使用采用致硫型粒子沉积的电阻率传感器装置检测烟灰

抽象的

本文报道了用热电泳法在电阻率传感器上沉积烟灰颗粒作为柴油尾气颗粒监测技术的结果，该技术具有提高检测限和灵敏度的潜力。与柴油废气特性相似的煤烟是由丙烷火焰产生并逐步稀释的。煤烟在240-270度的气流中在相当低的温度下，105-125．达到可测量电阻值的时间延迟，随后的速率和电阻的幅度下降是电极中的手指之间的距离和含有烟灰的稀释程度的距离。通过加热传感器支撑槽沉积和随后的移除也是在真正的柴油排气中进行的。注意到我们实验室系统的行为与真正的柴油机之间的良好相似之处。

1.介绍

柴油发动机产生的煤烟主要含有单质碳和重烃，这些物质与未燃烧的燃料和石油组成的液体馏分结合，并与硫酸结合[1］．烟灰对人体健康的有害后果包括呼吸系统和心血管效应，颗粒可能是致癌性的[2，3.］．除了这些健康问题，建筑物和植被的烟灰沉积有助于他们的长期退化。最后，烟灰影响全球气候，主要是其在大气中的太阳辐射的强烈吸收。

由于近年来有关颗粒物质量排放限制的法规大幅降低，煤烟检测和测量是当今汽车制造商的重要目标[4］．欧洲排放标准最近开始对单位体积颗粒数进行检测，使颗粒大小间接成为一个重要参数。在未来的立法中，化学成分和粒径可能会变得更加重要[5］．

现代柴油汽车配备了陶瓷烟灰过滤器，当累积的烟灰超过一定浓度时，借助额外的注入燃料和空气，通过燃烧来周期性地进行再生。对汽车制造商来说，优化滤波器性能是非常重要的。此外，预计对失败过滤器的机载诊断(OBD)要求。

利用传感器对机载烟灰颗粒进行检测和测量，有几种方法可以实现。多项专利(6，7]表明，在过滤器上收集煤烟，随后在富氧环境中加热，将碳颗粒氧化为二氧化碳，在一个封闭的测量回路中，与过滤气体的量相关，允许测定颗粒浓度。测量含烟灰气体流的颗粒过滤器两面之间的压降(0-15 psi范围)[8也被用来测量烟灰浓度。光声装置[9用差分模式分析两个相同的谐振器暴露在两个电池(一个有烟灰废气，另一个没有烟灰废气)中所产生的电压，贝克公司已经用它来测量烟灰。电位传感器[10]被Vogel和他的同事用来探测烟灰，通过在工作电极(氧化锆)上燃烧烟灰微粒，测量传感器材料中产生的电磁力(e.m.f)。光学检测(11是Schittenhelm专利的另一种方法，通过测量固体表面反射能力的减少。测量沉积在两个电触点之间的烟灰层的电阻，作为烟灰沉积量的测量，已被用于多项专利[12，13］．

这些纸张或专利均不指的是热孔现象作为电极之间烟灰沉积的基础。已经针对接触到开放柴油火焰暴露的传感器进行收集和再生烧伤的电阻率技术[14］．传感器表面的收集(在氧化铝衬底上的指叉状铂电极)是在，高于足够高的温度以避免水蒸气冷凝，但足够低以防止在铂电极上的显着烟灰燃烧。作者在气相和传感器表面的烟灰之间没有积极地产生温度梯度，也没有提到热孔的影响。没有给出关于烟灰沉积机制的信息。

温度是气溶胶粒子收集的一个重要参数。热电泳是气相中建立的温度梯度所产生的一种力[15］．由于来自较热区域的气体分子比来自较冷区域的气体分子有更高的速度，因此气溶胶粒子向较冷区域获得净动量。因此，比周围环境温度低的固体表面可以作为气溶胶的沉淀剂。热电泳已用于从多分散气溶胶中大小无关的Ag颗粒沉积[16]从柴油排气中除去颗粒[17］．对于传感器而言，这样高的收集效率是不必要的，但温度梯度必须足以获得合理的响应时间。烟灰传感器可能用于控制柴油发动机车辆颗粒过滤器的再生，以避免因烟灰超载而过热。定量测量将使机载诊断(OBD)成为可能。对于传感器位置在微粒过滤器之后的OBD应用，要求对烟尘颗粒具有非常高的灵敏度。在这里，我们介绍了热浸式烟灰传感器的发展的第一个结果，并展示了电阻率传感器表面的烟灰收集结果，在实验室条件和真实的柴油发动机排气。我们认为该方法有潜力成为一种高灵敏度、低检测限的烟灰探测器。

2.实验

用于烟灰检测的衬底(1)包括Ti和Au的手指电极结构沉积在热氧化的Si衬底(Si/SiO)上₂(100 nm)/Ti (5 nm)/Au (200 nm)。采用提离技术获得了晶片上的手指电极结构。电极的宽度为80M，两个间隙距离分别为80和300m。

然后将衬底切成小片，每片含有一对指间电极。这些被安装在加热器上(铝铂丝₂O_3.来自Heraeus的基板）基板（2）定位在16销保持器（3）中，其中Pt 100传感器（具有电阻100欧姆的PT电阻)(4)允许的温度测量;参见图1．将保持器置于密封细胞中并暴露于含有气体流动的烟灰。

使用丙烷作为燃料的扩散火焰产生烟灰。使用空气到燃料比为约3.5（摩尔丙烷氧气氧气）。在火焰之后直接用压缩空气稀释该流动以淬灭烟灰并稳定附聚度（通过凝固）。随后施加使用喷射器稀释剂（Dekati，芬兰）的第二稀释步骤，以进一步降低烟灰浓度。在结果部分中给出了末端稀释水平，表示为稀释空气量的火焰空气体积比率。稀释后的烟灰粒度分布通过a测量年代罐头米滥用P文章年代Izer，SMPS（型号3934，TSI，INC）。几何平均粒子直径约为100nm。依赖于稀释，平均数量浓度变化和厘米⁻³．

构建了一种简单的沉积单元，其中在传感器表面和气流之间建立热梯度。由于烟灰颗粒的致热沉积是通过通过冷却器的气流的接触而获得的，因此将稀释的烟尘流加热至240-在通过电加热器加热的钢管通过沉积之前。通过Pt 100传感器测量的测量期间，通过气流和测量期间的温度稍微加热传感器，在105-．含烟灰的流体以1升/分钟的流速通过烟灰沉积槽。这些温度足够高，以防止水在稀释水平使用。采用Leo 1550vp发射场扫描电子显微镜对烟灰层形貌进行了扫描电镜研究。

电阻测量是使用万用表设备(TTI 1604)进行的，该万用表设备能够测量从1 kOhm到20 mohm的电阻范围。

采用PtPdAu导体(DuPont)在氧化铝基板(毫米)。发射后，油墨的电阻率为100 MOhm/sq(这一过程由芬兰Selmic Oy完成)。指叉电极面积为mm，手指宽度/间隙150/100m.将陶瓷加热器(德国Heraeus)与Resbond GF907(美国Cotronics Corporation)粘在传感器手指下方的基板背面。在手指旁边放置一个Pt100热敏元件。基板被放置在一个75毫米的不锈钢管(外径10毫米)，有一半的管从一个5毫米的部分在一端被切断，以允许暴露的手指结构排气和组件被Resbond密封。传感器、加热器和热电偶的电气连接在衬底的另一端。

柴油尾气是由安装在标准测试单元中的发动机产生的，能够产生稳态条件或标准的驾驶循环。传感器安装在由Swagelok耦合(美国Swagelok公司)焊接到排气管的套管中，手指结构位于7厘米外径管的中心，位于紧密耦合的柴油氧化催化剂下游约半米处。在测试期间，一个风扇模拟了风的状况。参考烟尘浓度用aDifferential米滥用年代Pectromet DMS500瞬态发动机颗粒分析仪（英国Cambustion Ltd.）。

3.结果和讨论

３.１.在实验室产生的烟尘的测试

煤烟主要由富含碳的颗粒组成，其部分类似富勒烯和/或类石墨[5］．大量的双键和大量移动电子提供了石墨状导电性能。沉积在表面上的烟灰的形态由具有强烈倾向和形成卷曲无序长丝的球体的聚集体组成，如图所示2．

出于传感目的，烟灰的沉积导致金属手指之间形成多个无序的桥，形成渗透理论规定的导电层[18］．烟灰在手指电极之间的表面上的桥状结构上构成，并且在烟灰浓度的某个点处，通过整个膜接触，电子开始从一个手指电极流到另一个手指．随着烟灰沉积的量继续增加，电导率以线性方式的薄膜的厚度增加。然而，在这种薄膜中，在一些隔离点中可能首先发生更高的电导率。首先是由于围绕这些斑点的薄膜的较高阻力而被隐藏，但突然存在具有较高导电性的斑点的接触路径，从一个手指电极到另一个手指电极。

这里需要指出的是，如果含烟灰的流动在通过室温下的暴露电池之前被冷却到室温，即使超过一个小时，我们也没有得到任何可测量的烟灰沉积。对SMPS来说，淬灭(稀释和降低温度至环境条件)烟尘流是必要的，作为烟灰大小分布和浓度的参考。为了进一步确认热泳效应对烟灰沉积的重要性，我们将传感器表面加热到200 -同时让它与含烟灰的气体流动温度大致相同。非加热16针传感器支架，见图1，上面覆盖了一层丰富的天鹅绒般的烟尘层，而带有传感器的加热器则保持完全清洁。

由于初始烟灰沉积物彼此绝缘，因此在登记电阻减少之前期望延迟。数字3.显示80的烟灰沉积期间随着时间的推移电阻 M间距的电极，使用稀释比例的烟炱流动的1/10和在气体流动温度．如实验部分所述，传感器表面仅由气体流加热。当烟灰层电阻达到可测量值时，其表面温度为并继续小幅上升至在随后的烟灰沉积期间。在沉积在基板表面上的连续烟灰之后，手指结构之间的电阻值从可测量的范围内（即，大于20 moHM）。因此，在电阻迅速下降之前观察到短延迟（约5分钟），并且可以通过万用表测量。在电极之间的烟灰颗粒的增加的快速降低之后，电阻开始在暴露后10分钟开始水平，并且在50分钟后达到几种KOHM的最终电阻。

图3

μ.

270^{°} C

125^{°} C

烟灰沉积在烟灰传感器上的电阻值为80（总稀释比1/10，气体流量1 L/min，气体温度)，传感器温度:105 -)．

初始电阻降低的时间延迟与金属手指电极之间的距离密切相关，如图所示4．

图4

240^{°} C

125^{°} C

电极电极对数尺度不同距离的抵抗力输出（稀释比：1/100;气流1 L / min和气体温度：，传感器温度:105 -)．

由于电极间距较大，电极间导电烟灰层的形成需要更长的时间。此外，观察到的阻力下降也相当低。还应该注意的是，电阻变化在80时较慢的原因m传感器在图4条件与图相比3.是由于较高的颗粒流稀释度(1:100比1:10，气体流量保持在1 L/min恒定)和略低的温度梯度(气体流在)．

图中进一步说明了烟尘浓度在气流中的烟雾浓度的影响5．示出了稀释率在1/10（高烟灰浓度）和1/100（低烟灰浓度）的稀释比之间的比较。两种浓度之间的观察到差异类似于图中所示的两个电极距离所观察到的内容4较低浓度表现出显着较慢的电阻变化。然后，万用表的时间分辨率也允许电阻测量以高得多的绝对值开始。图中所示的曲线4和5还含有偶尔的电阻逐步变化与以前针对未稀释的柴油烟灰观察到的电阻[13］．还应指出图中器件之间的电阻差异很大4和5电阻是一个经常有很大变化的参数。图中的逐步变化4和5可以用渗流理论来解释[15与图有关2．因此，归一化响应在这里的演示中是不实用的。我们还想强调，当使用非加热的烟炱颗粒气体流时，烟炱沉积非常缓慢;当烟灰流经传感器单元一小时后，我们无法进入仪器可测量的电阻范围。

图5

240^{°} C

125^{°} C

μ.

抵抗值逐时进化两种不同的总稀释比（1/10和1/100）;气流1 L / min和气体温度：，烟灰传感器温度:105 -，80年米电极间的距离。

本文的初步结果显示了热电泳与电阻率检测相结合的烟灰传感器概念的潜力。建立气体流与传感器表面的温度梯度对烟灰沉积的依赖关系也很重要。这个参数会影响检测限和设备的灵敏度。还必须通过加热使传感器表面的烟尘再生，例如，通过传感器的周期性测量。目前正在进行进一步的研究工作，以开发一种利用气溶胶技术来控制粒子生成和优化热热沉积来收集烟尘的烟尘传感器校准方法[19］．

3.2。柴油排气测量

在初步结果的基础上，我们对实际柴油机排气系统进行了烟灰检测。在有和没有废气再循环(EGR)的循环中，在固定电机的排气系统中测试了丝网印刷传感器。EGR是一种减少氧和氮在发动机高温下直接反应生成的氮氧化物的方法。在之前的冷却后，一些废气被分流回发动机，而不是一部分新鲜空气。EGR降低了燃烧室的温度，从而限制了NOx的生成。

另一方面，柴油中重烃的完全燃烧需要过量的空气。因此，在烟灰和氮氧化物形成的趋势之间存在矛盾，为了减少这两种有害的排气成分，需要折衷办法。在我们进行的测量中，废气中的烟尘浓度从1毫克/立方米增加到19毫克/立方米^3.，根据DMS测量的估计，使用EGR。图中显示了有无EGR时烟灰颗粒数粒径分布的对比6在下面。柴油发动机以2500 rpm运行，200nm och 40％EGR。

正如预期的那样，在EGR激活的高负荷条件下，与EGR断开时相比，烟灰浓度显著更高。

传感器暴露在如图所示的较高烟尘浓度中6,从到600秒，并且相应的烟灰沉积和测量显示在图中7．在下面。烟灰暴露循环包括600秒的EGR激活排放，然后在气体温度为，然后通过加热传感器在去除沉积的烟灰。

图7

{210.}^{°} C

t ＝ 0

180^{°} C ；

t ＝ 600

180^{°} C ；

t ＝ 900

750^{°} C

丝网印刷传感器在静止电机稳态驱动时的电阻、废气温度（: EGR启动，传感器温度 s—EGR disconnected, sensor temperatures时，传感器温度升高至)．

如图所示7，累积时间约为300 s后出现阻力下降。这段时间用于沉积连续的烟灰导电层，类似于上面描述的实验室工作。从DMS500读数可知，在600秒时较低的烟灰浓度导致阻力略有增加，可能是由于烟灰层的机械稳定性较低。加热从900秒开始，开始时阻力减小，随后随着沉积的煤烟被燃烧掉，阻力增大。电阻的增加可能是由于来自烟灰的挥发性化合物的蒸发，比“纯固体”沉积的碳质材料导电性差。由于导电烟灰层在燃烧过程中迅速消失，所以相对于由于烟灰沉积而降低的电阻水平，导电烟灰层的恢复速度较快。

4.结论

使用气溶胶技术（层状扩散火焰）或由柴油发动机产生的实验室中产生烟灰颗粒。通过采用蒸粒为颗粒沉积机构，通过电阻率传感器检测烟灰颗粒。根据渗滤理论在表面上的一定积累后观察到抗性变化。所收集的层的电阻变化强烈地依赖于电极间距和烟灰颗粒浓度。传感器可能用于检测粒子过滤器中的裂缝，过滤再生的监测，以及适当的校准，对OBD过滤器后颗粒排放的定量测定。

致谢

瑞典政府创新系统局(VINNOVA)、北欧创新中心(NICe)、VINN功能纳米结构材料研究与创新卓越中心(FunMat)以及瑞典能源局CECOST项目获得了资助。沃尔沃技术和福特汽车公司也给予了支持。D. Lutic感谢Lund和Linköping大学的博士后奖学金。J. Pagels是由瑞典研究理事会FORMAS资助的。

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