CN112074729B - 气体传感器以及用于运行气体传感器的方法 - Google Patents

气体传感器以及用于运行气体传感器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气体传感器，所述气体传感器包括：膜片和加热元件，所述加热元件在膜片上设置在膜片的第一中断区域与膜片的第二中断区域之间。膜片的第一中断区域具有膜片的至少一个中断部，并且膜片的第二中断区域具有膜片的至少一个中断部。气体传感器还包括：第一温度传感器结构，所述第一温度传感器结构至少部分地在膜片上设置在膜片的第一中断区域的与加热元件相反的一侧上；以及第二温度传感器结构，所述第二温度传感器结构至少部分地在膜片上设置在膜片的第二中断区域的与加热元件相反的一侧上。

Description

气体传感器以及用于运行气体传感器的方法
技术领域
根据本发明的实施例涉及一种气体传感器以及一种用于运行气体传感器的方法。
背景技术
现今，能够借助于完全不同的传感器在气体特性方面分析气体。当今，在市场上存在用于患者呼吸的不同的系统。所述系统根据在临床和家庭护理领域(例如 und Stephan Medizintechnik公司的系统)中的使用来区分。所述提供者的系统仅在其顶端变型中包括用于确定压力、呼吸流和呼吸气体分析的所有必需的测量装置。为此，必须将主要远离患者测量的多个设备组合。
鉴于这种情况，存在对于如下设计的需求：所述设计能够实现构造空间的减小与气体测量系统的系统重量的减小之间的更好的折中，并且提供精确的流动测量以及快速的气体分析。
所述目的通过独立权利要求来实现，所述独立权利要求包括设备权利要求1和18以及方法权利要求16。
根据本发明的改进方案在从属权利要求中限定。
发明内容
一个实施例涉及(例如呈MEMS构件的形式的)气体传感器，所述气体传感器包括：膜片(例如薄层膜片，其厚度能够处于200nm至4000nm之间、300nm至3000nm之间、400nm至2000nm之间或处于1μm至10μm之间，其中厚度能够定义膜片的最小空间扩展)；以及加热元件，所述加热元件在膜片上设置在膜片的第一中断区域与膜片的第二中断区域之间(例如作为自承的桥结构)。膜片的第一中断区域具有膜片的至少一个中断部，并且膜片的第二中断区域具有膜片的至少一个中断部。气体传感器还能够具有第一温度传感器结构(例如热链结构或“热电堆结构”、变温电阻或热敏电阻)，所述第一温度传感器结构至少部分地在膜片上设置在膜片的第一中断区域的与加热元件相反的一侧上(使得例如第一中断区域设置在第一温度传感器结构与加热元件之间，并且例如降低在膜片材料中从加热元件至第一温度传感器结构的热传导)。此外，气体传感器能够具有第二温度传感器结构(例如热链结构或“热电堆结构”、变温电阻或热敏电阻)，所述第二温度传感器结构至少部分地在膜片上设置在膜片的第二中断区域的与加热元件相反的一侧上(使得例如第二中断区域设置在第二温度传感器结构与加热元件之间，并且例如降低在膜片材料中从加热元件至第二温度传感器结构的热传导)。
所述实施例基于如下认知：能够在第一中断区域的至少一个中断部中以及在第二中断区域的至少一个中断部中设置气体(例如待分析的气体)，所述气体能够气体特定地将热量从加热元件传导至第一热电偶结构或第二热电偶结构。根据通过气体从加热元件至第一温度传感器结构或第二温度传感器结构的热传递的运行时间，能够由气体传感器探测气体特性。因此，例如能够借助于气体传感器探测气体的组分、气体的压力、气体的速度或气体的导热性。
此外，能够非常小地实现气体传感器。通过气体传感器的各个特征的特定设置，能够同时探测待分析的气体的多个特性，由此与气体传感器系统相比，气体传感器具有减小的构造空间，所述气体传感器系统为了探测气体的多个特性必须将不同的气体传感器集成在系统中。气体传感器的各个特征能够设置成，使得气体传感器具有非常小的尺寸。
因此应规定，气体传感器通过其特定构造能够减小构造空间和系统重量，并且提供精确的流动测量和快速的气体分析。
根据一个实施例，第一温度传感器结构是第一热电偶结构，所述第一热电偶结构的热端部在膜片上设置在膜片的第一中断区域的与加热元件相反的一侧上，并且第二温度传感器结构是第二热电偶结构，所述第二热电偶结构的热端部在膜片上设置在膜片的第二中断区域的与加热元件相反的一侧上。因此，这些热电偶结构能够具有热端部，并且例如在热电偶结构的相对置的一侧上具有冷端部。在此，(热端部的)热意味着，例如热电偶结构的所述侧朝向加热元件设置，并且(冷端部的)冷意味着例如热电偶结构的所述侧背向加热元件设置。因此，温度传感器结构例如至少部分地(以热端部)设置在膜片上。但是，也可行的是，完整的温度传感器结构不仅以热端部而且以冷端部设置在膜片上.根据一个实施例，温度传感器结构的热端部用于探测经由待分析的气体从加热元件至相应的温度传感器结构的热传输。
根据一个实施例，与第二温度传感器结构相比，第一温度传感器结构具有距加热元件相同的间距。这例如引起可能降低气体分析中的不精确性，其中例如两个温度传感器结构的结果能够彼此补偿。替选地，能够从借助于第一温度传感器结构探测到的第一信号和借助于第二温度传感器结构探测到的第二信号构成的总和信号中，获得非常精确的气体分析。
根据一个实施例，温度传感器结构能够例如为热链结构或“热电堆结构”、变温电阻或热敏电阻。即使在以下实施例中关于热电偶结构、热链结构或“热电堆结构”作为温度传感器结构示出，对于本领域技术人员清楚的是，替代其也能够使用变温电阻或热敏电阻。此外，以下实施例或实施例的改型能够任意彼此组合并且特定地也与先前实施例组合。
另一实施例涉及(例如呈MEMS构件的形式的)气体传感器，所述气体传感器包括：膜片(例如薄层膜片，其厚度能够处于200nm至4000nm之间、300nm至3000nm之间、400nm至2000nm之间或处于1μm至10μm之间，其中厚度能够定义膜片的最小空间扩展)；以及加热元件，所述加热元件在膜片上设置在膜片的第一中断区域与膜片的第二中断区域之间(例如作为自承的桥结构)。膜片的第一中断区域具有膜片的至少一个中断部，并且膜片的第二中断区域具有膜片的至少一个中断部。(例如第一中断区域和/或第二中断区域的)至少一个中断部例如具有平行于加热元件的纵向扩展，所述纵向扩展大于垂直于加热元件的横向扩展。在此，至少一个中断部例如沿着加热元件的完整长度延伸(其中长度例如定义加热元件的如下侧的扩展：所述侧邻接于膜片或第一中断区域和/或第二中断区域，并且平行于第一中断区域和/或第二中断区域伸展)。气体传感器还能够具有第一热电偶结构(例如热链结构或“热电堆结构”)，所述第一热电偶结构的热端部(例如更靠近加热元件设置的端部)在膜片上设置在膜片的第一中断区域的与加热元件相反的一侧上(使得例如第一中断区域设置在第一热电偶结构的热端部与加热元件之间，并且例如降低在膜片材料中从加热元件至第一热电偶结构的热传导)。此外，气体传感器能够具有第二热电偶结构(例如热链结构或“热电堆结构”)，所述第二热电偶结构的热端部(例如更靠近加热元件设置的端部)在膜片上设置在膜片的第二中断区域的与加热元件相反的一侧上(使得例如第二中断区域设置在第二热电偶结构的热端部与加热元件之间，并且例如降低在膜片材料中从加热元件至第二热电偶结构的热传导)。
气体传感器如下有利地构造成，使得气体传感器具有第一中断区域以及第二中断区域，由此能够实现，第一热电偶结构或第二热电偶结构能够具有距加热元件不同的距离(例如间距)，因为第一中断区域例如能够具有与第二中断区域不同的垂直于加热元件的扩展。在经由气体从加热元件至第一热电偶结构或至第二热电偶结构传输热量时，能够发生从加热元件到待分析的气体中以及从气体到第一热电偶结构中或到第二热电偶结构中的未知的热传递。在例如在加热元件与热电偶结构之间具有两个不同间距的气体传感器的测量中，热传递能够是近似相同的，由此由第一热电偶结构探测到的热传递与由第二热电偶结构探测到的热传递的差例如基本上与通过气体在第一中断区域或第二中断区域中的热传输相关。因此，能够避免气体传感器的可能的不精确性，并且借助于气体传感器以高的灵敏度探测气体特性。在此，第一热电偶结构或第二热电偶结构能够用作为气体传感器的传感器。
根据一个实施例，膜片通过由载体材料构成的框架展开(或膜片能够通过由载体材料或基板材料构成的框架承载)，所述载体材料设计成，使得膜片的温度膨胀系数与保持膜片的载体材料的温度膨胀系数不同。通过所述配置，大的力能够作用于气体传感器的元件。具有膜片中的中断部的气体传感器的根据本发明的设计能够实现使用具有不同温度膨胀系数的材料。例如，虽然使用具有不同温度膨胀系数的材料，能够实现使气体传感器的损害或损伤最小化，进而确保气体传感器的简单的和低成本的制造。因此，例如不必像一般那样使用具有相同的或非常相似的温度膨胀系数的材料。
根据一个实施例，第一热电偶结构的冷端部和第二热电偶结构的冷端部能够设置在载体材料上。第一热电偶结构的冷端部和第二热电偶结构的冷端部例如处于通过载体材料承载膜片的位置。因此，第一热电偶结构或第二热电偶结构例如能够蜿蜒形地构造，由此热端部在膜片上朝向加热元件设置，并且冷端部在载体材料上背向加热元件设置。通过所述设置，在第一热电偶结构或第二热电偶结构的热端部与冷端部之间能够存在温度差，由此在第一热电偶结构或第二热电偶结构内能够出现电荷移动。因此，例如如果热电偶结构经受温度差，则能够在第一热电偶结构或第二热电偶结构上施加电压。所述电压与温度差相关。因此，能够实现，非常精确地探测从加热元件至热电偶结构通过待分析的气体传导的热量。
根据一个实施例，膜片的第一中断区域能够具有连续的中断部，所述中断部的纵向扩展大至，使得所述中断部完全覆盖第一热电偶结构与加热元件之间的区域，并且膜片的第二中断区域能够同样具有连续的中断部，所述中断部的纵向扩展大至，使得所述中断部完全覆盖第二热电偶结构与加热元件之间的区域。纵向扩展例如能够理解为平行于加热元件或平行于第一热电偶结构或第二热电偶结构的扩展。因此，第一中断区域或第二中断区域的连续的中断部例如能够具有沿着加热元件的完整长度的纵向扩展或至少沿着第二热电偶结构的完整长度的纵向扩展。因此，能够实现，从加热元件至第一热电偶结构或第二热电偶结构经由待分析的气体进行几乎完整的或甚至完整的热传递，进而能够最小化或消除经由膜片的寄生热传导。因此，气体传感器设计成，例如执行非常精确的流动测量以及快速的和精确的气体分析。
根据一个实施例，第一中断区域的中断部(例如连续的中断部或至少一个中断部)的(例如在垂直于加热元件的最大扩展的方向的方向上或在从加热元件至相应的热电偶结构的方向上的)横向扩展能够不同于第二中断区域的中断部(例如连续的中断部或至少一个中断部)的横向扩展。因此，与通过在第二中断区域的中断部中设置的介质从加热元件至第二热电偶结构相比，热量例如通过在第一中断区域的中断部中设置的介质从加热元件至第一热电偶结构必须经过不同的路径长度。通过不同的横向扩展能够实现，(例如从加热元件至气体或从气体至第一热电偶结构或至第二热电偶结构的)未知的热转变对于通过气体传感器探测气体特性几乎不重要至不重要，由此能够非常精确地确定介质(例如气体、流体、液体)的特性。此外，气体传感器能够匹配于个体化的要求。因此，小的横向扩展例如造成气体传感器的高的稳定性，并且大的横向扩展例如造成高的气体相关的敏感性。因此，能够借助不同的横向扩展改进气体传感器在长时间运行中的机械稳定性或其对于探测气体特性的敏感性。
根据一个实施例，与第二热电偶结构相比，第一热电偶结构能够具有距加热元件的不同的间距。因此，与从加热元件至第二热电偶结构相比，热量例如从加热元件至第一热电偶结构必须经过不同的路径长度。因此能够实现，(例如从加热元件至气体或从气体至第一热电偶结构或至第二热电偶结构的)未知的热转变对于通过气体传感器探测气体特性几乎不重要至不重要。由第一热电偶结构探测到的第一传感器信号与由第二热电偶结构探测到的第二传感器信号之间的差，能够基本上与通过在中断区域的中断部中设置的介质(例如气体、流体、液体)的热传递相关。因此，气体传感器能够非常精确地探测气体特性。
根据一个实施例，第一中断区域和第二中断区域能够具有多个中断部，所述中断部设置成，使得在相应的中断区域中产生格栅结构，在所述格栅结构中，中断部以平行于加热元件的排设置，并且这些排彼此错开地设置。因此，在膜片中例如能够设置有多个中断部，由此其余的膜片材料能够形成格栅结构。中断部以平行于加热元件的排设置，这例如意味着，这些排平行于加热元件的最大扩展的方向设置。此外，这些排能够彼此错开地设置，这例如意味着，相继的排的(在垂直于加热元件的方向上伸展的；从加热元件至相应的热电偶结构的)格栅结构的通过膜片材料形成的接片彼此错开地设置。换言之，多个中断部能够类似于顺砖砌合式设置。这例如引起，膜片中的寄生热传导经过尽可能长的路径。
多个中断部能够涉及长形中断部。长形中断部的最大扩展的方向例如以±20°的公差垂直于热传导的主方向(例如从加热元件至热电偶结构)。因此，格栅结构能够实现，寄生热量不直接从加热元件传导至第一热电偶结构或第二热电偶结构，而是通过格栅结构经过盘旋的路径。由此能够实现，与经由多个中断部中的待分析的气体所期望的热传导相比，经由格栅结构的寄生热传导滞后地到达第一热电偶结构或第二热电偶结构。
根据一个实施例，第一中断区域和第二中断区域能够具有多个中断部，所述中断部设置成，使得产生格栅结构，在所述格栅结构中，通过膜片的热传导的路径比直接路径更长。在此，热传导能够涉及寄生热传导。直接路径例如能够是垂直于加热元件的最大扩展，从加热元件至第一热电偶结构或至第二热电偶结构的直的路径或通过多个中断部中的气体的路径。通过膜片的寄生热传导的路径例如不应直线地伸展，而是应形成盘旋的路径。例如不应得出通过膜片的直接的热路径。由此能够实现，关于通过多个中断部中的待分析的气体的热传递，寄生热量通过膜片滞后地到达第一热电偶结构或第二热电偶结构。
根据一个实施例，第一中断区域中和第二中断区域中的中断部能够是具有圆角的矩形切口。换言之，第一中断区域中的至少一个中断部和第二中断区域中的至少一个中断部能够形成具有圆角的矩形切口。例如能够涉及长孔或涉及卵形孔。由此能够实现，通过第一中断区域中和/或第二中断区域中的至少一个中断部产生的格栅结构，提供对于通过膜片的寄生热传导的长的路径。因此，气体传感器构成为，以高的精确性探测气体特性。
根据一个实施例，第一中断区域中和第二中断区域中的中断部的长度能够是宽度的至少三倍。换言之，第一中断区域中的至少一个中断部和第二中断区域中的至少一个中断部的长度能够是宽度的至少三倍。长度例如定义为平行于加热元件的最大扩展的方向，并且宽度定义为垂直于加热元件的最大扩展的方向或从加热元件至第一热电偶结构或第二热电偶结构的方向。因此，第一中断区域的至少一个中断部或第二中断区域的至少一个中断部例如构成为，确保具有通过膜片的尽可能长的寄生热传导的格栅结构。
根据一个实施例，第一中断区域中的中断部之间的间距和第二中断区域中的中断部之间的间距能够对应于最小待实现的结构宽度，所述结构宽度得出机械上耐久的格栅结构。第一中断区域中的中断部之间的间距和第二中断区域中的中断部之间的间距例如能够定义由膜片材料构成的接片的宽度，所述接片能够形成相应的中断区域中的格栅结构。接片的宽度例如定义接片的垂直于邻接于相应的接片的中断部的扩展。因此，宽度例如定义第一中断区域中和/或第二中断区域中的两个相邻的中断部之间的间距。第一中断区域中的中断部之间的间距和第二中断区域中的中断部之间的间距例如能够处于10nm至1mm之间、100nm至1μm之间或1μm至100μm之间的范围中。从100μm开始，间距大概率大于接片侧面上的气体的边界层区域。在边界层内，例如主要存在热传导，气体的热容cp在边界层外才考虑。边界层宽度与绝对温度(并且与气体)相关。有效中断部面积相对于有效接片长度的商能够视为纵横比。为简单起见，例如如果中断部的长度是宽度的3倍，则3个正方形能够被假定为有效中断部面积。与具有C＝epsilon*A/d的平板电容器类似。作为有效接片长度，接片连接部能够划分成棱边长度为接片宽度的相同大小的正方形，其中在温度梯度的主方向上的接片例如与平行于加热器的接片相比更重。与等效电路图类似，接片能够是电阻轨R，其中R应是高的。纵横比例如包括1/R，即电导。如果将整体视为RC网络，则这能够与特定的激励频率和气体类型协调。然而，在此例如涉及具有不同运行时间的低通滤波器(不仅孔而且接片)。因此能够实现，气体传感器具有高的机械稳定性，并且同时经由(由膜片材料构成的)中断部的间距来减小或抑制寄生热传导。中断部面积与接片宽度之间的纵横比越大，则例如气体传感器的气体类型相关的敏感性越高。
根据一个实施例，加热元件，第一热电偶结构和/或第二热电偶结构能够借助于保护层钝化。这例如能够实现气体传感器相对于例如能够处于测量气体中的自由基的高的耐久性，所述测量气体例如能够设置在第一中断区域的至少一个中断部和/或第二中断区域的至少一个中断部中。自由基例如可能腐蚀敏感的有源的第一热电偶结构、敏感的有源的第二热电偶结构和/或加热元件，从而在机械上削弱或在热学上改变，这能够借助于保护层阻止或减小。
根据一个实施例，第一热电偶结构的热端部能够到达直至膜片的第一中断区域的边缘，并且第二热电偶结构的热端部能够直至膜片的第二中断区域的边缘。第一热电偶结构或第二热电偶结构的热端部例如包括多个端部，所述多个端部具有距加热元件相同的或仅略微不同的间距。在热电偶结构的热端部与相应的中断区域之间的间距例如不应大于0.5mm、0.1mm、50μm或1μm。因此能够实现，第一热电偶结构或第二热电偶结构非常靠近相应的中断区域的至少一个中断部地设置。由此，能够由第一热电偶结构或第二热电偶结构非常快速地探测经由待分析的气体(设置在中断部中)进行的热传递。因此，气体传感器构成为，非常快速地探测气体特性。
实施例实现一种用于运行气体传感器的方法，其中气体传感器能够涉及根据在此描述的实施例中的一个实施例的气体传感器。所述方法能够具有：对加热元件进行加热；以及经由气体混合物传导热量，其中与经由膜片相比，更多的热量经由包围气体传感器的气体混合物从加热元件传导至热电偶结构。在此，气体混合物能够设置在气体传感器的膜片的中断部中。此外，所述方法能够具有：通过热电偶结构的热端部探测热传输。
换言之，所述方法能够具有：对加热元件进行加热；以及经由气体混合物传导热量，其中与经由膜片相比，更多的热量经由包围气体传感器的气体混合物从加热元件传导至第一热电偶结构和/或第二热电偶结构。此外，所述方法能够具有：通过第一热电偶结构和/或第二热电偶结构的热端部探测热传输。
根据一个实施例，所述方法包括：基于热传输的探测来确定气体浓度和/或气体组分和/或气体流动。
附图说明
在下文中参照附图详细阐述根据本发明的一个实施例。在所示出的示意图方面指出，所示出的功能块应不仅理解为根据本发明的设备的元件或特征，而且理解为根据本发明的方法的对应的方法步骤，并且也能够从中推导出根据本发明的方法的对应的方法步骤。附图示出：
图1a示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的示意图；
图1b示出用于根据本发明的一个实施例的热学气体传感器的评估装置的示意图；
图1c示出用于根据本发明的一个实施例的热学气体传感器的评估装置的示意图，其中对加热功率进行调节；
图1d示出用于根据本发明的一个实施例的热学气体传感器的评估装置的示意图，其中在三个时刻对传感器信号进行采样；
图2a示出根据本发明的一个实施例的光学显微镜处的气体传感器的示意图；
图2b示出根据本发明的一个实施例的采样电子显微镜中的气体传感器的示意图；
图3示出用于根据本发明的一个实施例的气体传感器的微桥的采样电子显微镜照片的局部图的示意图；
图4示出根据本发明的一个实施例的具有第一中断部的气体传感器的示意图，所述第一中断部具有垂直于加热器的扩展，所述扩展不同于第二中断部的垂直于加热器的扩展；
图5示出根据本发明的一个实施例的具有第一中断区域以及第二中断区域的气体传感器的示意图，所述气体传感器具有多个中断部；
图6a示出根据本发明的一个实施例的不仅在第一中断区域、而且在第二中断区域中具有相同多的中断部的气体传感器的示意图；
图6b示出根据本发明的一个实施例的在第一中断区域中具有大量中断部，并且在第二中断区域中具有唯一中断部的气体传感器的示意图；
图6c示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的示意图，其中与第二中断区域中的多个中断部相比，第一中断区域中的多个中断部具有不同的、垂直于加热器的扩展；
图7示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的原理的示意图；
图8示出在根据本发明的一个实施例的气体传感器处的热传输的示意图；
图9示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的加热器信号、第一传感器信号和第二传感器信号的图表；
图10示出用于根据本发明的一个实施例的气体传感器的加热器操控的示意图；
图11示出用于评估根据本发明的一个实施例的气体传感器的传感器信号的电路的示意图；
图12示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的调节的示意图；
图13a示出根据本发明的一个实施例的用于分析气体传感器的传感器信号的方法的方框图；
图13b示出根据本发明的一个实施例的用于评估气体传感器的传感器信号的具有追踪采样时刻的方法的方框图；
图14示出根据本发明的一个实施例的加热器信号与气体传感器的两个传感器信号之间的相移的图表；
图15示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的至少一个传感器信号的幅值的图表；
图16示出根据本发明的一个实施例的在气体传感器的第一传感器信号与第二传感器信号之间的相移与压力相关的图表；
图17a示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的传感器信号的相移与频率相关的图表；
图17b示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的传感器信号的幅值与频率相关的图表；
图18示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的第一传感器信号、第二传感器信号和加热器信号的相移与氮气浓度相关的图表；
图19示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的第一传感器信号和第二传感器信号的幅值与氮气浓度相关的图表；
图20示出根据本发明的一个实施例的用于不同气体混合物的气体传感器的组合信号的图表；
图21示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的组合信号与CO2浓度相关的图表；
图22示出根据本发明的一个实施例的气体传感器的组合信号与压力相关的图表；
图23示出根据本发明的一个实施例的对于气体传感器的气体压力与气体温度之间的关联关系的图表；
图24示出根据本发明的一个实施例的用于产生气体传感器的组合信号的方法的方框图；以及
图25示出根据本发明的一个实施例的热扩散率与气体传感器的组合信号相关的图表；
具体实施方式
在下文中根据附图详细阐述本发明的实施例之前指出，不同附图中的相同的、功能相同的或起相同作用的元件、对象和/或结构在不同的附图中设有相同的或相似的附图标记，因此所述元件的在不同的实施例中所示出的描述能够彼此交换或能够应用到彼此上。
图1示出根据本发明的一个实施例的气体传感器100的示意图。气体传感器100能够具有：膜片110(例如薄层膜片)、加热元件120、第一热电偶结构130和第二热电偶结构140。可选地，气体传感器也能够仅具有第一热电偶结构130或第二热电偶结构140。膜片110能够由框架150展开并且能够具有第一中断区域160以及第二中断区域170。膜片110的第一中断区域160能够具有至少一个中断部162，并且膜片110的第二中断区域170同样能够具有至少一个中断部172。加热元件120例如能够作为自承的桥结构在膜片110上设置在膜片110的第一中断区域160与第二中断区域170之间。第一热电偶结构130能够具有热端部132和冷端部134。第一热电偶结构130的热端部132能够在第一中断区域160的与加热元件120相对的一侧上设置在膜片110上。第二热电偶结构140同样能够具有热端部142和冷端部144。热端部142能够在第二中断区域170的与加热元件120相对的一侧上设置在膜片110上。
膜片110能够为具有在200nm至4000nm、300nm至3000nm、400nm至2000nm之间、或在1μm至10μm之间的厚度的薄层膜片。根据一个实施例，整个膜片的厚度大约为2μm(例如所述整个膜片由多个膜片、传感器层和钝化层构成)。膜片层例如能够具有氧化硅和/或氮化硅。膜片110的进入到纸面中、即例如垂直于膜片110的如下表面的扩展能够被定义为厚度：在所述表面上设置有加热元件120、第一热电偶结构130和第二热电偶结构140。膜片110能够具有导电材料、绝缘材料或半导体材料，其中所述材料能够具有非常低的热导率，例如低于5W/(m*K)、低于100mW/(m*K)或低于50mW/(m*K)。因此，例如具有适当的基本掺杂的半导体能够在简单的五掩模MEMS工艺中用作为用于制造膜片110的成本有利的基板。
根据一个实施例，加热元件120(加热元件120在下文中也能够称为加热器)能够形成自承的桥结构和/或能够包括金属线。根据一个实施例，加热元件120能够从框架150的一侧展开至框架150的相对置的一侧。例如能够给加热元件120施加电压，由此加热元件120能够将加热功率传输给例如处于第一中断区域162和/或第二中断区域172中的待分析的气体。施加给加热元件120的电压例如能够是周期性的电压信号，如例如正弦信号或周期性方波信号。因此，加热元件120例如能够提供周期性的加热器信号(例如加热功率)。加热器信号例如能够经由膜片110和/或经由例如处于第一中断部162或第二中断部172中的气体被传输至第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140。
第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140例如蜿蜒形地构成，这例如能够对应于形成热链的串联连接的热电偶。因此，第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140能够用作为探测器，其中第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140例如能够探测加热器信号。
根据一个实施例，第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140能够完全设置在膜片110上，或者至少部分地设置在膜片110上并且至少部分地设置在框架150上。因此，框架150的温度例如能够用作为比较温度(在此，例如能够设置第一热电偶结构130的冷端部134和/或第二热电偶结构140的冷端部144)，并且热电偶结构的在膜片110上设置的部分(例如热端部132、142)能够探测测量温度(例如加热器信号)。热端部132、142和冷端部134、144例如与导体连接。因此，包括第一材料的导体例如能够将第一冷端部与第一热端部连接，并且包括第二材料的第二导体能够将第一热端部与第二冷端部连接。第一导体和第二导体的所述连接能够是热电偶，所述热电偶例如能够串联连接成热链，并且因此例如能够是第一热电偶结构130或第二热电偶结构140。因此，沿着所述导体例如可能出现温度差(例如在比较温度与测量温度之间)，由此例如在金属导体的端部处(例如热端部和/或冷端部)能够感生电压。因此，第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140例如能够构成用于，将热量转换成电能。根据一个实施例，第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140能够为金属线或自承的桥结构。
根据一个实施例，膜片110能够通过由载体材料构成的框架150展开，载体材料设计成，使得膜片材料的温度膨胀系数和/或热导率与载体材料的温度膨胀系数和/或热导率不同。框架150能够具有载体材料或基板材料，借助于所述材料，例如能够承载膜片110。因此，例如能够在框架150处设定比较温度。根据一个实施例，框架150和膜片110也能够具有相同的温度膨胀系数。
根据一个实施例，膜片110能够具有比框架150更低的热导率。在此，膜片110例如尤其应该具有非常低的热导率，借此加热器信号例如从加热元件120替代经由膜片110，主要经由待分析的气体(例如设置在第一中断部162和/或第二中断部172中)传输至第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140。因此，例如能够经由膜片110抑制、减少或减慢热传输。
因此，膜片110能够构成用于，抑制从加热元件120到第一热电偶结构130或第二热电偶结构140的寄生热传导。因此，例如能够将膜片110的热导率选择成，使得几乎没有直至没有热量从加热元件120经由膜片110引导至第一热电偶结构130或第二热电偶结构140，并且热量的大部分或全部热量经由待分析的气体引导。
相反，保持膜片110的框架150的载体材料的热导率能够非常高。因此，例如具有150W/(m*K)的热导率的硅能够用作为载体材料。因此，载体材料能够用作为热沉。因此，例如第一热电偶结构130或第二热电偶结构140至少部分地、例如借助于热端部132、142设置在膜片上，并且至少部分地、例如借助于冷端部134、144设置在载体材料上，由此在第一热电偶结构130或第二热电偶结构140内可能出现温差，借助于所述温差，能够探测到从加热元件120至相应的热电偶结构130、140的热传输。
因此，根据一个实施例，第一热电偶结构130的冷端部和第二热电偶结构140的冷端部能够设置在框架150的载体材料上。所述冷端部例如处于膜片110通过载体材料承载的位置。
根据一个实施例，膜片110的第一中断区域160能够具有连续的中断部162，所述中断部的纵向扩展164是大的，使得所述中断部完全覆盖第一热电偶结构130与加热元件120之间的区域。膜片110的第二中断区域170能够具有连续的中断部172，所述中断部的纵向扩展174是大的，使得所述中断部完全覆盖第二热电偶结构140与加热元件120之间的区域。因此，纵向扩展164、174例如与加热元件120的整个长度一样大和/或至少与第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140的整个长度一样长。因此能够实现，热量尽可能少地经由膜片110从加热元件120传输至第一热电偶结构130或第二热电偶结构140，而是热量大部分经由第一中断区域160中的第一中断部162和/或第二中断区域170中的第二中断部172中的气体传输。
根据一个实施例，第一中断区域160的至少一个中断部162的横向扩展166能够与第二中断区域170的至少一个中断部172的横向扩展176不同。第一中断部162或第二中断部172的横向扩展166、176例如能够在垂直于加热元件120的最大扩展的方向上或在从加热元件120到相应的热电偶结构(例如第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140)的方向上定向。根据图1a，第一中断部162和第二中断部172例如具有相同的横向扩展166、176。
根据一个实施例，第一中断部162能够具有纵向扩展164和横向扩展166，使得第一中断部162对应于第一中断区域160的扩展。同样地，第二中断部172例如能够具有纵向扩展174和横向扩展176，使得第二中断部172对应于第二中断区域170的扩展。因此，整个第一中断区域160例如能够是第一中断部162，并且整个中断区域170能够是中断部172。
可选地，膜片110能够在第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140的冷端部134、144方面具有第三中断区域和/或第四中断区域。因此，第一热电偶结构130例如能够以金属线或自承的桥结构的形式设置在第一中断区域160与第三中断区域之间，或第二热电偶结构140例如能够作为金属线或作为自承的桥结构设置在第二中断区域170与第四中断区域之间。因此，第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140例如能够从两侧由待分析的气体包围。
根据一个实施例，与第二热电偶结构140相比，第一热电偶结构130能够具有距加热元件120不同的间距。在图1a中，第一热电偶结构130和第二热电偶结构140例如具有距加热元件120相同的间距。在加热器信号经由第一中断部162从加热元件120传输至第一热电偶结构130，或在加热器信号经由第二中断部172从加热元件120传输至第二热电偶结构140时，可能出现：从加热元件到在第一中断部162和/或第二中断部172中设置的待分析的气体中和从气体到第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140的未知的热传输。加热元件120的由第一热电偶结构130探测的加热器信号例如能够称为第一传感器信号，并且加热元件120的由第二热电偶结构140探测的加热器信号能够称为第二传感器信号。
第一传感器信号和/或第二传感器信号例如能够具有两个未知的热传输(例如：加热元件->气体，气体->热电偶结构)和经由待分析的气体的热传输。如果第一热电偶结构130与第二热电偶结构140距加热元件120不同地间隔开，则例如能够通过以下方式从第一传感器信号和第二传感器信号中由气体传感器创建差分信号：例如能够计算出未知的热传输(第一传感器信号能够具有与第二传感器信号相同的热传输)，并且因此差分信号仅具有或以大的份额具有经由待分析的气体从加热元件120至相应的热电偶结构130、140的热传输，但是不具有或以非常小的份额具有未知的热传输。
根据一个实施例，第一中断区域160和第二中断区域170能够具有多个中断部(例如中断部162和中断部1621或中断部172和中断部1721)，所述中断部能够设置成，使得(例如通过剩余的膜片材料110)出现栅格结构(例如在第一中断区域160或第二中断区域170中)，在所述栅格结构中，中断部以平行于加热元件120的排设置，并且排彼此错开地设置。在此，中断部在中断区域160、170中不仅在纵向扩展164、174上，而且在横向扩展166、176上彼此不同。根据图1a，第一中断区域160的中断部1621例如具有比中断部162的纵向扩展164更小的纵向扩展。同样地，第二中断区域170的中断部1721能够具有比中断部172的纵向扩展174更小的纵向扩展。
根据一个实施例，第一中断区域160和第二中断区域170能够具有多个中断部，所述中断部能够设置成，使得出现栅格结构，在所述栅格结构中，通过膜片110的热传导的路径比直接路径122a、122b长。直接路径122a、122b例如能够是垂直于加热元件120的从加热元件120到热电偶结构130、140的直线路径。在此，直接路径122a、122b能够伸展通过中断部162和1621或通过中断部172和1721，由此由第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140能够检测通过待分析的气体的热传导。相反，如果直接路径122a、122b仅经由膜片110、并且不经由待分析的气体进行，则气体传感器100不能保证对气体的有说服力的分析。
根据一个实施例，第一中断区域160中和第二中断区域170中的至少一个中断部162、172能够形成具有可选的圆角的矩形切口。在此例如涉及长孔。在此例如也能够涉及卵形孔。在图1a中，即使第一中断区域160的中断部162以及第二中断区域170的中断部172作为矩形中断部(孔)示出，但是所述中断部能够具有任何形状(如例如三角形、圆形、正方形、多边形等)。中断部162、172的造型能够调整成，使得经由膜片110从加热元件到第一热电偶结构130和/或到第二热电偶结构140的热路径尽可能长，并且经由待分析的气体的路径非常远。因此，能够实现经由待分析的气体、并且不经由膜片110尽可能多地传输热量，由此气体传感器100能够非常精确地分析气体。
根据一个实施例，至少一个中断部162、172的长度能够是宽度的至少三倍。因此，中断部162的纵向扩展164例如能够是横向扩展166的三倍长，或中断部172的纵向扩展174能够是横向扩展176的三倍长。因此，长度例如表示纵向扩展164、174，并且宽度例如表示横向扩展166、176。长度例如能够定义为平行于加热元件120(或平行于加热元件120的最大扩展的方向)的方向，并且宽度能够定义为垂直于加热元件120(或垂直于加热元件120的最大扩展的方向)的方向。
根据一个实施例，第一中断区域160中的多个中断部162、1621之间的间距168和第二中断区域170中的多个中断部172、1721之间的间距178能够对应于最小待实现的结构宽度，所述结构宽度得出机械上持久的栅格结构。间距168、178能够限定两个中断部之间的接片的宽度，所述接片由膜片110的膜片材料构成。间距168、178越小，热量越少地经由膜片110从加热元件120传输到第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140，并且热量越多地经由待分析的气体传输。
根据一个实施例，第一热电偶结构130和第二热电偶结构140能够借助于保护层钝化。所述保护层能够保护第一热电偶结构130以及第二热电偶结构140免于由待分析的气体损坏，从而避免由于第一热电偶结构130或第二热电偶结构140的损坏造成的在气体分析时气体传感器的可能的不精确性。
根据一个实施例，第一热电偶结构的热端部132能够伸展直至膜片110的第一中断区域160的边缘，并且第二热电偶结构140的热端部142能够伸展直至膜片110的第二中断区域170的边缘。热端部132与第一中断区域160之间的间距或热端部142与第二中断区域170之间的间距例如应该不大于0.5mm、100nm或10pm。如果中断部162或中断部142例如伸展直至所述边缘，则膜片110在相应的热端部与相应的中断部之间仅具有非常小的间距。由此能够实现：膜片110的膜片材料不损害或者仅稍微损害通过第一热电偶结构130或通过第二热电偶结构140对加热器信号的探测，由此气体传感器100能够非常精确地分析气体。
图1b示出用于热学气体传感器100的评估装置200的示意图，所述热学气体传感器具有至少一个加热器120和两个距加热器120不同间距1801、1802设置的探测器(第一探测器130和第二探测器140)。第一探测器130能够与加热器120以间距1801间隔开，并且第二探测器140能够与加热器120以间距1802间隔开。评估装置200能够设计成，获得关于第一探测器130的探测器信号的幅值的信息210、关于第二探测器140的探测器信号的幅值的信息220、关于加热器信号与第一探测器130的探测信号之间的第一相位差的信息210以及关于加热器信号与第二探测器140的探测器信号之间的第二相位差的信息220。
根据一个实施例，信息210不仅能够包括第一探测器130的探测器信号的幅值，而且能够包括加热器信号与第一探测器130的探测器信号之间的第一相位差，同样地，信息220不仅能够包括第二探测器140的探测器信号的幅值，而且能够包括加热器信号和第二探测器140的探测器信号之间的第二相位差。然而也可行的是，将相应的探测器(第一探测器130或第二探测器140)的探测器信号的幅值与第一相位差或第二相位差分离地从热学气体传感器发送给评估装置。根据一个实施例，同样可行的是，信息210以及信息220不经由分离的线路、而是例如经由共同的线路或无线地传输至评估装置200。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，与关于探测器信号的幅值的信息210、220相关地并且与关于第一相位差和第二相位差的信息210、220相关地形成组合信号230作为中间变量。组合信号230能够总结第一探测器130的探测器信号以及第二探测器140的探测器信号的幅值信息和相位信息。评估装置200能够设计成，基于组合信号230来确定关于流体、例如气体或气体混合物的气体浓度或热扩散率的信息240。评估装置200例如能够执行所述确定，而不在计算继续进行时再一次单独考虑纳入到组合信号230中的单个信息210、220。
探测器信号的幅值例如能够直接作为信息210、220由相应的探测器130、140提供。关于加热器信号122与相应的探测器130、140的探测器信号之间的第一相位差和第二相位差的信息210、220例如能够由热学气体传感器100确定并且传输给评估装置200。
替选地，第一探测器130的探测器信号或第二探测器140的探测器信号能够经由信息210或信息220传输给评估装置200，并且附加地，加热器信号122能够直接传输给评估装置200。在此，评估装置能够构成用于，由第一探测器130的探测器信号和第二探测器140的探测器信号确定相应的幅值，并且确定第一相位差以及第二相位差，以便根据如此确定的信息形成组合信号230。
通过评估装置200形成组合信号230，与评估装置200彼此分离地修正关于第一探测器130的探测器信号的幅值和第一相位差的信息210以及关于第二探测器140的探测器信号的幅值以及第二相位差的信息220的情况相比，评估装置200能够非常容易地并且明显更快地修正热学气体传感器100的可能错误，以便获得关于气体浓度和热扩散率的信息240。因此，组合信号230能够使确定关于待分析的气体的气体浓度和热扩散率的信息240简化，以及能够实现，抑制或减少通过热学气体传感器100产生的错误。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，获得关于加热器幅值的信息、例如从加热器信号122中获得关于加热功率的信息，并且形成关于加热器幅值的信息、信息210和信息220的线性组合，以便确定组合信号230。
替选地，评估装置200从加热器信号122中不仅能够获得关于加热器幅值的信息，而且能够，如已经在上文中所描述的那样，如果信息210例如包括第一探测器130的探测器信号并且信息220包括第二探测器140的探测器信号，那么计算关于第一相位差以及关于第二相位差的信息。
因此，不仅呈第一相位差和第二相位差的形式的加热器信号的相位、而且附加地加热器幅值包含到组合信号230中，这能够实现：评估装置200能够根据两个探测器距加热器120的第一间距1801和第二间距1802，确定关于待分析的气体的气体浓度和热扩散率的信息240。因此第一探测器130的探测器信号例如具有比第二探测器140的探测器信号更大的幅值，因为第二探测器140距加热器120的间距1802大于第一探测器130距加热器120的间距1801。随着距加热器120的间隔增大，由相应的探测器130、140所探测的加热器幅值可能减小。通过附加的关于加热器幅值的信息，评估装置200因此能够甚至更精确地确定关于气体浓度和热扩散率的信息240，因为加热器信号122的加热器幅值能够视为参考，从而组合信号230能够具有相对幅值信号。相对幅值信号例如比绝对幅值信号更不易受错误影响。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，根据sigX＝sigUss*Ka+sigPhi*Kp获得组合信号sigX230。项sigUss能够是幅值信息或幅值信号，所述幅值信号能够与关于第一探测器130的探测器信号的幅值的信息210和关于第二探测器140的探测器信号的幅值的信息220相关。因此，sigUss例如能够是关于第一探测器130的探测器信号的幅值的信息210和关于第二探测器140的探测器信号的幅值的信息220的线性组合。sigPhi能够是相位信息或相加的相位信号，所述相位信号能够与关于第一相位差的信息210和关于第二相位差的信息220相关。因此，sigPhi例如能够是关于第一相位差的信息210和关于第二相位差的信息220的相加。Ka和Kp能够是常数。如此确定的组合信号230能够包括幅值信息sigUss和相位信息sigPhi，由此四个信息(例如关于第一探测器130的探测器信号的幅值的信息210、关于第二探测器140的探测器信号的幅值的信息220、关于加热器信号与第一探测器130的探测器信号之间的第一相位差的信息210和关于加热器信号与第二探测器140的探测器信号之间的第二相位差的信息220)在组合信号230中总结，由此评估装置200能够使用较少的功率来处理信息210、220。因此，评估装置200能够设计成，非常高效、快速和精确地确定关于气体浓度和热扩散率的信息240。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，根据sigUss＝2*Hz.Uss-(D1.Uss+D2.Uss)来获得幅值信息sigUss。Hz.Uss能够是能够从加热器信号122中获得的关于加热器幅值的信息。D1.Uss能够是关于第一探测器130的探测器信号的幅值的信息210，并且D2.Uss能够是关于第二探测器140的探测器信号的幅值的信息220。因此，幅值信息sigUss能够是相对幅值信号，因为关于第一探测器130的探测器信号的幅值的信息210、关于第二探测器140的探测器信号的幅值的信息220和加热器幅值Hz.Uss彼此一起计算，使得能够相对于加热器幅值考虑关于第一探测器130的探测器信号的幅值的信息210和关于第二探测器140的探测器信号的幅值的信息220。通过幅值的相对考虑方式，能够避免绝对幅值的可能错误，由此评估装置200能够非常精确地确定关于气体浓度和热扩散率的信息240。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，计算组合信号230的多项式、例如一阶多项式，以便获得关于气体浓度或热扩散率的信息240。例如能够根据y＝A0+A1*sigX+A2*sigX2来获得多项式(例如多项式y)。通过由评估装置200形成组合信号230的多项式，能够非常容易并且高效地关于可能的压力漂移或温度漂移误差修正组合信号230。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，将组合信号230的多项式与修正项相乘，以便获得关于气体浓度和/或热扩散率的信息240。组合信号230的修正项能够与关于压力的信息和关于温度的信息相关，并且例如能够补偿压力和温度相关性。换言之，组合信号230的修正项能够补偿压力漂移和/或温度漂移。因此，通过评估装置200减少由热学气体传感器100探测到的信号的可能的错误解释。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，根据执行计算，以便获得关于气体浓度的信息C240。sigX能够是组合信号230，pol(sigX)能够是组合信号sigX230的多项式，f(p)能够是压力p的函数，constl能够是常数，f(T)能够是温度T的函数，并且const2能够是第二常数。f(p)能够是在热学气体传感器100的环境中测量的压力p的函数，并且f(T)能够是在热学气体传感器100的环境中测量的温度T的函数。乘法的第二项/>也能够理解为组合信号230的修正项。修正项能够与气体传感器100的测量条件(如例如环境压力/测量压力或环境温度/测量温度)相关。因此，修正项能够修正热学气体传感器100的环境压力或环境温度对关于气体浓度的信息240的确定的可能影响。因此能够抑制可能的压力漂移或温度漂移。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，根据执行计算，以便获得关于气体浓度的信息C240。在公式中，sigX能够是组合信号230，A.y(sigX)能够是组合信号sigX230的多项式(例如一阶)，B.y(p)能够是压力p的函数(例如多项式函数，例如二阶)，B.ref能够是常数，C.y(T)能够是温度T的函数(例如多项式函数，例如二阶)，并且C.ref能够是第二常数。函数B.y(p)例如能够是热学气体传感器100的环境中测量的压力p的函数，并且函数C.y(T)能够是热学气体传感器100的环境中测量的温度T的函数。用于计算关于气体浓度的信息C240的乘法的第二项/>能够定义修正项。在此，修正项例如能够与压力p和温度T相关。因此，B.y(p)例如能够是与压力p相关的多项式函数，由此例如能够考虑对计算关于气体浓度的信息240的可能的压力影响的修正。同样地，通过将多项式函数C.y(T)形成为温度T的函数，能够非常精确地考虑温度T对计算关于气体浓度的信息240的可能的影响。通过形成不仅作为压力p的函数、而且作为温度T的函数的多项式函数，能够非常良好地近似误差修正，由此评估装置200能够设计成，非常高效和非常精确地确定关于气体浓度的信息240。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，在确定关于气体浓度和/或热扩散率的信息240时考虑热学气体传感器100的环境中的压力和/或温度。为此，热学气体传感器100例如能够具有压力传感器和温度传感器，借助于所述压力传感器和温度传感器，热学气体传感器能够探测环境中的压力和/或温度，并且能够传输给评估装置200。因此，由于热学气体传感器100的环境中的不同压力和/或温度条件，评估装置200例如能够考虑和修正关于气体浓度和/或热扩散率的信息240的可能的错误计算。因此，评估装置200能够对热学气体传感器100的环境中的压力和/或温度作出反应，并且与此对应地非常精确地确定关于气体浓度和/或热扩散率的信息240。
根据本发明的一个实施例，评估装置200能够设计成，在确定关于气体浓度和/或热扩散率的信息240作为漂移修正的输入变量时，使用组合信号230、关于热学气体传感器100的环境中的温度的信息和关于热学气体传感器100的环境中的压力的信息，以便获得关于气体浓度和/或热扩散率的信息作为漂移修正的结果。因此，例如能够与关于温度和压力的信息相关地将漂移修正应用到组合信号上，以便获得关于气体浓度和/或热扩散率的信息240。除了三个所提及的输入变量(组合信号、关于温度的信息和关于压力的信息)之外，漂移修正例如能够不再获得任何其他变量，而是仅仍使用先前所获得的、例如在校准的范围内确定的常数。在此，所述常数对于所使用的热学气体传感器100能够是特定的。因此，评估装置200能够设计成，在关于气体浓度和/或热扩散率的信息240的计算中考虑热学气体传感器100之间的微小差异，以便获得非常精确的结果(信息240)。漂移修正例如能够修正温度漂移和/或压力漂移。
图1c示出用于具有至少一个加热器120和两个探测器(第一探测器130和第二探测器140)的热学气体传感器100的评估装置200的示意图。第一探测器130能够具有距加热器120的第一间距1801，并且第二探测器140能够具有距加热器120的第二间距1802。根据图1c，第一探测器130和第二探测器140具有距加热器120相同的间距1801、1802。然而也可行的是，第一间距1801与第二间距1802不同。因此，第一探测器130距加热器120例如能够以与第二探测器140不同的间距设置。评估装置200能够设计成，根据至少一个探测器(例如第一探测器130和/或第二探测器140)的至少一个传感器信号(例如第一传感器信号210和/或第二传感器信号220)来调节(例如借助于用于调节加热功率的调节单元250)加热器120能够加载的加热功率，以便将至少一个传感器信号210、220置于预定的值域中。
为了通过评估装置例如分析或继续处理至少一个传感器信号210、220，如下情况下是有利的：通过评估装置200将至少一个传感器信号210、220置于预定的值域中。如果例如提高加热功率，则例如能够同样提高至少一个传感器信号210、220的幅值或频率。这在如下情况下例如能够通过评估装置200来执行：即当至少一个传感器信号210、220太小并且预定的值域非常大。因此，在通过调节单元250调节加热功率之后，新的传感器信号210、220能够填满预定的值域或处于所述值域中。预定的值域例如能够与所使用的评估装置200的构件、如例如模数转换器(ADC)相关。因此，如果至少一个传感器信号210、220在匹配于ADC的预定的值域中调整(例如ADC工作范围)，ADC例如能够非常好地继续处理至少一个传感器信号210、220。
评估装置200也能够设计成，借助于调节单元250如下调节加热器120的加热功率，使得加热器120的加热功率减少。由此，同样能够减小至少一个传感器信号210、220。这例如能够在如下情况下是有利的：即当至少一个传感器信号210、220超过预定的值域，即太大时。通过评估装置200设计成借助于调节单元250调节加热器120的加热功率，能够实现：在例如通过评估装置200的器件、如例如ADC继续处理至少一个传感器信号210、220时，至少一个传感器信号210、220的信息不丢失或仅几乎不丢失。
根据一个实施例，评估装置200的用于调节加热器120的加热功率的调节单元250能够将调节信号252传输给加热器120。附加地，调节单元250能够提供关于评估装置200的加热器120的所调节的加热功率的信息122。
评估装置200能够设计成，在从至少一个传感器信号210、220推导关于气体浓度和/或热扩散率的信息240时，考虑关于加热功率的信息122。因此能够实现：通过调节单元250能够将传感器信号210、220置于预定的值域中，并且附加地在分析中考虑关于加热功率的信息122，因为至少一个传感器信号210、220与加热功率相关。附加地，所述评估装置200能够实现：传感器信号、例如第一传感器信号210或第二传感器信号220能够足以，以一定的精度推导出关于气体或流体(例如气体或气体混合物)的气体浓度和/或热扩散率的信息240。如果不仅第一传感器信号210、而且第二传感器信号220以及加热功率122被用于推导信息240，那么信息240的确定是一致的，由此能够非常精确地通过评估装置200确定信息240。如果第一探测器130距加热器120的第一间距1801与第二探测器140距所述加热器的第二间距1802不同，则例如也能够仅从第一传感器信号210和第二传感器信号220中推导出关于气体的气体浓度和/或热扩散率的信息240，而无需关于加热器120的加热功率的信息122。
根据一个实施例，评估装置200也能够从热学气体传感器100，替代从调节单元250获得关于加热功率的信息122。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，将周期性信号(例如调节信号252)施加给加热器120。周期性信号例如能够涉及周期性方波信号或正弦信号。如果调节信号252从而由加热器120输出给待分析的气体的热量是周期性信号，则由第一探测器130探测到的第一传感器信号210和由第二探测器140探测到的第二传感器信号220同样能够是周期性的。然而，由于第一间距1801和第二间距1802，第一传感器信号210和/或第二传感器信号220能够在相位方面与加热器120的周期性信号不同，而且能够在幅值方面与加热器120的周期性信号不同。评估装置200例如能够将所述不同用于，非常精确地确定关于气体浓度和/或热扩散率的信息240。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，在两个值之间切换加热器120所加载的加热功率(例如通过调节信号252)。因此，例如能够将周期性方波信号施加给加热器120。因此，加热器120例如能够交替地将第一加热功率和第二加热功率传输给待分析的气体。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，调节加热功率的幅值(例如借助于调节单元250)，使得不仅至少一个传感器信号210、220的最小值、而且至少一个传感器信号210、220的最大值处于预定的值域中。如果例如通过调节信号252来提高加热器120的加热功率的幅值，则能够降低至少一个传感器信号210、220的最小值，并且例如能够提高至少一个传感器信号210、220的最大值。如果例如通过调节信号252减小加热功率的幅值，则能够提高至少一个传感器信号210、220的最小值，并且能够降低至少一个传感器信号210、220的最大值。
根据一个实施例，预定的值域能够与评估装置200的构件的值域、如例如ADC相关。因此，例如能够根据(例如评估装置200的构件的)构件值域来确定预定的值域。因此，预定的值域例如能够预设：至少一个传感器信号210、220的最小值例如应该处于构件值域的0％至30％、1％至25％或2％至20％的范围中，并且至少一个传感器信号210、220的最大值应该处于构件值域的70％至100％、75％至99％或80％至98％的范围中。因此，预定的值域例如能够具有下值域，最小值应该处于所述下值域中，并且预定的值域具有上值域，最大值应该处于所述上值域中。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，设定或调整(例如借助于调节单元250)加热功率的幅值，使得至少一个传感器信号210、220的幅值处于预设的幅值范围中。如果至少一个传感器信号210、220例如具有周期性正弦信号，则在传感器信号的任何时刻，幅值应该处于预设的幅值范围中。在此，至少一个传感器信号的幅值应该利用整个预设的幅值范围。预设的幅值范围例如能够具有/划分成上部、中部和下部幅值范围。为了通过至少一个传感器信号的幅值利用预设的幅值范围，至少一个传感器信号的最大幅值例如应该处于上部范围中，并且最小幅值应该处于下部范围中。预设的幅值范围例如能够与构件范围相关。因此，预设的幅值范围例如能够确定成，使得至少一个传感器信号的幅值利用例如模数转换器的构件值域的例如至少50％、或至少65％、或至少75％。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，设定或调整采样时刻，在所述采样时刻能够对传感器信号210、220采样。传感器信号210、220例如能够可选地由评估装置200或热学气体传感器100预处理，和/或加载DC偏置。根据一个实施例有利的能够是：在最大幅值的时刻和最小幅值的时刻对传感器信号210、220进行采样。如果评估装置200确定采样时刻是错误选择的，则所述两个采样时刻例如能够由评估装置200设定或再调节。通过精确设定采样时刻能够实现：例如能够非常容易地通过评估装置确定在第一传感器信号210与(例如由加热器120发送并通过调节信号252调节的)加热器信号之间，或在第二传感器信号220与加热器信号之间的相位差或幅值差。借助于非常精确的相位差和/或幅值差，评估装置200能够非常精确地确定或推导出关于待分析的气体的气体浓度和/或热扩散率的信息240。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成设定采样时刻，使得在传感器信号210、220达到最大值的时刻例如以最大+/-2°的相位差进行采样，和在传感器信号210、220达到最小值的时刻例如以最大+/-2°的相位差进行采样。最大值例如能够定义传感器信号210、220的最大幅值，并且最小值例如能够定义传感器信号210、220的最小幅值，如已经在更上文中阐述的那样。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，将探测器130、140中的至少一个探测器的传感器信号210、220与通过数模转换器产生的偏置信号组合，以便获得用于模数转换器的输入信号。评估装置200能够设计成，调整偏置信号，以便实现：在传感器信号210、220的整个周期期间，模数转换器的输入信号保持在预设的范围内。因此，偏置信号例如能够设计成，调整传感器信号210、220，使得产生处于模数转换器的构件值域中的输入信号。因此，例如能够调节/调整偏置信号，以便能够对不同的待分析的气体的不同的传感器信号210、220做出反应。因此，偏置信号例如能够构成为，减小过大的传感器信号210、220，借此这样出现的输入信号处于预设的范围中。此外，偏置信号能够构成用于，在过小的传感器信号210、220中提高传感器信号210、220，借此出现处于预设的范围中的输入信号。
因此，评估装置200能够一方面设计成，通过调节加热功率将传感器信号210、220的幅值置于预定的值域中，并且通过将传感器信号210、220与偏置信号组合来改变传感器信号210、220的偏置，使得传感器信号210、220处于预定的值域中。由此能够实现：能够非常精确地分析传感器信号210、220，从而能够通过评估装置200求取非常精确的关于待分析的气体的气体浓度和/或热扩散率的信息240。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，仅当采样时刻的设定或调整处于稳态，并且偏置信号的调整处于稳态时，才调节加热功率。稳态能够理解为，采样时刻由评估装置200确定，使得能够在预定义的事件(如例如最大幅值(最大值)、过零点或最小幅值(最小值))处对传感器信号210、22进行采样。同样地，稳态能够意味着，调整偏置信号，使得在将偏置信号与传感器信号210、220组合时，传感器信号210、220产生处于预设的范围中的输入信号，以便因此借助于评估装置非常精确地、不具有或仅具有小的信息损失地分析传感器信号210、220。因此，例如能够由评估装置200确定预先设定(如例如稳态中的采样时刻或稳态中的偏置信号)，使得在通过调节单元250调节加热功率时，借助于预先设定能够非常精确地分析新的传感器信号210、220，并且在某些情况下，不再需要重新调节采样时刻或偏置信号，以便从传感器信号210、220中推导出关于气体浓度和/或热扩散率的信息240。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，在设定或调整采样时刻期间和/或在调整偏置信号期间，停止加热功率的调节(例如通过调节单元250)。因此，例如能够确保：在采样时刻和偏置信号还未处于稳态期间，不改变传感器信号210、220。因此能够确保：能够非常精确地分析传感器信号210、220，因为能够非常精确地、以仅非常小的易错性或不具有易错性地确定采样时刻和偏置信号。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，不仅调节平均加热功率或最大加热功率，而且调节加热功率的幅值。因此，调节单元250例如能够将用于加热器120的新的加热器信号作为调节信号252传输给热学气体传感器100，其中调节信号例如具有改变的平均加热功率、最大加热功率或加热功率的幅值。然而，也可行的是，调节信号152包括以下信息，所述信息说明应该如何由用于加热器120的热学气体传感器改变平均加热功率、最大加热功率或加热功率的幅值。
图1d示出用于热学气体传感器100的评估装置200的示意图，所述热学气体传感器具有至少一个加热器120和在与加热器120的不同间距(例如第一间距1801和第二间距1802)中设置的两个探测器(例如第一探测器130和第二探测器140)。第一探测器130例如能够具有距加热器120的第一间距180l，并且第二探测器140能够具有距加热器120的第二间距1802。评估装置200能够设计成，将具有预设的周期持续时间的周期性信号260施加给加热器120。在此，周期性信号例如能够涉及方波信号、具有已知功率的脉冲信号或正弦信号。可选地，也能够涉及具有谐波的正弦信号或三角信号。周期性信号也能够被称为加热器信号，并且能够由加热器120以热量的形式经由待分析的气体传输给第一探测器130和/或第二探测器140。传输的热量能够由第一探测器130探测为第一传感器信号210，并且能够由第二探测器140探测为第二传感器信号220。第一传感器信号210和第二传感器信号220能够具有分别具有预设周期持续时间的第一周期性信号和第二周期性信号。由此能够实现：能够由热学气体传感器100或评估装置200非常精确地关于气体浓度和/或热扩散率分析待分析的气体。评估装置200能够设计成，在三个时刻对探测器130、140中的一个探测器的至少一个传感器信号(例如第一传感器信号210和/或第二传感器信号220)进行采样(例如通过采样装置270)。第二采样时刻例如能够相对于第一采样时刻以90°关于周期持续时间(例如以+/-2°)时间错开。因此，第二采样时刻例如能够相对于第一采样时刻以1/4周期持续时间、5/4周期持续时间或9/4周期持续时间是时间错开的。第三采样时刻能够相对于第一采样时刻以180°或相对于第二采样时刻以90°关于周期持续时间是时间错开的。第一采样时刻、第二采样时刻和第三采样时刻能够具有+/-2％的公差。因此，第三采样时刻例如能够相对于第一采样时刻以1/2周期持续时间、3/2周期持续时间或5/2周期持续时间是时间错开的。因此能够在精确定义的位置处对传感器信号210、220进行采样，由此能够从传感器信号210、220中非常精确地求取关于气体浓度和/或热扩散率的信息240。评估装置200能够设计成，基于三个基于在第一采样时刻、第二采样时刻和第三采样时刻(例如借助于采样设备270执行)的传感器信号的采样的采样值识别：第一采样值和第三采样值是否是传感器信号210、220的最大值和最小值。这例如能够通过检查设备280进行。在此，检查设备280例如能够忽略DC偏置，从而除了DC偏置之外检查，第一采样值是否例如是传感器信号210、220的最大值，并且第三采样值是否例如是传感器信号210、220的最小值。因此，第二采样时刻例如能够是传感器信号210、220的“过零点”，并且能够由检查装置280考虑。
第一采样时刻、第二采样时刻和/或第三采样时刻以及第一传感器信号210和第二传感器信号220能够用于，确定关于通过热学气体传感器100探测的气体的气体浓度和/或热扩散率的信息240。可选地，加热器信号122附加地能够包括到信息240的确定中。因此例如，例如能够根据采样时刻/采样值来确定第一传感器信号210与第二传感器信号220之间的相位差以及第一传感器信号210与第二传感器信号220之间的幅值差。可选地，也能够在第一传感器信号210与加热器信号122之间或在第二传感器信号220与加热器信号122之间求取相位差和/或幅值差。由如此求取的相位差和幅值差能够确定关于气体浓度和/或热扩散率的信息240。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，根据识别第一采样值和第三采样值是否是传感器信号210、220的最大值和/或最小值来改变采样时刻。这例如能够借助于采样调节装置290进行。因此，如果第一采样值和第三采样值不对应于传感器信号210、220的最大值和/或最小值，则例如能够确定新的采样时刻。通过调节采样时刻能够确保：采样值对应于预定的值。如果检查装置280例如确定，偏差在公差之外出现(例如+/-2°)，则能够通过采样调节装置290改变/再调整采样时刻。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，设定或调整采样时刻，使得第一采样值是传感器信号210、220的第一极值、例如最大值或最小值，并且第三采样值是第二极值、例如传感器信号210、220的最小值或最大值。第二采样值例如能够是传感器信号210、220的平均值或直流分量、如例如“过零点”。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，在设定或调整采样时刻时考虑关于传感器信号210、220通过预设的阈值的时刻的信息。所述时刻例如能够是第二时刻，其例如能够是传感器信号210、220的直流分量或平均值。因此，检查装置280例如能够使用第二采样时刻来检查第一采样时刻和/或第二采样时刻。因此，如果检查装置280基于第二采样时刻确定，第一采样值不对应于传感器信号210、220的最大值或最小值，和/或第三采样值不对应于传感器信号210、220的最小值或最大值，则采样调节设备290能够重新设定或调整采样时刻。预设的阈值例如能够定义“过零点”(例如除了DC偏置之外)。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，检查第二采样时刻的第二采样值是否等于第一采样时刻的采样值和第三采样时刻的第三采样值的平均值，并且根据检查识别：第一采样值和第三采样值是否是传感器信号的最大值和最小值。第二采样值例如应以最大±1％的公差等于第一采样值和第三采样值之间的差，或应该等于采样值和第二采样值的平均值。如果这不是所述情况，则检查设备280能够识别，错误地选择采样时刻。因为第一采样值是第一极值，并且第三采样值基于周期持续时间以180°时间错开地是传感器信号210、220的第二极值，第二采样值能够恰好处于第一采样时刻与第二采样时刻之间的一半时间。因此，第二采样值能够对应于其他两个采样值的平均值。因此，这能够是高效并且准确的方式，以便借助于检查设备280检查采样值。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，将具有优选50％的占空比的周期性方波信号260施加给加热器120。然而，也可行的是，周期性方波信号也能够具有在5％至50％、8％至48％或10％至45％的范围内的占空比。施加给加热器120的周期性方波信号260能够具有+/-2％的公差。根据一个实施例，用于脉冲的周期性序列的占空比说明脉冲持续时间与周期持续时间的比值。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，将传感器信号210、220与通过数模转换器产生的偏置信号组合，以便获得用于模数转换器的输入信号。模数转换器例如能够将在采样时刻施加的信号值(例如第一采样值、第二采样值和/或第三采样值)数字化，从而对传感器信号210、220进行采样。采样设备270例如能够具有模数转换器。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，调整偏置信号，以便实现：在传感器信号210、220的整个周期期间，模拟/数字转换器的输入信号保持在预设的范围内。因此，偏置信号例如能够改变传感器信号210、220的偏置，使得出现输入信号，所述输入信号处于模拟/数字转换器的工作范围(例如预设的范围)中，借此传感器信号210、220的信息在数字化时不丢失，或借此信息损失减少。因此，采样设备270例如能够检查，模数转换器的输入值是否超过预设的上阈值、例如预设的范围，或低于预设的下阈值、例如预设的范围。与此对应地，采样设备270能够产生可与传感器信号210、220组合的偏置信号，借此输入值、例如输入信号的值保持在预设的范围中。评估装置200能够设计成，在调整偏置信号后调整采样时刻，并且在改变采样时刻后执行重新检查，借助于采样时刻的改变的设定所获得的采样值是否还处于预设的范围内。因此，例如能够借助于评估装置200首先为传感器信号210、220产生偏置信号，并且接着借助于采样设备270确定、检查采样时刻，并且可能再调节采样时刻(这例如能够是采样时刻的追踪)。通过所述追踪能够产生新的采样值，这能够导致通过评估装置200重新调整偏置信号。因此，例如能够始终交替地调整或追踪偏置信号和采样时刻，直至模数转换器例如能够继续处理传感器信号210、220。因此，在所述时刻，偏置信号和采样时刻能够处于稳态中。
通过采样调节装置290改变的采样时刻的设定例如产生新的采样值，所述采样值能够视为模数转换器的输入值。为了模数转换器的输入信号保持在预设的范围中，能够再调节加热器120的偏置信号和加热功率。偏置信号例如能够调整传感器信号210、220的偏置，并且加热功率的改变能够调整传感器信号210、220的幅值，使得出现处于预设的范围中的输入信号。
根据一个实施例，评估装置200能够设计成，根据探测器130、140中的至少一个探测器的至少一个传感器信号210、220来调节加热器120所加载的加热功率，以便将至少一个传感器信号210、220置于预定的值域中。评估装置200能够设计成，在从传感器信号210、220推导气体浓度和/或热扩散率的信息240时，考虑关于加热功率的信息(例如加热器信号122)。因此，在提高加热器120的加热功率时，传感器信号210、220例如能够经历传感器信号210、220的幅值的提高，或在减小加热功率时，至少一个传感器信号210、220能够经历传感器信号210、220的幅值的减小。因此，例如能够通过调节加热器120的加热功率，将传感器信号210、220置于预定的值域中。
在下文中，根据其他附图来描述热学气体传感器和评估装置的实施例。
1.1用于热学气体传感器的技术变型方案
图2a和2b分别示出用于测量物理气体特性的气体传感器100的示意图。热学气体传感器100能够具有薄层膜片110和加热元件120，所述加热元件例如能够作为自承的桥结构在膜片110的第一中断区域160与膜片110的第二中断区域170之间设置在膜片110上。在此，在金属线传感器(温度传感器结构130、140的实例；参见图2和图3)的情况下，薄层膜片110的厚度(例如其由多个基本层、传感器层和钝化层构成)例如能够处于1-10μm之间。加热元件120也能够称为加热器。根据图2a和2b，整个第一中断区域160能够具有膜片110的中断部162，并且整个第二中断区域170能够具有膜片的中断部172。因此，加热元件120能够自承地设置在第一中断部162与第二中断部172之间。第一中断部162能够由加热元件120和呈自承的桥结构的形式的第一温度传感器结构130限界。第二中断部172能够由加热元件120和例如呈自承的桥结构的形式的第二温度传感器结构140限界。第一温度传感器结构130和/或第二温度传感器结构能够涉及金属线传感器、热电堆、温度可变电阻或热敏电阻。
可选地，气体传感器100能够具有第一外中断部192和第二外中断部194。因此，第一热电偶结构130例如能够是在第一中断部160与第二外中断部194之间的自承的桥结构，并且第二热电偶结构140能够是在第二中断部172与第一外中断部192之间的自承的桥结构。第一热电偶结构130也能够称为第一探测器或第一传感器，并且第二热电偶结构140也能够称为第二传感器或第二探测器。
在图2a上方能够看到气体传感器100的横截面。气体传感器100例如包括由载体材料构成的框架150。由载体材料构成的框架150例如能够展开膜片110。根据一个实施例，膜片110能够具有在1μm至50μm、2μm至25μm或3μm至10μm的范围中的、如例如8μm的厚度(例如垂直于膜片110的表面的扩展，第一热电偶结构130、第二热电偶结构140和加热元件120设置在所述表面上)。根据一个实施例，膜片110能够通过由框架150构成的凹部190实现。因此，凹部190例如能够选择成，使得能够实现具有期望厚度111的膜片110。
根据图2a和2b中的实施例，凹部190例如能够设计成，使得仅加热元件120、第一热电偶结构130和第二热电偶结构140在框架150之间保持展开。根据一个实施例，膜片110的在其上设置有第一热电偶结构130、第二热电偶结构140和加热元件120的表面能够具有在200×200μm2至5×5mm2、500×500μm2至2000×2000μm2或800×800μm2至1200×1200μm2的范围中的扩展，其中所述扩展能够是正方形的或矩形的扩展。气体传感器100能够具有在500nm至5mm、1μm至1mm或200μm至600gm的范围中的、如例如为400μm的厚度101(例如平行于膜片110的厚度111)。气体传感器100的平行于膜片110的在其上设置有加热元件120的平面的扩展能够处于1×1mm2至1×1cm2、1.5×1.5mm2至9×9mm2或从2×2mm2至8×8mm2的范围中、如例如6.5×2.5mm2。
根据一个实施例，第一热电偶结构130、第二热电偶结构140和/或加热元件120能够是膜片110的一部分。
为了测量与气体类型或气体混合物相关的热传递，微芯片(热学气体传感器100的实例)与三个在框架之间自承张紧的细小的桥结构(例如加热元件120、第一热电偶结构130和第二热电偶结构140)一起使用，所述桥结构作为微金属线能够由待分析的气体包围。待分析的气体例如能够设置在第一中断部162、第二中断部172、第一外中断部192和/或第二外中断部194中。能够将中间的桥结构设计为加热器120，并且能够将处于两侧、距加热器120不同间距的两个探测器结构(例如第一热电偶结构130和第二热电偶结构140)用作为温度传感器，用于测量气体混合物的传输响应。
中间的金属线(加热元件120)例如以周期性加热信号加载，由此由加热元件例如发出热量。热传输能够经由从加热器120至待分析的气体中以及从所述气体到传感器金属线(例如到第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140)中的未知的导热进行。这样由第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140所探测的热传输能够理解为传输响应或传感器信号(例如由第一热电偶结构130探测的第一传感器信号和由第二热电偶结构140探测的第二传感器信号)。通过例如借助距加热器120不同间距的两个相同的传感器(例如第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140)测量温度响应(例如传输响应)，能够消除测量装置中的未知的导热。两个传感器信号的相位和幅值基本上能够与通过气体的热传输相关。
1.1.1气体传感器100，例如作为MEMS金属线传感器(评估探测器电阻(例如第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140的电阻)处的TKR(电阻的温度系数))(替选的实施例，可选地可与根据1.2节的信号生成和评估以及根据1.3节的评估算法组合使用)
能够基于绝缘体上硅(SOI)晶片基板来构造热学气体传感器100的第一变型方案。所述变型方案例如由微芯片构成，所述微芯片具有由硅微金属线构成的自承的细小的桥结构(例如第一温度传感器结构130和第二温度传感器结构140)，所述桥结构在待分析的气体空间中展开。中间的金属线能够构造为加热器120，并且两个探测器金属线(例如第一温度传感器结构130和第二温度传感器结构140)能够在加热器两侧距其不同间距地用作为温度传感器(参见图2a、图2b)。
图2a例如示出光学显微镜处的MEMS金属线传感器芯片(气体传感器100)的照片(左侧)，并且图2b例如示出扫描电子显微镜中的结构的特写(右侧)。
图3示出硅桥120/130/140的示意图，所述硅桥例如能够用于气体传感器的加热元件、第一热电偶结构和/或第二热电偶结构。换言之，图3示出热学MEMS金属线传感器(例如气体传感器)的微桥(REM，扫描电子显微镜)的细节。所示出的硅桥120/130/140例如能够通过SOI技术制造。因此，框架150的基板或载体材料例如能够具有氧化物材料152、硅材料154和铝材料156。为了实现硅桥，例如能够至少部分地移除硅材料154，以便在框架150的载体材料中实现切口158(例如沟槽)，并且由此实现硅桥120/130/140。硅桥120/130/140能够设置在膜片110(例如由氧化物材料152构成)上。
膜片110例如能够具有第一中断区域160/162和第二中断区域170/172。不仅第一中断区域160/162、而且第二中断区域170/172例如能够具有例如能够是腔室的中断部。因此，膜片110能够具有第一中断部162和第二中断部172，在所述中断部中能够设置有待分析的气体，并且如果硅桥是加热元件120，例如能够从硅桥120/130/140接收传输的热量，或如果硅桥120/130/140是第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140，则能够将热量传输给硅桥120/130/140。硅桥120/130/140能够通过铝材料156接触，由此铝材料156例如能够用作为焊盘。通过焊盘例如能够给加热元件120施加激励的加热器信号或读取第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140(例如第一传感器信号或第二传感器信号)。
SOI技术的优点：
·结晶阻力路径(kristalline Widerstandbahnen)，用于探测器(例如用于第一热电偶结构130和第二热电偶结构140)的电阻的温度系数(TKR)能够仅与晶片材料(在有源层中)的基本掺杂相关
·与在温度探测器(例如第一热电偶结构130和第二热电偶结构140)的电阻的高的基本电阻的情况下在电路板中类似高的TKR能够实现小型化的传感器尺寸(例如第一热电偶结构130和第二热电偶结构140的尺寸)，这是由于桥结构120、130、140的短的(例如从框架150的一个框架侧至框架150的相对置的框架侧)阻力路径(小于1mm)以及对于电阻温度探测器(RTD)(例如第一热电偶结构130和第二热电偶结构140)的区域由于自发热相对低的温度测量错误，因为例如能够以大于8kOhm的基本电阻值工作，所述基本电阻值在测量运行中可能需要少于360μW的功率消耗。
·可通过植入将(例如加热器120的)加热器电阻调整到低的工作电压(优选3.3V)
·欧姆传感器电阻，例如第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140的电阻在狭窄的工艺范围中在晶片(例如框架150)上的非常均匀的分布，尤其探测器电阻(例如传感器电阻)的公差例如通过有源层中的SOI材料的公差(有源层、基本掺杂和材料厚度)以及通过干法蚀刻(深RIE)的横向结构精度来确定。
SOI技术的缺点：
·在购买晶片时相对昂贵的SOI基板材料
·通常无法获得所期望的规格(晶片直径、操纵和有源层的材料厚度、有源层的掺杂)
·目前不具有结构的钝化，由于在热量输入、TKR的特征曲线变化时的材料扩展不同，钝化可能导致双金属效应
1.1.2气体传感器100例如作为薄层膜片上的MEMS热电堆传感器(根据方面1的实施例，可选地可结合根据1.2节的信号生成和评估以及根据1.3节的评估算法使用)
图4在左侧示出气体传感器100的示意图，并且在右侧示出气体传感器100的细节图。
根据一个实施例，气体传感器100能够具有膜片110和加热元件120，所述加热元件能够在膜片110的第一中断区域160与膜片110的第二中断区域170之间设置在膜片110上。第一中断区域160能够具有中断部162，并且第二中断区域170能够具有中断部172。
第一中断部162和/或第二中断部172能够具有平行于加热元件120(其例如能够称为加热器)的最大扩展的方向的纵向扩展，并且能够具有例如沿垂直于加热元件120的最大扩展的方向的方向的横向扩展。根据图4，因此第一中断部162能够具有比第二中断部172更大的横向扩展。此外根据图4，第一中断部162和第二中断部172能够具有相同的纵向扩展。第一中断部162和第二中断部172例如具有如下纵向扩展，所述纵向扩展大至使得第一中断部162和第二中断172完全覆盖第一热电偶结构130或第二热电偶结构140与加热元件120之间的区域。因此，不仅第一中断部162、而且第二中断部172的纵向扩展沿着加热元件120的整个长度。由此能够避免，由加热元件120放射的热量的大部分经由膜片110传递。因此能够实现：热量的大部分经由设置在第一中断部162和第二中断部172中的气体传输至相应的热电偶结构130、140。
与第二热电偶结构140相比，第一热电偶结构130例如能够具有距加热元件120不同的间距。因此根据图4，与第二热电偶结构140相比，第一热电偶结构130例如具有距加热元件120更大的间距。第一热电偶结构130例如能够探测从加热元件120到第一中断部162中的气体和从气体到第一热电偶结构130的第一热传输210，并且能够检测为第一传感器信号。第二热电偶结构140例如能够探测从加热元件120到第二中断部172中的气体和从气体到第二热电偶结构140的第二热传输210，并且能够作为第二传感器信号提供。通过第一热电偶结构130和第二热电偶结构140距加热元件120不同的间距，能够由第一传感器信号和第二传感器信号形成差分信号，由此能够计算出未知的传导(如例如从加热元件到气体，或从气体到相应的热电偶结构的传导)，从而通过气体传感器100例如主要考虑或仅考虑经由第一中断部162或第二中断部172中的气体的热传输。
根据一个实施例，气体传感器100此外能够具有框架150，所述框架能够展开膜片110。第一热电偶结构130和第二热电偶结构140能够至少部分地设置在膜片110上并且至少部分地设置在框架150上。在此，第一热电偶结构130和第二热电偶结构140能够具有朝向加热元件120设置的热端部132、142。此外，第一热电偶结构130和第二热电偶结构140能够具有冷端部134、144，所述冷端部能够在第一热电偶结构130或第二热电偶结构140的与具有热端部132、142的一侧相对置的侧上设置，并且因此背离加热元件120设置。因此，热端部132、142例如能够设置在膜片110上，并且冷端部134、144能够设置在框架150上。在此，框架150例如能够具有与膜片110不同的材料。由此，关于由加热元件120传输的、借助于热端部130、142测量的温度42，冷端部134、144例如能够通过框架150的框架材料加载参考温度。
换言之，气体传感器100的左侧视图能够是布局，并且图4的右侧是气体传感器100(例如MEMS膜片传感器)的照片，所述气体传感器用于测量例如与气体类型相关的热传递(根据方面1的实施例)。在图4中例如能够看到具有膜片110的恒定的中断部(例如第一中断部162和第二中断部172)的气体传感器100的变型方案。恒定的中断部162、172例如引起，加热器120与探测器(例如第一热电偶结构130和第二热电偶结构140)之间的热传递的主要部分例如强制经由包封在两个元件之间的测量气体体积进行，例如经由在第一中断部162与第二中断部172中设置的测量气体进行。
为了减小例如气体传感器100的工程制造中的工艺耗费，并且为了提高在测量与气体类型相关的热传递210、220时的灵敏度，能够实现基于具有加热器120和热电堆结构130、140(探测器)的薄层膜片110的微芯片，在所述微芯片中，薄层膜片110能够在加热器120与探测器130、140之间的横向区域中蚀刻掉。
与金属线传感器(如例如在1.1.1节中所描述的那样)相比，膜片传感器(例如气体传感器100)在对于二元混合物的气体浓度具有相同的灵敏度时仅需要加热能量的1/3。如在金属丝传感器的情况下，加热器结构(例如加热元件120)例如居中地作为自承的细小桥结构展开地处于待探测的气体的测量空间中。两个在两侧距加热器120(例如)不同间距设置的探测器金属线能够通过“热电堆”(热链)结构(例如第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140)替代，所述热电堆结构能够处于侧向展开的膜片面(膜片110)上并且例如能够伸展直至沟槽边缘(例如第一中断部162或第二中断部172的边缘)。
例如热链(热电堆)130、140的冷端部134、144应该直接接触载体材料(例如框架150)，所述载体材料能够具有高的热导率(例如硅约为150W/(m*K))并且能够用作为热沉(接近室温的冷却体)。例如基本膜片材料(膜片110的材料)处于热电堆的冷端部134、144与硅之间，所述基本膜片材料将接触部与硅电绝缘。但是，由于所述层非常薄，出自热电堆的热量能够良好地传输到硅中。因此，过热(例如借助于热端部132、142测量)能够测量为相对于室温(例如借助于冷端部134、144测量)的直接差。用于温度补偿的测量部位例如直接在硅芯片上或与硅芯片(例如框架150)机械连接。
为了减少由于膜片110的膜片材料中的热传导造成的在加热器120与探测器结构130、140之间的热传递210、220的寄生效应，能够一致地中断膜片110，使得能够主要经由最短的横向距离进行从加热器120到探测器130、140的热传递210、220，从而线段例如经由测量气体(例如设置在第一中断部162和第二中断部172中)的位于其之间的体积穿行。由此，能够绝对提高传感器130、140对于加热器120的周期性热脉冲的与气体类型相关的传输响应(例如第一传感器信号和第二传感器信号)。
根据一个实施例，图5在左侧示出气体传感器100的示意图，并且在右侧示出气体传感器100的放大的细节图。图5中的气体传感器100能够具有与图4中的气体传感器100相同的特征和功能，其中图5中的气体传感器100与图4中的气体传感器100的区别能够在于第一中断区域160或第二中断区域170的设计方案。因此，图5中的气体传感器100的第一中断区域160例如能够具有大量的中断部162i，并且第二中断区域170同样能够具有大量的中断部172i。因此，例如气体传感器100的第一中断区域160的中断部160i的脚注i例如能够从1至23，因为根据图5中的实施例，第一中断区域160能够具有23个中断部。气体传感器100的第二中断区域170的中断部172i的脚注i例如能够从1至14，因为根据图5的实施例，第二中断区域170能够具有14个中断部。可选地，不仅中断部162i、而且中断部172i的脚注i能够定义自然数，其中脚注i说明，在中断区域160、170中存在多少个中断部162i、172i。
中断部162i、172i能够在第一中断区域160中或在第二中断区域170中在平行于加热元件120的最大扩展的方向的行中设置，并且附加地，行能够彼此错开地设置。这例如意味着，彼此跟随的行的通过膜片材料形成的横向接片112(例如在垂直于加热元件120的最大扩展的方向的方向上，从加热元件120伸展至相应的热电偶结构130、140)彼此错开地设置。这例如引起膜片110中的寄生热传导114a、114b穿行尽可能长的路径。
中断部162i、172i例如设置成，使得在膜片110中产生栅格结构，在所述栅格结构中，寄生热传导114a、114b的通过膜片110的路径比直接路径210、220长。直接路径210、220例如能够是垂直于加热元件120的，从加热元件120到相应的热电偶结构130、140的直线路径，其中直接路径210、220能够穿行在中断部162i、172i中设置的待分析的气体。寄生热传导114a、114b的通过膜片110的路径例如不应直线地伸展，而是应形成盘旋路径，如在图5中所示的那样。例如不应存在单纯经由膜片110的直接热量路径。由此能够实现：第一热电偶结构130和第二热电偶结构140能够探测到经由直接路径210或220来自加热元件120的热传输，并且能够最小化在探测时寄生热传导114a、114b的影响，由此能够非常精确地分析气体。
中断部162i、172i例如能够涉及长形的中断部，所述中断部例如能够以+/-20°的公差垂直于热传导的主方向(例如从加热元件120到热电偶130、140的直接路径210、220)。
根据一个实施例，中断部162i、172i能够涉及具有圆角的矩形切口。所述切口例如也能够称为长孔，并且在此例如也涉及卵形孔。在此，中断部162i、172i的长度能够是宽度的至少三倍。长度例如能够定义为平行于加热元件120的最大扩展的方向，并且宽度定义为垂直于加热元件120的最大扩展的方向。通过所述特征，寄生热传导114a、114b的路径能够非常长地实现，由此能够提高通过气体传感器100进行气体分析的质量。
根据一个实施例，中断部162i、172i能够设置在第一中断区域160或第二中断区域170中，使得中断部162i、172i之间的间距116a、116b对应于最小待实现的、得出机械耐久的栅格结构的结构宽度。间距116a、116b例如是由膜片110的膜片材料构成的接片的宽度。间距116a、116b越小地实现，寄生热传导114a、114b就能够越小，由此能够提高通过气体传感器100对气体进行分析的质量。在此，间距116a、116b应该选择成，使得通过中断部162i、172i在膜片110中产生的栅格结构是机械耐久的，以便确保通过气体传感器100进行气体分析的高的质量。
换言之，图5能够示出MEMS膜片传感器(例如气体传感器100)的布局，所述MEMS膜片传感器例如用于测量与气体类型相关的热传递(例如经由直接路径210、220)(根据方面1的实施例)。因此，图5中的气体传感器100能够是具有由膜片110的膜片材料构成的栅格结构的变型方案，以提高气体传感器100的机械稳定性。栅格的几何形状能够选择成，使得膜片材料中的寄生热传导114a、114b必须穿行尽可能长的路径。
图5示出气体传感器100的另一实施方式，其示出加热器120与探测器元件(例如第一热电偶结构130或第二热电偶结构140)之间的栅格结构，所述栅格结构应该改进长期运行中的气体传感器的机械稳定性。这种装置能够减小热学气体传感器100的与气体类型相关的灵敏度，因为热传导现在也能够经由膜片材料的栅格接片寄生地114a、114b进行。因此，与热能的经由横向最短距离210、220穿过测量气体运输的部分相比，周期性地输入到加热器120中的热能的一部分能够在时间上更早运输到探测器结构(例如第一热电偶结构130或第二热电偶结构140)。由于能够作为低通响应周期性激励的探测器(例如第一热电偶结构130或第二热电偶结构140)的热质量，例如两个热波运行时间(例如具有经由直接路径210的热传输的寄生热传导114a或具有经由直接路径220的热传输的寄生热传导114b)循环成唯一的正弦探测器信号(例如第一传感器信号或第二传感器信号)。
栅格的几何形状例如选择成，使得膜片材料中的寄生热传导114a、114b穿行尽可能长的路径。卵形孔(例如中断部162i、172i)例如横向于热传导的主方向。卵形孔的长宽比例如为：长度是宽度的至少三倍，接片宽度(例如间距116a、116b)例如对应于最小的待实现的结构宽度，所述结构宽度借助于现存的层技术得出机械耐久的栅格结构。
图6a、6b和6c示出气体传感器100的另一实施例的示意图。在此，图6a、6b和6c的气体传感器100能够具有与图4和/或图5的气体传感器100相同的特征和功能。气体传感器100之间的区别可能在于气体传感器100的第一中断区域160和第二中断区域170。
因此，图6a的气体传感器100例如能够在第一中断区域160中具有八个中断部162i，以及在第二中断区域170中具有八个中断部172i。在此，中断部162i例如能够具有比中断部172i更大的横向扩展。附加地，中断部162i、172i能够在其相应的中断区域160或170之内具有不同的纵向扩展。
图6b的气体传感器100例如具有带有八个中断部162i的第一中断区域160和带有连续的中断部172的第二中断区域170。因此，在图6b的变型方案中，例如在中断区域160、170中，图6a或图5或图4的变型方案彼此组合。
图6c的气体传感器100例如具有带有多个中断部162i、172i的第一中断区域160以及第二中断区域170，其中第一中断区域160例如能够具有23个中断部162i，并且第二中断区域170例如能够具有14个中断部172i。在此，中断区域160或170的中断部162i、172i例如能够具有相同的横向扩展和/或相同的纵向扩展。可选地也可行的是，中断部162i、172i仅成排地具有相同的纵向扩展和/或横向扩展。
换言之，图6a、6b和6c因此能够示出MEMS膜片传感器(例如气体传感器100)的其他布局变型方案，所述布局变型方案在膜片的穿孔的数量和大小(例如中断部162i、172i不同)(根据方面1的实施例)。
基于膜片技术的热电堆结构(例如第一热电偶结构130或第二热电偶结构140)优 点(示例)：
·在成本有利的基板上的更简单的5掩模MEMS工艺是可能的，因为晶片材料的特性例如仅应该在厚度、表面质量方面并且对于以匹配的基本掺杂对沟槽的结构化进行规定。
·相对于基于SOI的气体传感器，必须对以匹配的基本掺杂对沟槽的结构化(例如对于膜片)进行规定。
·结构(例如加热元件120、膜片110、第一热电偶结构130、第二热电偶结构140)例如借助于保护层钝化，并且相对于可能存在于测量气体中的自由基提供更好的抵抗力，并且有源传感器结构(例如第一热电偶结构130和/或第二热电偶结构140)被蚀刻，从而能够机械地变薄弱或热学改变。
·例如，与基板相比，薄层膜片110上的气体传感器100仅需要加热功率的三分之一，以便实现相同的气体敏感性，相对于在SOI技术中36mW的功率消耗，功率消耗大约为12mW。
·替代温度可变的电阻结构(RTD)，能够将热电堆(热链)130、140实现为测量空间中的热分布场的探测器：热电堆130、140的电子信号评估例如以0.6μW接近无功率，而基于SOI技术的电阻结构的探测器(例如图2a、图2b或图3的第一热电偶结构130、第二热电偶结构140)为了稳定的信号生成而需要电通流，由于所述电通流，加热功率被输入到探测器中，所述加热功率以大约140μW虽然是低的，然而是热电堆技术的200倍大，并且造成RTD探测器的自热，从而能够寄生地减小气体选择性。膜片技术的缺点：
·细小的穿孔膜片110可能会在生产工艺中以及在持续运行中断裂，因此建议优化的设计(例如参见图4、图5、图6a、图6b或图6c)。
1.1.3传感器原理(细节可选)
图7示意性示出热学传感器100(气体传感器在本文中也能够称为热学传感器)的基本原理：清楚可见加热器120与传感器结构130、140(第一温度传感器结构和第二温度传感器结构在本文中也能够称为传感器结构、探测器结构、传感器、温度传感器或探测器)之间的空间分离通过待分析的气体混合物热学耦联；以及借助于传感器结构130、140的测量。在此，传感器结构130、140能够距加热器120不同间距地或以相同间距设置。
换言之，图1示出用于通过加热器120与探测器130、140之间的待测量的气体的热传递的路径122a、122b的传感器基本原理的示意图。
·加热器120和传感器130、140通过介质分离
加热器120和(多个)传感器130、140在介质中分离地设置，并且由待分析的气体包围。从加热器120到温度传感器130、140的热量流122a、122b例如仅经由气体本身发生。
·在多个间距中测量
热传递122a、122b例如也经由从加热器120到待分析的气体中的未知的热传输122a1、122bi并且经由从气体到传感器结构130、140中的未知的热传输122a2、122b2发生。在两个间距1801、1802中测量时，热传输122a1、122b1、122a2、122b2几乎相同。两个传感器信号之间的差基本上与通过介质本身的热传输相关。
·在相同间距中测量
类似于借助于多个间距测量，在此同样出现未知的热传输122a1、122b1、122a2、122b2。借助于评估两个传感器信号的和，同样能够执行非常精确的气体分析，并且在某些情况下，在分析中同样能够考虑未知的热传输122a1、122b1、122a2、122b2。
在此应注意，在多个间距中测量时，替选地同样能够对总和信号进行评估。
此外应注意，相对于对差分信号的评估，对总和信号的评估是优选的，因为差分信号的信噪比小于总和信号的信噪比。
可选地，能够将差分信号和总和信号的商(这是常用的标准化)用于评估。与如果仅评估总和信号或仅评估差分信号相比，借此测量效果例如更强地突出。
·电学模拟
为了辨识和估计热量流，创建电学模拟(参见例如图8)。热量损失的优化是主要因素，以便提高传感器130、140的灵敏性，而不必例如经由加热元件馈入过多的加热功率。
根据一个实施例，图8具有图7的气体传感器100的特征和功能。换言之，图8示出在气体传感器100处的热传递的示意图。从加热器120(温度TH)到传感器130、140(温度Ts)的热传递基本上通过待测量的气体发生。
1.2运行中的气体传感器的实施例：基于嵌入式系统(embedded System)的信号生成装置和评估装置
1.2.1功能原理(细节可选)
在正弦加热功率122的情况下，得出传感器信号210、220的正弦变化曲线(例如参见图9)，所述正弦变化曲线强烈地与围绕传感器结构的气体的热学特性相关。通过借助于两个相同的传感器130、140在距加热器120的不同间距1801、1802中测量加热器120的温度，能够消除或减少测量装置中未知的热传输。
为了评估，将所发出的和所接收的周期性温度波进行比较(参见图9)。借助于经由加热器与传感器之间的相移212、222对信号210、220进行校准，例如空气中的CO2含量能够以0.2体积％例如借助于气体传感器分辨。因为气体是可压缩的，并且由于压力和温度，其密度改变，因此应该补偿对应的漂移。
图2对比地示出对于CO2和N2在借助于正弦加热功率122激励时的信号210、220。在相同的加热功率122的情况下，所接收的传感器信号210、220在幅值、偏置和相位方面不同。根据一个实施例，信号210、220是气体传感器的第一热电偶结构和第二热电偶结构的信号的差分信号。
经由评估传感器所提供的其他测量变量，能够确定热导率、热扩散率并且在气体的密度已知的情况下，也能够确定比热容——一种可行的方法，以便也分析未知的气体混合物。
由于自承的桥结构相对于闭合的薄层膜片的结构差异，在很大程度上实现加热器与探测器元件之间的寄生热解耦，并且明显提高信号质量。由于加热器的低的热质量可行的是，以直至300赫兹的频率对加热器进行调制，因为能够快速输送和输出热量。
1.2.2用于确定热扩散率的理论考虑(细节可选)
为了确定正弦加热功率122下的热扩散率，为了描述传播的温度场能够使用根据[Baehr 2008]的模型。
以下方程描述时间相关的(时间t)沿纵轴线x进入到杆中的温度传播，所述杆在端部处加载正弦温度(平均值Tm、幅值TA、角频率ω)：
在从加热器进入到气态介质时，温度场经历相移ε0和阻尼η0。
与通过介质所经过的路径x相关地，温度场经历相移ε(x)＝k1·x和阻尼η(x)＝e-k 1 ·x。根据[Baehr 2008]，对于改变与路径相关的变量k1的重要因数与热扩散率α、角频率ω从而与激励频率f相关：
用于考虑在固体与气体之间热传输时的影响的因数从因数kl、热传输系数α和热导率λ中得出：
具有热量进入系数b：/>
为了根据在上文中提及的模型来确定热扩散率，相移的评估是足够的。方程(1)中的总相移为：
如果将在两个不同间距中的两个温度测量彼此比较，则恒定的热传输效果从中缩短：
借助于差简化和Δx12＝x2-x1
并且借助于(3)得出：
对于热扩散率α(角以弧度为单位)适用：
如果存在以角度为单位的相移，那么适用于热导率α的是：
在相移增大期间，温度波以与其激励相同的角频率和谐地振荡，并且随着在介质中的增加的进入深度而强烈衰减。进入深度和波长随着介质的振荡持续时间和热扩散率的提高而增加。在考虑从两个测量点x1与x2的间距中得出的温度振荡的波长Λ时，其中相角相差2π，可以推导出温度波的进入深度，其中温度幅值在进入介质的进入位置x＝0处下降到其值的第n个部分上。适用的是：
由得出：/>
因此，幅值的衰减同样是用于介质的热扩散率的量度。
1.2.3用于确定热导率的理论考虑(细节可选)
介质的热导率λ通过测量空间中的平均温度分布描绘。根据平均加热器温度和测量空间的容积中的气体类型或混合物浓度，在温度探测器处出现平均温度，所述平均温度与通过气态介质从加热器经由探测器流动至壳体壁部的热流相关。为了确定热导率，必须已知加热器和探测器的温度，如果求取所需的平均加热能量作为热导率的量度，则在对应的校准时，例如将探测器(优选地，更靠近加热器的探测器)调节到恒定(过高)温度足够。
根据[Simon 2002]和[Baar 2001]，用于测量气体的热导率的基本原理在于：在不具有流动的测量空间中产生超过环境温度的过高温度，所述测量空间具有在气体中独立的加热元件(例如加热金属线或“Hot Plate”——热板)。维持所述过热温度ΔT所需的加热功率是热导率λ的直接量度，并且能够借助于以下关系描述：
P＝λ·ΔT·G (12)
其中G是装置的几何常数。用于正确测量的条件是测量空间中的静止的气体，例如在死区中或在扩散阻挡后面，因为对流的热量流动会导致测量错误[Baar 2001]。在该文献中，不仅讨论所述测量错误，而且也提出能够在存在对流的热量流动时测量热导率的方法[IST AG 2011,2013,2015]。此外，已知具有加热器的周期性激励的方法，经由傅立叶分析不仅能够确定二元气体混合物的浓度，而且也能够确定多组分混合物[Grien 2012]
1.2.4根据本发明的气体传感器的嵌入式微控制器(embedded μController)电子装置和软件(细节可选)
电子装置和信号评估装置的目的是，借助于尽可能成本有利的小型化的系统，例如产生可靠的与气体浓度直接相关的测量结果。此外，根据本发明的气体传感器应该能够在呼吸气体监视器中使用，在所述呼吸气体监视器中，空气混合物中的碳浓度能够以高动态变化。因此，气体传感器应该能够触发吸气和呼气的呼吸循环中的气体成分的直至每分钟60冲程的速率的变化。因此期望对传感器信号进行快速评估。
1.2.4.1硬件
1.2.4.1.1例如根据本发明的气体传感器的加热器操控(根据方面3的实施例，细节可选)
图10示出用于根据本发明的一个实施例的热学气体传感器的加热器操控的电路图。CPU例如预设下加热器电压和上加热器电压并且控制地在这两个值之间来回切换计时器。CPU能够在特定时刻测量当前的加热电流，以便计算加热功率。换言之，图10示出具有电压预设和电流测量的加热器供应。
与在更上文中以正弦加热器激励为例在将用于衰减的振荡的规律性转用到热传递现象上时的理论上考虑的模拟相比，在开发的微控制器电子装置上(例如)产生方波信号。由于在处理器中存在的计时器结构，与由处理器在其数字/模拟(DA)端口上输出的合成正弦信号相比，能够在时间上明显更精确地产生所述方波信号。
经由DA转换器例如预设2个加热器电压。这是由于以下事实：经由SPI操控DA转换器，并且以下时刻不能够精确地借助所选择的处理器模块(CPU)确定，从所述时刻起采用新DA值。但是，这是能够确定传感器响应的相位的先决条件。因此，例如经由模拟开关交替地将两个电压中的一个电压提供给加热器放大器。为了使陡峭的开关沿在系统中更少传播，例如通过在下游连接的低通滤波器将所述开关沿平滑化。运算放大器(OP)电路将电压升高到加热器所需的电压电平。另一OP例如补偿在电流测量电阻处出现的电压降。由于测量电流并且已知加热器电压，因此能够计算加热器功率。这在如下情况下是重要的：加热器电阻能够随着温度变化。
例如能够使用50％的加热器占空比(其中例如将具有例如50％+1-2％占空比的周期性方波信号施加给加热器)。
然而替选地，也能够使用更短的占空比、例如在5..50％的范围中。
为了在正弦(在Upp/2时的偏置、在正范围中的两个半波)与矩形之间获得相同的功率，例如对于等效矩形或对于“等效”或功率相同的方波信号需要42％的占空比。
在一些实施例中，不能通过调节占空比来实现加热器功率的调整——这基于MSP430更困难，但是在使用更高性能的微控制器时感兴趣的是：能够以固定的工作电压工作并且仅改变占空比(一种PWM操控)。
换言之，可选地可行的是，通过改变占空比来设定(平均)加热器功率。替选于此，能够通过改变(施加给加热器的电压的)电压水平或(流过加热器或加热元件的电流的)电流水平来设定加热器功率。这两个可行方案也能够组合。
1.2.4.1.2例如气体传感器的探测器信号评估装置(细节可选)
图11示出根据本发明的一个实施例的热学气体传感器的探测器信号评估装置的电路图。在此，气体传感器的第一热电偶结构和第二热电偶结构能够具有在图11中所示出的探测器信号评估装置，以便在相应的探测器信号(例如借助于第一热电偶结构或第二热电偶结构探测，并且在本文中也能够称为传感器信号)中评估经由待分析的气体从气体传感器的加热元件传输给第一热电偶结构和第二热电偶结构的热量。根据一个实施例，在图11中示出传感器1(第一热电偶结构)的探测器信号评估装置。在此，探测器信号评估装置例如配置成用于，接收第一输入信号、例如CPU(放大镜功能)的DAC信号CO2_S1_Win和第二输入信号、例如探测器信号CO2_Sensor1，并且提供第一输出信号、如例如放大的探测器信号CO2_S1_an和第二输出信号、如例如用于相位评估的比较器信号CO2_S1_dig。
根据一个实施例，CPU操控加热器，使得传感器信号的幅值保持在ADC范围中。经由放大镜功能，例如将传感器信号保持在ADC边界内。例如经由比较器在利用MSP430计时器结构(时间结构)的条件下进行相位评估。
传感器金属线(例如热电偶结构)的电阻变化非常小。由于所述原因，优选或需要具有高的放大系数的放大器。由于输入电压(例如传感器信号)的绝对值与许多因素相关，因此建议补偿所述绝对值。
一种可行方案是使用交流(AC)放大器。缺点是，所述交流放大器造成未知的相移。
因此，例如使用不具有相移的直流(DC)放大器。现在为了补偿信号的直流分量，在一个实施例中，在运算放大器(OP)的差分输入端处，将负输入端子提高到探测器信号的平均值，并且借助于软件调节器主动追踪，处理器的数模转换器(DAC)直接输出所述电压。由于OP处的差分输入端的差分工作模式，输入电压的直流分量彼此相减，并且仅放大信号的交流分量。为此，根据一方面，测量并且检查从模拟转换成数字(ADC)的信号，所述信号是否处于可由ADC检测到的合理范围内。如果信号达到OP的电压上限或电压下限，则对应地调整DAC值。因此，存在以下放大器，在所述放大器中，放大的信号连续地保持在最佳的工作区域或工作窗口中，其中通过移除直流分量能够在OP处提高放大系数，一种“放大镜功能”。用于补偿所需的DAC值能够作为另一参数用户评估，借助于所述参数能够确定绝对平均探测器温度，并且经由方程(12)中的关系能够确定气体混合物热导率。
为了确定传感器信号的相位，例如使用施密特触发器。所述施密特触发器设定成，使得其在传感器信号的过零点上方或下方不远处切换。在此，信号最陡峭，从而引起最小的相位噪声。DC分量例如经由电容器移除。借此，传感器响应的相位确定是可行的。
通过使用处理器的内部计时器结构(MSP430，德州仪器)，0.009°的理论的相位分辨率是可行的。但是，由于电路的噪声不能达到所述分辨率。
1.2.4.2例如用于气体传感器的软件(细节可选；在此共同描述根据方面3和4的功能，但是能够彼此独立地使用)
所述软件例如具有不同的任务：
·设置用于加热器电压的起始值、传感器信号的采样时刻和用于DC工作点的起始值(放大镜功能)。
·首先例如尝试查找DC工作点。为此，将两个传感器的DAC值设定成，使得传感器信号例如居中地处于ADC范围中。
·在特定时刻测量传感器电压。为了求取幅值，以推测的最大值和最小值检测电压。为了识别错误地选择采样时刻，还在推测的“过零点”中进行测量。如果采样时刻正确，那么例如适用的是：
如果采样时刻错误，则上述公式不再正确。接着，软件例如能够认识到，必须调整采样时刻。例如能够经由软件禁用再调节。仅当信号处于ADC边界内时才进行所述再调节。
·如果幅值调节器是激活的，则例如尝试，将传感器1信号的幅值保持在一定期望值。例如将加热器能量调节成，使得S1幅值以至少3/4填充ADC范围。可选地，能够通过软件关断调节器。此外，仅当采样时刻或DC偏置不改变时，所述调节器例如才是激活的。可选地，这确保所述调节回路仅在稳态下是激活的。
·借助于施密特触发器电路(可选地)确定传感器信号的相位。根据设定，在此也计算用于下一采样周期的传感器信号的3个采样时刻。
·经由其他传感器(可选地)检测环境压力和温度
1.2.4.3例如用于气体传感器的软件调节器(细节可选)
图12示出用于根据本发明的一个实施例的热学气体传感器的软件的彼此嵌套的调节器的示意图。
在所述软件中，多个彼此嵌套的调节器工作。最里面是DC工作点调节器。例如只有当所述DC工作点调节器处于稳态时(不需要调整DC偏置)，才追踪采样时刻。在幅值控制回路中，S1的幅值例如保持恒定——但是例如仅当不需要调整DC偏置和采样时刻时如此。在外部的调节回路中，能够(可选地)将调整S1-幅值所需要的加热能量调整成，使得热学系统能够动态适应于不同的气体混合物的大的带宽。
对于幅值确定，每个传感器金属线例如需要3个A/D样本：下顶点中的最小值、过零点和上顶点中的最大值。进程例如如下：
·例如首先借助于当前的设定测量所有AD值。
·现在例如检查：用于S1和S2的最小/最大A/D值是否处于有效范围中。如果没有，则再调整放大器的DC工作点(经由DAC)，并且暂时关断所有其他调节器。当两个传感器通道处于允许的工作范围(A/Dmax<3900或A/Dmin>200，即在4096位的A/D范围的5..95％的范围中)时，才再次激活其他调节器。
·为了能够正确地测量幅值，应该在正确的时间进行A/D转换(上/下顶点，和为了检查还有过零点)。为此，当前例如存在两种路径：
ο经由A/D转换本身：过零点的时刻预期在用于A/D值的最小顶点和最大顶点的两次测量时刻之间的一半时间，即(Min+Max)/2应该对应等于过零点处的A/D值。在偏差的情况下，则调整用于下一测量的采样时刻。容许例如约0.625°(度)或14.47μs的偏差。
ο经由比较器信号：因为在传感器信号的过零点的时刻切换比较器，因此例如能够求取应该发生A/D测量的时刻：对于正边沿的切换时刻的测量值，90°(或用于上顶点的2.0833ms)、180°(用于负边沿的过零点的4.1666ms)和270°(用于下顶点的6.2499ms)相加。在此也容许0.625°的偏差。
·例如仅当两个调节器(DC工作点和相位)不需要控制值变化时从而处于稳态中时，那么幅值调节器才生效。所述幅值调节器再调整加热器值，使得达到期望的S1的幅值。
在图3a中示出方框图，所述方框图示出根据本发明的一个实施例调节和追踪两个探测器放大器的DC工作点。
在图4中示出方框图，所述方框图示出追踪用于探测器信号的幅值测量和S1幅值调节器的采样时刻。如果所有调节器被调整，则例如以对于探测器的幅值和相位的测量值来评估气体混合物。
根据一个实施例，图13a和13b能够视为方框图，其中图13b与图13a经由方框“追踪采样时刻”连接。
1.2.4.4计时表格(Timing-Tabelle)(细节可选)，例如用于气体传感器
微控制器的模数转换器测量加热器的电流消耗和探测器电压(传感器信号的一个实例)的ADC测量时刻例如在软件的计时表格中定义，所述计时表格在两个加热器脉冲周期上延伸。因此，根据一个实施例需要所述两个周期，因为在所使用的处理器上例如仅一个计时器(Timer)提供用于可变的ADC控制。在加热器以120Hz运行时，在2个周期结束之后，获得对于气体混合物评估重要的所有测量值，也就是说具有60Hz的频率。因为加热器的脉冲形状在周期中是稳定的，所以能够在固定的时刻测量所消耗的加热器电流：对于峰值在45°处和对于下部加热电流值(一般为零)在170°处。每探测器各3个ADC测量值(上顶点和下顶点以及过零点)预期为时间窗中的可变测量值，其在计时表格中定义：
·ADC_传感器1：
οCO2-S1-min：33.6°..123.6°(778μs..2861μs)
οCO2-S1-null：123.6°..213.6°(2861μs..4944μs)
οCO2-S1-max：213.6°..303.6°(4944μs..7028μs)
·ADC_传感器2：
οCO2-S2-min：68.6°-141.4°(1588μs..3273μs)
οCO2-S2-null：158.6°-231.4°(3671μs..5356μs)
οCO2-S2-max：248.6°..321.4°(5755μs..7440μs)
1.3用于借助于相对于例如气体传感器的气体压力和气体温度的漂移修正针对气体混合物进行校准的评估算法(例如根据方面2；细节可选)
1.3.1气体混合物中的测量
1.3.1.1二元混合物
在图14中示例性示出在恒定温度和恒定压力下传感器在相位信号方面的CO2相关性。在此，例如示出三个相移：加热器与探测器1之间的相位差D1-Hz.dPhi(红色)，具有200μm间距；加热器与探测器2之间的相位差D2-Hz.dPhi(蓝色)，具有300μm间距；以及探测器2与探测器1之间的相位差D2-D1.dPhi(绿色，右边的y轴)。根据一个实施例，图14在压力为p＝1010mbar、温度为Tamp＝24℃以及在频率为f＝120Hz时加热功率为P＝(15±12.5)mW的情况下对于空气中(0…5)体积％CO2示出加热器-探测器的相移。
在图15中示例性地关于传感器的CO2相关性示出在探测器D1和D2处测量的幅值以及幅值的相对于加热器幅值形成的总和信号。在此，例如示出探测器1处的幅值D1.Uss(红色)和探测器2处的幅值D2.Uss(蓝色)。例如在提高CO2浓度时，也就是说在提高气体混合物中的热扩散率时，两个幅值信号下降。通过由加热器幅值和探测器幅值总和形成差，相对的幅值信号sigUss＝2*Hz.Uss-(D1.Uss+D2.Uss)(绿色，右边的y轴)随着气体混合物中的CO2含量的提高例如升高。根据一个实施例，图15在压力为p＝1010mbar、温度为Tamp＝24℃以及在频率为f＝120Hz时加热功率为P＝(15±12.5)mW的情况下对于空气中(0…5)体积％CO2示出探测器的幅值。
1.3.1.2压力相关性
传感器信号能够与压力和温度强烈相关。因此，为了正确地确定气体特性，横向效应应是已知的并且由算法修正。在图16中例如示出传感器信号在空气中相对于绝对压力和对于不同温度的横向灵敏性。例如相对于在空气中在频率为f＝120Hz时加热功率为P＝(15±12.5)mW的情况下，关于在不同的温度Tamp＝(18...28)℃的压力p＝(910...1110)mbar，示出探测器D2-D1之间(例如第一热电偶结构D1与第二热电偶结构D2之间)的相移D2-D1对于空气的交叉灵敏度。
如理论上计算的那样，压力影响示出线性关系，温度影响显示平方关系。两个横向灵敏性处于对于气体浓度自身的信号的量级中。
1.3.1.3加热功率和频率相关性
图17a示出表示在CO2中测量时相位与频率的相关性的传感器信号的视图。换言之，图17a示出在100％CO2中与频率相关的相移的图表。相位进入饱和。
图17b示出表示在CO2中测量时幅值与频率的相关性的传感器信号的视图。换言之，图17b示出在100％CO2中与频率相关的幅值的图表。幅值下降至接近零。
与空气比较，在燃气中测量时，加热功率应略微降低，借此系统不超过其A/D范围。在加热功率变型方案中已经证明，在实践中有意义的是，以最大可能的传感器幅值运行系统，与将加热功率设定到最小值相比进而获得更稳定的信号，在这种情况下，尽管热学上更小地影响试样气体，然而信噪间距也下降。周期性输入到传感器中的加热能量必须能够在所述周期内例如离开试样体积，借此试样体积不会持续加热。在三个所构造的测量系统中，例如固定地设定在120Hz下大约为26mW的峰值加热功率。
传感器性能是理想的1阶低通滤波器，在传感器信号中不存在谐波谱分量。由于所述原因，穿过频谱的主动的摇摆不得出附加信息。因此决定，在固定频率的情况下运行传感器，能够降低对于系统的电子装置耗费，直至获得可靠的值所需要的测量时间明显更短。(所有可选)
加热器处的激励频率越高，则能够在加热器与探测器之间通过气体传输越少的能量，因为传感器自身的热质量限制固体与气体之间的传输速度。幅值随着频率增大朝向消失的信号下降至接近零(参见图17b)，相移饱和到最大值(参见图17a)。
由对于不同的气体混合物的相位分辨率、相位差和幅值形成最优值得出，在频率例如为120Hz时在加热功率为26mW的情况下对于微线传感器以及在频率为160Hz时在大约8mW的情况下对于薄层膜片上的MEMS热电堆传感器的最好的相位响应。(细节可选)
1.3.1.4燃气混合物
在测量位置处研究不同的气体组分。图18示出用于甲烷的传感器的相位信号在越来越多混入氮气的情况下作为近似线性性能的改变。例如示出与甲烷中的氮气浓度相关的相位信号作为加热器与探测器1之间的相位差D1-Hz.dPhi(红色)，具有200μm间距；加热器与探测器2之间的相位差D2-Hz.dPhi(蓝色)，具有300μm间距；以及探测器2与探测器1之间的相位差D2-D1.dPhi(绿色，右边的y轴)。在此，在图18中在压力为p＝990mbar、温度为Tamp＝21℃以及在频率为f＝120Hz时加热功率为P＝(13±12.5)mW的情况下对于甲烷中的(0...30)体积％N2示出根据一个实施例的加热器探测器的相移。
图19示出借助于第一探测器检测的幅值D1.Uss(红色)，以及借助于第二探测器检测的幅值D2.Uss(蓝色)的图表。在此，在图19中在压力为p＝990mbar、温度为Tamp＝21℃以及在频率为f＝120Hz时加热功率为P＝(13±12.5)mW的情况下对于甲烷中的(0...30)体积％N2示出根据一个实施例的探测器的幅值。例如在甲烷中的N2浓度提高时，也就是说在气体混合物中的热扩散率降低时，两个幅值信号D1.Uss和D2.Uss下降。通过由加热器幅值和探测器幅值总和形成差，例如相对幅值信号sigUss＝2*Hz.Uss-(D1.Uss+D2.Uss)(绿色，右边的y轴)随着N2浓度提高而升高。
图20示出对于不同燃气混合物从相位和幅值中计算的传感器信号sigX(气体传感器的组合信号的实例)。因此，图20对于如下不同的燃气及其混合物示出传感器信号(气体传感器的组合信号的实例)，即甲烷、乙烷和丙烷，以及混合物：甲烷95-乙烷05、甲烷93-乙烷05-CO202、乙烷91-乙烷05-CO204、甲烷91-乙烷05-CO202-丙烷02、甲烷90-乙烷10和天然气-L(2位的数字描述气体组分以体积百分比为单位的份额)。甲烷、乙烷和丙烷显示出彼此间明显的差别，然而具有2体积％至10体积％的份额的其他气体的甲烷混合物也彼此不同。在此，在图20中在压力为p＝1001mbar、温度为Tamp＝26℃以及在频率为f＝120Hz时加热功率为P＝(13±12.5)mW的情况下对于不同的燃气示出根据一个实施例的图20中的传感器信号。
1.3.1.5来自气体混合物中的测量的认知
传感器信号示出强烈的压力和温度相关性。因此，为了在回引到标准条件和出自表格资料的比较的情况下正确地确定已知的混合物的气体特性，横向效应例如是已知的并且被修正。压力影响示出线性关系，温度影响示出平方关系。两个横向灵敏性处于对于气体浓度自身的信号的量级中。
1.3.2用于借助于相对于用于例如气体传感器的气体压力和气体温度的漂移修正针对气体混合物进行校准的方法(例如根据方面2；细节可选)
1.3.2.1由相位和幅值构成的总和信号(实例)
由相位测量和幅值测量构成的组合已经证实为是特别稳定的传感器信号(组合信号)。两个信号例如借助于单独的常数加权并且例如彼此相加进而组合成唯一的传感器信号：
sigX＝sigUss*Ka+sigPhi*Kp (13)
其中sigX表示所计算的总和信号，sigUss表示相对幅值信号，并且sigPhi表示两个探测器的相加的相位信号。因数Ka和Kp是常数，两个部分信号与所述常数相乘。在将幅值信号换算成mV时，例如Ka＝1/3500，并且在将相位信号换算成度时，例如对于直至30体积％CO2的CO2空气混合物Kp＝1/276。
相加的相位信号sigPhi例如由对于加热器脉冲的上升沿与探测器处的上升沿之间的运行时间的两个相位差的总和形成。例如适用的是：
sigPhi＝(D1-Hz).phi+(D2-Hz).phi (14)
其中(D1-Hz).phi和(D2-Hz).phi应表示加热器与探测器之间的相位差。
如在图14中可见的，加热器与探测器之间的相位差随着CO2浓度增大，也就是说随着热扩散率增大而升高，然而探测器处的两个幅值随着热扩散率增大而下降(图15)。
例如通过由加热器幅值和探测器幅值总和求差，相对幅值信号随着气体混合物中的CO2含量提高而升高：
sigUss＝2*Hz.Uss-(D1.Uss+D2.Uss) (15)
由相位和幅值计算的信号sigX对于(0..6)体积％CO2例如在(1.7..2.0)之间的范围中移动。设备(例如气体传感器)在(16..28)℃之间的温度范围中并且在(900..1200)mbar之间的气压范围中测量。
1.3.2.2经由多项式补偿的漂移修正(细节可选)
在针对已知的气体混合物校准传感器时，应补偿传感器信号的强烈的压力和温度相关性，以便能够由测量值推断出气体浓度。
从中例如得出4维向量场(矩阵)，所述4维向量场由气体浓度(CO2[体积％])、传感器信号sigX(由相位和幅值构成的总和信号)、压力漂移和温度漂移组成。突出的是，在图21中的图表中，气体浓度与传感器信号之间的相关性的各自代表恒定的环境压力或恒定的温度的各个图形彼此平行移动。如果现在从所有彼此平行移动的特征曲线中形成平均图形，则获得对于平均温度和平均压力的信号的归一化的关系(参见图21中的红线230a)。
图21示出在压力范围(900..1200)mbar中和在温度范围(16..28)℃中氮气中的(0..5)体积％CO2的气体浓度的变化的测量数据的矩阵。借助于压力相关的多项式函数，校准曲线的绿线230b能够朝向当前工作压力移动。红线230a对应于所有蓝线2301至23016的平均值并且是关于气体浓度的传感器信号的针对平均温度和平均压力归一化的特征曲线。
如果绘制由对于每个温度和平均气体浓度测量的变化构成的传感器信号sigX关于压力的特征曲线(参见图22)，则同样获得彼此平行移动的由直线组成的曲线簇。较高的压力和冷的气体，也就是说彼此更紧密的气体分子引起更高的传感器信号，低的压力和热的气体得出低的信号sigX。
因此，图22示出对于平均固定气体浓度的传感器信号sigX的压力相关性，由不同温度组成的曲线簇。最下面的线2301描述在最高温度28℃时在变化时的关系，并且最上面的线2307表示在16℃时信号的压力相关性。
如果在图22中对于固定平均传感器信号sigX将水平直线置于平行直线簇中，所述水平直线与曲线簇的所有线相交，则获得在图23中在气体压力与气体温度之间的关系。
图23示出气体压力与气体温度之间的轻微平方关系(对于平均气体浓度和平均传感器信号sigX)。
1.3.2.3求取回归常数(细节可选)
在针对特定的气体混合物校准气体传感器时，从变化矩阵中依次形成关于上述关系的回归。回归平面A描述校准-参考的气体浓度与传感器信号sigX之间的关系。每压力和温度的各个曲线分别在平放回归中根据下式逼近：y＝A.c0+A.c1*sigX+A.c2*sigX2。因为所有曲线的升高近似恒定并且平方系数c2趋向于零，所以从所有值中对于系数A.c0、A.c1和A.c2分别形成平均值，获得在图21中红色示出的关于全部测量值变化2301至23016的平均特征曲线230a。所述特征曲线必须对应于压力的漂移影响在x轴上移动。由于压力相关的sigX0＝f(p)寻找所属的偏置A.c0，所述偏置置入回归平面A的方程中。
回归平面B描述传感器信号sigX的压力漂移。根据压力漂移重新计算偏置A.c0：A.c0＝sigX.y0-B.c1*压力.x0-B.c2*压力.x0^2。如果能够设置sigX.y0＝0，则方程简化成：A.c0＝-(B.c1*压力.x0+B.c2*压力.x0^2)。(现在)压力相关的多项式系数A.c0＝f(p)例如在平面A的回归方程中替代(置换)。
例如从偏置与升高之间的角度关系的余弦关系中算出对于回归平面A的多项式的求取的压力相关的偏置，其中：A.c1＝A.c0/sigX0；sigX0＝f(p)以及A.c0＝(-1)*sigX*A.c1。在具有更高阶的多项式的情况下，应形成曲线的1阶倒数并且从中计算参考点中的升高。
1.3.2.4信号换算成CO2值(实例；细节可选)
对于回归平面A的多项式中的气体浓度所计算的值例如以压力漂移和温度漂移修正：
其中A.y(sigX)、B.y(p)和C.y(T)分别对应于对于测量信号的完整的多项式、气体压力和气体温度。
如果在公式中使用表示变化范围的几何中心的固定参考并且对应地求解多项式，则得出以下方程。在B.ref＝B.y(c.ref)的情况下如下：
对于使用C.ref＝1050mbar得出：
图24示出用于在考虑压力和温度的影响的情况下从所形成的传感器信号sigX中求取气体浓度的示意性方法的方框图。换言之，图24示出用于由幅值和相位形成传感器信号sigX的示意图以及在考虑压力和温度影响的情况下从sigX中求取气体浓度(实例)。
除了针对已知的气体混合物的浓度校准传感器信号之外，还可行的是，直接确定气体混合物的热扩散率α。在图25中相对于传感器信号sigX绘制理论上计算的热扩散率。换言之，图25示出在由氮气N2中的二氧化碳CO2构成的混合物中的压力恒定和温度恒定时相对于传感器信号sigX的热扩散率。热扩散率2401(红线)随着CO2浓度2402(绿线)提高而下降。
因此，在本文中描述用于测量物理气体特性的热学气体传感器的设计和评估。借助本发明，提出以下内容(方面彼此独立并且能够组合使用)：
·传感器设计基于两个技术变型方案：SOI基板上的MEMS金属线传感器以及薄层膜片上的热电堆传感器
·运行气体传感器：基于嵌入式系统的信号生成和评估
·用于针对气体混合物借助于相对于气体压力和温度的漂移修正进行校准的评估算法
1.4市场——可能的应用领域(可选)
在用于呼吸的医学技术中
在天然气分析中——确定热值
当今，在市场上存在用于患者呼吸的不同的系统。所述系统根据在临床和家庭护理领域(例如 und Stephan Medizintechnik公司的系统)中的使用来区分。所述提供者的系统仅在其顶端变型中包括用于确定压力、呼吸流和呼吸气体分析的所有必需的测量装置。为此，必须将主要远离患者测量的多个设备组合。从中能够得出，呼吸流和CO2含量的成本有利的靠近患者的测量现今还未实现，进而随着具有混合过滤器的多传感器系统的发展也确认项目的革新内容。
根据我们的观点，基于MEMS的新型气体测量系统的成功发展是用于呼吸技术的传感器装置的重要进步。两个传感器(CO2和流动)集成到传感器系统中引起构造空间和系统重量(在插管患者的情况下的重要标准)的明显减小。直接在面具或管处——尽可能靠近呼吸道——的靠近患者的测量地点才能够实现充分精确的测量，以便避免通过软管、运动或其他干扰源造成的影响。通过热学测量原理，还预期更精确的流动测量和快速的气体分析。
在下文中示出其他实施例，换言之，描述根据本发明的气体传感器的特征和功能。所述实施例能够与上述实施例组合或为替选方案。
根据一个实施例，气体传感器涉及膜片传感器。基于具有穿孔的膜片的膜片技术和热电堆技术的热学气体传感器能够设计成，经由膜片或结构的悬挂部使寄生热传递最小化，以便获得更高的气体敏感的信号。
根据一个实施例，根据本发明的气体传感器能够具有电子装置，其中电子装置单独地或组合地能够具有以下方面中的一个或多个方面。电子装置能够具有带有经由软件追踪的工作点的DC传感器放大器。此外，电子装置能够设计成，经由微控制器的内部计时器结构(MSP430)测量相位，其中为此例如使用经由模拟开关经由微控制器的内部计时器结构(MSP430)精确地产生加热器激励信号。此外，电子装置能够设计成，经由施密特触发器来测量传感器信号的相位，所述施密特触发器测量不具有DC偏置的在过零点中的传感器信号，因为在那里信号最陡，进而相位噪声最小化。可选地，电子装置包括经由S1幅值调节器调节加热功率和/或调节采样的计时。
根据一个实施例，气体传感器能够具有校准。在此，校准能够构成为，由相位和幅值形成伪信号，其中在信号形成和公式中，重点能够在于伪信号。
应指出，实施例能够根据权利要求借助在此描述的所有特征、功能和细节补充(只要这不导致任何矛盾)。
权利要求的特征、功能和细节也能够与在此描述的实施例组合，以便获得附加的实施例。
应指出，只要不与重大的技术原因相冲突，在实施例中的各个实施例或若干实施例中示出的特征和功能也能够在其他实施例中使用。
此外应指出，只要不与重要的技术原因冲突，也能够使用在此描述的实施例的部分功能。
尽管若干方面结合设备描述，然而应理解，所述方面也为对应的方法的描述，使得设备的方框或构件也理解为对应的方法步骤或理解为方法步骤的特征。与此类似地，结合方法步骤或作为方法步骤描述的方面也为对应的设备的对应的方框或细节或特征的描述。方法步骤中的若干或所有方法步骤能够通过硬件设备(或利用硬件设备)，如例如微处理器、可编程计算机或电子电路来实施。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的一些或多个方法步骤能够通过这种设备来实施。
根据特定的实施需求，本发明的实施例能够以硬件形式或以软件形式实施。所述实施能够在使用数字存储介质，例如软盘、DVD、蓝光盘、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存、硬盘或其他磁性或光学存储器的情况下执行，在其上存储有电子可读的控制信号，所述控制信号与可编程计算机系统能够共同作用或共同作用，使得执行相应的方法。因此，数字存储介质能够是计算机可读的。
因此，根据本发明的若干实施例包括数据载体，所述数据载体具有电子可读的控制信号，所述控制信号能够与可编程计算机系统共同作用，使得执行在此描述的方法中的一个方法。
一般地，本发明的实施例能够实施为具有程序代码的计算机程序产品，其中程序代码如下是有效的：当在计算机上运行计算机程序产品时，执行所述方法中的一个方法，。
程序代码例如也能够存储在机器可读的载体上。
另外的实施例包括用于执行在此描述的方法的计算机程序，其中计算机程序存储在机器可读的载体上。
因此换言之，根据本发明的方法的一个实施例是计算机程序，所述计算机程序具有程序代码，所述程序代码用于当在计算机上运行计算机程序时，执行在此描述的方法中的一个方法。
因此，根据本发明的方法的另一实施例是数据载体(或数字存储介质或计算机可读的介质)，在所述数据载体上存储有用于执行在此描述的方法中的一个方法的计算机程序。数据载体、数字存储介质或计算机可读的介质典型地是具体的和/或非短暂的或非瞬时的。
因此，根据本发明的方法的另一实施例是数据流或信号序列，所述数据流或信号序列为用于执行在此描述的方法的计算机程序。数据流或信号序列例如能够如下配置：经由数据通信连接、例如经由因特网来传送。
另一实施例包括处理装置、例如计算机或可编程的逻辑构件，所述处理装置如下配置或调整，执行在此描述的方法中的一个方法。
另一实施例包括计算机，在所述计算机上安装有用于执行在此描述的方法中的一个方法的计算机程序。
根据本发明的另一实施例包括设备或系统，所述设备或系统设计成，将用于执行在此描述的方法中的至少一个方法的计算机程序传输给接收器。例如能够电子地或光学地进行所述传输。接收器例如能够是计算机、移动设备、存储器设备或类似设备。设备或系统例如能够包括用于将计算机程序传输给接收器的文件服务器。
在若干实施例中，能够将可编程的逻辑构件(例如现场可编程门阵列、FPGA)用于执行在此描述的方法的若干或所有功能。在若干实施例中，现场可编程门阵列能够与微处理器共同作用，以便执行在此描述的方法中的一个方法。一般地，在若干实施例中在任意硬件设备方面执行所述方法。所述硬件设备能够是可通用的硬件，如计算机处理器(CPU)或对于所述方法特定的硬件，如例如ASIC。
在此描述的设备例如能够在使用硬件设备的情况下，或在使用计算机的情况下，或在使用硬件设备和计算机的组合的情况下实施。
在此描述的设备，或在此描述的设备的每个部件能够至少部分地以硬件形式和/或以软件(计算机程序)形式实施。
在此描述的方法例如能够在使用硬件设备的情况下，或在使用计算机的情况下，或在使用硬件设备和计算机的组合的情况下实施。
在此描述的方法、或在此描述的方法的每个部件能够至少部分地通过硬件和/或通过软件实施。
上述实施例仅仅为本发明的原理的图解说明。应理解，在此描述的装置和细节的改型和变型对于其他本领域技术人员是清楚的。因此有意的是，本发明仅仅通过所附权利要求的保护范围并且不通过根据实施例的描述和阐述在此表现的特定细节来限制。
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Claims (18)

1.一种气体传感器(100)，所述气体传感器包括：
膜片(110)；
加热元件(120)，所述加热元件在所述膜片(110)中或在所述膜片(110)上设置在所述膜片(110)的第一中断区域(160)与所述膜片(110)的第二中断区域(170)之间，
其中所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)具有所述膜片(110)的至少一个中断部(162，1621，162i)，并且其中所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)具有所述膜片(110)的至少一个中断部(172，1721，172i)，
第一温度传感器结构(130)，所述第一温度传感器结构至少部分地在所述膜片(110)中或在所述膜片(110)上设置在所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)的与所述加热元件(120)相反的一侧上；以及
第二温度传感器结构(140)，所述第二温度传感器结构至少部分地在所述膜片(110)中或在所述膜片(110)上设置在所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)的与所述加热元件(120)相反的一侧上。
2.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述膜片(110)通过由载体材料构成的框架(150)展开，所述载体材料设计成，使得所述膜片(110)的温度膨胀系数与所述载体材料的温度膨胀系数不同。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，
其中所述第一温度传感器结构(130)是第一热电偶结构，所述第一热电偶结构的热端部在所述膜片中或在所述膜片上设置在所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)的与所述加热元件(120)相反的一侧上；
其中所述第二温度传感器结构(140)是第二热电偶结构，所述第二热电偶结构的热端部在所述膜片中或在所述膜片上设置在所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)的与所述加热元件(120)相反的一侧上。
4.根据权利要求2所述的气体传感器(100)，
其中所述第一温度传感器结构(130)是第一热电偶结构，所述第一热电偶结构的热端部在所述膜片中或在所述膜片上设置在所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)的与所述加热元件(120)相反的一侧上；
其中所述第二温度传感器结构(140)是第二热电偶结构，所述第二热电偶结构的热端部在所述膜片中或在所述膜片上设置在所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)的与所述加热元件(120)相反的一侧上，
其中所述第一热电偶结构(130)的冷端部(134)和所述第二热电偶结构(140)的冷端部(144)设置在所述载体材料上。
5.根据权利要求3所述的气体传感器(100)，
其中所述第一热电偶结构(130)的热端部(132)伸展直至所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)的边缘，并且所述第二热电偶结构(140)的热端部(142)伸展直至所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)的边缘。
6.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)具有连续的中断部(162)，所述中断部的纵向扩展(164)大至，使得所述中断部完全覆盖所述第一温度传感器结构(130)与所述加热元件(120)之间的区域，并且其中所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)具有连续的中断部(172)，所述中断部的纵向扩展(174)大至，使得所述中断部完全覆盖所述第二温度传感器结构(140)与所述加热元件(120)之间的区域。
7.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述第一中断部区域(160)的中断部(162，1621，162i)的横向扩展(166)与所述第二中断区域(170)的中断部(172，1721，172i)的横向扩展(176)不同。
8.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述第一温度传感器结构(130)距所述加热元件(120)的间距(1801，1802)与所述第二温度传感器结构(140)不同。
9.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述第一温度传感器结构(130)距所述加热元件(120)间距(1801，1802)与所述第二温度传感器结构(140)相同。
10.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述第一中断区域(160)和所述第二中断区域(170)具有多个中断部(162，1621，162i，172，1721，172i)，所述中断部设置成，使得产生格栅结构，在所述格栅结构中，所述中断部(162，1621，162i，172，1721，172i)以平行于所述加热元件(120)的排设置，并且所述排彼此错开地设置。
11.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述第一中断区域(160)和所述第二中断区域(170)具有多个中断部(162，1621，162i，172，1721，172i)，所述中断部设置成，使得产生格栅结构，在所述格栅结构中，通过所述膜片(110)的热传导的路径(114a，114b)比直接路径(122a，122b，210，220)更长。
12.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述第一中断区域(160)中和所述第二中断区域(170)中的中断部(162，1621，162i，172，1721，172i)是具有圆角的矩形切口。
13.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述第一中断区域(160)中和所述第二中断区域(170)中的中断部(162，1621，162i，172，1721，172i)的长度(164，174)是宽度(1166，176)的至少三倍。
14.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，
其中所述第一中断区域(160)中的中断部(162，1621，162i)之间的间距(168)和所述第二中断区域(170)的中断部(172，1721，172i)之间的间距(178)对应于最小待实现的结构宽度，所述结构宽度得出机械持久的格栅结构。
15.根据权利要求3所述的气体传感器(100)，
其中所述加热元件(120)、所述第一热电偶结构(130)和/或所述第二热电偶结构(140)借助于保护层钝化。
16.一种用于运行气体传感器(100)的方法，所述气体传感器包括：膜片；加热元件，所述加热元件在所述膜片中或在所述膜片上设置在所述膜片(110)的第一中断区域(160)与所述膜片(110)的第二中断区域(170)之间，其中所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)具有所述膜片(110)的至少一个中断部(162，1621，162i)，并且其中所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)具有所述膜片(110)的至少一个中断部(172，1721，172i)；第一温度传感器结构(130)，所述第一温度传感器结构至少部分地在所述膜片(110)中或在所述膜片(110)上设置在所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)的与所述加热元件(120)相反的一侧上；以及第二温度传感器结构(140)，所述第二温度传感器结构至少部分地在所述膜片(110)中或在所述膜片(110)上设置在所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)的与所述加热元件(120)相反的一侧上，
所述方法具有以下特征：
对所述加热元件进行加热；
经由气体混合物传导热量，其中与经由所述膜片相比，更多的热量经由包围所述气体传感器的气体混合物从所述加热元件传导至所述温度传感器结构；以及
通过温度传感器结构的热端部来探测热传输。
17.根据权利要求16所述的方法，
其中所述方法包括：基于热传输的探测来确定气体浓度和/或气体组分和/或气体流动。
18.一种气体传感器(100)，所述气体传感器包括：
膜片(110)；
加热元件(120)，所述加热元件在所述膜片(110)中或在所述膜片(110)上设置在所述膜片(110)的第一中断区域(160)与所述膜片(110)的第二中断区域(170)之间，
其中所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)具有所述膜片(110)的至少一个中断部(162，1621，162i)，并且其中所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)具有所述膜片(110)的至少一个中断部(172，1721，172i)，
第一热电偶结构(130)，所述第一热电偶结构的热端部(132)在所述膜片(110)中或在所述膜片(110)上设置在所述膜片(110)的所述第一中断区域(160)的与所述加热元件(120)相反的一侧上；
第二热电偶结构(140)，所述第二热电偶结构的热端部(142)在所述膜片(110)中或在所述膜片(110)上设置在所述膜片(110)的所述第二中断区域(170)的与所述加热元件(120)相反的一侧上。
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