WO2017186840A1 - Sensor zur detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer partikel, sensorsystem, verfahren zum betreiben eines sensors und verwendung eines derartigen sensors - Google Patents

Sensor zur detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer partikel, sensorsystem, verfahren zum betreiben eines sensors und verwendung eines derartigen sensors Download PDF

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WO2017186840A1
WO2017186840A1 PCT/EP2017/060037 EP2017060037W WO2017186840A1 WO 2017186840 A1 WO2017186840 A1 WO 2017186840A1 EP 2017060037 W EP2017060037 W EP 2017060037W WO 2017186840 A1 WO2017186840 A1 WO 2017186840A1
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WO
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sensor
structured
particles
electrode layer
electrode
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PCT/EP2017/060037
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Tim Asmus
Karlheinz Wienand
Stefan Dietmann
Martin Kunz
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Heraeus Sensor Technology Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0606—Investigating concentration of particle suspensions by collecting particles on a support
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • Sensor for detecting electrically conductive and / or polarisable particles Sensor for detecting electrically conductive and / or polarisable particles, sensor system, method for operating a sensor and use of such a sensor
  • the invention relates to a sensor for detecting electrically conductive and / or polarizable particles, in particular for the detection of soot particles.
  • the invention further relates to a sensor system, a method for operating a sensor and a use of such a sensor.
  • Sensors are known from the prior art, which have a sensor carrier, wherein electrodes and heating structures are arranged on this sensor carrier in a planar arrangement. Store in a detection mode
  • Particles are burned and the sensor can be used after the cleaning process for another detection cycle.
  • DE 10 2005 029 219 A1 describes a sensor for detecting particles in an exhaust gas flow of internal combustion engines, wherein the electrode, heater and temperature sensor structures are applied in a planar arrangement on a sensor carrier.
  • a disadvantage of this sensor arrangement is that a minimum length is necessary for the electrodes to be bridged in order to achieve an acceptable sensitivity range when measuring conductive and polarisable particles, such as, for example. B. soot, to get.
  • a certain size of the sensor component is necessary in order to achieve the minimum length for the electrodes to be bridged. This brings corresponding cost disadvantages in the production of these sensor components with it.
  • the invention has for its object to provide a further developed sensor for detecting electrically conductive and / or polarizable particles, in particular for the detection of soot particles, wherein the sensor is minimized in size, so that the aforementioned disadvantages can be overcome.
  • this object is achieved by a sensor for detecting electrically conductive and / or polarisable particles, in particular for detecting soot particles, according to claim 1.
  • the object is achieved by the features of claim 12.
  • the object is achieved by the features of claim 13.
  • the object is achieved by the features of claim 15.
  • the invention is based on the idea of specifying a sensor for detecting electrically conductive and / or polarizable particles, in particular for detecting soot particles, comprising a substrate, wherein on at least one side of the substrate, directly or indirectly, in a first plane, a first structured insulator, in a second level a first structured
  • Electrode layer in a third plane, a second structured insulator and in a fourth plane, a second structured electrode layer are arranged such that in at least one patterned electrode layer and / or in a structured insulator at least one opening is formed, which is accessible to the particles to be detected , wherein the electrode layers in each case at least two electrodes or at least two conductor tracks or a
  • a sensor wherein at least one first and one second structured electrode layer are arranged horizontally one above the other and at least one structured insulator is formed between the two structured electrode layers. Between the substrate and the first second level structured electrode layer is at least one first patterned insulator.
  • the substrate is generally planar so that it has at least two surfaces that are significantly larger than the other surfaces. However, other forms are possible in which, for example, all surfaces are approximately the same size (cubes, tetrahedrons, etc.) or only one surface is larger than the other (s) (eg, cylinder or hemisphere).
  • the electrode or insulator layers are mounted on at least one of the surfaces, but may also cover multiple surfaces.
  • the thickness of the substrate may be several mm, preferably in a range of 0.2 mm to 0.5 mm, more preferably in a range of 0.3 mm to 0.4 mm.
  • the substrate may be made of an insulating or conductive or semiconductive material. Suitable insulating materials are, for example, metal oxides, glasses, ceramics and / or glass ceramics. Al 2 O 3 or ZrO 2 or MgO are preferably used.
  • the conductive materials used are metals or alloys or conductive ceramics which have a melting point which is above the use temperature. Preference is given to nickel or
  • Nickel-iron alloys or aluminum or aluminum chromium alloys used as a semiconductor, for example, silicon or silicon carbide in question.
  • an electrode layer can be saved and the overall thickness of the sensor can be reduced. This is particularly advantageous if further layers are applied on both sides of the substrate. It is possible to carry out the metal substrate as a conductor track and to use it as a heating conductor or temperature sensor. For this purpose, preferably in the production of the insulator layer
  • the senor has more than four levels, so that the substrate can have further structured electrode layers and further structured insulators. In other words, an odd-numbered plane has a patterned insulator, whereas an even-numbered plane has a patterned electrode layer. If more than two structured electrode layers are formed, the sensor is preferably always designed such that a structured insulator is always formed between two structured electrode layers. The number of levels is calculated starting from the substrate or from one side of the substrate.
  • the structured electrode layers are arranged one above the other, in particular stacked, with the structured ones
  • Electrode layers are spaced from each other by means of at least one structured insulator.
  • the senor according to the invention may comprise at least three structured electrode layers and at least three structured insulators, wherein an insulator is always formed between two structured electrode layers.
  • a first structured insulator is preferably formed on one side of the substrate.
  • a structured insulator may consist of two or more sub-layers, which may be arranged side by side and / or one above the other. Two or more partial layers of a structured insulator may consist of different materials and / or may comprise different materials.
  • a structured electrode layer may consist of at least two electrodes or at least two conductor tracks or a combination of at least one electrode and at least one conductor track.
  • An electrode layer may accordingly also have three electrodes or three conductor tracks or a combination of two electrodes and a conductor track.
  • the different electrode layers are each constructed differently. In other words, the at least two electrode layers can be made
  • At least one electrode layer preferably has in each case at least two interdigitated electrodes or at least two intermeshing or at least in partial areas parallel to each other conductor tracks or a combination of at least one electrode and at least one
  • interlocking may therefore be referred to as being "interwoven” or “interlaced” or “intertwined” or “intertwined”.
  • the individual electrode layers may have different structures.
  • electrode layers it is also possible for electrode layers to be crossed with respect to one another.
  • the senor according to the invention can have a layer composite comprising at least two insulators and at least two structured electrode layers.
  • Conductor superimposed openings are formed by at least two levels, wherein the openings for the particles to be detected are accessible.
  • a plurality of layers of the substrate in particular a plurality of structured electrode layers and / or a plurality of structured insulators have openings, wherein the openings are arranged one above the other so that a particle can penetrate into an opening of a structured electrode layer lying further down.
  • the openings may also pass through the substrate and also pass into openings of further electrodes and insulator layers (planes) on the other side.
  • the openings are generally arranged one above the other so that passages are created which extend over several levels. However, the openings can also be arranged at least in partial areas of the sensor such that they lie partially or not at all one above the other.
  • the opening of at least one electrode layer is at a distance from the edge region of this electrode layer and the opening of at least one insulator is formed at a distance from the edge region of the insulator.
  • Openings are therefore preferably not edge-layered or not to the
  • the first patterned electrode layer and the second patterned electrode layer are isolated from each other by the second patterned insulator therebetween. Due to such a construction, a very sensitive sensor can be formed, which compared to
  • a third structured insulator may be formed in a fifth plane.
  • a third structured insulator to be formed in a / the fifth plane and at least one third structured electrode layer to be formed with at least two electrodes or at least two interconnects or a combination of at least one electrode and at least one interconnect.
  • further structured insulators and further structured electrode layers are formed in further planes, wherein the electrode layers each comprise at least two electrodes or at least two interconnects or a combination of at least one electrode and at least may have a conductor track.
  • a structured insulator may have, at least in sections, the structure of a structured electrode layer arranged above it, in particular of electrodes arranged above it and / or conductor tracks arranged above it. Furthermore, it is possible for one or more structured insulators to arrange, at least in sections, the structure of one arranged underneath
  • Electrodes and / or conductors has.
  • an electrically conductive layer in particular a flat metal layer, may be formed, which covers the substrate, in particular in the region of the openings.
  • the sheet metal layer may be structured, but preferably has no openings or passages.
  • At least one structured insulator can have a thickness of 0.1 ⁇ m to 50 ⁇ m, in particular of 1.0 ⁇ m to 40 ⁇ m, in particular 5.0 ⁇ m to 30 ⁇ m,
  • the distance between a first electrode layer and a further electrode layer is set.
  • the sensitivity of the sensor can be reduced by reducing the
  • Distance of the superposed structured electrode layers can be increased.
  • the thickness (n) of the electrode layer (s) and / or the thickness (n) of the insulator (s) of a substrate are possible. Furthermore, it is possible that the thickness (n) of the electrode layer (s) and / or the thickness (n) of the insulator (s) of a substrate
  • the insulators have different layer thicknesses.
  • the distances between the electrode layers can thus vary.
  • the size of the detected particles can be measured.
  • At least one structured insulator may be formed of alumina (Al 2 O 3 ) or silicon dioxide (SiO 2 ) or magnesia (MgO) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) or glass or ceramic or glass ceramic or a metal oxide or any mixture thereof.
  • At least one structured insulator can laterally encase at least one structured electrode layer underneath.
  • this insulator can cover the side surfaces of the electrode layer such that this electrode layer is laterally insulated.
  • At least one conductor track may be formed as a heating conductor.
  • At least one electrode and / or at least one conductor track may be made of a conductive material, in particular of metal or an alloy, in particular of a high-temperature-resistant metal or a high-temperature resistant
  • Alloy particularly preferably be formed from a metal of the platinum metals or an alloy of a metal of the platinum metals.
  • the elements of the platinum metals are palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), osmium (Os) and iridium (Ir). Also base metals like nickel (Ni) or
  • Base metal alloys such as nickel / chromium or nickel / iron can be used.
  • At least one conductor of a conductive ceramic or a mixture of metal and ceramic is formed.
  • at least one conductor of a conductive ceramic or a mixture of metal and ceramic is formed.
  • Alumina bodies (Al 2 0 3 ) are formed. It is also possible for at least one electrode and / or at least one conductor track to comprise silicon carbide (SiC) or to be formed from silicon carbide (SiC).
  • Materials and metals or alloys of these metals are particularly high temperature resistant and are therefore suitable for the formation of a sensor element which is used to detect soot particles in an exhaust stream of
  • Internal combustion engines can be used.
  • the thickness of the electrodes or conductor tracks can vary within a wide range, thicknesses in a range from 10 nm to 1000 ⁇ can be used. Preferably, thicknesses in the range of 100 nm to 100 ⁇ , more preferably in the range of 0.6 ⁇ to 1.2 ⁇ and most preferably from 0.8 ⁇ to 0.9 ⁇ used.
  • the width of the electrodes or conductor tracks can vary within a wide range, widths in a range from 10 ⁇ m to 10 mm can be used. Preferably, widths of 30 ⁇ to 300 ⁇ , more preferably from 30 ⁇ to 100 ⁇ and most preferably from 30 ⁇ to 40 ⁇ used.
  • At least one covering layer in particular of ceramic and / or glass and / or glass ceramic and / or Metal oxide or any combination thereof may be formed.
  • the covering layer can serve as a diffusion barrier and additionally reduces evaporation of the electrode layer or of the uppermost electrode layer or of the electrode layer of the highest even-numbered plane. This is especially important at high temperatures above about 700 ° C is important. In an exhaust gas flow, for example, up to 850 ° Celsius and above can be achieved.
  • the cover layer may additionally laterally encase the uppermost insulator and / or further electrode layers.
  • both the side surfaces of the uppermost electrode layer and the side surfaces thereof may be disposed below
  • Insulators should be covered with at least one covering layer.
  • Sheath part or the lateral sheathing region of the cover layer can therefore be from the uppermost electrode layer to the lowermost
  • Electrode range This causes a lateral isolation of
  • Electrode layer (s) and / or insulator / insulators are Electrode layer (s) and / or insulator / insulators.
  • At least one covering layer does not completely cover the uppermost electrode layer. In other words, it is possible that at least one covering layer only partially covers the uppermost electrode layer.
  • the uppermost electrode layer is formed as a heating layer, it is possible that only the sections of the heating loop / heating coil are covered / covered by the at least one covering layer. As the supreme
  • Electrode layer is defined as the electrode layer which is located farthest to the substrate. As the lowest electrode layer is the
  • the top insulator is to be understood as the insulator which is the furthest from the substrate.
  • the lowest insulator is to be understood as the insulator which is formed closest to the substrate.
  • a porous filter layer may be formed on the uppermost electrode layer and / or on the cover layer. With the help of such a porous Filter layer can be kept away from the arrangement of electrode layers and insulators large particle parts. At least one or more pores of the filter layer are configured to pass through
  • Filter layer ensures that particles of the appropriate size can pass.
  • the pore size of the filter layer can be, for example,> 1 ⁇ m.
  • the porous filter layer may also be a microstructured layer in which openings of a defined size are present or produced.
  • the pore size is in a range of 20 ⁇ to 30 ⁇ formed.
  • the porous filter layer can be formed, for example, from a ceramic material. Furthermore, it is conceivable that the porous filter layer is formed from an aluminum oxide foam. With the aid of the filter layer, which also covers the opening (s) of the sensor, the large particles interfering with the measurement, in particular soot particles, can be kept away from the at least one passage, so that such particles can not cause a short circuit.
  • the sensor has at least one opening. At least one opening of the sensor may be formed as a blind hole, wherein a portion of the first insulator or a portion of the first patterned electrode layer or a portion of the optionally formed sheet metal layer is formed as the bottom of the blind hole. If the sensor has a covering layer, the opening also extends over this covering layer. In other words, then both the electrode layers and the insulators and the cover layer each have an opening, wherein these openings in such a way
  • the at least one opening of the sensor may be linear or meandering or lattice-shaped or spiral-shaped.
  • the at least one opening in particular at least one elongated depression, can have at least sections a V-shaped and / or U-shaped and / or a semicircular and / or a trapezoidal cross-section.
  • the opening cross section of an example formed blind hole may be round or square or rectangular or lenticular or honeycomb polygonal or triangular or hexagonal. Other types of designs, in particular freeforms, are conceivable.
  • the blind hole it is possible for the blind hole to have a square cross section with an area of 3 ⁇ 3 ⁇ m 2 to 150 ⁇ 150 ⁇ m 2 , in particular of 10 ⁇ 10 ⁇ m 2 to 100 ⁇ 100 ⁇ m 2 , in particular of 15 ⁇ 15 ⁇ m 2 to 50 ⁇ m x 50 ⁇ 2 , in particular of 20 x 20 ⁇ 2 having.
  • the senor can a variety of
  • Passages or openings in particular a plurality of blind holes and / or elongated depressions, have, wherein these blind holes and / or elongated depressions may be formed as already described. Furthermore, it is possible that at least two passages, in particular two blind holes and / or two elongated depressions, have different cross sections, in particular differently sized cross sections, so that a sensor array with a plurality of fields can be formed in which a plurality of measuring cells with different large blind hole cross-sections and / or different sized well cross-sections can be used. By parallel detection of electrically conductive and / or polarisable particles,
  • soot particles additional information about the size of the particles or the size distribution of the particles can be obtained.
  • the sensor comprises, for example, a plurality of passages in the form of elongated depressions, wherein the passages are arranged like a grid.
  • At least one passage in particular an elongated depression, can have, at least in sections, a V-shaped and / or a U-shaped and / or a semicircular and / or a trapezoidal cross-section.
  • Such cross-sections or cross-sectional profiles improve the measurement of round particles.
  • the golf ball effect is avoided by such cross-sections or cross-sectional profiles.
  • the elongated recess may also be referred to as a trench and / or groove and / or channel.
  • the senor in a further embodiment of the invention, it is possible for the sensor to have at least one passage in the form of a blind hole which is round or square or rectangular or lenticular or honeycomb-shaped or polygonal or triangular or hexagonal, and at least one
  • the width of the elongated depression at the uppermost edge of the depression can be in the range from 0.1 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably from 1 ⁇ m to 200 ⁇ m, more preferably in the range from 4 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the width of the elongated depressions in the vicinity of the first electrode layer may be in the range from 0.1 ⁇ m to 200 ⁇ m, preferably in the range from 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m, particularly preferably in the range from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the width of the elongated recesses may vary and it is possible to change the width on a sensor in sections. This can also be statements about the size of the measured particles are made because large particles
  • the depth of the openings or passages depends on the number of planes and the thickness of the layers.
  • the depth is in the range of 100 nm to 10 mm, preferably in the range of 30 ⁇ to 300 ⁇ , more preferably in the range of 30 ⁇ to 100 ⁇ .
  • the depth of the apertures and passages is generally identical for all the apertures on a sensor, but it can also vary and be different in different areas of the sensor.
  • a plurality of passages in the form of elongated depressions are formed in a sensor, they can be oriented in one or more preferred directions.
  • at least one opening of an insulator forms an undercut and / or a recess.
  • the insulator may be recessed or reset relative to an electrode layer disposed above and below the insulator.
  • a lateral recess in the opening of an insulator may also be round and / or V-shaped.
  • Undercutting or recessed in the passage insulator improves the measurement of round particles.
  • Particles, in particular round particles are supplied in such an embodiment of the invention in a manner to the electrode layer, in particular to an electrode and / or to a conductor track, which enables a good electrical contact.
  • the opening of at least one insulator may be larger than the opening of the electrode layers arranged above and below the insulator.
  • At least one structured electrode layer may be an electrical
  • Electrode layer arranged sensor layers and is connected to a connection pad or connectable.
  • the electrode layers are isolated from one another on connection pads or can be connected. Preferably, per
  • Electrode layer formed at least one electrical contact surface, which is exposed in the region of the connection pads for electrical contacting.
  • the electrical contacting surface of the lowermost electrode layer i. the lowest electrodes and / or lowest printed conductors, is free of a possible covering layer and free of insulators, free of further
  • Electrode layers and, if necessary, porous filter layers are Electrode layers and, if necessary, porous filter layers.
  • the bottom electrode layer i. the bottom electrode (s) and / or the bottom trace (s) neither a portion of an overlying insulator nor a portion of an overlying electrode layer.
  • Electrode layer lying sensor layers are.
  • Electrode layer conductor loops such that the first
  • Electrode layer and / or the second electrode layer is formed as a heating coil and / or as a temperature-sensitive layer and / or as a shield electrode. It is also possible that an electrode layer, in particular an electrode and / or a conductor track of the electrode layer, two electrical
  • Such electrode layers may be formed both as a heating coil and as a temperature-sensitive layer and as a shield electrode. By appropriate electrical contacting of the electrical contacting surface, the relevant electrode layer can either heat or act as a temperature-sensitive layer or shield electrode. Due to such a configuration of the electrode layer (s) can compact
  • an electrode layer or the at least two electrodes or at least two conductor tracks or a combination of at least one electrode and at least one conductor track of the respective electrode layer can take over several functions / can. Accordingly, no separate heating coil layers and / or temperature-sensitive layers and / or shielding electrode layers are necessary.
  • measured particles or the particles located in openings of the sensor can be burned off or burned off.
  • Insulation layer (s) the sensitivity of the sensor can be significantly increased.
  • the senor according to the invention can be constructed much smaller than known sensors. By forming the sensor in a three-dimensional space, multiple electrode layers and / or multiple insulators can be built as a smaller sensor. Furthermore, significantly more units can be formed on a substrate or a wafer in the manufacture of the sensor.
  • the sensor according to the invention can be used to detect particles in gases
  • the sensor according to the invention can be used for the detection of particles in liquids.
  • the sensor according to the invention can be used for the detection of particles in gases and liquids or gas-liquid mixtures.
  • the invention relates to a sensor system comprising at least one sensor according to the invention and at least one circuit, in particular at least one control circuit, which is designed such that the sensor can be operated in a measuring mode and / or in a cleaning mode and / or in a monitoring mode ,
  • the sensor according to the invention and / or the sensor system according to the invention can have at least one auxiliary electrode.
  • an auxiliary electrode and a structured electrode layer and / or between an auxiliary electrode and a component of the sensor system, in particular of the sensor housing such an electrical potential can be applied that the particles to be measured are electrically attracted or sucked by the sensor and / or the sensor system.
  • a voltage is applied to the at least one auxiliary electrode and to at least one structured electrode layer such that particles, in particular soot particles, are "sucked" into at least one opening of the sensor.
  • the sensor according to the invention is preferably arranged in a sensor housing.
  • the sensor housing may for example have an elongated tubular shape.
  • the sensor system according to the invention can therefore also a
  • the senor and / or the sensor in the sensor housing and / or the sensor housing is designed and / or arranged such that the sensor, in particular the topmost or the farthest from the substrate
  • Electrode layer of the sensor is arranged obliquely to the flow direction of the fluid.
  • the flow does not meet perpendicular to the plane of the Electrode layers on.
  • Direction of flow of the particles at least 1 °, preferably at least 10 °, more preferably at least 30 °. Furthermore, an orientation of the sensor is preferred in which the angle ⁇ between the flow direction of the particles and the preferred axis of the electrodes or loops is between 20 ° and 90 °. In this embodiment, the particles to be detected are easier to get into the openings, in particular into blind holes or elongated depressions, of the sensor and thus increase the sensitivity.
  • the circuit in particular the control circuit, is preferably designed such that the structured electrode layers and / or the
  • Such voltages can be applied to the electrode layers or individual electrode layers that the sensor can be operated in a measuring mode and / or in a cleaning mode and / or in a monitoring mode.
  • the invention relates to a method for controlling a sensor according to the invention and / or a sensor system according to the invention.
  • the senor can optionally be in a measuring mode and / or in a cleaning mode and / or in a
  • a change in the electrical resistance between the electrode layers or between the electrodes and / or conductor tracks of the electrode layers of the sensor and / or a change in the capacitances of the electrode layers can be measured.
  • Tracks of at least two levels of the sensor is / are measured.
  • particles can be detected or measured on the basis of a measured change in resistance between the electrode layers and / or the electrodes and / or the printed conductors of both one and more electrode layers.
  • particles may be detected or measured on the basis of a measured impedance change and / or by a measurement of the capacitance of the electrode layer (s) and / or the electrode (s) and / or the conductor track (s) of one or more electrode layers.
  • a change in resistance between electrode layers is measured.
  • an electrical resistance measurement ie a measurement according to the resistive principle
  • the electrical resistance between two electrode layers is measured, wherein the electrical resistance decreases when a particle, in particular a soot particle,
  • soot particles in particular of soot particles, can be detected.
  • the particle size and / or the particle diameter and / or the electrical charge and / or the polarizability of the particle can be determined.
  • an electrical resistance measurement can additionally serve to determine the time of activation of the heating coil or heating layer.
  • the activation of the heating coil or heating layer corresponds to a cleaning mode to be carried out.
  • a decrease in the electrical resistance between at least two electrode layers and / or between at least two Electrodes and / or between at least two conductor tracks and / or between a combination of an electrode and a conductor track indicate that particles, in particular soot particles, were deposited on or between the electrode layers and / or electrodes and / or conductor tracks. As soon as the electrical resistance reaches a lower threshold, this is done
  • the particles are burned down in other words. With increasing number of spent particles or a spent particle volume, the electrical resistance increases. The burning is preferably carried out until an upper electrical
  • Resistance value is measured. Upon reaching an upper electrical resistance value is applied to a regenerated or cleaned sensor
  • Increasing loading of particles, in particular soot particles leads to an increase in the capacity of the electrode layers and / or electrodes and / or conductor tracks.
  • the assignment of the sensor with particles leads to a charge shift or a change in the
  • the measurement of the capacity can be carried out by way of example by:
  • OBD On-Board Diagnosis
  • At least one electrode layer may be destroyed, this being accompanied by a reduction of the active electrode area A. Since the active electrode area A is directly proportional to the capacitance C, the measured capacitance C of a destroyed electrode layer or a destroyed electrode or a damaged conductor track decreases.
  • the conductor circuits can be designed as closed or open conductor circuits, which, if necessary, for. B. by a switch can be closed.
  • Electrode layer in particular an electrode or a conductor track, has a crack or damage or is destroyed, no or only a very small test or scholarstrom flow.
  • an inventive use of a sensor relates to the detection of electrically conductive and / or polarizable particles, in particular the detection of soot particles.
  • Another aspect of the invention relates to the use of a
  • inventive sensor for detecting electrically conductive and / or polarizable particles, in particular for the detection of soot particles, wherein the flow direction of the particles does not impinge perpendicularly to the plane of the patterned electrode layer.
  • Another aspect of the invention relates to the use of a
  • Sensor according to the invention for the detection of electrically conductive and / or polarizable particles in particular for the detection of soot particles, wherein the angle ⁇ between the normal at the level of the uppermost structured electrode layer and the flow direction of the particles at least 1 °, preferably at least 10 °, particularly preferably at least 30th °, is.
  • Another aspect of the invention relates to the inventive use of a sensor for detecting electrically conductive and / or polarizable particles, in particular for the detection of soot particles, wherein the angle ß between the direction of flow of the particles and the preferred direction of an electrode and / or a conductor between 20 ° and 30 °.
  • Preferred direction of an electrode and / or a conductor track and / or a loop is to be understood as the axis in which the electrode and / or the conductor track and / or the loop extends mainly. Conductor loops and / or electrodes therefore have a main preferred direction.
  • FIG. 1 shows a sectional representation of a first embodiment of a sensor according to the invention for detecting electrically conductive and / or polarisable particles
  • Fig. 3 representation of different cross-sectional sizes of
  • FIG. 4 representations of another cross-sectional profile of a possible passage in the sensor
  • Fig. 5 + 6 sectional view of undercuts in
  • Insulators or recessed insulators Insulators or recessed insulators
  • Fig. 7a + 7b Representation of a possible arrangement of a sensor in a fluid flow.
  • FIG. 1 shows a section through a sensor 10 for the detection of electrically conductive and / or polarisable particles, in particular for the detection of soot particles.
  • the sensor 10 can be used in principle for the detection of particles in gases and in liquids.
  • the sensor 10 comprises a substrate 11 and a, above the substrate 11, in particular on the first side 12 of the substrate 11 constructed
  • an electrically conductive layer 13 is formed on the first side 12 of the substrate 11.
  • a first structured insulator 20 is formed in a first plane El.
  • a first patterned electrode layer 31 is formed in the second plane E2, wherein the first patterned electrode layer 31 is formed of a first electrode 40 and a second electrode 40 ⁇ .
  • Structured insulators, namely the structured insulator 21, the structured insulator 22 and the structured insulator 23 are again formed in the third plane E3, in the fifth plane E5 and in the seventh plane E7.
  • the second electrode layer 32 is formed.
  • the second electrode layer 32 is composed of the first electrode 41 and the second electrode 4.
  • a third electrode layer 33 is formed in the sixth level E6, a third electrode layer 33 is formed in the sixth level E6, a third electrode layer 33 is formed in the sixth level E6, a third electrode layer 33 is formed in the sixth level E6, a third electrode layer 33 is formed in the sixth level E6, a third electrode layer 33 is formed in the sixth level E6, a third electrode layer 33 is formed in the sixth level E6, a third electrode layer 33 is formed in the sixth
  • the insulators 20, 21, 22 and 23 are thus formed.
  • the even-numbered planes namely, in the planes E2, E4, and E6, there are electrode layers, namely, the first electrode layer 31, the second electrode layer 32, and the third one Electrode layer 33 is formed.
  • the insulators 21 and 22 are respectively formed.
  • the first patterned insulator 20 is formed between the first electrode layer 31 and the substrate 11. The uppermost, ie the third electrode layer 33 is in turn covered by the fourth insulator 23.
  • the sensor 10 comprises three electrode layers 31, 32 and 33 and four
  • Insulators 20, 21, 22 and 23 are Insulators 20, 21, 22 and 23.
  • the pitch of the electrode layers 31, 32 and 33 is formed by the thickness of the insulators 21 and 22.
  • the thickness of the insulators 21 and 22 may be 0.1 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the sensitivity of the sensor 10 according to the invention can be increased by reducing the thickness of the insulators 21 and 22.
  • the electrode layers 31, 32 and 33 each have at least two electrodes 40 and 40 ⁇ or 41 and 4 or 42 and 42 ⁇ . These electrodes interlock according to the invention.
  • the first insulator 20 in the first electrode layer 31, in the second insulator 21, in the second electrode layer 32, in the third insulator 22, in the third electrode layer 33 and in the fourth insulator 23 are openings 25, 35, 26, 36, 27, 37 and 28 formed.
  • the electrode layer 31, the opening 26 of the second insulator 21, the opening 36 of the second electrode layer 32, the opening 27 of the third insulator 22, the opening 37 of the third electrode layer 33, and the opening 28 of the fourth insulator 23 are stacked such that one via 15 is formed.
  • the openings 25, 26, 27, 28, 35, 36 and 37 are for
  • Detecting particles 30, 30 ⁇ accessible are two particles 30, 30 ⁇ on the first side 14 of the electrically conductive layer 13.
  • the first side 14 of the electrically conductive layer 13 faces away from the substrate 11.
  • the first insulator 20 is applied on the first side 14 of the electrically conductive layer 13.
  • the cross-sectional perspective through the passage 15 shows that the particles 30, 30 lie ⁇ on the first side 14 of the electrically conductive layer. 13
  • the first thus, in the illustrated example, the small particle 30 contacts only the first electrode layer 31, in particular the first electrode 40 of the first electrode layer 31.
  • the larger particle 30 ⁇ touches both the first electrode layer 31 and the second electrode layer 32 and the third electrode layer 33. Also, the large particle 30 ⁇ touches only the first electrodes 40, 41 and 42 of the
  • Electrode layers 31, 32 and 33 If the determination of particles based on the resistive principle, the resistance between the electrode layers 31, 32 and 33 is measured, this resistance decreases when the particle 30, for example, the first electrode layer 31, the second electrode layer 32 and the third electrode layer 33 bridged.
  • the particle 30 ⁇ bridges more electrode layers than the small particle 30. The particle 30 ⁇ will be detected as compared to the particle 30 larger particles.
  • Electrodes 40 ⁇ , 42 ⁇ 4 and various particle characteristics, in particular different carbon black properties such.
  • Example, the diameter and / or size of the (soot) particle and / or the charging of the (soot) particle and / or the polarizability of the (soot) particle are measured.
  • the substrate 11 is for the purpose of a high temperature application, for example, alumina (Al 2 0 3 ) or magnesium oxide (MgO) or formed from a titanate or steatite.
  • alumina Al 2 0 3
  • magnesium oxide MgO
  • the electrode layers 31, 32 and 33 and the respective electrodes 40, 40 ⁇ 41, 4, 42, 42 ⁇ can be formed for example of platinum and / or a platinum-titanium alloy (Pt-Ti).
  • the insulators 20, 21, 22 and 23 are preferably made of temperature resistant material with high insulation resistance.
  • the insulators 20, 21, 22 and 23 may be formed of alumina (Al 2 O 3 ) or silicon dioxide (SiO 2 ) or magnesium oxide (MgO) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) or glass.
  • the illustrated sensor 10 is due to the material selection of the individual
  • the sensor 10 can therefore as Soot particle sensor can be used in the exhaust stream of an internal combustion engine.
  • the electrode layers 31, 32 and 33 are each formed from a combination of at least one electrode and at least one conductor track.
  • Fig. 2a is a plan view of a possible embodiment of
  • the electrode layers each comprise a first electrode 40, 41 and 42, respectively, and a second electrode 40 ⁇ 4 and 42 ⁇
  • the electrodes are formed interlocking. It is also conceivable that the electrodes are formed in one another or interwoven with each other. Also an intertwined or intertwined state or
  • the openings 35, 36 and 37 of the electrode layers 30, 31 and 32 are also shown.
  • the openings are in the form of elongated openings. If several such
  • Openings are arranged one above the other, wherein the insulators have similar opening geometries, elongated depressions can be formed. The result is a preferred axis x, in which the electrodes are aligned.
  • FIG. 2 b shows a further embodiment with regard to the structure of the electrode layers 31, 32 and 33.
  • These electrode layers have at least two interconnects, namely a first interconnect 38 and a second interconnect 39.
  • the tracks 38 and 39 form track loops. These conductor loops also engage each other, and run in large sections parallel to each other. Between the tracks 38 and 39 in turn openings are formed, which are also referred to as elongated openings. Also in this context, a preferred axis x of the conductor track loops is formed.
  • FIGS. 3 to 6 each show a cross-section which is perpendicular to the sensor 10, that is, starting from the uppermost insulator 20 to the substrate 11.
  • the sensors 10 of FIGS. 3 to 6 have seven planes, namely the planes E1 to E7. In the levels El, E3, E5 and E7 are respectively.
  • Insulators 20, 21, 22 and 23 are formed.
  • electrode layers 31, 32 and 33 are formed with two electrodes, namely with the electrodes 40, 40 ⁇ 41, 4 ⁇ and 42, 42 ⁇ .
  • the cross-sectional profiles of two passages in the form of elongated recesses 15 and 15 ⁇ are shown.
  • the two passages 15 and 15 ⁇ have V-shaped cross sections.
  • Opening cross sections starting from the fourth insulator 23, decrease in the direction of the substrate 11, in particular in the direction of the electrically conductive layer 13.
  • the left passage 15 has a width Bl.
  • the illustrated right passage 15 ⁇ has a width B2.
  • Bl is bigger than B2. Due to different widths trained passages 15 and 15 ⁇ size-specific measurements of the particles 30 can be performed.
  • V-shaped cross-section profiles improve the measurements of round particles.
  • FIG. 4 shows by way of example that an elongate recess 15 in an alternative embodiment may have a U-shaped cross-section or a U-shaped cross-sectional profile.
  • Opening cross sections decrease starting from the fourth insulator 23 in the direction of the electrically conductive layer 13.
  • insulators 20, 21, 22 and 23 are shown.
  • the formation is level or smoother
  • the insulators 20, 21, 22, and 23 are recessed compared to the electrode layers 31, 32, and 33.
  • the openings 28, 27, 26 and 25 of an insulator 23, 22, 21 and 20 are each formed larger than an opening formed above 35, 36 and 37 one above the respective Insulator arranged electrode layer 31, 32 and 33.
  • the cross-sectional profile of the passage 15 is V-shaped, wherein the openings of all layers 23, 33, 22, 32, 21, 31 and 20 are smaller in the direction of the substrate 11, so that the openings 25, 26, 27 and 28 of the insulators 20, 21, 22 and 23 have no matching sizes.
  • undercuts in the insulators 20, 21, 22 and 23 are shown in cross section. In this context too, the formation of undercuts in the insulators can improve the measurement of round particles.
  • the insulators 20, 21, 22 and 23 have undercuts or recesses 90.
  • the size of the openings 25, 26, 27 and 28 of the insulators 20, 21, 22 and 23 are thus larger than the openings 35, 36 and 37 of the
  • Electrode layers 31, 32 and 33 are Electrode layers 31, 32 and 33.
  • a sensor 10 is introduced into a fluid flow such that the flow direction a of the particles does not impinge perpendicularly on the plane (x, y) of the electrode layers 31, 32 and 33.
  • the angle ⁇ between the normal (z) on the plane (x, y) of the uppermost electrode layer 33 and the flow direction a of the particles is at least 1 degree, preferably at least 10 degrees, particularly preferably at least 30 degrees.
  • the particles can thus easier in the openings or passages 15, 15 ⁇ and thus easier on the opening walls of the formed therein
  • Electrode layers 30, 31 and 33 are guided.
  • a sensor 10 is introduced in a fluid flow such that the angle ⁇ between the flow direction a of the particles and the preferred axes x (see the preferred axes of FIGS. 2 a and 2 b) of the electrodes and / or printed conductors between 20 and 90 degrees.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (10) zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel, umfassend ein Substrat (11), wobei auf mindestens einer Seite des Substrates (11) mittelbar oder unmittelbar - in einer ersten Ebene (E1) ein erster strukturierter Isolator (20), - in einer zweiten Ebene (E2) eine erste strukturierte Elektrodenschicht (31), - in einer dritten Ebene (E3) ein zweiter strukturierter Isolator (21) und - in einer vierten Ebene (E4) eine zweite strukturierte Elektrodenschicht (32) derart angeordnet sind, dass in mindestens einer strukturierten Elektrodenschicht (31, 32) und/oder einem strukturierten Isolator (20, 21) mindestens eine Öffnung (25, 26, 35, 36) ausgebildet ist, die für die zu detektierenden Partikel (30, 30') zugänglich ist, wobei die Elektrodenschichten (31, 32) jeweils mindestens zwei Elektroden (40, 40', 41, 41') oder mindestens zwei Leiterbahnen (38, 39) oder eine Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn aufweisen.

Description

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

Claims

Ansprüche
Sensor (10) zur Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel, umfassend ein Substrat (11),
da d u rch g eken nzeich net, dass
auf mindestens einer Seite des Substrates (11) mittelbar oder unmittelbar
- in einer ersten Ebene (El) ein erster strukturierter Isolator (20),
- in einer zweiten Ebene
(E2) eine erste strukturierte Elektrodenschicht (31),
- in einer dritten Ebene
(E3) ein zweiter strukturierter Isolator (21) und
- in einer vierten Ebene (E4) eine zweite strukturierte Elektrodenschicht (32)
derart angeordnet sind, dass
in mindestens einer strukturierten Elektrodenschicht (32, 32) und/oder einem strukturierten Isolator (20, 21) mindestens eine Öffnung (25, 26, 35, 36) ausgebildet ist, die für die zu detektierenden Partikel (30, 30λ) zugänglich ist, wobei
die Elektrodenschichten (31, 32) jeweils mindestens zwei Elektroden (40, 40\ 41, 4 ) oder mindestens zwei Leiterbahnen (38, 39) oder eine Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn aufweisen.
Sensor (10) nach Anspruch 1,
da d u rch g eken nzeich net, dass
mindestens eine Elektrodenschichten (31, 32, 33) jeweils mindestens zwei ineinandergreifende Elektroden (40, 40\ 41, 4 , 42, 42λ) oder
mindestens zwei ineinandergreifende oder zumindest in Teilbereichen parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen (38, 39) oder eine
Kombination aus mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn, die ineinandergreifen oder miteinander verwoben sind, aufweist.
Sensor (10) nach Anspruch 1 oder 2,
da d u rch g eken nzeich net, dass
zwischen den Elektroden (40, 40\ 41, 4 , 42, 42λ) und/oder Leiterbahnen (38, 39) übereinanderliegende Öffnungen (25, 26, 27, 28, 36, 36, 37) durch mindestens zwei Ebenen (El, E2, E3, E4) ausgebildet sind, die für die zu detektierenden Partikel (30, 30λ) zugänglich sind.
4. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch g eken nzeich net, dass
ein/der strukturierte Isolator (20, 21, 22, 23) zumindest abschnittsweise die Struktur einer darüber angeordneten strukturierten Elektrodenschicht (31, 32, 33), insbesondere von darüber angeordneten Elektroden (40, 40\ 41, 4Γ, 42, 42λ) und/oder Leiterbahnen (38, 39), aufweist.
5. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch g eken nzeich net, dass
zwischen dem Substrat (11) und dem ersten strukturierten Isolator (20) eine elektrisch leitfähige Schicht (13), insbesondere eine flächige
Metallschicht, ausgebildet ist, die insbesondere im Bereich der Öffnungen (25, 26, 27, 28, 35, 36, 37) das Substrat (11) bedeckt.
6. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch g eken nzeich net, dass
zwischen dem Substrat (11) und dem ersten strukturierten Isolator (20) und/oder auf einer weiteren Seite des Substrates (11) und/oder in einer geradzahligen Ebene (E2, E4, E6) mindestens eine Leiterbahn,
insbesondere ein Heizleiter, ausgebildet ist.
7. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch g eken nzeich net, dass
mindestens eine Elektrode (40, 40\ 41, 4 , 42, 42λ) und/oder mindestens eine Leiterbahn (38, 39) 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 ist.
8. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch g eken nzeich net, dass
auf der vom ersten strukturierten Isolator (20) abgewandten Seite der obersten strukturierten Elektrodenschicht (33) mindestens eine
Abdeckschicht, die insbesondere aus Keramik und/oder Glas und/oder Metalloxid oder beliebigen Kombinationen davon gebildet ist, ausgebildet ist.
9. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
geken nzeich net d u rch
die Ausbildung mindestens einer Öffnung (15, 15λ) als Sackloch.
10. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
da d u rch g eken nzeich net, dass
mindestens eine Öffnung (15, 15λ) linienförmig oder mäandrierend oder gitterförmig oder spiralartig ausgebildet ist.
11. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
da d u rch g eken nzeich net, dass
mindestens eine Öffnung (15, 15λ) in Form einer länglichen Vertiefung ausgebildet ist.
12. Sensorsystem, umfassend mindestens einen Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, und mindestens eine Schaltung, insbesondere mindestens eine Steuerschaltung, die derart ausgebildet ist, dass der Sensor (10) in einem Messmodus und/oder in einem Reinigungsmodus und/oder in einem Überwachungsmodus betreibbar ist.
13. Verfahren zur Steuerung eines Sensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
da d u rch g eken nzeich net, dass
der Sensor (10) wahlweise in einem Messmodus und/oder einem
Reinigungsmodus und/oder einem Überwachungsmodus betrieben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
da d u rch g eken nzeich net, dass
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 wird/werden.
15. Verwendung eines Sensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur
Detektion elektrisch leitfähiger und/oder polarisierbarer Partikel, insbesondere zur Detektion von Rußpartikel (30, 30λ).
16. Verwendung nach Anspruch 15,
dad u rch g eken nzeich net, dass
die Strömungsrichtung (a) der Partikel (30, 30λ) nicht senkrecht auf die Ebene (x,y) der strukturierten Elektrodenschicht (31, 32, 33) auftrifft.
17. Verwendung nach Anspruch 15 oder 16,
dad u rch g eken nzeich net, dass
der Winkel (O) zwischen der Normalen (z) auf der Ebene (x, y) der obersten strukturierten Elektrodenschicht (33) und der Strömungsrichtung (a) der Partikel (30, 30λ) mindestens 1 Grad, bevorzugt mindestens 10 Grad, besonders bevorzugt mindestens 30 Grad, beträgt.
18. Verwendung nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dad u rch g eken nzeich net, dass
der Winkel (ß) zwischen der Strömungsrichtung (a) der Partikel (30, 30λ) und der Vorzugsachsen (x) der Elektroden (40, 40\ 41, 4 , 42, 42λ) oder Leiterbahnen (38, 39) zwischen 20 und 90 Grad liegt.
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