JP2005510710A - ガス流における粒子状物質検出のためのセンサ - Google Patents

Abstract

この発明は、複数の測定電極を有している、ガス流中の粒子状物質、特に排気ガス流中のカーボン微粒子を検出するためのセンサに関するものであり、前記電極は、絶縁性の材料からなる基板（８；３４）上に配設されている。前記基板は、固体電解質（３４）を含んでおり、該固体電解質中に少なくとも２つの酸素ポンプセルが構成されている。これらの酸素ポンプセルにはそれぞれ１つの電極対が対応付けられている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念による、ガス流内の粒子状物質、特に排気ガス流内のカーボン微粒子の検出のためのセンサに関している。

ガス流内の粒子状物質（パティキュレート）の検出は実際には様々な手法で行われている。この検出の１つの可能性としては、通過する電気的に帯電された粒子状物質の測定電極系に作用する電荷を測定することが挙げられる。その他にもガス流中の粒子状物質の検出は、光学的な手法、例えばライトバリア（光電スイッチ）や汚れに基づいたものが公知である。

その他にも、冒頭に述べたような形式の実際に公知のセンサを用いたガス流中の粒子状物質検出が公知であり、これは主にディーゼル内燃機関を備えた自動車において、排気系に設けられたカーボン（パティキュレート）フィルタの機能性コントロールに用いられている。

例えば冒頭に述べたような公知のセンサでは、基板が排気ガスにさらされており、そのため場合によっては排気ガス中に含まれている粒子状物質、例えばカーボン微粒子が基板に堆積されてしまう。この基板へのカーボン微粒子の堆積はその電気的な抵抗値を低下させる。この抵抗値の測定には、基板に配設された２つの電極が用いられる。

発明の利点
絶縁材料からなる請求項１の上位概念に記載されたガス流中の粒子状物質、特に排気ガス流中のカーボン微粒子を検出するためのセンサにおいて、基板が固体電解質を含み、該固体電解質内に少なくとも２つの酸素ポンプセルが構成されており、それらにそれぞれ１つの電極対が対応付けられていることによって、高温にも耐えられる耐性を備えた準連続的な測定手法が得られる。しかもこの技術は僅かな測定技術的コストをかけるだけで長期に亘って安定して用いることができる。

本発明によるセンサは、例えばディーゼル内燃機関を備えた自動車の排気系もしくは、一般家庭の石油暖房に適用できるように設計仕様されてもよい。この場合は、簡単で低コストなフィルタ機能の検査が可能となる。このセンサは、適用領域に応じて相応に構成されたケーシング内に配設可能である。

本発明によるセンサの固体電解質は、例えばセラミックであり、これは約４００℃以上の温度から酸素に対して伝導的となる。

固体電解質内で構成される酸素ポンプセルは、それぞれ境界面を有しており、それらはそれぞれ電極によって形成され、固体電解質の両側に配設されている。それぞれの両境界面に存在するキャリヤの酸素含有量が異なれば、両境界面の間に電圧降下が発生し、この電圧降下は、異なる酸素含有量に対する尺度として用いられる。その限りでは、この酸素ポンプの動作方式は、λゾンデで形成される酸素ポンプセルの動作方式に相応する。

本発明によるセンサは、次のように設計仕様されてもよい。すなわち酸素ポンプセルのうちの一方が排気ガス中に含まれる粒子状物質によって損なわれるように、つまりその酸素ポンピング能力が、他方の酸素ポンプセルの酸素ポンピング能力よりも弱くなるようにしてもよい。この結果として排気ガス中の粒子状物質濃度が推定できる。

本発明の有利な実施形態によれば、２つの電極対に１つの共通電極が対応付け可能である。このケースでは、センサが３つの電極を有しており、それらが２つの酸素ポンプセルが構成に対応付けられている。

本発明によるセンサの電極は、例えば白金で形成されて厚膜技法により基板上に印刷されたものであってもよい。それにより酸素ポンプセルの電極対は、当該扁平膜のそれぞれ両側に配設されている。この膜の片側に配設された電極は、それぞれ基準ガス、例えば周辺ガスにさらされる。

本発明によるセンサの有利な実施形態によれば、酸素ポンプセルの少なくとも１つに拡散障壁が前置され、それによってセンサの電位差を利用した測定方式による作動形態のもとで、２つのポンプセル間で時間的な測定信号差分が生じるか、ないしは、２つのポンプセル間で異なる電流密度が生じる。粒子状物質の存在しない排気ガスでは、測定信号に一定の僅かな時間差が生じるかないしは一定の異なった電流密度が生じる。排ガス流に粒子状物質が含まれている場合に、酸素ポンプの一方がより強く低減する酸素流にさらされることによって、２つのポンプセル間の信号の違いがより顕著に変化する。この変化の速度と信号差分の程度が、該当する排気ガス中の粒子状物質濃度の尺度として利用できる。

有利には２つの酸素ポンプセルにはそれぞれ１つの拡散障壁が前置される。この場合２つの拡散障壁の拡散係数は異なっている。

前記拡散障壁は、異なる多孔度の構造体で構成し得る。しかしながら少なくとも１つの拡散障壁を、小さな拡散孔を備えた拡散チャンバ若しくは拡散空隙として構成することも考えられる。

前記拡散障壁は、電極に対する少なくとも１つの保護層として構成することも可能である。この拡散障壁は有利には高多孔度の多孔質層であり、汚れていない状態ないしは無負荷状態においては酸素透過性を有し、摩耗を引き起す研磨性排ガス成分に対する保護層として用いられる。排ガス中に粒子状物質が発生した場合にはこの保護層が塞がる。

センサの別の有利な実施形態によれば、２つの電極対のそれぞれ１つの電極が排ガス側とは反対側のセンサ表面に配設され、その場合これらの２つの電極が高多孔度の共通の保護層を備え、それらは研磨性の排ガス成分に対する電極保護を保証し、またセンサの電流測定機能のもとでは、それぞれポンプセルとして構成された電気化学的セルに対する拡散障壁を形成する。この場合有利には、上側電極の１つが多孔度の低い層を付加的にカバーする。

検出すべき粒子状物質が排気ガス中に存在する場合には、これらが特に多孔度の低いカバー構造部に効果的に堆積し、それによってこれらが有利に塞がれる。それにより、電位差を利用する作動方式のもとでは２つの測定信号の時間差が顕著に変化し、電流測定方式による作動モードのもとでは２つのポンプセルの信号振幅の差分が顕著に変化する。これらの変化の速度と信号差分の程度は、被検排気ガス中の粒子状物質濃度に対する尺度として利用することができる。

相応に拡散チャネルの開口部はそれぞれ保護層で覆うことも可能である。

本発明によるセンサの別の有利な実施形態によれば、拡散障壁とポンプセルが熱的に分離される。この分離は、ポンプセルを例えば８００℃の温度レベルまで作動させることを可能にする。それにより限界電流モードがより高いポンプ流密度のもとで可能になる。同時に拡散障壁も、約３００℃の温度のもとで作動可能となる。そのためそこにはカーボン微粒子が分解されることなく堆積し得る。

本発明によるセンサは、ポンピングレファレンスでもって動作し、及び/又は少なくとも１つのチャネルを有し得る。このチャネルは有利には、分離層の中に形成されレファレンスとして周囲と接続されるか若しくはセンサが設けられている排気ガスにさらされる。前者のケースでは、チャネルが基準チャネルとして構成されている。後者のケースでは、このチャネルがいわゆる拡散チャネルとして形成されている。

別の有利な実施形態によれば、センサが２つの拡散チャネルを含んでおり、それらがそれぞれ拡散障壁と共に構成されている。これらの拡散障壁は、それぞれ１つの異なる多孔度を有しており、そのため、多孔度のより低い方の拡散障壁が、被検排気ガス中に粒子状物質が出現した場合に早く塞がり、それによって、基板の片側に設けられているそれぞれの電極に到達する酸素の量が異なった量となり、ないしは粒子状物質で塞がれることによって異なった規模で変化する。

拡散チャネルは、例えば次のような形態で被検媒体、つまり排気ガスと接続する。すなわちこれらの拡散チャネルにそれぞれ１つの孔部が対応付けられ、この孔部が有利には積層状の基板内に形成される。これらの２つの孔部は、異なった拡散係数を有する異なる多孔度の多孔質層で覆われてもよい。

基板内の孔部と、第２の層内に形成される拡散チャネルは、スクリーン印刷手法による製造のもとで、バーニング（清浄化）材料、例えばカーボングラスなどを用いて中空空間として生成されてもよいし、充填によって構成されてもよい。後者のケースでは、それが多孔質性材料、例えば多孔質性の二酸化ジルコニウム、カーボングラス、酸化ある見ぬ無などで混合されて形成されてもよい。プリント層としての拡散チャネルと孔部の構成は、、特に多孔質層としての構成のもとで、拡散障壁の強度に有利となる。

孔部を拡散障壁で充たすことも可能である。これは保護層の機能も兼ね、種々異なる多孔度の多孔質材料からなる。それにより、孔部の上方に設けられる保護層は省略できる。

本発明によるセンサを、堆積した粒子状物質から清浄化できるようにするために、センサは有利には少なくとも１つの加熱素子を有している。拡散障壁の清浄化に対しては、この場合有利には、加熱素子が拡散障壁の領域内に配置される。

できるだけ大きな測定信号、つまりできるだけ大きなポンプ流を酸素ポンプセルにおいて得るために有利には、それぞれが酸素ポンプセルに対応付けられている２つの拡散障壁が熱的に相互に分離されて構成される。

有利には、拡散障壁の一方が酸素ポンプセルの近傍に配設され、それによってこの拡散障壁がセンサの作動中に継続的に加熱され、それによって酸化可能な粒子状物質が堆積できないようにするか若しくは迅速に燃焼させる。それに対して、センサの作動中に低温レベルにおかれる第２の拡散障壁（これは）には、粒子状物質の堆積が可能となる。それにより、粒子状物質が当該ガス流中に含まれている場合には、閉塞され加熱される拡散障壁と、閉塞されず加熱もされない拡散障壁との間で酸素透過度に大きな差が生じる。

さらに、加熱素子が拡散障壁の領域内に設けられている場合には、拡散障壁のこの種の熱的分離のもとで、当該加熱素子を、ガス流内に粒子状物質が存在する場合に閉塞される拡散障壁の領域に限定することも可能である。それにより比較的小さな幾何学的形状面のみを加熱素子で加熱するだけでよくなり、当該加熱素子を省エネ効果の高い小型に設計仕様することが可能となる。

本発明のさらに別の有利な実施例によれば、センサがガス流内に存在する粒子状物質に対する捕獲構造を有しており、それによって拡散障壁への粒子状物質の堆積が支援される。この捕獲構造とは、例えば捕獲スリーブとして形成されてもよいし、あるいはリリーフ状の表面として形成されてもよい。

固体電解質は、例えばイットリウム−安定化ジルコニアなどの材料で構成され得る。

センサは、さらに支持層を有し得る。この支持層もイットリウム−安定化ジルコニアから形成され、酸化アルミニウム−絶縁層を備えている。

製造技術的に有利な実施形態によれば、本発明によるセンサは、少なくとも部分的にスクリーン印刷技法で製造することも可能である。

本発明による対象のさらなる利点並びに有利な構成例は、以下の明細書、特許請求の範囲、図面に記載される。

図面
図面には、本発明によるセンサの３つの実施例が示されており、それらは以下の明細書で詳細に説明する。この場合、
図１は、本発明によるカーボンセンサの破断図であり、
図２は、前記カーボンセンサの代替実施例であり、
図３は、さらなる第３の実施例である。

図１には、自動車の排気ガス中の炭素微粒子を検出するためのセンサ１が示されている。このセンサ１は、排ガス系内に組み込めるように構成されており、それに対してここでは詳細には示されていないケーシング内に設けられている。

センサ１は、いわゆるスクリーン印刷手法による厚膜技法で製造される。このセンサは、イットリウム−安定化ジルコニアからなる支持層２を含んでおり、さらに酸化アルミニウムからなる絶縁層で被覆されている。この支持層２内には、電気的加熱素子３が集積化されており、該加熱素子は、コンタクト４、５を介して電圧源に接続可能である。加熱素子３は、センサ１の場合によってはセンサに堆積するカーボン微粒子の清浄化のために用いられる。

支持層２の上には第２の層６が設けられており、該第２の層ではいわゆる基準チャネル７が構成されている。この基準チャネルは、第２の層６の長手方向に延在し、周囲と接続、すなわち空気で充たされる。この第２の層６は、第３の層８によって覆われ、イットリウム−安定化ジルコニアからなる固体電解質を表わし、そこでは２つの酸素ポンプセル、すなわち２つの電気化学的セルが構成されている。この２つの酸素ポンプセルは、２つの電極対９Ａ，９Ｂおよび１０Ａ，１０Ｂを用いて形成されており、この場合それぞれ１つの電極９Ｂないし１０Ｂは当該固体電解質８の前記第２の層６に向いた側に配設されている。そのため基準チャネル７に接している。そしてそれぞれ他の電極９Ａないし１０Ａは、固体電解質８の、第２の層６とは反対側に配設されている。この固体電解質８側は、作動中に排ガス系内を通流する排気ガスにさらされる。

排気ガスにさらされた固体電解質８側に配設されている電極９Ａと１０Ａは、線路１１と１２を介してコンタクト１３および１４に接続されている。基準チャネル７に仕切られている電極９Ｂと１０Ｂは、線路１５および１６を介していわゆるプリントコンタクト１７ないし１８に接続されている。これらのコンタクト１３および１４並びにプリントコンタクト１７及び１８は（これらは固体電解質８に差込まれている）、測定及び制御ユニットに接続可能である。

電極９Ａ及び１０Ａは、摩耗性の排気ガス成分からの保護のために、高多孔度の保護層１９を備えており、それが作動の際、電極対９Ａ，９Ｂ及び１０Ａ，１０Ｂ並びに固体電解質８を用いて形成される電気化学的セルの作動のもとで、拡散制限ないし拡散障壁を表わしている。

電極１０Ａの上方には、さらに付加的に１つの層２０が前記保護層１９上に被着されている。この層２０は、比較的低い多孔度の所定の構造部を有しており、酸素に対するさらなる拡散障壁を形成してる。この層２０は有利には、排気ガス中に粒子状物質（例えばカーボン微粒子）が発生した場合には塞がれ、それによって酸素に対する透過率が低減する。

図２には、カーボンセンサの代替実施例３０が示されており、この代替実施例は、自動車の排ガス系に組込むのに用いられる。図１によるセンサに相応して当該カーボンセンサ３０は、図には示されていないケーシング内に配設されている。

センサ３０は、支持層２を含んでおり、その構造は、図１によるセンサの支持層に相応している。

この支持層２の上には、第２の層３１が配置されており、ここでは支持層２とは反対側に２つのいわゆる拡散チャネル３２、３３が形成されている。

前記第２の層３１の上には、第３の層が配置されており、この第３の装置３４は、イットリウム−安定化ジルコニアからなり、その第２の層３１に向いた側には、２つの電極３５，３６が設けられている。これらの電極は拡散チャネル３２及び３３の端部領域に存在している。また前記第３の層３４の、第２の層３１とは反対側には第３の電極３７が設けられている。電極３５及び３６は、それぞれ第３の電極３７と共にいわゆる酸素ポンプセル、すなわち電気化学的なセルを形成している。

電極３５及び３６とは反対側の拡散チャネル３２，３３端部では、固体電解質３４内に２つの孔部ないし貫通部３８および３９が形成されており、これらの孔部は拡散チャネル３２，３３内部に開口し、多孔性の保護層４０ないし４１によって覆われている。これらの保護層４０及び４１は、異なる多孔度を有しており、それぞれ１つの拡散障壁を形成し、摩耗性排ガス成分からの電極３５および３６の保護を保証している。

拡散障壁４０及び４１（それらの拡散係数は異なっている）は、電極３５，３６及び３７との距離に基づいてこれらの電極によって形成される電気化学的セルから熱的に分離されている。

固体電解質３４には加熱素子４２が構成されており、この加熱素子は保護層４０及び４１のカーボン微粒子の燃焼による清浄化に用いられている。

図３には、本発明によるカーボンセンサの第３実施例５０が示されており、これもそのつどの適用目的に合わせて、ここでは図示されていないケーシング内に設けられる。

このセンサ５０の構造は、実質的に図２によるセンサに相応している。但しこのセンサ５０では、拡散障壁４０及び４１（これらはここでは異なる多孔度を有している）が相互に熱的に分離するように構成されている。そのため拡散障壁の一方は、カーボン微粒子からできるだけ開放され続けるようにするために、可及的に高い温度を有すべきである。それに対して他の拡散障壁は、粒子状物質の良好な堆積を達成させるために可及的に低温に維持されるべきである。このようにすれば、非常に大きな差分信号が得られるようになる。

孔部３８，３９における異なる温度レベルの設定は困難であることがわかっているので、特に空間的に近接して存在している場合には、拡散障壁４０及び４１の熱的分離は、次のことによって保証される。すなわ拡散障壁の一方を、例えば図３による実施例のもとでは拡散障壁４０を、酸素ポンプセルに対応付けられるポンプ電極３５，３６，３７の近傍に設けることによって保証されている。ポンプ電極の領域は、センサ５０の作動状態では、継続的に加熱されるゾーンとなるので、その近傍に存在する孔部３８は（これに拡散障壁４０が対応付けられる）当該の継続的に加熱されるゾーンによって、他の拡散障壁４１に対応する孔部３９よりも強く加熱される。

電極３６及び３７から形成される酸素ポンプセルと拡散障壁４１に対応する拡散チャネル３３が図２の実施例と同じ線形フォームを有しているのに対して、第２の拡散チャネル３２（これには継続的に加熱されるゾーンにある孔部３８が開口している）は、第２の層３１において湾曲部を有したＵ字状に形成されている。但しこのことは図３では詳細に示していない。この拡散チャネル３２のＵ字状の経過によって、遷移微粒子が再び継続的に加熱されるゾーンにフィードバックし得る。この場合２つの拡散障壁４０及び４１、各電極３５ないし３６の間の経路区間は、第２のチャネル３２の相応の設計仕様によって実質的に同じにできる。

保護層ないし拡散障壁４１におけるそこに堆積した粒子状物質の燃焼による清浄化のために、固体電解質３４には加熱素子４２が設けられる。

センサ５０の作動中は、拡散障壁４０ないし４１が対応付けられている２つの拡散構造部の間の差分温度が一定の値に設定される。その結果として２つの拡散チャネル３２及び３３内で生じる異なった温度は、異なる拡散定数を生じさせ、それに伴って電極３５と３７ないしは電極３６と３７により測定された２つの信号流の間に時間的なずれを生じさせる。しかしながらこの時間的なずれは、一定であり、電子的に若しくは拡散チャネル３２，３３の相応の構成によって補償可能である。

電極対３５及び３７ないし電極対３６及び３７の電流測定方式による作動モードのもとでは、拡散チャネル３２及び３３を通った酸素の電極３７方向へのポンピングによって、粒子状物質の存在しない排気ガスのもとではいわゆるポンプ電流密度の一定の差分が生じる。この差分は、２つの拡散障壁４０及び４１の、結果的に異なる拡散定数に起因する。

排ガス流中に粒子状物質が存在する場合は、それが有利にはセンサ５０の作動中に加熱されない拡散障壁４１に堆積する。この障壁は拡散障壁４０よりも低い多孔度を有している。それによって拡散障壁４１は、その後で有利には閉塞され、このことは２つの電極３５，３７ないし３６，３７の間の信号振幅の差に変化を引き起す。この変化の速度と信号差分の絶対値が、当該排気ガス流中の粒子状物質の濃度に対する尺度として利用される。

前述の実施例では、２つの加熱素子３と４２がそれらの清浄化機能の他にもさらに拡散障壁と酸素ポンプセルにおける温度測定にも用いることができる。

カーボンセンサの破断図 カーボンセンサの代替実施例 第３実施例

Claims (18)

1. ガス流中の粒子状物質、特に排気ガス流中のカーボン微粒子を検出するためのセンサであって、
   複数の測定電極（９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ；３５，３６，３７）を有しており、
   前記電極は、絶縁性の材料からなる基板（８；３４）上に配設されている形式のセンサにおいて、
   前記基板が固体電解質（８；３４）を含んでおり、該固体電解質中に少なくとも２つの酸素ポンプセルが構成されており、該酸素ポンプセルにそれぞれ１つの電極対が対応付けられていることを特徴とするセンサ。
2. 前記酸素ポンプセルの少なくとも１つに拡散障壁（１９，２０；４０；４１）が前置接続されており、それによって電位差測定方式による作動モードのもとで、測定信号の時間差が生じ、電流測定方式による作動モードのもとでは、電流密度の差分が生じる、請求項１記載のセンサ。
3. ２つの酸素ポンプセルに拡散障壁（１９，２０，３８，３９）が前置接続されており、該拡散障壁（１９，２０，３８，３９）は、異なる多孔度の構造部から形成されている、請求項２記載のセンサ。
4. 拡散障壁（１９；４０，４１）が電極（９Ａ，１０Ａ；３５，３６）に対する保護層として構成されている、請求項２または３記載のセンサ。
5. 拡散障壁（４０，４１）及び酸素ポンプセルが熱的に分離されている、請求項２から４いずれか１項記載のセンサ。
6. 少なくとも１つのチャネル（７；３２，３３）が設けられてる、請求項１から５いずれか１項記載のセンサ。
7. 前記チャネルは基準チャネル（７）である、請求項６記載のセンサ。
8. 前記チャネルは、拡散チャネル（３２；３３）である、請求項６記載のセンサ。
9. ２つの拡散チャネル（３２；３３）が設けられており、該拡散チャネルはそれぞれ拡散障壁（４０；４１）を伴って構成されている、請求項８記載のセンサ。
10. 前記拡散チャネル（３２，３３）にそれぞれ１つの孔部（３８，３９）が対応付けられており、該孔部は基板（３４）に形成されている、請求項９記載のセンサ。
11. 少なくとも１つの加熱素子（３；４２）が設けられている、請求項１から１０いずれか１項記載のセンサ。
12. 加熱素子（４２）が拡散障壁（４０；４１）の領域内に配設されている、請求項１１記載のセンサ。
13. ２つの酸素ポンプセルのうちの一方に前置接続されている拡散障壁（４０）は、２つの酸素ポンプセルのうちの他方に前置接続されている拡散障壁（４１）から熱的に分離されている、請求項２から１２いずれか１項記載のセンサ。
14. 一方の拡散障壁（４０）は、酸素ポンプセルの近傍に配設されている、請求項１３記載のセンサ。
15. ガス流中に存在する粒子状物質に対する捕獲構造を有している、請求項１から１４いずれか１項記載のセンサ。
16. 固体電解質（８；３４）が、イットリウム−安定化ジルコニアから形成されている、請求項１から１５いずれか１項記載のセンサ。
17. 支持層（２）が設けられており、該支持層は有利にはイットリウム−安定化ジルコニアから形成され、酸化アルミニウム性の絶縁層を備えている、請求項１から１６いずれか１項記載のセンサ。
18. 少なくとも部分的にスクリーン印刷技法によって製造されている、請求項１から１７いずれか１項記載のセンサ。

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