(57)【要約】【課題】煤煙フィルターの後端にスリップされる煤煙の量を精密に感知し、これを利用して煤煙フィルターに捕集される煤煙量と破損の有無を精密に感知する粒子状物質センサユニットを提供する。【解決手段】本発明の実施例による粒子状物質センサユニットは、排気ガスが通過する排気ライン、及び前記排気ラインの一側に設置されて、前記排気ガスに含まれている電荷を帯びた粒子状物質が付近を通る時、前記粒子状物質によって電荷が発生する静電誘導方式のセンサを含み、前記センサには、前記粒子状物質と隣接した前面に形成される電極部が形成される。前記電極部は、排気ガスが流れる方向と交差する方向に突出する溝タイプであってもよい。【選択図】図１４
2014084862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスが通過する排気ライン；及び
前記排気ラインの一側に設置されて、前記排気ガスに含まれている電荷を帯びた粒子状物質が付近を通る時、前記粒子状物質によって電荷が発生する静電誘導方式のセンサ；  
を含み、
前記センサには、
前記粒子状物質と隣接した前面に電極部が形成されることを特徴とする、粒子状物質センサユニット。
【請求項２】
前記電極部は、
排気ガスが流れる方向と交差する方向に突出する溝タイプであることを特徴とする、請求項１に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項３】
前記電極部は、排気ガスが流れる方向と垂直に形成されることを特徴とする、請求項２に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項４】
前記電極部の幅は２０ｎｍであり、前記溝の幅は２０ｎｍ乃至１２０ｎｍの範囲に含まれる一つの値であり、高さは２０ｎｍ乃至数百ｎｍであることを特徴とする、請求項２に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項５】
前記電極部の先端面から前記溝方向に傾いた傾斜面が形成されることを特徴とする、請求項２に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項６】
前記傾斜面は、前記前面と５０度乃至６０度を形成することを特徴とする、請求項２に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項７】
前記傾斜面によって前記電極部の断面は梯形であることを特徴とする、請求項５に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項８】
前記傾斜面によって前記電極部の断面は三角形であることを特徴とする、請求項５に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項９】
前記電極部は、
前記前面で柱形態に突出する柱タイプであることを特徴とする、請求項１に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項１０】
前記突出部の側面には、その幅が先端部から前記前面方向に広くなる傾斜面が形成されることを特徴とする、請求項９に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項１１】
前記電極部の断面は梯形であることを特徴とする、請求項１０に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項１２】
前記電極部の断面は三角形であることを特徴とする、請求項１０に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項１３】
前記電極部は、
柱形態に凹んだ溝によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項１４】
前記溝は、直六面体形態であることを特徴とする、請求項１３に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項１５】
前記溝は、前記前面から前記溝の内側面にその幅が狭くなる梯形であることを特徴とする、請求項１３に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項１６】
前記電極部は、
柱形態に突出して、その外径は１０ｎｍ以下のナノワイヤータイプであることを特徴とする、請求項１に記載の粒子状物質センサユニット。
【請求項１７】
前記センサの上流側にディーゼル煤煙フィルター（ＤＰＦ）が設置され、前記センサは前記ディーゼル煤煙フィルターから排出される粒子状物質によって電荷信号を発生させ、その発生した電荷信号によって前記ディーゼル煤煙フィルターの破損を判断する制御部；をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の粒子状物質センサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスに含まれている粒子状物質（煤煙）をフィルタリングする煤煙フィルターの破損を精密で効果的に感知し、このような信号を制御部に送信する粒子状物質センサユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル自動車には煤煙を減少させるためのディーゼル煤煙フィルター（ＤＰＦ：ｄｉｅｓｅｌ  ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｆｉｌｔｅｒ）が適用されており、このようなディーゼル煤煙フィルターに捕集される煤煙の量を感知するために差圧センサが適用される。
今後、排気ガスの規制によって、既存の差圧センサを利用して前記ディーゼル煤煙フィルターに捕集される粒子状物質の感知精密度が落ちる可能性があり、前記ディーゼル煤煙フィルターの破損も感知するのが容易でない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、煤煙フィルターの後端にスリップされる煤煙の量を精密に感知し、これを利用して煤煙フィルターに捕集される煤煙量と破損の有無を精密に感知する粒子状物質センサユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述のように、本発明の実施例による粒子状物質センサユニットは、排気ガスが通過する排気ライン、及び前記排気ラインの一側に設置されて、前記排気ガスに含まれている電荷を帯びた粒子状物質が付近を通る時、前記粒子状物質によって電荷が発生する静電誘導方式のセンサを含み、前記センサには、前記粒子状物質と隣接した前面に形成される電極部が形成される。
【０００５】
前記電極部は、排気ガスが流れる方向と交差する方向に突出する溝タイプであってもよい。
前記電極部は、排気ガスが流れる方向と垂直に形成されてもよい。
前記電極部の幅は２０ｎｍであり、前記溝の幅は２０乃至１２０ｎｍの範囲に含まれる一つの値であり、高さは２０ｎｍ乃至数百ｎｍであってもよい。
前記電極部の先端面から前記溝方向に傾いた傾斜面が形成されてもよい。
前記傾斜面は、前記前面と５０度乃至６０度を形成してもよい。
前記傾斜面によって前記電極部の断面は梯形であってもよい。
前記傾斜面によって前記電極部の断面は三角形であってもよい。
前記電極部は、前記前面で柱形態に突出する柱タイプであってもよい。
前記突出部の側面には、その幅が先端部から前記前面方向に広くなる傾斜面が形成されてもよい。
【０００６】
前記電極部の断面は梯形であってもよい。
前記電極部は、柱形態に凹んだ溝によって形成されてもよい。
前記溝は、直六面体形態であってもよい。
前記溝は、先端面から前記前面にその幅が狭くなる梯形であってもよい。
前記電極部は、柱形態に突出して、その外径は１０ｎｍ以下のナノワイヤータイプであってもよい。
【発明の効果】
【０００７】
上述のように、本発明の実施例による粒子状センサユニットは、このような目的を達成するための本発明の実施例によって、ディーゼル煤煙フィルター（ＤＰＦ）の煤煙（ｓｏｏｔ）のような粒子状物質の捕集量や、排気ガスに含まれている粒子状物質の量を精密に判断することによって、強化される排気ガス規制に効果的に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例による差圧に応じたディーゼル煤煙フィルターに捕集された粒子状物質の量を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例による粒子状物質センサが排気ラインに配置された状態を示す概略的な内部斜視図である。
【図３】本発明の実施例によるセンサと粒子状物質との距離変化によってセンサユニットで発生する電荷量を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例による粒子状物質センサの前面を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施例による粒子状物質センサの後面を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施例による粒子状物質センサの表面とその周囲の排気ガス流れを示す側面図である。
【図７】本発明の実施例による粒子状物質センサの表面の一部詳細側断面図である。
【図８】本発明の実施例による粒子状物質センサの表面形態を示す斜視図である。
【図９】本発明の実施例による粒子状物質センサの表面に形成された溝と突起の幅の間の比率による等電位面線を示すグラフである。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、本発明の実施例による粒子状物質センサの表面に形成されたグルーブタイプの溝を示す斜視図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は本発明の実施例による粒子状物質センサの表面に形成された溝の他の形態を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施例による粒子状物質センサの表面に形成された溝の形態による信号を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施例によるセンサが備わる排気システムの概略的な構成図である。
【図１４】本発明の実施例による粒子状物質センサの種々の表面形態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例による差圧に応じたディーゼル煤煙フィルターに捕集された粒子状物質の量を示すグラフであり、図２は、本発明の実施例による粒子状物質センサが排気ラインに配置された状態を示す概略的な内部斜視図であり、図３は、本発明の実施例によるセンサと粒子状物質との距離変化によってセンサで発生する電荷量を示すグラフであり、図４は本発明の実施例による粒子状物質センサの前面を示す斜視図である。
【００１０】
図１を参照すれば、横軸は差圧の大きさを示し、縦軸は捕集効率を示す。
中間の第１領域１４０は、次第に強化されるセンサユニットの差圧領域であり、第２領域１２は、一般的な差圧センサが感知できるディーゼル煤煙フィルターの捕集効率が５０％以下である領域である。同時に、第３領域１０は、ディーゼル煤煙フィルターが破損されて、捕集効率が０に近い領域である。
【００１１】
図示したように、既存の差圧センサは、捕集効率と差圧側面から敏感度が劣り、感知領域が限定されて、新たなタイプの差圧センサまたは粒子状物質センサが必要である。
図２及び図４を参照すれば、排気ライン１００の内部に排気ガスが流れ、排気ガスの中には粒子状物質１１０が含まれている。
【００１２】
前記粒子状物質１１０は、センサ１２０（ＰＭ：ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｍａｔｔｅｒｓ  ｓｅｎｓｏｒ）を隣接して通過するようになり、前記粒子状物質１１０が通ることによって前記センサ１２０は信号を発生させる。
前記センサ１２０で信号が発生する要因は、帯電した粒子状物質が通過する時、前記センサ１２０に誘導される電荷によって発生する。
【００１３】
一般的に、帯電した粒子によって生成する電場は、次の式で示される。
【数１】
2014084862.tif 000003
Ｑは、帯電粒子が有する電荷量であり、ｒは、帯電粒子から離れた距離である。また、ε０は、真空中での誘電率である。
【００１４】
センサ電極界面で帯電粒子状物質による電場値と同一の大きさの表面電荷がセンサ電極に発生するようになる。この誘導された電荷はラプラス方程式で解ける。直交座標系において、ｚが０である平面に置かれた導体平板に対して、Ｑ値の電荷量を有する帯電点電荷が（０、０、ｄ）に置かれている時、点電荷によって生成される電位及び誘導される表面電荷密度は、次の式の通りである。
【数２】
2014084862.tif 000004
【００１５】
距離ｘに対して、帯電粒子によってセンシング電極に誘導される誘導電荷量をグラフに表現すれば、帯電粒子と電極間の距離変化によって、下のグラフに示すようにパルス形態の信号が発生するようになる。
【００１６】
図３を参照すれば、センサと粒子状物質の距離ｘによる誘導された電荷信号グラフを示す。
図４を参照すれば、前記センサ１２０は、シリコン電極層３３０及び絶縁層３４０で形成される。
【００１７】
前記シリコン電極層３３０は、中間で設定された厚さに形成され、前記シリコン電極層３３０の前面３００と後面３１０に、前記絶縁層３４０が薄く形成される構造である。
前記絶縁層３４０は、前記シリコン電極層３３０の上に形成される酸化物層３４２（Ｏｘｉｄｅ）、及び前記酸化物層３４２の上に形成される窒化物層３４４（Ｎｉｔｒｉｄｅ）を含む。
【００１８】
前記センサ１２０の前面３００には四角形で突出した電極部３２０が形成され、前記電極部３２０は幅方向に第１距離Ｄ１を有して形成され、長さ方向に第２距離Ｄ２を有して形成される。
前記第１距離Ｄ１と前記第２距離Ｄ２は、設計仕様によって多様に可変する。同時に、前記突出部３２０が突出した高さも、設計仕様によって多様に適用できる。
【００１９】
本発明の実施例において、前記電極部３２０は、前記センサの前面から突出して形成されることによって、その形状は直六面体、正六面体、球形、三角錐、四角錐、及び円錐ののいずれか一つの一部分の形態を有するように形成してもよい。
【００２０】
前記センサ１２０の後面３１０については、図５を参照して説明する。
図５は、本発明の実施例による粒子状物質センサの後面を示す斜視図である。
図５を参照すれば、前記センサ１２０の後面の一側には前記絶縁層３４０が形成され、他側には前記絶縁層３４０が形成されない。
【００２１】
前記絶縁層３４０の上にヒータ電極４００が形成され、図示したように、前記ヒータ電極４００はジグザグ状で「己」字状を有する部分を含む。
前記絶縁層３４０が形成されていない部分には、前記シリコン電極層３３０と直接的に電気的に接続するセンシング電極パッド４１０が形成される。
本発明の実施例において、前記シリコン電極層３３０は、シリコンウエハーと類似する材質でＳｉ成分を含み、前記ヒータ電極４００と前記センシング電極パッド４１０は、電気がよく通って、耐久性の高い白金（Ｐｔ）成分で形成される。
【００２２】
図６は、本発明の実施例による粒子状物質センサの表面と、その周囲の排気ガス流れを示す側面図である。
図６を参照すれば、前記センサ１２０には、排気ガスの流れ方向に設定された間隔を有して、前面３００から突出して電極部３２０が形成され、前記電極部３２０と前記電極部３２０の間に溝の形態に沿って等電位線（面）が形成される。
【００２３】
図７は、本発明の実施例による粒子状物質センサの表面の一部詳細側断面図である。図７を参照すれば、溝形態の電極部の断面を示す。
図８は、本発明の実施例による粒子状物質センサの表面形態を示す斜視図である。図８を参照すれば、前記センサ１２０には長さ方向と垂直方向にグルーブ８００が形成され、前記グルーブ８００は、長さ方向に設定された間隔を有して配列される。そして、前記グルーブ８００の間に電極部３２０が突出して形成される。
【００２４】
図９は、本発明の実施例による粒子状物質センサの表面に形成された溝と突起の幅の間の比率による等電位面線を示すグラフである。
図９を参照すれば、横軸は、前記電極部３２０の幅Ｗと溝の幅Ｓの間の比（ｒａｔｉｏ）を示し、縦軸は、等電位面積（ａｒｅａ  ｏｆ  ｅｑｕｉｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の大きさを示す。
【００２５】
図１０の（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、本発明の実施例による粒子状物質センサユニットの表面に形成されたグルーブタイプの溝を示す斜視図である。
図１０の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照すれば、前記センサ１２０の前面には排気ガスの流れ方向と垂直な突出形態の電極部３２０が形成され、前記電極部３２０の間にグルーブ８００（ｇｒｏｏｖｅ）が形成される。
同時に、前記電極部３２０の幅と高さは全て２０μｍであり、前記電極部３２０の間の幅は、（ａ）で２０μｍ、（ｂ）で４０μｍ、（ｃ）で６０μｍである。つまり、前記グルーブ８００の幅は、（ａ）で２０μｍ、（ｂ）で４０μｍ、（ｃ）で６０μｍである。
【００２６】
図１１の（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、本発明の実施例による粒子状物質センサの表面に形成された溝の他の形態を示す斜視図である。
図１１の（ａ）を参照すれば、設定された幅Ｗ、距離ｓ、及び高さｈを有する電極部３２０を示す。
ここで、センサ１２０の前面に形成される前記電極部３２０は、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に連続的に形成され、溝（ｇｒｏｏｖｅ、グルーブ）タイプである。ここで、幅Ｗと高さｈは２０μｍに設定され、距離ｓは２０μｍ 、４０μｍ 、６０μｍなどに変更して製作してもよい。
図１１の（ｂ）を参照すれば、設定された幅ｗ、距離ｓ、及び高さｈを有する電極部３２０を示す。
ここで、前記センサ１２０の前面に形成される前記電極部３２０は、柱タイプ（ｐｉｌｌａｒ  ｔｙｐｅ）である。ここで、幅Ｗと高さｈは２０μｍに設定され、距離ｓは２０μｍ 、４０μｍ 、６０μｍなどに変更して製作してもよい。
図１１の（ｃ）を参照すれば、設定された幅Ｗ、距離ｓ、及び高さｈを有する電極部３２０を示す。
ここで、前記センサ１２０の前面に形成される前記電極部３２０は、溝１０２が柱形態（ｐｉｌｌａｒ  ｔｙｐｅ）に凹んだポアタイプ（ｐｏｒｅ  ｔｙｐｅ）である。
幅Ｗと高さｈは２０μｍに設定され、距離ｓは２０μｍ 、４０μｍ、６０μｍなどに変更して制作してもよい。
【００２７】
図１２は、本発明の実施例による粒子状物質センサの表面に形成された溝の形態による信号を示すグラフである。
図１２を参照すれば、横軸は、粒子状物質の密度（ｍｇ／ｍ３）を示し、縦軸は、センサのタイプによって発生する信号の大きさを示す。
ここで、センサ１２０のタイプは、図１１で説明された溝タイプ、柱タイプ、及びポアタイプを含む。図示したように、溝タイプでセンサ信号が大きくて意味がある。
同時に、幅Ｗ及び距離ｓは１０μｍに設定され、高さｈは４０μｍに設定されてもよい。
【００２８】
図１３は、本発明の実施例によるセンサが備わる排気システムの概略的な構成図である。
図１３の（ａ）及び（ｂ）を参照すれば、排気システムは、エンジン１３０、排気ライン１００、ディーゼル煤煙フィルター１３２、センサ１２０、及びガス分析器１３４を含む。
図１３の（ａ）において、前記ディーゼル煤煙フィルター１３２を通過する前の排気ガスは、同時に前記センサ１２０と前記ガス分析器１３４に供給される。したがって、前記ディーゼル煤煙フィルター１３２を通過する前の排気ガスの特性を前記センサ１２０と前記ガス分析器１３４で感知して、前記センサ１２０の信号特性を分析することができる。
図１３の（ｂ）において、前記ディーゼル煤煙フィルター１３２を通過した排気ガスは、同時に前記センサ１２０と前記ガス分析器１３４に供給される。したがって、前記ディーゼル煤煙フィルター１３２を通過した排気ガスの特性を前記センサ１２０と前記ガス分析器１３４で感知して、前記センサ１２０の信号特性を分析することができる。
【００２９】
図１４は、本発明の実施例による粒子状物質センサの種々の表面形態を示す斜視図である。
図１４の（ａ）は、柱タイプの電極部３２０を有するセンサを示し、前記柱タイプの電極部３２０の側面には傾斜面１４２が形成される。前記傾斜面１４２は、先端面に向かうほど前記電極部３２０の幅が狭くなるように形成される。
図１４の（ｂ）は、ナノワイヤータイプの電極部３２０を有するセンサ１２０を示し、前記ナノワイヤータイプの電極部３２０は、直径ｄ、及び高さｈを有し、これらの間に距離ｓが形成される。
図１４の（ｃ）は、溝タイプの電極部３２０を有するセンサを示し、前記溝タイプの電極部３２０には側面に傾斜面１４２が形成される。前記傾斜面１４２によって前記電極部３２０の断面は梯形状を有する。
図１４の（ｄ）は、溝タイプの電極部３２０を有するセンサを示し、前記溝タイプの電極部３２０には側面に傾斜面１４２が形成される。前記傾斜面１４２によって前記電極部３２０の断面は三角形状を有する。
図１４の（ｅ）は、ポアタイプの電極部３２０を有するセンサ１２０を示し、前記ポアタイプの溝１０２には内側面に傾斜面１４２が形成される。前記傾斜面１４２によって前記溝１０２の断面は梯形状を有する。
【００３０】
ここで、前記ナノワイヤータイプの電極部３２０の直径ｄは、１０ｎｍ以下でナノワイヤーである。そして、幅Ｗは２０μｍ、高さｈは２０μｍ以上、距離ｓは２０乃至１２０μｍに設定されてもよい。同時に、前記傾斜面１４２の傾斜は、約５０乃至６０度（５４．７度）の一つの値に設定されてもよい。
本発明の実施例において、前記センサは前記ディーゼル煤煙フィルターの後端部に設置され、前記センサは、前記ディーゼル煤煙フィルターの後端に抜け出る粒子状物質によって電荷信号を発生させて、発生する電荷信号の大きさと頻度によって前記ディーゼル煤煙フィルターの破損を判断する制御部をさらに含むことができる。
【００３１】
以上、本発明に関する好ましい実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の実施例から当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者による容易に変更されて均等であると認められる範囲の全ての変更を含む。
【符号の説明】
【００３２】
１００  排気ライン
１０２  溝
１１０  粒子状物質
１２０  センサ
１３０  エンジン
１３２  ディーゼル煤煙フィルター
１３４  ガス分析器
１４２  傾斜面
３００  前面
３１０  後面
３２０  電極部
３３０  シリコン電極層
３４０  絶縁層
３４２  酸化物層
３４４  窒化物層
４００  ヒータ電極
４１０  センシング電極パッド
８００  グルーブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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