CN109073526B - 检测导电和/或可极化粒子的传感器及其操作方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测导电和/或可极化粒子，尤其是用于检测烟灰粒子的传感器(10)，包括衬底(11)，其中在第一阶层(E1)中的第一结构化绝缘体(20)、在第二阶层(E2)中的第一结构化电极层(31)、在第三阶层(E3)中的第二结构化绝缘体(21)和在第四阶层(E4)中的第二结构化电极层(32)间接或直接地布置在所述衬底(11)的至少一侧上，布置方式为使得在至少一个结构化电极层(31、32)和/或一个结构化绝缘体(20、21)中形成至少一个开口(25、26、35、36)，所述开口能够被待检测的所述粒子(30、30')接近，其中所述电极层(31、32)具有至少两个电极(40、40'、41、41')或至少两个导体轨道(38、39)或至少一个电极与至少一个导体轨道的组合。

Description

检测导电和/或可极化粒子的传感器及其操作方法和用途

技术领域

本发明涉及用于检测导电和/或可极化粒子，尤其是用于检测烟灰粒子的传感器。本发明还涉及传感器系统、用于操作传感器的方法和此类传感器的用途。

背景技术

根据现有技术，已知传感器具有传感器载体，其中电极和加热结构呈平面布置布置在此传感器载体上。在检测操作中，可极化和/或导电粒子沉积在此平面布置上。所沉积粒子引起电极之间的电阻的减小，其中将电阻的此减小用作所沉积颗粒物的量度。在达到电阻的预定义阈值之后，通过加热结构加热传感器布置，以使得所沉积粒子被烧掉，且在清洁过程之后，传感器可用于另一检测循环。

在DE 10 2005 029 219 A1中，描述用于检测内燃机的废气流中的粒子的传感器，其中将电极、加热器和温度传感器的结构应用于平面布置中的传感器载体。此传感器布置的缺点为待桥接的电极必须具有最小长度以便在测量例如烟灰的导电和可极化粒子时获得可接受灵敏度范围。然而，这需要某一大小的传感器组件以便实现待桥接的电极的最小长度。这在生产这些传感器组件时产生对应成本缺点。

发明内容

本发明的目的为指定用于检测导电和/或可极化粒子，尤其是用于检测烟灰粒子的另一研发出的传感器，其中使传感器的大小最小化以使得可克服上文所提到的缺点。

此外，本发明的目的为指定传感器系统、操作传感器的方法和此类传感器的改进型用途。

根据本发明，通过根据权利要求1所述的用于检测导电和/或可极化粒子，尤其是用于检测烟灰粒子的传感器达成此目标。关于传感器系统，通过根据权利要求12所述的特征达成所述目标。关于用于操作本发明的传感器的方法，通过根据权利要求13所述的特征达成所述目标。关于传感器的用途，通过根据权利要求15所述的特征达成所述目标。

在附属权利要求项中指定根据本发明的传感器或用于操作传感器的根据本发明的方法或传感器的根据本发明的用途的有利且便利的实施例。

本发明潜在的想法为指定用于检测导电和/或可极化粒子，尤其是用于检测烟灰粒子的传感器，包括衬底，其中在衬底的至少一侧上，直接或间接地布置在第一阶层中的第一结构化绝缘体、在第二阶层中的第一结构化电极层、在第三阶层中的第二结构化绝缘体和在第四阶层中的第二电极层结构，以此方式使得在至少一个结构化电极层和/或结构化绝缘体中形成能够被待检测的粒子接近的至少一个开口，其中所述电极层各自具有至少两个电极或至少两个导体轨道或至少一个电极与至少一个导体轨道的组合。

换句话说，提供传感器，其中水平地将一个放在另一个上方地布置至少一个第一结构化电极层和一个第二结构化电极层且至少一个结构化绝缘体形成于两个结构化电极层之间。至少一个第一结构化绝缘体位于衬底与第二阶层的第一结构化电极层之间。

一般来说，衬底经设计成平面形式，以使得其具有远大于其它表面的至少两个表面。然而，其它形式也是可能的，其中例如所有表面大致为相同大小(立方体、四面体等等)，或仅一个表面大于其它表面(例如，圆柱体或半球体)。将电极或绝缘体层施加于所述表面中的至少一个上，但还可覆盖多个表面。所述衬底的厚度可为几毫米，且优选地介于从0.2mm到0.5mm的范围内，尤其优选地介于从0.3mm到0.4mm的范围内。

所述衬底可由绝缘或导电或半导电材料组成。举例来说，金属氧化物、玻璃、陶瓷和/或玻璃陶瓷可用作绝缘材料。所使用的材料优选地为Al₂O₃或ZrO₂或MgO。所使用的导电材料为具有高于操作温度的熔点的金属或合金或导电陶瓷。镍或镍铁合金或铝或铝铬合金优选地用作导电材料。例如硅或碳化硅等材料适用作半导体。

如果将金属或半导体用作衬底，那么可节省一个电极层，且可减小传感器的总厚度。在将额外层施加于衬底的两侧上时，这是特别有利的。有可能将金属衬底实施为导体轨道且将其用作加热导体或温度传感器。出于此目的，优选地在绝缘体层的产生期间，导体轨道之间的空间经填充且导体轨道区段彼此绝缘。

传感器有可能具有超过四个阶层，以使得衬底可具有其它结构化电极层和其它结构化绝缘体。换句话说，奇数编号的阶层具有结构化绝缘体，而偶数编号的阶层具有结构化电极层。如果形成多于两个结构化电极层，那么传感器优选地始终经设计，以此方式使得一个结构化绝缘体始终形成于两个结构化电极层之间。从衬底开始或从衬底的一侧开始计算阶层的数目。

结构化电极层布置在彼此顶部上，尤其是堆叠在彼此顶部上，其中所述结构化电极层在每一状况下借助于至少一个结构化绝缘体彼此间隔开。

根据本发明的传感器可包括例如至少三个结构化电极层和至少三个结构化绝缘体，其中一个绝缘体始终形成于两个结构化电极层之间。第一结构化绝缘体优选地形成于衬底的一侧上。

结构化绝缘体可由两个或多于两个子层组成，所述子层可并排布置和/或布置在彼此顶部上。结构化绝缘体的两个或多于两个子层可由不同材料构成和/或包括不同材料。

结构化电极层可由至少两个电极或至少两个导体轨道或至少一个电极与至少一个导体轨道的组合组成。因此，电极层还可具有三个电极或三个导体轨道或两个电极与一个导体轨道的组合。另外，不同电极层有可能各自以不同方式构造。换句话说，至少两个电极层可由不同数目的电极和/或导体轨道形成。

至少一个电极层优选地具有至少两个交错电极，或至少在一些区域中交错或彼此平行延伸的至少两个导体轨道，或彼此交错或交织的至少一个电极与至少一个导体轨道的组合。所述交错因此可被称作“彼此交织”或“彼此嵌套”或“彼此缠绕”或“彼此交错(interlace)”。

所使用的个别电极层可具有不同结构。

形成电极层，此类电极层彼此交叉也是可能的。

换句话说，根据本发明的传感器可具有复合层，其包括至少两个绝缘体和至少两个结构化电极层。

此外，有可能在电极和/或导体轨道之间，穿过至少两个阶层形成重叠开口，其中所述开口能够被待检测的粒子接近。换句话说，衬底的多个层，尤其是多个结构化电极层和/或多个结构化绝缘体具有开口，其中所述开口布置在彼此顶部上，以此方式使得粒子可穿透到进一步定位在下方的结构化电极层的开口中。所述开口还可穿过衬底以及与另一侧上的其它电极和绝缘体层(阶层)的开口合并。一般来说，所述开口布置在彼此上方，以使得产生在多个阶层内延伸的通道。然而，所述开口还可至少布置在传感器的一些部分中，以此方式使得所述开口仅部分地在彼此上方或根本不在彼此上方。

优选地，至少一个电极层的开口与此电极层的边缘区域间隔开且至少一个绝缘体的开口与所述绝缘体的边缘区域间隔开。因此，优选地，所述开口并不形成在边界层中或并不形成在相关层的横向边缘处。

第一结构化电极层与第二结构化电极层通过位于其之间的第二结构化绝缘体而彼此绝缘。由于此设计，可形成相较于现有技术的传感器具有较小整体大小的非常灵敏的传感器。

在本发明的另一实施例中，可在第五阶层中形成第三结构化绝缘体。

此外，有可能在一/所述第五阶层中形成第三结构化绝缘体，且在第六阶层中通过至少两个电极或至少两个导体轨道或至少一个电极与至少一个导体轨道的组合形成至少一第三结构化电极层。

除第五阶层和/或第六阶层的构造之外，其它结构化绝缘体和其它结构化电极层也有可能形成在其它阶层中，其中所述电极层可各自具有至少两个电极或至少两个导体轨道或至少一个电极与至少一个导体轨道的组合。

一个/所述结构化绝缘体至少在一些区段中可具有布置于其上的结构化电极层，尤其是布置于其上的电极和/或导体轨道的结构。此外，有可能一/所述结构化绝缘体至少在一些区段中具有布置于其下的结构化电极层，尤其是布置于其下的电极和/或导体轨道的结构。

在衬底与第一结构化绝缘体之间或在衬底与具有第一结构化绝缘体的第一阶层之间，可构造尤其是在开口区域中覆盖所述衬底的导电层，尤其是平坦金属层。所述平坦金属层可经结构化，但优选地不具有开口或通道。

至少一个结构化绝缘体可具有0.1μm到50μm，尤其是1.0μm到40μm，尤其是5.0μm到30μm，尤其是7.5μm到20μm，尤其是8μm到12μm的厚度。通过改变结构化绝缘体的厚度，可调节从一个第一电极层到另一电极层的距离。可通过减小位于彼此顶部上的结构化电极层的间隔而提高传感器的灵敏度。绝缘体经设计的厚度越小，传感器的灵敏度越高。

此外，电极层的厚度和/或衬底的绝缘体的厚度有可能发生改变。

绝缘体有可能具有不同层厚度。所述电极层之间的距离可因此改变。通过使用不同层厚度的绝缘体，可测量所检测到的粒子的大小。另外，有可能基于绝缘体的不同层厚度推断所检测到的粒子的粒径分布。

至少一个结构化绝缘体可以由氧化铝(Al₂O₃)或二氧化硅(SiO₂)或氧化镁(MgO)或亚硝酸硅(Si₃N₄)或玻璃或陶瓷或玻璃陶瓷或金属氧化物或其任何混合物形成。

至少一个结构化绝缘体有可能横向围封定位在其下方的至少一个结构化电极层。换句话说，此绝缘体可覆盖电极层的侧面，以此方式使得此电极层横向绝缘。

至少一个导体轨道可作为加热导体形成于衬底与第一结构化绝缘体之间和/或衬底的另一侧上和/或偶数编号的阶层中。

至少一个电极和/或至少一个导体轨道可由导电材料组成，尤其是由金属或合金组成，尤其是由耐高温金属或耐高温合金组成，尤其优选地由铂族金属中的金属或铂族金属中的金属的合金组成。铂族金属的元素为钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)、锇(Os)和铱(Ir)。还可使用例如镍(Ni)等非贵金属或例如镍/铬或镍/铁等非贵金属合金。

另外，至少一个电极和/或至少一个导体轨道有可能由导电陶瓷或金属与陶瓷的混合物形成。举例来说，至少一个电极层可由铂(Pt)晶粒与氧化铝(Al₂O₃)主体的混合物形成。至少一个实际电极和/或至少一个导体轨道包括碳化硅(SiC)或由碳化硅(SiC)制成也是可能的。上文所提到的材料和金属或这些金属的合金具体地说高度耐热且因此适合于构造可用于检测内燃机的废气流中的烟灰粒子的传感器元件。

电极或导体轨道的厚度可在广泛范围内进行改变，且可使用在10nm到1000μm范围内的厚度。优选地，使用在100nm到100μm范围内，尤其优选地在0.6μm到1.2μm范围内，且相当尤其优选地从0.8μm到0.9μm的厚度。

电极或导体轨道的宽度可在广泛范围内进行改变，其中使用在10μm到10mm范围内的宽度。优选地，使用从30μm到300μm，尤其优选地从30μm到100μm，且相当尤其优选地从30μm到40μm的宽度。

在最顶端结构化电极层中背向第一结构化绝缘体的所述侧上，可构造至少一个覆盖层，其尤其是由陶瓷和/或玻璃和/或金属氧化物或其任何组合形成。换句话说，在最顶端电极层中与第一结构化绝缘体相对形成的一侧上构造至少一个覆盖层。所述覆盖层可充当扩散势垒且另外减少所述电极层或最顶端电极层或最高偶数编号的阶层中的电极层的蒸发。在高于700℃的高温下这是尤其重要的。在废气流中，举例来说，可达到高达850摄氏度且更高的温度。

在本发明的另一实施例中，覆盖层可另外横向围封最顶端绝缘体和/或其它电极层。换句话说，最顶端电极层的侧面和下伏绝缘体的侧面两者均可由至少一个覆盖层覆盖。覆盖层的横向围封部分或横向围封区域可因此从最顶端电极层延伸直到底部电极层。这提供电极层和/或绝缘体的横向绝缘。

至少一个覆盖层有可能并不完全覆盖最顶端电极层。换句话说，至少一个覆盖层在一些区段中有可能仅覆盖最顶端电极层。

如果最顶端电极层被设计为加热层，那么有可能仅加热环路/加热线圈的区段由至少一个覆盖层覆盖。最顶端电极层经界定为与衬底相距最远布置的电极层。底部电极层经界定为最接近于衬底布置的电极层。最顶端绝缘体经界定为与衬底相隔最远的绝缘体。底部绝缘体经界定为最接近于衬底形成的绝缘体。

多孔过滤层可形成于最顶端电极层和/或覆盖层上。使用此类多孔过滤层使得较大粒子片段与电极层和绝缘体的布置保持远离。设计过滤层的所述孔或多个孔中的至少一个，使得其保证形成穿过过滤层的通道，适合大小的粒子可穿过所述通道。过滤层的孔径可例如>1μm。所述多孔过滤层还可为微型结构化层，在其中存在或形成具有限定大小的开口。

尤其优选地，孔径经设计成在20μm到30μm范围内。所述多孔过滤层可例如由陶瓷材料形成。还可设想所述多孔过滤层由氧化铝泡沫制成。还覆盖传感器的开口的过滤层使得干涉测量的较大粒子，尤其是烟灰粒子能够与至少一个通道保持间隔，以使得此类粒子不会引起短路。

传感器具有至少一个开口。传感器的至少一个开口可被设计为盲孔，其中将第一绝缘体的区段或第一结构化电极层的区段或任选的平坦金属层的区段形成为盲孔的底部。如果传感器具有覆盖层，那么所述开口还延伸穿过此覆盖层。换句话说，电极层以及绝缘体与覆盖层两者接着各自具有开口，其中这些开口布置在彼此顶部上，以此方式使得其形成通道，尤其是盲孔或纵向凹陷，其底部通过底部电极层的区段或底部绝缘体的区段或平坦金属层的区段形成。举例来说，可在第一电极层中面向第一绝缘体的上侧上形成开口，尤其是盲孔或纵向凹陷的底层。此外，可设想第一电极层具有凹陷，其形成盲孔或纵向凹陷的底部。

传感器的至少一个开口可具有线性或曲折形状或格子或螺旋形状。

至少在一些区段中，至少一个开口，尤其是至少一个纵向凹陷可具有V形和/或U形横截面和/或半圆形和/或梯形横截面。

举例来说，盲孔的开口的横截面例如可为圆形或正方形或矩形或椭圆形或蜂巢形，多边形或三角形或六边形。还可设想不同类型的配置，尤其是自由形式。

举例来说，盲孔有可能具有3×3μm²到150×150μm²，尤其是10×10μm²到100×100μm²，尤其是15×15μm²到50×50μm²，尤其是20×20μm²的正方形横截面面积。

在本发明的另一扩展中，传感器可具有多个通道或开口，尤其是多个盲孔和/或纵向凹陷，其中这些盲孔和/或纵向凹陷可被设计为已经描述。另外，至少两个通道，尤其是两个盲孔和/或两个纵向凹陷有可能具有不同横截面，尤其是不同大小的横截面，以使得可形成具有多个场的传感器阵列，其中可使用多个测量单元以及不同大小的盲孔横截面和/或不同大小的凹陷横截面。通过对导电和/或可极化粒子，尤其是烟灰粒子的并联检测，可获得关于粒子的大小或粒子的大小分布的额外信息。

举例来说，传感器包括呈纵向凹陷形式的多个通道，其中以格栅方式布置所述通道。

至少在一些区段中，至少一个通道，尤其是纵向凹陷可具有V形和/或U形横截面和/或半圆形和/或梯形横截面。

此类横截面或横截面轮廓改进圆形粒子的测量。另外，通过使用这些类型的横截面或横截面轮廓避免高尔夫球效应。

纵向凹陷还可被称作沟槽和/或凹槽和/或槽道。

在本发明的另一实施例中，传感器有可能包括呈盲孔形式的至少一个通道，其为圆形或正方形或矩形或椭圆形或蜂巢形或多边形或三角形或六边形；和呈纵向凹陷形式的至少一个通道，其尤其是具有线性或曲折形状，或格子或螺旋形状。

纵向凹陷在所述凹陷的最顶端边缘处的宽度可在0.1μm到500μm，优选地1μm到200μm范围内，尤其优选地在4μm到100μm范围内。在第一电极层附近的纵向凹陷的宽度可在0.1μm到200μm范围内，优选地在0.1μm到100μm范围内，尤其优选地在1μm到50μm范围内。可改变纵向凹陷的宽度且有可能改变传感器的不同区段的宽度。由于较大粒子例如无法进入狭窄凹陷，因此这还使得能够关于所测量粒子的大小得出结论。

开口或通道的深度取决于阶层的数目和层的厚度。所述厚度在100nm到10mm范围内，优选地在30μm到300μm范围内，尤其优选地在30μm到100μm范围内。开口和通道的深度对于传感器上的所有开口通常相同，但其也可发生改变且在传感器的不同区域中可不同。

如果呈纵向凹陷形式的多个通道形成在传感器中，那么这些通道可被设计成定向在一或多个优选方向上。

在本发明的一个实施例中，绝缘体的至少一个开口有可能形成底切和/或凹座。换句话说，相对于布置在绝缘体上方的电极层和布置在绝缘体下方的电极层，绝缘体可向后偏移或为内嵌式。绝缘体的开口中的横向凹座也可经设计为圆形和/或V形。内嵌在通道中的底切或绝缘体的形成改进对圆形粒子的测量。在本发明的此实施例中，以允许良好电接触的方式将粒子，尤其是圆形粒子馈入到电极层，且尤其是馈入到电极和/或导体轨道。换句话说，至少一个绝缘体的开口可大于布置在绝缘体上方和下方的电极层的开口。

至少一个结构化电极层可具有不含布置在结构化电极层上方的传感器层的电接触表面，且连接或可连接到焊盘。所述电极层连接或可连接到焊盘使得其彼此绝缘。优选地，对于每个电极层或电极层的每个电极和/或每个导体轨道，形成至少一个电接触表面，其在焊盘区域中经暴露以实现电接触。底部电极层，即底部电极和/或底部导体轨道的电接触表面不含任何可能覆盖层且不含绝缘体、不含额外电极层，且在适当情况下不含多孔过滤层。换句话说，绝缘体的区段和电极层的任何区段都不位于底部电极层，即底部电极和/或底部导体轨道的电接触表面上方。

结合第一电极层关于接触表面的陈述还适用于位于其上方的电极层，其中这些接触表面接着不含位于所涉及的每个电极层上方的任何传感器层。

在本发明的另一实施例中，至少第一结构化电极层和/或第二结构化电极层具有导体轨道环路，以此方式使得第一电极层和/或第二电极层被设计为加热线圈和/或温敏性层和/或筛网电极。一个电极层，尤其是电极层的电极和/或导体轨道可具有两个电接触表面也是可能的。可将这些类型的电极层用作加热线圈以及温敏性层和筛网电极。借助于电接触表面的适合电接触，相关电极层可用于加热或用作温敏性层或筛网电极。由于电极层或至少两个电极或至少两个导体轨道或相关电极层的至少一个电极与至少一个导体轨道的组合可执行多个功能，因此电极层的此类设计使得能够提供紧凑传感器。分离的加热线圈层和/或温敏性层和/或筛网电极层因此不是必要的。

在加热至少一个电极层时，所测量粒子和/或存在于传感器开口中的粒子可被烧尽或烧掉。

综上所述，可规定根据本发明的设计允许提供非常准确的测量传感器。通过构造一或多个薄绝缘层，可大体上提高传感器的灵敏度。

另外，根据本发明的传感器的构造相较于已知传感器的构造可小得多。通过在三维空间中设计传感器，可将多个电极层和/或多个绝缘体装配为较小传感器。此外，在传感器的生产期间，可在衬底或晶片上构造明显更多的单元。

根据本发明的传感器可用于检测气体中的粒子。根据本发明的传感器可用于检测液体中的粒子。根据本发明的传感器可用于检测气体和液体和/或气体-液体混合物中的粒子。在使用用于检测液体中的粒子的传感器时，应认识到，并非始终有可能将所述粒子烧掉或烧尽。然而，有可能按次序去除液体，接着将所述粒子烧掉，且其后将传感器暴露于液体以待再次测量。

根据另一方面，本发明涉及传感器系统，包括根据本发明的至少一个传感器和至少一个电路，尤其是至少一个控制电路，其经设计，以此方式使得传感器可以测量模式和/或清洁模式和/或监测模式操作。

根据本发明的传感器和/或根据本发明的传感器系统可具有至少一个辅助电极。在辅助电极与结构化电极层之间和/或在辅助电极与传感器系统的组件，尤其是传感器壳体之间，可施加通过传感器和/或传感器系统以电气方式吸引或吸入待测量的粒子的种类的电势。优选地，将此电压施加到至少一个辅助电极和至少一个结构化电极层，使得粒子，尤其是烟灰粒子被“吸入”传感器的至少一个开口。

根据本发明的传感器优选地布置在传感器壳体中。举例来说，传感器壳体可具有细长管状。因此，根据本发明的传感器系统还可包括传感器壳体。

传感器和/或传感器壳体中的传感器和/或传感器壳体优选地经设计和/或布置成使得传感器，尤其是传感器的最顶端(电极)层或最远离衬底的层相对于流体的流动方向倾斜。所述流动因此并不以直角冲击电极层的平面。优选地，最顶端电极层的平面的法线与粒子的流动方向之间的角度α至少为1°，优选地至少10°，尤其优选地至少30°。此外，传感器的定向为粒子的流动方向与电极或环路的优选轴线之间的角度β优选地介于20°与90°之间的定向。在此实施例中，待检测的粒子可更易于进入开口，尤其是传感器的盲孔或纵向凹陷，且由此提高灵敏度。

电路，尤其是控制电路优选地经设计，使得结构化电极层和/或对应电极和/或导体轨道互连。可将不同电压施加于电极层和/或个别电极层，使得传感器可以测量模式和/或清洁模式和/或监测模式操作。

根据附属方面，本发明涉及根据本发明的用于控制传感器的方法和/或根据本发明的传感器系统。

根据本发明的方法的结果，传感器可以测量模式和/或清洁模式和/或监测模式操作。

在测量模式下，可测量电极层之间和/或传感器的电极层的电极和/或导体轨道之间的电阻变化和/或电极层的电容变化。

换句话说，在测量模式下，测量传感器的一个阶层的电极和/或导体轨道之间的电阻变化和/或传感器的一个阶层的电极和/或导体轨道的电容变化。

有可能在测量模式下测量传感器的至少两个阶层的电极或导体轨道之间的电阻变化和/或传感器的至少两个阶层的电极和/或导体轨道的电容变化。

借助于根据本发明的方法，可基于测得的电极层和/或一个和多个电极层的电极和/或导体轨道之间的电阻变化而检测或测量粒子。替代地或另外，可基于测得的阻抗变化和/或通过测量电极层和/或一或多个电极层的电极和/或导体轨道的电容而检测或测量粒子。优选地测量电极层之间的电阻变化。

在测量模式下，可进行电阻测量，即根据电阻原理的测量。在此方法中，测量两个电极层之间的电阻，其中在粒子、尤其是烟灰粒子跨越充当电导体的至少两个电极层和/或至少两个电极和/或至少两个导体轨道桥接时电阻减小。

在测量模式下适用的基本原理为通过将不同电压施加到电极层和/或电极和/或导体轨道，可检测所测量粒子、尤其是烟灰粒子的不同性质。举例来说，可测定粒子的粒径和/或粒子直径和/或电荷和/或极化率。

如果将至少一个电极层或至少一个电极或至少一个导体轨道用作加热线圈或加热层，或可由此连接，那么电阻测量可另外用于测定加热线圈或加热层的启动时间。加热线圈或加热层的启动对应于待进行的清洁模式。

优选地，至少两个电极层之间和/或至少两个电极之间和/或至少两个导体轨道之间和/或电极与导体轨道的组合之间的电阻的减小指示粒子，尤其是烟灰粒子已经沉积在电极层和/或电极和/或导体轨道上或之间。一旦电阻达到下限阈值，就启动加热线圈或加热层。换句话说，将所述粒子烧掉。电阻随所烧掉粒子的数目或所烧掉粒子的体积的增大而增大。对于待测量的较高电阻值，优选地将烧掉进行足够长的时间。在达到较高电阻值时，这指示重新产生的或经清洁的传感器。此后，可接着开始或进行新测量循环。

替代地或另外，有可能测量电极层和/或电极和/或导体轨道和/或至少一个电极与至少一个导体轨道的组合的电容变化。粒子，尤其是烟灰粒子的增大负载导致电极层和/或电极和/或导体轨道的电容的增大。传感器被粒子的占用导致电荷位移或电容率(ε)的变化，这会导致电容(C)的增大。以下基本关系适用：C＝(ε×A)/d，其中A表示电极层和/或电极和/或导体轨道的活性电极区域，且d表示两个电极层和/或电极和/或导体轨道之间的距离。

可例如通过以下操作来进行对电容的测量：

·确定恒定电流情况下电压增大的速率，和/或

·施加电压并确定充电电流，和/或

·施加AC电压并测量电流波形，和/或

·借助于LC谐振电路确定谐振频率。

还可结合待进行的监测模式使用对电极层的电容变化的所描述的测量。

根据车载诊断(On Board Diagnostics，OBD)调节，需要检查所有排放相关部件和组件的正确运行。举例来说，必须直接在启动机动车辆之后执行功能检查。

举例来说，可损坏至少一个电极层，其与活性电极表面区域A中的减小相关联。由于活性电极表面A与电容C成正比，因此损坏电极层或损坏电极或损坏导体轨道的所测得电容C减小。

在监测模式下，替代地或另外，有可能将电极层和/或电极和/或导体轨道设计为导体电路。导体电路可被设计为闭合或断开导体电路，其在必要时可例如借助于开关闭合。

另外，有可能使用至少一个开关闭合电极层或电极和/或导体轨道以形成至少一个导体电路，而在监测模式下，进行检查以确定测试电流是否正流动通过至少一个导体电路。如果电极层，尤其是电极或导体轨道具有裂纹或已遭受损坏或被破坏，那么无测试电流或仅极小测试电流将流动通过。

根据本发明的其它方面，具体地说，优选根据本发明的传感器的多个用途。根据附属权利要求15，传感器的根据本发明的用途涉及检测导电和/或可极化粒子，尤其是检测烟灰粒子。

本发明的另一个方面涉及用于检测导电和/或可极化粒子，尤其是用于检测烟灰粒子的根据本发明的传感器的用途，其中粒子的流动方向并不垂直冲击结构化电极层的平面。

本发明的另一个方面涉及用于检测导电和/或可极化粒子，尤其是用于检测烟灰粒子的根据本发明的传感器的用途，其中最顶端结构化电极层的平面的法线与粒子的流动方向之间的角度α至少为1°，优选地至少10°，尤其优选地至少30°。

本发明的另一个方面涉及用于检测导电和/或可极化粒子，尤其是用于检测烟灰粒子的传感器的根据本发明的用途，其中粒子的流动方向与电极和/或导体轨道的优选方向之间的角度β介于20°与30°之间。电极和/或导体轨道和/或环路的优选方向应理解成意味着电极和/或导体轨道和/或环路主要延伸的轴线。导体轨道环路和/或电极因此具有主要的优选方向。在下文中，基于示范性实施例且参考随附示意图更详细地描述本发明。

附图说明

图1：根据本发明的用于检测导电和/或可极化粒子的传感器的第一实施例的横截面图；

图2a+2b：说明可能的电极层；

图3：说明通道的各种横截面大小；

图4：说明传感器中的可能通道的另一横截面轮廓；

图5+6：绝缘体或内嵌式绝缘体中的底切的横截面图；以及

图7a+7b：说明流体流动中传感器的可能布置。

具体实施方式

在下文中，相同附图标记用于相同或功能上等效的部件。

图1展示穿过用于检测导电和/或可极化粒子，尤其是用于检测烟灰粒子的传感器10的区段。传感器10原则上可用于检测气体和液体中的粒子。

传感器10包括衬底11和在衬底11上方，尤其是在衬底11的第一侧12上形成的复合层。在衬底11的第一侧12上形成导电层13，尤其是平面金属层。在此导电层13上方形成多个阶层，尤其是七个阶层E1、E2、E3、E4、E5、E6和E7。在第一阶层E1中形成第一结构化绝缘体20。在第二阶层E2中形成第一结构化电极层31，其中所述第一结构化电极层31由第一电极40和形成的第二电极40'形成。继而在第三阶层E3中、在第五阶层E5中且在第七阶层E7中形成结构化绝缘体，即结构化绝缘体21、结构化绝缘体22和结构化绝缘体23。在第四阶层E4中形成第二电极层32。第二电极层32由第一电极41和第二电极41'组成。在第六阶层E6中形成第三电极层33。第三电极层33由第一电极42和第二电极42'组成。

绝缘体20、21、22和23因此形成在奇数编号的阶层中，即形成在阶层E1、E3、E5和E7中。在偶数编号的阶层中，即在阶层E2、E4和E6中，形成电极层，即第一电极层31、第二电极层32和第三电极层33。在电极层31、32和33之间形成绝缘体21和22。另外，第一结构化绝缘体20形成于第一电极层31与衬底11之间。最顶端，即第三电极层33再次由第四绝缘体23覆盖。

传感器10包括三个电极层31、32和33与四个绝缘体20、21、22和23。

通过绝缘体21和22的厚度确定电极层31、32和33之间的间隔。绝缘体21和22的厚度可为0.1μm到50μm。可通过减小绝缘体21和22的厚度提高根据本发明的传感器10的灵敏度。

电极层31、32和33各自具有至少两个电极40和40'，或41和41'，或42和42'。这些电极根据本发明彼此交错。

开口25、35、26、36、27、37和28形成在第一绝缘体20、第一电极层31、第二绝缘体21、第二电极层32、第三绝缘体22、第三电极层33和第四绝缘体23中。

第一绝缘体20的开口25、第一电极层31的开口35、第二绝缘体21的开口26、第二电极层32的开口36、第三绝缘体22的开口27、第三电极层33的开口37和第四绝缘体23的开口28布置在彼此顶部上，以此方式使得形成通道15。开口25、26、27、28、35、36和37能够被待检测的粒子30、30'接近。在所示的示范性实施例中，将两个粒子30、30'置于导电层13的第一侧14上。导电层13的第一侧14背向衬底11。将第一绝缘体20安装在导电层13的第一侧14上。

穿过通道15的透视区段展示粒子30、30'置于导电层13的第一侧14上。第一侧14因此形成通道15的底部。所示实例中的小粒子30仅触碰第一电极层31，尤其是触碰第一电极层31的第一电极40。较大粒子30'触碰第一电极层31与第二电极层32和第三电极层33两者。并且，较大粒子30'仅触碰电极层31、32和33的第一电极40、41和42中的每一个。如果基于电阻原理执行粒子检测，那么测量电极层31、32和33之间的电阻，其中在粒子30跨越例如第一电极层31、第二电极层32和第三电极层33桥接的情况下此电阻减小。粒子30'相较于小粒子30跨越更多个电极层桥接。相较于粒子30，粒子30'经检测为较大粒子。

通过将不同电压施加到电极层31、32和33或相应第一电极40、41和42或相应第二电极40'、41'和42'，可测量不同粒子性质，尤其是不同烟灰性质，例如(烟灰)粒子的直径和/或大小和/或(烟灰)粒子上的电荷和/或(烟灰)粒子的极化率。

出于高温可相容应用的目的，衬底11例如由氧化铝(Al₂O₃)或氧化镁(MgO)形成或由钛酸盐或块滑石形成。

电极层31、32和33和/或相应电极40、40'、41、41'、42、42'可例如由铂和/或铂钛合金(Pt-Ti)形成。

绝缘体20、21、22和23优选地由绝缘电阻较高的耐热材料组成。举例来说，绝缘体20、21、22和23可由氧化铝(Al₂O₃)或二氧化硅(SiO₂)或氧化镁(MgO)或氮化硅(Si₃N₄)或玻璃制成。

基于对个别层和绝缘体的材料选择所示的传感器10适合于例如高达860℃的高温应用。传感器10可因此用作内燃机的废气流中的烟灰粒子传感器。在本发明的替代实施例中，可设想电极层31、32和33各自由至少一个电极与至少一个导体轨道的组合形成。

在图2a中，展示电极层31、32和33的可能实施例的平面视图。所述电极层各自包括一个第一电极40、41或42和一个第二电极40'、41'和42'。将所述电极设计成交错的。还可设想将所述电极设计成交织到彼此中或彼此交织。电极的相互交错的情况或设计也是可能的。还示意性地展示电极层30、31和32的开口35、36和37。以细长形孔的形式实施开口。如果多于一个此类开口布置在彼此顶部上，其中绝缘体也具有类似的开口几何形状，那么可形成纵向凹陷。获得优选的轴线x，其中对准所述电极。

图2b展示关于电极层31、32和33的结构的另一实施例。这些电极层具有至少两个导体轨道，即第一导体轨道38和第二导体轨道39。导体轨道38和39形成导体轨道环路。这些导体轨道环路也彼此交错，且在较大区域中彼此平行地延伸。在导体轨道38与39之间形成另外的开口，其还可被称作细长形开口。并且，在此上下文中，形成导体轨道环路的优选轴线x。

在图3到6中的每一个中，展示垂直于传感器10获得，因此始于最顶端绝缘体20朝向衬底11的横截面。图3到6的传感器10具有七个阶层，即阶层E1到E7。在阶层E1、E3、E5和E7中分别形成绝缘体20、21、22和23。在阶层E2、E4和E6中分别形成电极层31、32和33，其各自具有两个电极，即电极40、40'、41、41'和42、42'。

在根据图3的传感器10中，展示呈纵向凹陷15和15'的形式的两个通道的横截面轮廓。两个通道15和15'具有V形横截面。开口大小和/或开口横截面从第四绝缘体23朝向衬底11，尤其是朝向导电层13减小。开口28、37、27、36、26、35和25的横截面的大小从开口28的第一开口横截面开始朝向开口25的底部横截面开口减小。

另外，图3展示通道15和15'可具有不同宽度。左侧通道15具有宽度B1。右侧通道15'具有宽度B2。B1大于B2。具有不同宽度的通道15和15'的设计使得能够进行粒子30的特定大小测量。

V形横截面轮廓使得对圆形粒子的测量得以改进。

在图4中，给定实例，说明在替代实施例中，纵向凹陷15可具有U形横截面或U形横截面轮廓的事实。开口大小和/或开口横截面在导电层13的方向上从第四绝缘体23而减小。开口28、37、27、36、26、35和25的横截面的大小从开口28的第一开口横截面开始朝向开口25的底部横截面开口减小。U形横截面轮廓的使用可继而改进圆形粒子的测量。

图5展示内嵌式绝缘体20、21、22和23的横截面。在圆形粒子的状况下，平坦或平滑通道表面的形成是不利的。内嵌式或底切绝缘体20、21、22和23的形成使得圆形粒子的测量能够得以改进。绝缘体20、21、22和23相较于电极层31、32和33为内嵌式。绝缘体23、22、21和20的开口28、27、26和25中的每一个大于布置在相应绝缘体上方的电极层31、32和33的形成在其上方的开口35、36和37。通道15的横截面轮廓具有V形设计，其中所有层23、33、22、32、21、31和20的开口在衬底11的方向上变得较小，以使得绝缘体20、21、22和23的开口25、26、27和28并不具有相同大小。

图6展示绝缘体20、21、22和23中底切的横截面图。与此相关的绝缘体中底切的设计使得圆形粒子的测量能够得以改进的情况也是如此。绝缘体20、21、22和23具有底切或凹座90。绝缘体20、21、22和23的开口25、26、27和28的大小因此大于电极层31、32和33的开口35、36和37。

如图7a中所示，传感器10被引入到流体流动中，以此方式使得粒子的流动方向a并不垂直冲击电极层31、32、33的平面(x,y)。最顶端电极层33的平面(x,y)的法线(z)与粒子的流动方向a之间的角度α至少为1度，优选地至少10度，尤其优选地至少30度。所述粒子因此可更易于传送到开口或通道15、15'中并且因此更易于传送到形成于其中的电极层30、31和33的开口的壁。

在图7b中，将传感器10引入流体流动中，以此方式使得粒子的流动方向a与电极和/或导体轨道的优选轴线x(其中参见图2a和2b的优选轴线)之间的角度β介于20度与90度之间。

此时，应注意，无论是单独还是以任何组合形式，要求上文结合根据图1到图7b的实施例，尤其是附图中所示的细节所描述的所有元件和组件为本发明所必需的。

参考列表

10 传感器

11 衬底

12 衬底的第一侧

13 导电层

14 导电层的第一侧

15 通道

20 第一绝缘体

21 第二绝缘体

22 第三绝缘体

23 第四绝缘体

25 第一绝缘体的开口

26 第二绝缘体的开口

27 第三绝缘体的开口

28 第四绝缘体的开口

30、30' 烟灰粒子

31 第一电极层

32 第二电极层

33 第三电极层

35 第一电极层的开口

36 第二电极层的开口

37 第三电极层的开口

38 第一导体轨道

39 第二导体轨道

40、40' 第二阶层的第一电极/第二电极

41、41' 第四阶层的第一电极/第二电极

42、42' 第六阶层的第一电极/第二电极

90 底切

a 流动方向

B1 通道的宽度

B2 通道的宽度

x 电极的优选轴线

α 电极平面的法线与流动方向之间的角度

β 优选轴线与流动方向之间的角度

E1 第一阶层

E2 第二阶层

E3 第三阶层

E4 第四阶层

E5 第五阶层

E6 第六阶层

E7 第七阶层

Claims (22)

1.一种用于检测烟灰粒子的传感器(10)，包括衬底(11)，

其特征在于

在所述衬底(11)的至少一侧上，

-在第一阶层(E1)中的第一结构化绝缘体(20)、

-在第二阶层(E2)中的第一结构化电极层(31)、

-在第三阶层(E3)中的第二结构化绝缘体(21)和

-在第四阶层(E4)中的第二结构化电极层(32)

直接或间接地经布置，以此方式使得

在至少一个结构化电极层(31、32)和一个结构化绝缘体(20、21)中形成至少一个开口(25、26、35、36)，所述开口能够被待检测的所述粒子(30、30’)接近，其中

所述电极层(31、32)各自具有至少两个电极(40、40'、41、41')，

其中，

所述电极层(31、32、33)各自具有至少两个交错电极(40、40'、41、41'、42、42')，其中所述结构化绝缘体(20、21)和所述电极层(31、32)直接地布置在彼此顶部上，其中

在所述电极(40、40'、41、41'、42、42')之间，穿过至少两个阶层(E1、E2、E3、E4)形成重叠开口(25、26、27、28、36、37)，所述开口能够被待检测的所述粒子(30、30')接近，其中

至少在一些区段中，至少所述第一结构化绝缘体(20、21、22、23)具有布置于其上的电极(40、40'、41、41'、42、42')的结构。

2.根据权利要求1所述的传感器(10)，

其特征在于

在所述衬底(11)与所述第一结构化绝缘体(20)之间形成导电层(13)，所述导电层覆盖在所述开口(25、26、27、28、35、36、37)的区域中的所述衬底(11)。

3.根据权利要求2所述的传感器(10)，其中所述导电层(13)是平面金属层。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的传感器(10)，

其特征在于

在所述衬底(11)与所述第一结构化绝缘体(20)之间和/或在所述衬底(11)的另一侧上和/或在偶数编号的阶层(E2、E4、E6)中形成至少一个导体轨道。

5.根据权利要求4所述的传感器(10)，其中所述至少一个导体轨道是加热导体。

6.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的传感器(10)，

其特征在于

至少一个电极(40、40'、41、41'、42、42')由导电材料形成。

7.根据权利要求6所述的传感器(10)，其中所述导电材料是金属或合金。

8.根据权利要求6所述的传感器(10)，其中所述导电材料是耐高温金属或耐高温合金。

9.根据权利要求6所述的传感器(10)，其中所述导电材料是铂族金属中的金属或铂族金属中的金属的合金。

10.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的传感器(10)，

其特征在于

在最顶端结构化电极层(33)背向所述第一结构化绝缘体(20)的侧上形成至少一个覆盖层。

11.根据权利要求10所述的传感器(10)，其中所述至少一个覆盖层是由陶瓷、玻璃、金属氧化物、或其任何组合形成。

12.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的传感器(10)，

其特征在于

将至少一个开口(15、15')形成为盲孔。

13.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的传感器(10)，

其特征在于

至少一个开口(15、15')是以线性或曲折形式或以格子或螺旋形状形成。

14.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的传感器(10)，

其特征在于

至少一个开口(15、15')是以纵向凹陷形式形成。

15.一种传感器系统，包括根据权利要求1到14中任一权利要求所述的至少一个传感器(10)，和至少一个电路，其经设计成使得所述传感器(10)能够以测量模式和/或清洁模式和/或监测模式操作。

16.根据权利要求15所述的传感器系统，其中所述电路是控制电路。

17.一种用于控制根据权利要求1到14中任一权利要求所述的传感器(10)的方法，

其特征在于

所述传感器(10)以测量模式和/或清洁模式和/或监测模式操作。

18.根据权利要求17所述的方法，

其特征在于

在所述测量模式下，测量所述传感器的阶层的电极之间的电阻变化和/或所述传感器的阶层的电极的电容变化。

19.一种根据权利要求1到14中任一权利要求所述的传感器(10)用于检测烟灰粒子(30、30')的用途。

20.根据权利要求19所述的用途，

其特征在于

所述粒子(30、30')的流动方向(a)并不垂直冲击结构化电极层(31、32、33)的平面(x,y)。

21.根据权利要求19或20所述的用途，

其特征在于

最顶端的结构化电极层(33)的平面(x,y)的法线(z)与所述粒子(30、30')的流动方向(a)之间的角度(α)至少为1度。

22.根据权利要求19或20所述的用途，

其特征在于

所述粒子(30、30')的流动方向(a)与电极(40、40'、41、41'、42、42')的轴线(x)之间的角度(β)介于20度与90度之间。

Images