KR20200011423A - 입자 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본체(110), 상기 본체(110)의 제 1 표면(110a) 위로 흐르는 유체 흐름(A1) 내의 입자를 충전하기 위한 입자 충전 장치(120), 및 상기 유체 흐름(A1)의 하전 입자를 편향시키기 위한 트랩 전극(130)을 포함하는 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d)에 관한 것이며, 상기 입자 충전 장치(120) 및 상기 트랩 전극(130)은 상기 본체(110)의 제 1 표면(110a) 상에 배치된다.

Description

입자 센서 및 그 제조 방법

본 발명은 입자 센서 및 이러한 입자 센서의 제조 방법에 관한 것이다.

WO 2013/125181 A1에는 자동차에 사용하기 위한 입자 센서가 알려져 있다. 알려진 입자 센서는 비교적 복잡한 기하학적 구조의 다수의 개별 층을 갖는 복잡한 층 구조를 갖는다.

본 발명의 과제는 구조가 더 단순하고 제조 비용이 저렴하도록 상기 유형의 입자 센서를 개선하는 것이다.

상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 입자 센서에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 입자 센서는 본체, 상기 본체의 제 1 표면 위로 흐르는 유체 흐름 내의 입자를 충전하기 위한 입자 충전 장치, 및 상기 유체 흐름의 하전 입자를 편향시키기 위한 트랩 전극을 포함한다. 바람직하게는, 입자 충전 장치 및 트랩 전극가 본체의 제 1 표면 상에 배치되므로, 특히 단순한 구조 및 비용 효율적인 제조가 달성된다.

예를 들어, 유체 흐름은 자동차의 내연 기관의 배기 가스 흐름일 수 있다. 예를 들어, 입자는 내연 기관에 의한 연료의 연소의 범위에서 발생하는 수트 입자 일 수 있다.

바람직한 실시 예에서, 본체는 기판 요소를 포함하거나 기판 요소로 형성된다. 특히 바람직하게는, 본체는 실질적으로 평평한 세라믹 기판으로 형성된다. 본체는 예를 들어 폭 및 길이를 갖는 실질적으로 입방형 기본 형상을 가질 수 있고, 이 경우 높이 치수는 폭 및 길이에 비해 비교적 작다. 더 바람직하게는, 본 발명에 따라 입자 충전 장치 및 트랩 전극이 배치된 제 1 표면은 본체의 외부 표면이다.

다른 바람직한 실시 예에서, 입자 충전 장치는 코로나 방전을 발생시키기 위한 고전압 전극을 포함한다. 코로나 방전은 고전압 전극 주위의 챔버에서 유체 흐름 또는 배기 가스 흐름으로부터의 입자, 예를 들어 가스의 충전을 허용한다. 따라서, 한편으로는, 입자가 코로나 방전이 발생하는, 제 1 표면의 영역에 위치한 챔버를 통해 흐를 때 직접 충전된다. 다른 한편으로는, 입자가 가스 흐름 또는 배기 가스 흐름의 하전 입자를 통해 충전되고, 이 경우 상기 가스 흐름 또는 배기 가스 흐름은 고전압 전극의 영역에서 챔버를 통해 흐를 때 직접 충전되었다. 이는 전반적으로 충전 효율을 향상시킨다. 바람직한 실시 예에서, 고전압 전극은 적어도 하나의 니들형 전극 또는 팁을 갖는다.

다른 실시 예에서, 입자 충전 장치는 고전압 전극에 대한 카운터 전극을 갖는다. 여기서, 카운터 전극은 고전압 전극과 다르고, 고전압 전극과는 다른 전위로 작용할 수 있는 전극을 의미한다. 예를 들어, 고전압 전극에 대한 카운터 전극은 기준 전위, 예를 들어 접지 전위에 연결되거나 기준 전위를 갖는 회로 노드에 고정적으로 연결될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 고전압 전극에는 카운터 전극에 비해 포지티브 또는 네거티브 전위가 인가될 수 있다.

다른 실시 예에서, 카운터 전극은 제 1 표면 상에 배치되는 것이 특히 바람직하며, 이로 인해 입자 센서의 특히 단순한 구조 및 효율적인 제조가 달성된다. 특히 바람직하게는, 카운터 전극이 제 1 표면 상에 완전히 배치된다.

다른 바람직한 실시 예에서, 고전압 전극에 대한 카운터 전극은 동시에 트랩 전극에 대한 카운터 전극을 형성할 수 있다.

일 실시 예에서, 고전압 전극에 인가된 것과 동일한 전위가 트랩 전극에 인가될 수 있다. 이는 예를 들어, 고전압 전극과 트랩 전극이 공통 고전압 공급부에 연결됨으로써 수행될 수 있다.

다른 실시 예에서, 카운터 전극은 적어도 본체의 제 1 표면 상의 카운터 전극의 제 1 영역에 배치되며, 이는 제 1 표면 상에 배치된 도체 트랙 또는 도체 구조에 의한 카운터 전극의 간단한 전기적 콘택팅을 가능하게 한다. 또한, 카운터 전극의 제 1 영역과는 다른 제 2 영역이 본체의 제 1 표면으로부터 돌출된다. 즉 제 1 표면으로부터 튀어나온다. 결과적으로, 하전 입자의 생성을 위한 추가 자유도는 제 1 표면 위의 코로나 방전에 의해 작용할 수 있는 공간 영역이 돌출 카운터 전극의 형상의 형성에 의해 규정됨으로써 주어진다. 동시에, 카운터 전극과, 본체의 제 1 표면에 배치된 컴포넌트(예를 들어 도체 트랙)의 특히 간단한 기계적 및/또는 전기적 연결이 이루어진다.

바람직한 실시 예에서, 카운터 전극은 예를 들어 원형 실린더의 재킷 면의 섹터에 상응하는 실질적으로 만곡된 기본 형상을 갖는다. 특히 바람직하게는, 카운터 전극의 오목한 외부 면이 본체의 제 1 표면에 할당된다. 바람직한 실시 예에서, 카운터 전극 또는 본체의 제 1 표면으로부터 돌출되는, 카운터 전극의 적어도 하나의 영역은 시트(sheet)에 의해 형성될 수 있다.

다른 실시 예에서, 적어도 하나의 센서 전극은 입자 충전 장치에 의해 충전된, 배기 가스 흐름의 입자에 의해 야기된 충전 전류에 관한 정보를 검출하기 위해 제공되며, 적어도 하나의 센서 전극은 제 1 표면 상에 배치된다.

특히 바람직한 실시 예에서, 입자 충전 장치, 트랩 전극 및 선택적인 센서 전극은 본체의 길이 방향 축을 따라, 특히 유체 흐름 또는 배기 가스 흐름의 흐름 방향을 따라 본체의 제 1 표면 상에 배치된다. 이에 의해, 입자 충전 장치는 예를 들어 코로나 방전에 의해 배기 가스 흐름의 입자를 충전할 수 있고, 상기 입자들은 트랩 전극의 영역에서의 주된 가스 흐름에 의해 운반된다. 거기서, 배기 가스 흐름의 이온과 같은 측정될 입자에 부착되지 않은 비교적 가벼운(저질량) 하전 입자는 트랩 전극에 의해 비교적 강하게 편향되어, 선택적인, 더 하류에 놓인 센서 전극에 도달하지 않거나 심하게 줄어든 수만이 도달한다. 이로 인해, 실질적으로 비교적 무거운 하전 입자, 특히 수트 입자만이 더 하류에서 트랩 전극을 넘어서, 예를 들어 센서 전극에 도달하고, 거기서 예를 들어 센서 전극에 대한 전하 영향에 의해 공지된 방식으로 검출될 수 있다.

일 실시 예에서, 제어 가능하거나 적어도 고전압 전극의 전위와 다른 전위를 트랩 전극에 인가하는 것도 가능하며, 이로써 트랩 전극을 지나는 하전 입자에 대한 트랩 전극의 트랩 효과를 설정하기 위한 자유도가 주어진다.

센서 전극을 갖지 않는 실시 예에서, 소위 "탈출 전류(escaping current)" 원리는 하전 입자의 충전 전류를 측정하는데 사용될 수 있다. 이를 위해 입자 센서를 포함하는 완전한 시스템은 외부에 대해 절연될 수 있고(특히, 이로 인해 고전압 전극의 카운터 전극 및 트랩 전극을 위해 선택적으로 존재하는 카운터 전극은 "가상"이 되고, 예를 들어 가상 접지 전극이 됨), 하전 입자가 그 충전의 형태로, 전기적으로 절연되어 폐쇄된 그 밖의 시스템으로부터 빼내는 전류가 측정된다. 예를 들어, 상기 전류는 고전압 전극의 니들 전극으로부터 코로나 방전을 통해 고전압 전극의 카운터 전극 내로 흐르고, 트랩 전극은 나머지 이온을 트랩한다. 하전 입자에 의해 생성된 전류는 전위가 일정하게 유지되도록 카운터 전극에 다시 추가되어야 한다. 상기 전류는 "탈출 전류"라고 하며 하전 입자의 농도에 대한 척도이다.

다른 바람직한 실시 예에서, 서로 동심으로 배치된 2 개의 튜브로 이루어진 보호 튜브 장치 및 본 발명에 따른 적어도 하나의 입자 센서를 포함하는 센서 장치가 제안되며, 상기 적어도 하나의 입자 센서는 제 1 표면이 내부 튜브의 길이 방향 축에 대해 실질적으로 평행하게 배향되도록, 2 개의 튜브 중 내부 튜브 내에 배치된다. 결과적으로, 입자 센서는 외부 영향(예를 들어, 배기 가스를 통한 직접적인 유입)으로부터 바람직하게 보호되며, 동시에 입자 센서에서 배기 가스 흐름의 균일한 흐름이 주어지는 것이 보장되며, 그로 인해 센서 정확도가 향상된다. 특히, 상기 실시 예들에서, 신선한 가스 또는 신선한 공기의 공급없이 입자 센서의 작동이 이루어질 수 있으며, 이로 인해 종래의 시스템에서 요구되는 해당 펌프가 생략될 수 있다.

추가의 실시 예들은 청구항 제 10 항에 따른 입자 센서의 제조 방법에 의해 제공된다. 상기 방법은 예를 들어 실질적으로 평평한(즉, 편평한 제 1 외부 표면을 갖는) 세라믹 기판 형태의 본체를 제공하는 단계, 및 입자 충전 장치 및 트랩 전극을 본체의 제 1 표면 상에 배치하는 단계를 포함한다. 일부 실시 예에서, 스크린 인쇄 방법, 특히 백금 스크린 인쇄 방법이 입자 충전 장치 또는 그 컴포넌트 및 트랩 전극 및 선택적인 센서 전극 또는 상응하는 도체 트랙 또는 도체 구조를 본체의 제 1 표면에 제공하기 위해 특히 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 특징들, 응용들 및 장점들은 도면에 도시된 본 발명의 실시 예에 대한 다음 설명으로부터 명백해질 것이다. 청구 범위들의 조합 또는 그 인용과 관계없이 그리고 상세한 설명 또는 도면에서 이들의 표현과 관계없이, 설명된 모든 특징들은 단독으로 또는 임의의 조합으로 본 발명의 대상이다.

도 1은 본 발명에 따른 입자 센서의 제 1 실시 예의 측면도를 개략적으로 도시하고,
도 2 및 도 3은 각각 목표 시스템(target system)에서 도 1에 따른 입자 센서의 구성을 개략적으로 도시하며,
도 4a는 제 2 실시 예에 따른 입자 센서의 평면도를 개략적으로 도시하고,
도 4b는 도 4a에 따른 입자 센서의 길이 방향으로 본 단면도를 개략적으로 도시하며,
도 4c는 도 4a에 따른 입자 센서의 측면도를 개략적으로 도시하고,
도 5는 제 3 실시 예에 따른 입자 센서의 평면도를 개략적으로 도시하며,
도 6a는 제 4 실시 예에 따른 입자 센서의 평면도를 개략적으로 도시하고,
도 6b는 도 6a에 따른 입자 센서의 길이 방향으로 본 단면도를 개략적으로 도시하며,
도 7은 추가 실시 예에 따른 입자 센서의 평면도를 개략적으로 도시하고,
도 8은 본 발명에 따른 방법의 일 실시 예의 단순화된 흐름도를 개략적으로 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 입자 센서(100)의 제 1 실시 예의 측면도를 개략적으로 도시한다. 입자 센서(100)는 바람직하게는 평면 본체(110)를 포함하며, 상기 본체는 예를 들어 세라믹 재료와 같은 비전기 전도성 재료로 이루어진 기판에 의해 형성될 수 있다. 여기서, 본체(110)는 x-축을 따라 연장되는 길이(L)보다 더 작고, 특히 훨씬 더 작고(예를 들어 적어도 약 80% 더 작고) 도 1에서 도면 평면에 대해 수직으로 연장되는 폭보다 작은 두께(d1)를 갖는다.

본 발명에 따르면, 입자 충전 장치(120) 및 트랩 전극(130)은 도 1에서 본체(110)의 상부 외부 표면인, 본체(110)의 제 1 표면(110a) 상에 배치된다.

입자 충전 장치(120)는 본체(110)의 제 1 표면(110a) 위로 흐르는 유체 흐름(A1) 내에 있는 입자(도시되지 않음)를 충전시키기 위해 제공된다. 이를 위해, 입자 충전 장치(120)는 예를 들어 코로나 방전(123)을 생성하기 위해 제공된 고전압 전극(122)을 포함한다. 이를 위해, 고전압 전극(122)은 예를 들어 도시되지 않은 고전압 소스에 연결될 수 있다. 선택적으로, 입자 충전 장치(120)는 고전압 전극(122)의 카운터 전극 또는 고전압 전극(122)용 카운터 전극을 포함할 수 있으며, 상기 카운터 전극은 여기서 도면 부호 124로 표시되고 바람직하게는 본체(110)의 제 1 표면(110a) 상에, 특히 완전히 또는 전체 면에 배치된다.

트랩 전극(130)은, 예를 들어 입자 충전 장치(120)에 의해 유체 흐름(A1)과 관련해서 더 상류에 생성되었던 유체 흐름(A1)의 하전 입자를 편향시키기 위해 제공된다. 예를 들어, 트랩 전극(130)에는 고전압 전극(122)과 동일한 전위가 인가될 수 있다. 다른 실시 예에서, 트랩 전극에는 고전압 전극(122)의 전위와는 다른 전위가 인가될 수 있다. 트랩 전극(130)에 의해 하전 입자, 특히 이온이 유체 흐름(A1)으로부터 편향되거나 "트랩"되어, 더 하류에 배치된, 선택적인 센서 전극(140)에 도달하지 않는 것이 특히 바람직하다.

센서 전극(140)은 유체 흐름(A1)의 하전 입자에 의해 야기된 충전 전류에 관한 정보를 검출하기 위해 제공된다. 상기 입자는 예를 들어 입자 충전 장치(120)에 의해 또는 그것에 의해 생성된 코로나 방전(123)에 의해 유체 흐름(A1)과 관련해서 더 상류에서 충전되었던 입자일 수 있다. 바람직하게는, 전술한 바와 같이, 이온과 같은 비교적 가벼운 하전 입자가 트랩 전극(130)에 의해 편향되거나 트랩되기 때문에, 비교적 무거운 하전 입자만이 하류 방향으로 센서 전극(140)에 이른다. 이로 인해, 센서 전극(140)은 센서 전극(140)을 지나 흐르는 하전 입자에 의해 야기되는 전하 영향의 측정에 의해 유체 흐름(A1) 내의 하전 입자의 농도 결정을 가능하게 한다. 상기 유체 흐름(A1)은 예를 들어 내연 기관(도시되지 않음)의 배기 가스 흐름일 수 있다. 입자는 예를 들어 내연 기관에 의한 연료의 연소의 범위에서 발생하는 수트 입자일 수 있다.

추가의 실시 예에서, 선택적인 센서 전극(140)을 제공하지 않는 것이 가능하다. 이 변형 예에서, 소위 "탈출 전류(escaping current)" 원리는 하전 입자의 충전 전류를 측정하는데 사용될 수 있다. 이를 위해, 입자 센서(100)를 포함하는 완전한 시스템은 외부에 대해 절연될 수 있고(특히 이로 인해 고전압 전극의 카운터 전극 및 트랩 전극을 위해 경우에 따라 존재하는 카운터 전극이 "가상"됨), 하전 입자가 그 충전의 형태로, 전기적으로 절연되어 폐쇄된 그 밖의 시스템(100)으로부터 빼내는 전류가 측정된다. 예를 들어, 고려된 전류는 고전압 전극(122)으로부터 코로나 방전(123)을 통해 고전압 전극의 카운터 전극(124) 내로 흐르고, 트랩 전극(130) 또는 여기에 도시되지 않은 그 카운터 전극은 나머지 이온을 트랩한다. 하전 입자에 의해 생성된 전류는 전위가 일정하게 유지되도록 카운터 전극(124)에 다시 추가되어야 한다. 상기 전류는 "탈출 전류"라고 하며 하전 입자의 농도에 대한 척도이다.

도 1에 도시된 실시 예에서, 트랩 전극(130)용 카운터 전극으로서, 본체(100)의 제 1 표면(110a) 위에 배치된 전기 전도성 요소(도시되지 않음), 예를 들어 시트(sheet)가 제공될 수 있다. 일부 실시 예에서, 입자 센서(100)를 둘러싸며 전기 전도성 재료로 이루어지거나 적어도 부분적으로 기존 전기 전도성 표면을 갖는 보호 튜브(도 1에 도시되지 않음)가 트랩 전극(130)용 카운터 전극의 역할을 할 수 있다.

도 2는 여기서 예를 들어 자동차의 내연 기관의 배기관인, 목표 시스템(target system)에서 도 1에 따른 입자 센서(100)의 구성을 개략적으로 도시한다. 배기 가스 흐름은 여기서 도면 부호 A2로 표시된다. 또한, 서로 동심으로 배치된 2 개의 튜브(R1, R2)로 이루어진 보호 튜브 장치가 도시되어 있으며, 입자 센서(100)는 제 1 표면(110a)이 내부 튜브(R1)의 길이 방향 축(LA)에 대해 실질적으로 평행하게 연장되도록 내부 튜브(R1)에 배치된다. 튜브들(R1, R2) 간의 상이한 길이 및 배치로 인해, 벤투리 효과에 의해, 배기 가스 흐름(A2)이 도 2에서 내부 튜브(R1)로부터 수직 상향 방향으로 유체 흐름(P1 또는 A1)을 일으키는 흡인이 발생한다. 추가의 화살표(P2, P3, P4)는 벤투리 효과에 의해 야기된 상기 유체 흐름이 두 튜브(R1, R2) 사이의 간극을 통해 보호 튜브 장치의 주변까지 계속됨을 나타낸다. 전체적으로, 도 2에 도시된 구성에 의해, 입자 센서(100) 또는 유체 흐름(P1)을 따라 배향된 그 제 1 표면(110a)의 비교적 균일한 오버 플로우가 나타나고, 이는 유체 흐름(A1, P1) 내에 있는 입자의 효율적인 검출을 허용한다. 또한, 입자 센서(100)는 주요 배기 가스 흐름(A2)과의 직접적인 접촉으로부터 보호된다. 따라서, 요소들(100, R1, R2)에 의해, 배기 가스(A2) 내의 입자 농도를 결정하기 위한 센서 장치(1000)가 바람직하게 제공된다.

도면 부호 R2'는 외부 튜브(R2) 및/또는 내부 튜브(R1)와 접지 전위와 같은 기준 전위의 선택적인 전기적 연결을 나타내며, 따라서 관련 튜브 또는 두 튜브가 바람직하게는 유체 안내 기능과 동시에 예를 들어 트랩 전극(130)(및/또는 고전압 전극(122))용 전기 카운터 전극으로서 사용될 수 있다(도 1 참조).

블록 화살표 P5는 도 2에서, 일부 실시 예에서 바람직할 수 있지만 특히 바람직한 실시 예들에서는 제공되지 않는 선택적인 신선한 가스 공급, 특히 신선한 공기 공급을 나타낸다.

도 3은 배기 가스 튜브(R) 및 상기 배기 가스 튜브(R) 내의 도 2에 따른 센서 장치(1000)의 부분을 개략적으로 도시한다. 특히 도 3은 보호 튜브 장치(R1, R2)(도 2) 내부의 본 발명에 따른 입자 센서(100)를 다시 도시한다. 입자 센서(100)는 제 1 표면이 x-축을 따라 연장되도록 보호 튜브 장치 내에 배향되는 반면, 배기 가스 튜브(R)에서 배기 가스(A2)의 유동 방향은 y-축에 대해 평행하게 배향된다.

본 발명에 따른 입자 센서의 추가 실시 예(100a)가 도 4a, 도 4b 및 도 4c를 참조하여 아래에 설명된다. 도 4a는 상기 추가 실시 예의 입자 센서(100a)의 평면도를, 도 4b는 길이 방향(축 x를 따른, 도 4a 참조)으로 본 단면도를, 도 4c는 측면도를 개략적으로 도시한다.

입자 센서(100a)는 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 나타나는 바와 같이, 예를 들어 세라믹 기판을 포함하는 본체(110) 및 고전압 전극(122)을 포함하고, 상기 고전압 전극(122)에는 고전압 리드(121)을 통해 상응하는 전위가 공급된다. 여기서, 고전압 전극(122)은 카운터 전극(124a)과 협력하여 코로나 방전(도 1의 도면 부호 123 참조)을 점화시키기 위해 별도로 표시되지 않은 니들 전극을 갖는다. 도 1에 따른 실시 예와는 달리, 도 4a, 도 4b 및 도4c에 따른 실시 예에서 카운터 전극(124a)은 본체(110)의 표면(110a) 전체에 배치되지 않는다. 오히려, 여기서 카운터 전극(124a)은 제 1 영역(1241; 도 4b 참조)에서 리드(1241')에 기계적으로 그리고 전기 전도 방식으로 연결되며, 상기 리드는 카운터 전극(124a)을 전기 기준 전위, 여기서는 예를 들어 접지 전위에 연결한다.

대조적으로, 카운터 전극(124a)의 제 2 영역(1242; 도 4b 참조)은 예를 들어 도 4b에서 니들 전극(122) 위에 수직으로 배치되도록, 제 1 표면(110a)으로부터 돌출된다. 이로 인해, 위에서 여러 번 설명된 바와 같이, 코로나 방전(도 4b에 도시되지 않음)은 요소들(122, 124a) 사이에서, 특히 유체 흐름의 입자를 충전하는 역할을 하는 제 2 영역(1242)에서 형성될 수 있다.

또한, 입자 센서(100a)는 도 4a에 도시된 바와 같이 길이 방향(x)을 따라 고전압 전극(122)에 대해 더 하류에 배치된 트랩 전극(130)을 포함한다. 여기서, 트랩 전극(130)은 연결 라인(131)에 의해 고전압 전극(122)에 전기 전도 방식으로 연결되고, 또한 고전압 리드(121)을 통해 연결된 공통 고전압 공급부에 연결된다.

카운터 전극(124a)은 여기서 길이 방향(x)을 따라 고전압 전극(122)에 걸쳐서 연장될 뿐만 아니라(도 4a의 영역(124') 참조), 그 텅 형태 연장부(영역(124") 참조)에 걸쳐 그리고 트랩 전극(130)에 걸쳐 연장되도록 설계될 수 있다. 이는 도 4c의 측면도에 나타난다. 따라서, 카운터 전극(124a)은 동시에 트랩 전극(130)용 카운터 전극으로서 작용하여, 흐름 방향 또는 길이 방향(x)을 따라 입자 센서(100a)의 제 1 표면(110a)을 지나 이동되는 하전 입자가 도 4b 및 도 4c에서 수직 방향으로, 예를 들어 트랩 전극(130)을 향해 편향된다. 상기 입자가 하전 가스 입자 또는 이온과 같은 비교적 저 질량의 입자인 경우, 이들은 일반적으로 트랩 전극(130)까지 편향되고 따라서 더 하류에서 여기서도 제공된 센서 전극(140)에 도달하지 않는다. 이러한 방식으로, 비교적 고 질량의 하전 입자, 예를 들어 입자 충전 장치(120)에 의해 하전된 입자, 예를 들어 배기 가스 흐름의 수트 입자만이 센서 전극(140)의 영역에 도달하고 거기서 센서 전극(140)에 대한 전하 영향에 의해 공지된 방식으로 검출될 수 있다. 센서 전극(140)용 전기 리드는 여기서 도면 부호 141(도 4a)로 표시되고, 추가 리드들(121, 1241')과 같이, 입자 센서(100a)의 도 4a의 좌측에 배치된 제 1 축 방향 단부 섹션(110') 내로 이어진다.

도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 컴포넌트(122, 130, 140)는 길이 방향(x)을 따라 배치되며, 상기 길이 방향(x)은 제 1 표면(110a) 위로 흐르는 유체 흐름(A1)(도 1)의 흐름 방향에 상응한다. 여기서, 센서 전극(140)은 예를 들어 입자 센서(100a)의 제 1 축 방향 단부 섹션(110') 맞은 편에 놓인 제 2 축 방향 단부 섹션(110")의 영역에 배치된다.

바람직한 실시 예에서, 센서 전극(140)의, 도 4a에서 수직으로 측정된 폭(b2)은 본체(110)의 전체 폭(b1)보다 훨씬 더 작지 않기 때문에, 입자 센서(100A)의 특히 높은 감도 및 측정 정확도가 달성된다. 특히 바람직한 실시 예에서, 두 폭의 몫 Q, Q = b2/b1은 약 60% 내지 약 100% 범위의 값, 특히 약 75% 내지 약 98% 범위의 값을 갖는다.

특히 바람직하게는, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 따른 구성(100a)은 특히 수트 입자용 평면의 세라믹 기반 입자 센서를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 입자 센서(100a)는 카운터 전극으로서 접지 전극(124a) 및 고전압 니들 전극(122)을 포함하고, 이들 사이에서 코로나 방전이 고전압에 의해 점화되어, 제 1 표면(110a) 위로, 특히 전극들(122 및 124a) 사이로 흐르는 유체 흐름 또는 공기/입자 흐름이 충전되거나 이온화된다. 트랩 전극(130)은 이어서 유체 흐름으로부터 이온 및 다른 더 가벼운 하전 입자, 특히 유체 흐름에 포함된 수트 입자와 같은 입자에 부착되지 않은 하전 입자를 트랩한다. 수트 입자에 대한 전하 측정은 이 실시 예에서 센서 전극(140)에 대한 전하 영향에 의해 수행된다.

전술한 바와 같이, 입자 센서(100a)의 본체(110)는 바람직하게는 세라믹 캐리어 기판으로 이루어질 수 있다. 캐리어 기판은 예를 들어 산화지르코늄 또는 산화 알루미늄을 포함할 수 있고, 바람직하게는 모두 함께 제 1 표면(110a) 상에 배치된 입자 센서(100a)의 다양한 컴포넌트용 캐리어로서의 역할을 하기 때문에, 특히 효율적이고 저렴한 제조가 이루어진다. 예를 들어, 도체 트랙 또는 도체 구조(121, 131, 141, 1241')는 공지된 제조 기술에 의해, 예를 들어 스크린 인쇄 방법, 특히 백금 스크린 인쇄 방법을 사용하여, 제 1 표면(110a) 상에 효율적으로 제공될 수 있다. 이로 인해, 특히 온도 안정적인 그리고 신뢰성 있는 구조가 형성될 수 있다. 전극들(122, 130, 140), 및 제 1 표면(110a) 상에 배치된 카운터 전극(124)(도 1 참조)은 마찬가지로 전술한 스크린 인쇄 방법, 특히 백금 스크린 인쇄 방법을 사용해서 바람직하게 제조될 수 있다.

특히 바람직한 실시 예에서, 예를 들어 백금 또는 텅스텐 또는 상기 금속들 중 적어도 하나를 함유하는 재료로 형성된, 고전압 전극(122)의 니들 전극은 예를 들어 스크린 인쇄 백금 페이스트에 의해 소결함으로써 기판 또는 본체(110a) 상에 기계적으로 고정되고 동시에 이것에 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다.

대안으로서, 컴포넌트(122) 및 그 니들 전극에 대한 다른 연결 방법도 가능하다. 동일한 것이 다른 전극 또는 도체 트랙에도 적용된다.

본 발명에 따른 제조 방법의 바람직한 실시 예에서, 제 1 단계(200)에서(도 8 참조) 예를 들어 세라믹 캐리어 기판 형태의 본체(110)(도 1)가 제공된다. 제 2 단계(210)에서(도 8 참조), 입자 충전 장치(120) 및 트랩 전극(130)이 본체(110)의 제 1 표면(110a) 상에 배치된다. 이는 예를 들어 상기 스크린 인쇄 방법들 중 하나에 의해, 특히 백금 스크린 인쇄에 의해 수행될 수 있다. 특히 바람직하게는, 동일한 작업 단계에서, 다수의 컴포넌트(120, 130) 또는 제 1 표면(110a) 상에 배치된 그 전극들(122, 130), 및 경우에 따라 상응하는 리드들(121, 131, 1241')이 제 1 표면(110a) 상에 제공될 수 있고, 이는 입자 센서의 특히 효율적이고 저렴한 제조를 가능하게 한다.

선택적인 센서 전극(140)이 제공된다면, 센서 전극(140) 및 그 리드(141)는 상기 작업 단계(210)에서 제 1 표면(110a)에 제공될 수 있다.

카운터 전극(124)(도 1)이 제 1 표면(110a)에, 특히 전체 면에 제공되어야 하면, 이것도 도 8에 따른 단계(210)에서 수행될 수 있다. 제 1 표면(110a)으로부터 적어도 부분적으로 돌출되는 카운터 전극(124a)(도 4b 참조)은 단계(210)에서 제 1 표면(110a)에 제공될 수 있거나 제 1 표면(110a)에 부착될 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 카운터 전극(124a)은 예를 들어 시트 또는 평평하게 형성된 그 밖의 전기 전도성 재료 또는 전기 전도성 표면을 갖는 재료로 제조될 수 있다. 특히 바람직하게는, 카운터 전극(124a)은 예를 들어 백금 페이스트 및 후속 소결 과정에 의해 접지 리드(1141')의 미리 정해질 수 있는 길이 범위에 기계적으로 고정되고 이것에 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 카운터 전극(124a)의 적절한 성형에 의해, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 구성이 달성될 수 있고, 이 구성에서 카운터 전극(124a)은 제 1 표면(110a)으로부터 적어도 부분적으로 돌출되고 고전압 전극(122) 맞은편에 놓인다. 상기 영역(124")에서 카운터 전극(124a)의 선택적인 텅 형태 연장부(도 4a 참조)는 바람직하게는 트랩 전극(130)용 카운터 전극을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이로 인해, 전극들(124, 130) 사이에서 전기장이 제공될 수 있고, 상기 전기장은 입자 센서(100)의 표면(110a) 위의 유체 흐름의 이온을 편향시키거나 필터링한다. 이에 반해, 수트 입자와 같은 더 무거운 하전 입자는 그 질량으로 인해 너무 느리고 유체 흐름에서 센서 전극(140)를 향해 더 날아가며, 거기서 그 전하가 전하 영향에 의해 측정되고, 입자 농도, 특히 수트 입자 농도에 대한 척도로서 사용될 수 있다.

카운터 전극(124)의 영역(124")에서 텅 형태 연장부에 대한 대안으로서, 입자 센서(100a)를 둘러싸는 보호 튜브(예를 들어, 도 2에 따른 내부 튜브(R1) 참조)가 전기 전도성으로 형성되고, 기준 전위가 상기 보호 튜브에 제공됨으로써, 상기 튜브(R1)는 트랩 전극(130) 및/또는 고전압 전극(122)에 대한 카운터 전극을 형성한다.

또 다른 바람직한 실시 예에서, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 입자 센서(100a)의 구성은 센서 전극(140) 및 그 리드(141)가 생략되도록 변형될 수 있다. 이 변형 예에서, 입자 농도 또는 수트 입자 농도의 측정은 "탈출 전류(escaping current)" 방법에 의해 이루어질 수 있다. 이를 위해, 전술한 바와 같이, 전체 장치(100a)는 결함 전류를 나타내는 "탈출 전류"를 측정할 수 있도록 전기 절연된다.

도 5는 추가 실시 예에 따른, 특히 제 1 표면(110a)(도 1) 맞은편에 놓인 제 2 표면(110b) 상의 입자 센서(100b)의 평면도를 개략적으로 도시한다. 상기 제 2 표면(110b)은 예를 들어 입자 센서(100b)의 "하부 면"이다. 상기 제 2 표면(110b) 상에 전기 가열 장치(160)가 제공되고, 상기 전기 가열 장치(160)는 바람직하게는 구불 구불한 가열 도체 트랙(162) 및 상응하는 전기 접속부(164)를 포함한다. 구조(162, 164)는 바람직하게는 스크린 인쇄, 특히 백금 스크린 인쇄에 의해 제조될 수 있다. 전기 가열 장치(160)는 예를 들면 입자 침착, 특히 수트 침작을 줄이거나 막기 위해 입자 센서(100b)의 온도를 상승시키기 위해 사용될 수 있다. 그렇지 않으면 이러한 침착물은 비전기 전도성 기판(110), 특히 그 제 1 표면(110a) 상의 전극들 사이의 전기 저항 또는 연면 거리를 감소키고 결국 전기 단락을 일으킬 것이다. 다른 실시 예에서, 가열 장치는 입자 센서(100, 100a, 100b)의 온도를 미리 정해질 수 있는 설정 온도, 특히 약 650 ℃ 내지 약 700 ℃ 범위의 온도이상으로 적어도 일시적으로 상승시켜, 침작물, 특히 수트 침착물을 의도적으로 연소시키도록 설계될 수 있다.

본 발명에 따른 입자 센서의 다른 실시 예(100c)가 도 6a 및 도 6b를 참조하여 아래에 설명된다. 도 6a는 평면도를 개략적으로 도시하고, 도 6b는 길이 방향으로(축(x)을 따라, 도 6a 참조) 본 단면도를 개략적으로 도시한다.

입자 센서(100c)는 센서 전극(도면 부호 140, 도 4a 참조)을 포함하지 않고, 수트 입자와 같은 하전 입자의 농도 측정은 여기서 전술한 "탈출 전류" 원리를 사용하여 수행된다. 완전한 시스템(100c)은 외부에 대해 절연되므로, 카운터 전극 또는 접지 전극(124b)은 가상 접지 전극이 되고, 수트 입자가 그 충전의 형태로 그 밖의 폐쇄 시스템(100c)으로부터 빼낸 전류가 측정된다. 이 전류는 예를 들어 고전압 전극(122)의 니들로부터 코로나 방전의 영역을 통해 접지 전극(124b) 내로 흐르고, 트랩 전극(130)은 나머지 이온을 트랩한다. 하전 입자, 특히 하전 수트 입자에 의해 발생된 전류는 전위를 일정하게 유지하기 위해 접지 전극(124b)에 다시 추가되어야 한다. 이 전류는 "탈출 전류"라고도 하며 하전 입자의 농도에 대한 척도이다.

도 4b에 따른 실시 예와는 달리, 도 6b에는 입자 센서(100c)가 두 가장자리 영역(1241a, 1241b)에서 본체(110)의 표면(110a)에 기계적으로 연결된 카운터 전극 또는 접지 전극(124b)을 포함하는 것이 나타난다. 적어도 영역(1241b)과 접지 라인(1241) 사이에 전기 전도성 연결이 제공된다. 접지 전극(124b)의 중간 영역(1242)은 도 6b에 도시된 바와 같이 본체(110)의 표면(110a)으로부터 돌출되어, 고전압 전극(122)과 상기 영역(1242)의 내부 면 사이의 챔버 영역이 규정된다. 상기 챔버 영역은 코로나 방전을 포함할 수 있고, 상기 챔버 영역 내에서 입자, 특히 수트 입자의 상기 충전이 수행될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 입자 센서의 다른 실시 예(100d)의 평면도를 도시한다. 도 6a에 따른 실시 예의 경우에서와 같이, 본 경우에 접지 전극(124c)은 본체(110)의 제 1 표면(110a) 상에 (고전압 전극(122)과 관련해서) 양측에서 배치되고 이것에 연결된다. 제 1 측면에서, 접지 리드(1241)와의 기계적 및 전기 전도 방식 연결이 수행되고, 제 2 측면에서, 도 7에서 고전압 전극(122) 상부에서, 접지 전극(124c)의 관련 영역과 표면(110a) 상에 배치된 도체 섹션의 적어도 하나의 기계적 및 경우에 따라 전기 전도 방식 연결이 수행된다.

전술한 실시 예들(100, 100a, 100b, 100c, 100d)에서, 리드들 또는 도체 트랙들 및 전극들은 바람직하게는 스크린 인쇄, 특히 백금 스크린 인쇄에 의해 본체(110) 또는 그 제 1 표면(110a) 상에 제조될 수 있다.

도 6a 및 도 6b에 따른 구성과는 달리, 도 7에 따른 입자 센서(100d)에는 텅 형태의 축 방향 단부 영역(124")이 제공되며, 상기 축 방향 단부 영역(124")은 트랩 전극(130)을 넘어 돌출되는 반면, 접지 전극(124b)의 고정 영역은 축 방향(x)으로 트랩 전극(130)까지 또는 트랩 전극(130)을 따라 연장되지 않는다. 따라서, 축 방향 단부 영역(124")은 트랩 전극(130)을 넘어 자유롭게 돌출된다. 이로 인해, 전극들(124c, 130)사이의 전기 절연이 개선된다.

앞에서 예시적로서 설명된 실시 예들 또는 그 특징들은 다른 바람직한 실시 예들에서 전술한 조합들과는 다른 조합으로도 사용될 수 있다.

특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 입자 센서(100, 100a, 100b, 100c, 100d)는 바람직하게는 본체(110)를 형성하는 평면 세라믹 기판을 포함하고, 그 표면(110a) 상에, 예를 들어 전극들 및 상응하는 전기 리드들 또는 도체 트랙들과 같은 입자 센서의 다양한 컴포넌트들이 배치되어, 특히 간단한 제조가 가능하다. 본 발명에 따른 입자 센서는 보호 튜브 또는 보호 튜브 장치(R1, R2)(도 2 참조) 내에 특히 간단히 배치될 수 있고, 따라서 균일한 유체 흐름(A1, P1)에 노출되어 입자, 특히 수트 입자의 농도를 정확하게 측정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 센서 전극(140)(도 4a) 또는 다수의 센서 전극(도시되지 않음)을 갖는 변형이 가능하고, 바람직하게는 "탈출 전류" 측정 원리가 하전 입자의 농도를 결정하는데 사용되는, 센서 전극을 갖지 않는 변형(도 6a, 도 7)도 가능하다. 입자 센서의 평면 구조는 또한 비용 효율적인 제조 및 저장을 가능하게 하며, 상응하는 목표 시스템(Z)(도 2)에 대한 소형 구성을 가능하게한다. 일부 실시 예에서, 예를 들어 접지 전극(124, 124a, 124b, 124c)과 같은 평면의 및/또는 제 1 표면(110a)으로부터 돌출된 요소들과 함께 스크린 인쇄 전극, 특히 백금 스크린 인쇄 전극을 사용하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명에 따른 입자 센서는 자동차 분야에서 수트 입자 센서로서, 특히 승용차 (PKW), 트럭(NKW)과 같은 자동차의 미립자 필터를 모니터링하기 위한 OBD(on board diagnosis) 센서로서 특히 바람직하게 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 입자 센서는 또한 일반적으로 유체 흐름 내의 입자의 농도를 측정하기 위해, 특히 먼지 입자 또는 미세 먼지 입자의 농도를 측정하기 위해 사용될 수 있으므로, 특히 환경 측정 기술에서도 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 입자 센서는 바람직하게는 예를 들어 입방 미터당 밀리그램(mg/㎥)으로 표시되는 질량 농도의 측정뿐만 아니라, 예를 들어 입방 미터당 입자로 측정된 개수 농도의 측정을 허용한다. 특히 바람직하게는 입자 센서는 내연 기관, 즉 자체 점화 내연 기관 및 스파크 점화 내연 기관에서 입자 필터를 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 입자 센서는 환경 측정 기술 및 그 밖의 분야에서, 특히 실내 공기 질, 소각로의 배출(민간, 산업) 등을 결정하기 위한 입자 농도의 측정을 가능하게 한다.

본 발명에 따라 사용되는 측정 원리는 유체 흐름(A1)(도 1)에서의 코로나 방전에 의한 입자, 특히 수트 입자의 충전 및 후속하는, 입자 또는 수트 입자의 전하의 측정 또는 그로부터 발생하는 상응하는 전류의 측정에 기초한다. 상기 측정은 예를 들어 센서 전극(140)(도 1)에 대한 전하 영향에 의해 또는 "탈출 전류" 원리에 따라 수행된다. 본 발명에 따라 사용되는 측정 원리는 매우 높은 감도를 가지므로, 입자의 최소 농도도 측정될 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 사용된 측정 원리는 바람직하게는 비교적 높은 업데이트 속도(update-rate), 즉 초당 비교적 많은 측정을 허용한다. 이는 입자 센서가 배치된 배기 가스 흐름을 갖는 내연 기관의 작동 변수와 같은 다른 작동 변수와 여기에서 얻어진 측정 신호의 상관 관계를 허용한다. 그 결과, 바람직하게는 데이터 평가가 개선되고 따라서 센서 정확도가 더욱 향상된다.

100; 100a; 100b; 100c; 100d: 입자 센서
110: 본체
120: 입자 충전 장치
122: 고전압 전극
123: 코로나 방전
124; 124a; 124b; 124c: 카운터 전극
130: 트랩 전극
140: 센서 전극

Claims (10)

1. 본체(110), 상기 본체(110)의 제 1 표면(110a) 위로 흐르는 유체 흐름(A1) 내의 입자를 충전하기 위한 입자 충전 장치(120), 및 상기 유체 흐름(A1)의 하전 입자를 편향시키기 위한 트랩 전극(130)을 포함하는 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d)로서, 상기 입자 충전 장치(120) 및 상기 트랩 전극(130)은 상기 본체(110)의 상기 제 1 표면(110a) 상에 배치되는, 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d).
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 표면(110a)은 상기 본체(110)의 외부 표면인, 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 입자 충전 장치(120)는 코로나 방전(123)을 생성하기 위한 고전압 전극(122)을 포함하는, 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d).
4. 제 3 항에 있어서, 상기 입자 충전 장치(120)는 상기 고전압 전극(122)에 대한 카운터 전극(124; 124a; 124b; 124c)을 포함하는, 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d).
5. 제 4 항에 있어서, 상기 카운터 전극(124; 124a; 124b)도 상기 제 1 표면(110a) 상에 배치되는, 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d).
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 고전압 전극(122)에 대한 카운터 전극(124a; 124b; 124c)은 동시에 상기 트랩 전극(130)에 대한 카운터 전극을 형성하는, 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d).
7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카운터 전극(124a; 124b; 124c)은 적어도 상기 제 1 표면(110a) 상의 상기 카운터 전극의 제 1 영역(1241) 내에 배치되고, 상기 제 1 영역(1241)과는 상이한, 상기 카운터 전극(124a; 124b; 124c)의 제 2 영역(1242)은 상기 제 1 표면(110a)로부터 돌출되는, 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d).
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 센서 전극(140)은 상기 입자 충전 장치(120)에 의해 충전되었던, 상기 유체 흐름(A1)의 입자에 의해 야기된 충전 전류에 대한 정보를 검출하기 위해 제공되고, 상기 적어도 하나의 센서 전극(140)도 상기 제 1 표면(110a) 상에 배치되는, 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d).
9. 서로 동심으로 배치된 2개의 튜브(R1, R2)로 이루어진 보호 튜브 장치 및 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d)를 포함하는 센서 장치(1000)로서, 상기 적어도 하나의 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d)는 제 1 표면(110a)이 내부 튜브(R1)의 길이 방향 축(LA)에 대해 실질적으로 평행하게 배향되도록, 상기 2개의 튜브(R1, R2) 중 내부 튜브(R1) 내에 배치되는, 센서 장치(1000).
10. 본체(110), 상기 본체(110)의 제 1 표면(110a) 위로 흐르는 유체 흐름(A1) 내의 입자를 충전하기 위한 입자 충전 장치(120), 및 상기 유체 흐름(A1)의 하전 입자를 편향시키기 위한 트랩 전극(130)을 포함하는 입자 센서(100; 100a; 100b; 100c; 100d)의 제조 방법으로서,
    상기 본체(110)를 제공하는 단계(200), 및 상기 입자 충전 장치(120) 및 상기 트랩 전극(130)을 상기 본체(110)의 상기 제 1 표면(110a) 상에 배치하는 단계(210)를 포함하는, 제조 방법.

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