KR20190071719A - 측정 가스 챔버 내 측정 가스의 미립자 검출용 센서 요소 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측정 가스 챔버 내의 측정 가스를 검출하기 위한 센서 요소(110)에 관한 것이다. 센서 요소(110)는 지지체(112)를 포함하며, 지지체(112) 상에는 제 1 전극 장치(114) 및 제 2 전극 장치(116)가 적층된다. 제 1 전극 장치(114)와 제 2 전극 장치(116)는 각각 다수의 전극 핑거(118)를 포함하며, 제 1 전극 장치(114)의 각각의 전극 핑거(118)는 적어도 하나의 종단 저항기(120)를 통해 제 2 전극 장치(116)의 적어도 하나의 전극 핑거(118)와 연결된다.
Description
본 발명은 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 미립자들을 검출하기 위한 센서 요소(sensor element)에 관한 것이다.
종래 기술에는 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 미립자들을 검출하기 위한 다수의 센서 요소가 개시되어 있다. 예컨대 측정 가스는 내연기관의 배기가스일 수 있다. 특히 미립자는 그을음(soot) 또는 먼지 입자일 수 있다. 본 발명은 하기에서, 특히 그을음 미립자들의 검출을 위한 센서 요소들과 관련하여 설명되지만, 실시형태들 및 적용들이 그것으로 제한되는 것은 아니다.
2개 이상의 금속 전극은 전기 절연 지지체 상에 부착될 수 있다. 전압의 작용 하에 축적되는 입자들, 특히 그을음 미립자들은 센서 요소의 수집 단계에서 예컨대 빗 모양으로 상호 간에 맞물려 있는 인터디지털 전극들(interdigital electrode)로서 형성되는 전극들 사이에서 전기 전도성 브리지들을 형성하며, 그로 인해 상기 전극들을 단락시킨다. 재생 단계에서, 전극들은 통상 통합된 가열 요소에 의해 버닝 방식으로 소기(scavenging)된다. 일반적으로, 미립자 센서들(particle sensor)은 미립자 축적으로 인해 변경되는 전극 구조의 전기 특성들을 분석한다. 예컨대 전압이 일정하게 인가될 때 감소하는 저항 또는 증가하는 전류가 측정될 수 있다.
상기 원리에 따라서 작동하는 센서 요소들은 일반적으로 저항 센서들이라고 하며, 그리고 예컨대 DE 103 19 664 A1호, DE 10 2006 042 362 A1호, DE 103 53 860 A1호, DE 101 49 333 A1호 및 WO 2003/006976 A2호에서 공지된 것과 같은 다수의 실시형태로 존재한다. 그을음 센서들로서 형성되는 센서 요소들은 통상 디젤 미립자 필터들의 모니터링을 위해 사용된다. 내연기관의 배기가스 덕트 내에서, 기술한 유형의 미립자 센서들은 일반적으로 보호 튜브 내에 수용되며, 이 보호 튜브는 예컨대 배기가스가 미립자 센서를 통해 흐르는 것을 허용한다.
증가하고 있는 환경 의식으로 인해, 그리고 부분적으로는 법적 규정들로 인해, 주행 모드 동안 그을음 배출량(soot emission)은 모니터링되어야 하고 모니터링의 기능이 보장되어야 한다. 이런 유형의 기능 모니터링은 일반적으로 온보드 진단(On-board)이라 한다. 미립자 센서의 자기 진단(self-diagnosis)을 위한 장치들 및 방법들은 예컨대 DE 10 2009 028 239 A1호, DE 10 2009 028 283 A1호, DE 2007 046 096 A1호, DE 10 2006 042 605 A1호 및 US 2012/0119759 A1호에서 공지되어 있다.
종래 기술에서 공지된, 미립자들의 검출을 위한 센서 요소들의 장점들에도 불구하고, 상기 센서 요소들은 여전히 개선 가능성을 내포하고 있다. 특히 법적으로 요구되는 그을음 센서의 자기 모니터링은 전기 기능과 관련하여 그 구현이 쉽지 않다. 특히 지속적인 모니터링, 바람직하게는 예컨대 적어도 2Hz를 이용한 모니터링처럼 고정적으로 설정된 최소 주파수를 이용한 지속적인 모니터링은 도전 과제이다. 또한, 예컨대 함께 측정될 와이어링 하니스의 임피던스와 같은 기생 효과들은 자기 진단을 어렵게 할 수 있다. 또한, 예컨대 전극 장치들 상에서 알려지지 않은 전기 특성들을 갖는 축적물들은 바람직한 측정 효과의 간섭을 야기할 수 있다. 또한, 공지된 방법 및/또는 공지된 장치들은, 에러가 있는 경우, 비록 전극 장치가 부분 결함 시에, 여전히 부분적으로, 특히 예컨대 여전히 90%까지 작동 가능하더라도, 항상 전체 고장이 검출된다는 단점을 가질 수 있다.
본 발명의 과제는, 하나 또는 소수의 전극 핑거에 결함이 있는 경우 상기 결함을 검출하고 남아 있는 정상 작동하는 전극 핑거들을 기반으로 계속하여 사용될 수 있는, 측정 가스 챔버 내 측정 가스의 미립자 검출용 센서 요소 및 센서 요소의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 범위에서, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 미립자들을 검출하기 위한 센서 요소가 제안된다. 센서 요소는, 본 발명의 범위에서, 미립자를 정성적으로 및/또는 정량적으로 검출하기 위해 적합하며, 예컨대 적합한 제어 유닛 및 적합하게 형성된 전극들을 이용하여 검출된 미립자에 상응하게 예컨대 전압 또는 전류와 같은 전기 측정 신호를 생성할 수 있는 임의의 장치를 의미한다. 검출되는 미립자들은 특히 그을음 미립자들 및/또는 먼지 미립자들일 수 있다. 이런 경우, DC 신호들 및/또는 AC 신호들이 사용될 수 있다. 또한, 예컨대 신호 분석을 위해 임피던스로부터 저항 성분(resistive component) 및/또는 용량 성분(capacitive component)이 사용될 수 있다.
센서 요소는 특히 자동차에 사용되도록 구성될 수 있다. 특히 측정 가스는 자동차의 배기가스일 수 있다. 또 다른 가스들 및 가스 혼합물들도 기본적으로 가능하다. 측정 가스 챔버는 기본적으로 측정 가스가 수용되고, 및/또는 측정 가스에 의해 관류되는 임의의 개방형 또는 폐쇄형 챔버일 수 있다. 예컨대 측정 가스 챔버는 내연기관, 예컨대 연소 엔진의 배기가스 덕트일 수 있다.
센서 요소는 지지체를 포함하며, 이 지지체 상에는 제 1 전극 장치 및 제 2 전극 장치가 적층된다. 제 1 전극 장치와 제 2 전극 장치는 각각 다수의 전극 핑거(electrode finger)를 포함하며, 제 1 전극 장치의 각각의 전극 핑거는 적어도 하나의 종단 저항기를 통해 제 2 전극 장치의 적어도 하나의 전극 핑거와 연결된다.
지지체는 본 발명의 범위에서 기본적으로 제 1 전극 장치 및 제 2 전극 장치를 지지하기에 적합하고, 및/또는 제 1 전극 장치 및 제 2 전극 장치가 적층될 수 있는 임의의 기판을 의미한다. 전극 장치들은, 본 발명의 범위에서, 기본적으로 전류 측정 및/또는 전압 측정을 위해 적합하고, 및/또는 전극 장치들과 접촉해 있는 적어도 하나의 요소에 전압 및/또는 전류를 공급할 수 있는 임의의 전기 도체를 의미한다. 전극 핑거라는 용어는, 본 발명의 범위에서, 기본적으로 하나의 차원에서의 치수가 적어도 하나의 다른 차원에서의 치수를 훨씬, 예컨대 적어도 2의 계수만큼, 바람직하게는 적어도 3의 계수만큼, 특히 바람직하게는 적어도 5의 계수만큼 초과하는, 전극 장치의 임의의 형상부를 의미한다. 다수는 본 발명의 범위에서, 기본적으로 2개 이상의 임의의 개수를 의미한다.
종단 저항기는, 본 발명의 범위에서, 기본적으로, 축적된 미립자가 존재하지 않은 상태에서, 특히 축적된 그을음 또는 먼지 미립자가 존재하지 않은 상태에서, 제 1 및 제 2 전극 장치에 전압을 인가할 때 제 1 전극 장치와 제 2 전극 장치 사이에서 측정 가능한 전류가 흐르는 방식으로, 제 2 전극 장치의 적어도 하나의 전극 핑거와 제 1 전극 장치의 적어도 하나의 전극 핑거를 전기 연결하는 임의의 전기 저항기를 의미한다. 특히 센서 요소의 작동 온도가 50℃ 내지 500℃의 온도 간격일 때 5 내지 60V의 전압이 인가될 때 상기 측정 가능한 전류는 0.1㎂ 내지 10㎂의 전류 값을 가질 수 있다.
적어도 하나의 종단 저항기는 제 1 전극 장치의 전극 핑거의 적어도 하나의 섹션, 및 제 2 전극 장치의 전극 핑거의 적어도 하나의 섹션과 접촉할 수 있다. 전극 핑거의 섹션은, 본 발명의 범위에서, 기본적으로 전극 핑거의 임의의 세그먼트를 의미한다. 특히 적어도 하나의 종단 저항기는 제 1 전극 장치의 모든 전극 핑거의 하나의 섹션 또는 다수의 섹션 또는 모든 섹션, 및 제 2 전극 장치의 모든 전극 핑거의 하나의 섹션 또는 다수의 섹션 또는 모든 섹션과도 접촉할 수 있다.
적어도 하나의 종단 저항기는 예컨대 이산 부품으로서 지지체 상에 적층될 수 있다. 그러나 적어도 하나의 종단 저항기는 하기에 더 상세히 설명되는 도핑 영역(doping region)으로서 지지체의 내부에 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 센서 요소의 특히 바람직한 실시형태에서, 적어도 하나의 종단 저항기는, 축적된 미립자가 존재하지 않은 상태에서, 특히 축적된 그을음 또는 먼지 미립자가 존재하지 않은 상태에서, 바람직하게는 센서 요소의 작동 온도에서, 전극 총 저항이 1MΩ 내지 150MΩ의 범위이며, 바람직하게는 2MΩ 내지 75MΩ의 범위이며, 그리고 특히 바람직하게는 5MΩ 내지 50MΩ의 범위인 방식으로 구성될 수 있다. "전극 총 저항"이란 용어는, 본 발명의 범위에서, 제 1 전극 장치에 의해, 제 2 전극 장치에 의해, 적어도 하나의 종단 저항기에 의해, 그리고 경우에 따라 추가 부품들에 의해 형성되는 전류 회로의 전기 저항을 의미한다. 두 전극 장치의 낮은 저항을 기반으로, 전극 총 저항은 일반적으로 실질적으로 종단 저항을 포함하거나, 또는 다수의 종단 저항기가 제공되어 있는 경우에는 종단 저항들의 합을 포함한다.
"종단 저항기를 통해 연결된다"는 표현은, 본 발명의 범위에서, 기본적으로 제 1 전극 장치의 각각의 전극 핑거가 하나의 종단 저항기에 의해 제 2 전극 장치의 적어도 하나의 전극 핑거와 전기 접촉하는 것을 의미한다.
지지체는 지지체 재료로서 적어도 하나의 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 특히 지지체는 산화물 세라믹, 바람직하게는 알루미늄 산화물, 특히 Al2O3을 포함할 수 있다. 그러나 추가 산화물, 예컨대 지르코늄 산화물도 가능하다. 또한, 지지체는 적어도 하나의 전기 절연성 재료를 포함할 수 있다. 지지체는 지지체 표면을 포함할 수 있다. 지지체 표면은, 본 발명의 범위에서, 기본적으로 지지체의 주변으로부터 지지체를 한정하며, 제 1 및 제 2 전극 장치가 적층되는 임의의 층을 의미한다.
지지체는 적어도 하나의 도핑 영역을 포함할 수 있으며, 도핑 영역은 제 1 전극 장치의 전극 핑거의 적어도 하나의 섹션, 및 제 2 전극 장치의 전극 핑거의 적어도 하나의 섹션과 접촉한다. 특히 도핑 영역은 제 1 전극 장치의 모든 전극 핑거의 하나의 섹션 또는 다수의 섹션 또는 모든 섹션, 및 제 2 전극 장치의 모든 전극 핑거의 하나의 섹션 또는 다수의 섹션 또는 모든 섹션과 접촉할 수 있다. 접촉이란 용어는, 본 발명의 범위에서, 기본적으로, 2개의 객체가 직접적으로 접촉하는 것을 의미한다. 특히 두 객체는 전기 접촉할 수 있다.
도핑 영역은, 본 발명의 범위에서, 기본적으로 지지체 재료 내로 유입된 이종 원자들, 특히 금속 원자들을 포함하는 지지체의 임의의 영역을 의미하며, 금속 이종 원자들은 지지체 재료 내에 함유되는 금속 원자들 중 일부분을 대체한다. 이로써, 도핑 영역은 적어도 하나의 도핑된 지지체 재료, 특히 금속 산화물들로 도핑된 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 그러나 또 다른 산화물들, 특히 도핑 재료로서도 사용되는 산화물들도 가능하다.
따라서, 지지체는, 적어도 하나의 도핑 영역에서 도핑 재료로 도핑될 수 있으며, 도핑 재료는 금속 이종 원자들이 제공된 산화물 지지체 재료를 말한다. 특히 적어도 하나의 도핑 영역에서 도핑 재료의 농도는 1몰 퍼센트 내지 100몰 퍼센트, 바람직하게는 10몰 퍼센트 내지 90몰 퍼센트, 특히 바람직하게는 20몰 퍼센트 내지 80몰 퍼센트의 값을 가질 수 있다. 그에 따라, 특별한 실시예에서, 도핑 영역에서 지지체 재료는 도핑 재료로 완전히 대체될 수 있다.
도핑 재료는 바람직하게는 금속 산화물을 함유할 수 있으며, 도핑 재료는 바람직하게는 철 산화물, 특히 Fe2O3; ZrO2; Cr2O3; MgO; MnO; Sm2O3; Tb4O7; Gd2O3; Y2O3 및 이 재료들의 임의의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택된다.
특히 바람직한 구현예에서, 지지체는 Al2O3을 포함할 수 있고, 도핑 영역은 20몰 퍼센트 내지 100몰 퍼센트의 Fe2O3, 바람직하게는 40 내지 80몰 퍼센트의 Fe2O3을 포함할 수 있으며, 특히 그 이유는 그렇게 형성된 세라믹 혼합 산화물이 적합한 전기 전도성을 갖기 때문이다.
또 다른 바람직한 구현예에서, 산화물 Sm2O3; Tb4O7; Gd2O3 및/또는 Y2O3이 도핑에 적합하다. 이 경우, 적어도 2개의 산화물의 조합물로 이루어진 도펀트도, 예컨대 선택된 온도 범위 내에서 도핑된 지지체 재료의 전기 저항기의 최대한 낮은 온도 변화를 실현하기 위해, 바람직한 것으로서 증명될 수 있다. 개별 도핑 재료들의 농도는 적어도 하나의 도핑 영역에서 각각 0몰 퍼센트 내지 100몰 퍼센트의 값을 가질 수 있으며, 예컨대 25% / 50% / 0% / 25%의 비율로 Sm2O3 / Tb4O7 / Gd2O3 / Y2O3의 재료 조합물이 특히 바람직한 것으로서 사용될 수 있다. 그러나 다른 비율들도 가능하다.
도핑 영역의 폭은 10㎛ 내지 2㎜, 바람직하게는 25㎛ 내지 500㎛, 특히 바람직하게는 50㎛ 내지 250㎛의 범위일 수 있다. 또한, 도핑 영역의 길이는 10㎛ 내지 2㎜, 바람직하게는 25㎛ 내지 500㎛, 특히 바람직하게는 50㎛ 내지 250㎛의 범위일 수 있다. 또한, 도핑 영역의 두께는 0.1㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛, 특히 바람직하게는 2 내지 20㎛의 범위일 수 있다.
도핑 영역의 폭은, 본 발명의 범위에서, 기본적으로 지지체 표면에 대해 평행하며 도핑 영역과 접촉하는 전극 핑거의 주 연장 방향에 대해 수직인 공간 치수에서 도핑 영역의 크기를 의미한다. 도핑 영역의 길이는, 본 발명의 범위에서, 기본적으로 지지체 표면에 대해 평행하며 도핑 영역과 접촉하는 전극 핑거의 주 연장 방향에 대해서도 평행한 공간 치수에서 도핑 영역의 크기를 의미한다. 도핑 영역의 두께는, 본 발명의 범위에서, 기본적으로 지지체 표면에 대해 수직으로 연장되는 공간 치수에서 도핑 영역의 크기를 의미한다.
적어도 하나의 도핑 영역의 전기 전도성은 축적된 미립자들이 존재하지 않은 상태에서 50℃ 내지 500℃의 온도 간격에서 1·10-9(Ω㎝)-1 내지 10(Ω㎝)-1의 범위, 바람직하게는 1·10-8(Ω㎝)-1 내지 1·10-2(Ω㎝)-1의 범위, 특히 바람직하게는 1·10-7(Ω㎝)-1 내지 1·10-3(Ω㎝)-1의 범위일 수 있다.
제 1 및/또는 제 2 전극 장치의 전극 핑거들은 곡류형 프로파일을 가질 수 있다. 곡류형 프로파일은, 본 발명의 범위에서 기본적으로 지지체 표면 상에서 적어도 하나의 S 형태 및/또는 적어도 하나의 뱀 형태 및/또는 적어도 하나의 권선을 포함하는 전극 장치의 임의의 프로파일을 의미한다. 또한, 제 1 전극 장치의 전극 핑거들 및 제 2 전극 장치의 전극 핑거들은 빗 모양으로 상호 간에 맞물릴 수 있다.
제 1 전극 장치의 전극 핑거들은 상호 간에 소정의 이격 간격을 가질 수 있으며, 제 1 전극 장치의 전극 핑거들의 이격 간격은 센서 요소의 내부에서 일정할 수 있거나, 또는 센서 요소의 적어도 일부분에 걸쳐서 가변할 수 있다. 제 2 전극 장치의 전극 핑거들도 상호 간에 소정의 이격 간격을 가질 수 있으며, 제 2 전극 장치의 전극 핑거들의 이격 간격은 센서 요소의 내부에서 일정할 수 있거나, 또는 센서 요소의 적어도 일부분에 걸쳐서 가변할 수 있다. 제 1 전극 장치의 전극 핑거들은 제 2 전극 장치의 전극 핑거들로부터 소정의 이격 간격을 가질 수 있으며, 이격 간격은 센서 요소의 내부에서 일정할 수 있거나, 또는 센서 요소의 적어도 일부분에 걸쳐서 가변할 수 있다.
센서 요소는 적어도 2개의 종단 저항기를 포함할 수 있다. 종단 저항기들은 서로 상이한 값들을 가질 수 있다. 그러나 종단 저항기들은 모두 동일한 값을 가질 수도 있다. 값들이 서로 상이한 경우, 경우에 따라, 어떤 영역이 관계되는지의 에러 할당이 실현될 수 있으며, 이로부터 도출되는 방식으로, 제어 유닛 내에서 신호 분석 시 높은 정밀도로 상기 에러의 영역에 따른 보상을 가능하게 하는 보정 함수(correction function)가 실현될 수 있다.
종단 저항기들은, 모두, 센서 요소의 "저온 영역(cold region)" 이라고도 하며 측정 가스의 미립자들에 의해 영향을 받지 않는 센서 요소의 영역 내에 위치할 수 있다. 이 경우, 센서 요소의 저온 영역은 특히 와이어링 하니스로 향하는 접속 접점들을 가진 측면을 포함할 수 있으며, 전형적으로 밀봉 패킹에 의해 고온 배기가스로부터 분리되고 그로 인해 상대적으로 더 저온일 수 있다. 그러나 종단 저항기들은 적어도 부분적으로 센서 요소의 "고온 영역"이라고도 하며 측정 가스의 미립자들에 의해 영향을 받는 센서 요소의 영역 내에 위치할 수 있다. 여기에 전극들의 실질적인 측정 영역이 배치된다; 인쇄된 전극 공급 라인들은 전이 영역 내에 부착될 수 있다. 또한, 종단 저항기들은 적어도 부분적으로 제어 장치 내에 배치될 수 있다. 제어 장치 내에 종단 저항기들의 적어도 부분적인 배치는 제어 장치의 외부에 배치되는 종단 저항기들에 비해 더 높은 항온성(temperature constancy)을 가능하게 한다.
단일 종단 저항기를 포함하는 본 발명에 따른 센서 요소의 경우, 종단 저항기는 제어 장치 내에 배치될 수 있다. 이는, 제어 장치의 외부에 배치되는 종단 저항기에 비해 더 높은 항온성을 가능하게 한다. 또한, 하나의 종단 저항기는, 측정 가스의 미립자들에 의해 영향을 받지 않는 센서 요소의 영역 내에도 배치될 수 있다. 또한, 하나의 종단 저항기는, 측정 가스의 미립자들에 의해 영향을 받는 센서 요소의 영역에도 배치될 수 있다.
센서 요소는 특히 그을음 미립자 센서로서 형성될 수 있다. 또한, 센서 요소는 적어도 하나의 보호 튜브 내에 수용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 미립자들을 검출하기 위한 센서 요소의 제조 방법이 제안되며, 상기 방법은 바람직하게는 제시된 순서로 하기 단계들을 포함한다. 다른 순서도 기본적으로 가능하다. 또한, 방법 단계들 중 하나 또는 다수 또는 모든 방법 단계가 반복해서도 실행될 수 있다. 또한, 방법 단계들 중 2개 또는 다수의 방법 단계는 완전히 또는 부분적으로도 시간상 중첩되게, 또는 동시에 실행될 수 있다. 상기 방법은, 언급한 방법 단계들에 추가해서, 또 다른 방법 단계들을 포함할 수 있다.
방법 단계들은 하기와 같다:
a) 지지체를 제공하는 단계;
b) 제 1 전극 장치와 제 2 전극 장치가 다수의 전극 핑거를 포함하도록, 상기 지지체 상에 제 1 전극 장치와 제 2 전극 장치를 적층하는 단계;
c) 제 1 전극 장치의 각각의 전극 핑거가 적어도 하나의 종단 저항기를 통해 제 2 전극 장치의 적어도 하나의 전극 핑거와 연결되도록, 상기 지지체 상에 또는 상기 지지체 내에 적어도 하나의 종단 저항기를 형성하는 단계.
본원의 방법은 특히 본 발명에 따르는, 다시 말해 전술한 실시형태들 중 하나에 따르는, 또는 하기에 상세히 기술되는 실시형태들 중 하나에 따르는 센서 요소의 제조를 위해 사용될 수 있다. 그에 따라, 정의들 및 선택적인 구성들에 대해, 센서 요소의 설명이 참조될 수 있다. 그러나 다른 구성들도 기본적으로 가능하다.
단계 c)에서, 지지체 상에 종단 저항기의 적층을 위해 후막 기술이 사용될 수 있거나, 또는 지지체 내에 적어도 하나의 도핑 영역을 형성하기 위해 지지체의 도핑이 수행될 수 있다. 종단 저항기의 형성을 위해 후막 기술의 사용 시, 종단 저항기는 이산 부품으로서 지지체 상에, 특히 세라믹 기판 상에 인쇄될 수 있다.
제안되는 장치 및 제안되는 방법은, 공지된 장치들 및 방법들에 비해, 다수의 장점들을 갖는다. 전극 장치들, 특히 전극 구조의 본 발명에 따른 형성에 의해, 종래 기술에 비해 측정 챔버 내의 측정 가스의 미립자들을 검출하기 위한 센서 요소의 자기 진단 가능성을 개선할 수 있다. 특히, 제 1 전극 장치의 전극 핑거들 및 제 2 전극 장치의 전극 핑거들을 개별적으로, 특히 적어도 2Hz의 주파수로 모니터링할 수 있다. 특히, 하나의 전극 핑거 또는 소수의 전극 핑거에 결함이 있는 경우, 상기 결함을 검출하고, 남아 있는 정상 작동하는 전극 핑거들을 기반으로 센서 요소를 계속하여 사용할 수 있다.
또한, 특히 하나 또는 다수의 전극 핑거에 결함이 있는 경우, 본 발명에 따른 센서 요소에 의해, 종래 기술에 비해 정확도, 특히 측정 정확도를 증가시킬 수 있다. 특히, 부분 결함의 검출 시, 센서 요소의 민감도가 최소값을 하회하지 않으면, 센서 요소의 감소된 민감도에 따라 측정 신호의 보상을 실행할 수 있다.
또한, 전극 핑거들의 개수를 최대한 높게 선택할 수 있다. 그 결과, 에러가 있는 경우에, 결함이 있는 영역과 정상 작동하는 영역 간의 최대한 높은 차별화를 달성할 수 있다. 특히, 전극 핑거들의 개수가 많은 경우, 단일의 전극 핑거 또는 소수의 전극 핑거의 결함은 적은 영향을 미칠 수 있다. 특히 민감도 손실이 적은 경우, 특히 하나 또는 소수의 전극 핑거의 결함을 보상할 수 있다.
또한, 종단 저항기들은, 측정 가스의 미립자들에 의해 영향을 받지 않는 영역에, 특히 센서 요소의 저온 영역 또는 상대적으로 더 저온인 영역에 배치될 수 있다. 또한, 종단 저항기들은 제어 장치 내에 배치될 수도 있으며, 이는 높은 항온성을 가능하게 할 수 있다.
또한, 전극 장치들의 구현을 위해 후막 기술의 사용 시, 특히 현재의 후막 기술의 사용 시, 종단 저항기들을 제외하고, 또 다른 변경들은 필요하지 않을 수 있다.
본 발명의 또 다른 선택적인 세부 사항들 및 특징들은 도면들에 개략적으로 도시되어 있는 바람직한 실시예들의 하기 설명에서 제시될 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 센서 요소의 상이한 실시형태를 나타낸 평면도이고,
도 4는 하나의 센서 요소 내의 결함이 있는 전극 핑거들의 개수에 대한 전극 총 저항 또는 자기 진단 전류의 의존성을 나타낸 그래프이며,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 센서 요소의 상이한 실시형태를 나타낸 횡단면도이다.
도 4는 하나의 센서 요소 내의 결함이 있는 전극 핑거들의 개수에 대한 전극 총 저항 또는 자기 진단 전류의 의존성을 나타낸 그래프이며,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 센서 요소의 상이한 실시형태를 나타낸 횡단면도이다.
도 1 내지 도 3에는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 미립자들을 검출하기 위한 본 발명에 따른 센서 요소(110)의 상이한 실시형태들이 평면도로 도시되어 있다. 도 4에는, 결함이 있는 전극 핑거들(132)의 개수에 대한 전극 총 저항(128)의 의존성 및 자기 진단 전류(126)의 의존성이 다이어그램(130)의 형태로 도시되어 있으며, 다이어그램(130)은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 센서 요소(110)의 실시형태에 관련된다. 도 5 및 도 6에는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 미립자들을 검출하기 위한 본 발명에 따른 센서 요소(110)의 상이한 실시형태들이 횡단면도로 도시되어 있다. 이들 도면은 하기에서 함께 설명된다.
센서 요소(110)는 특히 자동차에 사용되도록 구성될 수 있다. 측정 가스는 자동차의 배기가스일 수 있다. 센서 요소(110)는, 특히, 예컨대 전극들, 전극 공급 라인들 및 접점들, 다수의 층들, 가열 요소들, 전기 화학 셀들, 또는 예컨대 전술한 종래 기술에 나타나는 바와 같은 다른 요소들처럼, 도면들에는 도시되지 않은 하나 또는 다수의 추가 기능 요소를 포함할 수 있다. 또한, 센서 요소(110)는 예컨대 마찬가지로 도시되지 않은 보호 튜브 내에 수용될 수 있다.
센서 요소(110)는 지지체(112)를 포함하며, 지지체(112) 상에는 제 1 전극 장치(114) 및 제 2 전극 장치(116)가 적층된다. 제 1 전극 장치(114)와 제 2 전극 장치(116)는 다수의 전극 핑거(118)를 포함하며, 제 1 전극 장치(114)의 각각의 전극 핑거(118)는 적어도 하나의 종단 저항기(120)를 통해 제 2 전극 장치(116)의 적어도 하나의 전극 핑거(118)와 연결된다.
적어도 하나의 종단 저항기(120)는 예컨대 이산 부품으로서, 도 5에 도시된 것처럼, 지지체(112) 상에 적층될 수 있다. 그러나 적어도 하나의 종단 저항기(120)는, 도 6에 도시된 것처럼, 지지체(112)의 내부에 하기에 상세히 설명되는 도핑 영역(122)으로서도 형성될 수 있다.
지지체(112)는, 상기 바람직한 실시형태들에서, 지지체 재료로서, 적어도 하나의 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 특히 지지체(112)는 알루미늄 산화물, 특히 Al2O3을 포함할 수 있다. 또한, 지지체(112)는 적어도 하나의 전기 절연성 재료를 포함할 수 있다.
지지체(112)는 적어도 하나의 도핑 영역(122)을 포함할 수 있으며, 도핑 영역(122)은, 도 6에 도시된 것처럼, 제 1 전극 장치(114)의 전극 핑거(118)의 적어도 하나의 섹션, 및 제 2 전극 장치(116)의 전극 핑거(118)의 적어도 하나의 섹션과 접촉한다. 특히 도핑 영역(122)은 제 1 전극 장치(114)의 모든 전극 핑거(118)의 하나의 섹션 또는 다수의 섹션, 및 제 2 전극 장치(116)의 모든 전극 핑거(118)의 하나의 섹션 또는 다수의 섹션과 접촉할 수 있다. 도핑 영역(122)과 접촉하는, 제 1 전극 장치(114)의 전극 핑거(118)의 섹션 및 제 2 전극 장치(116)의 전극 핑거(118)의 섹션은 도핑 영역(122)과 전기 접촉할 수 있다.
지지체(112)는 적어도 하나의 도핑 영역(122)에서 세라믹 재료 내로 유입된 이종 원자들, 특히 금속 원자들을 포함할 수 있으며, 금속 이종 원자들은 지지체(112)의 세라믹 재료 내에 함유된 금속 원자들의 일부분을 대체한다. 이로써, 도핑 영역(122)은 적어도 하나의 도핑된 세라믹 재료, 특히 금속 산화물들로 도핑된 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 그러나 또 다른 산화물들도 가능하다. 그에 따라, 지지체(112)는 적어도 하나의 도핑 영역(122)에서 도핑 재료로 도핑될 수 있으며, 도핑 재료는, 금속 이종 원자들이 제공된 산화물 세라믹을 말한다. 도핑 재료는 바람직하게는 금속 산화물을 함유할 수 있으며, 도핑 재료는 바람직하게는 철 산화물, 특히 Fe2O3; ZrO2; Cr2O3; MgO; MnO, Sm2O3, Tb4O7, Gd2O3, Y2O3 및 이 재료들의 임의의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택된다.
또한, 도핑 재료는 적어도 하나의 도핑 영역(122)에서 1몰 퍼센트 내지 100몰 퍼센트, 바람직하게는 10몰 퍼센트 내지 90몰 퍼센트, 특히 바람직하게는 20몰 퍼센트 내지 80몰 퍼센트의 농도를 가질 수 있다. 특히 지지체(112)는 Al2O3을 포함할 수 있고, 도핑 영역(122)은 40 내지 80몰 퍼센트의 Fe2O3을 포함할 수 있다.
도핑 영역(122)의 폭(b)은 10㎛ 내지 2㎜, 바람직하게는 25㎛ 내지 500㎛, 특히 바람직하게는 50㎛ 내지 250㎛의 범위일 수 있다. 또한, 도핑 영역의 길이는 10㎛ 내지 2㎜, 바람직하게는 25㎛ 내지 500㎛, 특히 바람직하게는 50㎛ 내지 250㎛의 범위일 수 있다. 또한, 도핑 영역의 두께(d)는 0.1㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛, 특히 바람직하게는 2 내지 20㎛의 범위일 수 있다. 도핑 영역의 폭(b) 및 두께(d)는 도 6에 도시되어 있다. 적어도 하나의 도핑 영역의 전기 전도성은 축적된 미립자들이 존재하지 않은 상태에서 50℃ 내지 500℃의 온도 간격에서 1·10-9(Ω㎝)-1 내지 10(Ω㎝)-1의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 1·10-8(Ω㎝)-1 내지 1·10-2(Ω㎝)-1의 범위일 수 있고, 특히 바람직하게는 1·10-7(Ω㎝)-1 내지 1·10-3(Ω㎝)-1의 범위일 수 있다.
제 1 전극 장치(114)의 전극 핑거들(118) 및/또는 제 2 전극 장치(116)의 전극 핑거들(118)은 곡류형 프로파일(124)을 가질 수 있다. 도 1 및 도 2에는, 곡류형 프로파일(124)의 2가지 예가 도시되어 있다. 제 1 전극 장치(114)의 전극 핑거들(118) 및 제 2 전극 장치(116)의 전극 핑거들(118)은 다수의 다른 곡류형 프로파일을 가질 수 있다. 또한, 제 1 전극 장치(114)의 전극 핑거들(118) 및 제 2 전극 장치(116)의 전극 핑거들(118)은, 도 1 내지 도 3, 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 빗 모양으로 상호 간에 맞물릴 수 있다.
센서 요소(110)는, 도 1 내지 도 3, 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 적어도 2개의 종단 저항기(120)를 포함할 수 있다. 종단 저항기들(120)은 상이한 값들을 가질 수 있다. 그러나 종단 저항기들(120)은 모두 동일한 값을 가질 수도 있다.
제 1 전극 장치(114)의 전극 핑거들(118)은 상호 간에 소정의 이격 간격(a)을 가질 수 있으며, 제 1 전극 장치(114)의 전극 핑거들(118)의 이격 간격(a)은 센서 요소(110)의 내부에서, 도 3에 도시된 것처럼, 일정할 수 있거나, 또는 센서 요소(110)의 적어도 일부분에 걸쳐서 가변할 수 있다. 제 2 전극 장치(116)의 전극 핑거들(118)은 마찬가지로 상호 간에 소정의 이격 간격(c)을 가질 수 있으며, 제 2 전극 장치(116)의 전극 핑거들(118)의 이격 간격(c)은 센서 요소(110)의 내부에서, 도 3에 도시된 것처럼, 일정할 수 있거나, 또는 센서 요소(110)의 적어도 일부분에 걸쳐서 가변할 수 있다. 제 1 전극 장치(114)의 전극 핑거들(118)은 제 2 전극 장치(116)의 전극 핑거들(118)로부터 소정의 이격 간격(e)을 가질 수 있으며, 이격 간격(e)은 센서 요소(110)의 내부에서, 도 3에 도시된 것처럼, 일정할 수 있거나, 또는 센서 요소(110)의 적어도 일부분에 걸쳐서 가변할 수 있다.
종단 저항기들(120)은, 모두, 측정 가스의 미립자들에 의해 영향을 받지 않는 센서 요소(110)의 영역 내에 배치될 수 있다. 그러나 종단 저항기들(120)은 적어도 부분적으로 측정 가스의 미립자들에 의해 영향을 받는 센서 요소(110)의 영역 내에 배치될 수 있다. 또한, 제공되는 종단 저항기들(120) 중 하나 또는 다수는 도면들에 도시되지 않은 제어 장치 내에 배치될 수 있다.
전극 총 저항은, 본 발명의 범위에서, 제 1 전극 장치에 의해, 제 2 전극 장치에 의해, 적어도 하나의 종단 저항기에 의해, 그리고 경우에 따라 추가 부품들에 의해 형성되는 전류 회로의 전기 저항을 의미한다. 전극 총 저항은 1MΩ 내지 150MΩ의 범위이며, 바람직하게는 2MΩ 내지 75MΩ의 범위이고, 특히 바람직하게는 5MΩ 내지 50MΩ의 범위일 수 있다. 두 전극 장치의 낮은 저항을 기반으로, 전극 총 저항은 일반적으로 실질적으로 종단 저항을 포함하거나, 또는 다수의 종단 저항기가 제공되어 있는 경우에는 하기에서 Rges로 표시되는 종단 저항들의 합을 포함한다.
특히 제공되어 있는 종단 저항기들(120)의 총 저항(Rges)은, 총 n개의 전극 핑거(118)를 포함하는 본 발명에 따른 센서 요소(110)의 도 3에 도시된 실시형태에 대해, 하기와 같이 계산되며,
제 1 전극 장치(114)는 n/2개의 전극 핑거(118)를 포함하며, 제 2 전극 장치(116)는 마찬가지로 n/2개의 전극 핑거(118)를 포함하며, 제 1 전극 장치(114)의 각각의 전극 핑거(118)는 적어도 하나의 종단 저항기(Ri)(120)를 통해 제 2 전극 장치의 적어도 하나의 전극 핑거(118)와 연결된다. 종단 저항기들(Ri)(120)은 모두 동일한 값(R0)을 가질 수 있다. 이런 경우에, 총 저항(Rges)의 하기 계산이 구해진다:
또한, 총 저항(Rges)은, 총 n개의 전극 핑거(118)에서 m개의 결함 있는 전극 핑거(118)를 포함하는 본 발명에 따른 센서 요소(110)의 도 3에 도시된 실시형태에 대해, 하기와 같이 계산되며,
제 1 전극 장치(114)는 정상 작동할 수 있거나 또는 적어도 부분적으로 결함이 있을 수 있는 n/2개의 전극 핑거(118)를 포함하며, 제 2 전극 장치(116)는 마찬가지로 정상 작동할 수 있거나 또는 적어도 부분적으로 결함이 있을 수 있는 n/2개의 전극 핑거(118)를 포함하며, 제 1 전극 장치(114)의 각각의 전극 핑거(118)는 적어도 하나의 종단 저항기(Ri)(120)를 통해 제 2 전극 장치의 적어도 하나의 전극 핑거(118)와 연결된다: 종단 저항기들(Ri)(120)은 모두 동일한 값(R0)을 가질 수 있다. 이런 경우에, 총 저항(Rges)의 하기 계산이 구해진다:
센서 요소(110)는 특히 그을음 미립자 센서로서 형성될 수 있다. 또한, 센서 요소(110)는 도면들에 도시되지 않은 적어도 하나의 보호 튜브 내에 수용될 수 있다.
자기 진단을 위해, 적어도 일시적으로, 측정 전압이 제 1 전극 장치(114)와 제 2 전극 장치(116) 사이에 인가될 수 있으며, 자기 진단 전류(126) 및/또는 전극 총 저항(128)이 측정될 수 있다. 자기 진단 전류(126)는 제 1 전극 장치(114), 제 2 전극 장치(116) 및 적어도 하나의 종단 저항기(120)를 통해 흐른다. 자기 진단 전류(126)는 센서 요소(110)의 작동 신뢰성에 대한 척도, 및/또는 센서 요소(110)의 품질일 수 있다.
도 4에는, 자기 진단 전류(126)가 결함이 있는 전극 핑거들(132)의 개수에 따라서, 그리고 전극 총 저항(128)은 결함이 있는 전극 핑거들(132)의 개수에 따라서 도시되어 있는, 다이어그램(130)이 예시로서 도시되어 있다. 도 4 내의 다이어그램(130)은 센서 요소(110)의 도 3에 도시된 실시형태에 관련된다. 전류(134)는 결함이 있는 전극 핑거들(132)의 개수에 대해 그리고 저항(136)도 결함이 있는 전극 핑거들(132)의 개수에 대해 도시되어 있다.
110: 센서 요소
112: 지지체
114: 제 1 전극 장치
116: 제 2 전극 장치
118: 전극 핑거
120: 종단 저항기
122: 도핑 영역
124: 곡류형 프로파일
126: 자기 진단 전류
128: 전극 총 저항
130: 다이어그램
132: 결함이 있는 전극 핑거
134: 전류
136: 저항
112: 지지체
114: 제 1 전극 장치
116: 제 2 전극 장치
118: 전극 핑거
120: 종단 저항기
122: 도핑 영역
124: 곡류형 프로파일
126: 자기 진단 전류
128: 전극 총 저항
130: 다이어그램
132: 결함이 있는 전극 핑거
134: 전류
136: 저항
Claims (12)
- 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 미립자들을 검출하기 위한 센서 요소(110)로서, 상기 센서 요소(110)는 지지체(112)를 포함하며, 상기 지지체(112) 상에는 제 1 전극 장치(114) 및 제 2 전극 장치(116)가 적층되며, 상기 제 1 전극 장치(114)와 상기 제 2 전극 장치(116)는 각각 다수의 전극 핑거(118)를 포함하며, 상기 제 1 전극 장치(114)의 각각의 전극 핑거(118)는 적어도 하나의 종단 저항기(120)를 통해 상기 제 2 전극 장치(116)의 적어도 하나의 전극 핑거(118)와 연결되는, 센서 요소(110).
- 제 1 항에 있어서, 상기 지지체(112)는 적어도 하나의 도핑 영역(122)을 포함하며, 상기 도핑 영역(122)은 상기 제 1 전극 장치(114)의 전극 핑거(118)의 적어도 하나의 섹션, 및 상기 제 2 전극 장치(116)의 전극 핑거(118)의 적어도 하나의 섹션과 접촉하는, 센서 요소(110).
- 제 2 항에 있어서, 상기 지지체(112)는 상기 적어도 하나의 도핑 영역(122)에서 적어도 하나의 도핑 재료로 도핑되며, 상기 도핑 재료는, 철 산화물, ZrO2, Cr2O3, MgO, MnO, Sm2O3, Tb4O7, Gd2O3 및 Y2O3로 구성되는 군으로부터 선택되는, 센서 요소(110).
- 제 3 항에 있어서, 상기 도핑 재료는 상기 적어도 하나의 도핑 영역(122)에서 1몰 퍼센트 내지 100몰 퍼센트의 농도로 존재하는, 센서 요소(110).
- 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 도핑 영역(12)은 10㎛ 내지 2㎜의 폭 및/또는 10㎛ 내지 2㎜의 길이 및/또는 0.1㎛ 내지 100㎛의 두께를 갖는, 센서 요소(110).
- 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 도핑 영역(122)은 50℃ 내지 500℃의 온도 간격에서 1·10-9(Ω㎝)-1 내지 10(Ω㎝)-1의 전기 전도성을 갖는, 센서 요소(110).
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 요소(110)는 적어도 2개의 종단 저항기(120)를 포함하는, 센서 요소(110).
- 제 7 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 종단 저항기(120)는 각각 서로 상이한 값들을 갖는, 센서 요소(110).
- 제 6 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 종단 저항기(120)는 동일한 값을 갖는, 센서 요소(110).
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 종단 저항기(120)는 제어 장치 내로 삽입되는, 센서 요소(110).
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 제 1 전극 장치(114)의 저항, 상기 제 2 전극 장치(116)의 저항, 및 상기 적어도 하나의 종단 저항기(120)의 총 저항(Rges)의 합을 나타내는 전극 총 저항은 1MΩ 내지 150MΩ의 값을 갖는, 센서 요소(110).
- 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 미립자들을 검출하기 위한 센서 요소(110)의 제조 방법으로서, 상기 방법은
a) 지지체(112)를 제공하는 단계;
b) 제 1 전극 장치(114)와 제 2 전극 장치(116)가 다수의 전극 핑거(118)를 포함하도록, 상기 지지체(112) 상에 상기 제 1 전극 장치(114)와 상기 제 2 전극 장치(116)를 적층하는 단계; 및
c) 상기 제 1 전극 장치(114)의 각각의 전극 핑거(118)가 적어도 하나의 종단 저항기(120)를 통해 상기 제 2 전극 장치(116)의 적어도 하나의 전극 핑거(118)와 연결되도록, 상기 지지체(112) 상에 또는 상기 지지체(112) 내에 상기 적어도 하나의 종단 저항기(120)를 형성하는 단계를 포함하는, 센서 요소의 제조 방법.
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