DE102017219327A1 - Particle sensor and method for operating a particle sensor - Google Patents

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DE102017219327A1
DE102017219327A1 DE102017219327.1A DE102017219327A DE102017219327A1 DE 102017219327 A1 DE102017219327 A1 DE 102017219327A1 DE 102017219327 A DE102017219327 A DE 102017219327A DE 102017219327 A1 DE102017219327 A1 DE 102017219327A1
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Thomas Northemann
Daniel Krebs
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    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Abstract

Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) aufweisend eine erste Schwingmasse (110), wenigstens eine mit der ersten Schwingmasse (110) gekoppelte zweite Schwingmasse (120), eine Antriebseinrichtung (130) zum Anregen einer Schwingung wenigstens einer der Schwingmassen (110, 120), eine Auswerteeinrichtung (140) zum Ermitteln einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der ersten Schwingmasse (110) charakterisierenden Größe (G1) und einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der zweiten Schwingmasse (120) charakterisierenden Größe (G2).100c, 100b, 100c) comprising a first oscillating mass (110), at least one second oscillating mass (120) coupled to the first oscillating mass (110), a drive device (130) for exciting a vibration of at least one of the oscillating masses (110, 110; 120), an evaluation device (140) for determining a variable (G1) characterizing a vibration amplitude of a vibration of the first vibration mass (110) and a variable (G2) characterizing a vibration amplitude of a vibration of the second vibration mass (120).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors.The invention relates to a particle sensor and a method for operating a particle sensor.

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.Particle sensors with an interdigital electrode structure are known, on which particles such as soot particles can deposit and form electrically conductive paths. This can be evaluated electrically. Disadvantageously, the known particle sensors have a comparatively high sensitivity drift, since the electrodes to which the particle to be determined particles, such as the exhaust gas of an internal combustion engine are exposed, and their chemical composition with time can change so that the sensitivity decreases sharply.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Partikelsensor dahingehend weiterzuentwickeln, dass die vorstehend genannten Nachteile des Stands der Technik vermieden bzw. vermindert werden.Accordingly, it is an object of the present invention to develop a particle sensor to the extent that the above-mentioned disadvantages of the prior art are avoided or reduced.

Diese Aufgabe wird durch einen Partikelsensor nach Anspruch 1 gelöst. Der Partikelsensor weist auf: eine erste Schwingmasse, wenigstens eine mit der ersten Schwingmasse gekoppelte zweite 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 zweiten Schwingmasse charakterisierenden Größe.This object is achieved by a particle sensor according to claim 1. The particle sensor comprises a first oscillating mass, at least one second oscillating mass coupled to the first oscillating mass, a drive device for exciting a vibration of at least one of the oscillating masses, an evaluating device for determining a variable characterizing a vibration amplitude of a vibration of the first oscillating mass and an oscillation amplitude of a vibration the second oscillating mass characterizing size.

Bei den Schwingmassen kann es sich beispielsweise um Festkörper vergleichsweise kleiner Abmessungen handeln, die z.B. eine lineare Schwingung ausführen können und somit jeweils einen Resonator darstellen. Bei anderen Ausführungsformen sind auch Drehschwingungen denkbar.The oscillating masses may, for example, be solids of comparatively small dimensions, e.g. can perform a linear oscillation and thus each represent a resonator. In other embodiments, torsional vibrations are conceivable.

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.According to the invention, it has been recognized that a change in the mass of one of the coupled vibration masses leads to a localization of the vibration mode, whereby the ratio of the vibration amplitudes of the coupled vibration masses changes drastically. By measuring the oscillation amplitudes or the variables characterizing them, it is thus possible to determine a deposited mass on the first oscillating mass. Such localization caused by disorder in the system is called Anderson localization. The invention advantageously uses the Anderson localization to provide a particle sensor with low sensitivity drift and high sensitivity even to the smallest particle amounts or masses.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die erste Schwingmasse so angeordnet, dass sie mit einem zumindest einen Bereich des Partikelsensors umgebenden Medium in Kontakt kommen kann, wobei die andere Schwingmasse so angeordnet ist, dass sie nicht mit dem Medium in Kontakt kommen kann. Hierdurch ist sichergestellt, dass das vorstehend genannte Prinzip effizient ausgenutzt werden kann.In preferred embodiments, the first oscillating mass is arranged so that it can come into contact with a medium surrounding at least one area of the particle sensor, wherein the other oscillating mass is arranged so that it can not come into contact with the medium. This ensures that the above-mentioned principle can be utilized efficiently.

Bei weiteren Ausführungsformen können auch mehr als zwei Schwingmassen vorgesehen sein, wobei z.B. zwischen jeweils zwei Schwingmassn die genannte Kopplung vorgesehen ist.In further embodiments, more than two oscillating masses may be provided, e.g. between each two Schwingmassn said coupling is provided.

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.In a preferred embodiment, the particle sensor according to the invention can be calibrated, for example, in a target system (eg exhaust tract of an internal combustion engine) or in a reference system so that it is advantageously possible to draw conclusions about the soot concentration and optimally also on the particle number in the exhaust gas from the measurement of the deposited soot mass made possible according to the invention ,

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 (Auswerteeinrichtung) ermöglicht, und es können robustere Designs verwendet werden.The present embodiments with multiple coupled vibrating masses have over other sensor principles, including those with e.g. Only one oscillating mass, the decisive advantage that the sensitivity of the structure of the coupling of the oscillating masses (ie the resonators) depends. According to the invention, it has been recognized that the sensitivity of the individual resonators is thereby increased by several orders of magnitude. Thus, with the present embodiments, e.g. with the same sensitivity as in conventional systems advantageously smaller resonance frequencies can be used, which allows the use of a discounted measurement technique (evaluation), and more robust designs can be used.

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 oder i.w. elliptische bzw. Kreisform aufweisen, mit Kantenlängen bzw. Außendurchmesser zwischen etwa 10 µm und etwa 200 µm, und mit einer Dicke zwischen etwa 20 nm (Nanometer) und etwa 2000 nm, bevorzugt etwa 100 nm. Andere Geometrien, insbesondere auch geringere Dicken von etwa 10 nm 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.In one embodiment, it is provided that at least one of the oscillating masses has a microstructured mass element, wherein preferably a largest dimension of the microstructured mass element is between about 1 μm and about 2000 μm, in particular between about 40 μm and about 800 μm. In particular, according to some embodiments, the entire particle sensor can be fabricated in a MEMS (microelectromechanical system) design, with particularly small structural dimensions being possible, thereby already allowing the deposition of a small size Amount of very small and therefore light particles to a significant change in the amplitude ratios (and thus the characterizing quantities) leads. Thereby, the MEMS-based particle sensor according to the present embodiment is very sensitive. In a preferred embodiment, the microstructured mass element, which constitutes a vibration mass, may have, for example, a substantially rectangular or square shape or ellipsoidal or circular shape, with edge lengths between about 10 μm and about 200 μm, and with a thickness between about 20 nm (Nanometer) and about 2000 nm, preferably about 100 nm. Other geometries, in particular smaller thicknesses of about 10 nm to about 2000 nm, according to further embodiments also conceivable and allow, for example, the setting of a predetermined resonant frequency for the mechanical vibrations of the oscillating masses. In particular, in further embodiments, mass elements can be used whose largest dimension is less than about 1 micron, ie with dimensions in the nanoscale range.

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.In general, the structure according to the invention makes it possible to provide a very sensitive and at the same time particularly robust sensor element or particle sensor, by which the permanent use in aggressive media, such as, for example, in the exhaust gas, e.g. an automobile is possible.

Bevorzugt weist die erste Schwingmasse und die zweite Schwingmasse jeweils eine schwingungsfähig angeordnete Membran auf (d.h., eine im wesentlichen plattenförmige Struktur, welche eine wesentlich größere Ausdehnung in einer Breitenkoordinate und einer Längenkoordinate als in einer zu der Breitenkoordinate und der Längenkoordinate orthogonalen Höhenkoordinate aufweist) bzw. ist also solche Membran ausgebildet. Bei manchen Ausführungsformen können die Membranen rechteckförmig oder quadratisch oder rund ausgebildet sein. Bei manchen Ausführungsformen können die Membranen z.B. dazu ausgebildet sein, laterale Schwingungen, also i.w. in einer virtuellen Ebene, die durch die Membranfläche definiert ist, auszuführen. Bei anderen Ausführungsformen können die Membranen z.B. dazu ausgebildet sein, vertikale Schwingungen, also i.w. orthogonal zu einer virtuellen Ebene, die durch die Membranfläche definiert ist, auszuführen.Preferably, the first oscillating mass and the second oscillating mass each have a diaphragm capable of oscillating (ie, a substantially plate-shaped structure having a substantially greater extension in a latitude coordinate and a length coordinate than in a height coordinate orthogonal to the latitude coordinate and the longitudinal coordinate) So is such a membrane formed. In some embodiments, the membranes may be rectangular or square or round. In some embodiments, the membranes may be e.g. be designed to lateral vibrations, ie i.w. in a virtual plane defined by the membrane surface. In other embodiments, the membranes may be e.g. be trained to vertical vibrations, ie i.w. orthogonal to a virtual plane defined by the membrane surface.

Bei weiteren Ausführungsformen sind die erste Schwingmasse und die zweite Schwingmasse im wesentlichen in derselben Ebene angeordnet, wodurch eine klein bauende Konfiguration und eine kostengünstige Fertigung ermöglicht ist.In further embodiments, the first oscillating mass and the second oscillating mass are arranged substantially in the same plane, whereby a small-sized configuration and a low-cost manufacturing is possible.

Bei weiteren Ausführungsformen sind die erste Schwingmasse und die zweite Schwingmasse jeweils in unterschiedlichen Ebenen angeordnet, die bevorzugt etwa parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei sich z.B. ein Schichtaufbau mit übereinander angeordneten Schwingmassen ergibt, was den Grundflächenbedarf reduziert. Ferner ist z.B. nur die obere bzw. oberste Schwingmasse eines solchen Aufbaus einem umgebenden Medium exponiert, wohingegen die anderen Schwingmassen durch die obere bzw. oberste Schwingmasse von dem Medium abgeschirmt sind.In further embodiments, the first oscillating mass and the second oscillating mass are each arranged in different planes, which are preferably aligned approximately parallel to one another, wherein e.g. a layer structure with superimposed oscillating masses results, which reduces the footprint. Further, e.g. only the upper or upper oscillating mass of such a structure exposed to a surrounding medium, whereas the other oscillating masses are shielded by the upper or uppermost oscillating mass of the medium.

Bei weiteren Ausführungsformen weist wenigstens eine Oberfläche der ersten Schwingmasse eine Schutzschicht auf, wobei die Schutzschicht insbesondere wenigstens eines der folgenden Materialien aufweist: Siliziumcarbid.In further embodiments, at least one surface of the first oscillating mass has a protective layer, wherein the protective layer in particular comprises at least one of the following materials: silicon carbide.

Bei weiteren Ausführungsformen ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der charakterisierenden Größen auf eine Masse und/oder Anzahl von Partikeln zu schließen, die auf wenigstens einer Oberfläche der ersten Schwingmasse angeordnet sind.In further embodiments, the evaluation device is designed to close depending on the characterizing quantities to a mass and / or number of particles which are arranged on at least one surface of the first oscillating mass.

Bei weiteren Ausführungsformen sind die erste Schwingmasse und die zweite Schwingmasse mechanisch und/oder elektrostatisch miteinander gekoppelt, wobei insbesondere im Falle einer elektrostatischen Kopplung eine Stärke der Kopplung einstellbar ist.In further embodiments, the first oscillating mass and the second oscillating mass are mechanically and / or electrostatically coupled to each other, wherein in particular in the case of an electrostatic coupling, a strength of the coupling is adjustable.

Bei weiteren Ausführungsformen ist wenigstens eine der beiden Schwingmassen zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig ausgebildet, beispielsweise durch Dotieren eines Basismaterials, bei dem es sich z.B. um Siliziumcarbid (SiC) handeln kann, und/oder durch Aufbringen von elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Elektrodenmaterial, z.B. Platin.In further embodiments, at least one of the two oscillating masses is at least partially electrically conductive, for example by doping a base material, which may be e.g. may be silicon carbide (SiC), and / or by applying electrically conductive material, in particular electrode material, e.g. Platinum.

Weitere Lösungen der Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind angegeben durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.Further solutions of the object of the present invention are given by a method according to claim 10. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.

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.Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of the drawing. All described or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency and regardless of their formulation or representation in the description or in the drawing.

In der Zeichnung zeigt:

  • 1A schematisch ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors,
  • 1B schematisch ein Detail aus 1A,
  • 2 schematisch relative Empfindlichkeiten aufgetragen über einem Kopplungsgrad gemäß einer Ausführungsform,
  • 3 schematisch die Anordnung eines Partikelsensors gemäß einer Ausführungsform in einem Zielsystem,
  • 4 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 5 schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors,
  • 6A schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform,
  • 6B schematisch eine Seitenansicht des Partikelsensors aus 6A,
  • 7A eine mittels Simulation ermittelte Auslenkungsverteilung gemäß einer Ausführungsform,
  • 7B, 7C jeweils eine Schwingungsamplitude aufgetragen über einer eine Kopplungsstärke repräsentierenden Größe gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
  • 8 schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors.
In the drawing shows:
  • 1A 2 is a schematic block diagram of an embodiment of the particle sensor according to the invention;
  • 1B schematically a detail from 1A .
  • 2 schematically relative sensitivities plotted over a degree of coupling according to an embodiment,
  • 3 FIG. 2 schematically shows the arrangement of a particle sensor according to an embodiment in a target system, FIG.
  • 4 schematically a simplified flow chart of an embodiment of the method according to the invention,
  • 5 schematically a side view of another embodiment of the particle sensor according to the invention,
  • 6A FIG. 2 is a schematic plan view of a particle sensor according to another embodiment; FIG.
  • 6B schematically a side view of the particle sensor 6A .
  • 7A a deflection distribution determined by simulation according to an embodiment,
  • 7B . 7C in each case an oscillation amplitude plotted against a quantity representing a coupling strength according to a further embodiment, and
  • 8th schematically a side view of another embodiment of the particle sensor according to the invention.

1A zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors 100. Der Partikelsensor 100 weist eine erste Schwingmasse 110 und eine zweite Schwingmasse 120 auf, die mit der ersten Schwingmasse 110, bevorzugt schwach, gekoppelt ist, vgl. Bezugszeichen 115. Die Kopplung kann entweder mechanisch ausgeführt sein, oder auch elektrostatisch, wobei also elektrische Feldkräfte zwischen den Schwingmassen 110, 120 eine Kopplung bewirken. 1A schematically shows a block diagram of an embodiment of the particle sensor according to the invention 100 , The particle sensor 100 has a first oscillating mass 110 and a second oscillating mass 120 on that with the first oscillating mass 110 , preferably weak, is coupled, cf. reference numeral 115 , The coupling can be carried out either mechanically, or electrostatically, so that electric field forces between the oscillating masses 110 . 120 cause a coupling.

Bevorzugt weist die erste Schwingmasse 110 und die zweite Schwingmasse 120 jeweils eine schwingungsfähig angeordnete Membran auf (d.h., eine im wesentlichen plattenförmige Struktur, welche eine wesentlich größere Ausdehnung in einer Breitenkoordinate und einer Längenkoordinate als in einer zu der Breitenkoordinate und der Längenkoordinate orthogonalen Höhenkoordinate aufweist) bzw. ist also solche Membran ausgebildet. Bei manchen Ausführungsformen können die Membranen 110, 120 rechteckförmig oder quadratisch oder rund ausgebildet sein. Bei manchen Ausführungsformen können die Membranen 110, 120 z.B. dazu ausgebildet sein, laterale Schwingungen, also i.w. in einer virtuellen Ebene, die durch die Membranfläche definiert ist, auszuführen. Bei anderen Ausführungsformen können die Membranen 110, 120 z.B. dazu ausgebildet sein, vertikale Schwingungen, also i.w. orthogonal zu einer virtuellen Ebene, die durch die Membranfläche definiert ist, auszuführen.Preferably, the first oscillating mass 110 and the second oscillating mass 120 in each case a diaphragm capable of oscillating (ie, a substantially plate-shaped structure which has a substantially greater extent in a latitude coordinate and a length coordinate than in a height coordinate orthogonal to the latitude coordinate and the longitudinal coordinate), ie such membrane is formed. In some embodiments, the membranes may 110 . 120 be formed rectangular or square or round. In some embodiments, the membranes may 110 . 120 For example, be designed to perform lateral vibrations, ie iw in a virtual plane, which is defined by the membrane surface. In other embodiments, the membranes may 110 . 120 For example, it may be configured to execute vertical oscillations, that is to say orthogonal to a virtual plane defined by the membrane surface.

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 z.B. eine lineare Schwingung ausführen können, mithin jeweils einen mechanischen Resonator bilden. Beispielsweise können die Schwingmassen 110, 120 gemäß 1A entlang einer horizontalen (oder entlang einer vertikalen) 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.The particle sensor 100 also has a drive device 130 for exciting a vibration of at least one of the oscillating masses, in the present case the second oscillating mass 120 , on. For example, the two oscillating masses 110 . 120 so stored, for example, in or on a housing 102 or substrate (not in 1 shown) of the particle sensor 100 in that they can each execute, for example, a linear oscillation, thus in each case forming a mechanical resonator. For example, the oscillating masses 110 . 120 according to 1A swinging along a horizontal (or along a vertical) direction. About the coupling 115 becomes a vibration of the present by the drive means 130 driven second oscillating mass 120 also on the first oscillating mass 110 transfer.

Bevorzugt 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 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. Anstelle eines optionalen Gehäuses 102 kann bei weiteren Ausführungsformen auch eine Abdeckung für wenigstens eine der Schwingmassen vorgesehen sein.The first oscillating mass is preferred 110 arranged so that it communicates with at least one area of the particle sensor 100 surrounding medium M, for example the exhaust gas of an internal combustion engine of a motor vehicle, may come into contact, and the other oscillating mass 120 is arranged so that they do not come into contact with the medium M. This is in 1A in the present case symbolizes that the first oscillating mass 110 outside the case 102 , the second vibration mass 120 however within the housing 102 , in which interior I, is arranged. Instead of an optional housing 102 may be provided in other embodiments, a cover for at least one of the oscillating masses.

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.The particle sensor 100 also has an evaluation device 140 for determining a vibration amplitude of a vibration of the first vibration mass 110 characterizing size G1 and a vibration amplitude of a vibration of the at least one further vibration mass 120 characterizing size G2 on.

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.According to the invention, it has been recognized that a change in the mass of one of the coupled oscillating masses 110 . 120 leads to a localization of the vibration mode, whereby the ratio of the vibration amplitudes of the coupled vibration masses 110 . 120 drastically changes. About a measurement of the vibration amplitudes or their characterizing sizes G1 . G2 Thus, a determination of a deposited mass on the first oscillating mass 110 respectively. Such localization caused by disorder in the system is called Anderson localization. The invention advantageously uses Anderson localization to provide the particle sensor 100 with low sensitivity drift and high sensitivity even to the smallest particle quantities or masses.

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.For example, on a first surface 110a the first oscillating mass 110 Particles P from the medium M (eg exhaust) deposit, resulting in the above localization, by means of the evaluation 140 can be determined and evaluated. In particular, the evaluation unit as a function of the two characterizing quantities G1 . G2 directly on the mass of the first surface 110a Close deposited particles P.

1B zeigt schematisch ein Detail der ersten Oberfläche 110a aus 1A. Optional kann darauf eine Beschichtung 110a' (Schutzschicht) vorgesehen sein, die einen direkten Kontakt des Mediums M (Fig .1A) bzw. der Partikel P mit der Oberfläche 110a verhindert. 1B schematically shows a detail of the first surface 110a out 1A , Optionally, a coating can be applied to it 110a ' (Protective layer) be provided, which is a direct contact of the medium M (Fig. 1A) and the particles P with the surface 110a prevented.

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.In another embodiment, an optional heater 150 for heating the particle sensor 100 , in particular for heating the component exposed to the medium M. 110a of the particle sensor 100 , provided, comparisons 1A , The heater 150 can be used advantageously to a temperature of at least 700 ° C on the first oscillating mass 110 to reach. As a result, optionally deposited soot or other particles P can be burnt off there, and the particle sensor 100 is regenerated with it. The small size of the device 100 and the associated low thermal mass lead to a rapid heating and low energy consumption.

2 zeigt schematisch relative Empfindlichkeiten (Frequenz: df/f0, Amplitude: dA/A0) aufgetragen über einem Kopplungsgrad K (in beliebiger Einheit, „arbitrary unit“) zwischen den Schwingmassen 110, 120 gemäß einer Ausführungsform. Die Kurve C1 zeigt die relative Sensitivität bei Amplitudenmessung, und die Kurve C2 zeigt die relative Sensitivität bei Resonanzfrequenzmessung von zwei gekoppelten Schwingmassen 110, 120. Bei schwacher Kopplung (links in 2) 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. 2 schematically shows relative sensitivities (frequency: df / f0, amplitude: dA / A0) plotted over a degree of coupling K (in arbitrary unit, "arbitrary unit") between the oscillating masses 110 . 120 according to one embodiment. The curve C1 shows the relative sensitivity in amplitude measurement, and the curve C2 shows the relative sensitivity at resonance frequency measurement of two coupled vibration masses 110 . 120 , With weak coupling (left in 2 ), the relative sensitivity of the amplitude measurement is clearly orders of magnitude higher than the relative sensitivity of the resonant frequency measurement. This will happen with the particle sensor 100 exploited according to the embodiments by the evaluation unit 140 ( 1A) the oscillation amplitude of the respective oscillating mass 110 . 120 characterizing quantities G1 . G2 considered or determined and optionally evaluated.

3 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. 3 schematically shows the arrangement of a particle sensor 100 according to an embodiment in a target system 200 , namely an exhaust tract of an internal combustion engine, for example a motor vehicle. The sensor 100 is located in the exhaust pipe 202 , between an inlet area 202a and an outlet area 202b For example, before or after an exhaust particulate filter (not shown, eg diesel particulate filter in the case of self-igniting internal combustion engines). In a preferred embodiment, the particle sensor is as in FIG 5 shown laterally, partially protruding, in the exhaust pipe 202 built-in.

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.A stream of particles to be detected PF flows through the exhaust pipe 202 , One of the preferably designed as MEMS resonators oscillating masses 110 is exposed in the exhaust gas, in particular the exhaust gas partial stream PF ' so exposed on its first surface 110a Particles can be deposited from the exhaust gas partial stream. signal lines 103 lead to a control unit 104 , for example, the drive device 130 and / or the evaluation device 140 ( 1A) can have. This allows the control unit 104 the oscillating masses 110 . 120 ( 1A) imprint a vibration and the vibration amplitudes or the characteristics that characterize them G1 . G2 measure up.

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.In an advantageous embodiment, for example, the oscillating masses 110 . 120 (And optionally optionally available heating device 150 ) are provided as the first component ("sensor element"), and the evaluation device 140 and the drive device 130 as a second component ("control unit" 104 ), which is optionally provided separately from the first component and via the mentioned signal lines or control lines 103 connectable to the first component. For example, the first component may be provided on a substrate. The second component can also be provided, for example, on a substrate.

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.In other embodiments, the oscillating masses 110 . 120 , the optional heating device 150 , the drive device 130 , and the evaluation device 140 also be combined with each other on a substrate.

Die vorstehend unter Bezugnahme auf 3 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.The above with reference to 3 The installation method described is only an example. Other types of installation are possible according to further embodiments, wherein it is preferably ensured that a (and in particular only one) vibrating element (oscillating mass) of the particle sensor comes into contact with the exhaust gas, so that soot deposition can take place. In a specific embodiment, the particle sensor may not be installed in a special housing / thermowell) the exhaust gas actively (eg by means of a pump) or passively (eg by utilizing the Venturi effect) leads in a defined manner to the particle sensor.

4 zeigt schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 10 wird eine Schwingung wenigstens einer der Schwingmassen 110, 120 des Partikelsensors 100 (1A) 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 12' 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. 4 schematically shows a simplified flowchart of an embodiment of the method according to the invention. In step 10 becomes a vibration of at least one of the oscillating masses 110 . 120 of the particle sensor 100 ( 1A) excited and optionally optionally set the coupling between the oscillating masses. In step 12 become the characterizing quantities G1 . G2 through the evaluation device 140 determined and optional if necessary a feedback back to step 10 given to adjust the excitation and / or coupling, cf. the dashed arrow 12 ' from step 12 to step 10 , Optionally, after that in step 14 depending on the characterizing quantities G1 . G2 be closed on a mass (and / or a number) of particles P on at least one surface 110a the medium suspended oscillating mass 110 are arranged.

5 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform 100a des erfindungsgemäßen Partikelsensors, bei der vorliegend zwei jeweils als Membran ausgebildete Schwingmassen 110, 120 vertikal „übereinander“ angeordnet und elektrostatisch miteinander gekoppelt sind. Die erste Membran 110 liegt in einer Ebene E2, und die zweite Membran 120 liegt in einer Ebene E3, wobei die Ebenen E2, E3 bevorzugt i.w. parallel zueinander sind. Der Partikelsensor 100a weist also mehrere (vorliegend zwei) übereinander befindliche, durch Kavitäten getrennte Membranen 110, 120 auf. Auf einem optionalen Substrat 1001 (zum Beispiel bestehend aus Silizium) befindet sich eine elektrisch isolierende Isolierschicht 1002 (zum Beispiel bestehend aus Siliziumdioxid, SiO2). Darauf befindet sich eine erste Membranschicht 1003 (zum Beispiel bestehend aus Siliziumcarbid, SiC, mit einer Dicke von z.B. etwa 100 nm), die die zweite Schwingmasse 120 bildet. 5 schematically shows a side view of another embodiment 100a of the particle sensor according to the invention, in the present case two oscillating masses each formed as a membrane 110 . 120 vertically "superimposed" and are electrostatically coupled together. The first membrane 110 lies in a plane E2 , and the second membrane 120 lies in a plane E3 , where the levels E2 . E3 preferably iw are parallel to each other. The particle sensor 100a Thus, several (in the present case two) superimposed, separated by cavities membranes 110 . 120 on. On an optional substrate 1001 (For example, consisting of silicon) is an electrically insulating insulating layer 1002 (For example, consisting of silicon dioxide, SiO 2). On it is a first membrane layer 1003 (For example, consisting of silicon carbide, SiC, with a thickness of, for example, about 100 nm), which is the second oscillatory mass 120 forms.

Ein Teil der ersten Membranschicht 1003 kann bevorzugten Ausführungsformen zufolge elektrisch leitend ausgebildet sein. Dies kann z.B. durch dotierte Bereiche des Basismaterials SiC und/oder durch Aufbringen eines Elektrodenmaterials 1003a, 1003b wie zum Beispiel Platin, Pt, auf wenigstens einer Oberfläche (vorliegend beider Oberflächen) der ersten Membranschicht 1003 umgesetzt werden. Bevorzugt wird ein Teil der ersten Membranschicht 1003 freigestellt, um frei schwingen zu können. Dies kann zum Beispiel über Rückseitenätzen und/oder über das Ätzen einer Opferschicht (z.B. Teile der Schicht 1002) geschehen. Die Form des freigestellten Bereichs kann bei verschiedenen Ausführungsformen variieren.Part of the first membrane layer 1003 may be formed according to preferred embodiments electrically conductive. This can be done, for example, by doped regions of the base material SiC and / or by applying an electrode material 1003a . 1003b such as platinum, Pt, on at least one surface (in the present case on both surfaces) of the first membrane layer 1003 be implemented. A part of the first membrane layer is preferred 1003 free to swing freely. This can be done, for example, via backside etching and / or by etching a sacrificial layer (eg parts of the layer 1002 ) happen. The shape of the exposed area may vary in various embodiments.

Ebenfalls vorgesehen ist eine zweite Membranschicht 1005, die vorliegend mittels einer weiteren elektrisch isolierenden Isolierschicht 1004 von der ersten Membranschicht 1003 getrennt ist.Also provided is a second membrane layer 1005 , Which in the present case by means of a further electrically insulating insulating layer 1004 from the first membrane layer 1003 is disconnected.

Vorliegend sind die Membranen 110, 120 (welche z.B. als i.w. plattenförmige Festkörper mit Kreiskontur, zum Beispiel mit 20 µm Radius, ausgebildet sein können) elektrostatisch miteinander gekoppelt. Sind nämlich elektrisch leitfähige Bereiche der Membran 110, 120 oder Elektroden auf den Membranen 110, 120 vorgesehen, welche mit einer Steuerspannung (bevorzugt Steuergleichspannung) beaufschlagt werden, führt die elektrostatische Wechselwirkung zwischen diesen Bereichen bzw. Elektroden zu der genannten elektrostatischen Kopplung K (vgl. auch die horizontale Achse der 2) der Membranen 110, 120, die durch Wahl des Betrags der Steuerspannung bei manchen Ausführungsformen vorteilhaft auch einstellbar ist.Present are the membranes 110 . 120 (which may be formed as iw plate-shaped solid with circular contour, for example, with 20 microns radius, for example) electrostatically coupled together. Namely, are electrically conductive regions of the membrane 110 . 120 or electrodes on the membranes 110 . 120 provided, which are supplied with a control voltage (preferably control DC voltage), the electrostatic interaction between these areas or electrodes leads to said electrostatic coupling K (see also the horizontal axis of 2 ) of the membranes 110 . 120 , which is also advantageously adjustable by selecting the amount of the control voltage in some embodiments.

Alternativ oder ergänzend kann bei weiteren Ausführungsformen über einen räumlichen Überlapp der leitfähigen Bereiche bzw. Elektroden die Kopplungsstärke K kontrolliert werden.Alternatively or additionally, in other embodiments, the coupling strength K can be controlled via a spatial overlap of the conductive regions or electrodes.

Eine weitere alternative oder ergänzende Kopplung der Membranen 110, 120 kann mechanisch erreicht werden. Wird, beispielsweise wie in 5 abgebildet, ein Teil der freigestellten Membranen 110, 120 mechanisch miteinander verbunden (zum Beispiel über Säulen S oder eine Ringstruktur), sind diese gekoppelt. Durch Wahl von Material und Geometrie der koppelnden Strukturen S kann wiederum die Kopplungsstärke K eingestellt werden.Another alternative or complementary coupling of the membranes 110 . 120 can be achieved mechanically. Will, for example, as in 5 pictured, a part of the release membranes 110 . 120 mechanically interconnected (for example via columns S or a ring structure), these are coupled. By selecting material and geometry of the coupling structures S, in turn, the coupling strength K can be set.

In weiteren Ausführungsformen kann als Maßnahme zur mechanischen Kopplung der Membranen 110, 120 z.B. auch ein i.w. ringförmiges Koppelelement (nicht gezeigt), insbesondere im Bereich eines Rands der Membranen 110, 120, vorgesehen sein. Dieser Fall ist vergleichbar zu einer weiteren Ausführungsform mit einer Membran mit geringerem Radius welche über der darunter liegenden Membran angebracht ist.In further embodiments, as a means for mechanically coupling the membranes 110 . 120 For example, an iw annular coupling element (not shown), in particular in the region of an edge of the membranes 110 . 120 , be provided. This case is comparable to another embodiment with a smaller radius membrane attached over the underlying membrane.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Kopplung (auch in Kombination mit anderen Kopplungsarten) durch einen zwischen den beiden Membranen eingeschlossenen Luftdruck kontrolliert werden.In another embodiment, the coupling (also in combination with other types of coupling) may be controlled by an air pressure trapped between the two membranes.

Um das durch die Membranen 110, 120 gebildete System aus Resonatoren anzutreiben und/oder auszulesen können bei weiteren Ausführungsformen z.B. eine kapazitive und/oder piezoelektrische Aktuierung und kapazitive und/oder piezoresistive Sensierung genutzt werden. Der Partikelsensor 100a gemäß 5 ermöglicht beispielhaft eine kapazitive Aktuierung und Sensierung über je eine Gegenelektrode pro Resonator, die parallel zur Elektrode auf der Membran und zum Beispiel in einem Abstand von 500 nm angebracht ist.To do this through the membranes 110 . 120 In other embodiments, for example, a capacitive and / or piezoelectric actuation and capacitive and / or piezoresistive sensing can be used to drive and / or read out formed system of resonators. The particle sensor 100a according to 5 allows for example a capacitive actuation and sensing via one each Counterelectrode per resonator, which is mounted parallel to the electrode on the membrane and, for example, at a distance of 500 nm.

Zur Ansteuerung des Partikelsensors 100a nach 5 kann z.B. der in 5 unten liegende, dem Ruß P nicht ausgesetzte Resonator 120 über ein Elektrodenpaar 1001a, 1003b auf Substrat 1001 und Membran 1003 aktuiert weden. Dort sind eine Ansteuerspannung Vdrive (Elektrode 1001a) und ein Bezugspotential, z.B. das Massepotential, (Elektrode 1003b) angelegt. Über ein weiteres Elektrodenpaar 1003b, 1001b, an denen das Massepotential (1003b) und eine Messpannung (Elektrode 1001b) anliegt, wird die Amplitude der Schwingung der Membran 120 sensiert. Es könnte alternativ auch nur ein Elektrodenpaar zum Aktuieren und Sensieren benutzt werden, und/oder mehrere Masseelektroden verwendet werden.For controlling the particle sensor 100a to 5 can eg the in 5 below, the soot P not exposed resonator 120 via a pair of electrodes 1001a . 1003b on substrate 1001 and membrane 1003 actuated. There is a drive voltage Vdrive (electrode 1001a ) and a reference potential, eg the ground potential, (electrode 1003b ). About another pair of electrodes 1003b . 1001b where the ground potential ( 1003b ) and a measuring voltage (electrode 1001b ) is applied, the amplitude of the vibration of the membrane 120 sensed. Alternatively, only one electrode pair could be used for actuation and sensing, and / or multiple ground electrodes could be used.

Wenn die Membran 120 des angetriebenen Resonators schwingt, findet eine elektrostatische Wechselwirkung mit der auf der weiteren Membran 110 befindlichen Elektrode 1005a statt, welche z.B. auf einem fixen Potential Vfix gehalten wird. Dadurch wird die Membran 110 zum Schwingen angeregt, was mit der Gegenelektrode 1005b detektiert werden kann, beispielsweise über eine Auswertung der Spannung zwischen den Elektroden 1003a, 1005b. Über die Wahl des Potentials Vfix kann die Stärke der elektrostatischen Kopplung K zwischen den Membranen 110, 120 eingestellt werden. Generell spielt es keine Rolle, ob der angetriebene oder der passive Resonator dem zu detektierenden Medium, z.B. Ruß P, ausgesetzt ist.If the membrane 120 vibrates the driven resonator finds an electrostatic interaction with the on the other membrane 110 located electrode 1005a instead, which is held at a fixed potential Vfix, for example. This will make the membrane 110 excited to vibrate, what with the counter electrode 1005b can be detected, for example via an evaluation of the voltage between the electrodes 1003a . 1005b , By choosing the potential Vfix can be the strength of the electrostatic coupling K between the membranes 110 . 120 be set. In general, it does not matter if the driven or the passive resonator is exposed to the medium to be detected, eg carbon black P.

Das System 100a kann bevorzugt so ausgelegt sein, dass die Resonatoren 110, 120 identisch schwingen, wenn einer der Resonatoren mit einer externen Kraft aktuiert wird. Durch Ablagerung von Ruß P auf einem der Resonatoren wird das System in „Unordnung“/Asymmetrie gebracht was dazu führt, dass sich die Schwingungsmode lokalisiert. D.h. die Amplituden, mit denen die Resonatoren 110, 120 schwingen, verändern sich stark. Die relative Änderung der Amplituden bei einer solchen Lokalisierung ist im Vergleich zur relativen Änderung der Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von der Kopplung K und der Anzahl der Resonatoren 110, 120 um Größenordnungen höher, vgl. auch die Ausführungen unter Bezugnahme auf 2 oben.The system 100a can preferably be designed so that the resonators 110 . 120 oscillate identically when one of the resonators is actuated with an external force. By depositing soot P on one of the resonators, the system is brought into "disorder" / asymmetry, causing the oscillation mode to localize. That is, the amplitudes with which the resonators 110 . 120 swing, change a lot. The relative change of the amplitudes in such a localization is compared to the relative change of the resonance frequencies as a function of the coupling K and the number of resonators 110 . 120 orders of magnitude higher, cf. also the explanations with reference to 2 above.

6A zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor 100b gemäß einer weiteren Ausführungsform, und 6B zeigt schematisch eine Seitenansicht des Partikelsensors 100b aus 6A. 6A schematically shows a plan view of a particle sensor 100b according to another embodiment, and 6B schematically shows a side view of the particle sensor 100b out 6A ,

Auf einem optionalen Substrat 2001 (zum Beispiel aus Silizium) befindet sich eine ebenfalls optionale, elektrisch isolierende Isolierschicht 2002 (zum Beispiel aus SiO2). Darauf befindet sich eine Membranschicht 2003 (zum Beispiel aus Siliziumcarbid, SiC, z.B. mit einer Dicke von etwa 100 nm). Ein Teil der Membranschicht 2003 ist bevorzugt elektrisch leitend ausgebildet. Dies kann z.B. durch dotierte Bereiche und/oder durch ein Elektrodenmaterial (zum Beispiel Platin), das auf der Membranschicht 2003 aufgebracht wird, umgesetzt werden. Ein Teil der Membranschicht 2003 wird freigestellt, um frei schwingen zu können. Dies kann zum Beispiel über Rückseitenätzen oder über das Ätzen einer Opferschicht (z.B. Schicht 2002) geschehen. Die Form des freigestellten Bereichs kann variieren.On an optional substrate 2001 (For example, made of silicon) is also an optional, electrically insulating insulating layer 2002 (for example from SiO2). On it is a membrane layer 2003 (For example, silicon carbide, SiC, for example, with a thickness of about 100 nm). Part of the membrane layer 2003 is preferably formed electrically conductive. This can be done, for example, by doped regions and / or by an electrode material (for example platinum) on the membrane layer 2003 is applied, be implemented. Part of the membrane layer 2003 is released to swing freely. This can be done, for example, via backside etching or by etching a sacrificial layer (eg layer 2002 ) happen. The shape of the cropped area may vary.

Aus 6A ist ersichtlich, dass die Membranschicht 2003 vorliegend zwei jeweils für sich schwingungsfähig angeordnete Membranen 110, 120 aufweist, die untereinander mechanisch durch den Steg S1 gekoppelt sind. Der Steg S1 kann beispielsweise eine Breite B1 von etwa 10 µm und eine Länge L1 von etwa 2 µm aufweisen. Bei dieser Ausführungsform liegen beide Membranen 110, 120 in derselben Ebene E1, 6B, die durch die Membranschicht 2003 definiert ist.Out 6A it can be seen that the membrane layer 2003 in the present case two diaphragms each arranged for oscillation 110 . 120 has, mechanically with each other through the web S1 are coupled. The jetty S1 for example, a width B1 of about 10 microns and a length L1 of about 2 microns. In this embodiment, both membranes lie 110 . 120 in the same plane E1 . 6B passing through the membrane layer 2003 is defined.

Damit vorliegend nur eine der gekoppelten Membranen 110, 120 dem Ruß P ausgesetzt ist, wird die andere Mebran 120 bei bevorzugten Ausführungsformen vor Rußablagerungen geschützt. Dies kann durch eine Abdeckung 122 (z.B. aus Silizium) wie in 6A, 6B dargestellt geschehen. Dabei ist zu beachten, dass der abgedeckte Resonator 120 und der Steg S1 in ihrer Schwingungsfähigkeit nicht eingeschränkt werden. Die zur Entkopplung nutzbare Öffnung O1 im Bereich des Stegs S1 kann bei manchen Ausführungsformen beim Betrieb des Sensors 100b durch Verwendung einer antisymmetrischen Schwingungsmode minimiert werden, da in diesem Fall am Steg S1 nur kleine Auslenkungen zu erwarten sind. Dies ist nützlich um Rußkontamination der zweiten Membran 120 über diese Öffnung O1 zu minimieren.In this case, only one of the coupled membranes 110 . 120 the soot P is exposed, the other Mebran 120 protected in preferred embodiments from soot deposits. This can be done by a cover 122 (eg of silicon) as in 6A . 6B shown done. It should be noted that the covered resonator 120 and the jetty S1 be limited in their ability to vibrate. The usable for decoupling opening O1 in the area of the footbridge S1 may in some embodiments during operation of the sensor 100b be minimized by using an antisymmetric vibration mode, since in this case at the web S1 only small deflections are to be expected. This is useful for carbon black contamination of the second membrane 120 about this opening O1 to minimize.

Um das System 100b aus Resonatoren 110, 120 anzutreiben und auszulesen können dieselben Prinzipien wie vorstehend unter Bezugnahme auf 5 verwendet werden. Dies sind insbesondere kapazitive und/oder piezoelektrische Aktuierung und kapazitive und/oder piezoresistive Sensierung. In 6B ist kapazitive Aktuierung und Sensierung über je eine Gegenelektrode 2001a, 2001b pro Resonator 110, 120 realisiert, die i.w. parallel zur Elektrode 2003a auf der Membran und zum Beispiel in einem Abstand A1 von etwa 500 nm angebracht ist. Das System 100b kann bevorzugt so ausgelegt sein, dass die Resonatoren 110, 120 identisch schwingen wenn einer der Resonatoren mit einer externen Kraft aktuiert wird. Durch Ablagerung von Ruß P auf einem der Resonatoren wird das System in „Unordnung“/Asymmetrie gebracht was dazu führt, dass sich die Schwingungsmode lokalisiert. D.h. die Amplituden, mit denen die Resonatoren 110, 120 schwingen verändern sich stark. Die relative Änderung der Amplituden bei einer solchen Lokalisierung ist im Vergleich zur relativen Änderung der Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von der Kopplung und der Anzahl der Resonatoren um Größenordnungen höher.To the system 100b from resonators 110 . 120 to drive and read the same principles as described above with reference to 5 be used. These are in particular capacitive and / or piezoelectric actuation and capacitive and / or piezoresistive sensing. In 6B is capacitive actuation and sensing via one counterelectrode each 2001a . 2001b per resonator 110 . 120 realized, the iw parallel to the electrode 2003a on the membrane and for example at a distance A1 of about 500 nm is appropriate. The system 100b can preferably be designed so that the resonators 110 . 120 oscillate identically when one of the resonators is actuated with an external force. By depositing soot P on one of the resonators, the system becomes "disordered" / Asymmetry brought what causes the vibration mode localized. That is, the amplitudes with which the resonators 110 . 120 swinging are changing a lot. The relative change in amplitudes at such a location is orders of magnitude higher than the relative change in resonant frequencies as a function of coupling and the number of resonators.

7A zeigt eine Simulation für ein Beispiel von zwei etwa jeweils 40 µm durchmessenden Membranen M1, M2 als Schwingmassen, die mit einem etwa 10 µm breiten Steg, vergleichbar zu dem Steg S1 nach 6A, gekoppelt sind und in antisymmetrischer Mode schwingen. In den beiden Graphen von 7B, 7C sind die Amplituden (A1 und A2) im jeweiligen Mittelpunkt der beiden Membranen nach 7A als Funktion der Stegbreite SB gezeigt. Ist keine der beiden identischen Membranen M1, M2 (7A) mit Masse beladen (7B), schwingen sie mit der gleichen Amplitude unabhängig von der Stegbreite. Wenn durch Massenbeladung (7C) einer der Membranen M1 eine Asymmetrie/„Unordnung“ in das System gebracht wird, schwingen die beiden Membranen für schwache Kopplung (also kleine Stegbreiten) mit unterschiedlichen Amplituden, s. den linken Bereich von 7C. Wie weiter oben schon beschrieben, ist bei schwacher Kopplung (z.B. kleine Stegbreiten) die relative Sensitivität der Amplitudenmessung um Größenordnungen höher als die relative Sensitivität der Resonanzfrequenzmessung. 7A shows a simulation for an example of two approximately 40 μm diameter membranes M1 . M2 as oscillating masses, with an approximately 10 μm wide bridge, comparable to the bridge S1 to 6A , are coupled and swing in antisymmetric mode. In the two graphs of 7B . 7C are the amplitudes ( A1 and A2 ) in the respective center of the two membranes 7A shown as a function of the web width SB. Is not one of the two identical membranes M1 . M2 ( 7A) loaded with mass ( 7B) , they swing with the same amplitude regardless of the bridge width. When by mass loading ( 7C) one of the membranes M1 an asymmetry / "disorder" is brought into the system, swing the two membranes for weak coupling (ie small web widths) with different amplitudes, s. the left area of 7C , As already described above, with weak coupling (eg small web widths), the relative sensitivity of the amplitude measurement is orders of magnitude higher than the relative sensitivity of the resonant frequency measurement.

Während in 6A, 6B und 7A Membranen mit mechanischer Kopplung vorgestellt werden, ist in 8 eine weitere Ausführungsform 100c des erfindungsgemäßen Partikelsensors gezeigt, bei der Querschnitt und Verschaltung mehrerer (hier zwei) Membranen 110, 120 bei elektrostatischer Kopplung vorgesehen sind. Wie bei der in 6A vorgeschlagenen Variante des Partikelsensors sind zwei auch vorliegend in 8 i.w. identische Membranen 110, 120 im Bereich der Membranschicht 2003' zum Schwingen frei gestellt.While in 6A . 6B and 7A Membranes presented with mechanical coupling is in 8th another embodiment 100c of the particle sensor according to the invention, in the cross-section and interconnection of several (here two) membranes 110 . 120 are provided in electrostatic coupling. As with the in 6A proposed variant of the particle sensor are two also present in 8th iw identical membranes 110 . 120 in the region of the membrane layer 2003 ' set free to swing.

Eine der beiden Membranen, vgl. Bezugszeichen 120, ist vor Rußablagerung geschützt. Anstelle einer mechanischen Kopplung über einen frei schwingenden Steg wird die Kopplung in der Variante nach 8 elektrostatisch vermittelt. Der erste Resonator wird über ein Elektrodenpaar 2003'a, 2001'a auf Membran 110 und Substrat 2001' aktuiert, vgl. auch den Doppelpfeil a1. Auf dem Substrat 2001' ist wiederum eine Isolierschicht 2002' angeordnet. An die Elektrode 2003'a, die an der Membran 110 angeordnet ist, kann beispielsweise ein elektrisches Potential Vdrive und an die Elektrode 2001'a, die an dem Substrat 2001' angeordnet ist, kann beispielsweise ein elektrisches Bezugspotential, z.B. das Massepotential angelegt werden.One of the two membranes, cf. reference numeral 120 , is protected against soot deposits. Instead of a mechanical coupling via a free-swinging web, the coupling in the variant after 8th electrostatically mediated. The first resonator is via a pair of electrodes 2003'a . 2001'a on membrane 110 and substrate 2001 ' actuated, cf. also the double arrow a1 , On the substrate 2001 ' is again an insulating layer 2002 ' arranged. To the electrode 2003'a attached to the membrane 110 is arranged, for example, an electrical potential Vdrive and to the electrode 2001'a attached to the substrate 2001 ' is arranged, for example, an electrical reference potential, eg the ground potential can be applied.

Über ein weiteres Elektrodenpaar 2001'b, 2003'b wird z.B. die Amplitude der Schwingung der Membran 110 sensiert. Beispielsweise entspricht die elektrische Spannung zwischen den Elektroden 2001'b, 2003'b der vorstehend unter Bezugnahme auf 1A beschriebenen charakterisierenden Größe G1. Bevorzugt wird die der Membran 110 zugeordnete Elektrode 2003'b mit dem Massepotential verbunden.About another pair of electrodes 2001'b . 2003'b For example, the amplitude of the vibration of the membrane 110 sensed. For example, the electrical voltage between the electrodes corresponds 2001'b . 2003'b the above with reference to 1A described characterizing size G1 , Preference is given to the membrane 110 associated electrode 2003'b connected to the ground potential.

Bei weiteren Ausführungsformen könnte auch nur ein Elektrodenpaar zum Aktuieren und Sensieren benutzt werden, oder nur eine Masseelektrode verwendet werden.In other embodiments, only one electrode pair could be used for actuation and sensing, or only one ground electrode could be used.

Um die Schwingung im Sinne einer elektrostatischen Kopplung von dem vorliegend angetriebenen ersten Resonator 110 auf den zweiten Resonator 120 zu übertragen, wird eine floatende Elektrode 2001'c (also eine Elektrode, die nicht galvanisch mit einem ein Bezugspotential aufweisenden Schaltungsknotenpunkt verbunden ist, sondern „hochohmig“ isoliert von anderen Elektroden ist) i.w. gegenüber einer auf fixem Potential (Vfix) gehaltenen Elektrode 2003'c platziert. Diese floatende Elektrode 2001'c stellt eine elektrostatische Kopplung K1 zur zweiten Membran 120 her, da sie zur zweiten Membran 120 geführt wird und dort gegenüber einer auf der Membran 120 von dem zweiten Resonator befindlichen Elektrode 2003'd liegt. Wenn die erste Membran 110 schwingt, wird durch elektrostatische Wechselwirkung Ladung über die floatende Elektrode 2001'a in den Bereich des zweiten Resonators 120 verschoben. Dort bewirkt diese Ladung eine elektrostatische Wechselwirkung mit der auf der Membran 120 befindlichen Elektrode 2003'd, welche z.B. auf einem fixen (konstanten) elektrischen Potential Voffset gehalten wird. Dadurch wird die zweite Membran 120 zum Schwingen angeregt, was mit der Gegenelektrode 2001'd bzw. einen Potentialunterschied zwischen der Gegenelektrode 2001'd und dem Massepotential detektiert werden kann.To the oscillation in the sense of an electrostatic coupling of the presently driven first resonator 110 on the second resonator 120 to transfer, becomes a floating electrode 2001'c (That is, an electrode which is not galvanically connected to a circuit node having a reference potential but is "high-resistance" isolated from other electrodes) iw to an electrode held at a fixed potential (Vfix) 2003'c placed. This floating electrode 2001'c represents an electrostatic coupling K1 to the second membrane 120 ago, since they are the second membrane 120 is guided and there opposite one on the membrane 120 from the second resonator electrode 2003'd lies. If the first membrane 110 vibrates, becomes through electrostatic interaction charge over the floating electrode 2001'a in the region of the second resonator 120 postponed. There, this charge causes an electrostatic interaction with that on the membrane 120 located electrode 2003'd which is held at a fixed (constant) electrical potential Voffset, for example. This will be the second membrane 120 excited to vibrate, what with the counter electrode 2001'd or a potential difference between the counter electrode 2001'd and the ground potential can be detected.

Über die Wahl der Potentiale Vfix der Elektrode 2003'c und Voffset der Elektrode 2003'd kann die Stärke der elektrostatischen Kopplung K1 zwischen den beiden Membranen 110, 120 eingestellt werden. Das Potential Voffset der Elektrode 2003'd kann bei manchen Ausführungsformen auch dazu benutzt werden, ein Wegdriften der floatenden Elektrode 2001'c zu kompensieren. Eine Abdeckung 122' verhindert einen Eintrag von Partikeln P auf die Membran 120.About the choice of the potentials Vfix of the electrode 2003'c and Voffset the electrode 2003'd can the strength of the electrostatic coupling K1 between the two membranes 110 . 120 be set. The potential Voffset of the electrode 2003'd In some embodiments, it may also be used to drift away the floating electrode 2001'c to compensate. A cover 122 ' prevents an entry of particles P on the membrane 120 ,

Über eine hochohmige und/oder kapazitive Ankopplung an das Massepotential kann die floatende Elektrode 2001'c bei manchen Ausführungsformen z.B. für vergleichsweise kleine Frequenzen gepinnt (also an das Massepotential gebunden) werden und dennoch für die zur Rußdetektion verwendeten anderen (vergelichsweise hohe Frequenzen aufweisende) Frequenzbereiche floatend wirken.About a high-impedance and / or capacitive coupling to the ground potential, the floating electrode 2001'c pinned in some embodiments, for example, for comparatively small frequencies (ie bound to the ground potential) and still used for the soot detection other (conspicuously high frequencies having) frequency ranges have a floating effect.

Es spielt bei manchen Ausführungsformen ferner keine Rolle, ob der angetriebene Resonator 110 oder der passive Resonator 120 dem Ruß P ausgesetzt ist. Ein wesentlicher Vorteil der elektrostatischen Kopplung K1 ist, dass keine Öffnung an der dem Ruß P zugewandten Seite zwischen den Membranen 110, 120 vorhanden sein muss.It also does not matter in some embodiments whether the driven resonator 110 or the passive resonator 120 the soot P is exposed. A major advantage of electrostatic coupling K1 is that no opening at the soot P side facing between the membranes 110 . 120 must be present.

Ein wesentlicher Vorteil der des Prinzips der µ-Balance (zum Beispiel in der oben genannten Ausführung) im Vergleich zu derzeitig verwendeten konventionellen Systemen ist, dass kein elektrischer Kontakt der schwingenden Strukturen 110, 120 zum zu detektierenden Medium, insbesondere dem Ruß P, benötigt wird. Deshalb ist es möglich, dass der Partikelsensor bei manchen Ausführungsformen mit einer dünnen Beschichtung versehen wird, welche abgasbeständig ist und so den Sensor vor Degradation schützt, vgl. die Schutzschicht 110a' aus 1B. Die Schutzschicht 110a' gehört z.B. wie der Ruß P nach Ablagerung zur schwingenden Masse bzw. Membran, sodass der Ruß P zwar nur in direktem Kontakt mit der robusten Schutzschicht ist, aber unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prinzipos trotzdem gemessen werden kann. Dies ist im Falle der konventionellen elektrischen Messkonzepte, welche eine elektrische Widerstandsmessung umfassen, nicht möglich. Mit einer solchen Schutzschicht 110a' wird nicht nur eine Oxidation der funktionalen Schichten des Partikelsensors verhindert, was bei den erhöhten Temperaturen in Abgas 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 Partikelsensors. Eine solche Diffusion kann die Eigenschaften der Schichten ändern und die Funktion beeinträchtigen.A significant advantage of the principle of μ-balance (for example in the above-mentioned embodiment) compared to the conventional systems currently used is that there is no electrical contact of the vibrating structures 110 . 120 to the medium to be detected, in particular the soot P, is needed. Therefore, it is possible that the particle sensor is provided in some embodiments with a thin coating which is resistant to exhaust gas and thus protects the sensor from degradation, see. the protective layer 110a ' out 1B , The protective layer 110a ' For example, like the soot P after deposition belongs to the oscillating mass or membrane, so that the soot P is indeed only in direct contact with the robust protective layer, but can still be measured using the Prinzipos invention. This is not possible in the case of the conventional electrical measuring concepts which comprise an electrical resistance measurement. With such a protective layer 110a ' Not only is oxidation of the functional layers of the particulate sensor prevented, which at the elevated temperatures in exhaust gas with many reactive substances poses a very serious risk, but also the diffusion of other elements from the exhaust gas (eg sodium) into the layers of the particulate sensor. Such diffusion can change the properties of the layers and affect their function.

Ein weiterer Vorteil der insbesondere in MEMS-Technologie fertigbaren µ-Balance Partikelsensoren 100, 100a, 100b, 100c ist die Möglichkeit der einfachen und kostengünstigen Integration eines Heizer-Widerstandsmäanders (vgl. auch die optionale Heizeinrichtung 150 aus 1A) auf dem Sensor, z.B. dem Substrat 1001, 2001, 2001'. Als Material für den Heizer-Widerstandsmäander kann zum Beispiel Platin-Dünnschichtmaterial verwendet werden. Durch Bestromung des Heizer-Elements wird Joul'sche Wärme erzeugt und die Sensor-Temperatur auf über 700°C erhöht, sodass der abgelagerte Ruß abbrennt. Damit ist der Sensor regeneriert und behält seine ursprüngliche Empfindlichkeit.A further advantage of the μ-Balance particle sensors, which can be manufactured in particular in MEMS technology 100 . 100a . 100b . 100c is the possibility of simple and cost-effective integration of a Heizer-Widerstandsmäanders (see also the optional heating device 150 out 1A) on the sensor, eg the substrate 1001 . 2001 . 2001 ' , As a material for the heater resistance meander, for example, platinum thin film material can be used. By energizing the heater element, Joule heat is generated and the sensor temperature is raised to over 700 ° C so that the deposited soot burns off. This regenerates the sensor and retains its original sensitivity.

Der Heizer kann bei weiteren Ausführungsformen auch dazu verwendet werden, um die Temperatur auf dem Partikelsensor auf einen konstanten Wert zu regeln, wodurch die Genauigkeit des Sensors gesteigert werden kann.The heater may also be used in other embodiments to control the temperature on the particle sensor to a constant value, thereby increasing the accuracy of the sensor.

Zur Auslegung der Geometrie der Resonatoren bzw. der sie bildenden schwingenden Membranen 110, 120 kann vorteilhaft berücksichtigt werden, welche Kombinationen aus Dicke und Fläche der schwingenden Membranen 110, 120 idealer Weise für eine gewünschte Resonanzfrequenz verwendet werden sollten. Diese Parameter beeinflussen entscheidend, bei welchen Resonanzfrequenzen und mit welchen Spannungen das System aktuiert werden kann.For the interpretation of the geometry of the resonators or the oscillating membranes forming them 110 . 120 can be considered advantageous, which combinations of thickness and area of the vibrating membranes 110 . 120 ideally for a desired resonant frequency should be used. These parameters have a decisive influence on the resonance frequencies and at which voltages the system can be actuated.

Wichtig für eine Einstellung von Messbereich und Empfindlichkeit ist bei manchen Ausführungsformen die Kopplung K (2). Ein entscheidender Vorteil, den die Variante mit (u.a.) elektrostatischer Kopplung bietet, vgl. z.B. 8, ist, dass diese beiden Größen (Messbereich und Empfindlichkeit), durch die Wahl der elektrischen Potentiale der einzelnen Resonatoren bzw. Elektroden angepasst werden können, sodass auch eine Variation von Messbereich und Empfindlichkeit im Betrieb des Partikelsensors 100c möglich ist.Important for adjustment of the measurement range and sensitivity is in some embodiments the coupling K ( 2 ). A decisive advantage offered by the variant with (inter alia) electrostatic coupling, cf. eg 8th , is that these two variables (measuring range and sensitivity), can be adjusted by the choice of the electrical potentials of the individual resonators or electrodes, so that also a variation of the measuring range and sensitivity in the operation of the particle sensor 100c is possible.

Nachstehend sind weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung angegeben.Hereinafter, further embodiments, aspects and advantages of the present invention are given.

Bei bevorzugten Ausführungsformen werden mehrere identisch ausgebildete Schwingmassen bzw. Membranen 110, 120 (wenigstens zwei, bei anderen Ausführungsformen sind auch mehr als zwei Schwingmassen bzw. Membranen möglich) 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.In preferred embodiments, a plurality of identically designed vibration masses or membranes 110 . 120 (At least two, in other embodiments, more than two oscillating masses or membranes are possible), which are preferably coupled to each other in an identical manner (same degree of coupling). The oscillating masses each form a mechanical resonator with a specific resonant frequency, which according to another embodiment can be tailored to the desired application or a specific target system by suitable choice of vibrating material, mass / thickness, geometry, coupling, etc.

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.Particularly advantageously, the particle sensor according to the invention can be used for example for so-called on-board diagnostics (OBD), in particular for determining a state of a particulate filter in an exhaust system of an internal combustion engine, for example, to determine a state of a diesel particulate filter in an exhaust system of a self-igniting internal combustion engine.

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.The principle according to the invention can also be referred to as "MEMS microbalance" and is particularly suitable for the determination or measurement of particles, in particular soot particles, even under harsh environmental conditions.

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.In some embodiments, it is provided that the concentration of the soot particles in the exhaust gas is calculated from a mass of the soot deposit on the sensor. The deposited mass on one of the MEMS microbalances (eg vibration mass 110 ) of the particle sensor 100 causes a change in the localization of the vibration modes on the coupled microbalances 110 . 120 , The ratios of the vibration amplitudes of the microbalances advantageously show a functional relationship with the deposited soot mass, which according to the embodiments is exploited.

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)).Particularly advantageously, in some embodiments, the particulate sensor can be used to monitor a condition of a diesel particulate filter (DPF) (e.g., in passenger cars and / or commercial vehicles), which is increasingly required by law (post EU7; LEVIII (USA)).

Bei bevorzugten Ausführungsformen kann der Partikelsensor periodisch regeneriert werden, und nach der Regeneration kalibriert werden.In preferred embodiments, the particulate sensor may be periodically regenerated and calibrated after regeneration.

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.Another particular advantage of the coupled oscillating masses is that in the operation of the coupled resonators 110 . 120 differences are always measured, whereby intrinsically a low cross-sensitivity is ensured. By measuring quantities that characterize amplitudes or amplitudes G1 . G2 In addition, instead of frequencies, in comparison to individual uncoupled resonators, the particle sensor according to the invention is automatically insensitive to the quality of the resonators. As a result, vibration masses or systems with oscillating masses of low quality, which are easier to manufacture, can be used.

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.In addition to the use of the particle sensor according to the invention as a soot particle sensor or for monitoring particulate filters of internal combustion engines are also other applications, such as use upstream of a particulate filter, in particular diesel particulate filter, for example, to optimize control of the internal combustion engine. In further embodiments, the particle sensor according to the invention can also be used in other fields such as, for example, the fine dust measurement technique, environmental measurement technology and the like.

Claims (11)

Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) aufweisend eine erste Schwingmasse (110), wenigstens eine mit der ersten Schwingmasse (110) gekoppelte zweite Schwingmasse (120), eine Antriebseinrichtung (130) zum Anregen einer Schwingung wenigstens einer der Schwingmassen (110, 120), eine Auswerteeinrichtung (140) zum Ermitteln einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der ersten Schwingmasse (110) charakterisierenden Größe (G1) und einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der zweiten Schwingmasse (120) charakterisierenden Größe (G2).100c, 100b, 100c) comprising a first oscillating mass (110), at least one second oscillating mass (120) coupled to the first oscillating mass (110), a drive device (130) for exciting a vibration of at least one of the oscillating masses (110, 110; 120), an evaluation device (140) for determining a variable (G1) characterizing a vibration amplitude of a vibration of the first vibration mass (110) and a variable (G2) characterizing a vibration amplitude of a vibration of the second vibration mass (120). Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) nach Anspruch 1, wobei die erste Schwingmasse (110) so angeordnet ist, dass sie mit einem zumindest einen Bereich des Partikelsensors (100) umgebenden Medium (M) in Kontakt kommen kann, und wobei die zweite Schwingmasse (120) so angeordnet ist, dass sie nicht mit dem Medium (M) in Kontakt kommen kann.Particle sensor (100, 100a, 100b, 100c) according to Claim 1 wherein the first oscillating mass (110) is arranged so that it can come into contact with a medium (M) surrounding at least a portion of the particle sensor (100), and wherein the second oscillating mass (120) is arranged so that it does not interfere with the medium (M) can come into contact. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Schwingmasse (110) und die zweite Schwingmasse (120) jeweils eine schwingungsfähig angeordnete Membran aufweist.The particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein the first oscillating mass (110) and the second oscillating mass (120) each have a diaphragm capable of vibrating. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Schwingmasse (110) und die zweite Schwingmasse (120) im wesentlichen in derselben Ebene (E1) angeordnet sind.The particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein the first oscillating mass (110) and the second oscillatory mass (120) are arranged substantially in the same plane (E1). Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Schwingmasse (110) und die zweite Schwingmasse (120) jeweils in unterschiedlichen Ebenen (E2, E3) angeordnet sind.Particle sensor (100, 100a, 100b, 100c) according to at least one of Claims 1 to 3 wherein the first oscillating mass (110) and the second oscillating mass (120) are each arranged in different planes (E2, E3). Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Oberfläche (110a) der ersten Schwingmasse (110) eine Schutzschicht (110a') aufweist, wobei die Schutzschicht insbesondere wenigstens eines der folgenden Materialien aufweist: Siliziumcarbid.A particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein at least one surface (110a) of the first oscillating mass (110) comprises a protective layer (110a '), the protective layer in particular comprising at least one of the following materials: silicon carbide , Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (140) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der charakterisierenden Größen (G1, G2) auf eine Masse von Partikeln (P) zu schließen, die auf wenigstens einer Oberfläche (110a) der ersten Schwingmasse (110) angeordnet sind.Particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein the evaluation device (140) is designed to close depending on the characterizing quantities (G1, G2) on a mass of particles (P) on at least one surface (110a) of the first oscillating mass (110) are arranged. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Schwingmasse (110) und die zweite Schwingmasse (120) mechanisch und/oder elektrostatisch miteinander gekoppelt sind, wobei insbesondere im Falle einer elektrostatischen Kopplung eine Stärke der Kopplung (K, K1) einstellbar ist.Particulate sensor (100; 100a; 100b; 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein the first oscillating mass (110) and the second oscillating mass (120) are mechanically and / or electrostatically coupled to each other, wherein in particular in the case of an electrostatic coupling, a thickness of Coupling (K, K1) is adjustable. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der beiden Schwingmassen (110, 120) zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig ausgebildet ist.Particle sensor (100, 100a, 100b, 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein at least one of the two oscillating masses (110, 120) is formed at least partially electrically conductive. Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors (100; 100a; 100b; 100c), wobei der Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) aufweist: eine erste Schwingmasse (110), wenigstens eine mit der ersten Schwingmasse (110) gekoppelte zweite Schwingmasse (120), eine Antriebseinrichtung (130) zum Anregen einer Schwingung wenigstens einer der Schwingmassen (110, 120), eine Auswerteeinrichtung (140) zum Ermitteln einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der ersten Schwingmasse (110) charakterisierenden Größe (G1) und einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der zweiten Schwingmasse (120) charakterisierenden Größe (G2), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anregen (10) einer Schwingung wenigstens einer der Schwingmassen (110, 120), Ermitteln (12) der charakterisierenden Größen (G1, G2) mittels der Auswerteeinrichtung (140).Method for operating a particle sensor (100; 100a; 100b; 100c), wherein the particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) comprises: a first oscillating mass (110), at least one second oscillating mass (120) coupled to the first oscillating mass (110) ), a drive device (130) for exciting a vibration of at least one of the oscillating masses (110, 120), an evaluating device (140) for determining a variable (G1) characterizing a vibration amplitude of a vibration of the first oscillating mass (110) and an oscillation amplitude of a vibration the quantity (G2) characterizing the second oscillating mass (120), the method comprising the following steps: exciting (10) a vibration of at least one of the oscillating masses (110, 120), determining (12) the characterizing quantities (G1, G2) by means of Evaluation device (140). Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Auswerteeinrichtung (140) in Abhängigkeit der charakterisierenden Größen (G1, G2) auf eine Masse und/oder Anzahl von Partikeln (P) schließt (14), die auf wenigstens einer Oberfläche (110a) der ersten Schwingmasse (110) angeordnet sind.Method according to Claim 10 , wherein the evaluation device (140) in dependence of the characterizing quantities (G1, G2) on a mass and / or number of particles (P) closes (14), which are arranged on at least one surface (110a) of the first oscillating mass (110) ,
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