JP2018508751A - 導電性及び／又は分極性粒子を検出するセンサ、センサシステム、センサを作動させる方法、このタイプのセンサを製造する方法及びこのタイプのセンサの使用 - Google Patents
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Abstract
本発明は、導電性及び／又は分極性粒子を検出する、特に、煤粒子（３０）を検出するセンサ（１０）であって、基板（１１）と、第１の電極層（１２）と、基板（１１）と第１の電極層（１２）との間に配置された少なくとも第２の電極層（１３）と、を備え、少なくとも一つの開口（１５；１６）を第１の電極層（１２）及び少なくとも一つの絶縁層（１４）に形成し、第１の電極層（１２）の開口（１５）及び絶縁層（１４）の開口（１６）を、第２の電極層（１３）への少なくとも一つの通路（１７，１７’、１７”）を形成するように少なくとも所定の重複部に配置したセンサ（１０）に関する。【選択図】図１ａ
Description
本発明は、導電性及び／又は分極性粒子を検出する、特に、煤粒子を検出するセンサに関する。また、本発明は、センサシステム、センサを作動させる方法、導電性及び／又は分極性粒子を検出するセンサを製造する方法及びこのタイプのセンサの使用に関する。
従来技術は、電極及び加熱構造が平面配置で配置されたセンサ支持体を備えるセンサを開示する。動作の検出モードにおいて、分極性及び／又は導電性粒子がこの平面配置に堆積される。堆積した粒子によって電極間の抵抗の減少が生じ、このような抵抗の降下は、堆積した粒子の重量の基準として用いられる。抵抗に関する予め規定されたしきい値に到達すると、センサ配置は、加熱構造によって加熱され、これによって堆積された粒子が燃焼され、クリーニング工程後、センサを別の検出サイクルで用いることができる。
ドイツ国特許出願公開第１０２００５０２９２１９号明細書は、電極、ヒータ及び温度センサ構造を平面配置のセンサ支持体に設けた、内燃機関の排ガス流の粒子を検出するセンサについて説明する。このセンサ配置の一つの欠点は、ブリッジされる電極が煤のような導電性又は分極性粒子を測定するときに許容しうる感度範囲に到達できるようにするために必要な最小長を有することである。しかしながら、最小長のブリッジされる電極を配置できるようにするために所定の寸法のセンサ素子が必要となる。これは、これらのセンサ素子の製造の対応する費用における不利が伴う。
本発明は、上述した欠点を解消することができるように寸法を最小にした、導電性及び／又は分極性粒子を検出する、特に、煤粒子を検出する更に進歩したセンサを提供するという目的に基づく。
また、本発明の目的は、センサシステム、センサを作動させる方法及びこのタイプのセンサを製造する方法を提供することである。
この目的は、請求項１に記載したような導電性及び／又は分極性粒子を検出する、特に、煤粒子を検出する本発明によるセンサによって達成される。方法に関して、目的は、請求項１９の特徴又は請求項２６の特徴によって達成される。
本発明によるセンサ、本発明によるセンサを作動させる方法、本発明によるこのタイプのセンサを製造する方法、本発明によるセンサの使用の有利かつ適切な改良は、従属項で特定される。
本発明は、導電性及び／又は分極性粒子を検出する、特に、煤粒子を検出するセンサであって、基板と、第１の電極層と、基板と第１の電極層との間に配置された少なくとも第２の電極層と、を備え、絶縁層を第１の電極層と少なくとも第２の電極層との間に形成し、少なくとも一つの開口を第１の電極層及び絶縁層に形成し、第１の電極層の開口及び絶縁層の開口を、第２の電極層への少なくとも一つの通路を形成するように少なくとも所定の重複部に配置したセンサを提供するというアイデアに基づく。
換言すれば、第１の電極層及び第２の電極層が水平方向で重複するように配置され、絶縁層を、二つの電極層の間に形成したセンサが入手できるようになる。検出される粒子、特に、煤粒子が通路を介して第２の電極層に到達できるようにするように第２の電極層への通路を形成するために、第１の電極層及び絶縁層はそれぞれ少なくとも一つの開口を有し、第１の電極層の開口及びの絶縁層の開口は、通路を形成するように又は形成できるように少なくとも所定の重複部に配置される。
したがって、粒子は、センサの一つの側からの、具体的には、第１の電極層に最も近接するように形成されたセンサの側からの少なくとも一つの通路を介して第２の電極層に到達することができる。したがって、導電性及び／又は分極性粒子は、第２の電極層の一部に当たる。
好適には、第１の電極層の開口は、第１の電極層の周辺領域から所定の距離を置いて形成され、絶縁層の開口は、絶縁層の周辺領域から所定の距離を置いて配置される。したがって、開口は、好適には、周辺位置に形成されない又は関連の層の側部周辺に形成されない。
第１の電極層及び第２の電極層は、これらの間に位置する絶縁層によって互いに絶縁される。そのような構造によって、形成される従来のセンサより全体に亘る寸法が小さい非常に感度の高いセンサを可能にする。
例えば、平坦に広がって形成された第２の電極は、基板に間接的に又は直接的に接続される。基板に対する第２の電極層の間接的な接続は、例えば、接着剤、特に、接着剤層を介して行ってもよい。接着剤を、基板と第２の電極層との間で島状に形成してもよい。例えば、接着剤／接着剤層の滴状の形成が可能である。接着剤層を第２の電極層と基板との間に形成してもよい。接着剤、特に、接着剤層を、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、セラミック、ガラス又はその任意の所望の組合せからから構成してもよい。接着剤層は、好適には、非常に薄く形成され、その結果、小さい厚さしか有しない。
絶縁層は、０．１μｍ〜５０μｍ、特に、１．０μｍ〜４０μｍ、特に、５．０μｍ〜３０μｍ、特に、７．５μｍ〜２０μｍ、特に、８μｍ〜１２μｍの厚さを有してもよい。絶縁層の厚さにより、一つの電極層の他の電極層からの距離が設定される。センサの感度を、例えば、互いに重複して配置された平坦に延在する電極層の間の距離を減少させることによって増大させることができる。形成される絶縁層の厚さが小さくなるに従ってセンサの感度が向上する。
絶縁層を、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）又はガラスから形成してもよい。
好適には、絶縁層は、第２の電極層を側面に沿って包囲する。換言すれば、絶縁層は、第２の電極層が側面に沿って絶縁されるように第２の電極層の側面を被覆することができる。
第１の電極層及び／又は第２の電極層は、金属又は合金、特に、高耐熱金属又は高耐熱合金、特に好適には、白金族の金属又は白金族の金属の合金から形成される。白金族の金属の元素は、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及びルテニウム（Ｒｈ）である。ニッケル（Ｎｉ）のような非貴金属又はニッケル／クロム若しくはニッケル／鉄のような非貴金属合金を用いることもできる。これらの金属又はこれらの金属の合金は、特に高耐熱性であり、したがって、内燃機関の排ガス流の煤粒子を検出するのに用いることができるセンサ素子を形成するのに適している。
本発明の別の実施の形態において、第２の電極層は、第１の電極層の金属又は合金より高いエッチング耐性を有する金属又は合金から形成される。これは、製造工程において第２の電極層をエッチング処理／除去処理停止層として形成できるというという利点を有する。換言すれば、このようにして形成される第２の電極層は、例えば、センサ構造に形成される通路のエッチング／除去の深さを決定することができる。
絶縁層から見て外方に向いた第１の電極層の側に、特に、セラミック及び／又はガラス及び／又は金属酸化物から形成された被覆層を形成してもよい。換言すれば、被覆層は、絶縁層の反対側にある第１の電極層の側に形成される。被覆層は、核酸障壁としての役割を果たすことができ、例えば、最大で８５０℃までの排ガス流の高温時の第１の電極層の蒸発を更に減少させる。
被覆層は、第１の電極層を側面に沿って包囲してもよい。本発明の別の実施の形態において、被覆層は、更に絶縁層を側面に沿って包囲してもよい。換言すれば、第１の電極層の側面とその下に配置された絶縁層の側面の両方を少なくとも一つの被覆層によって被覆してもよい。被覆層が更に第２の電極層を側面に沿って包囲することも考えられる。したがって、被覆層が側面に沿って包囲する部分又は側面に沿って包囲する領域は、第１の電極層から第２の電極層まで伸びる。これによって、第１の電極層及び／又は絶縁層及び／又は第２の電極層の側面に沿った絶縁をもたらす。
絶縁層から見て外方に向いた第１の電極層の側又は第１の電極層から見て外方に向いた被覆層の側に、少なくとも一つの多孔質フィルタ層を更に形成してもよい。このタイプの多孔質フィルタ層によって、大きな粒子部分を、重複して配置された少なくとも二つ、特に、少なくとも三つの電極層の配置から離間することができる。フィルタ層の細孔の寸法を、例えば、１μｍより大きくしてもよい。特に好適には、細孔寸法を２０μｍ〜３０μｍの範囲で形成する。多孔質フィルタ層を、例えば、セラミック材料から形成してもよい。多孔質フィルタ層を酸化アルミニウム発泡体から形成することも考えられる。第２の電極層への少なくとも一つの通路も被覆するフィルタ層によって、測定を妨害する大きい粒子、特に、煤粒子を、そのような粒子によって短絡が生じないようにするように少なくとも一つの通路から離間させることができる。
第２の電極層への少なくとも一つの経路を、例えば、止まり穴として形成してもよく、第２の電極層の一部を、止まり穴の底部として形成し、止まり穴は、絶縁層の上及び第１の電極層の上に少なくとも延在する。センサが被覆層を有する場合、通路、特に、止まり穴及び／又は細長いくぼみは、この被覆層の上にも延在する。換言すれば、第１の電極層だけでなく、絶縁層及び被覆層も開口を有し、これらの開口は、これらの開口が通路、特に、止まり穴又は細長いくぼみを形成するために重複するように配置され、その底部は、第２の電極層の一部によって形成される。止まり穴又は細長いくぼみの底部を、例えば、絶縁層に面する第２の電極層の上側に形成してもよい。第２の電極層が止まり穴の底部を形成するくぼみを有することも考えられる。
止まり穴の開口断面は、第１の電極層の周辺部、絶縁層の周辺部及び開口に隣接する被覆層が存在する場合の被覆層の周辺部によって形成される。少なくとも一つの止まり穴の開口断面は、円形、正方形、矩形、レンズ状、蜂の巣状、多角形、三角形又は六角形であってもよい。他のタイプの設計、特に、自由形状も考えられる。
例えば、止まり穴は、３×３μｍ２〜１５０×１５０μｍ２、特に、１０×１０μｍ２〜１００×１００μｍ２、特に、１５×１５μｍ２〜５０×５０μｍ２、特に、２０×２０μｍ２の表面領域を有する正方形断面を有することができる。
本発明の発展において、センサは、複数の止まり穴を有してもよく、これらの止まり穴は、既に説明したように形成される。異なる寸法の止まり穴断面を有する複数の測定セルを用いることができる複数の区域を有するセンサアレイを形成できるようにするために少なくとも二つの止まり穴が異なる断面、特に、異なる寸法の断面を有することも考えられる。導電性及び／又は分極性粒子、特に、煤粒子の並列検出によって、粒子の寸法又は粒子の寸法分布に関する情報の追加の項目を取得することができる。
本発明の別の実施の形態において、第１の電極層及び絶縁層を多孔質のものとして形成し、第１の電極層の少なくとも一つの開口及び絶縁層の少なくとも一つの開口を少なくとも一つの細孔によって形成し、絶縁層の細孔及び第１の電極層の細孔を、第２の電極層への少なくとも一つの通路を形成するように少なくとも所定の重複部に配置する。換言すれば、通路の有効な又は次の構造化を省略することができ、第１の電極層及び絶縁層は、測定される媒体を通過させるものとして形成される。
これを、例えば、層の多孔質又は粒状構成によって作ることができる。第１の電極層及び絶縁層の両方を個別の粒子を共焼結することによって製造することができ、個別の粒子を共焼結する間に、測定される媒体の細孔又は空所が形成される。したがって、測定又は検出される粒子が第２の電極層にアクセスすることができる少なくとも一つの通路を、第１の絶縁層から見て外方に向いた第１の電極層の側から絶縁層に面する第２の電極層の側まで延在して第１の電極層の細孔と絶縁層の細孔との重複配置となるように形成する必要がある。センサが被覆層を有する場合、この被覆層は、好適には、被覆層の細孔、第１の電極層の細孔及び絶縁層の細孔が第２の電極層への通路を形成するように多孔質のものとして形成される。
第１の電極層及び／又は絶縁層及び／又は被覆層の細孔寸法分布を、実行すべき測定又は検出課題に関連して最適化することができる。
第１の電極層及び／又は絶縁層及び存在する場合の少なくとも一つの被覆層は、異なる細孔寸法の複数の区域を有するセンサアレイが形成されるように異なる細孔寸法を有する部分を有してもよい。異なる細孔寸法の層の部分を有する並列検出は、分析又は検出される媒体の「はっきりした特徴」を測定することができる。したがって、測定される粒子の寸法又は測定される粒子の寸法分布に関する情報の別の項目を取得することができる。
第１の電極層及び第２の電極層は、電極層の上に配置されたセンサ層が存在しないとともに端子パッドに接続する又は接続することができる電気的接続領域を有する。電極層を、電極層が互いに絶縁されるように端子パッドに接続する又は接続することができる。各々の電極層に対して、電気的な接続のために端子パッドの領域に露出された少なくとも一つの電気的接続領域が形成される。第１の電極層の電気的接続領域は、あり得る被覆層及び不活性の多孔質フィルタ層が存在しない。換言すれば、第１の電極層の電気的接続領域の上には、被覆層の部分とフィルタ層の部分のいずれも存在しない。
第２の電極層の電気的接続領域は、絶縁層、電極層、あり得る形成された被覆層及び不活性の多孔質フィルタ層が存在しない。換言すれば、第２の電極層の電気的接続領域の上には、絶縁層の部分、電極層の部分及び不活性の多孔質フィルタ層の部分のいずれも存在しない。
本発明の別の実施の形態において、第１の電極層及び／又は第２の電極層は、第１の電極層及び／又は第２の電極層が加熱コイル及び／又は温度検知層及び／又はシールド電極として形成されるようにストリップ導体ループを有する。第１の電極層及び／又は第２の電極層は、電極層に配置されたセンサ層すなわち第１の電極層及び／又は第２の電極層が存在しないとともに追加の端子パッドに接続する又は接続することができる少なくとも一つの追加の電気的接続領域を有する。換言すれば、第１の電極層及び／又は第２の電極層は、二つの電気的接続領域を有し、両方の電気的接続領域は、電極層の上に配置されたセンサ層が存在しない。
電極層に二つの電気的接続領域を形成することは、この電極層が加熱コイル及び／又は温度検知層及び／又はシールド電極として形成されるときには常に必要となる。好適には、第２の電極層は、少なくとも二つの電気的接続領域を有する。第２の電極層を、好適には、加熱コイルとしてだけでなく温度検知層及びシールド電極としても形成する。電気的接続領域の適切な電気的接続によって、電極層は、加熱を行うことができる又は温度検知層又はシールド電極としての役割を果たすことができる。そのように電極領域を形成することによって、コンパクトなセンサを提供することができる。その理由は、一つの電極層が複数の機能を担うことができるからである。したがって、個別の加熱コイル層及び／又は温度検知層及び／又はシールド電極が必要でない。
要約すれば、本発明による構造の結果として非常に正確な測定用センサを入手することができることが言える。一つ以上の薄い絶縁層を形成することによって、センサの感度を著しく増大することができる。さらに、センサの製造中に著しく多いユニットを基板又はウェファの上に形成することができる。この構造は、通常の平面構造に対する相当な費用優位によって結果的に実現される。
独立態様によれば、本発明は、導電性及び／又は分極性粒子を検出するセンサを製造する方法、特に、上述したような本発明によるセンサを製造する方法に関する。
方法は、第１の電極層と、第２の電極層と、第１の電極層と第２の電極層との間に配置された少なくとも一つの絶縁層と、を有する積層を製造し、その後、第１の電極層及び絶縁層に亘って延在する少なくとも一つの通路を積層に形成し、通路の底部を第２の電極層の一部によって形成する。方法は、少なくとも一つの通路をこの積層に形成するために、少なくとも第１の電極層、第２の電極層及び絶縁層を備える積層を製造するというアイデアに基づく。通路は、検出する粒子、特に、煤粒子の第２の電極へのアクセスとしての役割を果たす。
積層及び／又は積層の個別の層の製造は、薄膜技術、厚膜技術又はこれらの技術の組合せによって行ってもよい。適用される薄膜技術の一部として、好適には、蒸着処理又は陰極スパッタリング処理を選択してもよい。厚膜技術の一部として、特に、スクリーン印刷処理が考えられる。絶縁層から見て外方に向いた第１の電極層の側に形成された少なくとも一つの絶縁層及び／又は少なくとも一つの被覆層を、化学蒸着（ＣＶＤ）処理又はプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）処理によって形成してもよい。
絶縁層を、第２の電極層を側面に沿って包囲するように製造してもよい。同様に、選択的に存在する被覆層を、選択的に存在する被覆層が第１の電極層及び／又は絶縁層及び／又は第２の電極層を側面に沿って包囲するように製造してもよい。したがって、絶縁層と被覆層の両方は、追加の側面に沿った包囲を形成してもよい。
通路を、例えば、止まり穴として形成してもよく、少なくとも一つの止まり穴又は止まり穴の小部分を、少なくとも一つの除去又はエッチング処理、特に、プラズマイオンエッチング処理によって又はエッチング若しくは除去する積層の層に適合される複数の連続的に実行される除去若しくはエッチング処理によって積層に形成する。換言すれば、例えば、貫通、エッチング又は除去される各層に対して当該層に対する最適な処理を用いるとともに連続的に実行される複数のエッチング又は除去ステップを実行して止まり穴を積層に形成してもよい。
止まり穴又は止まり穴の小部分を液相又は気相からの化学的エッチング処理において作ることも考えられる。第１の電極層は、好適には、比較的エッチングが容易な金属、特に、プラチナ層から構成される。
本発明による方法の一つのあり得る実施の形態において、第２の電極層が第１の電極層及び絶縁層よりエッチング耐性が強い材料から製造される場合には、エッチング処理を第２の電極層で停止することができる。積層又はセンサが追加の被覆層を備える場合、第２の電極層は、この被覆層よりエッチング耐性が強い材料を含む。例えば、第２の電極層は、プラチナ−チタン合金（Ｐｔ／Ｔｉ）から製造される。第２の電極層を金属酸化物を含む層から構成することも考えられる。
本発明による方法の別の実施の形態において、絶縁層を、エッチング処理停止層として形成し、別のステップにおいて、止まり穴の小部分を、絶縁層の相変化を伴う調整処理又は調整ステップによって絶縁層に形成することができる。
本発明による方法の別の実施の形態において、少なくとも一つの通路及び／又は通路を、止まり穴として形成し、この止まり穴、少なくとも一つの止まり穴又は止まり穴の小部分を、レーザ加工処理によって積層に形成し、レーザ源及び／又は波長及び／又はレーザのパルス周波数を、加工される積層の層に適合させることができる。止まり穴として形成される通路を形成するための一つの別の実現は、レーザによる積層の部分的な除去である。材料を除去するのに適するように作られた種々の波長及び／又はパルス周波数を有するレーザ源を用いることができる。そのような手順は、除去される層の材料を適合させることによって個別のレーザ加工ステップを迅速に実行して通路及び／又は止まり穴の全体に亘る向上した形成を行うことできるという利点を有する。超短パルスレーザの使用が特に有利であることが判明している。
本発明による方法の別の実施の形態において、積層を製造する際に、少なくとも一つの絶縁層を、特に、スクリーン印刷処理、スプレー吹付処理、浸漬処理又はスピンコーティング処理によって第１の電極領域と少なくとも第２の電極領域との間において表面領域全体に形成し、方法の次のステップにおいて、絶縁層の少なくとも一部を、特に、少なくとも一つの通路が形成されるような構造的な溶解、エッチング又は燃焼によって除去することができる。そのような方法は、ロスト金型原理に対応する。したがって、特に熱的に安定な材料の場合において、ロスト金型原理による構造化を実行することができる。ロスト金型は、第１の電極層から第２の電極層までの通路を形成する役割を果たす。少なくとも一つの絶縁層又は絶縁層は、熱的に安定した材料により電極層間に形成され、この絶縁層の一部は、好適には、第１の電極層を設けた後の溶解、エッチング又は焼き取りによって除去される。この結果、絶縁層の上に配置された電極層も除去される。被覆層が形成される場合、絶縁層の除去された部分の上に位置する被覆層の部分も絶縁層の部分の溶解、エッチング又は焼き取りによって除去される。
好適には、通路及び／又は止まり穴を積層に形成した後、少なくとも一つの不活性の多孔質フィルタ層を被覆層に設ける。不活性の多孔質フィルタ層は、例えば、酸化アルミニウム発泡体によって形成される。これは、少なくとも一つの通路の上又は少なくとも一つの止まり穴の上に形成される。
別の独立態様において、本発明は、導電性及び／又は分極性粒子を検出するセンサ、特に、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載したセンサを製造する方法に関する。少なくとも第１の電極層及び第２の電極層並びに第１の電極層と第２の電極層との間に配置された少なくとも一つの絶縁層を有する積層を製造し、絶縁層及び第１の電極層を、多孔質層として形成する。第１の電極層及び絶縁層の細孔は、第１の電極層の少なくとも一つの細孔及び絶縁層の少なくとも一つの細孔が所定の重複位置に配置されて第２の電極層への通路が形成されるように設定される。
センサが被覆層を有する場合、この被覆層は、所定の細孔寸法を有する多孔性の第１の電極層にも設けられ、被覆層の少なくとも一つの細孔は、被覆層から第２の電極層までの少なくとも一つの通路が形成されるように第１の電極層の細孔の上及び絶縁層の細孔の上の所定の位置に少なくとも配置される。最終的に不活性の多孔質フィルタ層を被覆層に設けてもよい。
別の独立態様において、導電性及び／又は分極性粒子を検出するセンサ、特に、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のセンサを製造する方法であって、少なくとも第１の電極層及び第２の電極層並びに第１の電極層と第２の電極層との間に配置された少なくとも一つの絶縁層を有する積層を製造し、構成される絶縁層及び第１の電極層を、個別の層を重複するように設けて構成した結果として第２の電極層への少なくとも一つの通路を形成するようにリフトオフ処理及び／又はインクジェット処理及び／又はスタンピング処理によって形成する。
換言すれば、少なくとも一つの絶縁層及び／又は少なくとも第１の電極層の形成中に既に、開口又はクリアランスを有する構造が形成され、少なくとも所定の重複位置に配置された複数の開口が、第２の電極層への少なくとも一つの通路を形成する。センサが被覆層を有する場合、この被覆層を、第１の電極層に対して既に構成された形態に設けてもよい。
導電性及び／又は分極性粒子を検出するセンサを製造する上述した工程の全ての場合において、電気的接続領域を第１の電極層及び第２の電極層に形成する必要がある。これは、第１の電極層及び第２の電極層の一部が各電極層の上に配置されたセンサ層に存在しないようにすることによって実現される。これは、各電極層の上に配置されたセンサ層を除去及び／又はエッチング及び／又はレーザ処理することによって形成した電気的接続領域によって生じる。電気的接続領域が個別のセンサ層の形成中に既に存在しなくなるように絶縁層及び／又は電極層及び／又は（一つ以上の）被覆層を構造化して設けることも考えられる。
本発明の別の実施の形態において、電気的接続領域が他のセンサ層によって被覆されないように積層の製造の際に電気的接続領域がステンシルによって被覆されることも考えられる。
本発明を、添付図面を参照しながら例示的な実施の形態に基づいて後に更に詳しく説明する。
以下、同一のパーツ及び同じように作用するパーツに対して同一の参照番号を用いる。
図１ａは、導電性及び／又は分極性粒子、特に、煤粒子を検出するセンサ１０の断面図を示す。センサ１０は、基板１１と、第１の電極層１２と、基板１１と第１の電極層１２との間に配置された第２の電極層１３と、を備える。第１の電極層１２と第２の電極層１３との間に絶縁層１４が形成される。少なくとも一つの開口が第１の電極層１２及び絶縁層１４に形成され、第１の電極層１２の開口１５及び絶縁層１４の開口１６が、第２の電極層１３に対する通路１７を形成するように重複して配置される。
高温用途のために、基板１１は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸塩又はステアタイトから形成される。
第２の電極層１３は、結合剤層１８によって基板１１に間接的に接続される。結合剤層１８を、例えば、非常に薄く形成した酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）としてもよい。
例示的な実施の形態において、第１の電極層１２は、プラチナ層によって形成される。図示した例において、第２の電極層１３は、プラチナ−チタン合金（Ｐｔ−Ｔｉ）によって構成される。第２の電極層１３のプラチナ−チタン合金を、電極層１２よりエッチング耐性の強い層とする。
第１の電極層１２と第２の電極層１３との間の距離は、絶縁層１４の厚さｄによって形成される。絶縁層の厚さｄを、０．５μｍ〜５０μｍとしてもよい。本実施の形態において、絶縁層の厚さｄを１０μｍとする。本発明によるセンサ１０の感度を、第１の電極層１２と第２の電極層１３との間の距離を減少させることによって、したがって、絶縁層１４の厚さｄを減少させることによって増大させることができる。
絶縁層１４は、第２の電極層１３が側面に沿って包囲されるとともに絶縁されるように第２の電極層１３の示した側面１９を被覆する。
通路１７は、止まり穴として形成され、第２の電極層１３の一部は、止まり穴の底部２８として形成される。止まり穴又は通路１７は、絶縁層１４の上及び第１の電極層１３の上に延在する。換言すれば、通路１７は、重複して配置された開口１５，１６によって形成される。図示した実施の形態において、開口１５，１６は、周辺に形成されない。
煤粒子３０は通路１７に入ることができる。図１ａにおいて、粒子３０は、止まり穴の底部２８、したがって、第２の電極層１３の側３１に存在する。しかしながら、粒子３０は、開口１５の境界となる周辺領域３２の第１の電極層１２に接触しない。粒子３０が底部２８に堆積されるとともに側部３１の第２の電極層１３に接触した結果、電気抵抗が減少する。このような抵抗の降下は、粒子の堆積量の基準として用いられる。抵抗に関する予め規定されたしきい値に到達すると、堆積された粒子３０を燃焼するとともに燃焼して粒子３０をなくした後にセンサ１０が次の検出サイクルで導電性及び／又は分極性粒子を検出できるようにセンサ１０が加熱される。
図１ｂは、導電性及び／又は分極性粒子、特に、煤粒子を検出するセンサ１０の断面図を同様に示す。第１の電極層１２と、基板１１と第１の電極層１２との間に配置された第２の電極層１３とを同様に示す。絶縁層１４は、第１の電極層１２と第２の電極層１３との間に形成される。開口１５，１６の特性及び設計については、図１ａによる実施の形態に関連する説明を参照されたい。
例えば、セラミック及び／又はガラス及び／又は金属酸化物から形成された被覆層２１は、第１の絶縁層１４から見て外方に向いた第１の電極層１２の側２０に形成される。被覆層２１は、第１の電極層１２の側面２２、絶縁層１４の側面２３及び第２の電極層１３の側面１９を包囲する。被覆層２１は、第１の絶縁層１２、第２の絶縁層１３及び絶縁層１４が側面に沿って絶縁されるように側面１９，２２，２３を被覆する。被覆層２１は、第１の電極層１２の側２０に形成される上部２４と、センサ１０の側面に沿った絶縁を行く側部２５と、を備える。
図１ｃは、導電性及び／又は分極性粒子、特に、煤粒子を検出するセンサ１０の断面図を示す。センサ１０は、基板１１と、第１の電極層１２と、基板１１と第１の電極層１２との間に配置された第２の電極層１３と、を備える。第１の電極層１２と第２の電極層１３との間に絶縁層１４が形成される。少なくとも一つの開口が第１の電極層１２及び絶縁層１４に形成され、第１の電極層１２の開口１５及び絶縁層１４の開口１６が、第２の電極層１３に対する通路１７を形成するように重複して配置される。
高温用途のために、基板１１は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸塩又はステアタイトから形成される。
第２の電極層１３は、結合剤層１８によって基板１１に間接的に接続される。結合剤層１８を、例えば、非常に薄く形成した酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）としてもよい。
例示的な実施の形態において、第１の電極層１２は、プラチナ層によって形成される。図示した例において、第２の電極層１３は、プラチナ−チタン合金（Ｐｔ−Ｔｉ）によって構成される。第２の電極層１３のプラチナ−チタン合金を、電極層１２よりエッチング耐性の強い層とする。
絶縁層１４は、高い絶縁抵抗を有する熱安定材料から構成される。例えば、絶縁層１４を、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）又はガラスから形成してもよい。
第１の電極層１２と第２の電極層１３との間の距離は、絶縁層１４の厚さｄによって形成される。絶縁層の厚さｄを、０．５μｍ〜５０μｍとしてもよい。本実施の形態において、絶縁層の厚さｄを１０μｍとする。本発明によるセンサ１０の感度を、第１の電極層１２と第２の電極層１３との間の距離を減少させることによって、したがって、絶縁層１４の厚さｄを減少させることによって増大させることができる。
例えば、セラミック及び／又はガラス及び／又は金属酸化物から形成された被覆層２１は、第１の絶縁層１４から見て外方に向いた第１の電極層１２の側２０に形成される。被覆層２１は、第１の電極層１２の側面２２、絶縁層１４の側面２３及び第２の電極層１３の側面１９を包囲する。被覆層２１は、第１の絶縁層１２、第２の絶縁層１３及び絶縁層１４が側面に沿って絶縁されるように側面１９，２２，２３を被覆する。被覆層２１は、第１の電極層１２の側２０に形成される上部２４と、センサ１０の側面に沿った絶縁を行く側部２５と、を備える。
本発明の別の実施の形態において、被覆層２１が基板１１も側面に沿って包囲することも考えられる。
第１の電極層１２から見て外方に向いた被覆層２１の側２６に多孔質フィルタ層２７が形成される。センサ１０の感度は、導電性及び／又は分極性粒子を検出する媒体に向いたこの不活性の多孔質フィルタ又は保護層２７が形成された結果として増大する。その理由は、測定又は検出を妨害しうる大きな粒子又は構成物質を第１の電極層１２及び第２の電極層１３から離れた状態にするからである。通路１７が多孔質フィルタ層２７によって被覆されるので、粒子が多孔質フィルタ層２７の細孔を突き抜けうるが、突き抜けた大きな粒子によって生じる短絡を多孔質フィルタ層２７の結果として回避することができる。
通路１７は、止まり穴として形成され、第２の電極層１３の一部は、止まり穴の底部２８として形成される。止まり穴又は通路１７は、絶縁層１４の上、第１の電極層の上及び被覆層２１の上に延在する。このために、被覆層２１も開口２９を有する。換言すれば、通路１７は、重複して配置された開口２９，１５，１６によって形成される。
個別の層の材料の選択及び個別の層の互いの絶縁の結果として、図示したセンサ１０は、最大で８５０℃までの高温用途に適する。したがって、センサ１０を、内燃機関の排ガス流の煤粒子センサとして用いることができる。
煤粒子３０は、多孔質フィルタ層２７を突き抜けた後に通路１７に入ることができる。図１ｃにおいて、粒子３０は、止まり穴の底部２８に存在し、その結果、第２の電極層１３の側３１に存在する。しかしながら、粒子は、開口１５の境界となる周辺領域３２の第１の電極層１２に接触しない。粒子３０が底部２８に堆積されて側３１の第２の電極１３に接触した結果として、電気抵抗が減少する。このような抵抗の降下は、粒子の蓄積量の基準として用いられる。抵抗に関する予め規定されたしきい値に到達すると、堆積された粒子３０を燃焼するとともに燃焼して粒子３０をなくした後にセンサ１０が次の検出サイクルで導電性及び／又は分極性粒子を検出できるようにセンサ１０が加熱される。
図２は、センサ１０の斜視図を示す。センサは、九つの通路１７を有する。更に良く示すために、多孔質フィルタ層２７を図２に示さない。被覆層２１の上部２４及び被覆層２１の側部２５を見ることができる。通路１７の底部２８は、第２の電極層１３の一部によって形成される。九つの通路１７は、正方形断面を有し、正方形断面は、１５×１５μｍ２〜５０×５０μｍ２の表面領域を有することができる。
第１の電極層１２は、電気的接続領域３３を有する。同様に、第２の電極層１３は、電気的接続領域３４を有する。二つの電気的接続領域３３，３４は、電極層１２，１３の上にそれぞれ配置されたセンサ層を有しない。電気的接続領域３３，３４を、（図示しない）端子パッドに接続する又は接続することができる。
第２の電極層１３は、電極層１３の上に配置されたセンサ層を有しない追加の電気的接続領域３５を有する。この追加の電気的接続領域３５を追加の端子パッドに接続してもよい。追加の電気的接続領域３５は、第２の電極層１３を加熱コイル、温度検知層又はシールド電極として用いることができるようにする必要がある。電気的接続領域３４，３５の接続の割当て（図３参照）に応じて、第２の電極層１３は、粒子３０を加熱して燃焼することができる又は粒子３０を検出することができる。
電極層、ここでは、第２の電極層１３を加熱コイル及び／又は温度検知層及び／又はシールド電極として用いることができるようにするために、第２の電極層１３は、少数のストリップ導電ループ３６を有する。
図４において、あり得るセンサ１０の別の実施の形態を示す。第１の電極層１２及び絶縁層１４はそれぞれ多孔質のものとして形成され、第１の電極層１２の少なくとも一つの開口１５及び絶縁層１４の少なくとも一つの開口１６はそれぞれ少なくとも一つの細孔として形成され、絶縁層１４の細孔４１及び第１の電極層１２の細孔４０は、第２の電極層１３への少なくとも一つの通路１７を形成するように少なくとも所定の重複部に配置される。換言すれば、通路の有効な又は次の構造化を省略することができ、第１の電極層１２及び絶縁層１４は、測定される媒体を通過させるものとして形成される。通路１７を、図４において垂直方向の矢印によって示す。
通路１７を、二つの層１２，１４の多孔質又は粒状構造によって形成してもよい。第１の電極層１２及び絶縁層１４を、個別の粒子を互いに焼結することによって製造することができ、個別の粒子を互いに焼結する間に、測定される媒体に対する細孔４０，４１又は空所が形成される。したがって、測定又は検出される粒子３０が第２の電極層１３にアクセスすることができる通路１７を形成する必要があり、通路１７は、第１の電極層１２の細孔４０と絶縁層１４の細孔４１の重複配置の結果として絶縁層１４から見て外方に向いた第１の電極層１２の側２０から絶縁層１４に向いた第２の電極層１３の側３１まで延在する。
図示した例において、第２の電極層１３は、多孔質絶縁層１４により側面１９が完全に包囲される。したがって、第２の電極層１３の側３１及び側面１９は、多孔質絶縁層１４によって被覆される。それに対し、多孔質の第１の電極層１２は、多孔質絶縁層１４の側面２３及び第２の電極層１３から見て外方に向いた側３７を包囲する。したがって、絶縁層１４の側３７及び側面２３は、第１の電極層１２によって被覆される。
このセンサ１０が被覆層を有する場合、この被覆層を、被覆層の細孔、第１の電極層１２の細孔４０及び絶縁層１４の細孔４１が第２の電極層１３への通路１７を形成するように形成することもできる。
図１ａ〜１ｃ、図２及び図４の本発明によるセンサ１０に関連するあり得る製造工程については、既に説明した製造実現性、特に、エッチング処理を参照されたい。
現段階では、図１〜４による実施の形態に関連して上述した素子及び構成要素を、発明それ自体に対する又は任意の組合せ、特に図面に示した詳細における必須のものとして主張する。
１０ センサ
１１ 基板
１２ 第１の電極層
１３ 第２の電極層
１４ 第１の絶縁層
１５ 第１の電極層の開口
１６ 第１の絶縁層の開口
１７ 通路
１７’，１７” 細長いくぼみ
１８ 結合剤層
１９ 第２の電極層の側面
２０ 第１の電極層の側
２１ 被覆層
２２ 第１の電極層の側面
２３ 絶縁層の側面
２４ 被覆層の上部
２５ 被覆層の側部
２６ 被覆層の側
２７ 多孔質フィルタ層
２８ 底部
２９ 被覆層の開口
３０，３０’ 粒子
３１ 第２の電極層の側
３２ 第１の電極層の周辺領域
３３ 第１の電極層の電気的接続領域
３４ 第２の電極層の電気的接続領域
３５ 第２の電極層の追加の電気的接続領域
３６ ストリップ導体ループ
３７ 絶縁層の側
４０ 第１の電極層の細孔
４１ 絶縁層の細孔
ｄ 絶縁層の厚さ
１１ 基板
１２ 第１の電極層
１３ 第２の電極層
１４ 第１の絶縁層
１５ 第１の電極層の開口
１６ 第１の絶縁層の開口
１７ 通路
１７’，１７” 細長いくぼみ
１８ 結合剤層
１９ 第２の電極層の側面
２０ 第１の電極層の側
２１ 被覆層
２２ 第１の電極層の側面
２３ 絶縁層の側面
２４ 被覆層の上部
２５ 被覆層の側部
２６ 被覆層の側
２７ 多孔質フィルタ層
２８ 底部
２９ 被覆層の開口
３０，３０’ 粒子
３１ 第２の電極層の側
３２ 第１の電極層の周辺領域
３３ 第１の電極層の電気的接続領域
３４ 第２の電極層の電気的接続領域
３５ 第２の電極層の追加の電気的接続領域
３６ ストリップ導体ループ
３７ 絶縁層の側
４０ 第１の電極層の細孔
４１ 絶縁層の細孔
ｄ 絶縁層の厚さ
Claims (26)
- 導電性及び／又は分極性粒子を検出する、特に、煤粒子（３０）を検出するセンサ（１０）であって、基板（１１）と、第１の電極層（１２）と、前記基板（１１）と前記第１の電極層（１２）との間に配置された少なくとも第２の電極層（１３）と、を備え、絶縁層（１４）を前記第１の電極層（１２）と前記少なくとも第２の電極層（１３）との間に形成し、少なくとも一つの開口（１５；１６）を前記第１の電極層（１２）及び前記絶縁層（１４）に形成し、前記第１の電極層（１２）の開口（１５）及び前記絶縁層（１４）の開口（１６）を、前記第２の電極層（１３）への少なくとも一つの通路（１７）を形成するように少なくとも所定の重複部に配置したセンサ（１０）。
- 前記第１の電極層（１２）の開口（１５）は、前記第１の電極層（１２）の周辺領域から所定の距離を置いて形成され、前記絶縁層（１４）の開口（１６）は、前記絶縁層（１４）の周辺領域から所定の距離を置いて配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
- 前記第２の電極層（１３）を前記基板（１１）に間接的に接続した、好適には、接着剤によって接続した、特に好適には、接着剤層（１８）によって接続した又は前記第２の電極層（１３）を前記基板（１１）に直接的に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
- 前記絶縁層（１４）は、０．１μｍ〜５０μｍ、特に、１．０μｍ〜４０μｍ、特に、５．０μｍ〜３０μｍ、特に、７．５μｍ〜２０μｍ、特に、８μｍ〜１２μｍの厚さ（ｄ）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
- 前記絶縁層（１４）を、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）又はガラスから形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
- 前記絶縁層（１４）は、前記第２の電極層（１３）を側面に沿って包囲することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
- 前記第１の電極層（１２）及び／又は前記第２の電極層（１３）を、金属又は合金、特に、高耐熱金属又は高耐熱合金、特に好適には、白金族の金属又は白金族の金属の合金から形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
- 前記第２の電極層（１３）を、前記第１の電極層（１２）の金属又は合金より高いエッチング耐性を有する金属又は合金から形成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
- 特にセラミック及び／又はガラス及び／又は金属酸化物から形成された被覆層（２１）を、前記第１の絶縁層（１４）から見て外方に向いた前記第１の電極層（１２）の側（２０）に形成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
- 前記被覆層（２１）は、前記第１の電極層（１２）を側面に沿って包囲し、好適には、更に前記絶縁層（１４）を側面に沿って包囲し、特に好適には、更に前記絶縁層（１４）及び前記第２の電極層（１３）を側面に沿って包囲する請求項９に記載のセンサ（１０）。
- 多孔質フィルタ層（２７）を、前記絶縁層（１４）から見て外方に向いた前記第１の電極層（１２）の側（２０）又は前記第１の電極層（１２）から見て外方に向いた前記被覆層（２１）の側（２６）に形成したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項、特に、請求項９又は１０に記載のセンサ（１０）。
- 前記少なくとも一つの経路（１７）を止まり穴として形成し、前記第２の電極層（１３）の一部を、前記止まり穴の底部（２８）として形成し、前記止まり穴は、少なくとも前記絶縁層（１４）の上、前記第１の電極層（１２）の上及び選択的に形成された被覆層（２１）の上に延在することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項、特に、請求項９〜１１のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
- 前記止まり穴は、３×３μｍ２〜１５０×１５０μｍ２、特に、１０×１０μｍ２〜１００×１００μｍ２、特に、１５×１５μｍ２〜５０×５０μｍ２、特に、２０×２０μｍ２の表面領域を有する正方形断面を有することを特徴とする請求項１２に記載のセンサ（１０）。
- 複数の通路（１７）、特に、複数の止まり穴を形成し、少なくとも二つの通路（１７）、特に、少なくとも二つの止まり穴は、異なる寸法の断面を有する特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項、特に、請求項１２又は１３に記載のセンサ（１０）。
- 前記第１の電極層（１２）及び前記絶縁層（１４）を多孔質のものとして形成し、前記第１の電極層の少なくとも一つの開口（１５）及び前記絶縁層（１４）の少なくとも一つの開口（１６）を少なくとも一つの細孔（４０，４１）によって形成し、前記絶縁層（１４）の細孔（４１）及び前記第１の電極層（１２）の細孔（４０）を、前記第２の電極層（１３）への少なくとも一つの通路（１７）を形成するように少なくとも所定の重複部に配置したことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
- 前記第１の電極層（１２）及び／又は前記絶縁層（１４）は、異なる多孔度の複数の区域を有するセンサアレイが形成されるように異なる多孔度を有する部分を有する請求項１５に記載のセンサ（１０）。
- 前記第１の電極層（１２）及び前記第２の電極層（１３）は、電極層（１２；１３）に配置されたセンサ層（１２；１４；２１；２７）が存在しないとともに端子パッドに接続する又は接続することができる電気的接続領域（３３，３４）を有することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
- 前記第１の電極層（１２）及び／又は前記第２の電極層（１３）は、前記第１の電極層（１２）及び／又は前記第２の電極層（１３）が加熱コイル及び／又は温度検知層及び／又はシールド電極として形成されるようにストリップ導体ループ（３６）を有し、前記第１の電極層（１２）及び／又は前記第２の電極層（１３）は、電極層（１２；１３）に配置されたセンサ層（１２；１４；２１；２７）が存在しないとともに追加の端子パッドに接続する又は接続することができる少なくとも一つの追加の電気的接続領域（３５）を有することを特徴とする請求項１７に記載のセンサ（１０）。
- 導電性及び／又は分極性粒子を検出するセンサ、特に、請求項１〜１８に記載のセンサ（１０）を製造する方法であって、第１の電極層（１２）と、第２の電極層（１３）と、前記第１の電極層（１２）と前記第２の電極層（１３）との間に配置された少なくとも絶縁層（１４）と、を有する積層を製造し、前記第１の電極層（１２）及び前記絶縁層に亘って延在する少なくとも一つの通路を前記積層に形成し、前記通路（１７）の底部（２８）を前記第２の電極層（１３）の一部によって形成する方法。
- 前記積層及び／又は前記積層の個別の層（１１；１２；１３；１４；１８；２１；２７）を、薄膜技術、特に、蒸着処理若しくは陰極スパッタリング処理によって又は圧膜技術、特に、スクリーン印刷技術によって製造することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
- 前記絶縁層（１４）及び／又は前記絶縁層（１４）から見て外方に向いた前記第１の電極層（１２）の側（２０）に形成された被覆層（２１）を、化学蒸着又はプラズマ化学気相成長によって形成することを特徴とする請求項１９又は２０に記載の方法。
- 前記通路を止まり穴として形成し、少なくとも一つの止まり穴又は前記止まり穴の小部分を、少なくとも一つのエッチング処理、特に、プラズマイオンエッチング処理によって又はエッチングする前記積層の層（１２；１４；２１）に適合される複数の連続的に実行されるエッチング処理によって前記積層に形成することを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記絶縁層（１４）を、エッチング処理停止層として形成し、別のステップにおいて、前記止まり穴の小部分を、前記絶縁層の相変化を伴う調整処理によって前記絶縁層（１４）に形成することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
- 前記通路を止まり穴として形成し、少なくとも一つの止まり穴又は前記止まり穴の小部分を、電磁波又は荷電粒子（電子）を照射する工程によって前記積層に形成し、照射源及び／又は波長及び／又は照射のパルス周波数及び／又は荷電粒子のエネルギー及び／又は荷電粒子の種類を、加工される前記積層の層（１２；１４；２１）に適合させることを特徴とする請求項１９〜２３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記積層を製造する際に、前記絶縁層（１４）を、特に、スクリーン印刷処理、スプレー吹付処理、浸漬処理又はスピンコーティング処理によって第１の電極領域（１２）と第２の電極領域（１４）の間の表面領域全体に形成し、方法の次のステップにおいて、前記絶縁層（１４）の少なくとも一部を、前記第１の電極層（１２）及び前記絶縁層（１４）に亘って延在する前記通路（１７）が形成されるような構造的な溶解、エッチング又は燃焼によって除去することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
- 導電性及び／又は分極性粒子を検出するセンサ、特に、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のセンサ（１０）を製造する方法であって、第１の電極層（１２）と、第２の電極層（１３）と、前記第１の電極層（１２）と前記第２の電極層（１３）との間に配置された絶縁層（１４）と、を有する積層を製造し、構成される前記絶縁層（１４）及び前記第１の電極層（１２）を、特に、個別の層（１２；１４；２１）を重複するように設けて構成した結果として前記第２の電極層（１３）への通路（１７）を形成するようにリフトオフ処理及び／又はインクジェット処理及び／又はスタンピング処理によって形成する方法。
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