Sensor zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, Sensorsystem, Verfahren zum Betreiben eines Sensors und Verwendung eines derartigen Sensors
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Sensorsystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors und eine Verwendung eines derartigen Sensors.
Aus dem Stand der Technik sind Sensoren bekannt, die einen Sensorträger aufweisen, wobei auf diesem Sensorträger in planarer Anordnung Elektroden und Heizstrukturen angeordnet sind. In einem Detektionsbetrieb lagern sich
polarisierbare und/oder elektrisch leitfähige Partikel auf dieser planaren
Anordnung ab. Die abgelagerten Partikel bewirken eine Reduzierung des
Widerstandes zwischen den Elektroden, wobei dieser Abfall des Widerstandes als Maß für die abgelagerte Partikelmasse herangezogen wird. Nach dem Erreichen eines vordefinierten Schwellwertes bezüglich des Widerstandes wird die
Sensoranordnung mit den Heizstrukturen erhitzt, so dass die abgelagerten
Partikel verbrannt werden und der Sensor nach dem Reinigungsverfahren für einen weiteren Detektionszyklus genutzt werden kann.
In der DE 10 2005 029 219 AI wird ein Sensor zur Detektion von Partikel in einem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren beschrieben, wobei die Elektroden-, Heizer- und Temperatursensoren-Strukturen in einer planaren Anordnung auf einem Sensorträger aufgebracht sind. Ein Nachteil dieser Sensoranordnung besteht darin, dass bei den zu überbrückenden Elektroden eine Mindestlänge notwendig ist, um in einen akzeptablen Empfindlichkeitsbereich beim Messen von leitfähigen und polarisierbaren Partikel, wie z. B. Ruß, gelangen zu können. Hierzu ist allerdings eine bestimmte Größe des Sensorbauelements notwendig, um die Mindestlänge für die zu überbrückenden Elektroden zu erreichen. Dies bringt entsprechende Kostennachteile bei der Herstellung dieser Sensorbauelemente mit sich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weiterentwickelten Sensor zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel, anzugeben, wobei der Sensor hinsichtlich seiner Größe minimiert ist, so dass die vorerwähnten Nachteile überwunden werden können.
Des Weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors und eine verbesserte Verwendung eines derartigen Sensors anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Sensor zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel, gemäß Anspruch 1 gelöst. Im Hinblick auf das Sensorsystem wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 12 gelöst. Im Hinblick auf das Verfahren zum Betreiben eines Sensors wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 13 gelöst. Im Hinblick auf die Verwendung eines Sensors wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 15 gelöst.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Sensors bzw. der erfindungsgemäßen Verwendung des Sensors sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen Sensor zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel, anzugeben, umfassend ein Substrat, wobei auf mindestens einer Seite des Substrats mittelbar oder unmittelbar in einer ersten Ebene ein erster strukturierter Isolator, in einer zweiten Ebene eine erste strukturierte
Elektrodenschicht, in einer dritten Ebene ein zweiter strukturierter Isolator und in einer vierten Ebene eine zweite strukturierte Elektrodenschicht derart angeordnet sind, dass in mindestens einer strukturierten Elektrodenschicht und/oder in einem strukturierten Isolator mindestens eine Öffnung ausgebildet ist, die für die zu detektierenden Partikel zugänglich ist, wobei die Elektrodenschichten jeweils mindestens zwei Elektroden oder mindestens zwei Leiterbahnen oder eine
Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn aufweisen.
Mit anderen Worten wird ein Sensor zur Verfügung gestellt, wobei mindestens eine erste und eine zweite strukturierte Elektrodenschicht horizontal übereinander angeordnet sind und zwischen den beiden strukturierten Elektrodenschichten mindestens ein strukturierter Isolator ausgebildet ist. Zwischen dem Substrat und der ersten strukturierten Elektrodenschicht der zweiten Ebene befindet sich mindestens ein erster strukturierter Isolator.
Das Substrat ist im Allgemeinen flächig ausgebildet, so dass es zumindest zwei Flächen aufweist, die deutlich größer sind als die anderen Flächen. Es sind aber auch andere Formen möglich, in welchen beispielsweise alle Flächen in etwa gleichgroß sind (Würfel, Tetraeder etc.) oder nur eine Fläche größer ist als die andere(n) (z. B. Zylinder oder Halbkugel). Die Elektroden- bzw. Isolatorschichten sind auf mindestens einer der Flächen angebracht, können aber auch mehrere Flächen bedecken. Die Dicke des Substrates kann mehrere mm betragen, bevorzugt liegt sie in einem Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,3 mm bis 0,4 mm.
Das Substrat kann aus einem isolierenden oder leitenden oder halbleitenden Material bestehen. Als isolierende Materialien kommen beispielsweise Metalloxide, Gläser, Keramiken und/oder Glaskeramiken in Frage. Bevorzugt werden Al203 oder Zr02 oder MgO eingesetzt. Als leitende Materialien werden Metalle oder Legierungen oder leitfähige Keramiken verwendet, die einen Schmelzpunkt haben, der oberhalb der Einsatztemperatur liegt. Bevorzugt werden Nickel- oder
Nickeleisenlegierungen oder Aluminium- oder Aluminiumchromlegierungen eingesetzt. Als Halbleiter kommen beispielsweise Silizium oder Siliziumkarbid in Frage.
Wenn als Substrat ein Metall oder ein Halbleiter eingesetzt wird, kann eine Elektrodenschicht eingespart und die Gesamtdicke des Sensors reduziert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn auf beiden Seiten des Substrates weitere Schichten aufgebracht werden. Es ist möglich, das Metallsubstrat als Leiterbahn auszuführen und als Heizleiter oder Temperatursensor einzusetzen. Dazu werden vorzugsweise bei der Erzeugung der Isolatorschicht die
Zwischenräume zwischen den Leiterbahnen aufgefüllt und die
Leiterbahnabschnitte voneinander isoliert.
Es ist möglich, dass der Sensor mehr als vier Ebenen aufweist, so dass das Substrat weitere strukturierte Elektrodenschichten und weitere strukturierte Isolatoren aufweisen kann. Eine Ebene mit ungerader Zahl weist mit anderen Worten einen strukturierten Isolator auf, wohingegen eine geradzahlige Ebene eine strukturierte Elektrodenschicht aufweist. Sofern mehr als zwei strukturierte Elektrodenschichten ausgebildet sind, ist der Sensor vorzugsweise immer derart ausgebildet, dass zwischen zwei strukturierten Elektrodenschichten immer ein strukturierter Isolator ausgebildet ist. Die Anzahl der Ebenen berechnet sich ausgehend von dem Substrat bzw. von einer Seite des Substrates.
Die strukturierten Elektrodenschichten sind übereinander, insbesondere übereinander geschichtet, angeordnet, wobei die strukturierten
Elektrodenschichten mittels mindestens eines strukturierten Isolators jeweils voneinander beabstandet sind.
Der erfindungsgemäße Sensor kann beispielsweise mindestens drei strukturierte Elektrodenschichten und mindestens drei strukturierte Isolatoren umfassen, wobei zwischen zwei strukturierten Elektrodenschichten immer ein Isolator ausgebildet ist. Ein erster strukturierter Isolator ist vorzugsweise auf einer Seite des Substrates ausgebildet.
Ein strukturierter Isolator kann aus zwei oder mehreren Teilschichten bestehen, die nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein können. Zwei oder mehrere Teilschichten eines strukturierten Isolators können aus unterschiedlichen Materialien bestehen und/oder unterschiedliche Materialien aufweisen.
Eine strukturierte Elektrodenschicht kann aus mindestens zwei Elektroden oder mindestens zwei Leiterbahnen oder einer Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn bestehen. Eine Elektrodenschicht kann demnach auch drei Elektroden oder drei Leiterbahnen oder eine Kombination aus zwei Elektroden und einer Leiterbahn aufweisen. Außerdem ist es möglich, dass die verschiedenen Elektrodenschichten jeweils unterschiedlich aufgebaut sind. Mit anderen Worten können die mindestens zwei Elektrodenschichten aus
unterschiedlich vielen Elektroden und/oder Leiterbahnen gebildet sein.
Mindestens eine Elektrodenschicht weist vorzugsweise jeweils mindestens zwei ineinandergreifende Elektroden oder mindestens zwei ineinandergreifende oder
zumindest in Teilbereichen parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen oder eine Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer
Leiterbahn, auf, die ineinandergreifen oder miteinander verwoben sind. Das Ineinandergreifen kann demnach als eine„miteinander verwoben" oder „ineinander verschachtelt" oder„ineinander verschlungen" oder„miteinander verflochten" bezeichnet werden.
Die einzelnen Elektrodenschichten können dabei unterschiedliche Strukturen aufweisen.
Es ist auch möglich, dass Elektrodenschichten zueinander gekreuzt ausgebildet sind.
Der erfindungsgemäße Sensor kann mit anderen Worten einen Schichtverbund aufweisen, der mindestens zwei Isolatoren und mindestens zwei strukturierte Elektrodenschichten umfasst.
Des Weiteren ist es möglich, dass zwischen den Elektroden und/oder
Leiterbahnen übereinander liegende Öffnungen durch mindestens zwei Ebenen ausgebildet sind, wobei die Öffnungen für die zu detektierenden Partikel zugänglich sind. Mit anderen Worten weisen mehrere Schichten des Substrats, insbesondere mehrere strukturierte Elektrodenschichten und/oder mehrere strukturierte Isolatoren Öffnungen auf, wobei die Öffnungen derart übereinander angeordnet sind, dass ein Partikel in eine Öffnung einer weiter unten liegenden strukturierte Elektrodenschicht eindringen kann. Die Öffnungen können auch durch das Substrat hindurch gehen und ebenfalls in Öffnungen von weiteren Elektroden und Isolatorschichten (Ebenen) auf der anderen Seite übergehen. Die Öffnungen sind im Allgemeinen übereinander angeordnet, so dass Durchgänge entstehen, die sich über mehrere Ebenen erstrecken. Die Öffnungen können aber auch zumindest in Teilbereichen des Sensors derart angeordnet sein, dass sie teilweise oder gar nicht übereinander liegen.
Vorzugsweise ist die Öffnung mindestens einer Elektrodenschicht mit Abstand zu dem Randbereich dieser Elektrodenschicht und die Öffnung mindestens eines Isolators mit Abstand zu dem Randbereich des Isolators ausgebildet. Die
Öffnungen sind demnach vorzugsweise nicht randlagig bzw. nicht an den
Seitenrändern der betreffenden Schichten ausgebildet.
Die erste strukturierte Elektrodenschicht und die zweite strukturierte Elektrodenschicht sind durch den dazwischen befindlichen zweiten strukturierten Isolator voneinander isoliert. Aufgrund eines derartigen Aufbaus kann ein sehr empfindlicher bzw. sensitiver Sensor gebildet werden, der im Vergleich zu
Sensoren des Standes der Technik eine geringere Baugröße aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in einer fünften Ebene ein dritter strukturierter Isolator ausgebildet sein.
Des Weiteren ist es möglich, dass in einer/der fünften Ebene ein dritter strukturierte Isolator und in einer sechsten Ebene mindestens eine dritte strukturierte Elektrodenschicht mit mindestens zwei Elektroden oder mindestens zwei Leiterbahnen oder einer Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn ausgebildet ist.
Neben dem Ausbilden einer fünften Ebene und/oder einer sechsten Ebene ist es möglich, dass in weiteren Ebenen weitere strukturierte Isolatoren und weitere strukturierte Elektrodenschichten ausgebildet sind, wobei die Elektrodenschichten jeweils mindestens zwei Elektroden oder mindestens zwei Leiterbahnen oder eine Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn aufweisen können.
Ein/der strukturierte Isolator kann zumindest abschnittsweise die Struktur einer darüber angeordneten strukturierten Elektrodenschicht, insbesondere von darüber angeordneten Elektroden und/oder darüber angeordneten Leiterbahnen, aufweisen. Des Weiteren ist es möglich, dass ein/der strukturierte Isolator zumindest abschnittsweise die Struktur einer darunter angeordneten
strukturierten Elektrodenschicht, insbesondere von darunter angeordneten
Elektroden und/oder Leiterbahnen, aufweist.
Zwischen dem Substrat und dem ersten strukturierten Isolator bzw. zwischen dem Substrat und der ersten Ebene mit einem ersten strukturierten Isolator kann eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine flächige Metallschicht, ausgebildet sein, die das Substrat insbesondere im Bereich der Öffnungen bedeckt. Die flächige Metallschicht kann strukturiert sein, weist jedoch vorzugsweise keine Öffnungen oder Durchgänge auf.
Mindestens ein strukturierter Isolator kann eine Dicke von 0,1 μιτι bis 50 μιτι, insbesondere von 1,0 μιτι bis 40 μιτι, insbesondere 5,0 μιτι bis 30 μιτι,
insbesondere von 7,5 μιτι bis 20 μιτι, insbesondere von 8 μιτι bis 12 μιτι, aufweisen. Mit Hilfe der Dicke des strukturierten Isolators wird der Abstand jeweils einer ersten Elektrodenschicht zu einer weiteren Elektrodenschicht eingestellt. Die Empfindlichkeit des Sensors kann durch Verringerung des
Abstandes der übereinander befindlichen strukturierten Elektrodenschichten erhöht werden. Je geringer die Dicke des Isolators ausgebildet ist, desto empfindlicher bzw. sensitiver ist der Sensor ausgebildet.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Dicke(n) der Elektrodenschicht(en) und/oder die Dicke(n) des Isolators/der Isolatoren eines Substrats
variiert/variieren.
Es ist möglich, dass die Isolatoren unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Die Abstände zwischen den Elektrodenschichten können somit variieren. Mit Hilfe unterschiedlicher Schichtdicken der Isolatoren kann die Größe der detektierten Teilchen gemessen werden. Außerdem ist es möglich, aufgrund unterschiedlicher Schichtdicken der Isolatoren auf eine Teilchengrößenverteilung der detektierten Teilchen zu schließen.
Mindestens ein strukturierter Isolator kann aus Aluminiumoxid (Al203) oder Siliziumdioxid (Si02) oder Magnesiumoxid (MgO) oder Siliziumnitrit (Si3N4) oder Glas oder Keramik oder Glaskeramik oder einem Metalloxid oder einer beliebigen Mischung davon gebildet sein.
Es ist möglich, dass mindestens ein strukturierter Isolator mindestens eine darunter befindliche strukturierte Elektrodenschicht seitlich ummantelt. Mit anderen Worten kann dieser Isolator die Seitenflächen der Elektrodenschicht derart abdecken, dass diese Elektrodenschicht seitlich isoliert ist.
Zwischen dem Substrat und dem ersten strukturierten Isolator und/oder auf einer weiteren Seite des Substrats und/oder in einer geradzahligen Ebene kann mindestens eine Leiterbahn als ein Heizleiter ausgebildet sein.
Mindestens eine Elektrode und/oder mindestens eine Leiterbahn kann aus einem leitfähigen Material, insbesondere aus Metall oder einer Legierung, insbesondere aus einem hochtemperaturfesten Metall oder einer hochtemperaturfesten
Legierung, besonders bevorzugt aus einem Metall der Platinmetalle oder aus einer Legierung aus einem Metall der Platinmetalle gebildet sein. Bei den Elementen der Platinmetalle handelt es sich um Palladium (Pd), Platin (Pt), Rhodium (Rh), Osmium (Os) und Iridium (Ir). Auch Unedelmetalle wie Nickel (Ni) oder
Unedelmetalllegierungen wie Nickel/Chrom oder Nickel/Eisen können zum Einsatz kommen.
Des Weiteren ist es möglich, dass mindestens eine Elektrode und/oder
mindestens eine Leiterbahn aus einer leitfähigen Keramik oder einer Mischung aus Metall und Keramik gebildet ist. Beispielsweise kann mindestens eine
Elektrodenschicht aus einer Mischung aus Platinkörnern (Pt) und
Aluminiumoxidkörpern (Al203) gebildet werden. Es ist auch möglich, dass mindestens eine Elektrode und/oder mindestens eine Leiterbahn Siliziumkarbid (SiC) aufweist oder aus Siliziumkarbid (SiC) gebildet ist. Die genannten
Materialien und Metalle oder Legierungen aus diesen Metallen sind besonders hoch temperaturfest und eignen sich demnach zur Bildung eines Sensorelements, das zur Detektion von Rußpartikel in einem Abgasstrom von
Verbrennungsmotoren eingesetzt werden kann.
Die Dicke der Elektroden oder Leiterbahnen kann in einem weiten Bereich variieren, es können Dicken in einem Bereich von 10 nm bis zu 1000 μιτι eingesetzt werden. Vorzugsweise werden Dicken im Bereich von 100 nm bis 100 μιτι, besonders bevorzugt im Bereich von 0,6 μιτι bis 1,2 μιτι und ganz besonders bevorzugt von 0,8 μιτι bis 0,9 μιτι eingesetzt.
Die Breite der Elektroden oder Leiterbahnen kann in einem weiten Bereich variieren, es können Breiten in einem Bereich von 10 μιτι bis 10 mm verwendet werden. Vorzugsweise werden Breiten von 30 μιτι bis 300 μιτι, besonders bevorzugt von 30 μιτι bis 100 μιτι und ganz besonders bevorzugt von 30 μιτι bis 40 μιτι verwendet.
Auf der vom ersten strukturierten Isolator abgewandten Seite der obersten strukturierten Elektrodenschicht kann mindestens eine Abdeckschicht, die insbesondere aus Keramik und/oder Glas und/oder Glaskeramik und/oder
Metalloxid oder beliebigen Kombinationen davon gebildet ist, ausgebildet sein. Mit anderen Worten ist die mindestens eine Abdeckschicht auf einer zum ersten strukturierten Isolator gegenüberliegend ausgebildeten Seite der obersten
Elektrodenschicht ausgebildet. Die Abdeckschicht kann als Diffusionsbarriere dienen und reduziert zusätzlich ein Abdampfen der Elektrodenschicht bzw. der obersten Elektrodenschicht bzw. der Elektrodenschicht höchster geradzahliger Ebene. Dies ist vor allem bei hohen Temperaturen oberhalb von ca. 700°C von Bedeutung. In einem Abgasstrom können beispielsweise bis zu 850° Celsius und darüber erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Abdeckschicht zusätzlich den obersten Isolator und/oder weitere Elektrodenschichten seitlich ummanteln. Mit anderen Worten können sowohl die Seitenflächen der obersten Elektrodenschicht als auch die Seitenflächen der darunter angeordneten
Isolatoren mit mindestens einer Abdeckschicht bedeckt sein. Der seitliche
Ummantelungsteil bzw. der seitliche Ummantelungsbereich der Abdeckschicht kann demnach von der obersten Elektrodenschicht bis zur untersten
Elektrodenschicht reichen. Dies bewirkt eine seitliche Isolierung der
Elektrodenschicht(en) und/oder des Isolators/der Isolatoren.
Es ist möglich, dass mindestens eine Abdeckschicht, die oberste Elektrodenschicht nicht vollständig abdeckt. Mit anderen Worten ist es möglich, dass mindestens eine Abdeckschicht die oberste Elektrodenschicht lediglich abschnittsweise abdeckt.
Sofern die oberste Elektrodenschicht als Heizschicht ausgebildet ist, ist es möglich, dass lediglich die Abschnitte der Heizschleife/Heizwendel von der mindestens einen Abdeckschicht abgedeckt/bedeckt sind. Als oberste
Elektrodenschicht ist die Elektrodenschicht definiert, die zum Substrat am entferntesten angeordnet ist. Als unterste Elektrodenschicht ist die
Elektrodenschicht zu verstehen, die am nächsten zum Substrat angeordnet ist. Als oberster Isolator ist der Isolator zu verstehen, der vom Substrat am weitesten beabstandet ist. Als unterster Isolator ist der Isolator zu verstehen, der am nächsten zum Substrat ausgebildet ist.
Auf der obersten Elektrodenschicht und/oder auf der Abdeckschicht kann eine poröse Filterschicht ausgebildet sein. Mit Hilfe einer derartigen porösen
Filterschicht können der Anordnung von Elektrodenschichten und Isolatoren große Partikelteile ferngehalten werden. Mindestens eine der Poren oder mehrere Poren der Filterschicht sind so gestaltet, dass sie einen Durchgang durch die
Filterschicht gewährleistet, den Partikel der entsprechenden Größe passieren können. Die Porengröße der Filterschicht kann beispielsweise > 1 μιτι betragen. Bei der porösen Filterschicht kann es sich auch um eine mikrostrukturierte Schicht handeln, in welcher Öffnungen mit definierter Größe vorliegen oder erzeugt werden.
Besonders bevorzugt ist die Porengröße in einem Bereich von 20 μιτι bis 30 μιτι ausgebildet. Die poröse Filterschicht kann beispielsweise aus einem keramischen Material gebildet sein. Des Weiteren ist es denkbar, dass die poröse Filterschicht aus einem Aluminiumoxidschaum gebildet ist. Mit der Hilfe der Filterschicht, die auch die Öffnung(en) des Sensors bedeckt, können die, die Messung störende große Partikel, insbesondere Rußpartikel, von dem mindestens einem Durchgang ferngehalten werden, so dass derartige Partikel keinen Kurzschluss verursachen können.
Der Sensor weist mindestens eine Öffnung auf. Mindestens eine Öffnung des Sensors kann als Sackloch ausgebildet sein, wobei ein Abschnitt des ersten Isolators oder ein Abschnitt der ersten strukturierten Elektrodenschicht oder ein Abschnitt der optional ausgebildeten flächigen Metallschicht als Boden des Sacklochs ausgebildet ist. Sofern der Sensor eine Abdeckschicht aufweist, erstreckt sich die Öffnung auch über diese Abdeckschicht. Mit anderen Worten weisen dann sowohl die Elektrodenschichten als auch die Isolatoren und die Abdeckschicht jeweils eine Öffnung auf, wobei diese Öffnungen derart
übereinander angeordnet sind, dass diese einen Durchgang, insbesondere ein Sackloch oder eine längliche Vertiefung, bilden, dessen Boden durch einen Abschnitt der untersten Elektrodenschicht oder einen Abschnitt des untersten Isolators oder einen Abschnitt der flächigen Metallschicht gebildet ist. Der Boden der Öffnung, insbesondere des Sacklochs oder der länglichen Vertiefung, kann beispielsweise auf der zum ersten Isolator zugewandten oberen Seite der ersten Elektrodenschicht ausgebildet sein. Des Weiteren ist es denkbar, dass die erste Elektrodenschicht eine Vertiefung aufweist, die den Boden des Sackloches oder der länglichen Vertiefung bildet.
Die mindestens eine Öffnung des Sensors kann linienförmig oder mäandrierend oder gitterförmig oder spiralartig ausgebildet sein.
Die mindestens eine Öffnung, insbesondere mindestens eine längliche Vertiefung, kann zumindest abschnittsweise einen V-förmigen und/oder U-förmigen und/oder einen halbrunden und/oder einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
Der Öffnungsquerschnitt eines beispielsweise ausgebildeten Sackloches kann rund oder quadratisch oder rechteckig oder linsenförmig oder wabenförmig vieleckig oder dreieckig oder hexagonal sein. Auch andersartige Ausgestaltungen, insbesondere Freiformen, sind denkbar.
Beispielsweise ist es möglich, dass das Sackloch einen quadratischen Querschnitt mit einer Fläche von 3 x 3 μιτι2 bis 150 x 150 μιτι2, insbesondere von 10 x 10 μιτι2 bis 100 x 100 μιτι2, insbesondere von 15 x 15 μιτι2 bis 50 x 50 μιτι2, insbesondere von 20 x 20 μιτι2, aufweist.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann der Sensor eine Vielzahl von
Durchgängen oder Öffnungen, insbesondere ein Vielzahl von Sacklöchern und/oder länglichen Vertiefungen, aufweisen, wobei diese Sacklöcher und/oder länglichen Vertiefungen wie bereits beschrieben ausgebildet sein können. Des Weiteren ist es möglich, dass mindestens zwei Durchgänge, insbesondere zwei Sacklöcher und/oder zwei längliche Vertiefungen, unterschiedliche Querschnitte, insbesondere unterschiedlich große Querschnitte, aufweisen, so dass ein Sensor- Array mit mehreren Feldern gebildet werden kann, bei dem mehrere Messzellen mit unterschiedlich großen Sackloch-Querschnitten und/oder unterschiedlich großen Vertiefungs-Querschnitten verwendet werden können. Durch parallele Detektion von elektrisch leitfähigen und/oder polarisierbaren Partikel,
insbesondere von Rußpartikel, können zusätzliche Informationen zur Größe der Partikel bzw. zur Größenverteilung der Partikel gewonnen werden.
Der Sensor umfasst beispielsweise mehrere Durchgänge in Form länglicher Vertiefungen, wobei die Durchgänge gitterartig angeordnet sind.
Mindestens ein Durchgang, insbesondere eine längliche Vertiefung, kann zumindest abschnittsweise einen V-förmigen und/oder einen U-förmigen und/oder einen halbrunden und/oder einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
Derartige Querschnitte bzw. Querschnittsprofile verbessern die Messung runder Partikel. Außerdem wird der Golfballeffekt durch derartige Querschnitte bzw. Querschnittsprofile vermieden.
Die längliche Vertiefung kann auch als Graben und/oder Rille und/oder Kanal bezeichnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass der Sensor sowohl mindestens einen Durchgang in Form eines Sacklochs, das rund oder quadratisch oder rechteckig oder linsenförmig oder wabenförmig oder vieleckig oder dreieckig oder hexagonal ausgebildet ist, als auch mindestens einen
Durchgang in Form einer länglichen Vertiefung, die insbesondere linienförmig oder mäandrierend oder spiralförmig oder gitterförmig, ausgebildet, umfasst.
Die Breite der länglichen Vertiefung an der obersten Kante der Vertiefung kann im Bereich von 0,1 μιτι bis 500 μιτι liegen, vorzugsweise von 1 μιτι bis 200 μιτι, besonders bevorzugt im Bereich von 4 μιτι bis 100 μιτι. Die Breite der länglichen Vertiefungen in der Nähe der ersten Elektrodenschicht kann im Bereich von 0,1 μιτι bis 200 μιτι liegen, vorzugsweise im Bereich von 0,1 μιτι bis 100 μιτι, besonders bevorzugt im Bereich von 1 μιτι bis 50 μιτι. Die Breite der länglichen Vertiefungen kann/können variieren und es ist möglich, die Breite auf einem Sensor abschnittsweise zu ändern. Damit können ebenfalls Aussagen über die Größe der gemessenen Partikel getroffen werden, da große Partikel
beispielsweise nicht in enge Vertiefungen gelangen können.
Die Tiefe der Öffnungen oder Durchgänge ist abhängig von der Zahl der Ebenen und der Dicke der Schichten. Die Tiefe liegt im Bereich von 100 nm bis 10 mm, bevorzugt im Bereich von 30 μιτι bis 300 μιτι, besonders bevorzugt im Bereich von 30 μιτι bis 100 μιτι. Die Tiefe der Öffnungen und Durchgänge ist im Allgemeinen für alle Öffnungen auf einem Sensor identisch, sie kann aber auch variieren und in verschiedenen Bereichen des Sensors unterschiedlich sein.
Sofern mehrere Durchgänge in Form länglicher Vertiefungen in einem Sensor ausgebildet sind, können diese in einer oder in mehreren Vorzugsrichtungen orientiert ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass mindestens eine Öffnung eines Isolators eine Unterschneidung und/oder eine Aussparung bildet. Mit anderen Worten kann der Isolator im Vergleich zu einer über und einer unter dem Isolator angeordneten Elektrodenschicht zurückversetzt bzw. zurückgesetzt ausgebildet sein. Eine seitliche Aussparung in der Öffnung eines Isolators kann auch rund und/oder V-förmig ausgebildet sein. Das Ausbilden einer
Unterschneidung bzw. eines im Durchgang zurückversetzten Isolators verbessert die Messung runder Partikel. Partikel, insbesondere runde Partikel, werden bei einer derartigen Ausführungsform der Erfindung in einer Art und Weise an die Elektrodenschicht, insbesondere an eine Elektrode und/oder an eine Leiterbahn, zugeführt, die einen guten elektrischen Kontakt ermöglicht. Mit anderen Worten kann die Öffnung mindestens eines Isolators größer als die Öffnung der über und unter dem Isolator angeordneten Elektrodenschichten sein.
Mindestens eine strukturierte Elektrodenschicht kann eine elektrische
Kontaktierungsfläche aufweisen, die frei von über der strukturierten
Elektrodenschicht angeordneten Sensorschichten ist und an ein Anschlusspad angeschlossen oder anschließbar ist. Die Elektrodenschichten sind isoliert voneinander an Anschlusspads bzw. anschließbar. Vorzugsweise wird pro
Elektrodenschicht bzw. pro Elektrode und/oder pro Leiterbahn einer
Elektrodenschicht mindestens eine elektrische Kontaktierungsfläche gebildet, die im Bereich der Anschlusspads zur elektrischen Kontaktierung freigelegt ist. Die elektrische Kontaktierungsfläche der untersten Elektrodenschicht, d.h. der untersten Elektroden und/oder untersten Leiterbahnen, ist frei von einer möglichen Abdeckschicht und frei von Isolatoren, frei von weiteren
Elektrodenschichten und ggfs. porösen Filterschichten. Mit anderen Worten befindet sich oberhalb der elektrischen Kontaktierungsfläche der untersten Elektrodenschicht, d.h. der untersten Elektrode(n) und/oder der untersten Leiterbahn(en) weder ein Abschnitt eines darüber befindlichen Isolators noch ein Abschnitt einer darüber befindlichen Elektrodenschicht.
Die Erklärungen bzgl. der Kontaktierungsfläche im Zusammenhang mit der ersten Elektrodenschicht gilt auch für darüber befindliche Elektrodenschichten, wobei diese Kontaktierungsflächen dann frei von jeweils über der betreffenden
Elektrodenschicht liegenden Sensorschichten sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist mindestens die erste strukturierte Elektrodenschicht und/oder die zweite strukturierte
Elektrodenschicht Leiterbahnschleifen auf, derart, dass die erste
Elektrodenschicht und/oder die zweite Elektrodenschicht als Heizwendel und/oder als temperatursensitive Schicht und/oder als Schirmelektrode ausgebildet ist. Es ist auch möglich, dass eine Elektrodenschicht, insbesondere eine Elektrode und/oder eine Leiterbahn der Elektrodenschicht, zwei elektrische
Kontaktierungsflächen aufweist. Derartige Elektrodenschichten können sowohl als Heizwendel als auch als temperatursensitive Schicht und als Schirmelektrode ausgebildet sein. Durch entsprechendes elektrisches Kontaktieren der elektrischen Kontaktierungsfläche kann die betreffende Elektrodenschicht entweder heizen oder als temperatursensitive Schicht bzw. Schirmelektrode fungieren. Aufgrund einer derartigen Ausbildung der Elektrodenschicht(en) können kompakte
Sensoren bereitgestellt werden, da eine Elektrodenschicht bzw. die mindestens zwei Elektroden oder mindestens zwei Leiterbahnen oder eine Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn der betreffenden Elektrodenschicht mehrere Funktionen übernehmen kann/können. Es sind demnach keine separaten Heizwendelschichten und/oder temperatursensitive Schichten und/oder Schirmelektrodenschichten notwendig.
Beim Heizen mindestens einer Elektrodenschicht können gemessene Partikel bzw. die in Öffnungen des Sensors befindliche Partikel weggebrannt bzw. abgebrannt werden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bedingt durch den
erfindungsgemäßen Aufbau ein sehr genau messender Sensor zur Verfügung gestellt werden kann. Durch das Ausbilden einer/mehrerer dünn(er)
Isolationsschicht(en) kann die Empfindlichkeit des Sensors wesentlich erhöht werden.
Außerdem kann der erfindungsgemäße Sensor wesentlich kleiner als bekannte Sensoren konstruiert werden. Durch die Ausbildung des Sensors in einem dreidimensionalen Raum, können mehrere Elektrodenschichten und/oder mehrere Isolatoren als kleinerer Sensor gebaut werden. Des Weiteren können bei der Herstellung des Sensors wesentlich mehr Einheiten auf einem Substrat oder einem Wafer ausgebildet werden.
Der erfindungsgemäße Sensor kann zur Detektion von Partikel in Gasen
verwendet werden. Der erfindungsgemäße Sensor kann zur Detektion von Partikel in Flüssigkeiten verwendet werden. Der erfindungsgemäße Sensor kann zur Detektion von Partikel in Gasen und Flüssigkeiten bzw. Gas-Flüssigkeit-Gemischen verwendet werden. Bei der Verwendung des Sensors zur Detektion von Partikel in Flüssigkeit ist es allerdings nicht immer möglich, die Partikel abzubrennen bzw. wegzubrennen. Es besteht jedoch die Möglichkeit, die Flüssigkeit zu entfernen um dann ein Abbrennen der Partikel durchzuführen und anschließend den Sensor wieder mit der zu messenden Flüssigkeit zu beaufschlagen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Sensorsystem, umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen Sensor und mindestens eine Schaltung, insbesondere mindestens eine Steuerschaltung, die derart ausgebildet ist, dass der Sensor in einem Messmodus und/oder in einem Reinigungsmodus und/oder in einem Überwachungsmodus betreibbar ist.
Der erfindungsgemäße Sensor und/oder das erfindungsgemäße Sensorsystem kann mindestens eine Hilfselektrode aufweisen. Zwischen einer Hilfselektrode und einer strukturierten Elektrodenschicht und/oder zwischen einer Hilfselektrode und einem Bauteil des Sensorsystems, insbesondere des Sensorgehäuses, kann ein derartiges elektrisches Potential angelegt werden, dass die zu messenden Partikel vom Sensor und/oder dem Sensorsystem elektrisch angezogen bzw. angesaugt werden. Vorzugsweise wird an die mindestens eine Hilfselektrode und an mindestens eine strukturierte Elektrodenschicht eine derartige Spannung angelegt, dass Partikel, insbesondere Rußpartikel in mindestens eine Öffnung des Sensors„eingesaugt" werden.
Der erfindungsgemäße Sensor ist vorzugsweise in einem Sensorgehäuse angeordnet. Das Sensorgehäuse kann beispielsweise eine längliche Rohrform aufweisen. Das erfindungsgemäße Sensorsystem kann demnach auch ein
Sensorgehäuse umfassen.
Vorzugsweise ist der Sensor und/oder der Sensor in dem Sensorgehäuse und/oder das Sensorgehäuse derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass der Sensor, insbesondere die oberste bzw. die vom Substrat am weitesten entfernte
(Elektroden)schicht des Sensors, schräg zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist. Die Strömung trifft dabei nicht senkrecht auf die Ebene der
Elektrodenschichten auf. Vorzugsweise beträgt der Winkel α zwischen der Normalen auf der Ebene der obersten Elektrodenschicht und der
Strömungsrichtung der Partikel mindestens 1°, bevorzugt mindestens 10°, besonders bevorzugt mindestens 30°. Weiterhin ist eine Orientierung des Sensors bevorzugt, in der der Winkel ß zwischen der Strömungsrichtung der Partikel und der Vorzugsachse der Elektroden bzw. Loops zwischen 20° und 90° liegt. Die zu detektierenden Partikel gelangen in dieser Ausführungsform leichter in die Öffnungen, insbesondere in Sacklöcher oder längliche Vertiefungen, des Sensors und erhöhen damit die Empfindlichkeit.
Die Schaltung, insbesondere die Steuerschaltung, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die strukturierten Elektrodenschichten und/oder die
entsprechenden Elektroden und/oder Leiterbahnen miteinander verschaltet sind . An die Elektrodenschichten bzw. einzelne Elektrodenschichten können derartige Spannungen angelegt werden, dass der Sensor in einem Messmodus und/oder in einem Reinigungsmodus und/oder in einem Überwachungsmodus betreibbar ist.
Gemäß einem nebengeordneten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines erfindungsgemäßen Sensors und/oder eines erfindungsgemäßen Sensorsystems.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Sensor wahlweise in einem Messmodus und/oder in einem Reinigungsmodus und/oder in einem
Überwachungsmodus betrieben werden.
Im Messmodus kann bzw. können eine Änderung des elektrischen Widerstands zwischen den Elektrodenschichten bzw. zwischen den Elektroden und/oder Leiterbahnen der Elektrodenschichten des Sensors und/oder eine Änderung der Kapazitäten der Elektrodenschichten gemessen werden.
Mit anderen Worten wird im Messmodus eine Änderung des elektrischen
Widerstands zwischen den Elektroden und/oder Leiterbahnen einer Ebene des Sensors und/oder eine Änderung der Kapazitäten der Elektroden und/oder Leiterbahnen einer Ebene des Sensors gemessen.
Es ist möglich, dass im Messmodus eine Änderung des elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden oder Leiterbahnen von mindestens zwei Ebenen des
Sensors und/oder eine Änderung der Kapazität der Elektroden und/oder
Leiterbahnen von mindestens zwei Ebenen des Sensors gemessen wird/werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Partikel aufgrund einer gemessenen Widerstandsänderung zwischen den Elektrodenschichten und/oder den Elektroden und/oder den Leiterbahnen sowohl einer als auch mehrerer Elektrodenschichten detektiert bzw. gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich können Partikel aufgrund einer gemessenen Impedanzänderung und/oder durch eine Messung der Kapazität der Elektrodenschicht(en) und/oder der Elektrod(en) und/oder der Leiterbahn(en) einer oder mehrerer Elektrodenschichten detektiert bzw. gemessen werden. Vorzugsweise wird eine Widerstandsänderung zwischen Elektrodenschichten gemessen.
Im Messmodus kann eine elektrische Widerstandsmessung, also eine Messung nach dem resistiven Prinzip, durchgeführt werden. Hierbei wird der elektrische Widerstand zwischen zwei Elektrodenschichten gemessen, wobei der elektrische Widerstand abnimmt, wenn ein Partikel, insbesondere ein Rußpartikel,
mindestens zwei Elektrodenschichten und/oder mindestens zwei Elektroden und/oder mindestens zwei Leiterbahnen, die als elektrische Leiter wirken, verbrückt.
Grundsätzlich gilt im Messmodus, dass durch Anlegen verschiedener Spannungen an den Elektrodenschichten und/oder an den Elektroden und/oder an den
Leiterbahnen verschiedene Eigenschaften der zu messenden Partikel,
insbesondere von Rußpartikel, detektiert werden können. Beispielsweise können die Partikelgröße und/oder der Partikeldurchmesser und/oder die elektrische Aufladung und/oder die Polarisierbarkeit des Partikels bestimmt werden.
Sofern mindestens eine Elektrodenschicht oder mindestens eine Elektrode oder mindestens eine Leiterbahn auch als Heizwendel bzw. Heizschicht verwendet wird bzw. schaltbar ist, kann eine elektrische Widerstandsmessung zusätzlich dazu dienen, den Zeitpunkt der Aktivierung der Heizwendel bzw. Heizschicht zu bestimmen. Die Aktivierung der Heizwendel bzw. Heizschicht entspricht einem durchzuführenden Reinigungsmodus.
Vorzugsweise deutet ein Abnehmen des elektrischen Widerstandes zwischen mindestens zwei Elektrodenschichten und/oder zwischen mindestens zwei
Elektroden und/oder zwischen mindestens zwei Leiterbahnen und/oder zwischen einer Kombination aus einer Elektrode und einer Leiterbahn, darauf hin, dass Partikel, insbesondere Rußpartikel, auf bzw. zwischen den Elektrodenschichten und/oder Elektroden und/oder Leiterbahnen abgeschieden wurden. Sobald der elektrische Widerstand einen unteren Schwellenwert erreicht, erfolgt das
Aktivieren der Heizwendel bzw. Heizschicht. Die Partikel werden mit anderen Worten abgebrannt. Mit steigender Anzahl abgebrannter Partikel bzw. eines abgebrannten Partikelvolumens steigt der elektrische Widerstand . Das Abbrennen wird vorzugsweise derart lang durchgeführt, bis ein oberer elektrischer
Widerstandswert gemessen wird . Mit dem Erreichen eines oberen elektrischen Widerstandwerts wird auf einen regenerierten bzw. gereinigten Sensor
geschlossen. Anschließend kann ein neuer Messzyklus beginnen bzw.
durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, eine Änderung der Kapazitäten der Elektrodenschichten und/oder der Elektroden und/oder der Leiterbahnen und/oder einer Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn zu messen. Eine zunehmende Beladung mit Partikel, insbesondere Rußpartikel, führt zu einem Anstieg der Kapazität der Elektrodenschichten und/oder Elektroden und/oder Leiterbahnen. Die Belegung des Sensors mit Partikel führt zu einer Ladungsverschiebung bzw. einer Veränderung der
Permittivität (ε), die zu einer Erhöhung der Kapazität (C) führt. Grundsätzlich gilt: C = (ε x A)/d, wobei A für die aktive Elektrodenfläche der Elektrodenschicht und/oder der Elektrode und/oder der Leiterbahn und d für den Abstand zwischen zwei Elektrodenschichten und/oder Elektroden und/oder Leiterbahnen steht.
Die Messung der Kapazität kann beispielhaft durchgeführt werden durch :
• Bestimmen der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bei einem konstanten Strom- und/oder
• Anlegen einer Spannung und Bestimmen des Ladestroms und/oder
• Anlegen einer Wechselspannung und Messen des Stromverlaufs und/oder
• Bestimmen der Resonanzfrequenz mittels eines LC-Schwingkreises.
Die beschriebene Messung der Änderung der Kapazitäten der Elektrodenschichten kann auch im Zusammenhang mit einem durchzuführenden Überwachungsmodus durchgeführt werden.
Gemäß der OBD (on board diagnose)-Verordnung müssen alle abgasrelevanten Teile und Komponenten auf Funktion überprüft werden. Die Funktionsüberprüfung ist beispielsweise direkt nach dem Starten bzw. Anlassen eines Kraftfahrzeugs durchzuführen.
Beispielsweise kann mindestens eine Elektrodenschicht zerstört sein, wobei dies mit einer Reduzierung der aktiven Elektrodenfläche A einhergeht. Da die aktive Elektrodenfläche A direkt proportional zur Kapazität C ist, nimmt die gemessene Kapazität C einer zerstörten Elektrodenschicht oder einer zerstörten Elektrode oder einer zerstörten Leiterbahn ab.
Im Überwachungsmodus ist es alternativ oder zusätzlich möglich, die
Elektrodenschichten und/oder Elektroden und/oder Leiterbahnen als Leiterkreise auszubilden. Die Leiterkreise können als geschlossene oder offene Leiterkreise ausgebildet sein, die bei Bedarf, z. B. durch einen Schalter, geschlossen werden können.
Außerdem ist es möglich, die Elektrodenschichten oder die Elektroden und/oder die Leiterbahnen über mindestens einen Schalter zu mindestens einem Leiterkreis zu schließen, wobei im Überwachungsmodus überprüft wird, ob durch den mindestens einen Leiterkreis ein Test- bzw. Prüfstrom fließt. Sofern eine
Elektrodenschicht, insbesondere eine Elektrode oder eine Leiterbahn, einen Riss oder eine Beschädigung aufweist bzw. zerstört ist, würde kein oder nur ein sehr geringer Test- bzw. Prüfstrom fließen.
Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung sind mehrere Verwendungen eines erfindungsgemäßen Sensors besonders bevorzugt. Gemäß nebengeordnetem Patentanspruch 15 betrifft eine erfindungsgemäße Verwendung eines Sensors die Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere die Detektion von Rußpartikel.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines
erfindungsgemäßen Sensors zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder
polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel, wobei die Strömungsrichtung der Partikel nicht senkrecht auf die Ebene der strukturierten Elektrodenschicht auftrifft.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines
erfindungsgemäßen Sensors zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel, wobei der Winkel α zwischen der Normalen auf der Ebene der obersten strukturierten Elektrodenschicht und der Strömungsrichtung der Partikel mindestens 1°, bevorzugt mindestens 10°, besonders bevorzugt mindestens 30°, beträgt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die erfindungsgemäße Verwendung eines Sensors zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel, wobei der Winkel ß zwischen der Strömungsrichtung der Partikel und der Vorzugsrichtung einer Elektrode und/oder einer Leiterbahn zwischen 20° und 30° liegt. Als
Vorzugsrichtung einer Elektrode und/oder einer Leiterbahn und/oder eines Loops ist die Achse zu verstehen, in der die Elektrode und/oder die Leiterbahn und/oder der Loop sich hauptsächlich erstreckt. Leiterbahnschleifen und/oder Elektroden weisen demnach eine Hauptvorzugsrichtung auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 : eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel;
2a + 2b: Darstellungen möglicher Elektrodenschichten;
Fig. 3: Darstellung verschiedener Querschnittsgrößen von
Durchgängen;
Fig. 4: Darstellungen eines weiteren Querschnittprofils eines möglichen Durchgangs im Sensor;
Fig. 5 + 6: Schnittdarstellung von Unterschneidungen in
Isolatoren bzw. zurückgesetzten Isolatoren; und
Fig. 7a +7b: Darstellung einer möglichen Anordnung eines Sensors in einem Fluidstrom.
Im Folgenden werden für gleiche und gleichwirkende Teile gleiche Bezugsziffern verwendet.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Sensor 10 zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel, dargestellt. Der Sensor 10 kann prinzipiell zur Detektion von Partikel in Gasen und in Flüssigkeiten verwendet werden.
Der Sensor 10 umfasst ein Substrat 11 sowie einen, über dem Substrat 11, insbesondere auf der ersten Seite 12 des Substrates 11 aufgebauten
Schichtverbund. Auf der ersten Seite 12 des Substrates 11 ist eine elektrisch leitfähige Schicht 13, insbesondere eine flächige Metallschicht, ausgebildet.
Oberhalb dieser elektrisch leitfähigen Schicht 13 sind mehrere Ebenen, insbesondere sieben Ebenen El, E2, E3, E4, E5, E6 und E7 ausgebildet. In einer ersten Ebene El ist ein erster strukturierter Isolator 20 ausgebildet. In der zweiten Ebene E2 ist eine erste strukturierte Elektrodenschicht 31 ausgebildet, wobei die erste strukturierte Elektrodenschicht 31 aus einer ersten Elektrode 40 und einer zweiten Elektrode 40λ gebildet ist. In der dritten Ebene E3, in der fünften Ebene E5 und in der siebten Ebene E7 sind wiederum strukturierte Isolatoren, nämlich der strukturierte Isolator 21, der strukturierte Isolator 22 sowie der strukturierte Isolator 23 ausgebildet. In der vierten Ebene E4 ist die zweite Elektrodenschicht 32 ausgebildet. Die zweite Elektrodenschicht 32 besteht aus der ersten Elektrode 41 und der zweiten Elektrode 4 . In der sechsten Ebene E6 ist eine dritte Elektrodenschicht 33 ausgebildet. Die dritte Elektrodenschicht 33 besteht aus der ersten Elektrode 42 und der zweiten Elektrode 42\
In den Ebenen mit ungerader Zahl, nämlich in den Ebenen El, E3, E5 und E7 sind somit die Isolatoren 20, 21, 22 und 23 ausgebildet. In den Ebenen mit gerader Zahl, nämlich in den Ebenen E2, E4 und E6 sind Elektrodenschichten, nämlich die erste Elektrodenschicht 31, die zweite Elektrodenschicht 32 sowie die dritte
Elektrodenschicht 33 ausgebildet. Zwischen den Elektrodenschichten 31, 32 und 33 sind jeweils die Isolatoren 21 und 22 ausgebildet. Außerdem ist zwischen der ersten Elektrodenschicht 31 und dem Substrat 11 der erste strukturierte Isolator 20 ausgebildet. Die oberste, d.h. die dritte Elektrodenschicht 33 ist wiederum von dem vierten Isolator 23 abgedeckt.
Der Sensor 10 umfasst drei Elektrodenschichten 31, 32 und 33 sowie vier
Isolatoren 20, 21, 22 und 23.
Der Abstand der Elektrodenschichten 31, 32 und 33 wird durch die Dicke der Isolatoren 21 und 22 gebildet. Die Dicke der Isolatoren 21 und 22 kann 0,1 Mm bis 50 Mm betragen. Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensors 10 kann durch Verringerung der Dicke der Isolatoren 21 und 22 erhöht werden.
Die Elektrodenschichten 31, 32 und 33 weisen jeweils mindestens zwei Elektroden 40 und 40λ bzw. 41 und 4 bzw. 42 und 42λ auf. Diese Elektroden greifen erfindungsgemäß ineinander.
Im ersten Isolator 20, in der ersten Elektrodenschicht 31, im zweiten Isolator 21, in der zweiten Elektrodenschicht 32, in dem dritten Isolator 22, in der dritten Elektrodenschicht 33 sowie im vierten Isolator 23 sind Öffnungen 25, 35, 26, 36, 27, 37 und 28 ausgebildet.
Die Öffnung 25 des ersten Isolators 20, die Öffnung 35 der ersten
Elektrodenschicht 31, die Öffnung 26 des zweiten Isolators 21, die Öffnung 36 der zweiten Elektrodenschicht 32, die Öffnung 27 des dritten Isolators 22, die Öffnung 37 der dritten Elektrodenschicht 33 und die Öffnung 28 des vierten Isolators 23 sind derart übereinander angeordnet, dass ein Durchgang 15 gebildet wird. Die Öffnungen 25, 26, 27, 28, 35, 36 und 37 sind für zu
detektierende Partikel 30, 30λ zugänglich. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegen zwei Partikel 30, 30λ auf der ersten Seite 14 der elektrisch leitenden Schicht 13 auf. Die erste Seite 14 der elektrisch leitenden Schicht 13 weist vom Substrat 11 weg. Auf der ersten Seite 14 der elektrisch leitenden Schicht 13 ist der erste Isolator 20 aufgebracht.
Der perspektivische Schnitt durch den Durchgang 15 zeigt, dass die Partikel 30, 30λ auf der ersten Seite 14 der elektrisch leitenden Schicht 13 aufliegen. Die erste
Seite 14 bildet somit den Boden des Durchgangs 15. Der kleine Partikel 30 berührt im dargestellten Beispiel lediglich die erste Elektrodenschicht 31, insbesondere die erste Elektrode 40 der ersten Elektrodenschicht 31. Der größere Partikel 30λ berührt sowohl die erste Elektrodenschicht 31 als auch die zweite Elektrodenschicht 32 und die dritte Elektrodenschicht 33. Auch der große Partikel 30λ berührt jeweils nur die ersten Elektroden 40, 41 und 42 der
Elektrodenschichten 31, 32 und 33. Sofern die Bestimmung von Partikel auf Grundlage des resistiven Prinzips erfolgt, wird der Widerstand zwischen den Elektrodenschichten 31, 32 und 33 gemessen, wobei dieser Widerstand abnimmt, wenn der Partikel 30 beispielsweise die erste Elektrodenschicht 31, die zweite Elektrodenschicht 32 und die dritte Elektrodenschicht 33 verbrückt. Der Partikel 30λ überbrückt mehr Elektrodenschichten als der kleine Partikel 30. Der Partikel 30λ wird als im Vergleich zum Partikel 30 größerer Partikel detektiert werden.
Durch das Anlegen verschiedener Spannungen an den Elektrodenschichten 31, 32 und 33 bzw. an die jeweils ersten Elektroden 40, 41 und 42 bzw. zweiten
Elektroden 40λ, 4 und 42λ können verschiedene Partikeleigenschaften, insbesondere verschiedene Rußeigenschaften, wie z. B. der Durchmesser und/oder die Größe des (Ruß)partikels und/oder die Aufladung des (Ruß)partikels und/oder die Polarisierbarkeit des (Ruß)partikels gemessen werden.
Das Substrat 11 ist zum Zwecke einer hochtemperaturfähigen Anwendung beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al203) oder Magnesiumoxid (MgO) oder aus einem Titanat oder aus Steatit gebildet.
Die Elektrodenschichten 31, 32 und 33 bzw. die jeweiligen Elektroden 40, 40\ 41, 4 , 42, 42λ können beispielsweise aus Platin und/oder einer Platin-Titan- Legierung (Pt-Ti) gebildet sein.
Die Isolatoren 20, 21, 22 und 23 bestehen vorzugsweise aus temperaturfestem Material mit hohem Isolationswiderstand. Beispielsweise können die Isolatoren 20, 21, 22 und 23 aus Aluminiumoxid (Al203) oder Siliziumdioxid (Si02) oder Magnesiumoxid (MgO) oder Siliziumnitrid (Si3N4) oder Glas gebildet sein.
Der dargestellte Sensor 10 ist aufgrund der Materialauswahl der einzelnen
Schichten und Isolatoren für eine Hochtemperaturanwendung von bis zu beispielsweise 860 °C geeignet. Der Sensor 10 kann demnach als
Rußpartikelsensor im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es denkbar, dass die Elektrodenschichten 31, 32 und 33 jeweils aus einer Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn gebildet sind.
In Fig. 2a wird in einer Draufsicht eine mögliche Ausführungsform der
Elektrodenschichten 31, 32 und 33 dargestellt. Die Elektrodenschichten umfassen jeweils eine erste Elektrode 40, 41 bzw. 42 und jeweils eine zweite Elektrode 40\ 4 und 42\ Die Elektroden sind ineinandergreifend ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass die Elektroden ineinander bzw. miteinander verwoben ausgebildet sind. Auch ein ineinander bzw. miteinander verflochtener Zustand bzw.
Ausbildung der Elektroden ist möglich. Schematisch sind außerdem die Öffnungen 35, 36 und 37 der Elektrodenschichten 30, 31 und 32 dargestellt. Die Öffnungen sind in Form länglicher Öffnungen ausgebildet. Sofern mehrere derartige
Öffnungen übereinander angeordnet sind, wobei auch die Isolatoren ähnliche Öffnungsgeometrien aufweisen, können längliche Vertiefungen gebildet werden. Es ergibt sich eine Vorzugsachse x, in der die Elektroden ausgerichtet sind.
In Fig. 2b wird eine weitere Ausführungsform hinsichtlich des Aufbaus der Elektrodenschichten 31, 32 und 33 dargestellt. Diese Elektrodenschichten weisen mindestens zwei Leiterbahnen, nämlich eine erste Leiterbahn 38 sowie eine zweite Leiterbahn 39 auf. Die Leiterbahnen 38 und 39 bilden Leiterbahnschleifen. Diese Leiterbahnschleifen greifen ebenfalls ineinander, und verlaufen in großen Teilbereichen parallel zueinander. Zwischen den Leiterbahnen 38 und 39 sind wiederum Öffnungen ausgebildet, die ebenfalls als längliche Öffnungen zu bezeichnen sind. Auch in diesem Zusammenhang ist eine Vorzugsachse x der Leiterbahnschleifen ausgebildet.
In den Fig. 3 bis 6 ist jeweils ein Querschnitt dargestellt, der senkrecht zum Sensor 10, also beginnend von dem obersten Isolator 20 zum Substrat 11 durchgeführt ist. Die Sensoren 10 der Fig. 3 bis 6 weisen sieben Ebenen, nämlich die Ebenen El bis E7 auf. In den Ebenen El, E3, E5 und E7 sind jeweils
Isolatoren 20, 21, 22 und 23 ausgebildet. In den Ebenen E2, E4 und E6 sind jeweils Elektrodenschichten 31, 32 und 33 mit jeweils zwei Elektroden, nämlich mit den Elektroden 40, 40\ 41, 4Γ und 42, 42\ ausgebildet.
Im Sensor 10 gemäß Fig. 3 sind die Querschnittsprofile von zwei Durchgängen in Form von länglichen Vertiefungen 15 und 15λ dargestellt. Die beiden Durchgänge 15 und 15λ weisen V-förmige Querschnitte auf. Die Öffnungsgrößen bzw.
Öffnungsquerschnitte nehmen ausgehend vom vierten Isolator 23 in Richtung zum Substrat 11, insbesondere in Richtung zur elektrisch leitenden Schicht 13 ab. Die Querschnitte der Öffnungen 28, 37, 27, 36, 26, 35 und 25 werden ausgehend vom ersten Öffnungsquerschnitt der Öffnung 28 in Richtung der untersten
Querschnittsöffnung der Öffnung 25 kleiner.
Außerdem wird in Fig. 3 dargestellt, dass die Durchgänge 15 und 15λ
unterschiedliche Breiten aufweisen können. Der linke Durchgang 15 weist eine Breite Bl auf. Der dargestellte rechte Durchgang 15λ weist eine Breite B2 auf. Bl ist größer als B2. Aufgrund unterschiedlich breit ausgebildeter Durchgänge 15 und 15λ können größenspezifische Messungen der Partikel 30 durchgeführt werden.
Mit Hilfe der V-förmigen Querschnittsprofile werden die Messungen runder Partikel verbessert.
In Fig. 4 wird exemplarisch dargestellt, dass eine längliche Vertiefung 15 in einer alternativen Ausführungsform einen U-förmigen Querschnitt bzw. ein U-förmiges Querschnittsprofil aufweisen kann. Die Öffnungsgrößen bzw.
Öffnungsquerschnitte nehmen ausgehend von dem vierten Isolator 23 in Richtung zur elektrisch leitenden Schicht 13 ab. Die Querschnitte der Öffnungen 28, 37, 27, 36, 26, 35 und 25 werden ausgehend vom ersten Öffnungsquerschnitt der Öffnung 28 in Richtung der untersten Querschnittsöffnung der Öffnung 25 kleiner. Mit Hilfe eines U-förmigen Querschnittsprofils kann wiederum die
Messung von runden Partikel verbessert werden.
In Fig. 5 sind im Querschnitt zurückgesetzte Isolatoren 20, 21, 22 und 23 dargestellt. Bei runden Partikel ist die Ausbildung ebener bzw. glatter
Durchgangsflächen ungünstig. Durch die Ausbildung zurückversetzter bzw.
zurückgesetzter Isolatoren 20, 21, 22 und 23 kann die Messung runder Partikel verbessert werden. Die Isolatoren 20, 21, 22 und 23 sind im Vergleich zu den Elektrodenschichten 31, 32 und 33 zurückgesetzt ausgebildet. Die Öffnungen 28, 27, 26 und 25 eines Isolators 23, 22, 21 und 20 ist jeweils größer ausgebildet als eine darüber ausgebildete Öffnung 35, 36 und 37 einer über dem jeweiligen
Isolator angeordneten Elektrodenschicht 31, 32 und 33. Das Querschnittsprofil des Durchgangs 15 ist V-förmig ausgebildet, wobei die Öffnungen aller Schichten 23, 33, 22, 32, 21, 31 und 20 in Richtung des Substrats 11 kleiner werden, so dass die Öffnungen 25, 26, 27 und 28 der Isolatoren 20, 21, 22 und 23 keine übereinstimmenden Größen aufweisen.
In Fig. 6 sind im Querschnitt Unterschneidungen in den Isolatoren 20, 21, 22 und 23 dargestellt. Auch in diesem Zusammenhang gilt, dass durch die Ausbildung von Unterschneidungen in den Isolatoren die Messung runder Partikel verbessert werden kann. Die Isolatoren 20, 21, 22 und 23 weisen Unterschneidungen bzw. Aussparungen 90 auf. Die Größe der Öffnungen 25, 26, 27 und 28 der Isolatoren 20, 21, 22 und 23 sind somit größer als die Öffnungen 35, 36 und 37 der
Elektrodenschichten 31, 32 und 33.
Wie in Fig. 7a dargestellt ist, wird ein Sensor 10 in einen Fluidstrom derart eingebracht, dass die Strömungsrichtung a der Partikel nicht senkrecht auf die Ebene (x, y) der Elektrodenschichten 31, 32 und 33 auftrifft. Der Winkel α zwischen der Normalen (z) auf der Ebene (x, y) der obersten Elektrodenschicht 33 und der Strömungsrichtung a der Partikel beträgt dabei mindestens 1 Grad, bevorzugt mindestens 10 Grad, besonders bevorzugt mindestens 30 Grad. Die Partikel können somit einfacher in die Öffnungen bzw. Durchgänge 15, 15λ und somit einfacher an die Öffnungswände der darin ausgebildeten
Elektrodenschichten 30, 31 und 33 geführt werden.
In Fig. 7b ist ein Sensor 10 so in einem Fluidstrom derart eingebracht, dass der Winkel ß zwischen der Strömungsrichtung a der Partikel und der Vorzugsachsen x (siehe hierzu die Vorzugsachsen der Fig. 2a und 2b) der Elektroden und/oder Leiterbahnen zwischen 20 und 90 Grad liegt.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben im Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis Fig. 7b beschriebenen Elemente und Bauteile für sich allein gesehen oder in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden.
Bezuqszeichenliste
10 Sensor
11 Substrat
12 Erste Seite Substrat
13 Elektrisch leitende Schicht
14 Erste Seite elektrisch leitende Schicht
15 Durchgang
20 Erster Isolator
21 Zweiter Isolator
22 Dritter Isolator
23 Vierter Isolator
25 Öffnung erster Isolator
26 Öffnung zweiter Isolator
27 Öffnung dritter Isolator
28 Öffnung vierter Isolator
30, 30λ Rußpartikel
31 Erste Elektrodenschicht
32 Zweite Elektrodenschicht
33 Dritte Elektrodenschicht
35 Öffnung erste Elektrodenschicht
36 Öffnung zweite Elektrodenschicht
37 Öffnung dritte Elektrodenschicht
38 Erste Leiterbahn
39 Zweite Leiterbahn
40, 40λ Erste Elektrode/zweite Elektrode der zweiten Ebene
41, 4 Erste Elektrode/zweite Elektrode der vierten Ebene
42, 42λ Erste Elektrode/zweite Elektrode der sechsten Ebene
90 Unterschneidung
a Strömungsrichtung
Bl Breite Durchgang
B2 Breite Durchgang
x Vorzugsachse Elektrode
α Winkel zwischen der Normalen auf der Elekrodenebene und der
Strömungsrichtung
ß Winkel zwischen der Vorzugsachse und der Strömungsrichtung
El Erste Ebene
E2 Zweite Ebene
E3 Dritte Ebene
E4 Vierte Ebene
E5 Fünfte Ebene
E6 Sechste Ebene
E7 Siebte Ebene