DE102019115156A1

DE102019115156A1 - Abgasfeinstaubsensor

Info

Publication number: DE102019115156A1
Application number: DE102019115156.2A
Authority: DE
Inventors: Jae-Hyeon EOM; Ji-Sang JANG; Ho-Cheol SUH
Original assignee: Sejong Industrial Co Ltd
Current assignee: Sejong Industrial Co Ltd
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2019-12-19
Also published as: CN110608980A; KR20190141995A; KR102125393B1; US20190383721A1

Abstract

Offenbart ist ein Abgas-Feinstaub (FS)-Sensor. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Abgas-Feinstaub (FS)-Sensor bereitgestellt, der auf einer Abgasleitung bereitgestellt ist, durch die Abgas von einem Fahrzeug strömt, und der mit einer Elektrode versehen ist, die gebildet ist, um FS nachzuweisen, wobei der FS-Sensor Folgendes einschließt: eine erste Isolierschicht; eine unter der ersten Isolierschicht angeordnete FS-Nachweiselektrode; eine parallel mit der FS-Nachweiselektrode angeordnete Temperaturkompensationselektrode; eine unter der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode angeordnete zweite Isolierschicht; eine unter der zweiten Isolierschicht angeordnete Heizungselektrode; und eine unter der Heizungselektrode angeordnete dritte Isolierschicht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Abgas-Feinstaub (FS)-Sensor. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Erfassung von Feinstaub (FS), bei der es möglich ist, einen Abgas-Feinstaub (FS)-Sensor zu korrigieren, der eine durch Veränderung der Temperatur und Abscheidung von FS hervorgerufene Widerstandsänderung prüft.
Beschreibung des Stands der Technik
Allgemein besteht aufgrund der verschärften Emissionsrichtlinie ein wachsendes Interesse an einer Nachbehandlungsvorrichtung zur Abgasreinigung.. Insbesondere werden Feinstaubrichtlinien für Dieselfahrzeuge aktuell strenger.
Allgemein stößt ein benzinbetriebenes Fahrzeug oder ein dieselbetriebenes Fahrzeug Abgas aus, das Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxid (NOx), Schwefeloxide und Feinstaub enthält.
Hier, in dem von dem Fahrzeug ausgestoßenen Abgas, das Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxid (NOx), Schwefeloxide, Feinstaub und dergleichen enthält, ist Feinstaub bekanntermaßen eine Hauptursache für Luftverschmutzung, da Feinstaub die Bildung von Schwebstoffen erhöht.
Aufgrund der oben beschriebenen Richtlinien für eine angenehme Umwelt und der Umweltrichtlinien jedes Landes in Bezug auf Luftschadstoffe haben Richtlinien zu in Abgas enthaltenen Abgasschadstoffen allmählich zugenommen, und als Maßnahme hierfür wurden verschiedene Verfahren zur Abgasfiltration untersucht.
Das heißt, es wurden Motortechnologien, Vorbehandlungstechnologien und dergleichen als Technologie zur Reduzierung von Schadstoffen im Inneren des Fahrzeugmotors selbst entwickelt, um in Abgas enthaltende Luftschadstoffe zu reduzieren. Da die Abgasrichtlinie jedoch verschärft wird, besteht bezüglich der Erfüllung der Richtlinien, bei denen nur die Technologie der Reduzierung von schädlichem Gas im Motorinneren angewendet wird, eine Grenze.
Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Nachbehandlungstechnologie, bei der nach der Verbrennung im Fahrzeugmotor ausgestoßenes Abgas aufbereitet wird, vorgeschlagen, und Beispiele für die Nachbehandlungstechnologie schließen Vorrichtungen zur Reduzierung von Abgas mittels eines Oxidationskatalysators, eines Stickoxidkatalysators, eines Abgasfilters und dergleichen ein.
Unter dem Oxidationskatalysator, dem Stickoxidkatalysator und dem Abgasfilter wie oben beschrieben ist die effizienteste und praktischste Technologie zur Reduzierung von Feinstaub die Vorrichtung zur Reduzierung von Abgas durch Anwendung des Abgasfilters.
Diese Vorrichtung zur Reduzierung von Abgas ist eine Technologie, bei der für gewöhnlich von einem Dieselmotor ausgestoßener Feinstaub durch einen Filter aufgefangen wird, dann das Ergebnis verbrannt wird (nachfolgend als Regeneration bezeichnet) und erneut Feinstaub aufgefangen wird, um den Prozess zu wiederholen, was in Bezug auf die Leistung hervorragend ist. Da es jedoch schwierig ist, die Menge und die Größe von Feinstaub genau zu messen, sind Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit Hindernisse bei der Kommerzialisierung, insbesondere wenn ein Messwert eines FS-Sensors aufgrund einer Veränderung der Abgastemperatur und Feinstaubabscheidung ungenau ist und keine Temperaturkorrektur bereitgestellt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen die im Stand der Technik auftretenden Probleme überwinden. Um Feinstaub aus einem Dieselfahrzeug zu eliminieren, ist die Ausrüstung mit einem Dieselpartikelfilter (DPF) unabdingbar, und um einen Feinstaubausstoß entsprechend einer Fehlfunktion des DPF zu überwachen, ist es unabdingbar (Euro 6C), das hintere Ende des DPF mit einem OBD-Feinstaubsensor (OBD: On-Board-Diagnose) auszurüsten, um die Feinstaubmenge zu messen. Aktuell verwendet ein Feinstaubsensor in einem Dieselfahrzeug ein Verfahren zur Messung der durch Feinstaubabscheidung hervorgerufenen Widerstandsänderung in einer Interdigitalelektrode. Wenn kein Feinstaub abgeschieden wird, kann kein Strom fließen. Es wird ein Schaltkreis gebildet, in dem infolge von abgeschiedenem Feinstaub ein Strom fließen kann, und die Menge des abgeschiedenen Feinstaubs wird anhand der Feinstaubmenge im Abgas ermittelt. Daher ist es möglich, die Feinstaubmenge im Abgas durch Messen der Widerstandsänderung zu messen. Wird eine vorgegebene Menge oder mehr Feinstaub abgeschieden, ist eine kontinuierliche Feinstaubüberwachung in einem Regenerationsschritt, bei dem eine Heizung zum Verbrennen von abgeschiedenem Feinstaub zur Eliminierung verwendet wird, möglich.
Aktuell wird der Feinstaubsensor unter Anwendung eines Verfahrens hergestellt, bei dem eine Interdigitalelektrode unter Verwendung eines Metalls wie Pt, das eine Hochtemperaturstabilität auf einem keramischen Substrat wie Al₂O₃ und dergleichen aufweist, gebildet wird. Die Breite der Elektrode und der Abstand zwischen den Elektroden betragen mehrere Zehntel µm. Faktoren wie die Form des abgeschiedenen Feinstaubs, die die Leistung des Sensors beeinträchtigen, werden anhand des Musters der Elektrode bestimmt. Bei einem solchen Feinstaubsensor besteht jedoch das Problem, dass es unmöglich ist, die Partikelzahl (PZ) zu messen, und der Sensor wird durch Metallpartikel im Abgas stark beeinflusst.
In Bezug auf EURO 6 schränken aktuelle Abgasrichtlinien hinsichtlich Feinstaub die Gesamtfeinstaubmenge sowie die Partikelzahl (PZ) für ein Dieselfahrzeug ein, und OBD-Richtlinien schränken nur die Gesamtfeinstaubmenge ein. Angesichts dessen, dass der schädliche Einfluss auf einen menschlichen Körper umso größer ist, je kleiner die Partikelgröße ist, und dass die Größe des Feinstaubs im Fall eines Benzinmotors mit Direkteinspritzung (GDI) sehr gering ist, wird erwartet, dass zukünftige Richtlinienziele zusätzlich zu einem Dieselfahrzeug auf ein Benzinfahrzeug ausgeweitet werden und der OBD-Richtlinienbereich zusätzlich zum Feinstaub die PZ einschließt. Die Partikelgröße des Feinstaubs kann durch Messen des Feinstaubs und der PZ gemessen werden. Da die Widerstandsänderung des herkömmlichen Feinstaubsensors jedoch nur von der Gesamtmenge des abgeschiedenen Feinstaubs abhängt, ist es unmöglich, die PZ zu messen.
Mittlerweile enthält Abgas aus Schmieröl und dergleichen herbeigeführte feine Metallpartikel. Wie in der Figur dargestellt, beeinträchtig der Unterschied in Bezug auf den Wert des spezifischen Widerstands (p) bei Feinstaub, dessen Hauptbestandteil Kohlenstoff ist, die Feinstaubmessungen stark, wenn Metallpartikel mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit an der Elektrode haften.
Daher ist es notwendig, einen Feinstaubsensor zu entwickeln, der zur Korrektur des Temperaturunterschieds in der Lage ist, ohne durch Metallpartikel im Abgas beeinträchtigt zu werden.
Dementsprechend wurde die vorliegende Offenbarung unter Berücksichtigung der obigen, im Stand der Technik auftretenden Probleme vorgenommen, und die vorliegende Offenbarung ist vorgesehen, um einen Abgasfeinstaubsensor vorzuschlagen, der die Menge und Größe des Feinstaubs durch Messen eines Widerstandswerts (R) oder der elektrischen Leitfähigkeit (G=1/R) nachweist, wobei die Wirkung der Abgastemperatur und die Wirkung des abgeschiedenen Feinstaubs korrigiert werden und der Abgas-FS-Sensor mit einer Heizungselektrode zur Regeneration ausgerüstet ist, die keinen Temperatursensor erfordert.
Um die obige Aufgabe zu erfüllen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Feinstaubsensor bereitgestellt, der auf einer Abgasleitung bereitgestellt ist, durch die Abgas von einem Fahrzeug strömt, und der mit einer Elektrode versehen ist, die gebildet ist, um FS nachzuweisen, wobei der FS-Sensor Folgendes einschließt: eine erste Isolierschicht; eine unter. der ersten Isolierschicht angeordnete Temperaturkompensationselektrode; eine parallel mit der Temperaturkompensationselektrode angeordnete FS-Nachweiselektrode; eine unter der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode angeordnete zweite Isolierschicht; eine unter der zweiten Isolierschicht angeordnete Heizungselektrode; eine unter der Heizungselektrode angeordnete dritte Isolierschicht; eine zwischen der zweiten Isolierschicht und Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode angeordnete halbleitende Schicht.
Die FS-Nachweiselektrode kann aus einer Erfassungselektrode, die FS erfasst, und einer externen Elektrode, die die Erfassungselektrode mit der Außenseite elektrisch verbindet, bestehen, und die externe Elektrode der FS-Nachweiselektrode kann aufgrund der ersten Isolierschicht dem Abgas nicht ausgesetzt sein und nur die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode kann dem Abgas ausgesetzt sein.
Die halbleitende Schicht, der Feinstaub und die FS-Nachweiselektrode sowie die Temperaturkompensationselektrode können nach abnehmender Größenordnung des spezifischen Widerstands vorliegen. Der entsprechende spezifische Widerstand der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode ist ungefähr der gleiche.
Die Erfassungselektrode kann zwischen den externen Elektroden gebildet sein, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander beabstandet sind.
Bei einem Widerstandswert oder einer elektrischen Leitfähigkeit, der/die durch in der halbleitenden Schicht abgeschiedenen Feinstaub verändert wird, lassen sich mehrere Stadien unterscheiden.
Es wird ein Feinstaubsensor bereitgestellt, der auf einer Abgasleitung bereitgestellt ist, durch die Abgas von einem Fahrzeug strömt, und der mit einer Elektrode versehen ist, die gebildet ist, um FS nachzuweisen, wobei der FS-Sensor Folgendes einschließt: eine erste Isolierschicht; eine unter der ersten Isolierschicht angeordnete FS-Nachweiselektrode; eine unter der FS-Nachweiselektrode angeordnete zweite Isolierschicht; eine unter der zweiten Isolierschicht angeordnete Temperaturkompensationselektrode; eine unter der Temperaturkompensationselektrode angeordnete dritte Isolierschicht; eine unter der dritten Isolierschicht angeordnete Heizungselektrode; eine unter der Heizungselektrode angeordnete vierte Isolierschicht; und eine zwischen einer Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode und der zweiten Isolierschicht und zwischen der Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode und der dritten Isolierschicht angeordnete halbleitende Schicht.
Die Regenerationstemperatur kann durch Verwendung der Temperaturkompensationselektrode in einem Regenerationsschritt, bei dem eine Heizung verwendet wird, gemessen werden.
Es wird ein Feinstaubsensor bereitgestellt, der auf einer Abgasleitung bereitgestellt ist, durch die Abgas von einem Fahrzeug strömt, und der mit einer Elektrode versehen ist, die gebildet ist, um FS nachzuweisen, wobei der FS-Sensor Folgendes einschließt: eine erste Isolierschicht; eine unter der ersten Isolierschicht angeordnete FS-Nachweiselektrode; eine unter der FS-Nachweiselektrode. angeordnete zweite Isolierschicht; eine unter der zweiten Isolierschicht angeordnete Heizungselektrode; eine unter der Heizungselektrode angeordnete dritte Isolierschicht; eine unter der dritten Isolierschicht angeordnete Temperaturkompensationselektrode; eine unter der Temperaturkompensationselektrode angeordnete vierte Isolierschicht; und eine zwischen einer Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode und der zweiten Isolierschicht und zwischen der dritten Isolierschicht und einer Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode angeordnete halbleitende Schicht.
In einem Abgasfeinstaubsensor, der auf einer Abgasleitung bereitgestellt ist, durch die Abgas von einem Fahrzeug strömt, und der mit einer Elektrode versehen ist, die gebildet ist, um erfindungsgemäß FS nachzuweisen, können eine halbleitende Schicht, der Feinstaub und Erfassungselektroden einer FS-Nachweiselektrode und einer Temperaturkompensationselektrode nach abnehmender Größenordnung des spezifischen Widerstands vorliegen; die Erfassungselektrode kann zwischen externen Elektroden gebildet sein, die voneinander beabstandet sind; eine halbleitende Schicht kann eingeschlossen sein; die FS-Nachweiselektrode und die Temperaturkompensationselektrode können zwischen einer ersten Isolierschicht und einer zweiten Isolierschicht angeordnet sein; und eine Heizungselektrode kann zwischen der zweiten Isolierschicht und einer dritten Isolierschicht angeordnet sein, wobei anhand eines Widerstandswerts R1, gemessen an der FS-Nachweiselektrode, und eines Widerstandswerts R2, gemessen an der Temperaturkompensationselektrode, eine Temperaturkorrektur möglich sein kann; die Regenerationstemperatur kann durch Verwendung der Temperaturkompensationselektrode in einem Regenerationsschritt, bei dem eine Heizung verwendet wird, gemessen werden.
Ferner können die halbleitende Schicht, der Feinstaub und die Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode nach abnehmender Größenordnung des spezifischen Widerstands vorliegen; die Erfassungselektrode kann zwischen den externen Elektroden gebildet sein, die voneinander beabstandet sind; die halbleitende Schicht kann eingeschlossen sein; die FS-Nachweiselektrode kann zwischen der ersten Isolierschicht und der zweiten Isolierschicht angeordnet sein; die Temperaturkompensationselektrode kann zwischen der zweiten Isolierschicht und der dritten Isolierschicht angeordnet sein; und die Heizungselektrode kann zwischen der dritten Isolierschicht und der vierten Isolierschicht angeordnet sein, wobei anhand eines Widerstandswerts R1, gemessen an der FS-Nachweiselektrode, und eines Widerstandswerts R2, gemessen an der Temperaturkompensationselektrode, eine Temperaturkorrektur möglich ist und die Regenerationstemperatur unter Anwendung der Temperaturkompensationselektrode in einem Regenerationsschritt, bei dem eine Heizung verwendet wird, gemessen werden kann.
In diesem Fall kann die halbleitende Schicht zwischen der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode und der zweiten Isolierschicht und zwischen der Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode und der dritten Isolierschicht angeordnet sein.
Ferner können die halbleitende Schicht, der Feinstaub und die Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode nach abnehmender Größenordnung des spezifischen Widerstands vorliegen; die Erfassungselektrode kann zwischen den externen Elektroden gebildet sein, die voneinander beabstandet sind; die halbleitende Schicht kann eingeschlossen sein; die FS-Nachweiselektrode kann zwischen der ersten Isolierschicht und der zweiten Isolierschicht angeordnet sein; die Heizungselektrode kann zwischen der zweiten Isolierschicht und der dritten Isolierschicht angeordnet sein; und die Temperaturkompensationselektrode kann zwischen der dritten Isolierschicht und der vierten Isolierschicht angeordnet sein, wobei anhand eines Widerstandswerts R1, gemessen an der FS-Nachweiselektrode, und eines Widerstandswerts R2, gemessen an der Temperaturkompensationselektrode, eine Temperaturkorrektur möglich sein kann und die Regenerationstemperatur durch Verwendung der Temperaturkompensationselektrode in einem Regenerationsschritt, bei dem eine Heizung verwendet wird, gemessen wird.
In diesem Fall kann die halbleitende Schicht zwischen der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode und der zweiten Isolierschicht und zwischen der dritten Isolierschicht und der Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt der Abgas-FS-Sensor eine Kompensation für die Temperatur des Abgas-FS-Sensors, abgeschiedenen Feinstaub und dessen Temperatur durch, wodurch eine genauere FS-Erfassung und Regeneration und von einer Heizung gemessene Temperatur ohne einen Temperatursensor möglich sind.
Wenn der Widerstandswert R1 an der FS-Nachweiselektrode gemessen wird und der Widerstandswert R2 an der Temperaturkompensationselektrode, beabstandet in einem vorgegebenen Abstand von der FS-Nachweiselektrode, mit der gleichen Fläche wie die Temperaturkompensationselektrode gemessen wird, wird eine Temperaturkorrektur der FS-Nachweiselektrode anhand eines Verhältnisses zwischen R1 und R2 oder eines Unterschieds zwischen R1 und R2 durchgeführt. Die FS-Nachweiselektrode und die Temperaturkompensationselektrode sind bezüglich Material und Fläche gleich. Insbesondere sind die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode und die Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode bezüglich Material und Fläche gleich. Die FS-Nachweiselektrode ist Abgas ausgesetzt und ist daher mit Feinstaub bedeckt, und die Temperaturkompensationselektrode ist aufgrund der Isolierschicht nicht direkt dem Abgas ausgesetzt. Daher ist es möglich, den Temperaturunterschied, der infolge des Einflusses von Feinstaub auftritt, durch einen Widerstandsunterschied zwischen R1 und R2 oder ein Widerstandsverhältnis zwischen R1 und R2 unter den gleichen Bedingungen zu korrigieren.
Figurenliste
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich, in denen:

1 ein Diagramm ist, das eine Struktur eines herkömmlichen Abgasfeinstaubsensors veranschaulicht;
2 ein Diagramm ist, das eine Struktur eines erfindungsgemäßen Abgasfeinstaubsensors veranschaulicht;
3 ein Diagramm ist, das Stadien, in denen FS in einem erfindungsgemäßen Abgasfeinstaubsensor abgeschieden wird, veranschaulicht;
4 eine Kurve ist, die erfindungsgemäß eine Veränderung des Widerstands und der elektrischen Leitfähigkeit für jedes Stadium, in dem FS abgeschieden wird, veranschaulicht;
5 ein Diagramm ist, das erfindungsgemäß eine Länge (L₀ ) einer Erfassungselektrode und die FS-Partikelgröße (I) veranschaulicht;
6 ein Diagramm ist, das erfindungsgemäß eine Form einer Erfassungselektrode und einer externen Elektrode, die zur Korrektur einer Temperatur eines FS-Sensors und des abgeschiedenen Feinstaubs in der Lage sind, veranschaulicht;
7 ein Diagramm ist, das ein Beispiel für die Temperaturerfassung und Heizungsregenerationsstruktur eines erfindungsgemäßen FS-Sensors veranschaulicht;
8 ein Diagramm ist, das ein weiteres Beispiel für die Temperaturerfassung und Heizungsregenerationsstruktur eines erfindungsgemäßen FS-Sensors veranschaulicht;
9 ein Diagramm ist, das noch ein weiteres Beispiel für die Temperaturerfassung und Heizungsregenerationsstruktur eines erfindungsgemäßen FS-Sensors veranschaulicht; und
10 ein Diagramm ist, das wiederum ein weiteres Beispiel für die Temperaturerfassung und Heizungsregenerationsstruktur eines erfindungsgemäßen FS-Sensors veranschaulicht.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden nachfolgend beschriebene Ausführungsformen bereitgestellt, sodass der Fachmann den technischen Geist der vorliegenden Erfindung leicht verstehen kann, und die vorliegende Erfindung ist daher nicht darauf beschränkt. Darüber hinaus können sich die in den beigefügten Zeichnungen beschriebenen Sachverhalte von den tatsächlich implementierten anhand schematisierter Zeichnungen unterscheiden, um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung leicht zu beschreiben.
Es ist davon auszugehen, dass ein Element, sofern es als mit einem anderen Element gekoppelt oder verbunden bezeichnet wird, direkt mit dem anderen Element gekoppelt oder verbunden sein kann oder intervenierende Elemente dazwischen vorhanden sein können.
Der Begriff „Verbindung“, wie er hierin verwendet wird, bedeutet eine direkte Verbindung oder eine indirekte Verbindung zwischen einem Glied und einem anderen Glied und kann sich auf alle physischen Verbindungen wie Anhaftung, Anfügung, Befestigung, Verklebung, Kopplung und dergleichen beziehen.
Auch Ausdrücke wie „erster“ und „zweiter“ usw. werden nur verwendet, um zwischen Pluralkonfigurationen zu unterscheiden, und beschränken die Reihenfolge oder andere Beschreibungen zwischen Konfigurationen nicht.
Die Singularform „ein/eine“ oder „der/die/das“, wie sie hierin verwendet wird, soll auch die Pluralformen einschließen, sofern im Kontext nicht eindeutig anders angezeigt. Es ist davon auszugehen, dass Begriffe wie „einschließen“, „aufweisen“ usw. das Vorliegen von Merkmalen, Zahlen, Schritten, Aktionen, Elementen, Teilen oder Kombinationen davon, die in der Beschreibung offenbart sind, anzeigen sollen und die Möglichkeit einschließen sollen, dass ein/eine oder mehrere andere Merkmale, Zahlen, Schritte, Aktionen, Elemente, Teile oder Kombinationen davon hinzugefügt werden können.
Nachfolgend wird ein Abgasfeinstaubsensor gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das eine Struktur eines herkömmlichen Abgasfeinstaubsensors veranschaulicht. 2 ist ein Diagramm, das eine Struktur eines erfindungsgemäßen Abgasfeinstaubsensors veranschaulicht.
In 1 ist eine FS-Nachweiselektrode des herkömmlichen FS-Sensors aus einem Paar ineinandergreifender Interdigitalelektroden (IDE) gebildet, wobei gemusterte Elektrode auf einem Keramiksubstrat in einem vorgegebenen Abstand voneinander beabstandet sind. Als Material der Interdigitalelektrode kann Platin mit einem spezifischen Widerstand von 10^-7 Ωm verwendet werden.
In 1 besteht eine FS-Nachweiselektrode aus einer Erfassungselektrode und einer externen Elektrode. Die FS-Nachweiselektrode soll eine Widerstandsänderung messen, die durch Feinstaubscheidung in der zwischen den externen Elektroden befindlichen Erfassungselektrode hervorgerufen wird, und hat den Nachteil, dass die Widerstandsänderung nicht nur durch Feinstaub, der durch unvollständige Verbrennung erzeugt wird, sondern auch durch im Abgas enthaltene Metallpartikel beeinträchtigt wird. Das heißt, das Abgas schließt in Schmieröl und dergleichen enthaltene feine Metallpartikel ein, die die Widerstandsänderung beeinträchtigen können. Bewirkt ein Metallpartikel, dass ein elektrischer Strom an die Elektrode angelegt wird, nimmt die elektrische Leitfähigkeit rasch zu, was zu einer fatalen Auswirkung auf die Funktion des die Widerstandsänderung messenden FS-Sensors führt.
In 2 wird erfindungsgemäß eine Erfassungselektrode 21, die einen größeren spezifischen Widerstand (also eine geringe elektrische Leitfähigkeit (σ=1/p)) als eine externe Elektrode und Feinstaub 22 aufweist, zwischen externe Elektroden 20 angeordnet, um den Einfluss von im Abgas enthaltenden Metallpartikeln zu reduzieren. Als Material für die externe Elektrode kann Platin mit einem spezifischen Widerstand von 10^-7Ωm verwendet werden. Als Material für die Erfassungselektrode kann SiC, das ein halbleitendes Material mit einem spezifischen Widerstand von 10^-3 Ωm ist, verwendet werden.
Das heißt, da in der Erfassungselektrode Feinstaub abgeschieden wird, fließt der durch die Erfassungselektrode fließende Strom durch Feinstaub mit geringem spezifischem Widerstand (also relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit im Vergleich zur Erfassungselektrode), sodass der Gesamtwiderstand reduziert wird. Die Widerstandsänderung zu diesem Zeitpunkt wird gemessen, um die Menge des abgeschiedenen Feinstaubs zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung weist dahingehend einen Unterschied zu dem herkömmlichen Sensor auf, dass der Abstand zwischen den Erfassungselektroden größer sein kann, da es die vorliegende Erfindung ermöglicht, die Signale von der FS-Abscheidung zwischen den Erfassungselektroden zu messen. Dieser Unterschied führt zu einer geringeren Auswirkung von Metallpartikeln im Abgas.
3 ist ein Diagramm, das Stadien, in denen FS 22 in einem erfindungsgemäßen Abgasfeinstaubsensor abgeschieden wird, veranschaulicht. Das Anfangsstadium ist, dass kein Feinstaub in der zwischen den externen Elektroden 20 befindlichen Erfassungselektrode 21 abgeschieden wird. Stadium 1, in dem die Feinstaubascheidung beginnt, und Stadium 2, in dem sich die Abscheidung fortsetzt, werden gefolgt von Stadium 3, in dem Feinstaub ausreichend abgeschieden ist. Eine Eigenschaft zur Unterscheidung der Stadien ist mit der in 4 dargestellten Änderung des Widerstands oder der elektrischen Leifähigkeit beschrieben.
Nach Beginn der Feinstaubabscheidung ist die Veränderung des Gesamtwiderstands auf die in der Erfassungselektrode abgeschiedene Feinstaubmenge und Feinstaubgröße, die durch ~V₀/Iⁿ dargestellt werden kann, bezogen. Die Gesamtmenge (nachfolgend meint Gesamtmenge Volumen) des in der Erfassungselektrode abgeschiedenen Feinstaubs wird als V₀ bezeichnet, der Durchmesser des abgeschiedenen Feinstaubs wird als I bezeichnet und eine Konstante gemäß der Form des Feinstaubs wird als n bezeichnet.
Die Änderung des Gesamtwiderstands in Stadium 3, in dem der Feinstaub ausreichend abgeschieden ist, ist nur auf die Gesamtmenge des abgeschiedenen Feinstaubs bezogen. Daher kann die Gesamtmenge (V₀) des abgeschiedenen Feinstaubs aus dem Widerstandswert in Stadium 3 gemessen werden und die Feinstaubzahl kann durch Verrechnen von V₀ aus dem Widerstandswert in Stadium 1 berechnet werden. Nach Stadium 3, wenn eine vorgegebene Menge oder mehr Feinstaub abgeschieden ist, ist eine kontinuierliche Überwachung in einem Regenerationsschritt möglich.
Dies wird durch eine Gleichung wie folgt dargestellt.
Der Widerstand (R) an der zwischen den externen Elektroden befindlichen Erfassungselektrode wird durch 1/R = 1/R_SIC + 1/R_c dargestellt, wobei der Widerstand Rsic durch SiC hervorgerufen wird, das das halbleitende Substrat ist, und der Widerstand Rc durch den Feinstaub hervorgerufen wird.
Der Gesamtwiderstand (R) in Stadium 1 wird durch R = ρ_SiC/A_SiC(L₀ - V₀/I²) = ρ_SiCL₀/A_SiC - ρ_SiCV₀/A_SiCI² dargestellt, wobei ρ_SiC, A_SiC, L₀, V₀ und I den spezifischen Widerstand der Erfassungselektrode, die Querschnittsfläche der Erfassungselektrode, die Länge der Erfassungselektrode, das Gesamtvolumen des abgeschiedenen Feinstaubs bzw. den Durchmesser des abgeschiedenen Feinstaubs bezeichnet.
Hier ist ρ_SiCL₀/A_SiC = R₀, -ρ_SiCV₀/A_SiCI² ist ΔR_FS und R = R₀ + ΔR_FS wird erhalten.
Indes ist V₀ durch V₀ = v₀·t gegeben. Die Gesamtmenge des in der Erfassungselektrode abgeschiedenen Feinstaubs wird als V₀ bezeichnet und die Menge des pro Zeiteinheit abgeschiedenen Feinstaubs wird als v₀ bezeichnet und die Zeit wird als t bezeichnet. Wendet man dies in Stadium 1 an, ist R = ρ_SiC/A_SiC (L₀ - V₀/I²) = ρ_SiCL₀/A_SiC - ρ_SiCV₀/A_SiCI² = ρ_SiCL₀/A_SiC - (ρ_SiCV₀/A_SiC I²)·t eine lineare Gleichung, die bezüglich der Zeit t linear ansteigt, und die Steigung m1 ist -(ρ_SiCv₀/A_SiC I²).
Der Gesamtwiderstand (R) in Stadium 3 hängt von dem durch den Feinstaub hervorgerufenen Widerstand (R_C) ab.
Das heißt, R ~ R_C = p_C L₀/A_C = p_C L₀ ²/V₀ wird erhalten. Der spezifische Widerstand und die Querschnittsfläche des abgeschiedenen Feinstaubs werden als pc bzw. Ac bezeichnet. Die Länge der Erfassungselektrode und das Gesamtvolumen des abgeschiedenen Feinstaubs werden als L₀ bzw. V₀ bezeichnet.
Daraus wird die elektrische Leitfähigkeit G = V₀/(p_c L₀ ²) erhalten, die der Kehrwert des Widerstands ist. Bei Anwendung von V₀ = _V0·t wird der elektrische Widerstand G = (v₀/(p_C L₀ ²)·t erhalten. Das heißt, die elektrische Leitfähigkeit wird durch eine lineare Gleichung mit einer Steigung m3 = (v₀/(p_C L₀ ²) in Bezug auf die Zeit dargestellt.
Indes ist die Menge V₀ des pro Zeiteinheit abgeschiedenen Feinstaubs proportional zu der Menge (V_FS) des Feinstaubs im Abgas. Daraus wird V₀ = α V_FS dargestellt und V_FS = (p_C L₀ ²/α)·m3 wird erhalten.
Indes hängt die Größe I des Feinstaubs hauptsächlich von der Art des Kraftstoffs, beispielsweise Benzin oder Diesel, und der Eigenschaft des Motors, wie Direkteinspritzung oder Turbolader, ab, sodass sich die Größe I im Verlauf der Zeit nicht wesentlich ändert und als Konstante (l₀) gilt. Daraus wird die Menge des Feinstaubs in Stadium 1 durch V_FS = (A_SiC l₀ ²/p_SiC α)·m1 ermittelt.
Indes ist 4 ein Diagramm, das erfindungsgemäß eine Veränderung des Widerstands und der elektrischen Leitfähigkeit für jedes Stadium, in dem FS abgeschieden wird, veranschaulicht. 4 stellt Eigenschaften von Stadium 1 und Stadium 3 dar. Das heißt, Stadium 1 weist die Eigenschaft auf, dass der Widerstand im Verlauf der Zeit mit der Abscheidung des Feinstaubs linear abnimmt. Stadium 3 weist die Eigenschaft auf, dass die elektrische Leitfähigkeit im Verlauf der Zeit mit der Abscheidung des Feinstaubs linear zunimmt. Das heißt, die Steigung m1 in Stadium 1 weist einen negativen Wert auf und die Steigung m3 in Stadium 3 weist einen positiven Wert auf.
Aus der Steigung m3 = v₀/(pc L₀ ²) der in Stadium 3 gemessenen elektrischen Leitfähigkeit wird α erhalten.
Aus diesen Werten wird V_FS = (pc L0²/α)·m3, das die Feinstaubmenge im Abgas ist, berechnet. Aus m1 = -ρ_SiC v₀/(A_SiC l²), gemessen in Stadium 1, wird die Größe I des Feinstaubs, I² = -(ρ_SiCp_C L₀ ²/A_SiC)·m3/m1, berechnet.
5 ist ein Diagramm, das erfindungsgemäß eine Länge (L₀) einer Erfassungselektrode und die FS-Partikelgröße (I) veranschaulicht.
6 ist ein Diagramm, das erfindungsgemäß eine Form einer Erfassungselektrode und einer externen Elektrode, die zur Korrektur einer Temperatur eines FS-Sensors und abgeschiedenen Feinstaubs in der Lage sind, veranschaulicht.
Verglichen mit 2, in der das halbleitende Substrat als Erfassungselektrode verwendet wird, stellt 6 ein Konzept dar, das zusätzlich zu der externen Elektrode mit dem halbleitenden Substrat, die als Erfassungselektrode verwendet wird, eine weitere externe Elektrode für die Temperaturkorrektur mit einem nichtleitenden Überzug auf einem halbleitenden Substrat bereitstellt. 6 stellt die Struktur einer Erfassungselektrode/externen Elektrode (einer FS-Nachweiselektrode) und eines halbleitenden Substrats 60 ohne Temperaturkorrektur und zusätzlich zu der FS-Nachweiselektrode dar und stellt zudem die Struktur (befindlich an der inneren Unterseite der FS-Nachweiselektrode in 6) einer Erfassungselektrode/externen Elektrode 61 (nachfolgend als Temperaturkompensationselektrode bezeichnet) mit einem nichtleitenden Überzug auf einem halbleitenden Substrat dar. In dieser Beschreibung haben Temperaturkompensation und Temperaturkorrektur im Wesentlichen die gleiche Bedeutung. Der Begriff „Temperaturkompensationselektrode“ wird als Name der Elektrodenstruktur verwendet, ansonsten wird der Begriff „Temperaturkorrektur“ verwendet.
Eine Erfassungselektrode, die ein halbleitendes Substrat verwendet, ist oben mit Bezug auf die 2 bis 5 beschrieben und liefert einen Messwert (nachfolgend als R1 bezeichnet) ohne Temperaturkorrektur.
Eine Erfassungselektrode mit einem nichtleitenden Überzug, die sich zur Temperaturkorrektur zwischen externen Elektroden befindet, liefert einen Messwert (nachfolgend als R2 bezeichnet) zur Temperaturkorrektur. Der durch die Temperaturkorrektur hervorgerufene Unterschied bezüglich der Widerstandswerte wird durch ΔR = R1 - R2 dargestellt und das durch die Temperaturkorrektur hervorgerufene Verhältnis der Widerstandswerte wird durch γ = R1/R2 dargestellt.
R1 = R₀ + ΔR_T+ ΔR_FS wird erhalten und R2 = R₀ + ΔR_T wird erhalten. Der Widerstand vor der Temperaturänderung vor der Feinstaubabscheidung wird als R₀ bezeichnet. Die nur durch die Temperaturänderung hervorgerufene Widerstandsänderung wird als ΔR_T bezeichnet. Die nur durch die Feinstaubabscheidung hervorgerufene Widerstandsänderung wird als ΔR_FS bezeichnet und ist proportional zu dem Unterschied zwischen dem spezifischen Widerstand des halbleitenden Substrats und dem durch die Feinstaubabscheidung hervorgerufenen spezifischen Widerstand und zu der Menge des abgeschiedenen Feinstaubs. Daraus wird ΔR_FS = β'(p_SiC-p_C)·M_FS dargestellt. Da der spezifische Widerstand des Feinstaubs im Vergleich zu dem spezifischen Widerstand eines Erfassungselektrodensubstrats vernachlässigbar ist, wird ΔR_FS = β' p_SiC·M_FS dargestellt. Hier ist β' die Proportionalitätskonstante, die gleich dem Verhältnis der durch die Feinstaubabscheidung hervorgerufenen Widerstandsänderung zu dem Produkt aus der Menge des abgeschiedenen Feinstaubs und dem Unterschied des spezifischen Widerstands zwischen dem halbleitenden Substrat und dem Feinstaub ist. Bei Anwendung von R_SiC = p_SiC.L₀/A_SiC wird ΔR_FS = β.R_SiC·M_FS dargestellt.
Hier ist β = β.A_SiC/L₀ die Proportionalitätskonstante, die gleich dem Verhältnis der durch die Feinstaubabscheidung hervorgerufenen Widerstandsänderung zu dem Produkt aus dem Widerstand des halbleitenden Substrats und der Menge des abgeschiedenen Feinstaubs ist. Der Widerstand vor der Feinstaubabscheidung wird als Rsic bezeichnet, der gleich R2 ist. Daher wird ΔR_FS = β R2·M_FS dargestellt. In Stadium 1 wird ΔR_FS = -p_SiCV₀/(A_SiCl²) dargestellt. Bei Anwendung von M_FS = V₀.δ_FS wird β=1/(δ_FS·l³) erhalten. Hier wird die Dichte des Feinstaubs als δ_FS bezeichnet.
Daraus bezeichnet ΔR = R1 - R2 = ΔR_FS den durch den abgeschiedenen Feinstaub hervorgerufenen Unterschied des Widerstandswerts und γ = R1/R2 ist linear proportional zu der Masse des abgeschiedenen Feinstaubs bei 1+β·M_FS.
Indes bezieht sich SiC auf ein halbleitendes Keramikmaterial (HK), und SiC ist ein Beispiel hierfür.
7 stellt einen Feinstaubsensor 100 dar, der auf einer Abgasleitung bereitgestellt ist, durch die Abgas von einem Fahrzeug strömt, wobei der FS-Sensor mit einer Elektrode versehen ist, die gebildet ist, um FS nachzuweisen. Der FS-Sensor 100 schließt Folgendes ein: eine erste Isolierschicht 110; eine unter der ersten Isolierschicht 110 angeordnete Temperaturkompensationselektrode 160; eine von der Temperaturkompensationselektrodein einem vorgegebenen Abstand beabstandete FS-Nachweiselektrode 150; eine unter der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 angeordnete zweite Isolierschicht 120; eine unter der zweiten Isolierschicht 120 angeordnete Heizungselektrode 160; und eine unter der Heizungselektrode 170 angeordnete dritte Isolierschicht 130.
7 stellt ein Beispiel für Positionen der FS-Nachweiselektrode 150 ohne Temperaturkorrektur sowie der Temperaturkompensationselektrode 160 zur Temperaturkorrektur dar, wobei zwei Elektroden entlang der Länge des FS-Sensors in einem vorgegebenen Abstand voneinander beabstandet sind und Seite an Seite in der Links-Rechts-Richtung auf der gleichen Ebene mit der gleichen Länge wie der FS-Sensor unter der ersten Isolierschicht 110 positioniert sind. Bezüglich der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 kann die gesamte Oberfläche von der darunter angeordneten zweiten Isolierschicht 120 unterstützt werden. Außerdem können nur die Erfassungselektroden, die Teil der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 sind, nicht direkt durch die zweite Isolierschicht 120 unterstützt werden und die halbleitende Schicht 180 kann dazwischen angeordnet sein. Die halbleitende Schicht 180 ist eine Überzugsschicht und wird durch die externe Elektrode der FS-Nachweisschicht 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 sowie durch die zweite Isolierschicht 120 unterstützt. Die Wirkung der Dicke wird vernachlässigt.
Die erste Isolierschicht ist auf der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 angeordnet, bedeckt aber nicht die gesamte FS-Nachweiselektrode 150 und die gesamte Temperaturkompensationselektrode 160. Wie in 7 dargestellt, ist die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 nicht mit der ersten Isolierschicht 110 bedeckt. Umgekehrt ist die gesamte Temperaturkompensationselektrode 160 mit der ersten Isolierschicht 110 bedeckt.
Das heißt, mit Ausnahme der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 können die externen Elektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 mit der ersten Isolierschicht 110 zur Unterstützung bedeckt sein.
Da die Temperaturkompensationselektrode 160 aufgrund der ersten Isolierschicht 110 dem Abgas nicht direkt ausgesetzt ist und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 dem Abgas direkt ausgesetzt sein muss, ist die erste Isolierschicht 110 nicht auf dem entsprechenden Teil angeordnet.
Anders als die Temperaturkompensationselektrode 160 ist die erste Isolierschicht 110 nicht auf der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 angeordnet, und die Erfassungselektrode ist gebildet, um dem Abgas direkt ausgesetzt zu sein.
Die Heizungselektrode 170 zur FS-Regeneration ist unter der zweiten Isolierschicht 120 angeordnet und die dritte Isolierschicht 130 ist unter der Heizungselektrode 170 angeordnet. Das heißt, um den in der FS-Nachweiselektrode 150 abgeschiedenen FS thermisch zu entfernen, ist die Heizungselektrode 170 unter der Unterseite der FS-Nachweiselektrode 150 angeordnet, wobei sich die zweite Isolierschicht 120 dazwischen befindet.
Erfolgt die Abscheidung von FS in der FS-Nachweiselektrode 150, muss die FS-Nachweiselektrode 150 eine Selbstregeneration durchführen. Hier ist die als Wärmequelle dienende Heizung unter der Unterseite der FS-Nachweiselektrode 150 angeordnet. Da die Heizung und die FS-Nachweiselektrode 150 nicht in direktem Kontakt miteinander stehen können, ist die Isolierschicht, die elektrisch isoliert und zum Wärmetransfer in der Lage ist, notwendig.
Indes ist eine Regenerationstemperaturmessung zur Steuerung der Heizung erforderlich und wird von der Temperaturkompensationselektrode 160 durchgeführt. Das heißt, die Temperaturkompensationselektrode 160 misst die Temperatur der zweiten Isolierschicht 120 für die An-/Aus-Steuerung der Heizung. Da die zweite Isolierschicht 120 ein halbleitendes Material (zum Beispiel SiC) enthält, wird die Beziehung zwischen der Temperatur und der Widerstandsänderung im Vorhinein als Vergleichsausdruck oder Tabelle festgelegt. Da die Heizungsspannung so gesteuert wird, dass der Widerstand gehalten wird, der der Temperatur entspricht, bei der FS oxidiert, ist eine Heizungssteuerung ohne einen Temperatursensor möglich.
In dem in 7 dargestellten FS-Sensor 100 sind die FS-Nachweiselektrode 150 und die Temperaturkompensationselektrode 160 Seite an Seite in der Links-Rechts-Richtung in Bezug auf die Längsrichtung auf der gleichen Ebene angeordnet. In dem in 8 dargestellten FS-Sensor 200 sind die FS-Nachweiselektrode 150 und die Temperaturkompensationselektrode 160, die die gleiche Breite aufweisen, Seite an Seite in der Einwärts-Auswärts-Richtung in Bezug auf die Längsrichtung des FS-Sensors auf der gleichen Ebene angeordnet. Hier ist die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 im Vergleich zu der Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode 160 weiter nach außen in Bezug auf die Längsrichtung des FS-Sensors angeordnet. Die Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode 160 ist nach innen angeordnet.
Ähnlich dem in 7 dargestellten Beispiel werden in dem in 8 dargestellten zweiten Beispiel die Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 durch die zweite Isolierschicht 120 mittels der halbleitenden Schicht unterstützt. Das heißt, die halbleitende Schicht ist zum Überziehen zwischen der zweiten Isolierschicht und den Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 bereitgestellt. Im Gegensatz dazu werden die externen Elektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 durch die zweite Isolierschicht 120 unterstützt.
Die Heizungselektrode 170 ist zwischen der zweiten Isolierschicht 120 und der dritten Isolierschicht 130 angeordnet und ist an einem Punkt angeordnet, an dem die FS-Nachweiselektrode 150 erwärmt werden kann.
In der in 7 dargestellten Anordnungsstruktur sind die Positionen der jeweiligen Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 für die Verlängerung in die Längsrichtung vorteilhaft. In der in 8 dargestellten Anordnungsstruktur sind die Positionen der jeweiligen Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 für die Verlängerung in die Querrichtung vorteilhaft. Zwei Arten multipler Sensoren können so bereitgestellt werden, dass die Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 für die Verlängerung in die Längsrichtung oder die Querrichtung vorteilhaft gemacht werden.
Die zweite Isolierschicht 120 ist zwischen der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 angeordnet.
Die Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 stehen nicht in direktem Kontakt mit der zweiten Isolierschicht 120 zur Unterstützung. Die Überzugsschicht aus einem halbleitenden Material, also die halbleitende Schicht 180, ist zwischen der Erfassungselektrode und der zweiten Isolierschicht 120 angeordnet. Da die Dicke der halbleitenden Schicht vernachlässigbar ist, stehen die externen Elektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 in direktem Kontakt mit der zweiten Isolierschicht 120 zur Unterstützung.
Da die gesamte Temperaturkompensationselektrode 160 aufgrund der ersten Isolierschicht 110 Abgas nicht direkt ausgesetzt ist und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 Abgas direkt ausgesetzt sein muss, ist die erste Isolierschicht 110 nicht auf der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 angeordnet. Daher ist die erste Isolierschicht 110 um die Länge der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150, die Abgas ausgesetzt ist, kürzer als die zweite Isolierschicht 120.
Ähnlich der Temperaturkompensationselektrode 160 sind die externen Elektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 mit der ersten Isolierschicht 110 bedeckt. Das heißt, mit Ausnahme der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 sind die externen Elektroden der FS-Nachweiselektrode 150 und der Temperaturkompensationselektrode 160 sowie die Temperaturkompensationselektrode 160 mit der ersten Isolierschicht 110 bedeckt.
Indes liegen, wenn die FS-Nachweiselektrode 150 und die Temperaturkompensationselektrode 160 auf der gleichen Ebene angeordnet sind, zwei elektrische Schaltkreise nahe beieinander. Dass die FS-Nachweiselektrode 150 nahe bei der Temperaturkompensationselektrode 160 auf der gleichen Ebene liegt, kann in einer Abgasumgebung unvorteilhaft sein, in der Feinstaub, das ein leitfähiges Material ist, vorhanden ist.
Daher stellt 9 eine Struktur dar, in der die elektrischen Schaltkreise innerhalb verschiedener Isolierschichten angeordnet sind.
9 stellt einen Feinstaubsensor 300 dar, der auf einer Abgasleitung bereitgestellt ist, durch die Abgas von einem Fahrzeug strömt, wobei der FS-Sensor mit einer Elektrode versehen ist, die gebildet ist, um FS nachzuweisen. Der FS-Sensor 300 schließt Folgendes ein: eine erste Isolierschicht 110; eine unter der ersten Isolierschicht 110 angeordnete FS-Nachweiselektrode 150; eine unter der FS-Nachweiselektrode 150 angeordnete zweite Isolierschicht 120; eine unter der zweiten Isolierschicht 120 angeordnete Temperaturkompensationselektrode 160; eine unter der Temperaturkompensationselektrode 160 angeordnete dritte Isolierschicht 130; eine unter der dritten Isolierschicht 130 angeordnete Heizungselektrode 170; und eine unter der Heizungselektrode 170 angeordnete vierte Isolierschicht 140.
Das heißt, die Struktur weist die erste Isolierschicht 110, die FS-Nachweiselektrode 150, die zweite Isolierschicht 120, die Temperaturkompensationselektrode 160, die dritte Isolierschicht 130, die Heizungselektrode 170 und die vierte Isolierschicht 140 in dieser Reihenfolge auf.
Die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 ist nicht mit der ersten Isolierschicht darauf bedeckt, um dem Abgas direkt ausgesetzt zu sein, und nur die externe Elektrode der FS-Nachweiselektrode 150 ist mit der ersten Isolierschicht 110 zur Unterstützung bedeckt. Daher ist die erste Isolierschicht 110 kürzer als die zweite Isolierschicht 120.
In 9 können die erste und zweite halbleitende Schicht 180-1 und 180-2 zwischen der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 und der zweiten Isolierschicht 120 bzw. zwischen der Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode 160 und der dritten Isolierschicht 130 angeordnet sein.
Dies ist vorgesehen, um einen durch die Heizungselektrode 170 hervorgerufenen Temperaturanstieg genauer zu messen, da die Temperaturkompensationselektrode 160 näher bei der Heizungselektrode 170 liegt.
Die Temperatur der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 muss auf 700 °C oder mehr erhöht, werden, damit in der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode abgeschiedener FS oxidiert wird. In der Praxis muss die Heizung auf eine höhere Temperatur erwärmt werden. Hier kann das Risiko eines möglicherweise auftretenden übermäßigen Temperaturanstiegs durch die dritte Isolierschicht 130 und die zweite halbleitende Schicht 180-2 blockiert werden.
10 stellt einen Feinstaubsensor 400 dar, der auf einer Abgasleitung bereitgestellt ist, durch die Abgas von einem Fahrzeug strömt, wobei der FS-Sensor mit einer Elektrode versehen ist, die gebildet ist, um FS nachzuweisen. Der FS-Sensor 400 schließt Folgendes ein: eine erste Isolierschicht 110; eine unter der ersten Isolierschicht 110 angeordnete FS-Nachweiselektrode 150; eine unter der FS-Nachweiselektrode 150 angeordnete zweite Isolierschicht 120; eine unter der zweiten Isolierschicht 120 angeordnete Heizungselektrode 170; eine unter der Heizungselektrode 170 angeordnete dritte Isolierschicht 130; eine unter der dritten Isolierschicht 130 angeordnete Temperaturkompensationselektrode 160; und eine unter der Temperaturkompensationselektrode 160 angeordnete vierte Isolierschicht 140.
Das heißt, die Struktur weist die erste Isolierschicht 110, die FS-Nachweiselektrode 150, die zweite Isolierschicht 120, die Heizungselektrode 170, die dritte Isolierschicht 130, die Temperaturkompensationselektrode 160 und die vierte Isolierschicht 140 auf.
Die zweite Isolierschicht 120 ist unter der FS-Nachweiselektrode 150 angeordnet.
Die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 kann mittels der halbleitenden Schicht 180 unterstützt werden, ohne in direktem Kontakt mit der zweiten Isolierschicht 120 zu stehen.
Da die Temperaturkompensationselektrode 160 dem Abgas nicht direkt ausgesetzt ist, die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 jedoch dem Abgas direkt ausgesetzt sein muss, befindet sich keine erste Isolierschicht 110 darauf.
Mit Ausnahme der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 ist nur die externe Elektrode der FS-Nachweiselektrode 150 mit der ersten Isolierschicht 110 zur Unterstützung bedeckt. Daher ist die Isolierschicht anders als die Temperaturkompensationselektrode 160 nicht auf der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 angeordnet und die Erfassungselektrode ist gebildet, um Abgas direkt ausgesetzt zu sein.
In 10 kann die halbleitende Schicht 180 zwischen der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode 150 und der zweiten Isolierschicht 120 und zwischen der dritten Isolierschicht 130 und der Temperaturkompensationselektrode 160 angeordnet sein.
Im Vergleich zu dem Fall, bei dem die FS-Nachweiselektrode 150 und die Temperaturkompensationselektrode 160 Seite an Seite auf der gleichen Ebene angeordnet sind, ist die Anzahl der Isolierschichten erhöht, sodass elektrische Stabilität erhalten wird.
Es ist wünschenswert, dass die erste Isolierschicht 110 und die vierte Isolierschicht 140 an symmetrischen Punkten in Bezug auf den Abgasstrom bereitgestellt werden.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert werden kann, ohne die technische Idee oder wesentliche Eigenschaften der vorliegenden Erfindung zu verändern. Daher sind die oben beschriebenen Ausführungsformen die bevorzugtesten Ausführungsformen, ausgewählt aus verschiedenen Ausführungsformen, um dem Fachmann zu helfen, die vorliegende Erfindung zu verstehen, und die technische Idee der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es ist anzumerken, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Ersetzungen möglich sind und Äquivalente davon ebenfalls möglich sind, ohne von der technischen Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche gekennzeichnet, nicht durch die oben beschriebene detaillierte Beschreibung, und es sollte eine Auslegung dahingehend erfolgen, dass alle Änderungen oder Modifikationen, die von der Bedeutung und dem Umfang der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalenten abgeleitet sind, in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen. Es ist zudem davon auszugehen, dass alle Begriffe oder Wörter, die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, auf der Grundlage des Prinzips definiert sind, dass der Erfinder Begriffe für die beste Erklärung entsprechend definieren darf. Daher sollten die Begriffe oder Wörter nicht als lediglich auf typische Bedeutungen oder Wörterbuchdefinitionen beschränkt interpretiert werden. Weiterhin muss die Reihenfolge der beschriebenen Konfigurationen in dem oben beschriebenen Prozess nicht in einer Zeitreihe durchführt werden, und selbst wenn die Durchführungsreihenfolge der Konfigurationen und Schritte geändert wird, sind diese Prozesse im Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen, solange der Kern der vorliegenden Erfindung erfüllt ist.

Claims

Abgas-Feinstaub (FS)-Sensor für ein Fahrzeug, wobei der Sensor Folgendes umfasst: eine erste Isolierschicht; eine unter der ersten Isolierschicht angeordnete Temperaturkompensationselektrode; eine mit der Temperaturkompensationselektrode Seite an Seite auf der gleichen Ebene angeordnete FS-Nachweiselektrode; eine unter der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode angeordnete zweite Isolierschicht; eine unter der zweiten Isolierschicht angeordnete Heizungselektrode; und eine unter der Heizungselektrode angeordnete dritte Isolierschicht, wobei externe Elektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode sowie die Temperaturkompensationselektrode aufgrund der ersten Isolierschicht dem Abgas nicht ausgesetzt sind und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode dem Abgas ausgesetzt ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei eine Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode mit der gleichen Länge Seite an Seite in einer Links-Rechts-Richtung entlang einer Längsrichtung des FS-Sensors angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 1, wobei eine Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode mit der gleichen Breite Seite an Seite in einer Einwärts-Auswärts-Richtung entlang einer Längsrichtung des FS-Sensors angeordnet sind und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode im Vergleich zu der Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode weiter außen angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 2, weiter umfassend: eine zwischen der zweiten Isolierschicht und den Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode angeordnete halbleitende Schicht, wobei die halbleitende Schicht, der Feinstaub und die Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode nach abnehmender Größenordnung des spezifischen Widerstands vorliegen und die Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode bezüglich Fläche und Material gleich sind und ein Widerstandswert R1 der FS-Nachweiselektrode und ein Widerstandswert R2 der Temperaturkompensationselektrode gemessen werden und die Temperaturkompensation der FS-Nachweiselektrode unter Anwendung eines Unterschieds zwischen R1 und R2 oder eines Verhältnisses zwischen R1 und R2 durchgeführt wird.
Sensor nach Anspruch 3, weiter umfassend: eine zwischen der zweiten Isolierschicht und den Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode angeordnete halbleitende Schicht, wobei die halbleitende Schicht, der Feinstaub und die Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode nach abnehmender Größenordnung des spezifischen Widerstands vorliegen und die Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode bezüglich Fläche und Material gleich sind und ein Widerstandswert R1 der FS-Nachweiselektrode und ein Widerstandswert R2 der Temperaturkompensationselektrode gemessen werden und die Temperaturkompensation der FS-Nachweiselektrode unter Anwendung eines Unterschieds zwischen R1 und R2 oder eines Verhältnisses zwischen R1 und R2 durchgeführt wird.
Abgas-Feinstaub (FS)-Sensor für ein Fahrzeug, wobei der Sensor Folgendes umfasst: eine erste Isolierschicht; eine unter der ersten Isolierschicht angeordnete FS-Nachweiselektrode; eine unter der FS-Nachweiselektrode angeordnete zweite Isolierschicht; eine unter der zweiten Isolierschicht angeordnete Temperaturkompensationselektrode; eine unter der Temperaturkompensationselektrode angeordnete dritte Isolierschicht; eine unter der dritten Isolierschicht angeordnete Heizungselektrode; und eine unter der Heizungselektrode angeordnete vierte Isolierschicht, wobei externe Elektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode aufgrund der ersten Isolierschicht Abgas nicht ausgesetzt sind und nur die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode dem Abgas ausgesetzt ist.
Sensor nach Anspruch 6, weiter umfassend: eine zwischen der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode und der zweiten Isolierschicht und zwischen einer Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode und der dritten Isolierschicht angeordnete halbleitende Schicht, wobei die halbleitende Schicht, der Feinstaub und die Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode nach abnehmender Größenordnung des spezifischen Widerstands vorliegen und die Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode bezüglich Fläche und Material gleich sind und ein Widerstandswert R1 der FS-Nachweiselektrode und ein Widerstandswert R2 der Temperaturkompensationselektrode gemessen werden und die Temperaturkompensation der FS-Nachweiselektrode unter Anwendung eines Unterschieds zwischen R1 und R2 oder eines Verhältnisses zwischen R1 und R2 durchgeführt wird.
Abgas-Feinstaub (FS)-Sensor für ein Fahrzeug, wobei der Sensor Folgendes umfasst: eine erste Isolierschicht; eine unter der ersten Isolierschicht angeordnete FS-Nachweiselektrode; eine unter der FS-Nachweiselektrode angeordnete zweite Isolierschicht; eine unter der zweiten Isolierschicht angeordnete Heizungselektrode; eine unter der Heizungselektrode angeordnete dritte Isolierschicht; eine unter der dritten Isolierschicht angeordnete Temperaturkompensationselektrode; und eine unter der Temperaturkompensationselektrode angeordnete vierte Isolierschicht, wobei externe Elektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode aufgrund der ersten Isolierschicht dem Abgas nicht ausgesetzt sind und nur eine Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode dem Abgas ausgesetzt ist.
Sensor nach Anspruch 8, weiter umfassend: eine zwischen der Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode und der zweiten Isolierschicht und zwischen der dritten Isolierschicht und einer Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode angeordnete halbleitende Schicht, wobei die halbleitende Schicht, der Feinstaub und die Erfassungselektroden der FS-Nachweiselektrode und der Temperaturkompensationselektrode nach abnehmender Größenordnung des spezifischen Widerstands vorliegen und die Erfassungselektrode der Temperaturkompensationselektrode und die Erfassungselektrode der FS-Nachweiselektrode bezüglich Fläche und Material gleich sind und ein Widerstandswert R1 der FS-Nachweiselektrode und ein Widerstandswert R2 der Temperaturkompensationselektrode gemessen werden und die Temperaturkompensation der FS-Nachweiselektrode unter Anwendung eines Unterschieds zwischen R1 und R2 oder eines Verhältnisses zwischen R1 und R2 durchgeführt wird.