KR20190075934A - 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 요소 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 특히 자동차의 배기가스 시스템에 사용하기 위한, 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 요소(110)에 관한 것이다. 센서 요소(110)는 적어도 하나의 제 1 전극(122) 및 적어도 하나의 제 2 전극(124)을 갖는 전극 시스템(120)을 포함하며, 상기 제 1 전극(122) 및 상기 제 2 전극(124)은 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124) 사이의 저항 변화를 측정함으로써 입자의 침착을 검출할 수 있도록 배치된다. 전극 시스템(120)은 유체 매체로부터 분리되어 배치된 적어도 하나의 편평한 전극(130)을 더 포함한다.
Description
본 발명은 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 요소, 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 장치, 및 상기 센서 요소의 진단 방법에 관한 것이다.
종래 기술에는 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 다수의 입자 센서가 개시되어 있다. 이러한 입자 센서들은 예를 들어 디젤 미립자 필터를 모니터링하기 위해 배기관 내에서 그을음(soot) 질량 측정에 사용될 수 있다. 그러나 산업적 배기가스 정화 분야와 같은 다른 사용 분야도 원칙적으로 가능하다.
센서 요소들, 예를 들어 세라믹 센서 요소들은 특히 보호 튜브 내에서 사용될 수 있으며 이 보호 튜브에 의해 배기관 내로 도입될 수 있다. 많은 경우, 세라믹 센서 요소는 전기 전도도를 기초로 그을음을 측정하는 역할을 하는 전극 시스템을 포함한다. 종래 기술에 따르면, 이러한 입자 센서에서는 예를 들어 DE 10 2005 053 120 A1에 기술된 바와 같은 저항 측정 방법이 사용된다. 이 경우, 예를 들면 콤형 전극들이 사용될 수 있다. 자동차 공학에 사용하기 위한, 특히 디젤 미립자 필터를 모니터링하기 위한 중요한 법적 요구 사항은 소위 자기 진단(self-diagnosis), 즉 센서의 장치 자체를 모니터링하는 것이다. 이 경우, 요구 사항은 일반적으로 전극 구조의 연속적인 전기적 자기 진단이며, 예를 들어 초당 2회 이상이다. 공지된 장치의 기술적 과제는 많은 경우에 그러한 진단이 특정 작동 단계에서만 가능하며 연속적으로 가능하지 않다는 사실에 있다. 이를 위해, 종래 기술에는 추가의 접근법이 개시되어 있다. 예를 들어, DE 10 2007 046 096 A1에는, 센서의 표면 상에 배치되며 서로 맞물리는 인터디지털 측정 전극들을 구비한 측정 전극 시스템과, 더 낮게 배치된 테스트 전극을 포함하는 입자 센서의 자기 진단 방법이 개시되어 있다. 예를 들어 교류 전압 또는 직류 전압의 인가에 의한, 커패시턴스 측정을 이용해서, 그로부터 센서의 기능에 대한 척도가 출력될 수 있다. 그러나 여기서의 기술적 과제는 예를 들어 케이블 하니스의 임피던스 또는 알 수 없는 전기적 특성을 가진, 전극 상의 침착물로부터 나타나는, 몇 가지 기생 효과가 발생할 수 있다는 것에 있다. 결과적으로, 소정 측정 효과들이 중첩되어 자기 진단을 어렵게 할 수 있다. 또한, US 2012/0119759 A1은 검출기 전극들 사이에 바이어스 저항을 갖는 다수의 전극 시스템을 구비한 입자 센서를 개시한다. 이는 검출기 시스템에서 발생하는 에러를 진단할 수 있게 한다. 그러나 이러한 구성의 단점은, 에러의 경우, 예를 들어 작은 부분 결함에서 전극 구조가 여전히 대부분 기능하더라도, 항상 전체 고장이 검출된다는 것이다.
본 발명의 과제는 전술한 과제들을 해결하며 알려진 센서 요소 및 센서 장치의 단점을 적어도 상당 부분 피하는, 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 요소를 제공하는 것이다. 특히, 자기 진단 능력이 종래 기술에 비해 상당히 개선된 센서 요소가 바람직할 것이다.
본 발명의 제 1 양태에서, 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 요소가 제안된다. 여기서, 센서 요소는 일반적으로 적어도 하나의 측정 변수를 검출하고 이 변수를 적어도 하나의 측정 신호, 예를 들어 전기 측정 신호, 예를 들어 아날로그 또는 디지털 측정 신호로 변환하도록 설계된 장치를 의미한다. 유체 매체는 일반적으로 액체 또는 가스를 의미할 수 있다. 특히, 센서 요소는 가스 내의 입자 분율, 입자 질량 또는 입자 농도를 결정하는데 사용될 수 있다. 특히, 센서 요소는 자동차의 배기가스 시스템에 사용하도록 설계될 수 있어서, 유체 매체는 예를 들어 배기가스, 예를 들어 자동차의 배기가스 시스템 내의 배기가스일 수 있다. 센서 요소는 예를 들어, 전술한 바와 같이 보호 튜브에 의해 배기가스 시스템 내로 도입될 수 있다. 이와 관련하여, 예를 들어, 종래 기술이 참조될 수 있다.
센서 요소는 적어도 하나의 제 1 전극 및 적어도 하나의 제 2 전극을 갖는 적어도 하나의 전극 시스템을 포함하며, 제 1 전극 및 제 2 전극은 센서 요소 상의 입자 침착이 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 직류 또는 교류로 측정된 저항의 변화에 의해 검출될 수 있도록 배치된다. 종래 기술로부터 알려진 바와 같이, 이는 예를 들어 그을음 입자일 수 있는 입자의 침착과 저항값 사이의 상관관계에 의해 수행될 수 있다. 이러한 관계는 예를 들어 제어 유닛 내에 저장될 수 있다.
전극 시스템은 적어도 하나의 편평한 전극을 더 포함한다. 편평한 전극은 유체 매체로부터 분리되어, 특히 공간적으로 분리되어, 예를 들어 다른 층 평면에, 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이 배치된다.
본 발명의 범위에서, 전극은 일반적으로 전기적으로 접촉될 수 있는 전도성 구조를 의미하므로, 예를 들어 전극은 외부로부터, 즉 센서 요소의 외부로부터 전류 및/또는 전압을 공급받을 수 있고 및/또는 예를 들어 적어도 하나의 전극에서 전류 및/또는 전압이 검출될 수 있다. 전극은 특히, 적어도 하나의 전기적 측정 변수가 검출될 수 있는 적어도 하나의 매체, 예를 들어 고체 및/또는 가스에 대한 적어도 하나의 경계면 또는 전극 면을 포함할 수 있다. 편평한 전극은 일반적으로 길고 핑거 형태의 전극과는 달리, 편평하게 형성된 전극을 의미한다. 따라서, 예를 들어, 제 1 치수의 편평한 전극의 등가 직경은 제 2 치수의 등가 직경에 상응할 수 있으며, 예를 들어 팩터 10 이하의 편차, 바람직하게는 팩터 5 이하의 편차 또는 팩터 2 이하의 편차를 가질 수 있다. 예를 들어, 편평한 전극은 10 이하, 바람직하게는 5 이하의 길이 대 폭 비를 갖는 직사각형으로 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 편평한 전극은 예를 들어, 길게 형성되며 길이가 일반적으로 폭을 팩터 10 이상, 예를 들어 팩터 20 이상 초과하는 선형 공급 라인과는 구별될 수 있다.
상기한 바와 같이, 편평한 전극은 유체 매체로부터 분리되어 배치된다. 이는 특히, 편평한 전극에 유체 매체가 공급되지 않아서, 예를 들어 그을음 입자가 편평한 전극으로 침투할 수 없음을 의미한다.
센서 요소는 특히 세라믹 센서 요소, 예를 들어 세라믹 층 센서 요소로서 설계될 수 있다. 따라서, 센서 요소는 예를 들어 적어도 하나의 세라믹 층, 예를 들어 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 센서 요소는 예를 들어 필름 공정 및/또는 후막 공정에 의해 제조될 수 있다.
제 1 전극 및 제 2 전극은 특히 콤형으로 형성될 수 있으며, 각각 다수의 전극 핑거를 포함한다. 콤형 구성은 다수의 전극 핑거가 예를 들어 90°의 각도로 전극의 백본(backbone)으로부터 연장되는 구성을 의미한다. 전극 핑거들은 예를 들어 서로 평행하게 정렬될 수 있으며, 예를 들어 동일한 길이를 가질 수 있다. 제 1 전극의 전극 핑거와 제 2 전극의 전극 핑거는 예를 들어 서로 맞물릴 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 인터디지털 전극 구조가 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극의 백본과 제 2 전극의 백본은 서로 평행하게 정렬될 수 있고, 전극 핑거들은 각각 다른 전극을 향하여 연장될 수 있지만, 각각 다른 전극의 각각 다른 백본까지 연장되지는 않는다. 전극들의 백본들 사이에 교대로 전극 핑거들이 배치될 수 있으며, 상기 전극 핑거들은 교대로 제 1 백본 또는 제 2 백본에 연결된다.
전극 핑거들은 특히 센서 요소의 측정 표면에 연결될 수 있으며, 측정 표면에는 유체 매체가 제공될 수 있다. 이는 특히 제 1 전극의 전극 핑거 및/또는 제 2 전극의 전극 핑거가 센서 요소의 최상 층 평면 내에 배치되어 있는 것을 의미할 수 있다. 그러나 원칙적으로 전극 핑거의 다른 도입도 가능하다.
센서 요소는 특히 층 구조를 포함할 수 있다. 편평한 전극은 특히, 센서 요소에서 제 1 전극 및 제 2 전극보다 더 깊게 배치된 층 평면 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 센서 요소는 전술한 바와 같이 측정 표면을 포함할 수 있다. 이 측정 표면으로부터 시작하여, 층 구조 내에, 예를 들어 측정 표면에 대해 평행하게 다수의 층이 배치될 수 있으며, 편평한 전극은 센서 요소에서 제 1 전극 및 제 2 전극보다 더 깊게 배치된다.
제 1 전극의 전극 핑거와 제 2 전극의 전극 핑거는, 예를 들면 함께 측정 영역을 형성할 수 있다. 측정 영역 및 측정 영역의 형성은 예를 들어, 제 1 전극 및 제 2 전극의 모든 전극 핑거 및 선택적으로 추가로 제 1 전극 및 제 2 전극의 백본들을 포함하는 최소 면을 의미할 수 있다. 편평한 전극은 예를 들어, 측정 영역의 면적의 절반 이상, 바람직하게는 측정 영역의 면적 이상, 특히 바람직하게는 측정 영역의 면적보다 큰 총 면적을 가질 수 있다. 그러나 원칙적으로 다른 실시 예도 가능하다. 예를 들면, 측정 영역에 대해 수직으로, 예를 들어 센서 요소의 층 평면들에 대해 수직으로, 편평한 전극의 평면 내로 측정 영역의 투영은 완전히 편평한 전극 내에 배치될 수 있다. 센서 요소의 층 구조를 향한 관찰 방향에서, 예를 들어 측정 표면에 대해 수직인 관찰 방향에서, 예를 들면 제 1 전극 및 제 2 전극은 편평한 전극 내에 배치될 수 있다.
편평한 전극은 예를 들어 적어도 하나의 전기 절연 층에 의해 제 1 전극 및 제 2 전극으로부터 분리될 수 있다. 전기 절연 층은 바람직하게는 비교적 얇게 형성되며, 예를 들어 15㎛ 미만의 두께, 바람직하게는 10㎛ 미만의 두께를 갖는다. 예를 들어, 이 전기 절연 층은 1㎛ 내지 30㎛의 두께를 가질 수 있다.
제 1 전극 및 제 2 전극은 대안적 실시 예에서, 예를 들어, 또한 구불구불한 궤도와 콤형 구조의 조합으로, 구불구불한 궤도를 따라 부착된 핑거의 형태로 실시될 수 있다. 다른 실시 예도 가능하다.
또한, 편평한 전극과 제 1 전극 및 제 2 전극 중 하나 또는 둘 다로 형성되는 커패시터의 커패시턴스가 특히 크게 설계될 수 있다. 이러한 큰 커패시턴스는 예를 들어, 전술한 바와 같이, 전기 절연 층의 얇은 두께에 의해 발생될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 전기 절연 층의 유전 상수는 커패시턴스를 증가시키기 위해 특히 높게 설계될 수 있다. 따라서, 전기 절연 층은 예를 들어 알루미늄 산화물, 특히 Al2O3를 포함할 수 있다. 그러나 전기 절연 층은 Al2O3에 추가해서 적어도 하나의 도펀트를 포함할 수 있으며, 전기 절연 층의 유전 상수는 동일한 층 두께를 갖는 순수한 알루미늄 산화물 층, 특히 동일한 층 두께를 갖는 Al2O3 층의 유전 상수보다 더 크다. 도펀트는 예를 들어 Y2O3 또는 ZrO2를 포함할 수 있다. 또한, TiO2가 바람직하게 사용될 수 있다. 강유전성 물질, 예를 들어 제조 동안 소결 거동과 관련해서 전체 복합 재료를 의도적으로 조정하기 위해 순수한 형태 또는 예를 들어 MgO 또는 Al2O3와의 혼합물로서 도입될 수 있는 BaTiO3가 특히 바람직하다.
편평한 전극은 특히 적어도 하나의 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 물질은 예를 들어 백금, 금, 로듐, 전도성 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 이는 전도성 백금 세라믹, 전도성 금 세라믹, 전도성 로듐 세라믹 또는 다른 서멧일 수 있으며, 약어 서멧은 금속-세라믹 혼합물을 포함한다.
편평한 전극은 특히 연속 폐쇄 면을 포함할 수 있다. 그러나 대안으로서 또는 추가로 편평한 전극은 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 특히, 이는 그리드 전극일 수 있다. 그러나 바람직하게는 개구의 총 면적이 편평한 전극의 총 면적을 초과하지 않는다.
본 발명의 다른 양태에서, 특히 자동차의 배기가스 시스템에 사용하기 위한, 유체 매체 내의 입자를 측정하기 위한 센서 장치가 제안된다. 그러나 원칙적으로 다른 사용 분야도 가능하다. 센서 장치는 예를 들어 전술한 실시 예들 중 하나 이상에 따른 및/또는 이하에서 상세하게 설명되는 실시 예들 중 하나 이상에 따른 본 발명의 적어도 하나의 센서 요소를 포함한다. 또한, 센서 장치는 제어 장치 또는 제어 유닛이라고도 하는 적어도 하나의 제어부를 포함한다. 제어부는 전극 시스템에 전기적으로 연결되고, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 저항을 측정하도록 설계된 적어도 하나의 측정 장치를 포함한다. 이는 예를 들어, 오옴 미터일 수 있다. 측정 장치는 예를 들어 전압원 및/또는 전류원 그리고 전류 측정 장치 또는 전압 측정 장치를 포함할 수 있다. 전압원 또는 전류원은 직류 전압원 및/또는 직류원을 포함할 수 있고 및/또는 교류 전압원 및/또는 교류원을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 당업자에게 알려진 바와 같이, 저항 측정은 직류 또는 직류 전압 또는 교류 및/또는 교류 전압에서 수행될 수 있다. 펄스 측정도 원칙적으로 가능하다.
제어부는 적어도 하나의 진단 장치를 더 포함한다. 진단 장치는 일반적으로 센서 장치, 특히 센서 요소의 자기 진단을 수행하고, 예를 들어 센서 요소 내의 결함을 검출하도록 설계되는 장치를 의미한다. 진단 장치는, 커패시턴스와 임피던스로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 진단 변수를 한편으로는 편평한 전극과 다른 한편으로는 제 1 전극과 제 2 전극으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 전극 사이의 측정에서 측정하도록 설계된다. 달리 표현하면, 진단 장치는 진단 변수를 검출하도록 설계된다. 진단 변수는 한편으로는 편평한 전극과 다른 한편으로는 제 1 전극 및/또는 제 2 전극으로부터 형성되는 커패시터에 관련된다. 진단 변수는 상기 커패시터의 커패시턴스 또는 임피던스, 즉 복합 저항이다. 진단 장치는 예를 들어 상기 진단 변수를 외부 장치, 예를 들어 제어 유닛 및/또는 엔진 제어 유닛에 전달하도록 설계될 수 있고 및/또는 자체적으로 진단 변수를 완전히 또는 부분적으로 평가하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 진단 변수는 평가에서 적어도 하나의 설정 값, 예를 들어 고정 설정 값 및/또는 설정 범위와 비교될 수 있다. 편차가 발생하면, 예를 들어 센서 요소의 에러가 추론될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 에러의 정도를 결정하기 위해 진단 변수들을 다수의 범위와 비교함으로써 단계적 에러 진단이 수행될 수도 있다.
진단 장치는 특히 적어도 하나의 임피던스 측정 장치를 포함할 수 있다. 복합 저항을 검출하는 이러한 임피던스 측정 장치는 기본적으로 당업자에게 알려져 있다. 진단 장치는 특히 자극, 예를 들어 전술한 커패시터의 자극을 교류 전압으로 발생시키도록 설계될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 요소의 자기 진단 방법이 제안된다. 에러는 예를 들어 에러가 있는지의 여부만이 검출됨으로써, 디지털 방식으로 구성될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 에러의 빈도가 결정될 수 있다. 에러는 예를 들어 제 1 전극 및/또는 제 2 전극의 열화 및/또는 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 너무 낮은 저항에 의해 야기되는 전기적 오작동을 의미할 수 있다.
상기 방법에서 본 발명에 따른 센서 요소가 사용된다. 이와 관련하여, 센서 요소의 설명이 참조될 수 있다. 또한, 상기 방법에서, 커패시턴스 및 임피던스로 구성된 그룹으로부터 선택된 진단 변수는 한편으로는 편평한 전극과 다른 한편으로는 제 1 전극 및 제 2 전극으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 전극 사이의 측정에서 검출된다. 진단 변수로부터 센서 요소의 기능, 특히 센서 요소의 에러의 빈도 및/또는 정도가 추론된다. 진단 변수의 검출 및/또는 센서 요소의 기능에 대한 추론은 특히 유체 매체 내의 입자 결정, 즉 입자 측정과 동시에 또는 시간상 중첩되어 수행될 수 있다. 달리 표현하면, 진단은 제안된 방법에 의해 실제 입자 측정과 병행하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 센서 요소, 센서 장치 및 방법은 언급된 유형의 공지된 장치 및 방법에 비해 많은 장점을 갖는다. 본 발명에 따르면, 종래 기술과는 달리 그을음 측정을 위해 사용되는 전극 구조 아래에 놓이는 추가의 전체 면 대향 전극을 포함할 수 있는 개선된 전극 구조가 제공될 수 있다. 이는 하나 이상의 절연 층에 의해 그을음 측정에 사용되는 전극 구조로부터 분리될 수 있다. 임피던스 측정에 의해, 예를 들어 2Hz 이상의 모니터링 주파수로 안정적이고 신뢰성 있는 전기적 진단이 실현될 수 있다. 진단 장치는 일반적으로 상기 주파수 범위에서 작동할 수 있다. 편평한 전극은 예를 들어 전체 면으로 구성될 수 있고, 대향 전극으로서 작용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 편평한 전극은 실제의 입자 측정에 사용된, 제 1 전극 및 제 2 전극을 가진 전극 구조와 함께 커패시터를 형성할 수 있다. 이 커패시터의 커패시턴스는, 예를 들어, 절연 층이 가능한 작은 두께를 갖는 것에 의해 가능한 크게 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 진단에 사용되는 측정 효과는 특히 용량성 측정의 경우 크게 증가할 수 있다. 이러한 구성의 측정 용량은 케이블 하니스의 영향을 최소화하거나 심지어 제거하기 위해 센서 요소가 연결되는 케이블 하니스의 측정 용량보다 적어도 팩터 1만큼 더 큰 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 커패시터의 적어도 하나의 전기 절연 층은 유체 매체, 예를 들어 배기가스에 노출되지 않는다. 이러한 방식으로, 상기 측정은 진단 목적을 위해 층 구조에 대해 수직인 수직 방향으로 거의 센서 요소의 보호된 벌크 영역을 통해서만 수행될 수 있으며, 따라서 종래의 센서 요소들에 비해 크게 증가된 내노화성을 가질 수 있다. 또한, 바람직하게는 대향 전극을 포함하는 상기 전극 구조가 현재의 후막 기술에 기초하여 구현되고 제조될 수 있음에 주목해야 한다.
다른 세부 사항들 및 특징들은 실시 예에 대한 다음 설명에 제시된다. 본 발명은 실시 예들로 제한되지 않는다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 센서 요소 및 센서 장치(도 2에서만)의 실시 예의 평면도(도 2) 및 도 2의 절단선 A-A을 따른 단면도(도 1)이다.
도 1 및 도 2에는 유체 매체, 예를 들어 자동차의 배기가스 내의 입자, 예를 들어 그을음(soot) 입자를 결정하기 위한 본 발명에 따른 센서 요소(110)의 실시 예가 도시되어 있다. 도 2는 측정 표면(112)을 바라본 센서 요소(110)의 평면도를 도시하고, 도 1은 도 2의 절단선 A-A를 따른 단면도를 도시한다. 도 2는 또한 센서 요소(110)에 전기적으로 연결된 제어부(114)를 도시한다. 제어부(114)와 센서 요소(110)는 함께 센서 장치(116)의 구성 부분을 형성한다. 도 1 및 도 2는 이하에서 함께 설명된다.
특히, 도 1에 나타나는 바와 같이, 센서 요소(110)는 층 구조(118)를 갖는다. 층 구조(118)의 층들은 측정 표면(112)에 평행하게 연장된다. 층 구조는 특히 전극 시스템(120)을 포함한다. 이 전극 시스템(120)은 제 1 전극(122) 및 제 2 전극(124)을 포함하고, 이 전극들은 둘 다 측정 표면(112) 상에 배치된다. 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124)은 함께 그을음 입자 측정을 위한 전극 시스템을 형성한다. 이 실시 예에서 제 1 전극(122) 및 제 2 전극(124)은 바람직하게는 각각 전극 백본(electrode backbone: 128)으로부터 연장되는 전극 핑거들(126)이 서로 맞물리는 콤형 전극이다. 이런 방식으로, 예를 들면 등 간격의 인터디지털 전극이 형성된다. 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124), 특히 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124)의 콤 구조는 함께 측정 영역(125)을 형성한다.
층 구조(118)의 더 깊은 층 평면에는 전극 시스템(120)에 할당된 편평한 전극(130)이 배치된다. 이 편평한 전극(130)은 전기 절연 층(132)에 의해 제 1 전극(122) 및 제 2 전극(124)으로부터 분리된다. 이러한 방식으로, 편평한 전극(130), 전기 절연 층(132) 및 제 1 전극(122) 및/또는 제 2 전극(124)으로 커패시터(134)가 형성된다.
전극들(122, 124 및 130)은 각각 전극 공급 라인(136, 138 및 140)을 통해 접촉된다. 전극 공급 라인들(136, 138)은 예를 들어 측정 표면(112) 상에 배치될 수 있고, 예를 들어, 전기 절연 층에 의해 피복될 수 있거나, 또는 유체 매체가 위치하는 측정 가스 챔버로부터 분리될 수 있다. 편평한 전극(130)과 접촉하는 전극 공급 라인(140)은 예를 들어 하층 평면에 배치될 수 있고, 예를 들어 상부 면으로부터 또는 하부 면으로부터 비아(Via)를 통해 전기 접촉될 수 있다.
제어부(114)는 예를 들어, 도 2에 나타나는 바와 같이, 측정 장치(142)를 포함하고, 상기 측정 장치(142)는 전극 공급 라인(136, 140)과 접촉하여 제 1 전극(122) 및 제 2 전극(124)에 연결된다. 상기 측정 장치(142)에 의해, 측정 표면(112)에 대한 그을음 침착에 의존하는, 제 1 전극(122)와 제 2 전극(124) 사이의 저항을 측정할 수 있다. 제어부(114)는 또한 진단 장치(144)를 포함하며, 상기 진단 장치(144)는 한편으로는 전극 공급 라인(138)을 통해 편평한 전극(130)에 그리고 다른 한편으로는 제 1 전극(122) 또는 제 2 전극(124) 중 하나 또는 둘 다에 연결된다. 이러한 방식으로, 예컨대 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이, 진단 목적으로 특히 커패시터(134)의 임피던스 측정이 이루어질 수 있다. 따라서, 진단 장치(144)는 특히 적어도 하나의 임피던스 측정 장치(146)를 포함할 수 있다.
층 구조(118)의 평면도인, 도 2에 나타나는 바와 같이, 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124)이 편평한 전극(130)의 평면에 투영되는 투영도에서, 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124)은 바람직하게는 편평한 전극(130) 내에 놓인다.
층 구조(118)는 또한 적어도 하나의 캐리어(148)를 더 포함할 수 있다. 이 캐리어는 예를 들어 세라믹 캐리어일 수 있다. 또한, 층 구조(118)는 도 1에 도시되지 않은 추가의 요소, 예를 들어 적어도 하나의 가열 요소를 포함할 수 있다. 상기 가열 요소는 예를 들어 캐리어(148)와 추가 캐리어 사이에 매립될 수 있고, 예컨대 전극 시스템(120)을 가열하도록 설계될 수 있다.
예를 들어, 전술한 바와 같이, 전극 디자인은 측정 전극(제 1 전극(122) 및 제 2 전극(124))으로서 2 개의 맞물리는 콤 구조로 구성된다. 편평한 전극(130)은 예를 들어 전체 면 구성의, 매립된 대향 전극으로서 형성될 수 있으며, 예를 들어, 후막 기술로 제조될 수 있다. 측정 전극(제 1 전극(122) 및 제 2 전극(124))을 편평한 전극(130)으로부터 도 1의 층 구조(118)의 수직 방향으로 분리시키는 전기 절연 층(132)은 가능한 얇게 형성될 수 있는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 전기 절연 층(132)의 층 두께는 커패시터(134)의 가능한 큰 커패시턴스를 나타낼 수 있도록 가능한 작게, 예를 들어 10㎛ 미만으로 선택된다. 예를 들어, 대향 전극으로서 작용하는 편평한 전극(130)의 면적은 도 2에서 대략 알 수 있는 바와 같이 측정 전극의 면적과 동일하거나, 또는 약간 커질 수 있다.
극히 작은 전류만이 대향 전극으로서 작용하는 편평한 전극(130)을 통해 안내되기 때문에, 상기 편평한 전극은 재료 절감을 위해 바람직하게는 매우 얇게, 예를 들어 수 마이크로미터, 예를 들어 2㎛ 내지 5㎛의 범위로 설계된다. 대안으로서, 매우 적은 양의 백금 또는 매우 작은 양의 다른 금속을 함유할 수 있는 프린팅 페이스트가 사용될 수 있어서, 전도성은 소결된 상태에서 원하는 층 두께일 때 충분한 전도성을 달성하기에 충분하다.
편평한 전극(130)의 대안적 실시 예는 전체 면 구성으로부터 벗어나 하나 이상의 개구를 제공하는 것이다. 예를 들어, 편평한 전극(130)은 전체 면 대신 그리드 전극으로서 설계될 수 있다. 이는 층 구조(118)의 그 위에 배치된, 예를 들어 인쇄된 층의 접착과 관련해서 특히 바람직할 수 있으며, 귀금속, 예를 들어 백금에 대한 수요를 줄일 수 있다. 상기 면에서 모든 개구의 전체 면적은 예를 들어 자기 진단을 위해 측정 가능한 커패시턴스가 미미하게 감소할 정도로만 클 수 있다. 그리드 전극으로서 편평한 전극(130)을 설계하면, 특히 상당량의 커패시턴스를 잃지 않으면서, 층 구조(118), 특히 층 복합체의 열 기계적 안정성을 향상시키는 것이 가능할 수 있다.
또한, 일반적으로, 특히 편평한 전극(130)뿐만 아니라 제 1 및 제 2 전극(122, 124)에 대해서도, 백금 대신에 다른 전기 전도성 금속을 사용할 수 있는 가능성이 있다. 예를 들어, 금, 로듐 또는 이들의 합금 또는 상응하게 도핑된 세라믹이 사용될 수 있다.
또한, 예를 들어 전기 절연 층(132)의 유전 상수를 증가시킴으로써 커패시터(134)의 측정 가능한 커패시턴스를 증가시키는 것이 가능하다. 전기 절연 층(132)에 사용되는 재료는 통상 알루미늄 산화물, 특히 Al2O3이다. 그러나 적절한 도핑에 의해, 전기 절연 층(132)의 유전 상수가 Al2O3의 유전 상수 이상으로 증가 될 수 있다. 도펀트는 예를 들어, Y2O3, ZrO2, TiO2, BaTiO3 및 다른 강유전성 물질 그리고 이들 물질의 임의의 혼합물을 포함한다. 특히, 강유전성 물질, 예를 들어 BaTiO3를 예를 들어 제조 동안 소결 거동과 관련해서 전체 복합 재료를 의도적으로 조정하기 위해 순수한 형태 또는 예를 들어 MgO 또는 Al2O3와의 혼합물로서 도입하는 것이 특히 바람직할 수 있다.
제 1 및 제 2 전극(122, 124)의 전극 핑거(126)의 구성 및 개수와 관련하여, 등거리의 핑거 간격을 갖는 도시된 콤 전극에 대한 대안으로서 다양한 대안적인 구성이 가능하다. 그러나 이는 여기서는 더 이상 설명되지 않는다. 예를 들어, 비-등거리 핑거 간격이 사용될 수 있거나 또는 도시된 콤 구조와는 다른 형상이 사용될 수 있다. 측정 전극의 구조화는 예를 들어 스크린 인쇄에 의해 또는 예를 들어 적절한 레이저를 이용한 고체 면의 제거에 의해 수행될 수 있다.
측정 전극(제 1 전극(122), 제 2 전극(124))의 전기적 모니터링은 특히 입자가 검출되는 액티브 측정 단계 동안 수행될 수 있다. 따라서, 특히, 본 발명에 따른 방법은 진단이 실제 입자 측정과 동시에 또는 적어도 시간상 중첩되어 이루어지는 방식으로 수행될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 고조파로 또는 구형파로 형성될 수 있는 교류 전압(AC)은 진단 장치(144)에 의해 커패시터(134)로, 즉 예를 들어 편평한 전극(130)과 제 1 및 제 2 전극(122, 124) 중 하나 또는 둘 다 사이에 인가될 수 있다. 이 경우, 자극은 대향 전극으로서 작용하는 편평한 전극(130)을 통해 일어날 수 있다. 이 경우, 임피던스 및/또는 커패시턴스는 적절한 주파수, 예를 들어 수 Hz 또는 kHz 범위의 주파수 또는 여러 주파수에서 동시에 검출될 수 있다. 평가는 공지된 임피던스 분광법에 따라 수행될 수 있다. 이 목적을 위해, 상응하는 제어 및 평가 유닛이 진단 장치(144)에 통합될 수 있다.
다른 실시 예에서, 이러한 교류 전압은 예를 들어 그을음 침착 및 그을음 측정을 위해 사용될 수 있는, 편평한 전극(130)에 인가된 직류 전압에 중첩될 수 있다. 자극은 여기서 두 개의 전극 중 하나에서 일어날 수 있다. 바람직하게는, 교류 전압은 그을음 측정에 가능한 적은 영향을 주기 위해 직류 전압보다 상당히 더 작다. 따라서, 일반적으로, 진단 장치(144)에 의한 진단을 위해 사용되는 전압은 입자 측정을 위해 사용되는 전압보다 작을 수 있고, 예를 들어, 적어도 팩터 2만큼 작을 수 있다. 또한, 교류 전압의 신호 형태 및 듀티 사이클은 그을음 측정에 대한 영향이 가능한 작도록 선택될 수 있다.
110
센서 요소
114 제어부
116 센서 장치
118 층 구조
120 전극 시스템
122 제 1 전극
124 제 2 전극
125 측정 영역
126 전극 핑거
130 편평한 전극
132 전기 절연 층
144 진단 장치
114 제어부
116 센서 장치
118 층 구조
120 전극 시스템
122 제 1 전극
124 제 2 전극
125 측정 영역
126 전극 핑거
130 편평한 전극
132 전기 절연 층
144 진단 장치
Claims (11)
- 특히 자동차의 배기가스 시스템에 사용하기 위한, 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 요소(110)로서, 상기 센서 요소(110)는 적어도 하나의 제 1 전극(122) 및 적어도 하나의 제 2 전극(124)을 갖는 전극 시스템(120)을 포함하며, 상기 제 1 전극(122) 및 상기 제 2 전극(124)은 상기 제 1 전극(122)과 상기 제 2 전극(124) 사이의 저항 변화를 측정함으로써 입자의 침착을 검출할 수 있도록 배치되는, 상기 센서 요소(110)에 있어서,
상기 전극 시스템(120)은 적어도 하나의 편평한 전극(130)을 더 포함하고, 상기 편평한 전극(130)은 유체 매체로부터 분리되어 배치되는, 센서 요소(110). - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극(122) 및 상기 제 2 전극(124)은 콤 형태로 형성되며 각각 다수의 전극 핑거(126)를 포함하고, 상기 제 1 전극(122)의 전극 핑거(126)와 상기 제 2 전극(124)의 전극 핑거(126)는 서로 맞물리는, 센서 요소(110).
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 센서 요소(110)는 층 구조(118)를 포함하고, 상기 편평한 전극(130)은 상기 센서 요소(110)에서 상기 제 1 전극(122) 및 상기 제 2 전극(124)보다 더 깊게 배치된 층 평면 내에 배치되는, 센서 요소(110).
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전극(122)의 상기 전극 핑거(126)와 상기 제 2 전극(124)의 상기 전극 핑거는 함께 측정 영역(125)을 형성하고, 상기 편평한 전극(130)은 상기 측정 영역(125)의 면적의 적어도 절반의 면적을 갖는, 센서 요소(110).
- 제 4 항에 있어서, 상기 측정 영역(125)에 대해 수직으로, 상기 편평한 전극(130)의 평면 내로의 상기 측정 영역(125)의 투영은 상기 편평한 전극(130) 내에 완전히 배치되는, 센서 요소(110).
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편평한 전극(130)은 적어도 하나의 전기 절연 층(132)에 의해 상기 제 1 전극(122) 및 상기 제 2 전극(124)로부터 분리되는, 센서 요소(110).
- 제 6 항에 있어서, 상기 전기 절연 층(132)은 15 마이크로미터보다 작은 두께를 갖는, 센서 요소(110).
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 전기 절연 층은 알루미늄 산화물을 포함하는, 센서 요소(110).
- 제 8 항에 있어서, 상기 전기 절연 층은 적어도 하나의 도펀트를 더 포함하고, 상기 전기 절연 층의 유전 상수는 동일한 층 두께를 가진 순수한 알루미늄 산화물 층의 유전 상수보다 더 큰, 센서 요소(110).
- 특히 자동차의 배기가스 시스템에 사용하기 위한, 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 장치(116)로서, 상기 센서 장치(116)는 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 센서 요소(110), 및 적어도 하나의 제어부(114)를 포함하고, 상기 제어부(114)는 전극 시스템(120)에 전기적으로 연결되며 적어도 하나의 측정 장치(142)를 포함하고, 상기 측정 장치(142)는 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124) 사이의 저항을 측정하도록 설계되며, 상기 제어부(114)는 적어도 하나의 진단 장치(144)를 더 포함하고, 상기 진단 장치(144)는, 커패시턴스와 임피던스로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 진단 변수를 한편으로는 편평한 전극(130)과 다른 한편으로는 상기 제 1 전극(122)과 상기 제 2 전극(124)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 전극 사이의 측정에서 측정하도록 설계되는, 센서 장치(116).
- 유체 매체 내의 입자를 결정하기 위한 센서 요소(110)의 진단 방법으로서, 센서 요소(110)에 관련된 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 센서 요소(110)가 사용되고, 커패시턴스와 임피던스로 구성된 그룹으로부터 선택된 진단 변수가 한편으로는 편평한 전극(130)과 다른 한편으로는 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 전극 사이의 측정에서 검출되며, 상기 진단 변수로부터 상기 센서 요소(110)의 기능이 추론되는, 진단 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |