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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors.
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Es sind Partikelsensoren mit einer Interdigital-Elektrodenstruktur bekannt, auf der sich Partikel wie beispielsweise Rußpartikel ablagern können und elektrisch leitfähige Pfade bilden. Dies kann elektrisch ausgewertet werden. Nachteilig weisen die bekannten Partikelsensoren eine vergleichsweise starke Empfindlichkeitsdrift auf, da die Elektroden dem die zu bestimmenden Partikel enthaltenden Medium, beispielsweise dem Abgas einer Brennkraftmaschine, ausgesetzt sind und sich ihre chemische Zusammensetzung mit der Zeit so ändern kann, dass die Empfindlichkeit stark abnimmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Partikelsensor dahingehend weiterzuentwickeln, dass die vorstehend genannten Nachteile des Stands der Technik vermieden bzw. vermindert werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Partikelsensor nach Anspruch 1 gelöst. Der Partikelsensor weist auf: eine erste Schwingmasse, wenigstens eine mit der ersten Schwingmasse gekoppelte weitere Schwingmasse, eine Antriebseinrichtung zum Anregen einer Schwingung wenigstens einer der Schwingmassen, eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der ersten Schwingmasse charakterisierenden Größe und einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der wenigstens einen weiteren Schwingmasse charakterisierenden Größe, wobei die erste Schwingmasse so angeordnet ist, dass sie mit einem zumindest einen Bereich des Partikelsensors umgebenden Medium in Kontakt kommen kann, wobei die andere Schwingmasse so angeordnet ist bzw. die anderen Schwingmassen so angeordnet sind, dass sie nicht mit dem Medium in Kontakt kommen können.
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Bei den Schwingmassen kann es sich beispielsweise um Festkörper vergleichbar kleiner Abmessungen handeln, die z.B. eine lineare Schwingung ausführen können und somit jeweils einen Resonator darstellen. Bei anderen Ausführungsformen sind auch Drehschwingungen denkbar.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine Veränderung der Masse einer der gekoppelten Schwingmassen zu einer Lokalisierung der Schwingungsmode führt, wodurch sich das Verhältnis der Schwingungsamplituden der gekoppelten Schwingmassen drastisch ändert. Über eine Messung der Schwingungsamplituden bzw. der sie charakterisierenden Größen kann somit eine Ermittlung einer abgelagerten Masse auf der ersten Schwingmasse erfolgen. Eine solche durch Unordnung im System hervorgerufene Lokalisierung wird Anderson-Lokalisierung genannt. Die Erfindung nutzt die Anderson-Lokalisierung vorteilhaft zur Bereitstellung eines Partikelsensors mit geringer Empfindlichkeitsdrift und hoher Empfindlichkeit auch gegenüber kleinsten Partikelmengen bzw. -massen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Schwingmassen so, dass nur die erste Schwingmasse in Kontakt mit dem umgebenden Medium kommen kann, ist vorteilhaft sichergestellt, dass das vorstehend genannte Prinzip effizient ausgenutzt werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Partikelsensor beispielsweise in einem Zielsystem (z.B. Abgastrakt einer Brennkraftmaschine) oder in einem Referenzsystem kalibriert werden, sodass vorteilhaft aus der erfindungsgemäß ermöglichten Messung der abgelagerten Rußmasse Rückschlüsse auf die Rußkonzentration und optimaler Weise auch auf die Partikelanzahl im Abgas möglich sind.
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Die vorliegenden Ausführungsformen mit mehreren gekoppelten, schwingenden Massen haben gegenüber anderen Sensorprinzipien, auch solchen mit z.B. nur einer schwingenden Masse, den entscheidenden Vorteil, dass die Empfindlichkeit der Struktur von der Kopplung der Schwingmassen (also der Resonatoren) abhängt. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Sensitivität der einzelnen Resonatoren dadurch um mehrere Größenordnungen vergrößert wird. Mit den vorliegenden Ausführungsformen können also z.B. bei gleicher Empfindlichkeit wie bei konventionellen Systemen vorteilhaft kleinere Resonanzfrequenzen verwendet werden, was die Verwendung einer vergünstigten Messtechnik (Auswerteeinheit) ermöglicht, und es können robustere Designs verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Schwingmassen ein mikrostrukturiertes Massenelement aufweist, wobei bevorzugt eine größte Abmessung des mikrostrukturierten Massenelements zwischen etwa 1 µm und etwa 2000 µm beträgt, insbesondere zwischen etwa 40 µm und etwa 800 µm. Insbesondere kann der gesamte Partikelsensor manchen Ausführungsformen zufolge in einer MEMS (mikroelektromechanisches System)-Ausführung hergestellt werden, wobei besonders kleine Struktur-Abmessungen möglich sind, wodurch bereits die Ablagerung einer kleinen Menge von sehr kleinen und daher leichten Partikeln zu einer signifikanten Änderung der Amplitudenverhältnisse (und damit der charakterisierenden Größen) führt. Dadurch ist der MEMS-basierte Partikelsensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform sehr empfindlich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das mikrostrukturierte Massenelement, das eine Schwingmasse darstellt, beispielsweise im wesentlichen Rechteckform oder Quadratform aufweisen, mit Kantenlängen zwischen etwa 40 µm und etwa 80 µm, und mit einer Dicke zwischen etwa 2 µm und etwa 60 µm, bevorzugt etwa 30 µm. Andere Geometrien, insbesondere auch geringere Dicken von etwa 10 nm (Nanometer) bis etwa 2000 nm, sind weiteren Ausführungsformen zufolge ebenfalls denkbar und ermöglichen beispielsweise die Einstellung einer vorgebbaren Resonanzfrequenz für die mechanischen Schwingungen der Schwingmassen. Insbesondere sind bei weiteren Ausführungsformen auch Massenelemente verwendbar, deren größte Abmessung kleiner als etwa 1 µm ist, also mit Abmessungen im nanoskaligen Bereich.
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Generell ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau die Bereitstellung eines sehr empfindlichen und zugleich besonders robusten Sensorelements bzw. Partikelsensors, womit der dauerhafte Einsatz in aggressiven Medien wie beispielsweise in dem Abgas z.B. eines Automobils möglich wird.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schwingmassen so in einem Gehäuse und/oder an einem Substrat des Partikelsensors angeordnet sind, dass sie linear schwingen können. Bei manchen Ausführungsformen kann eine schwingungsfähige Aufhängung beispielsweise durch die Ausbildung von dünnen Balken erreicht werden, mittels derer schwingenden Massen an dem Substrat des Partikelsensors befestigt sind. Bei geeigneter Geometrie können sich die Balken in an sich bekannter Weise biegen und erlauben somit eine Auslenkung der Schwingmassen bzw. eine mechanische Schwingung. Bei anderen Ausführungsformen sind auch Drehschwingungen denkbar.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine Oberfläche der ersten Schwingmasse eine Schutzschicht aufweist, wobei die Schutzschicht insbesondere wenigstens eines der folgenden Materialien aufweist: SiC (Siliziumcarbid).
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Prinzips ist, dass im Vergleich zu den konventionellen Systemen mit Interdigitalelektroden kein elektrischer Kontakt der Schwingmassen zu dem die Partikel enthaltenden Medium benötigt wird. Deshalb ist es vorteilhaft möglich, dass die erste Schwingmasse bzw. wenigstens eine dem Medium ausgesetzte Oberfläche der ersten Schwingmasse mit einer, vorzugsweise dünnen, Beschichtung (Schichtdicke der Beschichtung ist insbesondere kleiner als eine Dicke der Schwingmasse) versehen wird, welche zum Beispiel abgasbeständig ist und so den Partikelsensor vor Degradation schützt. Die Schutzschicht gehört, z.B. wie der Ruß nach Ablagerung auf der Oberfläche der Schwingmasse, zur schwingenden Masse der ersten Schwingmasse, sodass der Ruß zwar nur in direktem Kontakt mit der robusten Schutzschicht ist, aber trotzdem - dem erfindungsgemäßen Prinzip folgend - gemessen werden kann, weil er aufgrund der Masseänderung der ersten Schwingmasse die erfindungsgemäß ausgenutzte Modenlokalisierung bewirkt. Dies ist im Falle des elektrischen Messkonzepts der konventionellen Partikelsensoren mit Interdigitalelektroden nicht möglich.
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Mit einer Schutzschicht gemäß mancher Ausführungsformen wird nicht nur eine Oxidation der funktionalen Schichten (z.B. Oberfläche der ersten Schwingmasse) verhindert, was bei den erhöhten Temperaturen in aggressiven Medien wie Abgas von Brennkraftmaschinen mit vielen reaktiven Substanzen ein sehr ernsthaftes Risiko darstellt, sondern auch die Diffusion von anderen Elementen aus dem Abgas (z.B. Natrium) in die Schichten des Sensors. Eine solche Diffusion kann die Eigenschaften der Schichten ändern und die Funktion beeinträchtigen.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der charakterisierenden Größen auf eine Masse von Partikeln zu schließen, die auf wenigstens einer Oberfläche der ersten Schwingmasse angeordnet sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der charakterisierenden Größen auf eine Anzahl von Partikeln zu schließen, die auf wenigstens einer Oberfläche der ersten Schwingmasse angeordnet sind.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste und die wenigstens eine weitere Schwingmasse kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Alternativ kann bei anderen Ausführungsformen auch eine mechanische Kopplung zwischen den betreffenden Schwingmassen vorgesehen sein.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Stärke der Kopplung zwischen der ersten und der wenigstens einen weiteren Schwingmasse einstellbar ist. Dies ist vorteilhaft beispielsweise bei der vorstehend genannten kapazitiven Kopplung möglich, wobei eine Stärke der Kopplung beispielsweise durch eine einstellbare elektrische Gleichspannung vorgebbar ist, mit der die zu koppelnden schwingenden Massen beaufschlagt werden.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Masse der ersten Schwingmasse und der wenigstens einen weiteren Schwingmasse im Wesentlichen gleich ist, wobei die Massen insbesondere nicht mehr als 10% voneinander abweichen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Masse der weiteren Schwingmasse nicht um mehr als 10 % von der Masse der ersten Schwingmasse abweicht.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Heizeinrichtung vorgesehen ist zum Erwärmen des Partikelsensors, insbesondere zum Erwärmen einer dem Medium exponierten Komponente des Partikelsensors. Insbesondere in als MEMS-Struktur ausgebildeten Ausführungsformen (aber auch bei anderen Varianten) lässt sich leicht ein Heizelement (z.B. auf dem gleichem Chip bzw. Substrat) integrieren, welches vorteilhaft dazu benutzt werden kann, um eine Temperatur von mindestens etwa 700 °C auf dem schwingenden Element, insbesondere der ersten Schwingmasse, zu erreichen. Dadurch lässt sich dort ggf. angelagerter Ruß bzw. sonstige Partikel abbrennen, und der Sensor ist damit regeneriert. Die kleine Baugröße des Bauelements und die damit verbundene geringe thermische Masse führen dabei zu einem schnellen Aufheizen und einem niedrigen Energieverbrauch. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Partikelsensor bzw. wenigstens die erste Schwingmasse beispielsweise periodisch mittels der Heizeinrichtung aufgeheizt werden, insbesondere auf mindestens etwa 700 °C, wodurch eine periodische Regeneration ermöglicht ist.
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Weitere Lösungen der Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind angegeben durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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In der Zeichnung zeigt:
- 1A schematisch ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors,
- 1B schematisch ein Detail aus 1A,
- 2 schematisch ein Prinzipbild gemäß einer Ausführungsform,
- 3 schematisch Schwingungsamplituden von Schwingmassen charakterisierenden Größen über einer Frequenz,
- 4 schematisch relative Empfindlichkeiten aufgetragen über einem Kopplungsgrad gemäß einer Ausführungsform,
- 5 schematisch die Anordnung eines Partikelsensors gemäß einer Ausführungsform in einem Zielsystem,
- 6 schematisch ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors, und
- 7 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1A zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors 100. Der Partikelsensor 100 weist eine erste Schwingmasse 110 und wenigstens eine weitere Schwingmasse 120 auf, die mit der ersten Schwingmasse 110, bevorzugt schwach, gekoppelt ist, vgl. Bezugszeichen 115. Die Kopplung kann entweder mechanisch ausgeführt sein, oder bevorzugt kapazitiv, wobei also elektrische Feldkräfte zwischen den Schwingmassen 110, 120 eine Kopplung bewirken.
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Der Partikelsensor 100 weist ferner eine Antriebseinrichtung 130 zum Anregen einer Schwingung wenigstens einer der Schwingmassen, vorliegend der zweiten Schwingmasse 120, auf. Beispielsweise sind die beiden Schwingmassen 110, 120 so gelagert, z.B. in bzw. an einem Gehäuse 102 oder Substrat (nicht in 1 gezeigt) des Partikelsensors 100, dass sie jeweils eine lineare Schwingung ausführen können, mithin jeweils einen mechanischen Resonator bilden. Beispielsweise können die Schwingmassen 110, 120 gemäß 1A entlang einer horizontalen Richtung hin- und herschwingen. Über die Kopplung 115 wird eine Schwingung von der vorliegend durch die Antriebseinrichtung 130 angetriebene zweite Schwingmasse 120 auch auf die erste Schwingmasse 110 übertragen.
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Erfindungsgemäß ist die erste Schwingmasse 110 so angeordnet, dass sie mit einem zumindest einen Bereich des Partikelsensors 100 umgebenden Medium M, zum Beispiel dem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, in Kontakt kommen kann, und die andere Schwingmasse 120 ist bzw. die anderen (im Falle mehrerer weiterer) Schwingmassen sind so angeordnet, dass sie nicht mit dem Medium M in Kontakt kommen. Dies ist in 1A vorliegend dadurch symbolisiert, dass die erste Schwingmasse 110 außerhalb des Gehäuses 102, die zweite Schwingmasse 120 jedoch innerhalb des Gehäuses 102, in dem Innenraum I, angeordnet ist.
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Der Partikelsensor 100 weist ferner eine Auswerteeinrichtung 140 zum Ermitteln einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der ersten Schwingmasse 110 charakterisierenden Größe G1 und einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der wenigstens einen weiteren Schwingmasse 120 charakterisierenden Größe G2 auf.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine Veränderung der Masse einer der gekoppelten Schwingmassen 110, 120 zu einer Lokalisierung der Schwingungsmode führt, wodurch sich das Verhältnis der Schwingungsamplituden der gekoppelten Schwingmassen 110, 120 drastisch ändert. Über eine Messung der Schwingungsamplituden bzw. sie charakterisierender Größen G1, G2 kann somit eine Ermittlung einer abgelagerten Masse auf der ersten Schwingmasse 110 erfolgen. Eine solche durch Unordnung im System hervorgerufene Lokalisierung wird Anderson-Lokalisierung genannt. Die Erfindung nutzt die Anderson-Lokalisierung vorteilhaft zur Bereitstellung des Partikelsensors 100 mit geringer Empfindlichkeitsdrift und hoher Empfindlichkeit auch gegenüber kleinsten Partikelmengen bzw. -massen.
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Beispielsweise können sich auf einer ersten Oberfläche 110a der ersten Schwingmasse 110 Partikel P aus dem Medium M (z.B. Abgas) ablagern, was zu der o.g. Lokalisierung führt, die mittels der Auswerteeinheit 140 ermittelbar und auswertbar ist. Insbesondere kann die Auswerteinheit in Abhängigkeit der beiden charakterisierenden Größen G1, G2 direkt auf die Masse der auf der ersten Oberfläche 110a abgelagerten Partikel P schließen.
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1B zeigt schematisch ein Detail der ersten Oberfläche 110a aus 1A. Optional kann darauf eine Beschichtung 110a' vorgesehen sein, die einen direkten Kontakt des Mediums M (Fig .1A) bzw. der Partikel P mit der Oberfläche 110a verhindert.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine optionale Heizeinrichtung 150 zum Erwärmen des Partikelsensors 100, insbesondere zum Erwärmen der dem Medium M exponierten Komponente 110a des Partikelsensors 100, vorgesehen, vergleiche 1A. Die Heizeinrichtung 150 kann vorteilhaft dazu benutzt werden, um eine Temperatur von mindestens 700°C auf der ersten Schwingmasse 110 zu erreichen. Dadurch lässt sich dort ggf. angelagerter Ruß bzw. sonstige Partikel P abbrennen, und der Partikelsensor 100 ist damit regeneriert. Die kleine Baugröße des Bauelements 100 und die damit verbundene geringe thermische Masse führen dabei zu einem schnellen Aufheizen und einem niedrigen Energieverbrauch.
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2 zeigt schematisch ein Prinzipbild gemäß einer Ausführungsform. Zwei Massen m1 und m2, entsprechend den Schwingmassen 110, 120 (1A) sind schwingend aufgehängt, hier beispielhaft über Federn k1 und k2 an einem Gehäuseteil 102', und miteinander gekoppelt (hier durch Feder kc). Das System nach 2 ist bevorzugt so ausgelegt, dass die Resonatoren identisch schwingen (d.h. hier: m1 = m2 = m, also identische Massen, und k1 = k2 = k, also gleich große Kopplung), wenn einer der Resonatoren mit der externen Kraft Fext aktuiert wird. Durch Ablagerung von Ruß auf einem der Resonatoren, z.B. auf der zweiten Schwingmasse 120, vgl. Masse m2, wird das System in „Unordnung“/Asymmetrie gebracht, vgl. auch das Bezugszeichen Δk, was dazu führt, dass sich die Schwingungsmode lokalisiert. D.h., die Amplituden, mit denen die Resonatoren 110, 120 schwingen, verändern sich stark. Der Graph in 3 zeigt die beiden Auslenkungsresonanzen von zwei Massen bei 13,4 kHz und 13,8 kHz von symmetrischer (miteinander) und asymmetrischer (gegeneinander) Schwingung, respektive. Aufgetragen ist eine elektrische Spannung A als eine eine Schwingungsamplitude der betreffenden Schwingmasse charaktersierenden Größe über einer Frequenz f. Durch Beladung einer der Schwinger (vergleichbar den Schwingmassen 110, 120 gemäß 1A) mit einer Masse von beispielhaft 150 pg (Pikogramm) ändern sich sowohl Resonanzfrequenz als auch Amplitude der beiden Schwinger. Während die relative Änderung der Resonanzfrequenz um etwa 0,01% in dem Graph nicht zu erkennen ist, kann die relative Änderung der Amplituden ΔA um etwa 6% klar abgelesen werden vgl. die Kurven C1, C2 bei Frequenz f1.
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4 zeigt schematisch relative Empfindlichkeiten (Frequenz: df/f0, Amplitude: dA/A0) aufgetragen über einem Kopplungsgrad K (in beliebiger Einheit, „arbitrary unit“) gemäß einer Ausführungsform. Die Kurve C3 zeigt die relative Sensitivität bei Amplitudenmessung, und die Kurve C4 zeigt die relative Sensitivität bei Resonanzfrequenzmessung von zwei gekoppelten Schwingmassen 110, 120. Bei schwacher Kopplung (links in 4) ist die relative Sensitivität der Amplitudenmessung ersichtlich um Größenordnungen höher als die relative Sensitivität der Resonanzfrequenzmessung. Dies wird bei dem Partikelsensor 100 gemäß den Ausführungsformen ausgenutzt, indem die Auswerteeinheit 140 (1A) die die Schwingungsamplitude der betreffenden Schwingmasse 110, 120 charakterisierenden Größen G1, G2 betrachtet bzw. ermittelt und optional auswertet.
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Bei einer Ausführungsform ist das Verhältnis der relativen Sensitivitäten bei Frequenzmessung (df/f0) und Amplitudenmessung (dA/A0) folgendermaßen verknüpft: dA/A0 = df/f0 * k/2kc. Somit ist für kc < k/2 (also bei Kopplungsstärke zwischen den Schwingmassen durch Feder kc (2) < 0.5* Kopplungsstärke k (=k1, k2, jeweils zwischen Schwingmasse und Substrat 102')) die Sensitivität bei Amplitudenmessung größer. Mit anderen Worten ist es bei manchen Ausführungsformen vorteilhaft, wenn die Kopplungsstärke zwischen den Schwingmassen deutlich kleiner ist als die Kopplungsstärke zwischen der jeweiligen Schwingmasse und dem Substrat.
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5 zeigt schematisch die Anordnung eines Partikelsensors 100 gemäß einer Ausführungsform in einem Zielsystem 200, nämlich einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine z.B. eines Kraftfahrzeugs. Der Sensor 100 befindet sich im Abgasrohr 202, zwischen einem Einlassbereich 202a und einem Auslassbereich 202b, beispielsweise vor bzw. hinter einem Abgaspartikelfilter (nicht gezeigt, z.B. Dieselpartikelfilter im Falle von selbstzündenden Brennkraftmaschinen). Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Partikelsensor wie in 5 abgebildet seitlich, teilweise hineinragend, in das Abgasrohr 202 eingebaut.
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Ein Strom von zu detektierenden Partikeln PF durchströmt das Abgasrohr 202. Eine der bevorzugt als MEMS-Resonatoren ausgebildeten Schwingmassen 110 ist im Abgas exponiert, insbesondere dem Abgasteilstrom PF' so ausgesetzt, dass sich auf ihrer ersten Oberfläche 110a Partikel aus dem Abgasteilstrom ablagern können. Signalleitungen 103 führen zu einer Steuereinheit 104, die beispielsweise die Antriebseinrichtung 130 und/oder die Auswerteeinrichtung 140 (1A) aufweisen kann. Dadurch kann die Steuereinheit 104 den Schwingmassen 110, 120 (1A) eine Schwingung aufprägen und die Schwingungsamplituden bzw. die sie charakterisierenden Größen G1, G2 messen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können beispielsweise die Schwingmassen 110,120 (und eine gegebenenfalls optional vorhandene Heizeinrichtung 150) als erste Komponente („Sensorelement“) bereitgestellt werden, und die Auswerteeinrichtung 140 sowie die Antriebseinrichtung 130 als eine zweite Komponente („Steuereinheit“ 104), die gegebenenfalls getrennt von der ersten Komponente bereitgestellt wird und über die erwähnten Signalleitungen bzw. Steuerleitungen 103 mit der ersten Komponente verbindbar ist. Die erste Komponente kann beispielsweise auf einem Substrat bereitgestellt werden. Auch die zweite Komponente kann beispielsweise auf einem Substrat bereitgestellt werden.
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Bei anderen Ausführungsformen können die Schwingmassen 110, 120, die optionale Heizeinrichtung 150, die Antriebseinrichtung 130, und die Auswerteeinrichtung 140 auch miteinander auf einem Substrat kombiniert sein.
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Die vorstehend unter Bezugnahme auf 5 beschriebene Einbauweise ist nur beispielhaft. Auch andere Einbauarten sind weiteren Ausführungsformen zufolge möglich, wobei bevorzugt sichergestellt ist, dass ein (und insbesondere nur ein) schwingendes Element (Schwingmasse) des Partikelsensors in Kontakt mit dem Abgas kommt, sodass eine Rußablagerung stattfinden kann. In einer speziellen Ausführung kann der Partikelsensor in ein spezielles Gehäuse/Schutzrohr nicht gezeigt) eingebaut sein, welches das Abgas aktiv (z.B. mittels einer Pumpe) oder passiv (z.B. unter Ausnutzung des Venturi-Effekts) auf eine definierte Art und Weise zum Partikelsensor führt.
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6 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform 100a des erfindungsgemäßen Partikelsensors, bei der vorliegend beispielhaft drei gekoppelte Schwingmassen bzw. Resonatoren 110, 120, 120a vorgesehen sind. Alle Schwingmassen bzw. Resonatoren sind in dieser Ausführung als freigestellte Quadrate in MEMS-Technologie ausgeführt, welche an dünnen Balken B aufgehängt lateral in 6 von links nach rechts und umgekehrt schwingen können.
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Die erste Schwingmasse bzw. der erste Resonator 110 wird durch eine zeitlich veränderliche elektrische Ansteuerspannung UD („Drive Voltage“) angetrieben, indem der Block B1 in 6 links neben dem ersten Resonator 110 eine kapazitive Anziehung/Abstoßung über die jeweiligen Seitenflächen der Strukturen B1, 110 ausübt. Der erste Resonator 110 wird bei einer Ausführungsform hierfür bevorzugt auf einem konstanten elektrischen Potential gehalten. Ein Bezugspotenzial, beispielsweise das Massepotenzial, ist mit dem Bezugszeichen GND angedeutet.
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Bei einer Ausführungsform kann eine Schwingungsamplitude der ersten Schwingmasse 110 bzw. des ersten Resonators 110 charakterisierende Größe in Abhängigkeit der Meßströme 11+, 11- ermittelt werden. Mit anderen Worten kann die Bewegung des ersten Resonators 110 durch die genannten Meßströme I1+, I1- ausgelesen werden, welche „kapazitiv induziert“ werden (also durch Variation der Koppelkapazitäten zwischen den beteiligten Komponenten aufgrund deren schwingungsbedingter Relativbewegung zueinander hervorgerufen werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Meßströme I1+, I1- mittels einer Verstärkerstufe, die beispielsweise Transimpedanzverstärker 1402 aufweisen kann, verstärkt, und die Ausgangssignale der Transimpedanzverstärker 1402 werden einer weiteren Verstärkerstufe 1404 zugeführt, die die Ausgangssignale differenziell verstärkt, wodurch die erste charakterisierende Größe G1 erhalten wird. Beispielsweise kann es sich bei der ersten charakterisierenden Größe G1 um eine elektrische Spannung handeln, die ein Maß für die Schwingungsamplitude der ersten Schwingmasse 110 darstellt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kopplung zwischen der ersten Schwingmasse 110 und der zweiten Schwingmasse 120 kapazitiv realisiert, insbesondere durch die einander gegenüberliegenden Seitenflächen SF1, SF2 der betreffenden Schwingmassen bzw. Resonatoren 110,120. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die zweite Schwingmasse 120 hierfür mit einem elektrischen Bezugspotenzial, beispielsweise dem Massepotenzial GND, beaufschlagt werden, was vorliegend durch eine entsprechende Erdung des Balkens B erreicht wird, an dem der zweite Resonator 120 schwingungsfähig aufgehängt ist.
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Die dritte Schwingmasse 120a ist bei einer bevorzugten Ausführungsform in der gleichen Weise an die zweite Schwingmasse 120 gekoppelt, also kapazitiv gekoppelt. Beispielsweise kann dies bei einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erhalten werden, dass die dritte Schwingmasse 120a auf demselben, bevorzugt konstanten, elektrischen Potenzial wie die erste Schwingmasse 110 liegt bzw. gehalten wird.
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Das für die kapazitive Kopplung nutzbare elektrische Potenzial kann bei einer Ausführungsform durch die Spannungsversorgungseinrichtung 160 bereitgestellt werden, die beispielsweise über eine Spannungsquelle 162 und einen Ausgangsverstärker 164 verfügt, mit dessen Ausgangspotenzial die erste und dritte Schwingmasse 110, 120a elektrisch leitend verbunden werden, vorliegend über die in 6 jeweils oberen den betreffenden Schwingmassen 110,120a zugeordneten Balken B.
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Die dritte Schwingmasse 120a kann vorteilhaft analog zu dem vorstehend für die erste Schwingmasse 110 beschriebenen Prinzip „ausgelesen“ werden. Bei einer Ausführungsform kann also eine eine Schwingungsamplitude der dritten Schwingmasse 120a bzw. des dritten Resonators 120a charakterisierende Größe in Abhängigkeit der Meßströme I3+, I3- ermittelt werden. Mit anderen Worten kann die Bewegung des dritten Resonators 120a durch die genannten Meßströme I3+, I3- ausgelesen werden, welche „kapazitiv induziert“ werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Meßströme I3+, I3- mittels einer Verstärkerstufe, die beispielsweise Transimpedanzverstärker 1406 aufweisen kann, verstärkt, und die Ausgangssignale der Transimpedanzverstärker 1406 werden einer weiteren Verstärkerstufe 1408 zugeführt, die die Ausgangssignale differenziell verstärkt, wodurch die zweite charakterisierende Größe G2 erhalten wird. Beispielsweise kann es sich bei der zweiten charakterisierenden Größe G2 wiederum um eine elektrische Spannung handeln, die ein Maß für die Schwingungsamplitude der dritten Schwingmasse 120a darstellt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann durch den elektrischen Potentialunterschied zwischen den Schwingmassen 110, 120, 120a die Kopplungsstärke K (vgl. auch 4) angepasst werden. Auf diese Weise kann bei manchen Ausführungsformen vorteilhaft eine Empfindlichkeit des Partikelsensors 100a eingestellt werden. Beispielsweise kann die Spannungsquelle 162 hierzu als steuerbare Spannungsquelle bzw. der Ausgangsverstärker 164 steuerbar ausgelegt sein. Bei manchen Ausführungsformen kann eine derartige Anpassung der Kopplungsstärke K auch dynamisch, das bedeutet, während eines Betriebs des Partikelsensors, erfolgen. Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann eine derartige Anpassung der Kopplungstärke K beispielsweise auch jeweils nach einer Regeneration (Abbrennen von Rußpartikeln durch Erhitzen) erfolgen.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen ist wie vorstehend bereits beschrieben nur eine der Schwingmassen 110, 120, 120a dem zu überwachenden bzw. detektierenden Medium M (1), zum Beispiel dem Abgas, auszusetzen, sodass sich die in dem Medium M zu detektierenden Partikel auf dessen Oberfläche ablagern und die vorstehend bereits mehrfach beschriebenen Modenlokalisation bei den Schwingmassen hervorrufen können. Hierdurch wird eine vergleichsweise einfach auszuwertende Abweichung der charakterisierenden Größen G1, G2 voneinander hervorgerufen, aus der auf die Masse bzw. Menge der abgelagerten Partikel P (1) geschlossen werden kann.
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Die Schaltungskomponenten zur Bildung der charakterisierenden Größen G1, G2 können bei einer bevorzugten Ausführungsform als Teilschaltungen 140a, 140b der Auswerteeinrichtung 140 vorgesehen und beispielsweise auf einem eigenen Substrat bzw. einem gemeinsamen Substrat oder auch auf einem die Schwingmassen 110, 120, 120a aufweisenden Substrat 103 angeordnet sein.
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Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann als robustes Material für die Resonatoren 110, 120, 120a beispielsweise SiC (Siliziumcarbid) mit einer Dicke von etwa 30 µm (Mikrometer) verwendet werden. Zur Freistellung der frei beweglichen Strukturen 110, 120, 120a, B kann zum Beispiel SiGe (Siliziumgermanium) als Opferschicht verwendet werden, welche im Laufe eines Herstellungsprozesses des Partikelsensors unter den Strukturen 110, 120, 120a, B herausgeätzt wird. Die Balken B zur Aufhängung können bei bevorzugten Ausführungsformen Breiten von etwa 4 µm bei einer Länge von etwa 300 µm haben. Als Abstand zwischen den Strukturen B1, 110; 110, 120 usw, über die die vorstehend beschriebene kapazitive Wechselwirkung zur Aktuierung, Kopplung und Messung stattfinden soll, können bei bevorzugten Ausführungsformen Werte von ca. 4 µm gewählt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zur kapazitiven Anregung und Detektion der Schwingung die Möglichkeit der Verwendung eines elektrisch leitfähigen Schwingermaterials für die Elemente 110, 120, 120a, B vorteilhaft, so dass keine zusätzliche(n) Elektrode(n) auf den schwingenden Massen aufgebracht werden müssen, was einen Kostenvorteil darstellt.
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Vergleichbar zur Beschaltung mit der Ansteuerspannung UD bei dem Block B1 kann bei manchen Ausführungsformen auch ein in 6 rechts der weiteren Schwingmasse 120a angeordneter Block gegenüber dem Massepotential mit einer in 6 vorliegend nicht näher bezeichneten Spannung, insbesondere Gleichspannung, beaufschlagt werden, womit beispielsweise eine Masseänderung der Schwingmasse 120a nachgebildet werden kann. Dies kann beispielsweise für Prüfzwecke und/oder eine Kalibrierung nützlich sein.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Partikelsensoren, die bevorzugt in MEMS-Technologie gefertigt und als Rußsensoren eingesetzt werden können, ist die Möglichkeit der einfachen und kostengünstigen Integration eines Heizer-Widerstandsmäanders auf dem Chip bzw. Substrat 103 (6), vergleiche die vorstehend bereits beschriebene Heizeinrichtung 150 (1). Als Material für den Widerstandsmäander kann zum Beispiel ein Platin-Dünnschichtmaterial verwendet werden. Durch Bestromung des Widerstandsmäeanders wird Joul'sche Wärme erzeugt, sodass eine Temperatur des Partikelsensors beispielsweise auf über 700°C erhöht werden kann, wodurch abgelagerter Ruß abbrennt. Damit kann der Partikelsensor effizient regeneriert werden und behält seine ursprüngliche Empfindlichkeit.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Heizeinrichtung auch dazu verwendet werden, um die Temperatur des Partikelsensors 100, 100a auf einen konstanten Wert zu regeln, wodurch die Genauigkeit des Partikelsensors weiter gesteigert werden kann.
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Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann zur Auslegung der Geometrie der Resonatoren 110, 120, 120a berücksichtigt werden, welche Kombinationen aus Dicke und Fläche der Schwingmassen und welche Strukturen B zur Aufhängung idealer Weise verwendet werden sollten. Diese Parameter können Untersuchungen der Anmelderin zufolge beeinflussen, bei welchen Resonanzfrequenzen die Schwingmassen schwingen, und mit welchen elektrischen Spannungen das System aktuiert werden kann.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist insbesondere der Kopplungsgrad K zwischen benachbarten Schwingmassen wichtig für die Einstellung des Messbereichs und der Empfindlichkeit. Ein entscheidender Vorteil der bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehenen kapazitiven bzw. elektrostatischen Kopplung ist, dass diese beiden Größen durch die Wahl der elektrischen Potentiale der einzelnen Resonatoren 110, 120, 120a angepasst werden können, sodass auch eine Variation von Messbereich und Empfindlichkeit im Betrieb, also dynamisch, möglich ist.
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7 zeigt schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 10 wird eine Schwingung wenigstens einer der Schwingmassen 110, 120 (, 120a) des Partikelsensors 100,100a angeregt, und optional ggf. die Kopplung zwischen den Schwingmassen eingestellt. In Schritt 12 werden die charakterisierenden Größen G1, G2 durch die Auswerteeinrichtung 140 ermittelt, und optional ggf. ein Feedback zurück an Schritt 10 gegeben, um die Anregung und/oder Kopplung anzupassen, vgl. den gestrichelten Pfeil von Schritt 12 zu Schritt 10. Optional kann danach in Schritt 14 in Abhängigkeit der charakterisierenden Größen G1, G2 auf eine Masse (und/oder eine Anzahl) von Partikeln P geschlossen werden, die auf wenigstens einer Oberfläche 110a der dem Medium ausgesetzten Schwingmasse 110 angeordnet sind.
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Nachstehend sind weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung angegeben.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen werden mehrere identisch ausgebildete Schwingmassen 110,120 (, 120a, ..) vorgesehen, welche untereinander auch bevorzugt in identischer Weise gekoppelt sind (gleicher Kopplungsgrad). Die Schwingmassen bilden jeweils einen mechanischen Resonator mit einer spezifischen Resonanzfrequenz, die weiteren Ausführungsform zufolge durch geeignete Wahl von schwingendem Material, Masse/Dicke, Geometrie, Kopplung, etc. auf die gewünschte Applikation bzw. ein bestimmtes Zielsystem zugeschnitten werden kann.
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Besonders vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Partikelsensor beispielsweise für die sogenannte On-Board Diagnostik (OBD) genutzt werden, insbesondere zur Ermittlung eines Zustands eines Partikelfilters in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine, beispielsweise zur Ermittlung eines Zustands eines Dieselpartikelfilters in einem Abgassystem einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.
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Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch als „MEMS-Mikrowaage“ bezeichnet werden und eignet sich insbesondere zur Ermittlung bzw. Messung von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln auch unter rauen Umgebungsbedingungen.
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Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Konzentration der Rußpartikel im Abgas aus einer Masse der Rußablagerung auf dem Sensor berechnet wird. Die abgelagerte Masse auf einer der MEMS-Mikrowaagen (z.B. Schwingmasse 110) des Partikelsensors 100 verursacht eine Veränderung der Lokalisierung der Schwingungsmoden auf den gekoppelten Mikrowaagen 110, 120. Die Verhältnisse der Schwingungsamplituden der Mikrowaagen zeigen vorteilhaft einen funktionalen Zusammenhang mit der abgelagerten Rußmasse, der den Ausführungsformen zufolge ausgenutzt wird.
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Besonders vorteilhaft kann bei manchen Ausführungsformen der Partikelsensor zur Überwachung eines Zustands eines Dieselpartikelfilters (DPF) genutzt werden (z.B. in PKW und/oder NKW), was zunehmend gesetzlich gefordert wird (post EU7; LEVIII (USA)).
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Bei bevorzugten Ausführungsformen kann der Partikelsensor periodisch regeneriert werden, und nach der Regeneration kalibriert werden.
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Ein weiterer besonderer Vorteil der gekoppelten Schwingmassen besteht darin, dass bei dem Betreiben der gekoppelten Resonatoren 110, 120 immer Differenzen gemessen werden, wodurch intrinsisch eine geringe Querempfindlichkeit gewährleistet ist. Durch das Messen von Amplituden bzw. Amplituden charakterisierenden Größen G1, G2, anstelle von Frequenzen, im Vergleich zu einzelnen, ungekoppelten Resonatoren ist der erfindungsgemäße Partikelsensor außerdem automatisch unempfindlich gegenüber der Güte der Resonatoren. Dadurch können auch Schwingmassen bzw. Systeme mit Schwingmassen mit niedriger Güte, welche einfacher herzustellen sind, verwendet werden.
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Neben der Anwendung des erfindungsgemäßen Partikelsensors als Rußpartikelsensor bzw. zur Überwachung von Partikelfiltern von Brennkraftmaschinen kommen auch andere Anwendungsgebiete in Betracht, beispielsweise ein Einsatz stromaufwärts eines Partikelfilters, insbesondere Dieselpartikelfilters, beispielsweise zur Optimierung einer Steuerung der Brennkraftmaschine. Bei weiteren Ausführungsformen kann der erfindungsgemäße Partikelsensor auch in anderen Feldern wie beispielsweise der Feinstaubmesstechnik, Umweltmesstechnik und dergleichen genutzt werden.
