden diese mittels eines Operationsverstärkers 26 verstärkt. Die Gitter 24, 25 bilden derart mit dem unteren, grobmaschigeren Gitter 24 eine Art Diffusionsstufe, das obere feinmaschigere Gitter 25 eine Art Filterstufe bildet, die den verbliebenen Rest der geladenen Partikel sammelt.
In der 5 ist dieser Umstand mit einer Messstufe erhöhter Integration dargestellt. Auch hier wird ein Partikelstrom 2 der Messstufe 20 zugeführt, wobei zur Zuführung der Partikel ein Kanal 17, der in einen aus einem Halbleitermaterial gefertigten Trägersubstrat 18 geätzt wird, Verwendung findet. Dabei befindet sich in dem weiteren Verlauf des Partikelstroms 2 ein Erfassungsmittel 21 mit zwei hintereinander angeordneten Elektroden 22, die nacheinander von dem Partikelstrom 2 passiert werden, so dass analog zu der Ausbildung als Gitter, Partikel unterschiedlicher Größe mit diesen gefiltert werden können. Diese Elektroden 22 sind durch Substrate 27, 28 unterschiedlicher Porenweite gebildet, deren Poren eine Wolfram-Beschichtung 7 als Elektrodenmaterial aufweisen. Statt Wolfram ist jedes leitfähige Material, vorzugsweise ein in der Halbleiterindustrie gebräuchliches Material, das nicht oxidiert ist, verwendbar. Die Elektroden 22 sind also als Mikrosystem ausgebildet. Dabei weist wiederum das untere Substrat 27 gegenüber dem oberen Substrat 28 eine größere Porenweite auf, so dass an diesem, bedingt durch die Brown'sche Bewegung, die kleineren Partikel gesammelt und entladen werden. Die beiden Substrate 27, 28 sind dabei durch eine isolierende Schicht 29 aus Si₃N₄ getrennt. An den Filtersubstraten 27, 28 sind die zur Messung verwendeten Widerstände 30 in Halbleitermaterial implantiert, außerdem sind ohne detaillierte Darstellung ein Operationsverstärker und die Spannungsregelung an dem Trägersubstrat 18 integriert.
In der 6 erkennt man eine Messanordnung 1, bei der sowohl Ionisierungsstufe 10 als auch die Messstufe 20 als Mikrosystem ausgebildet und gemeinsamt an dem Gasströmungsweg 3 des Partikelstroms 2 angeordnet sind. Die in der 6 nebeneinander liegenden Stufen, doe Ionisierungsstufe 10 und die Messstufe 20, haben eine Art gemeinsame Seite, die von einem Deckel 9 aus Halbleitermaterial bedeckt ist, in dem sich ein Teil des Gasströmungswegs als Kanal 17 befindet. Der für den Betrachter von links eintretende Partikelstrom 2 wird in der Ionisierungsstufe 10 an der Ionisierungseinrichtung 11 ionisiert. Wie in der 2 überspannt an dieser Ionisierungseinrichtung 11 eine stegartige Trägermembran 6 mit einer Wolframschicht 7 eine Vertiefung 5. Die Wolframschicht 7 ist dabei mit einer integriert ausgebildeten, nicht im Detail dargestellten Hochspannungsquelle verbunden. Anschließend an ihre Aufladung passieren die dann aufgeladenen Partikel die Messstufe 20, an der sie entladen werden. Diese ist, wie in der 5, zweistufig ausgebildet, allerdings ist in diesem Fall das zuerst zu passierende Substrat 27 mit den größeren Poren für den Betrachter „oben” angeordnet. Nach Passieren des zweiten Filtersubstrats 28 verlassen die entladenen Partikel des Partikelstroms 2 die Messanordnung 1. Ein an dem Trägersubstrat 4 der Ionisierungsstufe 10 zu erkennendes Versorgungs- und Steuerteil 19 symbolisiert die Integration einer Hochspannungsversorgung 15, des Operationsverstärkers 26, der Widerstände 30 sowie an der Messanordnung 1 notwendiger weiterer Regelelemente, beispielsweise auch einer Auswerteelektronik.
Hierdurch ist in der 6 der Gesamtaufbau einer Messanordnung 1 gezeigt, bei der sowohl die für die Aufladung des Partikelstroms 2 zuständige Ionisierungsstufe 10, als auch die für die Erfassung/Messung vorgesehene Messstufe 20 als mikro-elektromechanisches Sytem vorgesehen sind, also jeweils für sich, aber auch als ein Einheit ein Mikrosystem bilden.
In 5 und 6 erkennt man, dass die Messstufe 20 und insbesondere das Erfassungsmittel 21 in einer Messkammer 31 ausgebildet sind, die selbst als Mikrosystem gefertigt ist. Hierzu können die Substrate 27, 28 entsprechend strukturiert und/oder mit einer strukturierten Isolationsschicht 29 verbunden sein.
In den 2 und 3 ist ersichtlich, dass die Wolfram-Schicht 7 in einer Ionisierungskammer 16 der Ionisierungseinrichtung 11 ausgebildet ist, wobei die Ionisierungskammer 16 als Mikrosystem durch Strukturierung des Trägersubstrats 4 einerseits und des ebenfalls aus Substratmaterial bestehenden Trägerteils 8 andererseits gebildet ist.
Demnach betrifft die vorstehende Erfindung also Messanordnung 1 zur Detektion von Partikeln eines Partikelstroms 2 in einem Gasströmungsweg 3, mit einer Ionisierungsstufe 10, welche eine Ionisierungseinrichtung 11 aufweist, mittels der die zu erfassenden Partikel ionisierbar oder ionisiert sind. Die Messanordnung 1 hat außerdem eine Messstufe 20 mit einem Erfassungsmittel 21, welches die ionisierten Partikel des Partikelstroms 2 erfasst, wobei das Erfassungsmittel 21 wenigstens eine Elektrode 22 aufweist, an welcher Partikel, die an der Ionisierungseinrichtung 11 aufgenommene Ladung abgeben, wobei die abgegebene Ladung über einen an der wenigstens einen Elektrode 22 angeschlossenen elektrischen Widerstand 23, 30 messbar ist. Um eine günstige und wenig fehleranfällige, zuverlässige Messanordnung 1 zur Verfügung zu haben, wird vorgeschlagen die wenigstens eine Elektrode des Erfassungsmittels als Mikrosystem auszubilden, so dass bei reduzierten Kosten eine miniaturisierte Messanordnung 1 System zur Verfügung steht, die eine geringere Leistungsaufnahme hat und durch eine geringere Beladung des Partikelstroms mit Partikeln gegebenenfalls eine geringere Verschmutzung verursacht.
Bezugszeichenliste

1: Messanordnung
2: Partikelstrom
3: Gasströmungsweg
4: Trägersubstrat
5: Vertiefung
6: Stegartige Trägermembran
7: Wolframschicht
8: Trägerteil
9: Trägerteil
10: Ionisierungsstufe
11: Ionisierungseinrichtung
12: Platine
13: Ionisierungsdraht
14: Elektrische Kontaktierung
15: Hochspannungsquelle
16: Ionisierungskammer
17: Kanal
18: Trägersubstrat
19: Versorgungs- und Steuerteil
20: Messstufe
21: Erfassungsmittel
22: Elektrode
23: Widerstand
24: Gitter
25: Gitter
26: Operationsverstärker
27: Filtersubstrat
28: Filtersubstrat
29: Isolationsschicht
30: Widerstand
31: Messkammer

Claims

Messanordnung zur Detektion von Partikeln eines Partikelstroms (2) in einem Gasströmungsweg (3), mit einer Ionisierungsstufe (10), welche eine Ionisierungseinrichtung (11) aufweist, mittels der die zu erfassenden Partikel ionisierbar oder ionisiert sind und mit einer Messstufe (20) mit einem Erfassungsmittel (21), welches die ionisierten Partikel des Partikelstroms (2) erfasst, wobei das Erfassungsmittel (21) wenigstens eine Elektrode (22) aufweist, an welcher Partikel die an der Ionisierungseinrichtung (11) aufgenommene Ladung abgeben, wobei die abgegebene Ladung über einen an der wenigstens einen Elektrode (22) angeschlossenen elektrischen Widerstand (23, 30) messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elektrode (22) des Erfassungsmittels (21) als Mikrosystem ausgebildet ist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel (21) mit einer Mehrzahl von Elektroden (22), insbesondere mit zwei Elektroden (22) ausgebildet ist.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (23, 30) als Mikrosystem ausgebildet ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elektrode (22) als elektrisch leitende, insbesondere metallische Beschichtung (7) einer wandartigen Struktur vorgesehen ist, insbesondere wobei die wandartige Struktur durch ein poröses Filtersubstrat (27, 28) gebildet ist, welches im Gasströmungsweg (3) angeordnet und von dem Partikelstrom (2) durchfließbar oder durchflossen ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Poren des oder eines Filtersubstrats (27, 28) metallisiert ausgebildet sind und mit dem Widerstand (23, 30) elektrisch verbunden sind.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel (21) der Messstufe (20) mit wenigstens einem Filtersubstrat (27, 28) mit Poren einer Porenweite oder einer Mehrzahl von Substraten (27, 28) mit unterschiedlichen Porenweiten ausgebildet ist und/oder dass das Erfassungsmittel (21) der Messstufe (20) in einer Messkammer (31), insbesondere in einer als Mikrosystem ausgebildeten und/oder durch Strukturierung wenigstens eines Substrats (4, 27, 28) gebildeten Messkammer (31), ausgebildet ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel (21) wenigstens zwei in dem Gasströmungsweg (3) angeordnete Elekroden (22) mit Poren unterschiedlicher Porenweite aufweist, die unterschiedlichen Filtersubstraten (27, 28) zugeordnet sind, wobei die Elektroden (22) im Gasströmungsweg (3) nebeneinander oder bevorzugt hintereinander angeordnet sind, insbesondere wobei bei einer Messanordnung (1) mit zwei hintereinander angeordneten Elektroden (22) die Elektrode (22) mit dem Filtersubstrat (27) größerer Porenweite sich stromaufwärts der anderen Elektrode (22) befindet.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Elektroden (22) mit ihrem jeweiligen Filtersubstrat (27, 28) in dem Gasströmungsweg (3) hintereinander oder nebeneinander angeordnet benachbart sind und hierbei, gegebenenfalls beabstandet, insbesondere mittels einer Isolationsschicht (29) beabstandet, miteinander in Anlage gebracht sind.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Elektrode (22) des Erfassungsmittels (21) eine Auswerte-Elektronik zugeordnet ist, die gemeinsam mit der Elektrode (22) an einem mit dieser versehenen Trägersubstrat (4) angeordnet ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisierungseinrichtung (11) als Mikrosystem ausgebildet ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisierungseinrichtung (11) mit wenigstens einem in einem Ionisierungsbereich angeordneten Ionisierungsdraht (13) ausgebildet ist, wobei der Ionisierungdraht (13) auf ein Trägersubstrat (4) aufgebracht ist und/oder frei liegt, insbesondere wobei der Ionisierungsdraht (13) über einer in dem Trägersubstrat (4) ausgebildeten Vertiefung (5) gelegt oder geführt ist und/oder sich in einer den Ionisierungsdraht einfassenden Ionisierungskammer (16) befindet.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisierungseinrichtung (11) und das Erfassungsmittel (21) mit einer oder mehreren Elektroden (22) sowie gegebenenfalls wenigstens einer Auswerteelektronik auf verschiedenen Substraten (4, 27, 28) angeordnet sind und/oder dass die oder eine Ionisierungskammer (16) durch Strukturierung wenigstens eines Substrats (4, 27, 28) gebildet ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trägerteil (9) vorgesehen ist, welches die Substrate (4, 27, 28) der verschiedenen Stufen (10, 20) gemeinsam trägt.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasströmungsweg (3) als Gaskanal an einem der Ionisationsstufe und/oder der Messstufe zugeordneten Trägerteil (8, 9) ausgebildet ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionisierungsbereich (11) durch das zugordnete Trägerteil (8) begrenzbar ist, welches insbesondere für den Ionisierungsbereich (11) einen Deckel bildet.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (8, 9) aus Silizium oder einem Borosilikatglaswerkstoff, insbesondere aus Pyrex, ausgebildet ist.