颗粒物传感器的制作方法

本公开涉及一种颗粒物传感器。

背景技术：

该部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景技术并且可能不构成现有技术。

近来，随着排气法规进一步收紧，开发了净化排气的后处理装置。

特别地，关于柴油车辆的排气中包含的诸如碳烟等的颗粒物(pm)以及氮氧化物(nox)的法规正在进一步收紧。

作为减少颗粒物并且接近商业化的后处理技术，可以使用柴油颗粒过滤器(dpf)，并且可以将颗粒物(pm)传感器安装在dpf的后端。

通常，颗粒物(pm)传感器用于感测通过dpf收集的颗粒物的量，或者用于诊断排气减少装置(后处理装置)是否有故障。

近来，车载诊断(obd)规则不仅需要满足收紧的排气法规，而且需要具有诊断能力以感测与排气相关的部件的故障和劣化程度，以及满足与客户服务市场中的标准化相关的各种规定。

为了应对欧6(欧盟排放标准)排气法规，可以使用颗粒物(pm)传感器来测量未被dpf过滤出并且排放到外部的颗粒物的水平。

进一步地，电子控制单元(ecu)通过颗粒物(pm)传感器的测量值来诊断dpf是否有故障，并且告知驾驶员dpf有故障以维修汽车。

颗粒物(pm)传感器通常被划分为累积型和实时型。累积型颗粒物(pm)传感器根据施加电压的两个电极上的颗粒物的累积来感测两个电极之间的电流变化。

对于累积型，已知有用于检测由于排气中包含的颗粒物累积在感测单元而产生的电阻或电容的变化的类型，即电阻型和电容型。

电容型颗粒物(pm)传感器包括并行设置在传感器的表面上的多个第一电极和与第一电极隔开预定距离设置的多个第二电极，并且使用第一电极之间累积的颗粒物的面积和第一电极与第二电极之间的距离来测量第一电极与第二电极之间的电容，从而容易地检测未被柴油颗粒过滤器过滤出并且排放到下游侧的颗粒物。

在电阻型颗粒物(pm)传感器中，当在偏置电压施加在两个电极之间的状态下颗粒物累积时，由于颗粒物的累积量而发生两个电极之间的信号变化(即，电阻减小)，并且在该情况下，电阻型颗粒物(pm)传感器通过比较测量值与设定值(比较颗粒物产生量与设定量)来诊断柴油颗粒过滤器是否有故障。

如果颗粒物(pm)传感器判断柴油颗粒过滤器正常操作，则这种颗粒物(pm)传感器通过驱动加热器来去除颗粒物(传感器再生(sensorregeneration))，然后测量对应于电极之间累积的颗粒物的量的电流变化(即，电阻变化)(即，重复传感器再生和测量的循环)。

如现有技术文献，公开号为us2013/0298640的美国公开专利公开了一种碳烟传感器的操作方法。在所公开的颗粒物传感器中，电极仅形成在衬底的一个表面上，因此灵敏度较低，并且灵敏度受传感器安装方向影响。

进一步地，公开号为us2012/0324982的美国公开专利和公开号为us2009/0051376的美国公开专利公开了应用掩模工艺和激光电极图案化工艺来减小两个电极之间的距离以提高灵敏度。

然而，已经发现，掩模工艺在减小电极之间的距离方面具有局限性，并且可能在烧结后发生两个电极之间的短路。

进一步地，已经发现，激光电极图案化工艺可以相对地减小电极之间的距离，但可能导致成本增加和量产性降低。

技术实现要素：

本公开提供一种具有改进结构的颗粒物传感器，该颗粒物传感器可以实现两个电极之间的距离的减小和测量电极的面积的增加，从而提高测量精确度、可靠性和灵敏度并且降低传感器安装方向对灵敏度的影响。

根据一方面，本公开提供一种颗粒物传感器，包括：壳体，设置有入口和出口，以使通过入口被引入到壳体内部的排气穿过壳体的内部空间后通过出口被排放到壳体的外部；以及感测单元，安装在壳体的内部空间内以使排气穿过，其中感测单元包括层压件，该层压件包括电绝缘衬底、设置在电绝缘衬底的一个表面上的第一电极、设置在电绝缘衬底的另一个表面上的第二电极以及堆叠在第一电极和第二电极中的一个上并具有使排气穿过的结构的多孔层，并且层压件螺旋地缠绕在基部单元上。

本公开的其它方面和形式在下面进行描述。

进一步的适用性领域将从本文提供的描述中变得显而易见。应理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，而并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以充分地理解本公开，现在将参照附图，通过示例的方式来描述本公开的各种形式，其中：

现在将参照下面仅通过说明的方式给出并且因此并不限制本公开的附图中示出的本公开的某些示例性实施例来详细地描述本公开的上述和其它特征，并且其中：

图1是示出根据本公开的一种形式的颗粒物传感器的纵向截面视图；

图2是示出根据本公开的形式的颗粒物传感器的感测单元的结构和排气流动路径的放大视图；

图3分别是根据本公开的形式的颗粒物传感器的感测单元的横截面视图以及感测单元的特定区域的放大视图；

图4是根据本公开的形式的颗粒物传感器的感测单元的横截面视图以及感测单元的特定区域的放大视图；

图5是示例性示出根据本公开的形式的颗粒物传感器的感测单元的具有各种形状的电极的视图；

图6是示例性示出根据本公开的一种形式的颗粒物传感器的感测单元的制造方法的视图；以及

图7a和图7b是示例性示出根据本公开的另一变型的颗粒物传感器的包括加热器和温度传感器的感测单元的制造方法的视图。

应理解的是，附图不一定按比例绘制，呈现示出本公开的基本原理的各种特征的有所简化的表示。如本文公开的本公开的具体设计特征，例如包括具体尺寸、方向、位置和形状，将通过特定预期应用和使用环境来部分地确定。

在附图中，附图标记在附图的数个图中表示本公开的相同或等同的部件。

本文描述的附图仅用于说明的目的，而并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

下面的说明在本质上仅是示例性的，而并不旨在限制本公开、应用或使用。应理解的是，在整个附图中，对应的附图标记表示相似或对应的部件和特征。

现在，在下文中将详细地参照本公开的各种形式，其示例在附图中示出并在下面进行描述。尽管本公开将包括示例性形式的说明，但将理解的是，本公开并不旨在限于示例性形式。相反地，本公开旨在不仅涵盖示例性形式，而且涵盖在如所附权利要求限定的本公开的实质和范围内的各种可选方案、修改方案、等同方案和其它变型。

在下面的本公开的形式的描述中，术语“包括”将被解释为表示说明书中所陈述的特性、数量、步骤、操作、元件和部件或其组合的存在，但并不排除一个或多个其它特性、数量、步骤、操作、组成要素和部件或其组合的存在，或者添加一个或多个其它特性、数量、步骤、操作、组成要素和部件或其组合的可能性。

本公开提供一种具有改进结构的颗粒物传感器，该颗粒物传感器可以实现两个电极之间的距离的减小和测量电极的面积的增加，从而提高测量精确度、可靠性和灵敏度并且降低传感器安装方向对灵敏度的影响。

为此目的，公开了一种颗粒物传感器，在该颗粒物传感器中，改进了包括电极的感测单元的结构。

根据本公开的颗粒物传感器包括具有技术特征的感测单元，因此可以采用包括感测单元的电容型颗粒物传感器或电阻型颗粒物传感器。

即，除了下面将描述的感测单元，可以附加地提供与感测单元的电极连接的已知电路结构，因此形成电容型颗粒物传感器或电阻型颗粒物传感器。

图1是示出根据本公开的一种形式的颗粒物传感器的纵向截面视图，图2是示出根据本公开的形式的颗粒物传感器的感测单元和排气流动路径的放大视图。

图3是根据本公开的形式的颗粒物传感器的感测单元的横截面视图以及感测单元的特定区域的放大视图，图4是根据本公开的形式的颗粒物传感器的感测单元的横截面视图以及感测单元的特定区域的放大视图。

如图1至图4所示，根据本公开的一种形式的颗粒物传感器100包括：壳体110，设置有入口113和出口114，以使排气通过入口113和出口114穿过壳体110的内部空间；以及圆柱形感测单元120，安装在壳体110内以使排气穿过。

在此，壳体110可以制造成圆柱形的容器形状，排气被引入到壳体110内部的入口113形成在壳体110的一侧，并且排气被排放到壳体110的外部的出口114形成在壳体110的另一侧。

如图1所例示，入口113可以位于壳体110的上部，并且出口114可以位于壳体110的下部。

感测单元120在壳体110内位于入口113和出口114之间，并且通过入口113引入到壳体110内部的排气穿过感测单元120后通过出口114被排放到壳体110的外部。

更具体地，在排气通过形成在壳体110的上部的入口113被引入到壳体110内部之后，如图2所示，排气可以在壳体110内沿向下方向穿过下面将描述的感测单元120的多孔层124，并且穿过多孔层124的排气可以通过形成在壳体110的下部的出口114被排放到壳体110的外部(参照图2)。

在本公开中，感测单元120的多孔层124插设并堆叠在第一电极121和第二电极123之间，并且当排气穿过多孔层124时，排气中包含的颗粒物被收集并累积在多孔层124中。

在该形式中，排气被引入到壳体110内部的入口113可以形成在壳体110的侧表面部分(即，圆柱形部分111)，并且入口113可以包括多个孔，多个孔在圆周方向上以预定距离布置在壳体110的侧表面部分(即，圆柱形部分111)(参照图1)。

进一步地，具有圆锥形状的直径逐渐减小的直径减小部分112与壳体110的圆柱形部分111的一个轴向侧一体地形成，并且排气被排放到外部的出口114贯通圆锥形的直径减小部分112的前端而形成。

进一步地，感测单元120在壳体110内部设置成位于直径减小部分112的上游侧，并且通过入口113被引入到壳体110内部的排气穿过感测单元120，然后通过直径减小部分112的出口114被排放到壳体110的外部。

在本公开中，感测单元120包括层压件，该层压件包括电绝缘衬底122、设置在电绝缘衬底122的一个表面上的第一电极121、设置在电绝缘衬底122的另一个表面上的第二电极123以及堆叠在第一电极121和第二电极123中的一个上并具有可以使排气穿过的结构的多孔层124。

在此，感测单元120的层压件螺旋地缠绕在基部单元130上。

在下文中，将更详细地描述这种感测单元120的结构。

首先，感测单元120包括：两个电极121和123，以预定距离设置；以及多孔层124，设置在两个电极121和123之间并具有排气可以穿过的多孔结构。

在根据本公开的该形式的颗粒物传感器100的感测单元120中，如图2至图3所示，电绝缘衬底122设置在第一电极121的一个表面和第二电极123的一个表面之间，并且多孔层124设置在第二电极123的另一个表面和第一电极121的另一个表面之间。

即，由于感测单元120是一种螺旋地缠绕的层压件，因此感测单元120具有第一电极121、衬底122、第二电极123、多孔层124、第一电极121、衬底122、第二电极123和多孔层124在向外方向上重复地堆叠在基部单元130上的结构。

在该形式中，感测单元120可以具有圆形横截面(除中央的基部单元130外具有圆柱形形状)以被容纳并位于壳体110的圆柱形部分111内，并且被安装成使得感测单元120的外圆周表面紧贴在壳体110的圆柱形部分111的内圆周表面。

进一步地，感测单元120被安装成在壳体110内位于入口113的下游侧和出口114的上游侧之间，因此通过入口113被引入到壳体110内部的排气穿过感测单元120的多孔层124，然后通过出口114被排放到壳体110的外部。

因此，当排气穿过多孔层124时，排气中包含的颗粒物(pm)被累积在多孔层124中，并且可以通过电极121、123读取根据累积在多孔层124中的颗粒物(pm)的量的电信号来进行测量。

感测单元120可以在壳体110内与基部单元130的端部结合，并且基部单元130可以被设置为具有圆形横截面的长杆形状的构件并被安装成在壳体110内沿轴向延伸。

在此，基部单元130可以固定到单独设置在壳体110内的支撑件131并被该支撑件131支撑。

基部单元130可以被安装成在壳体110内贯通感测单元120的中央。在此，感测单元120被配置成与基部单元130的端部的外圆周表面结合。

因此，如图3所示，当观察感测单元120的横截面时，感测单元120设置在基部单元130的周围，基部单元130位于感测单元120的中央，并且在基部单元130和感测单元120彼此结合的状态下具有圆形横截面。

当然，除基部单元130外的感测单元120的整体形状是在其中央形成有中空以使基部单元130插入到该中空中的圆柱形形状。

更详细地，感测单元120包括：衬底122，由绝缘材料形成；第一电极121和第二电极123，堆叠在衬底122的两个表面上；以及多孔层124，堆叠在第二电极123上。

在此，感测单元120具有如上所述的结构，在该结构中，第一电极121堆叠在多孔层124的一个表面上，第二电极123堆叠在多孔层124的另一个表面上，并且第一电极121、衬底122、第二电极123和多孔层124螺旋地缠绕在基部单元130上。

在下文中，通过顺序地堆叠第一电极121、衬底122、第二电极123和多孔层124而形成的结构将被称为层压件。

在本公开中，感测单元120可以通过将层压件螺旋地缠绕在基部单元130的外圆周表面上使得第一电极121作为接合到基部单元130的外圆周表面的最内层而形成。

层压件具有如下结构：第一电极121和第二电极123位于衬底122的两个表面上并且多孔层124堆叠在第二电极123上，并且如图3所示，当层压件螺旋地缠绕在基部单元130上使得第一电极121围绕基部单元130的外圆周表面并接合时，多孔层124的一个表面堆叠并接合到第二电极123并且多孔层124的另一个表面堆叠并接合到第一电极121。

即，如图3所示，如果多孔层124的一个表面堆叠在第二电极123上的层压件重复地缠绕在基部单元130上使得多孔层124的另一个表面堆叠在第一电极121上，则第一电极121和第二电极123设置在多孔层124的两个表面上，并且这种结构意味着多孔层124插设在第一电极121和第二电极123之间。

当观察图3的横截面时，堆叠并接合第二电极123的多孔层124的表面可以是多孔层124的内表面。

进一步地，当层压件重复地螺旋地缠绕在基部单元130上时，第一电极121堆叠并接合在多孔层124的表面上，并且当观察图3的横截面时，连续地堆叠并接合第一电极121的多孔层124的表面可以是多孔层124的外表面。

如此，层压件被螺旋地缠绕在基部单元130上以具有如下结构：第一电极121、衬底122、第二电极123、多孔层124、第一电极121、衬底122、第二电极123和多孔层124从基部单元130开始在向外方向上重复地堆叠在基部单元130上。在感测单元120的这种结构中，两个电极121和123之间的距离可以通过调整多孔层124的厚度来调整。

参照图3，可以确定插设在第一电极121和第二电极123之间的多孔层124的厚度对应于第一电极121和第二电极123之间的距离。

在本公开的该形式中，如图4所示，与传感器灵敏度相关的两个电极121、123之间的距离在所有位置是一致的。此时，两个电极121、123之间的距离由多孔层124的厚度决定。

在本公开的该形式中，插设在第一电极121和第二电极123之间的多孔层124的厚度，即第一电极121和第二电极123之间的距离优选为20-50μm。

如果第一电极121和第二电极123之间的距离小于20μm，则导致多孔层124的厚度再现困难，并且如果第一电极121和第二电极123之间的距离超过50μm，则第一电极121和第二电极123之间的距离过度增加导致灵敏度可能变得低于传感器100的期望水平。

除了多孔层124的厚度，感测单元120的轴向长度(圆柱形状的感测单元120的长度)、感测单元120的直径等也与传感器100的灵敏度相关。

传感器100的灵敏度可能随着多孔层124的厚度减小以及第一电极121和第二电极123之间的距离减小而增加，并且传感器100的灵敏度可能随着感测单元120的轴向长度和直径增加而增加。

现有技术中，两个电极之间的距离可以使用诸如使用激光的电极图案化的复杂且昂贵的工艺而形成为20μm，但这种工艺可能伴随例如成本增加和量产性降低的问题。

另一方面，如果感测单元120通过如上所述的将层压件螺旋地缠绕在基部单元130上而形成，则可以容易地减小两个电极之间的距离并且可以大大增加累积颗粒物的部分与电极之间的接触面积。

进一步地，可以简化制造工艺，可以使用简单的设备来制造具有广泛电极面积的感测单元120，因此可以实现成本降低和量产性提高。

此外，设置为层压件的感测单元120被制造成形成围绕基部单元130的圆柱形形状，因此可以消除传感器安装方向对传感器的灵敏度的影响。

在本公开的该形式中，两个表面上堆叠第一电极121和第二电极123的衬底122由电绝缘材料形成，并且例如，具有预定厚度的陶瓷片可以用作衬底122。

此时，衬底122的厚度可以为100-200μm。

电极121、123可以由具有导电性的导体形成，并且例如，可以由本领域中已知的普通电极材料形成。

图5是示例性示出可应用于根据本公开的形式的颗粒物传感器100的感测单元120的具有各种形状的电极的视图。如图5所示，可以使用被制造成具有预定厚度的薄片的板式电极，或者为了减少消耗的电极材料的量，可以使用具有预定图案的图案化电极。

如果图案化电极被用作第一电极121和第二电极123，则第一电极121和第二电极123被制造成具有相同的形状。

进一步地，多孔层124可以被配置成使排气穿过开孔结构并且将排气中包含的颗粒物收集并累积在多孔层124的内表面上。

在颗粒物被收集并累积在多孔层124中的状态下，发生第一电极121和第二电极123之间的信号变化，已知的外部电路读取该信号变化，从而测量累积的颗粒物的量(电容型或电阻型)。

在本公开的该变型中，感测单元120的多孔层124可以具有与dpf相似的多孔结构，优选地，具有可以在不施加偏置电压的情况下收集颗粒物的多孔结构。

图6是示例性示出根据本公开的一种形式的颗粒物传感器100的感测单元120的制造方法的视图。如图6所示，具有特定厚度的陶瓷片可以用作衬底122，并且第一电极121和第二电极123通过丝网印刷而堆叠形成在用作衬底122的陶瓷片的一个表面和另一个表面上。

之后，包括粘结剂的多孔层124通过丝网印刷而堆叠形成在第二电极123上，并且通过顺序地堆叠第一电极121、衬底122、第二电极123和多孔层124而形成的层压件螺旋地缠绕在基部单元130上以围绕基部单元130，从而形成具有圆柱形形状的感测单元120。

此时，层压件螺旋地缠绕在基部单元130上，使得第一电极121可以接合到基部单元130的外圆周表面，并且之后，当在预定温度下执行烧结工艺时，可以完成颗粒物传感器100的感测单元120的制造。

如上所述，多孔层124通过丝网印刷而堆叠形成在第二电极123上，并且通过丝网印刷工艺来将具有多孔结构的层堆叠形成在特定表面上是工业上可应用的已知方法，因此将省略对其的详细说明。

在本公开中，多孔层124可以由陶瓷材料形成，多孔层124的陶瓷材料可以与衬底122的材料相似或相同，并且由陶瓷材料形成的多孔层124可以通过丝网印刷工艺而堆叠形成在第二电极123上。

多孔层124的孔隙率可以通过添加致孔剂来调整。具体地，通过混合氧化铝(al2o3)粉末和粘结剂(例如，氯乙烯、偏二氯乙烯、甲基丙烯酸甲酯或异丁烯酸甲酯)来制造陶瓷浆料。

之后，陶瓷浆料通过丝网印刷工艺而被涂敷在第二电极123上，并且为了模塑和可塑性，层压件在预定压力(例如，15mpa)下被加热到预定温度(例如，200℃)使得粘结剂变形，然后在高温(例如，1000℃)下烧结1小时，从而制造多孔层124。

根据本公开的另一变型的颗粒物传感器100可以进一步包括：加热器，对感测单元120的多孔层124进行加热以去除颗粒物并且再生多孔层124；以及温度传感器，检测感测单元120的温度。

在根据本公开的该形式的颗粒物传感器100中，如图7a所示，加热器和温度传感器126可以直接形成在基部单元130中和基部单元130上。此时，可应用将加热器和温度传感器126形成在颗粒物传感器的特定区域的已知方法。

另外，如图7b所示，加热器和温度传感器126可以插设并堆叠在基部单元130和层压件之间。

加热器和温度传感器126还可以缠绕并堆叠在基部单元130上。

为此目的，电绝缘片125，例如陶瓷片堆叠在基部单元130上堆叠的第一电极121的表面上，加热器和温度传感器126堆叠在陶瓷片上，并且层压件螺旋地缠绕在基部单元130上，使得加热器和温度传感器126接合到基部单元130。

在这样形成加热器和温度传感器126之后，为了将加热器和温度传感器126连接到电路(未示出)以操作加热器和温度传感器126，端子(未示出)可以安装在加热器和温度传感器126的预定区域，并且位于感测单元120的外部的电路可以通过布线电连接到端子。

进一步地，端子安装在第一电极121和第二电极123的预定区域，并且用于读取信号的电路通过布线电连接到与电极121、123连接的端子。

如从上面的描述显而易见的，在根据本公开的颗粒物传感器中，由于感测单元通过将电极和多孔层螺旋地缠绕在基部单元上以围绕基部单元而形成，因此可以减小电极之间的距离，可以增加测量电极的面积，并且因此可以实现测量精确度和可靠性的提高以及灵敏度的提高。

进一步地，颗粒物传感器的灵敏度可以通过调整多孔层的厚度、感测单元的轴向长度(圆柱形感测单元的长度)、感测单元的直径等来容易地调整，并且可以实现成本降低和量产性提高。

此外，感测单元被制造成形成围绕基部单元的圆柱形形状，因此可以消除传感器安装方向对颗粒物传感器的灵敏度的影响。

以上，参照优选形式详细地提供了描述。然而，本领域技术人员将想到的是，在不脱离本公开的远离和实质的情况下，可以对这些形式进行改变，本公开的范围在所附权利要求及其等同方案中限定。