KR20170067776A - 가스 유동 내의 입자의 농도를 결정하기 위한 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 유동(114) 내의 입자(112), 특히 내연기관의 배기 가스 내의 수트(soot) 입자의 농도를 결정하기 위한 센서(110)에 관한 것이며, 상기 센서(110)는 적어도 하나의 캐리어 요소(116), 및 상기 캐리어 요소(116)의 표면(118) 상에 배치되며 상기 가스 유동(114)에 노출될 수 있는 적어도 하나의 센서 요소(120)를 포함하고, 상기 센서 요소(120)는 서로 다른 극성의 적어도 2개의 측정 전극(124, 126)으로 이루어진 적어도 하나의 전극 구조(122)를 포함하고, 상기 측정 전극(124, 126)은 핑거 전극(130)을 갖는 인터디지탈 콤 구조(128)의 형태로 형성되고, 상기 핑거 전극들(130)은 상호 거리(132)를 가지며, 상기 인터디지탈 콤 구조(128) 내에, 핑거 전극들(130)의 제 1 거리(132, 150)를 가진 제 1 영역들(148), 및 핑거 전극들(130)의 제 2 거리(132, 154)를 가진 제 2 영역들(152)이 제공되고, 상기 제 1 거리(132, 150)는 상기 제 2 거리(132, 154)를 초과하고, 상기 제 1 영역들은 상기 센서 요소(120) 상의 제 1 면을 차지하며, 상기 제 2 영역들은 상기 센서 요소(120) 상의 제 2 면을 차지하고, 상기 제 1 영역들(148) 및 상기 제 2 영역들(152)은 상기 인터디지탈 콤 구조(128)에서 적어도 부분적으로 각각 교대로 서로 인접한다.
Description
본 발명은 가스 유동 내의 입자, 특히 내연기관의 배기 가스 내의 수트(soot) 입자의 농도를 결정하기 위한 센서에 관한 것이다.
내연기관의 배기 가스관 내의 수트(soot) 입자의 농도를 결정하기 위해, 특히 디젤 미립자 필터를 모니터링하기 위해 사용되는 센서들은 종래 기술로부터 공지되어 있다. 예를 들어, DE 10 2006 032 741 A1 및 DE 10 2006 029 215 A1은 각각 캐리어 요소, 및 상기 캐리어 요소의 표면상에 배치되며 가스 유동에 노출될 수 있는 센서 요소를 포함하는 입자 센서를 기술한다. 이 경우 캐리어는 비-전기 전도성이며 절연성이 높은 물질, 특히 알루미늄산화물로 이루어진 세라믹을 포함한다. 캐리어 요소의 표면상에 배치된 센서 요소는 상이한 극성의 적어도 2개의 측정 전극으로 이루어진 전극 구조를 포함하며, 측정 전극들은 전기적으로 서로 연결되는 개별 핑거 전극을 갖는 인터디지탈 콤 구조의 형태로 형성된다. "인터디지탈 콤 구조(interdigital comb structure)"라는 표현은 두 측정 전극의 핑거 전극들이 빗 모양으로 교대로 서로 맞물리는 것이다. 이러한 방식으로 구성된 측정 전극 각각은 측정 및 제어 유닛에 연결을 위해 도체 트랙을 통해 연결 접점에 연결된다. 인터디지탈 콤 구조는 작동 중에 가스 유동에 직접 노출되는 저항 측정 구조로서 사용된다. 가스 유동에 동반된 전기 전도성 입자, 특히 상기 특성을 갖는 수트 입자가 센서 요소 상에 부착되면, 두 측정 전극 사이의 전기 저항이 변화된다. 센서 요소 상에서 입자 농도가 증가함에 따라, 예를 들어 전기 저항이 감소한다. 부착된 입자의 농도는 각각의 측정 변수의 시간에 따른 변화, 특히 전기 저항으로부터 측정 및 제어 유닛에 의해 결정될 수 있으며, 이로부터 가스 유동 내의 입자 농도가 추정될 수 있다.
통상의 입자 센서들은 핑거 전극을 갖는 인터디지탈 콤 구조를 가지며, 상기 핑거 전극들은 등거리인 상호 거리를 갖는 한편, DE 10 2004 059 650 A1은 인터디지탈 콤 구조가 핑거 전극들 간의 가변 거리를 갖는, 가스 유동 내의 입자의 농도를 결정하기 위한 센서를 개시한다. 이러한 방식으로, 서로 멀리 떨어져 배치된 핑거 전극들을 갖는 제 1 영역, 및 서로 인접한 핑거 전극들을 갖는 제 2 영역이 달성될 수 있다. 서로 등거리로 배치된 핑거 전극들을 포함하는 인터디지탈 콤 구조를 갖는 센서 요소는 측정 전극들 사이에 전압이 인가될 때 대칭 전기장을 형성하고, 상기 전기장은 핑거 전극들 사이에서 일정한 방향 및 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 한편, DE 10 2004 059 650 A1에 따른 센서 요소에서는, 전압이 인가될 때 국부적으로 일정하지 않은 전기장이 형성된다. 서로 인접한 핑거 전극들 사이에 부착된 입자들은 이 영역에서 전도성 경로를 신속하게 형성할 수 있고, 이로 인해 측정 신호를 트리거 할 수 있으며, 그 결과 센서의 감도가 증가한다. 추가 입자의 연속적인 부착에 의해, 서로 떨어져 배치된 핑거 전극들 사이에 전도성 경로가 형성되며, 그 결과 더 긴 시간 동안, 서로 등거리로 배치된 측정 전극에서보다 더 큰 신호 증가가 달성되고, 이는 궁극적으로 센서 신호의 증폭을 일으킬 수 있다. 또한, 입자 부착 속도는, 핑거 전극이 규칙적으로 배치된 팁, 정사각형, 도트 형태의 또는 다른 기하학적 형태의 하부 구조를 갖기 때문에 생기는 증가된 필드 구배에 의해 증가될 수 있다.
기술된 센서는 통상적으로 적어도 하나의 보호 튜브에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있으며, 상기 보호 튜브는 특히 센서 요소를 따라 가스 유동의 공급을 위해 사용된다. 일반적으로, 보호 튜브는 굴뚝 형태로 형성되므로, 가스 유동은 유입 개구로부터 센서 요소의 표면을 따라 배출 개구의 방향으로 안내된다. 이러한 방식으로, 보호 튜브는 이하에서 X 방향이라 하는 주 전극 방향을 따라 센서 요소의 가급적 균일한 오버 플로우(overflow)를 일으키며, 낮은 각도 의존성을 야기한다. 가스 유동에 의한 센서 요소의 이러한 균일한 층류 오버 플로우의 결과로서, 많은 입자들이 센서 요소의 근방에 도달하지만, 현재의 연구에서 나타나듯이, 입자의 적은 분량만이 실제로 센서 요소의 표면상에 부착된다. 인터디지탈 콤 구조의 표면에 가까운 층에서 유동하는 입자들만이 주 유동에 대해 수직으로 충분히 큰 인력을 겪고, 이로 인해 이하에서 Z 방향이라 하는 센서 요소의 방향으로 가속되며, 여기서 이들은 상응하는 부착에 의해 연속적으로 전기 전도성 입자 경로, 특히 수트 경로를 형성한다.
종래 기술에 따른 입자 센서에서, 전형적으로 500 ㎛보다 훨씬 작은 전극 구조 위의 거리를 갖는 층에 위치한 입자들만이 측정 전극에 의해 형성된 전기장에 의한 인력을 겪는다. 이에 반해, 전극 구조로부터 멀리 떨어져 있는 모든 입자는 센서 요소를 지나서 안내되고, 측정 가능한 효과에 기여하지 않으면서 배출 개구를 통해 보호 튜브를 벗어난다.
끌어당기는 전기장의 도입 영역에 도달한 입자들은 일반적으로 시간에 따른 급격한 가속을 겪는다. 그 결과 전극 구조는 가스 유동에 의해 먼저 오버 플로우되는 센서 요소 상의 영역에 주로 작용한다. 이러한 방식으로, 많은 경우에, 센서 요소 상에 존재하는 전극 구조의 면적의 일부만이 측정 가능한 신호를 얻는데 사용되므로, 센서는 종종 비교적 낮은 감도를 갖는다.
본 발명의 과제는 센서의 너무 이른 포화를 일으키지 않으면서 가능한 한 높은 감도를 갖는, 가스 유동 내의 입자, 특히 내연기관의 배기 가스 내의 수트 입자의 농도를 결정하기 위한 센서를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 센서 요소의 전극 구조의 가능한 한 최적의 설계에 의해, 센서 요소에서 이용 가능한 전극 구조의 면이 센서의 다이내믹을 유지하면서 센서 내 신호 형성을 위해 가능한 한 완전하게 사용될 수 있음으로써 달성된다.
이를 위해, 가스 유동 내의 입자의 농도를 결정하기 위한 센서는 적어도 하나의 캐리어 요소, 및 상기 캐리어 요소의 표면상에 배치되며 가스 유동에 노출될 수 있는 적어도 하나의 센서 요소를 포함한다. 바람직한 실시 예에서, 센서는 전술한 바와 같이 적어도 하나의 보호 튜브에 의해 둘러싸이고, 상기 보호 튜브는 센서를 적어도 부분적으로 둘러싸며, 특히 센서 요소를 지나서 가스 유동을 공급하기 위해 사용된다. 기계적으로 충분히 안정한 기판이 캐리어 요소로서 바람직하게 사용되며, 이 기판은 가능한 한 양호한 절연 재료, 특히 세라믹, 예를 들어 알루미늄 산화물을 포함한다.
가스 유동에 노출될 수 있는 센서 요소는 적어도 하나의 전극 구조를 포함하며, 상기 전극 구조는 적어도 2개의 측정 전극을 포함하고, 상기 측정 전극들은 서로 다른 극성을 갖는다. 본 발명에 따르면, 측정 전극들은 핑거 전극을 갖는 인터디지탈 콤 구조의 형태로 형성되고, 상기 인터디지탈 콤 구조는 이런 방식으로 저항 측정 구조를 제공한다. 처음에 이미 정의한 바와 같이, "인터디지탈 콤 구조 (interdigital comb structure)"라는 표현은 2개의 측정 전극의 핑거 전극들이 빗 모양으로 교대로 서로 맞물리는 전극 구조를 의미한다.
상기 과제를 달성하기 위해, 핑거 전극들은 인터디지탈 콤 구조 내에서 전극 구조 전체에 걸쳐 등거리가 아닌 상호 거리를 갖는다. 등거리는 핑거 전극이 통상의 공차 범위 내에서 동일한 거리를 갖는 전극 구조의 실시 예를 의미한다. 이러한 방식으로, 특히 전압이 측정 전극에 인가되는 동안 핑거 전극들 사이에 생성된 전기장이 가능한 한 균일한 구조를 갖는 것이 보장되어야 한다. 그러나 연구 결과 밝혀진 바와 같이 그리고 전술한 바와 같이, 상기 전극 구조가 센서 요소 내에서 불균일한 전기장을 발생시키는 것이 바람직하게 때문에, DE 10 2004 059 650 A1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 핑거 전극들의 상호 거리는 전극 구조 전체에 걸쳐 등거리로 선택되지 않는다.
본 발명에 따르면, 핑거 전극을 갖는 인터디지탈 콤 구조는, 가능한 한 전극 구조의 전체 길이 및 전체 폭에 걸쳐, 핑거 전극들의 거리가 평균 거리보다 작은 모든 영역이 센서에서 신호 형성을 위해 사용될 수 있고, 그로 인해 센서의 감도가 현저히 높아질 수 있도록 설계된다. 이를 위해, 본 발명에 따라 센서 요소에 작용하며 신호 형성에 기여할 수 있는 입자의 비율이 증가한다. 그러나 다른 한편으로는, 평균 거리보다 큰 핑거 전극들의 거리를 갖는 영역들이 인터디지탈 콤 구조 내에 충분히 존재함으로써, 센서 요소 위의 멀리 떨어진 층으로부터 입자들이 끌어 당겨지고, 상기 입자들은 더 짧은 거리를 가진 다음 영역에 부착됨으로써, 추가로 신호 형성에 기여하고, 그 결과 센서의 다이내믹이 유지되면서 너무 이른 포화가 방지된다.
본 발명에 따르면, 인터디지탈 콤 구조에, 핑거 전극들의 제 1의 긴 거리를 가진 제 1 영역들, 및 핑거 전극들의 제 2의 짧은 거리를 가진 제 2 영역들이 제공되고, 상기 제 1 거리는 상기 제 2 거리를 초과하며, 상기 제 1 영역들과 상기 제 2 영역들은 인터디지탈 콤 구조상에서 적어도 부분적으로 각각 교대로 서로 인접한다. 이 경우, 제 1의 긴 거리와 제 2의 짧은 거리와의 차이점은, 상기 제 1 거리는 평균 거리를 초과하는 한편, 상기 제 2 거리들은 평균 거리 미만이며, 상기 평균 거리는 X 방향 및/또는 Y 방향에서 핑거 전극들 간의 거리들의 평균값 또는 중앙값에 상응할 수 있고, 상기 평균 거리는 사용된 모든 거리로부터 또는 극한값들, 즉 전극 구조(122) 내의 최대 거리 및 최소 거리로부터 결정될 수 있다.
제 1의 긴 거리를 갖는 제 1 영역은 본 발명에 따라 실질적으로 전기장의, 종래 기술에 비해 큰 공간 파지 효과를 갖는 정전 캐처(electrostatic catcher)로서 사용된다. 센서 요소로부터 더 먼 거리로부터 검출되고 끌어 당겨진 입자들은 바람직하게는 제 2의 짧은 거리를 가진 제 2 영역들, 특히 각각 제 1 영역에 직접 인접하며 거기서 경로를 형성할 수 있는 제 2 영역들에 부착된다. 이러한 방식으로, 신호 형성은 제 2 영역 내에서만 실질적으로 이루어질 수 있다. 제 1 영역들과 제 2 영역들을 센서 요소의 표면상에 적어도 부분적으로, 바람직하게는 센서 요소의 표면상의 넓은 영역 위에 교대로 배치하는 본 발명에 따른 실시예는 센서 요소 위를 스치는 가스 유동으로부터 나온 입자들의 부착을 촉진하는데 기여한다.
바람직하게는 제 2 영역들은 수치 계산에 의해 결정되는 동일하고, 최적으로 짧은 전극 거리를 갖는 한편, 제 1 영역들에서 전극 거리들은 바람직하게는 계단식으로 변화되고, 특히 유동 방향(x 방향)으로 변화가 이루어진다. 따라서, 한편으로는, 가스 유동에서 센서 요소 위로 안내되는 입자들이 가능한 한 많이 센서 요소 상에 부착되고, 다른 한편으로는 전극 면의 부분 영역에서만 종래 기술에서와 같이 국부적인 부착으로 인해 센서의 조기 포화가 나타나지 않으면서, 핑거 전극들 사이의 한 지점에서 입자들이 충분히 부착되면, 센서 요소 상에서 입자들은 그 고유 전기 전도도로 인해 전도성 경로를 형성할 수 있다. 이러한 방식으로, 센서의 다이내믹을 제한하지 않으면서, 센서의 감도를 증가시키려는 본 발명에 따른 과제가 해결된다.
바람직한 실시 예에서, 핑거 전극들의 거리들은 제 1 영역들 및 제 2 영역들에서, 이들이 센서 요소 상에서 가스 유동의 방향에서 볼 때, 특히 센서 요소 위의 보호 튜브의 설계예에 의해 형성되는 유동 조건에 따라 증가하거나 감소하도록 선택된다. 특히 거리의 증가 또는 감소는 준-연속적으로 이루어지며, 이는 계단식이라고도 할 수 있다. 이는 인접한 영역에서 감소의 경우 더 낮은 값을 또는 증가의 경우 더 높은 값을 취하기 위해 거리가 하나의 영역에 걸쳐 일정하게 유지되거나 또는 다시 증가하는 거리의 변화를 의미한다. 대안으로서, 전술한 바와 같이, 제 1 영역들 내의 거리만이 계단식으로 증가 또는 감소할 수 있는 한편, 제 2 영역들 내의 거리들은 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 제 2 영역들 내의 거리들이 계단식으로 증가 또는 감소하는 한편, 제 1 영역들 내의 거리들은 일정하게 유지되는, 반대의 경우가 바람직할 수 있다. 이 추가의 실시 예에서, 인터디지탈 콤 구조 내의 핑거 전극들의 상호 거리는 Y 방향이라고도 하는 가스 유동의 방향에 대해 수직으로 증가 또는 감소할 수 있도록 정해진다. 이 실시 예에서도, 핑거 전극들 사이의 거리의 변화가 준-연속적인 또는 계단식 형태로 이루어질 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 상응하는 실시 예에서, 이러한 거리의 변화는 센서의 감도 증가에 기여할 수 있다.
특별한 실시 예에서, 가스 유동의 방향에 대해 수직으로, 즉 Y 방향으로 연장하는 인터디지탈 콤 구조 내의 핑거 전극의 표면은 가스 유동의 방향으로, 즉 X 방향으로 연장하는 인터디지탈 콤 구조 내의 핑거 전극의 표면보다 작을 수 있다. 상응하는 연구로부터, 유동 방향에 대해 수직으로, 즉 Y 방향으로 연장하는 핑거 전극의 가능한 낮은 비율을 갖는 전극 구조는, 입자 부착을 위해 그리고 그에 따라 수트 경로의 형성을 위해 전극 면의 활용도를 높일 수 있는 것으로 나타났다.
다른 실시 예에서, 인터디지탈 콤 구조 내의 핑거 전극들이 갖는 두께는 센서 요소 상의 인터디지탈 콤 구조를 통해 변할 수 있다. 이 경우에, 가스 유동의 방향으로, 즉 X 방향으로 핑거 전극들의 두께가 감소 또는 증가하는 것이 특히 바람직할 수 있다. 센서 요소 위에 유동 조건에 따라, 가스 유동과 처음 접촉하는 인터디지탈 콤 구조의 부분 상에서 핑거 전극들의 더 작은 또는 더 큰 두께가 센서의 감도를 증가시키는데 추가로 기여할 수 있다. 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 교대하는 전극 거리와 함께, 서로 더 긴 거리를 갖는 제 1 영역들의 핑거 전극들이 더 큰 두께를 가지면, 센서의 감도 증가와 관련해서 특히 바람직한 것으로 나타난다.
바람직한 실시 예에서, 센서 요소 상의 제 1 영역을 차지하는 제 1 면 대 센서 요소 상의 제 2 영역을 차지하는 제 2 면의 비율은 0.1 이상, 바람직하게는 0.3 이상, 특히 바람직하게는 0.4 이상 0.9 이하, 바람직하게는 0.7 이하, 특히 바람직하게는 0.6 이하의 인터벌 내에 놓일 수 있고, 2개의 비율의 합은 1.0 이며, 2개의 면적 분율의 비가 바람직하게는 수치 시뮬레이션에 의해 결정된다.
다른 실시 예에서, 핑거 전극들, 즉 모든 핑거 전극, 핑거 전극들의 일부 또는 한 영역의 모든 핑거 전극은 인터디지탈 콤 구조 내에서 추가의 하부 구조를 가질 수 있다. 예시적인 하부 구조는 다음의 설명에 제시된 실시 예들에 또는 DE 10 2004 059 650 A1에 나타난다. 추가의 하부 구조에 의해, 센서 감도의 추가 증가가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 센서를 제조하기 위해, 종래 기술에 공지된 후막 기술의 방법이 사용될 수 있어서, 이를 기초로 핑거 전극을 갖는 인터디지탈 콤 구조의 형태로 전극 구조가 제조된다. 이를 위해 적절한 방법은 예를 들어 스크린 인쇄 또는 스텐실 인쇄이다. 그러나 선택된 제조 방법에 의해 센서의 감도를 더 증가시키기 위해, 인터디지탈 콤 구조 내에 핑거 전극들의 미세 구조화를 위한 새로운 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 연구 결과에서 나타나는 바와 같이, 전극 구조는 레이저 구조화에 의해, 특히 피코초 레이저를 사용하여 바람직하게 형성될 수 있고, 상기 피코초 레이저는 캐리어 구조에 제공되는 전도성 전극 페이스트로부터 거의 임의의 구조를 신속하고 유연하게 형성할 수 있다.
대안으로서 또는 추가로, 전극 구조들, 특히 핑거 전극들의 가능한 한 짧은 거리를 갖는 전극 구조들은 3D 프린터에 의해 형성될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 래피드 프로토 타이핑(Rapid Prototyping)을 이용한 소규모 생산으로부터 자동차 산업의 디지탈 제조까지 3D 프린터 사용에 대한 개요를 제공하는, M. Hermatschweiler, 3D-Druck auf der Mikroskala erreicht neue Dimension, Sensormagazin, 2/2013, 36-39 페이지의 기사가 참조된다.
본 발명의 바람직한 실시 예들이 도면에 도시되어 있으며, 하기에서 상세히 설명된다.
도 1은 가스 유동 내의 입자들의 농도를 결정하기 위한 종래 기술로부터 공지된 센서를 도시한다.
도 2는 보호 하우징 내로 센서의 삽입 및 가스 유동의 관련 가이드를 도시한 개략적인 수직 단면도(종래 기술)이다.
도 3은 센서 요소 상의 전극 구조에 의해 생성된 전기장을 도시한 개략적인 단면도(종래 기술)이다.
도 4 내지 도 7은 각각 본 발명에 따른 전극 구조의 실시 예를 도시한 개략적인 평면도이다.
도 8은 추가의 하부 구조를 갖는 본 발명에 따른 전극 구조의 다른 실시 예의 개략적인 평면도이다.
도 9 및 도 10은 사다리꼴 형태의 본 발명에 따른 전극 구조의 다른 실시 예의 개략적인 평면도이다.
도 11 및 도 12는 추가의 하부 구조를 갖는 사다리꼴 형태의 본 발명에 따른 전극 구조의 다른 실시 예의 개략적인 평면도이다.
도 2는 보호 하우징 내로 센서의 삽입 및 가스 유동의 관련 가이드를 도시한 개략적인 수직 단면도(종래 기술)이다.
도 3은 센서 요소 상의 전극 구조에 의해 생성된 전기장을 도시한 개략적인 단면도(종래 기술)이다.
도 4 내지 도 7은 각각 본 발명에 따른 전극 구조의 실시 예를 도시한 개략적인 평면도이다.
도 8은 추가의 하부 구조를 갖는 본 발명에 따른 전극 구조의 다른 실시 예의 개략적인 평면도이다.
도 9 및 도 10은 사다리꼴 형태의 본 발명에 따른 전극 구조의 다른 실시 예의 개략적인 평면도이다.
도 11 및 도 12는 추가의 하부 구조를 갖는 사다리꼴 형태의 본 발명에 따른 전극 구조의 다른 실시 예의 개략적인 평면도이다.
도 1은 가스 유동(114, 14) 내의 입자(112), 특히 내연기관의 배기 가스 내의 수트(soot) 입자의 농도를 결정하기 위한 종래 기술로부터 공지된 센서(110)를 개략적으로 도시한다. 센서(110)는 캐리어 요소(116), 및 캐리어 요소(116)의 표면(118) 상에 배치되며 가스 유동(114)에 노출될 수 있는 센서 요소(120)를 포함한다. 센서 요소(120)는 2개의 측정 전극(124, 126)으로 이루어진 전극 구조(122)를 포함하고, 2개의 측정 전극(124, 126)은 서로 다른 극성을 갖는다. 종래 기술로부터, 전극 구조(122)의 측정 전극(124, 126)은 핑거 전극들(130)을 갖는 인터디지탈 콤 구조(128)의 형태로 형성되는 것이 공지되어 있다. 통상, 핑거 전극들(130)은 일반적으로 등거리인 상호 거리(132)를 갖는다. 상기 바람직한 실시 예에서 센서 요소(120) 상의 전극 구조(122)는 X, Y 및 Z 방향이 다음과 같이 정해질 수 있는 좌표계(134)를 형성한다:
- X 방향은 센서 요소(120) 위의 가스 유동(114)의 방향이다.
- Y 방향은 전극 구조의 평면에서 가스 유동 방향에 대해 수직이다.
- Z 방향은 인터디지탈 콤 구조(128) 형태의 전극 구조(122)를 갖는 센서 요소(120)의 표면(118)에 대해 수직이다. 좌표계(124)는 다음의 도면에서도 이 형태로 사용된다.
도 2는 센서(110)를 둘러싸는 보호 하우징(136)의 수직 단면도를 개략적으로 도시한다. 보호 하우징(136)은 유입 개구(138)를 포함하며, 상기 유입 개구(138)를 통해 가스 유동(114)이 보호 하우징(136)의 내부 공간 내로 들어갈 수 있다. 보호 하우징(136)은, 가스 유동(114)이 가능한 평행하게, 즉 X 방향으로, 센서(110)를 통해, 특히 센서 요소(120) 상의 전극 구조(122)를 통해 안내된 후에, 가스 유동(114)이 배출 개구(140)를 통해 보호 하우징(136)의 내부 공간을 벗어나도록 형성된다.
도 2a는 보호 하우징(136)을 통한 가스 유동(114)의 가이드를 개략적으로 도시하며, 센서 요소(120)는 횡 방향으로 절단되어 도시된다. 센서 요소 상의 전극 구조(122)는 핑거 전극들(130)이 가스 유동(114)의 유동 방향에 대해 평행하게, 즉 X 방향으로 연장하도록 정렬된다.
도 2b 및 도 2c는 육각형(142) 상에 장착된 보호 하우징(136)의 측방 단면도이다. 상기 보호 하우징(136) 내에서 센서 요소(120)는 가스 유동(114)에 노출된다. 도 2c는 좌표계(134)를 갖는 도 2b의 상세도이다.
도 3a에는, 센서 요소(120)의 전극 구조(122)에 의해 형성된 전기장(144)이 단면의 형태로 도시되어 있다. 전극 구조(122)의 표면(118) 근방의 층(136) 내로 진입하는 입자들만이 Z 방향으로 충분히 큰 인력을 겪고, 따라서 핑거 전극들(130) 사이에 수트(soot) 경로를 형성할 수 있다.
도 3b에는, 종래 기술로부터 공지된 센서(110)에서, 전기장(144)은 층(146)의 내부에서만, 전극 구조(112)의 표면(118) 위의 층(146) 내에 있는 가스 유동 내의 입자들에 영향을 미칠 수 있음이 나타난다. 상기 층(146)의 두께는 전형적으로 0.5 mm보다 훨씬 작은 값을 갖는다.
도 4 내지 도 12는 각각 본 발명에 따른 센서(110)의 바람직한 실시 예를 도시한다. 이 경우, 센서 요소(120)는 핑거 전극들(130)을 갖는 인터디지탈 콤 구조(128)의 형태로 전술한 전극 구조(122)를 포함하며, 핑거 전극들(130) 간의 거리(132)는 전극 구조(122) 전체에 걸쳐 서로 등거리가 아니다.
본 발명에 따라, 인터디지탈 콤 구조(128)는 핑거 전극들(130)의 제 1의, 더 긴 거리(132, 150)를 갖는 제 1 영역들(148), 및 핑거 전극들의 제 2의, 더 짧은 거리(132, 154)를 갖는 제 2 영역들(152)을 포함한다. 상기 제 1 거리(132, 150)는 상기 제 2 거리(132, 154)를 초과한다. 이 경우, 제 1의 더 긴 거리(132, 150)와 제 2의 더 짧은 거리(132, 154)의 차이점은, 제 1의 더 긴 거리(132, 150)가 평균 거리를 초과하는 반면, 제 2의 더 짧은 거리(132, 154)는 평균 거리 미만이라는 것이며, 상기 평균 거리는 X 방향 및/또는 Y 방향으로 핑거 전극들(130) 간의 거리들의 평균값 또는 중앙값이고, 상기 평균 거리는 사용된 모든 거리로부터 또는 극한값들, 즉 전극 구조(122)에서 가장 큰 거리 및 가장 작은 거리로부터 결정될 수 있다.
본 발명에 따라, 인터디지탈 콤 구조(128) 내의 제 1 영역(148) 및 제 2 영역(152)은 센서 요소(120)의 표면(118)상의 적어도 큰 영역에 걸쳐 각각 교대로 인접한다. 즉, 핑거 전극들(130) 간의 제 1의 더 긴 거리(132, 150)를 갖는 제 1 영역(148)에 후속해서 핑거 전극들(130) 간의 제 2의 더 짧은 거리(132, 154)를 갖는 제 2 영역(152)이 이어지고, 그리고 나서 센서 요소(120)의 표면(118) 상에 여전히 공간이 있다면, 핑거 전극들(130) 간의 제 1의 더 긴 거리(132, 150)를 갖는 추가 제 1 영역(148)이 배치된다.
본 발명에 따른 인터디지탈 콤 구조(128)의 가능한 실시 예는 도 4 내지 도 12에 도시된 실시 예에 나타날 수 있다. 여기에는, 가스 유동(114)의 방향에 대해 수직으로 연장되는 인터디지탈 콤 구조(128) 내의 핑거 전극(130)의 길이는 가스 유동(114)의 방향으로 연장되는 핑거 전극(114)의 길이보다 작은 실시 예들이 도시된다. 설명된 실시 예들의 조합일 수 있거나 또는 여기에 도시되지 않은 추가 요소들을 포함할 수 있는 다른 실시 예들도 가능하다.
도 4 내지 도 8은 인터디지탈 콤 구조(128)에서 핑거 전극들(130)의 거리들(132)이 가스 유동(114)의 방향으로 단계적으로 증가하는 실시 예들을 도시하는 반면, 도 9 및 도 10은 인터디지탈 콤 구조(128)에서 핑거 전극들(130)의 거리들(132)이 사다리꼴 배치로 인해 가스 유동(114)의 방향으로 연속적으로 감소하는 실시 예들을 도시한다. 또한, 도 11 및 도 12에 따라 인터디지탈 콤 구조(128)에서 전극 구조(122)의 사다리꼴 형태의 배치에도 제 1 영역(148)에서 핑거 전극(130)의 일정한 제 1 거리(132, 150), 및 제 2 영역(152)에서 핑거 전극(130)의 일정한 제 2 거리(132, 154)와 같은 상기 실시 예들의 조합도 추가의 실시예로서 가능하다.
또한, 도 8, 도 11 및 도 12에 예시적으로 도시된 바와 같이, 인터디지탈 콤 구조(128) 내의 핑거 전극들(130)은 특히 적절한 배치 시에 센서 요소(120)의 감도를 더 증가시킬 수 있는 하부 구조를 포함할 수 있다.
110
센서
112 입자
114 가스 유동
116 캐리어 요소
118 표면
120 센서 요소
122 전극 구조
124, 126 측정 전극
128 인터디지탈 콤 구조
130 핑거 전극
132, 150 제 1 거리
132, 154 제 2 거리
148 제 1 영역
152 제 2 영역
112 입자
114 가스 유동
116 캐리어 요소
118 표면
120 센서 요소
122 전극 구조
124, 126 측정 전극
128 인터디지탈 콤 구조
130 핑거 전극
132, 150 제 1 거리
132, 154 제 2 거리
148 제 1 영역
152 제 2 영역
Claims (10)
- 가스 유동(114) 내의 입자(112), 특히 내연기관의 배기 가스 내의 수트(soot) 입자의 농도를 결정하기 위한 센서(110)로서, 상기 센서(110)는 적어도 하나의 캐리어 요소(116), 및 상기 캐리어 요소(116)의 표면(118) 상에 배치되며 상기 가스 유동(114)에 노출될 수 있는 적어도 하나의 센서 요소(120)를 포함하고, 상기 센서 요소(120)는 서로 다른 극성의 적어도 2개의 측정 전극(124, 126)으로 이루어진 적어도 하나의 전극 구조(122)를 포함하고, 상기 측정 전극(124, 126)은 핑거 전극들(130)을 갖는 인터디지탈 콤 구조(128)의 형태로 형성되고, 상기 핑거 전극들(130)은 상호 거리(132)를 가지며, 상기 인터디지탈 콤 구조(128) 내에, 핑거 전극들(130)의 제 1 거리(132, 150)를 가진 제 1 영역들(148), 및 핑거 전극들(130)의 제 2 거리(132, 154)를 가진 제 2 영역들(152)이 제공되고, 상기 제 1 거리(132, 150)는 상기 제 2 거리(132, 154)를 초과하는, 상기 센서에 있어서,
상기 제 1 영역들(148) 및 상기 제 2 영역(152)들은 상기 인터디지탈 콤 구조(128)에서 적어도 부분적으로 각각 교대로 서로 인접하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제 1 항에 있어서, 상기 인터디지탈 콤 구조(128) 내에서 상기 핑거 전극들(130)의 거리들(132)은 상기 센서 요소(120)의 표면(118) 상에서 상기 가스 유동(114)의 방향으로 및/또는 상기 가스 유동(114)의 방향에 대해 수직으로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 인터디지탈 콤 구조(128) 내에서 상기 핑거 전극들(130)의 거리들(132)은 상기 제 1 영역(148)에서 및/또는 상기 제 2 영역(152)에서, 바람직하게는 연속적으로 또는 계단식으로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 유동(114)의 방향에 대해 수직으로 연장하는 인터디지탈 콤 구조(128) 내의 상기 핑거 전극들(130)의 길이는 상기 가스 유동(114)의 방향으로 연장하는 인터디지탈 콤 구조(128) 내의 상기 핑거 전극들(130)의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인터디지탈 콤 구조(128) 내의 상기 핑거 전극(130)은 상기 인터디지탈 콤 구조(128)에 걸쳐 일정하지 않은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 5 항에 있어서, 상기 핑거 전극들(130)의 두께는 상기 센서 요소(120)의 표면(118) 상에서 상기 가스 유동(114)의 방향으로 및/또는 상기 가스 유동(114)의 방향에 대해 수직으로, 바람직하게는 연속적으로 또는 계단식으로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 6 항에 있어서, 상기 핑거 전극들(130)의 두께는 상기 제 1 영역(148) 및/또는 상기 제 2 영역(152)에서 상기 가스 유동(114)의 방향으로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 요소(120) 상의 상기 제 1 영역(148)을 차지하는 제 1 면 대 상기 센서 요소(120) 상의 상기 제 2 영역(152)을 차지하는 제 2 면의 비율은 0.1 이상 내지 0.9 이하의 인터벌 내에 놓이고, 2개의 비율의 합은 1.0인 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핑거 전극들(130)은 상기 인터디지탈 콤 구조(128) 내에 하부 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인터디지탈 콤 구조(128) 내의 상기 핑거 전극들(130)은 상기 캐리어 요소(116)의 표면(118) 상에 레이저 구조화에 의해 및/또는 3D 프린터에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 센서.
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