顆粒物傳感器及顆粒物傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的顆粒物傳感器(2)是用于檢測被測量氣體中的顆粒物數(shù)量的顆粒物傳感器,其具有絕緣體(8)和在絕緣體(8)的主表面(8a)上相互隔開間隔地配置的一對電極(10、12)。絕緣體(8)在未形成有一對電極(10、12)的部分具有絕緣部(8b),該絕緣部(8b)在與主表面(8a)垂直的方向上的高度為一對電極(10、12)的高度以上。在該顆粒物傳感器1的制造方法中,首先,在構成絕緣體(8)的基板上形成由一對電極(10、12)的構成材料構成的電極圖案,在電極圖案上形成與電極圖案相同的圖案的掩模,該掩模由在電極圖案的燒結溫度以下的溫度揮發(fā)的材料構成。在該掩模上形成由絕緣部(8b)的構成材料構成的薄膜,使電極圖案和薄膜燒結,從而形成電極(10、12)和絕緣部(8b)。
【專利說明】顆粒物傳感器及顆粒物傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及顆粒物傳感器及其制造方法。更具體地說,涉及與被測量氣體中的顆粒物數(shù)量相應地輸出電氣特性的顆粒物傳感器及其制造方法。
【背景技術】
[0002]例如在專利文獻I的系統(tǒng)中,配置有用于檢測內燃機的排氣路徑中的顆粒物(particulate matter ;以下也稱為“PM”)的PM傳感器(顆粒物傳感器)。該PM傳感器具有絕緣基材和相互隔開間隔地配置在絕緣基材上的一對電極。當在PM傳感器的一對電極之間堆積廢氣中的PM時,與PM堆積量相應地電極之間的導電性發(fā)生變化,因此,電極之間的電阻發(fā)生變化。
[0003]另外,在專利文獻I的技術中,PM傳感器配置在顆粒物捕獲用過濾器下游。因此,向PM傳感器的電極堆積的PM堆積量與顆粒物捕獲用過濾器下游的廢氣中含有的PM量相關聯(lián)。在專利文獻I中,基于PM傳感器的電極之間的電阻值,檢測顆粒物捕獲用過濾器的
故障等。
[0004]在先技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2009-144577號公報
【發(fā)明內容】
[0007]發(fā)明要解決的課題
[0008]但是,在廢氣中的PM中,雖然是少量,但不定期地含有大粒徑的PM。在大粒徑的PM堆積在PM傳感器的電極之間時,電極之間的導電性突變。因此,存在實際的PM量和傳感器輸出不具有相關性的情況。即,因大粒徑的PM的附著而導致PM傳感器產生與實際的PM量不同的輸出,存在傳感器輸出的偏差增大的情況。
[0009]本發(fā)明以解決上述課題為目的而提供一種PM傳感器及其制造方法,通過抑制大粒徑的PM向電極之間附著,從而抑制了輸出偏差。
[0010]用于解決課題的方案
[0011]為了實現(xiàn)上述目的,第一發(fā)明是用于檢測被測量氣體中的顆粒物數(shù)量的顆粒物傳感器,其特征在于,具有:絕緣體和在所述絕緣體的主表面上相互隔開間隔地配置的一對電極,所述絕緣體在未形成有所述一對電極的部分具有絕緣部,所述絕緣部在與所述主表面垂直的方向上的高度為所述一對電極的高度以上。
[0012]第二發(fā)明是第一發(fā)明的顆粒物傳感器的制造方法,其特征在于,具有:在構成所述絕緣體的基板上形成由構成所述一對電極的材料構成的電極圖案的工序;在形成所述電極圖案之后,在所述電極圖案上形成與所述電極圖案相同的圖案的掩模的工序,所述掩模由在所述電極圖案燒結的溫度以下的溫度揮發(fā)的材料構成;在所述掩模及所述基板上形成由構成所述絕緣部的材料構成的薄膜的工序;以及,使所述電極圖案和所述薄膜燒結來形成所述電極和所述絕緣部的工序。
[0013]第三發(fā)明是第一發(fā)明的顆粒物傳感器的制造方法,其特征在于,具有:在由構成所述絕緣體的材料構成的基板上,形成與所述一對電極的圖案相同的形狀的槽的工序;以及在所述槽的底部形成所述一對電極的工序。
[0014]發(fā)明的效果
[0015]根據(jù)本發(fā)明,在顆粒物傳感器的電極之間形成高度為電極的高度以上的絕緣部。由此,成為如下結構:即便在廢氣中含有大粒徑的顆粒物(PM),由于PM被電極之間的絕緣部阻擋,因此,也容易堆積在電極上而難以堆積在電極之間。因此,可以抑制因大粒徑的PM的附著而導致電極之間的導電性突變,可以抑制傳感器輸出的偏差。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是用于對本發(fā)明的實施方式中的PM傳感器的整體結構進行說明的示意圖。
[0017]圖2是用于對本發(fā)明的實施方式的PM傳感器的元件部的結構進行說明的示意圖。
[0018]圖3是用于對本發(fā)明的實施方式的PM傳感器的元件部的截面形狀進行說明的示意圖。
[0019]圖4是用于對以往的PM傳感器的元件部的截面形狀進行說明的示意圖。
[0020]圖5是用于對本發(fā)明的實施方式的PM傳感器的相對于PM量的傳感器輸出與以往的PM傳感器的相對于PM量的傳感器輸出進行比較說明的圖。
[0021]圖6是對本發(fā)明的實施方式的PM傳感器的輸出偏差與以往的PM傳感器的輸出偏差進行比較說明的圖。
[0022]圖7是用于說明在本發(fā)明的實施方式中、相對于PM傳感器的電極與絕緣部之間的高度差的輸出的偏差或PM檢測極限量的圖。
【具體實施方式】
[0023]以下,參照【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的實施方式。另外,在各圖中,對相同或相當?shù)牟糠謽俗⑾嗤母綀D標記并簡化或省略其說明。
[0024]實施方式.[0025][關于本實施方式的PM傳感器的結構]
[0026]圖1及圖2是用于對本發(fā)明的實施方式中的PM傳感器進行說明的示意圖,圖1是PM傳感器的整體圖、圖2是將傳感器元件部的局部放大后的圖。圖1所示的PM傳感器2在例如搭載于車輛的內燃機的排氣路徑的顆粒物捕獲用過濾器(DPF)下游設置,用于檢測廢氣中的PM量。
[0027]如圖1所不,PM傳感器2具有罩4和設置在罩4內的空間的兀件部6。罩4具有使氣體流過的多個孔。在使用PM傳感器2時,廢氣從罩4的多個孔流入罩4內部,元件部6成為與廢氣接觸的狀態(tài)。
[0028]如圖2所示,PM傳感器2的元件部6具有絕緣基材8 (絕緣體)。絕緣基材8由氧化鋁構成。在絕緣基材8的主表面8a上形成有一對電極10、12。電極10、12以相互不接觸的狀態(tài)隔開一定的間隔而配置。電極10、12分別具有呈梳齒形狀形成的部分,并形成為在該部分相互嚙合。在絕緣基材8內部的電極10、12的下層埋入有未圖示的加熱器。[0029][關于本實施方式的PM傳感器的特征結構]
[0030]圖3是用于對本實施方式的PM傳感器2的、圖2中的元件部6的虛線(a)部的A-B截面進行說明的示意圖。另外,圖4是用于對以往的PM傳感器的與圖3相當?shù)牟糠诌M行說明的不意圖。
[0031]如圖3所示,在本實施方式的PM傳感器2中,在絕緣基材8的主表面8a上的未形成有電極10、12的部分,形成有絕緣部8b。絕緣部8b由與絕緣基材8相同的材料即氧化鋁的燒結體構成。S卩,在主表面8a上的被電極10、12夾著的部分形成有絕緣部8b。在與PM傳感器2的元件部6的主表面8a垂直的方向上(即在圖3的紙面上在上下方向上),電極
10、12表面的高度比絕緣部8b表面的高度低。
[0032]另一方面,在圖4的以往的PM傳感器中,在絕緣基材108的主表面上形成有具有梳齒形狀的部分的一對電極110、112。但是,在絕緣基材108上的未形成有電極110、112的部分未形成有絕緣部。即,如圖4所示,在與元件部的主表面108a垂直的方向上,一對電極110、112之間成為凹陷的狀態(tài),絕緣基材108的主表面108a露出。
[0033][本實施方式的PM傳感器的制造方法]
[0034]本實施方式的PM傳感器2利用以下的制造方法來制造。首先,準備構成絕緣基材8的氧化鋁基板,在該氧化鋁基板上印刷用于形成電極10、12的電極圖案。此后,在電極圖案上印刷形狀與電極10、12相同的掩蔽劑,將電極圖案掩蔽。在此,作為掩蔽劑,使用在電極燒結溫度以下的溫度揮發(fā)的材料。在掩模形成后,在整體形成氧化鋁薄膜。在氧化鋁薄膜形成后,利用高溫對氧化鋁薄膜和電極圖案進行燒結,從而形成絕緣部Sb、電極10、12。由于在燒結時掩模揮發(fā),因此,形成在掩模上部的氧化鋁薄膜也同時被剝離。其結果是,作為氧化鋁燒結體的絕緣部8b僅殘留在未形成有電極10、12的部分。
[0035][本實施方式的PM傳感器2的特性]
[0036]另外,廢氣中的PM的粒子分布大致在IOOnm以下具有粒徑的峰值。但是,雖然是少量,但會不定期地產生數(shù)ym以上的大粒徑的PM。在以往的PM傳感器的情況下,尤其是大粒徑的PM被相對于絕緣基材108的主表面108a呈凸狀形成的電極110、112阻擋,因此,容易堆積在電極110、112之間的凹部即主表面108a上(參照圖4)。另外,大粒徑的PM容易使電極110、112之間的導電性突變。因此,在以往的PM傳感器的情況下,在產生了大粒徑的PM的情況下,受其影響而導致電極110、112之間的電阻容易突變,PM傳感器的輸出從實際的PM量偏離而容易產生偏差。
[0037]相比之下,在本實施方式的PM傳感器2的情況下,在電極10、12之間不存在空間地形成有比電極10、12更凸出的凸狀的絕緣部Sb。因此,在產生了大粒徑的PM的情況下,PM也被凸狀的絕緣部8b阻擋而容易堆積在電極10、12上部(參照圖3)。PM即便堆積在電極10、12上部,也不會對電極10、12之間的導通狀態(tài)帶來大的影響。即,在本實施方式的PM傳感器2的情況下,由于在電極10、12之間難以堆積大粒徑的PM,因此,即便產生大粒徑的PM,也難以因此而產生輸出偏差,可以穩(wěn)定地產生傳感器輸出。
[0038]圖5是用于對本實施方式的PM傳感器2與以往的PM傳感器的、相對于PM量的傳感器輸出變化進行比較說明的圖。在圖5中,橫軸表示PM量、縱軸表示傳感器輸出。另外,在圖5中,曲線(a)表不本實施方式的PM傳感器2的輸出、曲線(b)表不以往的PM傳感器的輸出。另外,圖5的(c)表示本實施方式2的PM傳感器的檢測下限量、Cd)表示以往的PM傳感器的檢測下限量。
[0039]如圖5所示,以往的PM傳感器的檢測下限量小(參照(d)),相對于少的PM量也以高的靈敏度進行檢測,但在PM量少的狀態(tài)下,輸出容易產生偏差(參照(b))。另一方面,本實施方式的PM傳感器2的檢測極限量與以往相比增大(參照(c)),其輸出難以產生偏差,可以穩(wěn)定地產生與PM量相應的輸出(參照(a))。
[0040]圖6是表不本實施方式的PM傳感器2和以往的PM傳感器的、作為被測量氣體而測量了 PM量20mg的廢氣的情況下的傳感器輸出的偏差的圖。在圖6中,紙面左側表示基于以往的PM傳感器的輸出的檢測值、右側表不基于本實施方式的PM傳感器2的輸出的檢測值。
[0041]從圖6可知:在以往的PM傳感器的情況下,對于相同的PM量(20mg),基于傳感器輸出的檢測值在大的范圍產生偏差,相比之下,在本實施方式的PM傳感器2的情況下,傳感器輸出的偏差減小。
[0042]這樣,在本實施方式的PM傳感器2中,通過在電極10、12之間形成絕緣部8b,輸出偏差減小,可以得到穩(wěn)定的傳感器輸出。但是,另一方面,由于絕緣部8b成為障礙,因此,難以由電極10、12之間的PM形成導電通路。因此,尤其是在向元件部6堆積的PM堆積量少時,存在難以產生傳感器輸出的趨勢。即,因形成凸狀的絕緣部8b而帶來的輸出偏差的減小與傳感器靈敏度的提高存在相悖關系。
[0043]圖7是說明相對于絕緣部8b與電極10、12之間的表面(在圖3中為上側的面)的高度差的、傳感器輸出的偏差和PM檢測下限量的關系的圖。在圖7中,橫軸表示電極10、12之間(絕緣部8b)與電極10、12的高度差(絕緣部面-電極面),其表示:值越小,電極10、12的高度越高,值越大,絕緣部8b的高度越高。另外,圖7的左側縱軸表示PM檢測的下限量、右側縱軸表示檢測偏差,曲線(a)表示PM檢測的下限量、曲線(b)表示檢測偏差。
[0044]如圖7 (a)所示,在電極10、12表面的高度比絕緣部8b高的范圍(即橫軸高度差比O小的區(qū)域),PM檢測下限量小。即,即便是少的PM量,也可以進行檢測,從而確保高的傳感器靈敏度。但是,在電極10、12的高度比絕緣部8b低的區(qū)域(高度差比O大的區(qū)域),隨著其高度差增大,PM檢測下限量逐漸增大。即,若不是堆積了更多的PM的狀態(tài),則不能得到傳感器輸出,PM傳感器的靈敏度低。
[0045]另一方面,如圖7的曲線(b )所示,檢測偏差在電極10、12的高度比絕緣部8b高的范圍(即高度差比O小的區(qū)域)大,在絕緣部8b的高度比電極10、12高的范圍小。另外,從圖7的曲線(b)可知:該檢測偏差在電極10、12表面和絕緣部8b的高度相同即高度差為O附近較大地突變。因此,可認為即便使電極10、12表面比絕緣部Sb稍低、輸出偏差也大幅
被改善。
[0046]根據(jù)上述趨勢,考慮被允許的檢測偏差和所希望的傳感器靈敏度,適當確定絕緣部8b的高度和電極10、12的高度。但是,如上所述,PM檢測下限量在高度差比O大的區(qū)域,隨著高度差增大,PM檢測下限量逐漸增大,相比之下,檢測偏差在高度差為O附近突變,在絕緣部大的區(qū)域(高度差為負的區(qū)域),檢測偏差增大。因此,高度差優(yōu)選設定在正向側(絕緣部8b高)的極小的值。另外,在本發(fā)明中,絕緣部8b和電極10、12的表面的高度也可以相同(高度差為O)。
[0047]另外,在本實施方式中,對PM傳感器2的制造方法進行了說明,但在本發(fā)明中,PM傳感器的制造方法并不限于此,也可以是其他方法。具體來說,例如,電極圖案、掩模、氧化鋁薄膜也可以不通過印刷法來形成,只要能夠通過蒸鍍法、濺射法、CVD法等其他方法等最適合于各自所使用的材料的方法來形成即可。另外,并不限于上述制造方法,也可以采用如下方法:在作為絕緣基材的氧化鋁基板上形成與電極圖案相同的槽,在該槽的底部通過印刷或其他方法埋入電極。在該情況下,通過調節(jié)所要形成的槽的深度、電極的厚度,也可以將成為絕緣部8b的部分(氧化鋁基板的未形成有槽的部分)的表面和電極10、12的表面的高度差調節(jié)到所希望的值。
[0048]另外,在本實施方式中,對在主表面8a上的未形成有電極10、12的整個部分形成比電極10、12更突出的絕緣部Sb的情況進行了說明。但是,本發(fā)明并不限于此,也可以采用僅在電極10、12的梳齒形狀的部分形成有高度為電極10、12的高度以上的絕緣部的結構。PM傳感器2產生與尤其是堆積在了梳齒形狀部的電極10、12之間的PM量相應的輸出。因此,即便僅在電極10、12的梳齒形狀部形成有比電極10、12更突出的絕緣部Sb,也可以抑制因大粒徑的PM堆積而產生輸出偏差。
[0049]另外,在本實施方式中,對作為絕緣基材8及絕緣部8b的構成材料而使用氧化鋁的情況進行了說明。但是,在本發(fā)明中,絕緣體的構成材料并不限于氧化鋁。作為絕緣體的材料,優(yōu)選具有絕緣性且耐熱性好的材料。具體來說,例如優(yōu)選為,碳化硅、堇青石、鈦酸鋁、硅鋁氧氮陶瓷、富鋁紅柱石、氮化硅、磷酸鋯、氧化鋯、二氧化鈦、氧化鋁或硅石、或者由它們的組合構成的陶瓷、或者由以燒結金屬為主成分的材料構成。
[0050]另外,在本發(fā)明中,電極10、12的材料并未特別限定,例如作為構成電極的材料,優(yōu)選為,Pt、Rh、Pd、Ag、Au及Ir等過渡元素、包含這些過渡元素中的任一種的合金材料、或者與包含這些過渡元素中的任一種的傳感器陶瓷材料構成的復合材料等。
[0051 ] 在以上的實施方式中,在提及了各要素的個數(shù)、數(shù)量、量、范圍等數(shù)的情況下,除特別明示的情況和在原理上明顯被確定在該數(shù)的情況之外,本發(fā)明并不限于上述提及的數(shù)。另外,在該實施方式中說明的構造、制造工序等,除特別明示的情況和在原理上被確定于此的情況之外,并不是本發(fā)明所必須的。
[0052]附圖標記說明
[0053]2 傳感器
[0054]6 元件部
[0055]8 絕緣基材
[0056]8a 主表面
[0057]8b絕緣部
[0058]10、12 電極
【權利要求】
1.一種顆粒物傳感器,用于檢測被測量氣體中的顆粒物數(shù)量,其特征在于,具有: 絕緣體;以及 在所述絕緣體的主表面上相互隔開間隔地配置的一對電極, 所述絕緣體在未形成有所述一對電極的部分具有絕緣部,該絕緣部在與所述主表面垂直的方向上的高度為所述一對電極的高度以上。
2.一種顆粒物傳感器的制造方法,是權利要求1所述的顆粒物傳感器的制造方法,其特征在于,具有: 在構成所述絕緣體的基板上,形成由構成所述一對電極的材料構成的電極圖案的工序; 在形成所述電極圖案之后,在所述電極圖案上形成與所述電極圖案相同的圖案的掩模的工序,所述掩模由在所述電極圖案燒結的溫度以下的溫度揮發(fā)的材料構成; 在所述掩模及所述基板上,形成由構成所述絕緣部的材料構成的薄膜的工序;以及 使所述電極圖案和所述薄膜燒結來形成所述電極和所述絕緣部的工序。
3.一種顆粒物傳感器的制造方法,是權利要求1所述的顆粒物傳感器的制造方法,其特征在于,具有: 在構成所述絕緣體的基板上,形成與所述一對電極的圖案相同的形狀的槽的工序;以及 在所述槽的底部形成所述一對電極的工序。
【文檔編號】G01N27/04GK103782162SQ201180073062
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2011年8月29日 優(yōu)先權日:2011年8月29日
【發(fā)明者】西島大貴, 橋田達弘 申請人:豐田自動車株式會社