DE102017219329A1

DE102017219329A1 - Particle sensor and method for operating a particle sensor

Info

Publication number: DE102017219329A1
Application number: DE102017219329.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Northemann; Daniel Krebs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-05-02

Abstract

Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) aufweisend einen ersten Oberflächenwellenresonator (110), wenigstens einen mit dem ersten Oberflächenwellenresonator (110) gekoppelten weiteren Oberflächenwellenresonator (120, 120a), eine Antriebseinrichtung (130) zum Anregen einer Schwingung wenigstens eines der Oberflächenwellenresonatoren (110, 120, 120a), eine Auswerteeinrichtung (140) zum Ermitteln einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung des ersten Oberflächenwellenresonators (110) charakterisierenden Größe (G1) und einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung des wenigstens einen weiteren Oberflächenwellenresonators (120, 120a) charakterisierenden Größe (G2), wobei der Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c) so ausgebildet ist, dass wenigstens ein Teil des ersten Oberflächenwellenresonators (110) mit einem zumindest einen Bereich des Partikelsensors (100; 100a; 100b; 100c) umgebenden Medium (M) in Kontakt kommen kann, und dass der wenigstens eine weitere Oberflächenwellenresonator (120, 120a) nicht mit dem Medium (M) in Kontakt kommen kann.

100 (100, 100a, 100b, 100c) comprising a first surface acoustic wave resonator (110), at least one further surface acoustic wave resonator (120, 120a) coupled to the first surface acoustic wave resonator (110), drive means (130) for exciting a vibration of at least one of the surface acoustic wave resonators (100; 110, 120, 120a), an evaluation device (140) for determining a variable (G1) characterizing an oscillation amplitude of a vibration of the first surface acoustic wave resonator (110) and a variable (G2) characterizing a vibration amplitude of a vibration of the at least one further surface acoustic wave resonator (120, 120a) wherein the particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) is formed so that at least part of the first surface acoustic wave resonator (110) is surrounded by a medium (M) surrounding at least a portion of the particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) Contact can come, and that at least one more Oberflächenw ellenresonator (120, 120a) can not come into contact with the medium (M).

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 Elektrodenstrukturen bekannt, auf der sich Partikel wie beispielsweise Rußpartikel ablagern können und elektrisch leitfähige Pfade bilden. Dies kann elektrisch ausgewertet werden, beispielsweise durch Messung eines elektrischen Widerstands der Elektrodenstrukturen. 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 electrode structures are known, on which particles such as soot particles can deposit and form electrically conductive paths. This can be evaluated electrically, for example by measuring an electrical resistance of the electrode structures. 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: einen ersten Oberflächenwellenresonator, wenigstens einen mit dem ersten Oberflächenwellenresonator gekoppelten weiteren Oberflächenwellenresonator, eine Antriebseinrichtung zum Anregen einer Schwingung wenigstens eines der Oberflächenwellenresonatoren, eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung des ersten Oberflächenwellenresonators charakterisierenden Größe und einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung des wenigstens einen weiteren Oberflächenwellenresonators charakterisierenden Größe, wobei der Partikelsensor so ausgebildet ist, dass wenigstens ein Teil des ersten Oberflächenwellenresonators mit einem zumindest einen Bereich des Partikelsensors umgebenden Medium in Kontakt kommen kann, und dass der wenigstens eine weitere Oberflächenwellenresonator nicht mit dem Medium in Kontakt kommen kann.This object is achieved by a particle sensor according to claim 1. The particle sensor comprises: a first surface acoustic wave resonator, at least one further surface acoustic wave resonator coupled to the first surface acoustic wave resonator, drive means for exciting a vibration of at least one of the surface acoustic wave resonators, evaluation means for determining a magnitude characterizing a vibration amplitude of vibration of the first surface acoustic wave resonator, and an oscillation amplitude of a vibration the size characterizing the at least one further surface acoustic wave resonator, wherein the particle sensor is configured such that at least a portion of the first surface acoustic wave resonator can come into contact with a medium surrounding at least a portion of the particle sensor, and the at least one further surface acoustic wave resonator does not come into contact with the medium can.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine Beaufschlagung eines der gekoppelten Oberflächenwellenresonatoren mit einer Masse zu einer Lokalisierung der Schwingungsmode führt, wodurch sich das Verhältnis der Schwingungsamplituden der gekoppelten Oberflächenwellenresonatoren deutlich ändert. Über eine Messung der Schwingungsamplituden bzw. der sie charakterisierenden Größen kann somit eine Ermittlung einer abgelagerten Masse auf dem Oberflächenwellenresonator 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 Ausbildung des Partikelsensors so, dass insbesondere nur der erste Oberflächenwellenresonator in Kontakt mit dem umgebenden Medium kommen kann, ist vorteilhaft sichergestellt, dass das vorstehend genannte Prinzip effizient ausgenutzt werden kann.According to the invention, it has been recognized that applying one of the coupled surface acoustic wave resonators to a ground results in localization of the vibration mode, thereby significantly changing the ratio of the vibration amplitudes of the coupled surface acoustic wave resonators. By measuring the oscillation amplitudes or the variables characterizing them, it is thus possible to determine a deposited mass on the surface wave resonator. 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. The inventive design of the particle sensor so that in particular only the first surface acoustic wave resonator can come into contact with the surrounding medium, it is advantageously ensured that the above-mentioned principle can be used efficiently.

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 Masse 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 advantageously conclusions can be drawn from the inventively made measurement of the deposited mass conclusions on the soot concentration and also on the particle number in the exhaust gas ,

Die vorliegenden Ausführungsformen mit mehreren gekoppelten Oberflächenwellenresonatoren haben gegenüber anderen Sensorprinzipien, auch solchen mit z.B. nur einer einzelnen schwingenden Struktur, den entscheidenden Vorteil, dass die Empfindlichkeit der Struktur von der Kopplung der Oberflächenwellenresonatoren 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, die weniger oft regeniert werden müssen.The present embodiments with multiple coupled surface acoustic wave resonators have over other sensor principles, including those with e.g. only a single vibrating structure, the decisive advantage that the sensitivity of the structure depends on the coupling of the surface acoustic wave resonators. 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. at the same sensitivity as in conventional systems advantageously smaller resonant frequencies are used, which allows the use of a discounted measurement technique (evaluation unit), and it can be used more robust designs that need less frequent regeneration.

Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Oberflächenwellenresonatoren (SAW(surface acoustic wave)-Resonatoren) dazu ausgebildet, unter Anregung z.B. durch die Antriebseinrichtung eine, insbesondere resonante, (akustische) Oberflächenschwingung (bevorzugt Rayleigh-Schwingung) auszuführen, bei der sich in an sich bekannter Weise akustische Oberflächenwellen entlang einer Oberfläche der Oberflächenwellenresonatoren ausbreiten.In preferred embodiments, the surface acoustic wave (SAW) resonators are configured to excite, e.g. by the drive means to perform a, in particular resonant, (acoustic) surface oscillation (preferably Rayleigh oscillation), in which propagate in a conventional manner surface acoustic waves along a surface of the surface acoustic wave resonators.

Bei weiteren Ausführungsformen weist der Partikelsensor ein Substrat mit einer ersten Oberfläche auf, wobei der erste Oberflächenwellenresonator und der wenigstens eine weitere Oberflächenwellenresonator auf der ersten Oberfläche des Substrats angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine besonders klein bauende Anordnung und eine kostengünstige Fertigung.In further embodiments, the particle sensor comprises a substrate having a first surface, wherein the first surface acoustic wave resonator and the at least one further surface acoustic wave resonator are arranged on the first surface of the substrate. This results in a particularly small-sized arrangement and cost-effective production.

Bei weiteren Ausführungsformen weist mindestens der erste Oberflächenwellenresonator und/oder der wenigstens eine weitere Oberflächenwellenresonator jeweils auf: einen Grundkörper aus piezoelektrischem Material, wenigstens zwei auf einer ersten Oberfläche des Grundkörpers angeordnete Oberflächenwellenreflektoren und wenigstens eine zwischen den Oberflächenwellenreflektoren angeordnete Elektrodenanordnung, insbesondere Interdigitalelektrodenanordnung („IDE-Anordnung“). Die Oberflächenwellenreflektoren dienen vorteilhaft zur Ausbildung eines Resonators, indem sie dafür sorgen, dass sich zwischen ihnen bei Anregung eine stehende Oberflächenwelle ausbildet. Die dazwischen angeordnete Elektrodenanordnung kann beispielsweise zur Anregung einer Schwingung, also zum Erzeugen von Oberflächenwellen, genutzt werden, mithin die Funktion der Antriebseinrichtung übernehmen. Alternativ oder ergänzend kann die Elektrodenanordnung beispielsweise auch zur Ermittlung von die Schwingungsamplitude charakterisierenden Größen genutzt werden. Besonders bevorzugt werden Interdigitalanordnungen für die Elektrodenanordnung verwendet, weil sie eine besonders effiziente Erzeugung von Oberflächenwellen ermöglichen. In further embodiments, at least the first surface acoustic wave resonator and / or the at least one further surface acoustic wave resonator each comprise: a base body made of piezoelectric material, at least two surface wave reflectors arranged on a first surface of the base body and at least one electrode arrangement arranged between the surface wave reflectors, in particular an interdigital electrode arrangement ("IDE"). Arrangement"). The surface wave reflectors are advantageously used to form a resonator, by ensuring that forms a standing surface wave between them when excited. The electrode arrangement arranged therebetween can be used, for example, to excite a vibration, ie to generate surface waves, and thus take over the function of the drive device. Alternatively or additionally, the electrode arrangement can also be used, for example, to determine variables characterizing the oscillation amplitude. Particularly preferably, interdigital arrays are used for the electrode arrangement, because they allow a particularly efficient generation of surface waves.

Bei weiteren Ausführungsformen weist der Partikelsensor einen Schichtaufbau aufweisend ein Substrat mit einer ersten Oberfläche und eine auf der ersten Oberfläche angeordnete Schicht aus piezoelektrischem Material auf. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Fertigung. Beispielsweise können auf einem derartigen Schichtaufbau weiteren Ausführungsformen zufolge effizient Oberflächenwellenresonatoren und/oder Elektrodenanordnungen aufgebracht werden, insbesondere direkt auf der ersten Oberfläche der Schicht aus piezoelektrischem Material.In further embodiments, the particle sensor has a layer structure comprising a substrate having a first surface and a layer of piezoelectric material disposed on the first surface. This enables a particularly efficient production. For example, according to further embodiments, surface wave resonators and / or electrode arrangements can be applied efficiently to such a layer structure, in particular directly on the first surface of the layer of piezoelectric material.

Bei weiteren Ausführungsformen sind auf einer ersten Oberfläche der Schicht aus piezoelektrischem Material, die der ersten Oberfläche des Substrats gegenüberliegt, wenigstens die folgenden Elemente angeordnet: ein erster Oberflächenwellenreflektor, ein zweiter Oberflächenwellenreflektor, und zwischen dem ersten Oberflächenwellenreflektor und dem zweiten Oberflächenwellenreflektor ein dritter Oberflächenwellenreflektor. Dies ermöglicht eine besonders klein bauende Konfiguration, wobei ein erster Oberflächenwellenresonator durch den ersten Oberflächenwellenreflektor und den dritten Oberflächenwellenreflektor definiert ist, und wobei ein zweiter Oberflächenwellenresonator durch den zweiten Oberflächenwellenreflektor und den dritten Oberflächenwellenreflektor definiert ist. Mit anderen Worten nutzen beide Oberflächenwellenresonatoren den dritten Oberflächenwellenreflektor gemeinsam.In further embodiments, at least a first surface of the layer of piezoelectric material facing the first surface of the substrate comprises at least the following elements: a first surface acoustic wave reflector, a second surface acoustic wave reflector, and a third surface acoustic wave reflector between the first surface acoustic wave reflector and the second surface acoustic wave reflector. This allows a particularly small-sized configuration, wherein a first surface acoustic wave resonator is defined by the first surface acoustic wave reflector and the third surface acoustic wave reflector, and wherein a second surface acoustic wave resonator is defined by the second surface acoustic wave reflector and the third surface acoustic wave reflector. In other words, both surface acoustic wave resonators share the third surface acoustic wave reflector.

Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der dritte Oberflächenwellenreflektor einen Reflektionsgrad aufweist, der kleiner ist als ein Reflektionsgrad des ersten Oberflächenwellenreflektors und kleiner als ein Reflektionsgrad des zweiten Oberflächenwellenreflektors. Dadurch ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, eine Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenwellenresonator durch den dritten Oberflächenwellenreflektor zu realisieren. Mit anderen Worten wird der dritte Oberflächenwellenreflektor bewusst mit einem vergleichsweise geringen Reflektionsgrad ausgebildet, sodass er gleichsam teildurchlässig ist für die Oberflächenwellen. Dadurch ergibt sich eine besonders effiziente Kopplung von Schwingungen zwischen den beiden Oberflächenwellenresonatoren. Beispielsweise kann bei manchen Ausführungsformen vorgesehen sein, den Reflektionsgrad der äußeren Oberflächenwellenreflektoren möglichst groß auszulegen, beispielsweise größer etwa 90 %, um eine hohe Güte für die Oberflächenwellenresonatoren zu erzielen, und der Reflektionsgrad des dritten Oberflächenwellenreflektors, der zur Kopplung genutzt wird, kann beispielsweise weniger als etwa 80 % betragen. Hierbei gibt ein Reflektionsgrad von 100 % an, dass eine auf den betreffenden Reflektor auftreffen Oberflächenwelle ideal reflektiert (also nicht transmittiert) wird.In further preferred embodiments, it is provided that the third surface wave reflector has a reflectance which is smaller than a reflectance of the first surface acoustic wave reflector and smaller than a reflectance of the second surface acoustic wave reflector. This advantageously provides the possibility of realizing a coupling between the first and the second surface acoustic wave resonator by the third surface acoustic wave reflector. In other words, the third surface acoustic wave reflector is intentionally formed with a comparatively low degree of reflection, so that it is as it are partially transparent to the surface waves. This results in a particularly efficient coupling of vibrations between the two surface acoustic wave resonators. For example, in some embodiments it may be provided to set the reflectivity of the outer surface wave reflectors as large as possible, for example greater than 90%, in order to achieve high quality for the surface acoustic wave resonators, and the reflectance of the third surface acoustic wave reflector used for coupling may be less than about 80%. In this case, a degree of reflection of 100% indicates that a surface wave striking the relevant reflector is ideally reflected (ie not transmitted).

Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass dem wenigstens einen weiteren Oberflächenwellenresonator ein Schutzelement zugeordnet ist, das insbesondere wenigstens eine Oberflächenwellen führende Oberfläche des wenigstens einen weiteren Oberflächenwellenresonators derart abdeckt, dass die die wenigstens eine Oberflächenwelle führende Oberfläche nicht mit dem Medium in Kontakt kommen kann. Dadurch ist sichergestellt, dass der mit dem Schutzelement versehene Oberflächenwellenresonator hinsichtlich seines Resonatorbetriebs und insbesondere seiner Resonanzfrequenz nicht durch in dem Medium ggf.vorhandene Partikel beeinträchtigt wird, wodurch sich eine besonders effiziente Lokalisierung der Schwingungsmode und damit eine hohe Empfindlichkeit des Partikelsensors ergibt.In further advantageous embodiments it is provided that the at least one further surface acoustic wave resonator is associated with a protective element, in particular covering at least one surface wave leading surface of at least one further surface acoustic wave resonator such that the at least one surface wave leading surface can not come into contact with the medium. This ensures that the surface wave resonator provided with the protective element is not impaired by particles possibly present in the medium with regard to its resonator operation and in particular its resonance frequency, resulting in a particularly efficient localization of the vibration mode and thus high sensitivity of the particle sensor.

Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der charakterisierenden Größen auf eine Masse von Partikeln zu schließen, die auf dem wenigstens einen Teil des ersten Oberflächenwellenresonators angeordnet sind.In further advantageous embodiments, it is provided that the evaluation device is designed to close depending on the characterizing quantities to a mass of particles which are arranged on the at least one part of the first surface acoustic wave resonator.

Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass eine Heizeinrichtung („Heizer“) vorgesehen ist zum Erwärmen des Partikelsensors, insbesondere zum Erwärmen einer dem Medium exponierten Komponente des Partikelsensors. 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 der erste Oberflächenwellenresonator beispielsweise periodisch mittels der Heizeinrichtung aufgeheizt werden, insbesondere auf mindestens etwa 700 °C, wodurch eine periodische Regeneration ermöglicht ist.In further advantageous embodiments, provision is made for a heating device ("heater") to be provided for heating the particle sensor, in particular for heating a component of the particle sensor exposed to the medium. As a result, it is possible to burn off any soot or other particles that has accumulated there, and the sensor is thus regenerated. The small size of the Component and the associated low thermal mass lead to a rapid heating and low energy consumption. In a preferred embodiment, the particle sensor or at least the first surface acoustic wave resonator, for example, be heated periodically by means of the heater, in particular to at least about 700 ° C, whereby a periodic regeneration is enabled.

Vorteilhaft ist bei manchen Ausführungsformen die Möglichkeit der einfachen und kostengünstigen Integration eines Heizer-Widerstandsmäanders in den Partikelsensor gegeben. Als Material für den Widerstandsmäander kann zum Beispiel Platin bzw. Platin-Dünnschicht verwendet werden. Durch Bestromung des Heizers wird Joule'sche Wärme erzeugt und die Sensor-Temperatur z.B. auf über 700°C erhöht, sodass der abgelagerte Ruß abbrennt. Damit ist der Sensor regeneriert und behält seine ursprüngliche Empfindlichkeit. Der Heizer kann bei weiteren Ausführungsformen auch dazu verwendet werden, um die Temperatur auf dem Sensor auf einen konstanten Wert zu regeln, wodurch die Genauigkeit des Sensors gesteigert werden kann.The possibility of simple and cost-effective integration of a heater resistance meander in the particle sensor is advantageous in some embodiments. As the material for the resistance meander, for example, platinum or platinum thin film can be used. By energizing the heater Joule heat is generated and the sensor temperature e.g. increased to over 700 ° C, so that the deposited soot burns off. This regenerates the sensor and retains its original sensitivity. The heater may also be used in other embodiments to control the temperature on the sensor to a constant value, thereby increasing the accuracy of the sensor.

Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgeschlagen, dass die Heizeinrichtung durch einen oder mehrere Oberflächenwellenreflektoren oder deren Komponenten gebildet ist.In further advantageous embodiments, it is proposed that the heating device is formed by one or more surface wave reflectors or their components.

Weitere Lösungen der Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind angegeben durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.Further solutions of the object of the present invention are given by a method according to claim 11. 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,
1C schematisch ein weiteres 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,
5A schematisch ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors,
5B schematisch ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors, und
6 schematisch eine perspektivische Darstellung 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 .
1C schematically another detail 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,
5A FIG. 2 schematically a block diagram of a further embodiment of the particle sensor according to the invention, FIG.
5B schematically a block diagram of another embodiment of the particle sensor according to the invention, and
6 schematically a perspective 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 einen ersten Oberflächenwellenresonator 110 und wenigstens einen weiteren Oberflächenwellenresonator 120 auf, der mit dem ersten Oberflächenwellenresonator 110, bevorzugt schwach, gekoppelt ist, vgl. Bezugszeichen 115. Die Kopplung kann bevorzugt mechanisch ausgeführt sein, so dass sich z.B. Oberflächenwellen von einem der beiden Oberflächenwellenresonatoren zu dem anderen Resonator fortpflanzen können bzw. umgekehrt. 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 surface acoustic wave resonator 110 and at least one further surface acoustic wave resonator 120 on top of that with the first surface acoustic wave resonator 110 , preferably weak, is coupled, cf. reference numeral 115 , The coupling can preferably be carried out mechanically, so that, for example, surface waves can propagate from one of the two surface acoustic wave resonators to the other resonator or vice versa.

Der Partikelsensor 100 weist ferner eine Antriebseinrichtung 130 zum Anregen einer Schwingung wenigstens eines der Oberflächenwellenresonatoren 110,120 auf. Beispielsweise können die Oberflächenwellenresonatoren 110,120 ein piezoelektrisches Material wie beispielsweise Aluminiumnitrid (AIN) aufweisen, und die Antriebseinrichtung 130 kann ein oder mehrere Elektrodenstrukturen aufweisen, die auf dem piezoelektrischen Material angeordnet sind. Durch Beaufschlagung der Elektrodenstrukturen mit einer elektrischen Spannung können in an sich bekannter Weise Oberflächenwellen im Bereich einer Oberfläche des piezoelektrischen Materials erzeugt werden.The particle sensor 100 also has a drive device 130 for exciting a vibration of at least one of the surface acoustic wave resonators 110 . 120 on. For example, the surface acoustic wave resonators 110 . 120 a piezoelectric material such as aluminum nitride (AIN), and the drive means 130 may include one or more electrode structures disposed on the piezoelectric material. By applying a voltage to the electrode structures, surface waves in the region of a surface of the piezoelectric material can be generated in a manner known per se.

Beispielsweise können bei manchen Ausführungsformen Elektrodenstrukturen zur Anregung von Oberflächenwellen im Sinne der Antriebseinrichtung 130 bei dem zweiten Oberflächenwellenresonator 120 vorgesehen sein, nicht aber bei dem ersten Oberflächenwellenresonator 110. Über die Kopplung 115 werden Oberflächenwellenschwingungen von dem vorliegend durch die Antriebseinrichtung 130 angetriebenen zweiten Oberflächenwellenresonator 120 auch auf dem ersten Oberflächenwellenresonator 110 übertragen.For example, in some embodiments, electrode structures for exciting surface waves in the sense of the drive device 130 in the second surface acoustic wave resonator 120 be provided, but not in the first surface acoustic wave resonator 110 , About the coupling 115 Surface wave oscillations of the present by the drive means 130 driven second surface acoustic wave resonator 120 also on the first surface acoustic wave resonator 110 transfer.

Erfindungsgemäß ist der Partikelsensor 100 so ausgebildet, dass wenigstens ein Teil (z.B. ein Teil einer Oberfläche) des ersten Oberflächenwellenresonators 110 mit einem zumindest einen Bereich des Partikelsensors 100 umgebenden Medium M in Kontakt kommen kann, und dass der wenigstens eine weitere Oberflächenwellenresonator 120 nicht mit dem Medium M in Kontakt kommen kann. Dies ist in 1A vorliegend dadurch symbolisiert, dass der erste Oberflächenwellenresonator 110 außerhalb des Gehäuses 102, der zweite Oberflächenwellenresonator 120 jedoch innerhalb des Gehäuses 102, in dem Innenraum I, angeordnet ist. According to the invention, the particle sensor 100 is formed so that at least a part (eg, a part of a surface) of the first surface acoustic wave resonator 110 with at least one region of the particle sensor 100 surrounding medium M can come into contact, and that the at least one further surface acoustic wave resonator 120 not with the medium M can come into contact. This is in 1A in this case, symbolizes that the first surface acoustic wave resonator 110 outside the case 102 , the second surface acoustic wave resonator 120 however within the housing 102 in the interior I , is arranged.

Der Partikelsensor 100 weist ferner eine Auswerteeinrichtung 140 zum Ermitteln einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung des ersten Oberflächenwellenresonators 110 charakterisierenden Größe G1 und einer eine Schwingungsamplitude einer Schwingung des wenigstens einen weiteren Oberflächenwellenresonators 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 surface acoustic wave resonator 110 characterizing size G1 and an oscillation amplitude of a vibration of the at least one further surface acoustic wave resonator 120 characterizing size G2 on.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine Beaufschlagung eines der gekoppelten Oberflächenwellenresonatoren 110 mit einer Masse zu einer Lokalisierung der Schwingungsmode führt, wodurch sich das Verhältnis der Schwingungsamplituden der gekoppelten Oberflächenwellenresonatoren 110, 120 drastisch ändert. Über eine Messung der Schwingungsamplituden bzw. der sie charakterisierenden Größen G1, G2 kann somit eine Ermittlung einer abgelagerten Masse auf dem Oberflächenwellenresonator 110 erfolgen. Eine solche durch Unordnung im System hervorgerufene Lokalisierung wird Anderson-Lokalisierung genannt. Die Erfindung nutzt die Anderson-Lokalisierung vorteilhaft zur Bereitstellung eines Partikelsensors 100 mit geringer Empfindlichkeitsdrift und hoher Empfindlichkeit auch gegenüber kleinsten Partikelmengen bzw. -massen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Partikelsensors 100 so, dass nur der erste Oberflächenwellenresonator 110 in Kontakt mit dem umgebenden Medium M kommen kann, ist vorteilhaft sichergestellt, dass das vorstehend genannte Prinzip effizient ausgenutzt werden kann.According to the invention it has been recognized that an application of one of the coupled surface acoustic wave resonators 110 with a mass leads to a localization of the vibration mode, whereby the ratio of the vibration amplitudes of the coupled surface acoustic wave resonators 110 . 120 drastically changes. Via a measurement of the vibration amplitudes or the variables characterizing them G1 . G2 Thus, a determination of a deposited mass on the surface acoustic wave resonator 110 respectively. Such localization caused by disorder in the system is called Anderson localization. The invention advantageously uses Anderson localization to provide a particle sensor 100 with low sensitivity drift and high sensitivity even to the smallest particle quantities or masses. Due to the inventive design of the particle sensor 100 such that only the first surface acoustic wave resonator 110 can come into contact with the surrounding medium M, it is advantageously ensured that the above-mentioned principle can be utilized efficiently.

Beispielsweise können sich auf einer ersten Oberfläche 110a des ersten Oberflächenwellenresonators 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 140 in Abhängigkeit der beiden charakterisierenden Größen G1, G2 direkt auf die Masse und/oder auf die Anzahl der auf der ersten Oberfläche 110a abgelagerten Partikel P schließen.For example, on a first surface 110a of the first surface acoustic wave resonator 110 particle P from the medium M (eg exhaust gas) deposit, which leads to the above localization, by means of the evaluation 140 can be determined and evaluated. In particular, the evaluation unit 140 depending on the two characterizing quantities G1 . G2 directly to the mass and / or to the number of on the first surface 110a Close deposited particles P.

1B zeigt schematisch ein Detail des ersten Oberflächenwellenresonators 110 aus 1A. Optional kann auf seiner ersten Oberfläche 110a eine Beschichtung 110a' 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 acoustic wave resonator 110 out 1A , Optionally, on its first surface 110a a coating 110a ' be provided that 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 im Bereich des ersten Oberflächenwellenresonators 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 medium M exposed component 110a of the particle sensor 100 , provided, comparisons 1A , The heater 150 can be used advantageously to a temperature of at least 700 ° C in the region of the first surface acoustic wave resonator 110 to reach. As a result, any soot or other particles that may be deposited there can be deposited there P burn off, 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.

1C zeigt schematisch ein weiteres Detail des Partikelsensors 100 bzw. seines ersten Oberflächenwellenresonators 110. Auf der ersten Oberfläche 1001a eines Grundkörpers 1001 (z.B. umfassend piezoelektrisches Keramikmaterial) sind zwei Oberflächenwellenreflektoren R1, R2 angeordnet, die einen Resonator definieren. Zwischen den beiden Oberflächenwellenreflektoren R1, R2 ist eine Elektrodenanordnung, vorliegend bevorzugt eine Interdigitalelektrodenanordnung IDE, vorgesehen. Die Interdigitalelektrodenanordnung IDE kann beispielhaft zur Anregung von Oberflächenschwingungen und/oder zur Ermittlung entsprechender Schwingungsamplituden (vgl. die Größe G1) genutzt werden. 1C schematically shows another detail of the particle sensor 100 or its first surface acoustic wave resonator 110 , On the first surface 1001a of a basic body 1001 (eg comprising piezoelectric ceramic material) are two surface acoustic wave reflectors R1 . R2 arranged, which define a resonator. Between the two surface wave reflectors R1 . R2 an electrode arrangement, in the present case preferably an interdigital electrode arrangement IDE, is provided. The interdigital electrode arrangement IDE can be used, for example, to excite surface oscillations and / or to determine corresponding oscillation amplitudes (compare the size G1 ) be used.

2 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 C1 zeigt die relative Sensitivität bei Amplitudenmessung, und die Kurve C2 zeigt die relative Sensitivität bei Resonanzfrequenzmessung von zwei gekoppelten Oberflächenwellenresonatoren 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 bevorzugter Ausführungsformen ausgenutzt, indem die Auswerteeinheit 140 ( 1A) die die Schwingungsamplitude der betreffenden Schwingungen der Oberflächenwellenresonatoren 110, 120 charakterisierenden Größen G1, G2 betrachtet bzw. ermittelt und optional auswertet. Eine messtechnische Erfassung der Größen G1, G2 kann beispielsweise durch das Ermitteln einer elektrischen Spannung an den entsprechenden Elektrodenstrukturen IDE erfolgen. 2 schematically shows relative sensitivities (frequency: df / f0, amplitude: dA / A0) plotted over a degree of coupling K (in arbitrary unit, "arbitrary unit") according to one embodiment. The curve C1 shows the relative sensitivity in amplitude measurement, and the curve C2 shows the relative sensitivity in resonance frequency measurement of two coupled surface acoustic wave resonators 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 preferred embodiments by the evaluation unit 140 ( 1A) the oscillation amplitude of the respective vibrations of the surface acoustic wave resonators 110 . 120 characterizing quantities G1 . G2 considered or determined and optionally evaluated. A metrological recording of the sizes G1 . G2 can be done for example by determining an electrical voltage to the corresponding electrode structures IDE.

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 3 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 3 shown laterally, partially protruding, in the exhaust pipe 202 built-in.

Ein Strom von zu detektierenden Partikeln PF durchströmt das Abgasrohr 202. Einer der Oberflächenwellenresonatoren 110 ist im Abgas exponiert, insbesondere dem Abgasteilstrom PF' so ausgesetzt, dass sich auf seiner 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 die Oberflächenwellenresonatoren 110, 120 (1A) zu Schwingungen anregen 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 surface wave resonators 110 is exposed in the exhaust gas, in particular the exhaust gas partial stream PF ' so exposed that 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 surface acoustic wave resonators 110 . 120 ( 1A) to excite vibrations and the vibration amplitudes or the characteristics that characterize them G1 . G2 measure up.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können beispielsweise die Oberflächenwellenresonatoren 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 surface acoustic wave resonators 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 Oberflächenwellenresonatoren 110, 120, die optionale Heizeinrichtung 150, die Antriebseinrichtung 130, und die Auswerteeinrichtung 140 auch miteinander auf einem Substrat kombiniert sein.In other embodiments, the surface acoustic wave resonators 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 (Oberflächenwellenresonator) 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) oscillating element (surface wave resonator) 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 / protective tube) which actively conducts the exhaust gas (eg by means of a pump) or passively (eg by utilizing the Venturi effect) to the particle sensor.

4 zeigt schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 10 wird eine Schwingung wenigstens eines der Oberflächenwellenresonatoren 110, 120 des Partikelsensors 100 angeregt. 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 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 des dem Medium ausgesetzten Oberflächenwellenresonators 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 surface acoustic wave resonators 110 . 120 of the particle sensor 100 stimulated. In step 12 become the characterizing quantities G1 . G2 through the evaluation device 140 determines, and optionally, if necessary, a feedback back to step 10 given to adjust the suggestion, 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 of the surface acoustic wave resonator exposed to the medium 110 are arranged.

5A zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform 100a des erfindungsgemäßen Partikelsensors. Auf einer ersten Oberfläche 101a eines gemeinsamen Substrats 101 sind vorliegend zwei Oberflächenwellenresonatoren 110, 120 angeordnet und mechanisch miteinander gekoppelt, vergleiche Bezugszeichen 115'. Die Kopplung 115' ermöglicht vorteilhaft eine Ausbreitung mindest eines Teils der Oberflächenwellen des ersten Oberflächenwellenresonators 110 zu dem zweiten Oberflächenwellenresonator 120 und umgekehrt. Der zweite Oberflächenwellenresonator 120 ist vorliegend mit einem Schutzelement 122 versehen, das insbesondere wenigstens eine Oberflächenwellen führende Oberfläche des zweiten Oberflächenwellenresonators 120 derart abdeckt, dass gegebenenfalls in einem umgebenden Medium vorkommende Partikel nicht mit der die Oberflächenwellen führende Oberfläche des zweiten Oberflächenwellenresonators 120 im Kontakt kommen bzw. sich darauf ablagern können. Dies kann vielmehr nur im Bereich des ersten Oberflächenwellenresonators 110 erfolgen, sodass sich infolge einer Massebeaufschlagung des ersten Oberflächenwellenresonators 110 durch Partikel eine effiziente Lokalisierung der Schwingungsmoden ergibt, mithin eine vergleichsweise große Empfindlichkeit des Partikelsensors 100a gegeben ist. 5A schematically shows a block diagram of another embodiment 100a the particle sensor according to the invention. On a first surface 101 a common substrate 101 are in the present case two surface acoustic wave resonators 110 . 120 arranged and mechanically coupled together, compare reference numerals 115 ' , The coupling 115 ' advantageously allows propagation of at least a portion of the surface waves of the first surface acoustic wave resonator 110 to the second surface acoustic wave resonator 120 and vice versa. The second surface acoustic wave resonator 120 is present with a protective element 122 provided, in particular at least one surface wave leading surface of the second surface acoustic wave resonator 120 covers such that possibly occurring in a surrounding medium particles not with the surface of the surface leading surface of the second surface acoustic wave resonator 120 come in contact or can rely on it. Rather, this can only occur in the area of the first surface acoustic wave resonator 110 take place, so that as a result of a mass application of the first surface acoustic wave resonator 110 by particles results in an efficient localization of the vibration modes, thus a comparatively high sensitivity of the particle sensor 100a given is.

5B zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform 100b des erfindungsgemäßen Partikelsensors. Auf einem gemeinsamen Substrat 101 sind vorliegend insgesamt drei Oberflächenwellenresonatoren 110, 120, 120a angeordnet, die untereinander mechanisch gekoppelt sind. Die beiden Oberflächenwellenresonatoren 120,120a sind mit einem gemeinsamen Schutzelement 122a versehen, dessen Funktion vergleichbar zu derjenigen des Schutzelements 122 gemäß 5A ist. 5B schematically shows a block diagram of another embodiment 100b the particle sensor according to the invention. On a common substrate 101 In the present case, there are a total of three surface acoustic wave resonators 110 . 120 . 120a arranged, which are mechanically coupled to each other. The two surface wave resonators 120 , 120a are with a common protective element 122a provided, whose function comparable to that of the protective element 122 according to 5A is.

6 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform 100c des erfindungsgemäßen Partikelsensors. Der Partikelsensor 100c weist zwei Oberflächenwellenresonatoren 110,120 auf, die auf einem gemeinsamen Substrat 101' angeordnet sind. Das Substrat 101' bildet zusammen mit einer auf dessen erster Oberfläche 101'a angeordneten Schicht 101" aus piezoelektrischem Material einen Schichtaufbau S, der eine effiziente Fertigung des Partikelsensors 100c ermöglicht. Das Substrat 101' kann beispielsweise Silizium (Si) aufweisen oder aus Silizium gebildet sein. Das piezoelektrische Material 101" kann beispielsweise aus Aluminiumnitrid (AIN) gebildet sein. 6 schematically shows a perspective view of another embodiment 100c the particle sensor according to the invention. The particle sensor 100c has two surface acoustic wave resonators 110 . 120 on that on a common substrate 101 ' are arranged. The substrate 101 ' forms together with one on its first surface 101 ' arranged layer 101 ' of piezoelectric material, a layer structure S, the efficient production of the particle sensor 100c allows. The substrate 101 ' For example, it may be silicon (Si) or it may be silicon. The piezoelectric material 101 ' For example, it may be formed of aluminum nitride (AIN).

Auf der Oberfläche 101"a des piezoelektrischen Materials 101" ist ein erster Oberflächenwellenreflektor 1114, ein zweiter Oberflächenwellenreflektor 1124, und ein dritter Oberflächenwellenreflektor 1150 angeordnet, wobei wie aus 6 ersichtlich ist der dritte Oberflächenwellenreflektor 1150 zwischen dem ersten Oberflächenwellenreflektor 1114 und dem zweiten Oberflächenwellenreflektor 1124 angeordnet ist. Wenigstens einer der Oberflächenwellenreflektoren 1114, 1124, 1150 kann bei bevorzugten Ausführungsformen aus Platin ausgebildet sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen kann wie aus 6 ersichtlich eine Struktur aus in etwa parallelen, linienförmigen Elementen 1114a („Elektrodenfingern“) als Reflektor für Oberflächenwellen arbeiten.On the surface 101 "a of the piezoelectric material 101 ' is a first surface wave reflector 1114 , a second surface wave reflector 1124 , and a third surface wave reflector 1150 arranged, being like 6 The third surface wave reflector can be seen 1150 between the first surface wave reflector 1114 and the second surface acoustic wave reflector 1124 is arranged. At least one of the surface wave reflectors 1114 . 1124 . 1150 may be formed in preferred embodiments of platinum. In preferred embodiments, as shown in FIG 6 can be seen a structure of approximately parallel, linear elements 1114a ("Electrode fingers") work as a reflector for surface waves.

Die Oberflächenwellenreflektoren 1114, 1150 definieren einen ersten Resonator, und die Oberflächenwellenreflektoren 1124, 1150 definieren einen zweiten Resonator. Mit anderen Worten „teilen“ sich die beiden Oberflächenwellenresonatoren 110,120 den dritten Oberflächenwellenreflektor 1150.The surface wave reflectors 1114 . 1150 define a first resonator, and the surface acoustic wave reflectors 1124 . 1150 define a second resonator. In other words, the two surface acoustic wave resonators "share" 110 . 120 the third surface wave reflector 1150 ,

Bevorzugt weist der dritte Oberflächenwellenreflektor 1150 einen Reflektionsgrad auf, der kleiner ist als ein Reflektionsgrad des ersten Oberflächenwellenreflektors 1114 und kleiner als ein Reflektionsgrad des zweiten Oberflächenwellenreflektors 1124. Dadurch kann der dritte Oberflächenwellenreflektor 1150 vorteilhaft gleichzeitig als Kopplungselement zur Kopplung der nebeneinanderliegenden Oberflächenwellenresonatoren 110,120 genutzt werden. Bei einer Ausbildung des betreffenden Reflektors 1150 unter Verwendung der vorstehend beschriebenen linienförmigen Elemente kann der Reflektionsgrad beispielsweise durch die Anzahl der insgesamt vorgesehenen linienförmigen Elemente eingestellt werden. Beispielsweise weist vorliegend der dritte Oberflächenwellenreflektor 1150 symbolisch drei linienförmigen Elemente auf und ist damit teildurchlässig für die Oberflächenwellen der Resonatoren 110,120, wohingegen die beiden anderen Oberflächenwellenreflektoren 1114, 1124 symbolisch fünf linienförmige Elemente aufweisen und damit einen größeren Reflektionsgrad besitzen. Die Anzahl der linienförmigen Elemente ist bei der vorstehend beschriebenen und in 6 abgebildeten Ausführungsform u.a. aus Gründen der Übersichtlichkeit rein beispielhaft gewählt. Bei weiteren Ausführungsformen kann die Anzahl der linienförmigen Elemente für die Strukturen 1114, 1124, 1150 z.B. auch jeweils wesentlich größer sein bzw. sich zwischen den Strukturen 1114, 1124 und 1150 auch wesentlich stärker unterscheiden.Preferably, the third surface wave reflector 1150 a reflectance smaller than a reflectance of the first surface acoustic wave reflector 1114 and smaller than a reflectance of the second surface acoustic wave reflector 1124 , This allows the third surface wave reflector 1150 advantageous at the same time as a coupling element for coupling the adjacent surface acoustic wave resonators 110 . 120 be used. In an education of the relevant reflector 1150 By using the above-described line-shaped elements, the reflectance can be adjusted, for example, by the number of line-shaped elements provided as a whole. For example, in the present case, the third surface wave reflector 1150 symbolically three line-shaped elements and is thus partially transparent to the surface waves of the resonators 110 . 120 whereas the other two surface wave reflectors 1114 . 1124 symbolically have five line-shaped elements and thus have a greater degree of reflection. The number of line-shaped elements is in the case described above and in 6 illustrated embodiment, inter alia, for reasons of clarity selected purely by way of example. In further embodiments, the number of line-shaped elements for the structures 1114 . 1124 . 1150 For example, each be significantly larger or between the structures 1114 . 1124 and 1150 also differ much more.

Der erste Oberflächenwellenresonator 110 weist vorliegend zwei Interdigitalelektrodenanordnungen 1112a, 1112b auf, die beispielsweise wiederum aus Platin gebildet sein können, und die dazu benutzt werden können, um unter Beaufschlagung mit einem entsprechenden elektrischen Signal Schwingungen des betreffenden Oberflächenwellenresonators 110 anzuregen bzw. wenigstens eine eine Schwingungsamplitude charakterisierende Größe G1 zu ermitteln. Hierzu können die Interdigitalelektrodenanordnungen 1112a, 1112b beispielsweise der Antriebseinrichtung 130 bzw. der Auswerteeinrichtung 140, vergleiche 1, zugeordnet bzw. elektrisch hiermit verbunden sein bzw. Teile einer oder beider Einrichtungen sein.The first surface wave resonator 110 in the present case has two interdigital electrode arrangements 1112a . 1112b which, for example, may be formed of platinum, for example, and which may be used to cause vibrations of the surface acoustic wave resonator under the action of a corresponding electrical signal 110 to stimulate or at least one size that characterizes a vibration amplitude G1 to investigate. For this purpose, the interdigital electrode arrangements 1112a . 1112b for example, the drive device 130 or the evaluation device 140 , compare 1 , assigned or electrically connected thereto or be part of one or both devices.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der zweite Oberflächenwellenresonator 120 mit einem Schutzelement 122' versehen, das vorliegend sowohl die Reflektoren 1124, 1150 als auch die dazwischen vorgesehenen Interdigitalelektrodenanordnungen 1122a, 1122b sowie die dazwischen liegenden freien Bereiche der Oberfläche 101"a vor äußeren Einflüssen, insbesondere der Ablagerung von Partikeln P schützt. Das Schutzelement 122' kann beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO2) gebildet sein.In preferred embodiments, the second surface acoustic wave resonator is 120 with a protective element 122 ' provided, in this case, both the reflectors 1124 . 1150 as well as the intermediate interdigital electrode arrangements 1122a . 1122b as well as the intermediate free areas of the surface 101 "a against external influences, in particular the deposition of particles P protects. The protective element 122 ' For example, it may be formed of silicon dioxide (SiO 2).

Der erste Oberflächenwellenresonator 110 weist kein derartiges Schutzelement auf, so dass sich Partikel P aus dem Medium M (1A) im Bereich der Interdigitalelektrodenanordnungen 1112a, 1112b sowie der dazwischen liegenden freien Bereiche 1116a, 1116b, 1116c der Oberfläche 101"a ablagern und somit die beschriebene Modenlokalisierung bewirken können.The first surface wave resonator 110 has no such protective element, so that particles P from the medium M ( 1A) in the field of interdigital electrode arrangements 1112a . 1112b as well as the intermediate free areas 1116a . 1116b . 1116c the surface 101 "a deposit and thus cause the described mode localization.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Partikelsensor 100c bzw. sein System so ausgelegt, dass die Oberflächenwellenresonatoren 110,120 möglichst identisch schwingen, also insbesondere dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen, wenn einer der Oberflächenwellenresonatoren aktuiert wird. Durch Ablagerung von Ruß bzw. sonstigen Partikeln P auf dem nicht durch das Schutzelement 122' abgedeckten Oberflächenwellenresonator 110 wird das System in „Unordnung“ bzw. Asymmetrie gebracht, was dazu führt, dass sich die Schwingungsmode lokalisiert. D.h. die Amplituden, mit denen die Oberflächenwellenresonatoren 110,120 schwingen, verändern sich stark. Dies wird bevorzugt zur Detektion der Rußmasse bzw. Rußpartikelanzahl genutzt.In preferred embodiments, the particle sensor is 100c or his system designed so that the surface acoustic wave resonators 110 . 120 swing as identical as possible, ie in particular have the same resonant frequency when one of the surface acoustic wave resonators is actuated. By deposition of soot or other particles P not by the protective element 122 ' covered surface acoustic wave resonator 110 will that System is brought into "disorder" or asymmetry, which causes the vibration mode localized. That is, the amplitudes with which the surface acoustic wave resonators 110 . 120 swing, change a lot. This is preferably used for detecting the soot mass or soot particle number.

Besonders vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Partikelsensor 100, 100a, 100b, 100c 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.The particle sensor according to the invention can be particularly advantageous 100 . 100a . 100b . 100c For example, be used for the 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 „Mikrowaage“ bezeichnet werden und eignet sich insbesondere zur Ermittlung bzw. Messung von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln auch unter rauen Umgebungsbedingungen.The principle of the invention can also be referred to as "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 Partikelsensor berechnet wird. Die abgelagerte Masse auf einer Oberfläche eines Oberflächenwellenresonators 110 des Partikelsensors 100 verursacht eine Veränderung der Lokalisierung der Schwingungsmoden auf den gekoppelten Oberflächenwellenresonatoren 110,120, die auch als Mikrowaagen beschrieben werden können. Die Verhältnisse der Schwingungsamplituden der Mikrowaagen 110, 120 zeigen vorteilhaft einen funktionalen Zusammenhang mit der abgelagerten Rußmasse, der bevorzugten 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 soot deposition on the particle sensor. The deposited mass on a surface of a surface acoustic wave resonator 110 of the particle sensor 100 causes a change in the localization of the vibration modes on the coupled surface acoustic wave resonators 110 . 120 , which can also be described as microbalances. The ratios of the vibration amplitudes of the microbalances 110 . 120 advantageously show a functional relationship with the deposited soot mass, which is exploited according to preferred embodiments.

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 (z.B. thermisch, vgl. die optionale Heizeinrichtung 150 aus 1A), und nach der Regeneration kalibriert werden.In preferred embodiments, the particle sensor may be periodically regenerated (eg, thermally, see the optional heater 150 out 1A) , and be calibrated after regeneration.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Heizeinrichtung 150 aus 1A z.B. auch durch einen oder mehrere Reflektoren realisiert werden, indem die linienförmigen Elemente 1114a so elektrisch verbunden sind, dass sie eine elektrisch kontaktierbare Mäanderstruktur bilden, welche über Joulsche Wärme als Heizelement dienen kann. Bei diesen Ausführungsformen bildet also wenigstens ein Reflektor für die Oberfächenwellen vorteilhaft gleichzeitig wenigstens einen Teil der Heizeinrichtung.In a further embodiment, the heating device 150 out 1A For example, be realized by one or more reflectors by the linear elements 1114a are electrically connected so that they form an electrically contactable meander structure, which can serve as a heating element via Joule heat. In these embodiments, at least one reflector for the surface waves thus advantageously simultaneously forms at least part of the heating device.

Ein weiterer besonderer Vorteil der gekoppelten Oberflächenwellenresonatoren 110, 120 besteht darin, dass bei dem Betreiben der gekoppelten Resonatoren 110, 120 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 Oberflächenwellenresonatoren mit niedriger Güte, welche einfacher herzustellen sind, verwendet werden.Another particular advantage of the coupled surface acoustic wave resonators 110 . 120 is that in the operation of the coupled resonators 110 . 120 Differences are measured, which intrinsically 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, low-grade surface acoustic wave resonators, which are easier to manufacture, can also 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.

Das Prinzip der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eignet sich besonders bevorzugt zur Ausbildung von mikro-strukturierten Partikelsensoren, die besonders kleine Strukturabmessungen, beispielsweise im Bereich einiger weniger (z.B. 10) Mikrometer bis einiger 100 µm, aufweisen, wodurch bereits die Ablagerung einer kleinen Menge von sehr kleinen und daher leichten Partikeln P (1) zu einer signifikanten Änderung der Amplitudenverhältnisse (Größen G1, G2) führt. Dadurch ist ein solcher Partikelsensor sehr empfindlich. Die Ausführungsformen ermöglichen die Bereitstellung eines sehr empfindlichen und zugleich besonders robusten Sensorelements, womit der dauerhafte Einsatz im Abgas z.B. eines Automobils möglich wird.The principle of the embodiments described above is particularly preferred for the formation of micro-structured particle sensors having particularly small structural dimensions, for example in the range of a few (eg 10) microns to several 100 microns, which already the deposition of a small amount of very small and therefore light particles P ( 1 ) to a significant change in the amplitude ratios (sizes G1 . G2 ) leads. As a result, such a particle sensor is very sensitive. The embodiments enable the provision of a very sensitive and at the same time particularly robust sensor element, with which the permanent use in the exhaust gas, for example of an automobile, becomes possible.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen verfügt der Partikelsensor im Bereich der Oberfläche der Oberflächenwellenresonatoren über keine strukturellen Freistellungen, was sich positiv auf die Langzeitrobustheit auswirkt.In particularly preferred embodiments, the particle sensor in the surface of the surface acoustic wave resonators has no structural exemptions, which has a positive effect on the long-term robustness.

Bei weiteren Ausführungsformen kann zur Auslegung der Geometrie der schwingenden, piezoelektrischen Masse und der Elektrodenstrukturen für wenigstens einen Oberflächenwellenresonator berücksichtigt werden, welche Schichtdicke (des piezoelektrischen Materials), Elektrodenbreite (z.B. der Interdigitalelektrodenstrukturen) und -abstände idealer Weise verwendet werden sollten. Diese Parameter können vorteilhaft dazu genutzt werden, eine Resonanzfrequenz für den betreffenden Oberflächenwellenresonator einzustellen, bei der der Oberflächenwellenresonator also beispielsweise durch die Antriebseinrichtung 130 aktiviert werden kann.In further embodiments, to account for the geometry of the vibrating piezoelectric mass and the electrode structures for at least one surface acoustic wave resonator, which layer thickness (of the piezoelectric material), electrode width (eg, interdigital electrode structures) and spacings should ideally be used. These parameters can be advantageously used to set a resonant frequency for the respective surface acoustic wave resonator, in which the surface acoustic wave resonator thus for example by the drive means 130 can be activated.

Claims

Particle sensor (100, 100a, 100b, 100c) according to Claim 1 wherein the particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) comprises a substrate (101; 101 ') having a first surface (101a; 101'a), and wherein the first surface acoustic wave resonator (110) and the at least one further surface acoustic wave resonator (120 ) are arranged on the first surface (101a, 101'a).

The particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein at least the first surface acoustic wave resonator (110) and / or the at least one further surface acoustic wave resonator (120; 120a) each comprise: a base body (1001) of piezoelectric material, at least two surface wave reflectors (R1, R2) arranged on a first surface (1001a) of the base body (1001) and at least one electrode arrangement arranged between the surface wave reflectors (R1, R2), in particular an interdigital electrode arrangement (IDE).

A particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein the particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) has a layer structure (S) comprising a substrate (101 ') having a first surface (101'a). and a layer (101 ") of piezoelectric material disposed on the first surface (101'a).

Particle sensor (100, 100a, 100b, 100c) according to Claim 4 in that on a first surface (101 "a) of the layer (101") of piezoelectric material facing the first surface (101'a) of the substrate (101 '), at least the following elements are arranged: a first surface acoustic wave reflector (1114 ), a second surface acoustic wave reflector (1124), and between the first surface acoustic wave reflector (1114) and the second surface acoustic wave reflector (1124) a third surface acoustic wave reflector (1150).

Particle sensor (100, 100a, 100b, 100c) according to Claim 5 wherein the third surface acoustic wave reflector (1150) has a reflectance that is less than a reflectance of the first surface acoustic wave reflector (1114) and less than a reflectance of the second surface acoustic wave reflector (1124).

A particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein the at least one further surface acoustic wave resonator (120, 120a) is associated with a protective element (122; 122a; 122 ') which in particular has at least one surface wave guiding surface of the at least covering another surface wave resonator (120, 120a) such that the surface guiding the at least one surface wave can not come in contact with the medium (M).

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 part of the first surface acoustic wave resonator (110) are arranged.

A particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) according to at least one of the preceding claims, wherein a heating device (150) is provided for heating the particle sensor (100; 100a; 100b; 100c), in particular for heating a component exposed to the medium (M) of the particle sensor (100, 100a, 100b, 100c).

Particle sensor (100, 100a, 100b, 100c) according to Claim 9 wherein the heating device (150) is formed by one or more surface wave reflectors (R1, R2).

A method of operating a particle sensor (100; 100a; 100b; 100c), the particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) comprising: a first surface acoustic wave resonator (110), at least a further surface acoustic wave resonator (120, 120a) coupled to the first surface acoustic wave resonator (110), drive means (130) for exciting a vibration of at least one of the surface acoustic wave resonators (110, 120, 120a), evaluation means (140) for detecting a vibration amplitude of a vibration of the first surface acoustic wave resonator (110) characterizing quantity (G1) and a vibration amplitude of a vibration of the at least one further surface acoustic wave resonator (120, 120a) characterizing size (G2), wherein the particle sensor (100; 100a; 100b; 100c) is formed so that at least a portion of the first surface acoustic wave resonator (110) may come into contact with a medium (M) surrounding at least a portion of the particle sensor (100; 100a; 100b; 100c), and that the at least one further surface acoustic wave resonator (120, 120a) does not interfere with the Medium (M) may come into contact, the process being the following Comprising the steps of: exciting (10) a vibration of at least one of the surface acoustic wave resonators (110, 120, 120a), determining (12) the characterizing quantities (G1, G2) by means of the evaluation device (140).

Method according to Claim 11 wherein the evaluation device (140) in dependence of the characterizing quantities (G1, G2) on a mass and / or number of particles (P) includes (14) which are arranged on the at least a part of the first surface acoustic wave resonator (110).