CN106198638A - 尿素浓度检测元件以及尿素浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于检测尿素溶液浓度的尿素浓度检测元件以及方法，藉由对尿素浓度检测元件输入正弦波交流电信号，由于不同浓度的尿素溶液与尿素浓度检测元件的电极产生不同的电性交互作用，而导致在提供相同的正弦波交流电信号的情况下，尿素浓度检测元件输出不同的阻抗，且所输出的阻抗的差异为尿素溶液浓度检测的判断基准。

Description

尿素浓度检测元件以及尿素浓度检测方法

【技术领域】

本发明涉及一种检测元件及检测方法，且特别是涉及一种尿素浓度检测元件以及尿素浓度检测方法。

【背景技术】

随着科技的发展与应用，在不同的领域都会需要使用到液体浓度检测装置。举例来说，晶圆制程中蚀刻液的调配或者是环保领域中车辆的污染物排放等等，都会需要使用到液体浓度检测装置。

以车辆废气排放为例说明，一般为了满足重型柴油车的环保排放标准，国际上的重型柴油车已逐渐趋向采用SCR技术来减少废气中的NOx排放量。详细而言，SCR系统包括汽车尿素和选择性催化还原器，其中车用尿素由尿素缸进入燃烧过的废气，被已炽热的废气转化成氨(Ammonia，NH₃)，而氨与进入催化转换器内的氮氧化物(NOx)产生化学还原作用，转换成不影响自然环境的氮(Nitrogen)和水。因此可知，SCR系统需要消耗反应剂(即车用尿素)才能正常工作。车用尿素溶液是浓度约32.5％的尿素水溶液，其中对于尿素水溶液的浓度有严格的限制，否则不仅可能使车辆的NOx排放超标，还有可能损害车辆中的SCR系统。

【发明内容】

本发明提供一种应用于检测尿素浓度的尿素浓度检测元件以及方法，藉由对尿素浓度检测元件输入正弦波交流电信号，由于不同浓度的尿素溶液与尿素浓度检测元件的电极产生不同的电性交互作用，而导致在提供相同的正弦波交流电信号的情况下，尿素浓度检测元件输出不同的阻抗，且所输出的阻抗的差异作为尿素溶液浓度检测的判断基准。

上述的尿素浓度检测元件为在厚度方向上层迭的立体结构，其包含基板，两电极与介电层，其中于基板上形成电容结构。此电容结构由一圆形的下电极、介电层与一个图案化上电极共同组成，其中，图案化上电极提供可让溶液容纳于其中的容置空间，以增加尿素溶液与电极间电性交互作用的机率与强度，并且产生阻抗特性的频谱。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

【附图说明】

图1为本发明第一实施例的尿素浓度检测元件的示意图。

图2为图1的尿素浓度检测元件沿着A-A剖面线的剖面图。

图3为图2的尿素浓度检测元件的图案化上电极的另一种图案的示意图。

图4为图2的尿素浓度检测元件的图案化上电极的又一种图案的示意图。

图5为应用尿素浓度检测元件进行尿素浓度检测方法的步骤流程图。

图6为部分的尿素溶液会流入尿素浓度检测元件的图案化上电极的容置空间中以进行检测的示意图。

图7为尿素浓度检测元件进行检测时所产生的RC并联的等效电路的示意图。

图8为在不同浓度尿素溶液中，尿素浓度检测元件所测得的电特性的关系图，其中横轴为电阻，而纵轴为电抗。

图9为本发明第二实施例的尿素浓度检测元件的示意图。

图10为尿素浓度检测元件进行检测时所产生的RC串联的等效电路的示意图。

图11为将第二实施例的尿素浓度检测元件应用于检测不同流体中的结果图。

【具体实施方式】

下面将参照所附图式以更全面地叙述各实施例。各实施例可表现为许多不同的形态，而不应理解为局限于本文所列举的实施例。确切地讲，提供这些实施例是为了使揭露的内容更透彻及完整，且将各实施例的概念全面传达给所属技术领域中的技术人员。在这些图式中，为清楚起见，各层或各区域的厚度可能被放大。

在下文中，当提到一元件“连接”或“耦接”到另一元件时，此元件可直接连接或耦接到另一元件，也可能存在着介入元件。相反，当提到一元件“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，则不存在介入元件。其他用来表述各元件或各层之间关系的词语应按相同方式来理解(例如，“介于……之间”相对于“直接介于……之间”、“与……相邻”相对于“与……直接相邻”、“位于……上”相对于“直接位于……上”)。

为了便于叙述，本文会使用与空间有关的术语(如“在……下方”、“在……下面”、“下面的”、“在……上方”、“上面的”等等)来叙述如图所示的一个元件或结构特征相对于其他元件或结构特征的关系。对于正在使用或正在操作的装置或设备而言，与空间有关的术语除了包含如图所示的方位外，也包含不同的方位。举例而言，若将图式中的装置或设备翻转，则原本位于其他元件或结构特征“下面”或“下方”的元件将变成位于其他元件或结构特征的“上方”。因此，作为示范的术语“下方”可包含上方和下方这两种方位，取决于基准点。设备也可采用其他方式定位(旋转90度或其他方位)，且按相同方式来理解本文所用的与空间有关的解说词。

本文是参照各图式来叙述本发明的各实施例，这些图式是各实施例的理想化实施方案(及中间结构)的示意图。如此一来，由(例如)制造技术及/或公差而引起的图式形状的变动应在预料当中。因此，本发明的各实施例不应理解为局限于本文所述的各区域的具体形状，而是应当包括因(例如)制造而引起的形状偏差。因此，如图所示的各区域本质上是示意图，其形状并非意图绘示设备的区域的实际形状，也并非意图限制各实施例的范围。

除非另行规定，否则本文所用的全部术语(包括技术及科学术语)的含义都与本发明实施例所属技术领域中的技术人员普遍理解的含义相同。更容易理解的是，如通用字典中定义的那些术语应当理解为其含义与现有技术中这些术语的含义相同，而不应理解得理想化或过于正式，除非本文有此明确规定。

本发明旨在阐述一种尿素浓度检测元件以及使用此尿素浓度检测元件进行尿素溶液检测的方法。以下将提出两个实施例进行说明。

[第一实施例]

图1为本发明第一实施例的尿素浓度检测元件的示意图，而图2为图1的尿素浓度检测元件沿着A-A剖面线的剖面图。请同时参考图1及图2，本实施例的尿素浓度检测元件100适于放置在尿素溶液中，以检测尿素溶液中的尿素浓度，此尿素溶液为应用在SCR系统中的车用尿素溶液。此尿素浓度检测元件100包括基板110、设置于基板110上且在平面方向上形状大致呈圆形的下电极120、设置在下电极120上方的图案化上电极140，以及设置在下电极120以及图案化上电极140之间的介电层130。图案化上电极140具有多个容置空间142，而部分的所述尿素溶液容纳于所述容置空间142内。上述的尿素浓度检测元件100为一个在厚度方向上呈现立体的电容C结构，而在平面方向上会有电阻R的产生。

于本实施例中，基板110例如是以陶瓷制成的基板，但并不限于此，具有绝缘、足够强度且可耐受尿素腐蚀的材料都可用以制作基板。图案化上电极140的图案可以是弯曲(meander)线条形(如图1示)、井字形(如图3示)、螺旋形(如图4示)或是其他形状，本领域技术人员可依照实际需求而选择。而所述图案化上电极140的线宽的范围为50μm至500μm，但并不限于此范围。本领域人员应该知道，改变图案化上电极140的线宽D、线距、厚度和面积(未标示)，可以调整尿素浓度检测元件100的检测解析度，因此可以依照需求而改变图案化上电极140的线宽、线距、厚度和面积。

图5为应用上述尿素浓度检测元件进行尿素浓度检测方法的步骤流程图。请参考图5，如步骤S110，可以先建立资料库，其中建立资料库的步骤如下：如步骤S112，将多个上述的尿素浓度检测元件100放置于多个尿素溶液中，或是将一个尿素浓度检测元件100依序放置在多个尿素溶液中进行检测，其中每一个尿素浓度检测元件100与解析单元(未绘示)(例如电脑)电性连接，以使尿素浓度检测元件100所检测出来的结果可以传至解析单元进行资料的解析及储存，而受检测的每个尿素溶液的浓度也都不相同，且在尿素浓度检测元件100放置于多个尿素溶液中时，部分的尿素溶液会流入图案化上电极140的容置空间142中(如图6示)。然后，提供正弦波交流电信号给尿素浓度检测元件100。此时，尿素浓度检测元件100并非是放置在SCR系统中的车用尿素溶液中，而是放置在刻意调配出来预定浓度的尿素溶液中。

接着如步骤S114，对尿素溶液进行扫频以获得尿素溶液的电特性。详细而言，对尿素溶液中的尿素浓度检测元件100依序提供频率从10⁰～10⁶Hz的正弦波交流电信号，而由于流入容置空间142中的尿素溶液会与图案化上电极140的电性交互作用，因此产生了如图7所示的RC并联的等效电路。而在不同的频率之下，尿素浓度检测元件100会获得并分别经由下电极120输出不同的电特性结果，此电特性结果例如为阻抗，其中阻抗中包含电阻R(标示于图2)及电抗的资讯，而电抗又可以为感抗或容抗。重复步骤S114，以对不同浓度的尿素溶液进行扫频，并且尿素浓度检测元件100输出不同的电特性结果，并且将所得到的结果建立于资料库中。

附带一提，在对尿素浓度检测元件100提供正弦波交流电的同时，还包括对尿素浓度检测元件100提供直流电，以抑制杂讯。

图8为在不同浓度尿素溶液中，尿素浓度检测元件所测得的电特性的关系图，其中横轴为电阻，而纵轴为电抗。请参考图8，在尿素溶液具有不同的浓度的情况之下(例如尿素溶液的浓度为0％、20％及40％)，其电抗及电阻的关系。由图8可以看出因为尿素溶液的浓度不同，因此和电极的作用强度也不同，而使不同浓度的尿素溶液的电特性的分布状况具有分辨率。

由上述步骤，资料库已建立。因此，当将尿素浓度检测元件100应用在SCR系统中时，便可以将所检测到车用尿素溶液的浓度的电特性结果从资料库中查找出来。

更进一步来说，将尿素浓度检测元件100放置在车用的尿素溶液中，如步骤S120，解析尿素浓度检测元件100所检测出来的车用尿素溶液的阻抗，并从资料库中找到对应阻抗的受测的尿素溶液的浓度。详细而言，从资料库中找到对应阻抗的受测的尿素溶液的浓度包括步骤S122，可参考如图8的阻抗频谱定义出不同浓度的所述尿素溶液的电讯号与浓度线性关系，其中选择分辨率较高处(即不同浓度的尿素溶液的电抗分布没有彼此重迭的频率，或是电讯号分布相隔较远的频率)进行定义电讯号与浓度的线性关系。选择分辨率较高处进行线性关系的定义是为了电性特征比较明显，以获得较佳的浓度解析度。

之后如步骤S124，其中步骤S124类似于步骤S112，对尿素浓度检测元件100施加正弦波交流电信号，藉由流入容置空间142中的尿素溶液与图案化上电极140的电性交互作用而尿素浓度检测元件100可以获得尿素溶液的电特性结果。接着如步骤S126，根据放置在车用的尿素溶液中的尿素浓度检测元件100所检测出的尿素溶液的电特性，并且经过计算及解析，便可由内建于资料库中的资料或是经由电讯号与浓度线性关系，找出受测的尿素溶液的浓度。

由上述，本实施例的尿素浓度检测元件100制作成在厚度方向上堆迭的结构，其结构与某些现有的尿素浓度检测元件100是在平面方向上形成检测的结构不相同。而在此结构的不相同的条件下，图案化上电极140所具有的可容纳尿素溶液的容置空间142增加了尿素溶液与电极的接触面积，因此进而提升了检测品质。此外，经由资料库的建立及电讯号与浓度线性关系的定义，可以从检测到的结果方便地查找出受测的车用尿素溶液的浓度。

[第二实施例]

图9为本发明第二实施例的尿素浓度检测元件100A的示意图。本实施例与上述第一实施例大致相同，其不同之处在于本实施例的尿素浓度检测元件100A还包括设置于所述图案化上电极140之上的孔洞层150，而待检测的尿素溶液适于经由孔洞层150进入容置空间142内。而有关于应用本实施例的尿素浓度检测元件100A以检测尿素溶液的方法与上述第一实施例所描述的检测方法大致相同，因此不再另外描述。

须说明的是，藉由设置在图案化上电极140上方的孔洞层150，孔洞层150与图案化上电极140形成微腔体，尿素溶液藉由孔洞层150吸附进微腔体并与电极接触，且使电极周围的介电环境产生改变，致使阻抗改变，这样的结构会产生如同RC串联的等效电路(如图10示)，且不同浓度尿素的讯号差异主要是由电容贡献。

另外，上述第一实施例及第二实施例的尿素浓度检测元件100、100A除了应用在尿素溶液之外，也可以应用于检测不同流体，如图11所示，图11为将第二实施例的尿素浓度检测元件100A应用于检测不同流体的结果图。列于图11中所检测的不同流体例如为空气、40％尿素，和水。由于每种物质会有自己的电特性，因此不同流体和元件电极而产生的电交互作用不同，因此在阻抗输出上也会有所不同。本领域技术人员在理解本说明书的内容之后应可知本发明中的浓度检测元件除了对尿素浓度进行检测之外，还可以应用在检测其他流体(气体或液体)的浓度。由于前述实施例所公开的尿素浓度检测单元的结构是针对尿素浓度检测单元应用在相对单纯的检测环境中(例如检测目标为尿素水溶液、空气或是燃油)，而在其他相对复杂的检测环境中，为了避免溶液中可能会有多种物质造成讯号重迭干扰，因此可以依据需求对浓度检测元件的结构进行适应性的修改，例如对电极表面做处理。

综上所述，本发明的尿素浓度检测元件及应用此尿素浓度检测元件的尿素浓度检测方法至少具有下列优点：

提供了一种与某些现有结构不同的尿素浓度检测元件，其结构为在厚度方向上层迭基板、电极与介电层的立体电容结构，因此可以提高信号响应率。

图案化上电极所具有的容置空间142可以容纳部分的待测溶液，可以增加待测溶液与电极的电性交互作用的机率与强度。

在图案化上电极上再设置孔洞层，可以形成避免外界扰动干扰的微腔体，进而提升检测准确率。

经由扫频获得的是同时测量多种电性的阻抗特性频谱，可以避免单一电性响应的不准确性。

可藉由调整图案化上电极的线宽、线距、厚度和面积以调整尿素浓度检测元件的检测解析度，避免阻抗过小或响应不明显。

虽然已以实施例如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更该改与润饰，故本发明的保护范围应以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种尿素浓度检测元件，适用于检测尿素溶液中的尿素浓度，其特征在于包括：

基板；

下电极，设置于所述基板上；

介电层，设置于所述下电极上；

图案化上电极，设置于所述介电层上，其中所述图案化上电极具有多个容置空间，适用于将部分的所述尿素溶液容纳于所述容置空间内。

2.如权利要求1所述的尿素浓度检测元件，其特征在于所述基板为陶瓷基板。

3.如权利要求1所述的尿素浓度检测元件，其特征在于所述图案化上电极的图案为井字形、螺旋形或是弯曲线条形。

4.如权利要求1所述的尿素浓度检测元件，其特征在于所述图案化上电极的线宽的范围为50μm至500μm。

5.如权利要求1所述的尿素浓度检测元件，其特征在于还包括孔洞层，设置于所述图案化上电极之上，而待检测的所述尿素溶液适于经由所述孔洞层进入所述容置空间内。

6.一种尿素浓度检测方法，其特征在于包括：

提供如权利要求1所述的尿素浓度检测元件，并将所述尿素浓度检测元件放置于待测的尿素溶液中，而部分的所述尿素溶液会进入所述尿素浓度检测元件的图案化上电极的所述容置空间中；

对所述尿素浓度检测元件提供正弦波交流电信号，而所述容置空间中的所述尿素溶液与所述图案化上电极产生电性的交互作用，而所述尿素浓度检测元件检测出阻抗；以及

解析所述尿素浓度检测元件所检测出的所述阻抗，并从资料库中找到对应所述阻抗的受测的所述尿素溶液的浓度。

7.如权利要求6所述的尿素浓度检测方法，其特征在于对所述尿素浓度检测元件提供正弦波交流电的同时还包括对所述尿素浓度检测元件提供直流电，以抑制杂讯。

8.如权利要求6所述的尿素浓度检测方法，其特征在于建立所述资料库包括：

将所述尿素浓度检测元件置于不同浓度的所述尿素溶液中，并且对所述尿素浓度检测元件提供所述正弦波交流电信号；以及

对所述尿素溶液进行扫频，以获得阻抗频谱，并记录于所述资料库中。

9.如权利要求8所述的尿素浓度检测方法，其特征在于从所述资料库中找到对应所述阻抗的受测的所述尿素溶液的浓度包括：

由所述阻抗频谱定义出不同浓度的所述尿素溶液的电信号与浓度线性关系；以及

根据所述尿素浓度检测元件所检测出的受测的所述尿素溶液的电特性，经由所述电信号与浓度线性关系找出受测的所述尿素溶液的浓度。

10.如权利要求6所述的尿素浓度检测方法，其特征在于所述尿素浓度检测元件输出的所述阻抗包括电阻及电抗。

11.如权利要求10所述的尿素浓度检测方法，其特征在于所述电抗为感抗或容抗。