KR20210146927A - a gas sensor for detecting at least one characteristic of a gas - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한, 특히 측정 가스, 특히 내연 기관의 배기 가스에서 입자, 특히 그을음(soot) 입자를 검출하기 위한 가스 센서(10)에 관한 것이다. 센서(10)는 센서 요소(12)를 포함하며, 상기 센서 요소(12)는 적어도 기판(14), 전기 절연 요소(24), 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)을 포함한다. 제 1 전극(16)은 제 1 공급 라인(20)에 연결되며, 제 2 전극(18)은 제 2 공급 라인(22)에 연결되고, 제 1 전극(16), 제 2 전극(18), 제 1 공급 라인(20) 및 제 2 공급 라인(22)은 기판(14) 상에 배치되며, 전기 절연 요소(24)도 기판(14) 상에 배치되고, 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)은 전류 및/또는 전압 측정을 수행하도록 설계되며, 센서 요소(12)는 센서 요소(12)의 길이 방향(27)에서 볼 때 제 1 공급 라인(20) 및/또는 제 2 공급 라인(20)의 영역에 적어도 하나의 채널(28)을 갖고, 상기 채널(28)은 전기 절연 요소(24)에 적어도 부분적으로 형성된다.The invention relates to a gas sensor (10) for detecting at least one characteristic of a gas, in particular for detecting particles, in particular soot particles, in a measuring gas, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine. The sensor 10 comprises a sensor element 12 , said sensor element 12 comprising at least a substrate 14 , an electrically insulating element 24 , a first electrode 16 and a second electrode 18 . . The first electrode 16 is connected to the first supply line 20 , the second electrode 18 is connected to the second supply line 22 , the first electrode 16 , the second electrode 18 , The first supply line 20 and the second supply line 22 are arranged on the substrate 14 , the electrically insulating element 24 is also arranged on the substrate 14 , the first electrode 16 and the second The electrode 18 is designed to carry out current and/or voltage measurements, the sensor element 12 being the first supply line 20 and/or the second supply when viewed in the longitudinal direction 27 of the sensor element 12 . at least one channel 28 in the region of the line 20 , said channel 28 being formed at least partially in the electrically insulating element 24 .
Description
본 발명은 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한 가스 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor for detecting at least one characteristic of a gas.
측정 가스 공간에서 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한 다수의 센서 및 방법이 선행 기술로부터 알려져 있다. 상기 특성은 원칙적으로 측정 가스의 모든 물리적 및/또는 화학적 특성일 수 있으며, 하나 이상의 특성이 검출될 수 있다. 이러한 센서들은 예를 들어 측정 가스 중 산소 비율의 검출과 같은 측정 가스의 가스 성분 비율의 정성적 및/또는 정량적 검출을 가능하게 한다. 산소 비율은 예를 들어 부분 압력의 형태 및/또는 백분율의 형태로 검출될 수 있다. 그러나 대안으로서 또는 추가로, 예를 들어 온도와 같은 측정 가스의 다른 특성도 검출될 수 있다.A number of sensors and methods are known from the prior art for detecting at least one characteristic of a measuring gas in a measuring gas space. Said properties may in principle be all physical and/or chemical properties of the gas to be measured, and one or more properties may be detected. Such sensors enable qualitative and/or quantitative detection of the gas component ratio of the measurement gas, for example detection of the oxygen ratio in the measurement gas. The oxygen ratio can be detected, for example, in the form of partial pressures and/or in the form of percentages. However, alternatively or additionally, other properties of the measuring gas, for example temperature, can also be detected.
예를 들어, 이러한 센서 요소는 예를 들어 Konrad Reif(Ed.): Sensoren im Kraftfahrzeug(차량 센서), 1st Edition 2010, pp. 160-165에서 알려진 바와 같이 소위 람다 프로브로서 설계될 수 있다. 광대역 람다 프로브, 특히 평면 광대역 람다 프로브를 사용하면, 예를 들어 넓은 범위에 걸쳐 배기 가스 중 산소 농도가 결정되고, 그에 따라 연소실 내의 공연비가 추론될 수 있다. 공기 비율 I는 이 공연비를 나타낸다.For example, such sensor elements are described, for example, in Konrad Reif (Ed.): Sensoren im Kraftfahrzeug (Vehicle Sensors), 1st Edition 2010, pp. 160-165 can be designed as so-called lambda probes. With broadband lambda probes, in particular planar broadband lambda probes, for example, the oxygen concentration in the exhaust gas over a wide range can be determined and the air-fuel ratio in the combustion chamber can be deduced accordingly. The air ratio I represents this air-fuel ratio.
예를 들어 그을음 또는 먼지 입자와 같은 입자의 검출을 위한 수많은 방법 및 장치가 선행 기술로부터 알려져 있다.Numerous methods and devices are known from the prior art for the detection of particles, for example soot or dust particles.
본 발명은 이하에서 특히 내연 기관의 배기 가스 흐름에서 입자, 특히 그을음 입자를 검출하기 위한 센서와 관련해서 설명되지만, 다른 실시 형태들 및 응용들이 제한되지는 않는다. 설명된 발명이 예를 들어 람다 프로브와 같은 다른 유형의 센서에도 적용될 수 있다는 것이 명백히 강조된다.The invention is described hereinafter in particular in relation to a sensor for detecting particles, in particular soot particles, in an exhaust gas stream of an internal combustion engine, but other embodiments and applications are not limited thereto. It is expressly emphasized that the described invention can also be applied to other types of sensors, such as, for example, lambda probes.
세라믹 상에 배치된 2개의 전극에 의해, 배기 가스 내의 그을음 또는 먼지 입자와 같은 입자의 농도를 측정하는 것은 실제로 알려져 있다. 이는 예를 들어 두 전극을 분리하는 재료의 전기 저항을 측정함으로써 수행될 수 있다. 더 정확하게는, 전압이 전극들에 인가될 때 전극들 사이에 흐르는 전류가 측정된다. 그을음 입자들은 정전기력으로 인해 전극들 사이에 침착되고, 시간이 지남에 따라 전극들 사이에 전기 전도성 브리지를 형성한다. 이러한 브리지가 많을수록 측정되는 전류가 더 많이 증가한다. 따라서 전극의 단락이 증가한다. 센서 요소는 통합된 가열 요소에 의해 적어도 700°C로 가열되어 그을음 침전물을 태워 주기적으로 재생된다.It is known in practice to measure the concentration of particles, such as soot or dust particles, in exhaust gases by means of two electrodes arranged on a ceramic. This can be done, for example, by measuring the electrical resistance of the material separating the two electrodes. More precisely, when a voltage is applied to the electrodes, the current flowing between the electrodes is measured. Soot particles are deposited between the electrodes due to electrostatic forces, and over time form electrically conductive bridges between the electrodes. The more such bridges, the more the measured current increases. Therefore, the short circuit of the electrode increases. The sensor element is heated to at least 700 °C by means of an integrated heating element and is periodically regenerated to burn out soot deposits.
이러한 센서들은 예를 들어 디젤 유형의 내연 기관과 같은 내연 기관의 배기 시스템에 사용된다. 이러한 센서들은 일반적으로 배출 밸브 또는 그을음 입자 필터의 하류에 있다.Such sensors are used, for example, in exhaust systems of internal combustion engines, such as diesel-type internal combustion engines. These sensors are usually downstream of a drain valve or soot particle filter.
선행 기술로부터 알려진 입자 검출 장치들의 수많은 장점에도 불구하고, 이 장치들은 여전히 개선의 여지가 있다. 전극에 대한 공급 라인의 양측에 다공성 층을 제공하면, 저장된 수분을 몰아내는 성능이 향상되고 가열 중에 저장된 수분의 증발로 인해 센서 요소 내부의 압력 상승이 크게 감소하지만, 공급 라인들, 및 예를 들어 상기 공급 라인들 사이의 절연 저항과 같은 센서 요소의 기타 전기 부품의 견고성이 감소하여 상기 부품들의 손상 또는 오동작이 나타날 수 있다.Despite the numerous advantages of particle detection devices known from the prior art, these devices still have room for improvement. Providing a porous layer on both sides of the supply line to the electrode improves the ability to drive away stored moisture and greatly reduces the pressure build-up inside the sensor element due to evaporation of the stored moisture during heating, but the supply lines, and for example The rigidity of other electrical components of the sensor element, such as the insulation resistance between the supply lines, may decrease, resulting in damage or malfunction of the components.
그러므로, 알려진 센서들의 단점들을 적어도 크게 방지하고 특히, 급격한 온도 구배 및 다공의 그을음과 관련하여 전기 부품의 견고성을 증가 또는 유지하면서 수분 유발 에러에 대한 센서 견고성을 향상시킨, 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한 가스 센서, 특히 입자, 특히 그을음 입자를 검출하기 위한 센서가 제안된다.Therefore, at least one property of the gas which at least greatly avoids the disadvantages of the known sensors and improves the sensor robustness against moisture induced errors while increasing or maintaining the robustness of the electrical component, in particular in relation to rapid temperature gradients and porous soot A gas sensor for detecting, in particular a sensor for detecting particles, in particular soot particles, is proposed.
가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한 본 발명에 따른 가스 센서, 특히 측정 가스, 특히 내연 기관의 배기 가스에서 입자, 특히 그을음 입자를 검출하기 위한 센서는 센서 요소를 포함한다. 센서 요소는 적어도 하나의 기판, 전기 절연 요소, 제 1 전극 및 제 2 전극을 갖는다. 제 1 전극은 제 1 공급 라인에 연결되며 제 2 전극은 제 2 공급 라인에 연결된다. 제 1 전극, 제 2 전극, 제 1 공급 라인 및 제 2 공급 라인은 기판에 배치된다. 전기 절연 요소는 기판에 배치된다. 제 1 전극 및 제 2 전극은 전류 및/또는 전압 측정을 수행하도록 설계된다. 센서 요소는 센서 요소의 길이 방향에서 볼 때 제 1 공급 라인 및/또는 제 2 공급 라인의 영역에 적어도 하나의 채널은 갖고, 상기 채널은 적어도 부분적으로 전기 절연 요소에 또는 그에 수직으로 형성된다.A gas sensor according to the invention for detecting at least one characteristic of a gas, in particular a sensor for detecting particles, in particular soot particles, in a measuring gas, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine, comprises a sensor element. The sensor element has at least one substrate, an electrically insulating element, a first electrode and a second electrode. The first electrode is connected to the first supply line and the second electrode is connected to the second supply line. The first electrode, the second electrode, the first supply line and the second supply line are disposed on the substrate. An electrically insulating element is disposed on the substrate. The first and second electrodes are designed to perform current and/or voltage measurements. The sensor element has at least one channel in the region of the first supply line and/or the second supply line when viewed in the longitudinal direction of the sensor element, said channel being at least partially formed in or perpendicular to the electrically insulating element.
다공성 절연층을 적어도 하나의 채널에 추가하면, 센서 요소의 전기적 기능에 영향을 주지 않는 수분 유입 및 배출 경로가 제공된다. 이는 치핑(chipping)과 관련하여 센서 요소의 견고성을 증가시킬 수 있다. 저장된 수분의 적용 채널을 막는 다공성 절연층 내의 다공들의 그을음의 경우, 상기 적용 채널은 건조를 위한 평행 경로를 제공한다. 이러한 채널들은 센서 요소의 구성에서 각각의 임계점에서만 적합한 치수로 도입될 수 있기 때문에 추가 수분을 위한 큰 저장 부피를 갖지 않는다. 또한 센서 요소의 층 구조에 큰 변화가 필요없다. 따라서 센서 요소의 기계적 안정성은 완전한 다공성 층이 도입된 경우보다 훨씬 덜 영향을 받는다. 동시에 전기적 특성은 변함없이 유지된다.The addition of a porous insulating layer to the at least one channel provides a moisture entry and exit path that does not affect the electrical function of the sensor element. This may increase the robustness of the sensor element with respect to chipping. In the case of soot of pores in the porous insulating layer blocking the application channel of the stored moisture, the application channel provides a parallel path for drying. These channels do not have large storage volumes for additional moisture since they can be introduced with suitable dimensions only at the respective critical points in the construction of the sensor element. In addition, there is no need for major changes in the layer structure of the sensor element. The mechanical stability of the sensor element is therefore much less affected than if a completely porous layer was introduced. At the same time, the electrical properties remain unchanged.
하나의 개선예에서, 기판은 세라믹 기판이고, 전기 절연 요소는 제 1 전극과 제 1 공급 라인 및/또는 제 2 전극과 제 2 공급 라인이 기판에 대해 전기적으로 절연되는 방식으로 기판 상에 배치된다. 이것은 전극들과 공급 라인들 서로간의 단락 및/또는 기판에 대한 단락을 방지한다. 예를 들어, 제 1 전극, 제 2 전극, 제 1 공급 라인 및 제 2 공급 라인은 전기 절연 요소에 적어도 부분적으로 매립된다. 예를 들어 전극들만이 주변 측정 가스에 접근할 수 있다.In one refinement, the substrate is a ceramic substrate and the electrically insulating element is arranged on the substrate in such a way that the first electrode and the first supply line and/or the second electrode and the second supply line are electrically insulated with respect to the substrate. . This prevents short circuits between the electrodes and the supply lines to each other and/or to the substrate. For example, the first electrode, the second electrode, the first supply line and the second supply line are at least partially embedded in the electrically insulating element. For example, only the electrodes have access to the ambient measurement gas.
하나의 개선예에서, 채널은 기판에서 개방된다. 이로 인해, 수분이 기판으로부터 멀리 이동될 수 있다.In one refinement, the channel is open in the substrate. This may cause moisture to migrate away from the substrate.
하나의 개선예에서, 전기 절연 요소는 다수의 층으로 구성되며, 채널은 상기 층들 중 적어도 하나에 형성된다. 이를 통해, 필요에 따라 채널이 층들 내에 의도대로 설계될 수 있다.In one refinement, the electrically insulating element consists of a plurality of layers, and a channel is formed in at least one of said layers. In this way, channels can be designed as intended in the layers as needed.
하나의 개선예에서, 층들은 그 다공성이 서로 다르다. 이를 통해, 필요에 따라 채널이 층들 내에 의도대로 설계될 수 있다. 예를 들어, 채널은 더 많은 수분을 그곳에 운반할 수 있도록 낮은 다공성을 갖는 층들에만 형성된다.In one refinement, the layers differ in their porosity. In this way, channels can be designed as intended in the layers as needed. For example, channels are formed only in layers with low porosity so that more moisture can be carried there.
하나의 개선예에서, 채널은 전기 절연 요소를 완전히 관통한다. 이를 통해, 운반될 수분의 양이 증가될 수 있다. 또한 이러한 방식으로 상이한 절연층들 간의 의도된 연결이 형성될 수 있다.In one refinement, the channel completely penetrates the electrically insulating element. In this way, the amount of moisture to be transported can be increased. In this way also intended connections between different insulating layers can be formed.
하나의 개선예에서, 센서 요소에는 기판에 배치된 테스트 핀이 있으며, 채널은 테스트 핀에서 개방된다. 따라서, 테스트 핀이 수분으로 인한 손상으로부터 확실하게 보호된다.In one refinement, the sensor element has a test pin disposed on a substrate, the channel being open at the test pin. Thus, the test pins are reliably protected from damage due to moisture.
하나의 개선예에서, 채널은 테스트 핀의 전방 단부에서 개방된다. 따라서 채널은 특히 임계적이거나 민감한 지점에 제공되어 테스트 핀 팁의 안정적인 보호가 제공된다.In one refinement, the channel is opened at the front end of the test pin. Thus, channels are provided especially at critical or sensitive points to provide reliable protection of the test pin tip.
하나의 개선예에서, 채널은 제 1 공급 라인 및/또는 제 2 공급 라인과 중첩된다. 따라서, 수분이 공급 라인들로부터 멀리 특히 잘 운반될 수 있다.In one refinement, the channel overlaps the first supply line and/or the second supply line. Accordingly, moisture can be transported particularly well away from the supply lines.
하나의 개선예에서, 채널은 원형, 타원형, 삼각형, 사각형, 다각형 단면 또는 둥근 모서리를 갖는 다각형 단면을 갖는다. 채널은 그 길이를 따라 일정하거나 가변적인 단면을 가질 수 있다.In one refinement, the channel has a circular, oval, triangular, rectangular, polygonal cross-section or a polygonal cross-section with rounded corners. A channel may have a constant or variable cross-section along its length.
하나의 개선예에서, 채널은 다공성 재료로 채워진다. 일종의 지지 구조를 제공하면 안정성이 높아진다.In one refinement, the channel is filled with a porous material. Providing some kind of support structure increases stability.
본 발명의 맥락에서 입자는 특히 예를 들어 그을음 또는 먼지 입자와 같은 전기 전도성 입자로 이해되어야 한다.Particles in the context of the present invention are to be understood in particular as electrically conductive particles, for example soot or dust particles.
본 발명의 맥락에서, 전극은 전류 및/또는 전압 측정에 적합한 부품으로 이해되어야 한다. 제 1 및 제 2 전극의 표시는 본 발명의 맥락에서 전극을 개념적으로 구별하기 위해 사용된 것일 뿐, 이 부품들의 특정 순서 또는 가중치를 나타내려는 것은 아니다.In the context of the present invention, an electrode is to be understood as a component suitable for measuring current and/or voltage. The designation of the first and second electrodes is only used to conceptually distinguish the electrodes in the context of the present invention and is not intended to indicate a specific order or weight of these parts.
본 발명의 맥락에서, 전극은 인터디지털 전극으로서 설계될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 인터디지털 전극은 서로 맞물리는 방식, 특히 빗 모양으로 서로 맞물리는 방식으로 배치된 전극을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.In the context of the present invention, the electrode can be designed as an interdigital electrode. In the context of the present invention, interdigital electrodes are to be understood as meaning electrodes arranged in an interdigitated manner, in particular in a comb-shaped interdigitated manner.
본 발명의 맥락에서, 전류 및/또는 전압 측정은 전류 및/또는 전압의 측정으로 이해되어야 한다. 측정은 두 전극들 또는 하나의 전극과 기준 전위 사이에서 이루어진다. 예를 들어, 전압 제어 또는 전압 조절 측정 및/또는 전류 제어 및/또는 전류 조절 측정이 수행될 수 있다. 전극들에 특정 전압을 인가하여 전극들 또는 전극과 기준 사이의 전류 흐름을 측정하거나 전극들에 일정한 전류를 인가하고 전극들 또는 전극과 기준 사이의 전압을 측정할 수 있다. 전류 및/또는 전압 측정은 특히 저항 측정일 수 있으며, 전극과 기판에 의해 형성되는 구조의 저항이 측정될 수 있다. 예를 들어, 전압 제어 또는 전압 조절 측정 및/또는 전류 제어 및/또는 전류 조절 측정이 수행될 수 있다. 전류 및/또는 전압의 인가는 연속 신호의 형태로 및/또는 펄스 신호의 형태로 발생될 수 있다. 예를 들어, 직류 전압 및/또는 직류가 인가되어 전류 응답 또는 전압 응답이 검출될 수 있다. 대안으로서, 펄스 전압 및/또는 펄스 전류 또는 교류가 인가될 수 있고 전류 응답 또는 전압 응답이 검출될 수 있다. 전극을 통해 흐르는 순간적인 전류 흐름 대신, 전극의 저항 또는 그 역수(= 전도도)가 측정 변수로서 사용될 수도 있다. 순간적인 전류 흐름으로부터 전하량을 적분하는 것도 바람직할 수 있다. 전극에 고전압을 인가하여 카운터 전극 또는 전기적 접지에서 방전 전류와 같은 전류를 측정하는 것도 가능하다.In the context of the present invention, a measurement of current and/or voltage is to be understood as a measurement of current and/or voltage. Measurements are made between two electrodes or one electrode and a reference potential. For example, voltage control or voltage regulation measurements and/or current control and/or current regulation measurements may be performed. A specific voltage may be applied to the electrodes to measure the current flow between the electrodes or the electrode and the reference, or a constant current may be applied to the electrodes to measure the voltage between the electrodes or the electrode and the reference. The current and/or voltage measurement may in particular be a resistance measurement, and the resistance of a structure formed by the electrode and the substrate may be measured. For example, voltage control or voltage regulation measurements and/or current control and/or current regulation measurements may be performed. The application of current and/or voltage may take place in the form of a continuous signal and/or in the form of a pulsed signal. For example, a direct current voltage and/or direct current may be applied to detect a current response or a voltage response. Alternatively, a pulsed voltage and/or a pulsed current or alternating current may be applied and the current response or voltage response detected. Instead of the instantaneous current flowing through the electrode, the resistance of the electrode or its reciprocal (= conductivity) may be used as the measurement variable. It may also be desirable to integrate the amount of charge from the instantaneous current flow. It is also possible to measure a current such as a discharge current at a counter electrode or electrical ground by applying a high voltage to the electrode.
본 발명의 맥락에서, 기판은 적어도 하나의 평평한 표면을 갖고 세라믹 재료, 금속성 재료, 반도체 재료 또는 이들의 조합으로 제조된 플레이트형, 입방체형, 직육면체형 또는 기타의 기하학적 디자인을 갖는 대상을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.In the context of the present invention, a substrate is intended to mean an object having at least one flat surface and having a plate-like, cuboidal, cuboidal or other geometric design made of a ceramic material, a metallic material, a semiconductor material or a combination thereof. should be understood
"제 1 및 제 2 공급 라인의 영역에"라는 표현은 본 발명의 맥락에서 일반적으로 공급 라인들이 연장되는 센서 요소의 길이 방향에 수직인 방향으로 볼 때 공급 라인들과 중첩되는 영역을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.The expression "in the region of the first and second supply lines" in the context of the present invention generally means the area where the supply lines overlap when viewed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element in which they extend. should be understood
본 발명의 맥락에서, 테스트 핀은 전기 진단 목적으로 제공되는 전기 도체 트랙으로 이해되어야 한다.In the context of the present invention, a test pin is to be understood as an electrical conductor track provided for electrical diagnostic purposes.
본 발명의 추가 선택적인 세부사항 및 특징은 도면에 개략적으로 도시된 바람직한 실시예의 다음 설명으로부터 나타난다.Further optional details and features of the invention emerge from the following description of a preferred embodiment schematically illustrated in the drawings.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서의 평면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 제 1 실시 형태의 가능한 실시예들의 도 1의 A-A선에 따른 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서의 평면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 제 2 실시 형태의 가능한 실시예들의 도 3의 A-A선에 따른 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서의 평면도이다.
도 6은 도 5의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서의 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 제 4 실시 형태의 가능한 실시예들의 도 7의 A-A선에 따른 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 제 5 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제 6 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제 7 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서의 평면도이다.
도 12는 본 발명의 제 8 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서의 평면도이다.
도 13은 도 12의 A-A선에 따른 단면도이다.1 is a plan view of a sensor for detecting particles according to a first embodiment of the present invention.
Figures 2a to 2c are cross-sectional views taken along line AA of Figure 1 of possible embodiments of the first embodiment;
3 is a plan view of a sensor for detecting particles according to a second embodiment of the present invention.
4A to 4C are cross-sectional views taken along line AA of FIG. 3 of possible embodiments of the second embodiment.
5 is a plan view of a sensor for detecting particles according to a third embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 5 .
7 is a plan view of a sensor for detecting particles according to a fourth embodiment of the present invention.
8A and 8B are cross-sectional views taken along line AA of FIG. 7 of possible embodiments of the fourth embodiment.
9 is a cross-sectional view of a particle detection sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
10 is a cross-sectional view of a sensor for detecting particles according to a sixth embodiment of the present invention.
11 is a plan view of a particle detection sensor according to a seventh embodiment of the present invention.
12 is a plan view of a particle detection sensor according to an eighth embodiment of the present invention.
13 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 12 .
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 측정 가스의 입자 검출용 센서(10)의 평면도이다. 센서(10)는 특히 내연 기관의 가스 흐름, 예를 들어 배기 가스 흐름에서 그을음(soot) 입자를 검출하도록 그리고 자동차의 배기 시스템에 설치하도록 설계된다. 예를 들어, 센서(10)는 그을음 센서로서 설계되고 디젤 내연 기관을 갖는 자동차의 그을음 입자 필터의 하류 또는 상류에 배치될 수 있다. 도시된 실시예에서, 측정 가스는 내연 기관의 배기 가스이다. 도시된 실시예에서, 센서(10)는 저항성 입자 센서로서 설계된다.1 is a plan view of a
센서(10)는 센서 요소(12)를 포함한다. 센서 요소(12)는 기판(14)을 포함한다. 기판(14)은 전기 절연 요소일 수 있다. 기판(14)은 예를 들어 실리콘 웨이퍼이다. 대안으로서, 기판(14)은 예를 들어 고체 전해질, 예를 들어 도핑된 ZrO2 또는 절연체, 예를 들어 Al2O3와 같은 세라믹 재료로 제조된다. 기판(14)은 실질적으로 직육면체 형태이다. 센서 요소(10)는 제 1 전극(16), 제 2 전극(18), 제 1 공급 라인(20) 및 제 2 공급 라인(22)을 더 포함한다. 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)은 인터디지털 전극으로서 설계된다. 제 1 전극(16)은 제 1 공급 라인(20)에 연결된다. 제 2 전극(18)은 제 2 공급 라인(22)에 연결된다. 제 1 공급 라인(20)과 제 2 공급 라인(22)은 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)의 전기적 콘택팅을 위해 설계된 연결 접점을 형성한다. 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)은 전류 및/또는 전압 측정을 수행하도록 설계된다.The
센서 요소(12)는 또한 전기 절연 요소(24)를 갖는다. 제 1 전극(16), 제 2 전극(18), 제 1 공급 라인(20) 및 제 2 공급 라인(22)는 전기 절연 요소(24)에 배치된다. 전기 절연 요소(24)는 기판(14)에, 예를 들어 기판(14)의 상부면(26)에 배치된다. 또한, 센서 요소(12)는 센서 요소(12)의 길이 방향(27)에서 볼 때 제 1 공급 라인(20) 및 제 2 공급 라인(22)의 영역에 적어도 하나의 채널(28)을 갖고, 상기 채널(28)은 전기 절연 요소(24)에 적어도 부분적으로 형성된다. 채널(28)은 제 1 공급 라인(20)과 제 2 공급 라인(22) 사이의 중간에 위치된다. 제 1 실시 형태에서, 채널(28)은 원형 단면을 갖는다. 센서 요소(12)는 또한 기판(14)에 배치된 테스트 핀(30)을 갖는다.The
도 2a 내지 도 2c는 제 1 실시 형태의 가능한 실시예들의 도 1의 A-A선에 따른 단면도이다. 도 2a의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 전기 절연 요소(24)는 제 1 전극(16), 제 2 전극(18), 제 1 공급 라인(20) 및 제 2 공급 라인(22)이 기판(14)에 대해 전기적으로 절연되는 방식으로 기판(14) 또는 그 상부면(26)에 배치된다. 제 1 공급 라인(20) 및 제 2 공급 라인(22)은 전기 절연 요소(24)에 의해 샌드위치 형태로 둘러싸이는 반면, 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)은 기판(14)을 향한 측면에서만 전기 절연 요소(24)에 의해 덮이므로, 기판으로부터 먼, 전극(16, 18)의 측면이 노출되어 측정 가스와 접촉할 수 있다. 전기 절연 요소(24)는 다수의 층(34, 36)으로 구성된다. 채널(28)은 층들(34, 36) 중 적어도 하나에 형성된다. 층들(34, 36)은 그 다공성이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 낮은 다공성을 갖는 층(34) 및 높은 다공성을 갖는 층(36)이 제공된다. 도시된 실시예에서, 기판(14)을 향한, 전극들(16, 28) 및 공급 라인들(20, 22)의 측면들은 낮은 다공성을 갖는 층(34)에 배치된다.Figures 2a to 2c are cross-sectional views taken along line A-A in Figure 1 of possible embodiments of the first embodiment; As can be seen in the embodiment of FIG. 2A , the electrically insulating
도 2a의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 채널(28)은 전기 절연 요소(24)를 완전히 관통한다. 채널(28)은 기판(14)에서 개방된다. 더 정확하게는, 채널(28)은 테스트 핀(30)에서 개방된다. 보다 더 정확하게는, 채널(28)은 테스트 핀(30)의 전방 단부(32)에서 개방된다. 채널(28)은 기판(14)의 상부면(26)에 수직인 방향에서 연장된다. 제 1 실시 형태에서, 채널(28)은 원형 단면을 갖는다. 채널(28)의 단면은 채널(28)의 길이를 따라 일정하다. 채널(28)은 센서 요소(12)의 제조 동안 다공 형성제와 혼합된 절연 페이스트를 사용하여 평평한 다공성 절연층과 유사하게 구현될 수 있다. 인쇄는 예를 들어 해당 리세스가 유지되는 조밀한 절연층(36)의 인레이(inlay)로서 수행될 수 있다.As can be seen in the embodiment of FIG. 2A , the
도 2b의 실시예와 관련하여, 도 2a의 실시예와의 차이점만이 이하에서 설명되며, 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 도 2b의 실시예에서, 채널(28)은 전기 절연 요소(14)를 완전히 관통하지 않는다. 채널(28)은 기판(14)에서 개방되고 제 1 공급 라인(20) 또는 제 2 공급 라인(22)의 높이에서 끝난다.With regard to the embodiment of Fig. 2B, only the differences from the embodiment of Fig. 2A are described below, and identical or similar parts are denoted by the same reference numerals. In the embodiment of FIG. 2B , the
도 2c의 실시예와 관련하여, 도 2a의 실시예와의 차이점만이 이하에서 설명되며, 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 도 2c의 실시예에서, 채널(28)은 전기 절연 요소(14)를 완전히 관통하지 않는다. 채널(28)은 절연 요소(24)의 외부면(38)으로부터 절연 요소 내로 연장되고 제 1 공급 라인(20) 또는 제 2 공급 라인(22)의 높이에서 끝난다.With respect to the embodiment of Fig. 2C, only the differences from the embodiment of Fig. 2A are described below, and identical or similar parts are denoted by the same reference numerals. In the embodiment of FIG. 2C , the
도 3은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서(10)의 평면도이다. 이하에서는, 제 1 실시 형태와의 차이점만이 설명되고 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 제 2 실시 형태의 센서(10)에서, 채널(28)은 테스트 핀(30)에서 그리고 그의 전방 단부(32)에서 개방된다. 제 2 실시 형태에서, 채널(28)은 타원형 단면 형상을 갖는다. 타원 형상의 주축은 센서 요소(12)의 길이 방향에 평행하게 배향된다.3 is a plan view of the
도 4a 내지 도 4c는 제 2 실시 형태의 가능한 실시예들의 도 3의 A-A선에 따른 단면도이다. 도 4a의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 채널(28)은 전기 절연 요소(14)를 완전히 관통한다. 채널(28)은 기판(14)에서 개방된다. 더 정확하게는, 채널(28)은 테스트 핀(30)에서 개방된다. 보다 더 정확하게는, 채널(28)은 테스트 핀(30)의 전방 단부(32)와 테스트 핀(30)의 인접 영역에서 개방된다. 채널(28)은 기판(14)의 상부면(26)에 수직 방향으로 연장된다.Figures 4a to 4c are cross-sectional views taken along line A-A in Figure 3 of possible embodiments of the second embodiment; As can be seen in the embodiment of FIG. 4A , the
도 4b의 실시예와 관련하여, 도 4a의 실시예와의 차이점만이 이하에서 설명되고, 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 도 4b의 실시예에서, 채널(28)은 전기 절연 요소(14)를 완전히 관통하지 않는다. 채널(28)은 기판(14)에서 개방되고 제 1 공급 라인(20) 또는 제 2 공급 라인(22)의 높이에서 끝난다.With respect to the embodiment of Fig. 4B, only the differences from the embodiment of Fig. 4A are described below, and identical or similar parts are denoted by the same reference numerals. In the embodiment of FIG. 4B , the
도 4c의 실시예와 관련하여, 도 4a의 실시예와의 차이점만이 이하에서 설명되고, 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 도 4c의 실시예에서, 채널(28)은 전기 절연 요소(14)를 완전히 관통하지 않는다. 채널(28)은 절연 요소(24)의 외부면(38)으로부터 절연 요소 내로 연장되고 제 1 공급 라인(20) 또는 제 2 공급 라인(22)의 높이에서 끝난다.With respect to the embodiment of Fig. 4C, only the differences from the embodiment of Fig. 4A are described below, and identical or similar parts are denoted by the same reference numerals. In the embodiment of FIG. 4C , the
도 5는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서(10)의 평면도이다. 이하에서는, 제 1 실시 형태와의 차이점만이 설명되고 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 제 3 실시 형태의 센서(10)에서, 센서 요소(12)는 다수의 채널(28)을 갖는다. 더 정확하게는, 센서 요소(12)는 예를 들어 4개의 채널(28)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 2개의 채널(28)은 테스트 핀(30)에서 개방되고, 그들 중 하나의 채널(28)은 테스트 핀(30)의 전방 단부(32)에서 개방된다. 다른 채널(28)은 각각 평면도에서 볼 때 제 1 공급 라인(20) 및 제 2 공급 라인(22)과 중첩된다. 채널들(28)은 각각 원형 단면 형상을 갖는다. 채널들(28)의 단면적은 동일한 크기일 수 있거나, 도 5에 도시된 바와 같이, 상이한 크기일 수 있다. 도 5에 도시된 실시 형태에서, 테스트 핀(30)에서 개방된 채널들(28)은 평면도에서 볼 때 공급 라인들(20, 22)과 중첩되는 채널들(28)보다 더 큰 단면적을 갖는다.5 is a plan view of the
도 6은 도 5의 A-A선에 따른 단면도이다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 채널들(28)은 반드시 동일한 길이로 설계될 필요는 없지만 선택적으로 동일한 길이를 가질 수 있다. 도 6의 실시예에서, 채널들(28) 중 적어도 하나는 전기 절연 요소(14)를 완전히 관통하고 채널들(28) 중 하나는 전기 절연 요소(14)를 완전히 관통하지 않는다. 마지막에 언급된 채널(28)은 기판(14)에서 테스트 핀(30)의 전방 단부(32)에서 개방되고, 제 1 공급 라인(20) 또는 제2 공급 라인(22)의 높이에서 끝난다.6 is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 5 . As can be seen in FIG. 6 , the
도 7은 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서(10)의 평면도이다. 이하에서는 제 1 실시 형태와의 차이점만이 설명되고 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 제 4 실시 형태의 센서(10)에서, 센서 요소(12)는 다수의 채널(28)을 갖는다. 더 정확하게는, 센서 요소(12)는 예를 들어 5개의 채널(28)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 채널들(28) 중 하나는 테스트 핀(30)에서 전방 단부(32)로부터 이격된 위치에서 개방된다.7 is a plan view of a
도 8a 및 도 8b는 도 7의 A-A선에 따른 단면도를 도시하며, 채널들(28) 중 하나만 도시되어 있다. 도 8a에 도시된 실시예에서, 각각의 채널(28)은 제 1 공급 라인(20) 또는 제 2 공급 라인(22)으로부터 전기 절연 요소(24)의 내부로 연장되고 테스트 핀(30)의 높이에서, 더 정확하게는 그 전방 단부(32)의 높이에서 끝난다.8a and 8b show a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 7 , in which only one of the
도 8b에 도시된 실시예에서, 각각의 채널(28)은 전기 절연 요소(24)의 외부면(38)으로부터 그 내부로 그리고 제 1 공급 라인(20) 또는 제 2 공급 라인(22)으로부터 전기 절연 요소(24)의 내부로 연장되고 제 1 공급 라인(20) 또는 제 2 공급 라인(22)의 높이에서 끝난다.In the embodiment shown in FIG. 8B , each
도 9는 본 발명의 제 5 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서(10)의 단면도이다. 이하에서는 제 1 실시 형태와의 차이점만이 설명되고 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 센서(10)에서, 센서 요소(12)를 가열하기 위한 가열 요소 또는 온도 측정 요소(42)는 전극(16, 18) 반대편에 있는 기판(14)의 하부면(40)에 제공된다. 가열 요소 또는 온도 측정 요소(42)는 다수의 층(34, 36)으로 구성된 전기 절연 요소(24) 내에 내장된다. 층들(34, 36)은 그 다공성이 서로 다르다. 제 1 실시 형태에서와 같이, 채널(28)은 기판(14)의 상부면(26)에서 전기 절연 요소(24)를 완전히 관통한다. 또한, 채널(28)은 기판(14)의 하부면(40)에서 중간에 가열 요소 또는 온도 측정 요소(42)를 통과하여 전기 절연 요소(24)를 완전히 관통한다.9 is a cross-sectional view of a
도 10은 본 발명의 제 6 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서(10)의 단면도이다. 이하에서는 제 1 실시 형태와의 차이점만이 설명되고 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 제 6 실시 형태의 센서(10)에서, 센서 요소(12)를 가열하기 위한 가열 요소 또는 온도 측정 요소(42)는 전극(16, 18) 반대편에 있는 기판(14)의 하부면(40)에 제공된다. 가열 요소 또는 온도 측정 요소(42)는 다수의 층(34, 36)으로 구성된 전기 절연 요소(24) 내에 내장된다. 층들(34, 36)은 그 다공성이 서로 다르다. 제 1 실시 형태와는 달리, 기판(14)의 상부면(26) 상에서 전기 절연 요소(24) 내에 채널(28)이 형성되지 않는다. 반면에, 기판(14)의 하부면(40) 상에서 전기 절연 요소(24)의 외부면(38)으로부터 그 내부로 채널(28)이 연장되고, 가열 요소(42)의 높이에서 끝난다. 길이 방향(27)에서 센서 요소(12)의 전방 단부의 방향으로 오프셋된 위치를 가진 다른 채널(28)은 기판(14)의 하부면(40) 상에서 기판(14)의 하부면(40)으로부터 전기 절연 요소(24)의 내부에 연장되고 가열 요소 또는 온도 측정 요소(42)의 높이에서 끝난다.10 is a cross-sectional view of a
도 11은 본 발명의 제 7 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서(10)의 평면도이다. 이하에서는 제 1 실시 형태와의 차이점만이 설명되고 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 제 7 실시 형태의 센서(10)에서, 센서 요소(12)는 다수의 채널(28)을 갖는다. 더 정확하게는, 센서 요소(12)는 예를 들어 3개의 채널(28)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 2개의 채널(28)은 테스트 핀(30) 옆에 측방으로 형성되고, 하나의 채널(28)은 테스트 핀(30)의 전방 단부(32)로부터 일정 거리에 형성된다. 추가 채널(28)은 각각 평면도에서 볼 때 제 1 공급 라인(20) 및 제 2 공급 라인(22)과 중첩된다. 채널들(28)은 각각 원형의 또는 약간 타원형의 단면 형상을 갖는다. 채널들(28)의 단면적은 동일한 크기이거나 다른 크기일 수 있다. 채널들(28)은 전기 절연 요소(24)를 완전히 관통할 수 있거나, 대안으로서 하나 이상의 채널(28)은 전술한 방식으로 전기 절연 요소(24)에서 부분적으로 연장될 수 있다.11 is a plan view of the
도 12는 본 발명의 제 8 실시 형태에 따른 입자 검출용 센서(10)의 평면도이다. 도 13은 도 12의 단면도를 도시한다. 이하에서는 제 1 실시 형태와의 차이점만이 설명되고 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 제 8 실시 형태의 센서(10)에서, 센서 요소(12)는 다수의 채널(28)을 갖는다. 더 정확하게는, 센서 요소(12)는 예를 들어 3개의 채널(28)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 2개의 채널(28)은 제 1 공급 라인(20) 또는 제 2 공급 라인(22)과 중첩되고, 하나의 채널(28)은 테스트 핀(30)의 전방 단부(32)로부터 일정 거리에 형성된다. 추가 채널(28)은 각각 평면도에서 볼 때 제 1 공급 라인(20) 및 제 2 공급 라인(22)과 중첩된다. 채널들(28)은 각각 원형의 또는 약간 타원형의 단면 형상을 갖는다. 채널들(28)의 단면적은 동일한 크기이거나 다른 크기일 수 있다. 채널들(28)은 전기 절연 요소(24)를 완전히 관통할 수 있거나, 대안으로서 하나 이상의 채널(28)은 전술한 방식으로 전기 절연 요소(24)에서 부분적으로 연장될 수 있다. 예를 들어 도 13에 도시된 바와 같이, 테스트 핀(30)의 전방 단부(32)로부터 이격된 채널(28)은 전기 절연 요소(24)를 완전히 관통할 수 있는 반면, 2개의 다른 채널(28)은 외부면(38)으로부터 전기 절연 요소(24)의 내부로 연장되고 제 1 공급 라인(20) 또는 제 2 공급 라인(22)의 높이에서 끝난다.12 is a plan view of a
설명된 모든 실시 형태들은 다음과 같이 변형될 수 있다. 채널(28)은 다공성 재료로 채워질 수 있다. 채널(28)은 삼각형, 사각형, 다각형 단면 또는 둥근 모서리를 갖는 다각형 단면을 가질 수 있다. 채널(28)은 그 길이를 따라 가변 단면을 가질 수 있다. 다시 말해서, 채널(28)의 단면적은 그 길이를 따라 변할 수 있다.All the described embodiments can be modified as follows.
10: 가스 센서
12: 센서 요소
14: 기판
16: 제 1 전극
18: 제 2 전극
20: 제 1 공급 라인
22: 제 2 공급 라인
24: 전기 절연 요소
27: 길이 방향
28: 채널
30: 테스트 핀
32: 전방 단부
34, 36: 층10: gas sensor
12: sensor element
14: substrate
16: first electrode
18: second electrode
20: first supply line
22: second supply line
24: electrical insulation element
27: longitudinal direction
28: Channel
30: test pin
32: front end
34, 36: floor
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Legal Events
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E902 | Notification of reason for refusal |