TWI652465B

TWI652465B - 用以檢測導電及/或可極化粒子之感測器、感測器系統、用以操作感測器之方法、及此種感測器之應用

Info

Publication number: TWI652465B
Application number: TW106112766A
Authority: TW
Inventors: 提姆亞斯瑪斯; 卡爾漢茲韋納德; 史蒂芬迪特曼; 馬汀昆茲
Original assignee: 赫拉爾斯感測科技有限責任公司
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2019-03-01
Also published as: CN109073526B; CN109073526A; KR20180136552A; WO2017186840A1; JP2019507880A; JP6970108B2; TW201741644A; KR102121326B1; DE102016107888A1; US20190128789A1

Abstract

本發明係關於一種用以檢測導電及/或可極化粒子、特定言之用以檢測煙灰粒子之感測器，其包含一基體，其中：一第一平面中之一第一結構化絕緣體，一第二平面中之一第一結構化電極層，一第三平面中之一第二結構化絕緣體，以及一第四平面中之一第二結構化電極層，以某種方式直接地或間接地配置於該基體之至少一側上，使得在至少一個結構化電極層及/或一個結構化絕緣體中，形成待檢測之該等粒子可進入的至少一個開口，其中該等電極層各自具有至少兩個電極或至少兩個導體軌道或至少一個電極與至少一個導體軌道之一組合。

Description

用以檢測導電及/或可極化粒子之感測器、感測器系統、用以操作感測器之方法、及此種感測器之應用

本發明係關於用以檢測導電及/或可極化粒子之感測器，特定言之用以檢測煙灰粒子之感測器。此外，本發明係關於感測器系統、用以操作感測器之方法及此種感測器之應用。

熟知之目前先進技術感測器具有感測器載體，其中電極及熱結構以平面組態配置於感測器載體上。在檢測操作中，可極化及/或導電粒子沈積於此平面組態上。所沈積粒子使電極之間的電阻減小，其中此電阻下降被用作所沈積粒狀物質量的量測。一旦已到達有關於電阻之預定義臨限值，則使用加熱結構加熱感測器配置，使得所沈積粒子經燃燒，且在清洗程序之後，感測器可用於又一檢測週期。

DE 10 2005 029 219 A1描述用以檢測來自內燃機之廢氣流中之粒子的感測器，其中電極、加熱結構及溫度感測器結構以平面組態施加至感測器載體。此感測器配置之缺點在於待橋接之電極必須具有最小長度，以便在量測諸如煙灰之導電及可極化粒子時達成可接受之敏感度水平的事實。因此，感測器組件必須具有一定大小，以便可達成待橋接之電極之最小長度。此帶來製造此等感測器組件之對應成本缺點。

本發明之目標為提出一種用以檢測導電及/或可極化粒子的感測器，特定言之用以檢測煙灰粒子之經進一步開發的感測器，其中感測器之大小經最小化，使得可克服前述缺點。

此外，本發明之目標為提出一種感測器系統、操作該感測器之方法及此種感測器之經改良應用。

根據本發明，此任務係藉由如請求項1之用以檢測導電及/或可極化粒子、特定言之用以檢測煙灰粒子之感測器來達成。關於感測器系統，該任務係藉由如請求項12之特性來達成。關於用以操作感測器之方法，該任務係藉由如請求項13之特性來達成。關於感測器之應用，該任務係藉由如請求項15之特性來達成。

根據本發明之感測器或根據本發明之用以操作感測器之方法或根據本發明之感測器應用的有利及適當實施例闡述於從屬請求項中。

本發明係基於呈現一種用以檢測導電及/或可極化粒子、特定言之用以檢測煙灰粒子之感測器的想法，該感測器包含一基體，其中一第一結構化絕緣體配置於一第一平面中，一第一結構化電極層配置於一第二平面中，一第二結構化絕緣體配置於一第三平面中，且一第二結構化電極層配置於一第四平面中，該等結構以下列方式直接地或間接地配置於該基體之至少一側上：在至少一個結構化電極層及/或一個結構化絕緣體中，形成待檢測之粒子可進入的至少一個開口，其中該等電極層各自具有至少兩個電極或至少兩個導體軌道或至少一個電極與至少一個導體軌道之一組合。

換言之，提供一種感測器，其中至少一個第一結構化電極層及一個第二結構化電極層水平地配置為一個在另一個上方，且至少一個結構化絕緣體形成於該兩個結構化電極層之間。在該基體與該第二平面中之該第一結構化電極層之間，存在至少一個第一結構化絕緣體。

該基體大體上形成為平坦的，使得其具有明顯大於其他表面之至少兩個表面。然而，其他形狀亦為可能的，其中例如所有表面為相同大小(立方體、四面體等)或僅一個表面大於其他表面(例如，圓柱體或半球體)。電極層或絕緣體層係附接至該等表面中之至少一者，但亦可覆蓋若干表面。該基體之厚度可為若干mm，較佳在0.2 mm至0.5 mm之範圍內，尤佳在0.3 mm至0.4 mm之範圍內。

該基體可由一絕緣或導電或半導電材料構成。金屬氧化物、玻璃、陶瓷及/或玻璃陶瓷可被視為絕緣材料。較佳使用Al₂ O₃ 或ZrO₂ 或MgO。熔點高於操作溫度之金屬或導電陶瓷之合金被用作導電材料。較佳使用鎳或鎳鐵合金或鋁或鋁鉻合金。矽或碳化矽可被視為半導體。

若金屬或半導體被用作基體，則可省去一個電極層且感測器之總厚度可減小。此在其他層被施加至基體之兩側之情況下尤其有利。有可能將金屬基體實現為導體軌道且將其用作導熱體或溫度感測器。出於彼目的，當產生絕緣層時，較佳填充導體軌道之間的間隙且使導體軌道區段彼此絕緣。

感測器有可能具有多於四個的平面，使得基體可具有額外結構化電極層及額外結構化絕緣層。換言之，奇數編號平面表徵結構化絕緣層，而偶數編號平面表徵結構化電極層。假如形成多於兩個的結構化電極層，則感測器較佳為始終以使得兩個結構化電極層之間始終存在結構化絕緣體的方式形成。平面之數目係自基體或基體之一側開始計算。

結構化電極層配置為一個在另一個上方，特定言之一個在另一個上方層化，其中該等結構化電極層各自借助於至少一個結構化絕緣體而彼此間隔開。

根據本發明之感測器可例如包含至少三個結構化電極層及三個結構化絕緣體，其中至少一個絕緣體始終形成於兩個結構化電極層之間。第一結構化絕緣體較佳形成於基體之一側上。

結構化絕緣體可由可並排配置及/或配置為一個在另一個上方之兩個或多於兩個的子層構成。結構化絕緣體之兩個或多於兩個的子層可由不同材料製成及/或表徵不同材料。

結構化電極層可由至少兩個電極或至少兩個導體軌道或至少一個電極與一個導體軌道之一組合構成。因此，電極層亦可具有三個電極或三個導體軌道或兩個電極與一個導體軌道之一組合。不同電極層亦有可能各自不同地建構。換言之，至少兩個電極層可由不同數目個電極及/或導體軌道形成。

至少一個電極層較佳具有至少在區段中平行地延伸之至少兩個互鎖電極或至少兩個互鎖或平行導體軌道，或彼此互鎖或交織之至少一個電極與至少一個導體軌道之一組合。互鎖可因此表示為「彼此交織」或「彼此嵌套」或「彼此纏繞」或「彼此互連」。

個別電極層可因此具有不同結構。

亦有可能，電極層形成為彼此交叉。

換言之，根據本發明之感測器可為包含至少兩個絕緣體及至少兩個結構化電極層之分層複合物。

此外，有可能，在電極及/或導體軌道之間，穿過至少兩個平面形成一個處於另一個上方之開口，其中待檢測之粒子可進入該等開口。換言之，數個基體層，特定言之數個結構化電極層及/或數個結構化絕緣體，具有開口，其中該等開口以某種方式配置為一個在另一個上方，使得粒子可穿過開口前進至位於下方更遠處之結構化電極層。該等開口亦可延伸穿過基體且同樣地過渡至另一側上之額外電極層及絕緣體層(平面)中之開口。該等開口大體上配置為一個在另一個上方，使得產生在數個平面上延伸之通路。然而，該等開口亦可至少配置於感測器之部分中，使得該等開口之部分地或完全不定位為一個在另一個上方。

至少一個電極層之開口較佳地形成為與電極層之周邊區域相距一距離，且至少一個絕緣體之開口較佳地形成為與絕緣體之周邊區域相距一距離。因此，開口較佳地不位於或不形成於相關層之周邊區域上且不在側向邊緣處。

第一結構化電極層與第二結構化電極層藉由位於其間的第二結構化絕緣體彼此絕緣。基於此構造，有可能形成相比於目前先進技術感測器較小之極敏感感測器。

在本發明之又一實施例中，一第三結構化絕緣體可形成於一第五平面中。

此外，有可能在一/該第五平面中形成一第三結構化絕緣體，及在一第六平面中形成具有至少兩個電極或至少兩個導體軌道或至少一個電極與至少一個導體軌道之一組合的至少一個第三結構化電極層。

除形成第五平面及/或第六平面之外，亦有可能可在其他平面中形成額外結構化絕緣體及額外結構化電極層，其中該等電極層各自具有至少兩個電極或至少兩個導體軌道或至少一個電極與至少一個導體軌道之一組合。

一/該結構化絕緣體可至少在區段中具有配置於其上方之結構化電極層的結構，特定言之配置於其上方之電極及/或配置於其上方之導體軌道的結構。此外，一/該結構化絕緣體可至少在區段中具有配置於其下之結構化電極層的結構係可能的，特定言之配置於其下之電極及/或導體軌道的結構。

在該基體與該第一結構化絕緣體之間或在該基體與具有一第一結構化絕緣體之第一平面之間，可形成導電層，特定言之平坦金屬層，該導電層覆蓋該基體，特定言之在該等開口之區域中。該平坦金屬層可經結構化，但較佳不具有開口或通路。

至少一個結構化絕緣體可具有在0.1 μm與50 μm之間，特定言之在5.0 μm與30 μm之間，特定言之在7.5 μm與20 μm之間，特定言之在8 μm與12 μm之間的厚度。自第一電極層至又一電極層之距離可分別藉助於結構化絕緣體之厚度進行調整。感測器之敏感度可藉由減小定位為一個在另一個上方之結構化電極層之間的距離而增加。絕緣體之厚度愈小，感測器將愈敏感。

此外，基體之電極層之厚度及/或絕緣體之厚度有可能變化。

絕緣體有可能具有不同層厚度。電極層之間的距離因此亦可變化。藉由使用不同絕緣層厚度，可量測所檢測粒子之大小。此外，有可能基於不同絕緣體層厚度來計算所檢測粒子之粒度分佈。

至少一個結構化絕緣體可由氧化鋁(Al₂ O₃ )或氧化矽(SiO₂ )或氧化鎂(MgO)或氮化矽(Si₃ N₄ )或玻璃或陶瓷或玻璃陶瓷或金屬氧化物或此等之任何混合物形成。

至少一個結構化絕緣體有可能側向地覆蓋位於其下之至少一個結構化電極層。換言之，絕緣體可覆蓋電極層之側向表面，使得電極層側向地絕緣。

在基體與第一結構化絕緣體之間及/或在基體之又一側上及/或在偶數編號平面中，可形成至少一個導體軌道以作為導熱體。

至少一個電極及/或至少一個導體軌道可由導電材料製成，特定言之由金屬或合金製成，特定言之由高耐熱性金屬或高耐熱性合金製成，尤佳為由鉑系中之金屬或鉑系中之金屬的合金製成。鉑系金屬之元素為鈀(Pd)、鉑(Pt)、銠(Rh)、鋨(Os)及銥(Ir)。亦可使用諸如鎳(Ni)之基材金屬或諸如鎳/鉻或鎳/鐵之基材金屬合金。

此外，至少一個電極及/或至少一個導體軌道可由導電陶瓷或金屬與陶瓷之混合物製成係可能的。舉例而言，至少一個電極層可由鉑晶粒(Pt)與氧化鋁主體(Al₂ O₃ )之混合物製成。亦有可能，至少一個電極及/或至少一個導體軌道包含碳化矽(SiC)或由碳化矽(SiC)形成。上文舉出之材料及金屬或彼等金屬之合金具尤其高之耐熱性，且因此適合於形成可用以檢測內燃機之廢氣流中之煙灰粒子之感測器元件。

電極或導體軌道之厚度可在廣泛範圍中變化；可使用在10 nm至多1000 μm之範圍內的厚度。較佳使用在100 nm至100 μm範圍內，尤佳在0.6 μm至1.2 μm範圍內，且最佳0.8 μm至0.9 μm之厚度。

電極或導體軌道之寬度可在廣泛範圍中變化；可使用10 μm至10 mm範圍內的寬度。較佳使用在30 μm至300 μm範圍內，尤佳在30 μm至100 μm範圍內，且最佳30 μm至40 μm之寬度。

在最上部結構化電極層的背離第一結構化絕緣體之側上，可形成至少一個覆蓋層，該覆蓋層可特定言之由陶瓷及/或玻璃及/或玻璃陶瓷及/或金屬氧化物或此等材料之任何組合製成。換言之，至少一個覆蓋層係形成於最上部電極層的相對第一結構化絕緣體形成之側上。覆蓋層可充當擴散障壁，且另外減少電極層或最上部電極層或最高偶數編號平面之電極層的蒸發。在高於大約700℃之高溫下，此最為重要。廢氣流可例如到達高達850攝氏度及更高之溫度。

在本發明之又一實施例中，覆蓋層可另外側向地包覆最上部絕緣體及/或其他電極層。換言之，最上部電極層之側向表面以及配置於下方之絕緣體之側向表面可由至少一個覆蓋層塗佈。覆蓋層之側向包覆部分或側向塗佈區域可因此自最上部電極層到達底部電極層。此帶來電極層及/或絕緣體之側向絕緣。

至少一個覆蓋層不完全覆蓋最上部電極層係可能的。換言之，至少一個覆蓋層僅僅覆蓋最上部電極層之區段係可能的。

假如最上部電極層形成為加熱層，則僅加熱迴路/加熱旋管之區段經覆蓋係可能的。最上部電極層係界定為離基體最遠配置之電極層。底部電極層被理解為最接近基體配置之電極層。最上部絕緣體被理解為離基體間隔最遠之絕緣體。底部絕緣體被理解為最接近基體形成之絕緣體。

多孔過濾層可形成於最上部電極層上及/或覆蓋層上。諸如此之多孔層允許大粒子遠離電極層及絕緣體之配置。過濾層中之孔中之至少一者或數個孔經塑形，使得該等孔確保具有對應大小之粒子可穿過過濾層的穿過過濾層之通路。過濾層之孔徑可例如＞1 μm。多孔過濾層亦可為其中可存在或產生具有界定大小之開口的微結構化層。

形成於20 μm至30 μm之範圍中的孔徑尤佳。多孔過濾層可例如由陶瓷材料製成。此外，可設想到多孔過濾層可由氧化鋁發泡體製成。亦覆蓋感測器之開口的過濾層允許干擾量測之大粒子，特定言之煙灰粒子，保持遠離至少一個通路，從而使得此等粒子不會導致短路。

感測器具有至少一個開口。至少一個感測器開口可形成為盲孔，其中第一絕緣體之區段或第一結構化電極層之區段或視情況形成之平坦金屬層之區段形成為盲孔之底部。假如感測器具有覆蓋層，則開口亦延伸遍佈此覆蓋層。換言之，電極層以及絕緣體及覆蓋層各自具有開口，其中此等開口配置於彼此上方，使得此等開口形成一通路，特定言之盲孔或細長凹痕，該通路之底部係由底部電極層之區段或底部絕緣體之區段或平坦金屬層之區段形成。特別是盲孔或細長凹痕之開口之底部可例如形成於第一電極層的面向第一絕緣體之上側上。此外，可設想到第一電極層具有形成盲孔或細長凹痕之底部的凹痕。

至少一個感測器開口可為線形或曲折形或網格形或螺旋形的。

至少一個開口，特定言之至少一個細長凹痕，可至少在區段中具有V形及/或U形及/或半圓形及/或梯形之截面。

舉例而言，盲孔之開口截面可為圓形或正方形或矩形或凸鏡狀或蜂巢狀、多邊形、三角形或六邊形的。其他設計，特定言之自由形式，係可能的。

舉例而言，盲孔有可能具有具3 x 3 μm² 至150 x 150 μm² ，特定言之10 x 10 μm² 至100 x 100 μm² ，特定言之15 x 15 μm² 至50 x 50 μm² ，特定言之20 x 20 μm² 之表面的正方形截面。

在本發明之進一步發展中，感測器可具有多個通路或開口，特定言之多個盲孔及/或細長凹痕，其中盲孔及/或細長凹痕可如已描述般形成。此外，至少兩個通路，特定言之兩個盲孔及/或兩個細長凹痕，有可能具有不同截面，特定言之經不同大小設定之截面，從而使得可形成具有若干場之感測器陣列，其中可使用具有不同大小之盲孔截面及/或不同大小之凹痕截面的若干量測單元。借助於對導電粒子及/或可極化粒子之平行檢測，特定言之煙灰粒子之平行檢測，可獲得關於粒子之大小或粒子之大小分佈的額外資訊。

感測器包含例如呈細長凹痕形式之數個通路，其中該等通路配置為網格(lattice)。

至少一個通路，特定言之細長凹痕，可至少在區段中具有V形及/或U形及/或半圓形及/或梯形之截面。此等截面或截面輪廓改良對圓形粒子之量測。此外，可藉由此等截面或截面輪廓來避免高爾夫球效應。

細長凹痕亦可被稱為溝槽及/或凹槽及/或通道。

在本發明之又一實施例中，感測器有可能包含呈盲孔形式之至少一個通路，其形狀為圓形或矩形或凸鏡狀或蜂巢狀或多邊形或三角形或六邊形，以及呈細長凹痕形式之至少一個通路，其特定言之為線形或曲折形或網格形或螺旋形的。

細長凹痕在凹痕之最上邊緣處的寬度可在0.1 μm至500 μm、較佳1 μm至200 μm之範圍內，尤佳為在4 μm至100 μm之範圍內。細長凹痕在第一電極層之區域中之寬度可在0.1 μm至200 μm之範圍內，較佳在0.1 μm至100 μm之範圍內，尤佳為在0.1 μm至50 μm之範圍內。細長凹痕之寬度可變化，且有可能在感測器上逐個區段地改變寬度。因此，亦可得出關於所量測粒子之大小的結論，此係由於例如大粒子無法進入窄凹痕中。

開口或通路之深度取決於平面之數目及層之厚度。深度在100 nm至10 mm之範圍內，較佳在30 μm至300 μm之範圍內，尤佳在30 μm至100 μm之範圍內。對於一個感測器上之所有開口，開口及通路之深度大體上相同，然而其亦可變化且在感測器之不同區域中不同。

假如數個通路在一個感測器中形成為細長凹痕，則此等通路可經形成，從而使得其定向在一或多個較佳方向上。

在本發明之一個實施例中，至少一個絕緣體開口有可能形成底切(undercut)及/或凹陷。換言之，相比於配置於絕緣體上方或底下之電極層，絕緣體可經形成以便為縮進式或凹陷的。絕緣體開口中之側向凹陷可為圓形及/或V形的。凹陷於通路中之底切或絕緣體的形成改良對圓形粒子之量測。在本發明之一實施例中，諸如此實施例，粒子，特定言之圓形粒子，係以實現良好電氣接觸之方式饋送至電極層中，特定言之饋送至電極及/或導體軌道中。換言之，至少一個絕緣體之開口可大於配置於絕緣體上方及底下之電極層中之開口。

至少一個結構化電極層可具有電氣接觸表面，其沒有配置於結構化電極層上方之感測器層且連接至或可連接至接觸墊。電極層彼此隔離地連接至或可連接至接觸墊。每電極層或電極層之每電極及/或每導體軌道較佳形成有至少一個電氣接觸表面，其經曝露以用於在接觸墊之區域中電氣接觸。底部電極層，亦即底部電極及/或底部導體軌道之電氣接觸表面沒有可能覆蓋層且沒有絕緣體，沒有其他電極層且在適用時沒有多孔過濾層。換言之，在底部電極層，亦即底部電極及/或底部導體軌道之電氣接觸表面上方，既不存在位於其上方之任何絕緣體的區段，也不存在位於其上方之任何電極層的區段。

結合第一電極層關於電氣接觸表面之解釋對於位於其上方之電極層亦成立，其中此等接觸表面沒有位於相關電極層上方之個別感測器層。

在本發明之又一實施例中，至少第一結構化電極層及/或第二結構化電極層具有導體軌道迴路，使得第一電極層及/或第二電極層形成為加熱旋管及/或溫度敏感層及/或屏蔽電極。亦有可能，一個電極層，特定言之電極層之一個電極及/或一個導體軌道，具有兩個電氣接觸表面。此等電極層可形成為加熱旋管以及溫度敏感層及屏蔽電極兩者。在適當接觸電氣接觸表面情況下，所討論之電極層可加熱或充當溫度敏感層或屏蔽電極。以此方式組配電極層允許佈建緊湊之感測器，此係由於電極層或所討論之電極層的至少兩個電極或至少兩個導體軌道或至少一個電極與至少一個導體軌道之組合可承擔數個功能。因此，無需單獨的加熱旋管層及/或溫度敏感層及/或屏蔽電極層。

在加熱至少一個電極層期間，所量測粒子或位於感測器之開口中之粒子可能被燒掉或燒盡。

總之，可得出如下結論：歸因於根據本發明之構造，有可能提供極準確之量測感測器。藉由形成一個/數個薄絕緣層，感測器之敏感度可明顯增加。

此外，本發明感測器相比已知感測器可具有明顯較小之構造。藉由在三維空間中形成感測器，數個電極層及/或數個絕緣體可被建置於較小感測器中。此外，明顯較多之單元可在製造製程中形成於基體或晶圓上。

根據本發明之感測器可用以檢測氣體中之粒子。根據本發明之感測器可用以檢測液體中之粒子。根據本發明之感測器可用以檢測氣體及液體或氣液混合物中之粒子。當使用感測器來檢測液體中之粒子時，並非始終可能將粒子燒掉或燒盡。然而，仍存在移除液體以便燒盡粒子且接著再次將感測器曝露於待量測之液體的可能性。

根據又一態樣，本發明係關於一種感測器系統，其包含根據本發明之至少一個感測器及至少一個電路，特定言之至少一個控制電路，該控制電路經形成而使得感測器可以量測模式及/或清洗模式及/或監視模式操作。

根據本發明之感測器及/或根據本發明之感測器系統可具有至少一個輔助電極。在一輔助電極與一結構化電極層之間及/或在一輔助電極與感測器系統之一組件，特定言之感測器外殼之間，可施加一電位，使得待量測之粒子被電吸引或抽吸至感測器及/或感測器系統。較佳地，施加至至少一個輔助電極及至少一個結構化電極層之電壓使得粒子，特定言之煙灰粒子，被「吸入至」至少一個感測器開口中。

根據本發明之感測器較佳配置於感測器外殼內部。感測器外殼可例如形成為細長管形狀。根據本發明之感測器系統因此亦可包含感測器外殼。

感測器及/或感測器外殼中之感測器及/或感測器外殼較佳經形成，使得感測器，特定言之感測器之最上部(電極)層或感測器之離基體最遠之(電極)層，與液體之流動方向成角度地配置。因此，該流並不垂直地撞擊電極層平面。最上部電極層平面上之法線與粒子之流動方向之間的角度α較佳為至少1°，較佳為至少10°，尤佳為至少30°。此外，感測器之如下定向係較佳的，其中粒子之流動方向與電極或迴路之較佳軸線之間的角度β在20°與90°之間。在此實施例中，待檢測之粒子較易於進入感測器之開口，特定言之盲孔或細長凹痕中，且藉此增加敏感度。

電路，特定言之控制電路較佳經形成，使得結構化電極層及/或對應電極及/或導體軌道彼此連接。將施加至電極層或個別電極層之電壓可使得感測器可以量測模式及/或清洗模式及/或監視模式操作。

根據一相關態樣，本發明係關於一種用以控制根據本發明之感測器及/或根據本發明之感測器系統的方法。

基於根據本發明之方法，感測器可選擇性地以量測模式及/或清洗模式及/或監視模式操作。

在量測模式中，可量測感測器之電極層之間或電極層之電極及/或導體軌道之間的電阻改變，及/或電極層之電容改變。

換言之，在量測模式中，有可能量測感測器平面之電極及/或導體軌道之間的電阻改變，及/或感測器平面之電極及/或導體軌道之電容改變。

在量測模式中，有可能量測感測器之至少兩個平面之電極或導體軌道之間的電阻改變，及/或感測器之該等平面中之至少兩者之電極及/或導體軌道的電容改變。

根據本發明之方法使得有可能基於一個以及數個感測器平面兩者中之量測到的電阻改變來檢測或量測電極層及/或電極及/或導體軌道之間的粒子。替代地或另外，可基於量測到的阻抗改變及/或藉由量測電極層及/或一或多個電極層之電極及/或導體軌道之電容來檢測或量測粒子。較佳量測電極層之間的電阻改變。

在量測模式中，可進行電阻量測，亦即根據電阻率原理之量測。此涉及量測兩個電極層之間的電阻，其中若粒子，特定言之煙灰粒子，橋接至少兩個電極層及/或至少兩個電極及/或至少兩個導體軌道(其充當電導體)，則電阻下降。

對於量測模式而言，藉由施加不同電壓至電極層及/或電極及/或導體軌道，可檢測到特別是煙灰粒子之待量測之粒子的不同特性基本上係正確的。舉例而言，可判定粒子之粒度及/或粒徑及/或電荷及/或極化率。

假如至少一個電極層或至少一個電極或至少一個導體軌道亦被用作或可切換為加熱旋管，則電阻量測可另外用以判定啟動加熱旋管或加熱層之時間點。加熱旋管或加熱層之啟動對應於執行清洗模式。

至少兩個電極層之間及/或至少兩個電極之間及/或至少兩個導體軌道之間及/或一個電極與一個導體軌道之組合之間的電阻減小較佳指示，粒子，特定言之煙灰粒子已沈積於電極層及/或電極及/或導體軌道上或電極層及/或電極及/或導體軌道之間。一旦電阻到達較低臨限值，即啟動加熱旋管或加熱層。換言之，將粒子燒盡。隨著燒盡粒子之數目或燒盡粒子之容量增加，電阻增加。較佳繼續燒盡粒子，直至量測到較高電阻值為止。達到較高電阻值指示，感測器已經再新或經清洗。隨後，可開始或進行新的量測週期。

替代地或另外，有可能量測電極層及/或電極及/或導體軌道及/或至少一個電極與至少一個導體軌道之組合的電容改變。增加粒子，特定言之煙灰粒子之載重會導致電極層及/或電極及/或導體軌道之電容上升。隨著粒子沈積於感測器上，載重移位/介電常數(ε)改變，此導致電容(C)增加。C=(ε x A)/d基本上成立，其中A代表電極層及/或電極及/或導體軌道之有效電極表面，且d代表兩個電極層及/或電極及/或導體軌道之間的距離。

借助於實例，可藉由如下各項進行電容量測： • 判定恆定電流下之電壓增加速率；及/或 • 施加電壓且判定充電電流；及/或 • 施加交流電且量測電流；及/或 • 借助於LC諧振電路來判定諧振頻率。

上文所描述的電極層之電容改變之量測亦可結合待進行之監視模式來進行。

根據機載診斷(OBD)規則，必須檢查所有廢氣相關部分及組件。舉例而言，必須在已啟動或開啟機動車之後直接進行功能測試。

舉例而言，至少一個電極層可被毀壞，其中此伴隨著有效電極表面A之減小。由於有效電極表面A與電容C成正比，因此被毀壞電極層或被毀壞電極或被毀壞導體軌道之量測電容C降低。

在監視模式中，替代地或另外，有可能將電極層及/或電極及/或導體軌道形成為導體電路。導體電路可形成為閉合電路或視需要可使用例如開關閉合之斷開電路。

此外，有可能使用至少一個開關來閉合電極層或電極及/或導體軌道，其中在監視模式中，進行關於測試或檢驗電流是否流動經過至少一個導體電路之檢查。若電極層，特定言之電極或導體軌道，斷裂或受損或被毀壞，則沒有或極少測試或檢驗電流將流過。

根據本發明之其他態樣，根據本發明之感測器的數個應用係尤佳的。根據附屬專利請求項15，根據本發明之感測器的一種應用係關於檢測導電及/或可極化粒子，特定言之檢測煙灰粒子。

本發明之又一態樣係關於根據本發明之感測器用以檢測導電及/或可極化粒子、特定言之檢測煙灰粒子的應用，其中粒子之流動方向並不垂直地撞擊結構化電極層之平面。

本發明之又一態樣係關於根據本發明之感測器用以檢測導電及/或可極化粒子，特定言之檢測煙灰粒子的應用，其中最上部結構化電極層之平面上的法線與粒子之流動方向之間的角度α為至少1°，較佳為至少10°，尤佳為至少30°。

本發明之又一態樣係關於根據本發明之感測器用以檢測導電及/或可極化粒子、特定言之檢測煙灰粒子的應用，其中粒子之流動方向與電極及/或導體軌道之較佳方向之間的角度β在20°與30°之間。電極及/或導體軌道及/或迴路之較佳方向被理解為電極及/或導體軌道及/或迴路主要延伸所在之軸線。導體軌道迴路及/或電極因此具有一主要較佳方向。

圖1描繪穿過用以檢測導電及/或可極化粒子、特定言之檢測煙灰粒子的感測器10之截面。感測器10可主要用以檢測氣體及液體中之粒子。

感測器10包含基體11以及配置於基體11上方，特定言之基體11之第一側12上之分層複合物。在基體11之第一側12上形成導電層13，特定言之平坦金屬層。在此導電層13上方形成數個平面，特定言之七個平面E1、E2、E3、E4、E5、E6及E7。第一結構化絕緣體20形成於第一平面E1中。第一結構化電極層31形成於第二平面E2中，其中第一結構化電極層31由第一電極40及第二電極40’形成。在第三平面E3、第五平面E5及第七平面E7中，依次形成結構化絕緣體，即結構化絕緣體21、結構化絕緣體22及結構化絕緣體23。第二電極層32形成於第四平面E4中。第二電極層32由第一電極41及第二電極41'組成。第三電極層33形成於第六平面E6中。第三電極層由第一電極42及第二電極42'組成。

因此，在奇數編號平面中(即平面E1、E3、E5及E7中)，形成絕緣體20、21、22及23。在偶數編號平面(即平面E2、E4及E6)中，形成電極層，即電極層31、電極層32及電極層33。絕緣體21及22分別形成於電極層31、32及33之間。最上部(亦即第三)電極層33又由第四絕緣體23覆蓋。

感測器10包含三個電極層31、32及33以及四個絕緣體20、21、22及23。

電極層31、32及33之間的距離係由絕緣體21及22之厚度形成。絕緣體21及22之厚度可總計為在0.1 μm至50 μm之間。根據本發明之感測器10之敏感度可藉由減小絕緣體21及22之厚度來增加。

電極層31、32及33各自具有至少兩個電極40及40'或41及41'或42及42'。此等電極根據本發明彼此互鎖。

開口25、35、26、36、27、37及28形成於第一絕緣體20、第一電極層31、第二絕緣體21、第二電極層32、第三絕緣體22、第三電極層33及第四絕緣體23中。

第一絕緣體20中之開口25、第一電極層31中之開口35、第二絕緣體21中之開口26、第二電極層32中之開口36、第三絕緣體22中之開口27、第三電極層33中之開口37及第四絕緣體23中之開口28配置為一個在另一個上方，使得通路15形成。待檢測之粒子30、30'可進入開口25、35、26、36、27、37。在所描繪之實施例中，兩個粒子30、30'位於導電層13之第一側14上。導電層13之第一側14指向為遠離基體11。第一絕緣體20係施加至導電層13之第一側14。

穿過通路15之透視截面展示，粒子30、30'位於導電層13之第一側14上。第一側14因此形成通路15之底部。在所描繪實例中，小粒子30僅觸碰第一電極層31，特定言之第一電極層31之第一電極40。大粒子30'觸碰第一電極層31以及第二電極層32及第三電極層33兩者。大粒子30'亦僅觸碰電極層31、32及33之第一電極40、41、42。假如粒子之判定係基於電阻率原理，則量測電極層31、32及33之間的電阻，其中若粒子30橋接例如第一電極層31、第二電極層32及第三電極層33，則此電阻下降。粒子30'相比小粒子30橋接較多電極層。粒子30'。相比於粒子30，粒子30'被檢測為較大粒子。

藉由施加不同電壓至電極層31、32及33或個別第一電極40、41及42或第二電極40'、41'及42'，可量測不同粒子特性、特定言之不同煙灰特性，諸如(煙灰)粒子之直徑及/或大小及/或(煙灰)粒子之電荷及/或(煙灰)粒子之極化率。

出於高耐熱性之目的，基體11係例如由氧化鋁(Al₂ O₃ )或氧化鎂(MgO)或由鈦酸鹽或塊滑石形成。

電極層31、32、33或個別電極40、40'、41、41'、42、42'可例如由鉑及/或鉑/鈦合金(Pt-Ti)製成。

絕緣體20、21、22及23較佳由具有高絕緣電阻之耐溫材料製成。舉例而言，絕緣體20、21、22及23可由氧化鋁(Al₂ O₃ )或氧化矽(SiO₂ )或氧化鎂(MgO)或氮化矽(Si₃ N₄ )或玻璃製成。

基於選定用於個別層及絕緣體之材料，所描繪之感測器10適合於至多例如 860℃之高溫使用。因此，感測器10可用作內燃機之廢氣流中之煙灰粒子感測器。在本發明之一替代性實施例中，電極層31、32及33由至少一個電極與至少一個導體軌道之組合組成係可實行的。

在圖2a中，以平面圖描繪了電極層31、32及33之可能實施例。電極層各自包含第一電極40、41及42以及第二電極40'、41'及42'。電極經形成以便彼此互鎖。亦可設想到電極能彼此交織。或者，電極可彼此纏結(褶疊)。此外，示意性地描繪了電極層30、31及32中之開口35、36及37。開口呈細長開口之形式。假如存在配置為一個在另一個上方之數個此等開口，其中絕緣體亦具有類似開口幾何形狀，則可形成細長凹痕。結果為較佳軸線x，電極層沿著該軸線對準。

在圖2b中，描繪了相關於電極層31、32及33之結構之又一實施例。此等電極層具有至少兩個導體軌道，即第一導體軌道38及第二導體軌道39。導體軌道38、39組成導體軌道迴路。此等導體軌道迴路亦彼此互鎖且在大區段中彼此平行地延行。開口依次形成於導體軌道38、39之間，該等開口亦可稱為細長開口。同樣，在此情況下，形成導體軌道迴路之較佳軸線x。

圖3至圖6各自描繪穿過感測器10的自最上部絕緣體20至基體11之垂直截面。圖3至圖6中之感測器10具有七個平面，即平面E1至E7。絕緣體20、21、22及23形成於平面E1、E3、E5及E7中之每一者中。各自具有兩個電極(即電極40、40'、41、41'及42、42')之電極層31、32及33形成於平面E2、E4及E6中之每一者中。

在根據圖3之感測器10中，描繪了形成為細長空腔15及15'之兩個通路之截面輪廓。兩個通路15及15'具有V形截面。開口或開口截面之大小在基體11之方向上，特定言之在導電層13之方向上，自第四絕緣體23減小。自開口28之第一開口截面開始，開口28、37、27、36、26、35及25之截面在開口25之底部開口截面之方向上變小。

此外，圖3展示通路15及15'可具有不同寬度。左邊之通路15具有寬度B1。右側所描繪之通路15'具有寬度B2。B1大於B2。借助於具有不同寬度之通路15及15'，可進行粒子之大小特定量測。

V形截面輪廓允許對圓形粒子之經改良量測。

圖4借助於實例展示替代性實施例中之細長凹痕15可具有U形截面或U形截面輪廓。在第四絕緣體23處開始，開口大小或開口截面之大小在導電層13之方向上減小。自開口28之第一開口截面開始，開口28、37、27、36、26、35及25之截面在開口25之底部開口截面之方向上變小。同樣，U形截面輪廓允許對圓形粒子之經改良量測。

圖5描繪凹陷絕緣體20、21、22及23之截面。在涉及圓形粒子之情況下，形成平滑或平坦通路表面係不利的。藉由製造凹陷或縮進之絕緣體20、21、22及23，可改良對圓形粒子之量測。相比於電極層31、32及33，絕緣體20、21、22及23形成為縮進式。每一絕緣體開口28、27、26及25大於其上方的形成於配置在個別絕緣體上方之電極層31、32及33中之開口35、36及37。通路15之截面輪廓在形式上為V形，其中所有層體23、33、22、32、21、31及20中之開口之大小在基體11之方向上減小，使得絕緣體開口25、26、27及28中無一者為相同大小。

圖6展示絕緣體20、21、22及23中之底切之截面。同樣，在此情況下，確實，藉由在絕緣體中形成底切，可改良對圓形粒子之量測。絕緣體20、21、22及23具有底切或凹陷部90。絕緣體開口25、26、27及28之大小因此大於電極層31、32及33中之開口35、36及37。

如圖7a中所說明，引入在液流中之感測器10，使得粒子之流動方向a並不垂直地撞擊電極層31、32及33之平面(x,y)。最上部電極層33之平面(x,y)上之法線(z)與粒子之流動方向a之間的角度α藉此總計為1度，較佳為至少10度，尤佳為至少30度。粒子可因此較容易被引導至開口或通路15、15'中，且因此較容易被引導至電極層30、31及32之形成於其中之開口壁。

在圖7b中，感測器10以某種方式配置於液流中，使得粒子之流動方向a與電極及/或導體軌道之較佳軸線x (出於此等目的，參見圖2a及圖2b中之較佳軸線)之間的角度β在20度與90度之間。

此時，應注意，上文關於圖1至圖7b中之實施例所個別地或以任何組合描述的所有元件及組件(特定言之，圖式中描繪之細節)主張為係本發明必不可少的。

10‧‧‧感測器

11‧‧‧基體

12、14‧‧‧第一側

13‧‧‧導電層

15‧‧‧通路；細長空腔；細長凹痕

15'‧‧‧通路；細長空腔

20‧‧‧(第一結構化)絕緣體；第一絕緣層；層體

21‧‧‧(結構化)絕緣體；第二絕緣體；層體

22‧‧‧(結構化)絕緣體；第三絕緣體；層體

23‧‧‧(結構化)絕緣體；第四絕緣體；層體

25~28、35~37‧‧‧開口

30、30'‧‧‧粒子

31‧‧‧(第一結構化)電極層；第一電極層；層體

32‧‧‧(第二)電極層；層體

33‧‧‧(第三)電極層；層體

38‧‧‧(第一)導體軌道

39‧‧‧(第二)導體軌道

40~42‧‧‧(第一)電極

40'~42'‧‧‧(第二)電極

90‧‧‧凹陷部

a‧‧‧流動方向

B1、B2‧‧‧通路寬度

x‧‧‧較佳軸線

α、β‧‧‧角度

z‧‧‧法線

E1‧‧‧(第一)平面

E2‧‧‧(第二)平面

E3‧‧‧(第三)平面

E4‧‧‧(第四)平面

E5‧‧‧(第五)平面

E6‧‧‧(第六)平面

E7‧‧‧(第七)平面

下文借助於參看所附示意性圖式之例示性實施例來較詳細地解釋本發明。圖1展示用以檢測導電及/或可極化粒子的根據本發明之感測器的第一實施例之截面圖；圖2a及圖2b展示可能電極層之描繪；圖3展示通路之不同截面大小之描繪；圖4展示感測器中之可能通路之又一截面輪廓之描繪；圖5及圖6展示絕緣體或凹陷絕緣體中之底切之截面圖；圖7a及圖7b展示感測器在液流中之可能配置之描繪。

下文對於相同且具有相同效應之部分使用相同參考符號。

Claims

一種用以檢測導電及/或可極化粒子之感測器，特別是用以檢測煙灰粒子之感測器，該感測器包含一基體，其特徵在於：一第一平面中之一第一結構化絕緣體，一第二平面中之一第一結構化電極層，一第三平面中之一第二結構化絕緣體，以及一第四平面中之一第二結構化電極層，該第一結構化絕緣體、該第一結構化電極層、該第二結構化絕緣體及該第二結構化電極層以下列方式直接地或間接地配置於該基體之至少一側上：在至少一結構化電極層及/或一結構化絕緣體中，形成待檢測之粒子可進入的至少一開口，其中該等電極層各具有至少兩個電極或至少兩個導體軌道、或至少一個電極與至少一個導體軌道之一組合，藉此該等電極及/或導體軌道係暴露於該等開口用於與該等粒子之電氣接觸。
如請求項1之感測器，其中至少一電極層分別包含至少在一些區域中部分平行延伸之至少兩個互鎖電極或至少兩個互鎖導體軌道、或彼此互鎖或交織的至少一電極與至少一導體軌道之一組合。
如請求項1或2之感測器，其中在該等電極及/或導體軌道之間，穿過至少兩個平面形成一個處於另一個上方之開口，該等開口對於待檢測之該等粒子為開放。
如請求項1或2之感測器，其中一/該結構化絕緣體至少在區段中具有一疊加之結構化電極層，特別是疊加之電極及/或導體軌道之結構。
如請求項1或2之感測器，其中一導電層，特別是一平坦金屬層，係形成於該基體與該第一結構化絕緣體之間，該導電層覆蓋特別是在該等開口之區域中的該基體。
如請求項1或2之感測器，其中至少一導體軌道，特別是一導熱體，係形成於該基體與該第一結構化絕緣體之間及/或形成於該基體之又一側上及/或形成於一偶數編號平面中。
如請求項1或2之感測器，其中至少一電極及/或至少一導體軌道係由一導電材料形成，特別是由金屬或一合金形成，特別是由一高耐熱性金屬或一高耐熱性合金形成，尤佳由來自鉑系之一金屬或來自鉑系之一金屬之一合金形成。
如請求項1或2之感測器，其中在最上部之結構化電極層的背向該第一結構化絕緣體之側上，存在至少一覆蓋層，其特別是由陶瓷及/或玻璃及/或金屬氧化物或其任何組合製成。
如請求項1或2之感測器，其中至少一開口係塑形為一盲孔。
如請求項1或2之感測器，其中至少一開口係為線形或曲折形或網格形或螺旋形。
如請求項1或2之感測器，其中至少一開口係形成為一細長凹痕。
一種感測器系統，其包含如請求項1至11中任一項之至少一感測器及至少一電路，特別是至少一控制電路，該控制電路以使該感測器可以一量測模式及/或一清洗模式及/或一監視模式操作的方式形成。
一種用以控制如請求項1至11中任一項之感測器的方法，其特徵在於：該感測器選擇性地以一量測模式及/或清洗模式及/或監視模式操作。
如請求項13之方法，其中在該量測模式中，量測該感測器之一平面的該等電極及/或導體軌道之間的一電阻改變、及/或該感測器之一平面的該等電極及/或導體軌道的一電容改變。
一種感測器的應用，該感測器係如請求項1至11中任一項之用以檢測導電及/或可極化粒子的感測器，特別是用以檢測煙灰粒子的感測器。
如請求項15之應用，其中該等粒子之流動方向並不垂直地撞擊結構化電極層之平面。
如請求項15或16之應用，其中最上部之結構化電極層之該平面上之法線與該等粒子之流動方向之間的角度為至少1度。
如請求項15或16之應用，其中該等粒子之流動方向與該等電極或導體軌道之較佳軸線之間的角度在20度與90度之間。