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Stand
der Technik
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Ein
Sensortyp zur Erfassung der Temperatur eines gasförmigen Fluides
ist z. B. ein Heißfilmluftmassenmesser
(HFM), der z. B. aus
DE
196 01 791 A1 bekannt ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern
wird üblicherweise
eine dünne
Sensormembran auf einen Sensorchip, bei dem es sich bevorzugt um
einen Silicium-Sensorchip handelt, aufgebracht. Auf der Sensormembran
ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von
zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen umgeben ist. In einem
Luftstrom, welcher über
die Membran geführt
wird, ändert
sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst
werden kann. Somit kann z. B. aus der Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände ein
Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Variationen
dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt. Aus
DE 101 11 840 C2 geht
ein Sensorchip hervor, welcher ein Rahmenelement, das aus Silicium
gefertigt ist, mit einer darauf aufgebrachten Membran aufweist. Auf
der Membran sind verschiedene Metallbahnen angeordnet, welche als
elektrische Heizer und/oder Messwiderstände fungieren, wodurch der
Bereich der Membran einen Sensorbereich bildet. Weiterhin kann auf
der Oberfläche
des Sensorchips zusätzlich mindestens
ein Zusatzheizer angeordnet sein, welcher elektrisch so erhitzt
werden kann, dass im Bereich des Zusatzheizers im strömenden Medium Thermogradientenwirbel
gebildet werden.
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Neben
der Erfassung der Temperatur eines gasförmigen Fluides spielt die Detektion
von Komponenten, aus welchen sich das jeweilige gasförmige Fluid
zusammensetzt, eine große
Rolle. Zur Detektion von beispielsweise Wasserstoff macht man sich die
Eigenschaft des Wasserstoffs zunutze, dass dieser eine wesentlich
bessere Wärmeleitfähigkeit
als beispielsweise Luft besitzt. Bei einem Sensoraufbau, der ähnlich gestaltet
ist wie der von Heißfilmluftmassenmessern
(HFM), diffundiert z. B. ein Luft-Wasserstoff-Gemisch durch eine
dünne Membran
oder ein enges Gitter in den Messraum eines Sensors. Das Vorhandensein
von Wasserstoff im gasförmigen
Fluid verändert
die Temperatur der beheizten Messmembran oder deren Wärmeleistung,
die an die Umgebungsluft abgegeben wird. Daraus wiederum wird ein
Messsignal erzeugt. Üblicherweise
werden diese Sensoren mit Messchip- beziehungsweise Gehäusetemperaturen
betrieben, die etwa der Raumtemperatur (25°C) entsprechen. Die in diesen
Sensoren eingesetzten Membranen werden üblicherweise bei Übertemperaturen
in Bezug auf die Messchip- oder Gehäusetemperatur zwischen 80 K
und 120 K betrieben. Von Nachteil bei diesen Messsensoren ist der
im gasförmigen
Fluid enthaltene Feuchtigkeitsanteil. Die im gasförmigen Fluid
enthaltene Feuchtigkeit beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit des gasförmigen Fluides,
z. B. eines Wasserstoff-Luft-Gemisches. Bei Raumtemperatur, etwa
bei 25°C,
kann der Einfluss des im gasförmigen
Fluid enthaltenen Feuchtigkeitsanteiles so groß sein, dass ein Nachweis von
Wasserstoff durch den Sensor nicht mehr in der gebotenen Eindeutigkeit
möglich
ist.
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Bei
diffusiven Prozessen dominiert die Wärmeleitfähigkeit des gasförmigen Fluides
die Wärmeübertragung,
während
bei konvektiven Wärmeaustauschprozessen,
d. h. wenn Frischluft zugeführt wird,
die Wärmekapazität des gasförmigen Fluides für den sich
einstellenden Wärmeübergang
maßgebend
ist. Die im gasförmigen
Fluid enthaltene Luftfeuchtigkeit beeinflusst beide Wärmeübertragungsmechanismen,
wobei bei zunehmender Feuchte die Wärmekapazität des gasförmigen Fluides steigt, dessen
Wärmeleitfähigkeit
jedoch sinkt. Damit wird die Wärmeübertragung
und damit der Wärmestrom
entsprechend der Anteile von Diffusion und Konvektion am Wärmeübertragungsprozess
beeinflusst.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluss
von in einem gasförmigen Fluid
enthaltener Luftfeuchtigkeit durch Herbeiführung einer definierten Konvektion
zu kompensieren.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
dass an einem Sensor zur Detektion einer Komponente eines mehrere
Komponenten enthaltenden gasförmigen
Fluides erreicht wird, dass die im gasförmigen Fluid enthaltene Luftfeuchte
das erhaltene Messergebnis nicht beeinflusst, indem ein geeignetes
Verhältnis
zwischen Konvektion und Diffusion bei der Wärmeübertragung eingestellt wird.
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Bei
Sensoren, die eine beheizte Messmembran aufweisen, entsteht aufgrund
der Beheizung der Messmembran auf dieser ein starker Temperaturgradient.
Durch thermisches Kriechen wird das gasförmige Fluid in unmittelbarer
Nähe zur
Oberfläche
eines Messchips von kalten zu heißen Stellen transportiert.
Beidseits der beheizten Messmembran entstehen auf Grund des herrschenden
Temperaturgradienten Thermogradientenwirbel. Ist der Messraum von
einem Deckel mit Membraneigenschaften verschlossen, diffundiert
H2 durch diesen in den Messraum, in dem
sich der Sensor befindet. In diesem Falle ist bei einem mit einem
geschlossenen Deckel oder einer geschlossenen Abdeckung versehenen Messchip
der Vorgang der Wärmeübertragung
eindeutig diffusionsdominiert.
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Erfindungsgemäß wurde
gefunden, dass die Thermogradientenwirbel und die daraus resultierende
Teilchenbewegung an der Oberfläche
des Messchips dazu genutzt werden können, um gezielt einen Konvektionsprozess
herbeizuführen
und mit diesem den Einfluss der Feuchte, die im gasförmigen Fluid
enthalten ist, zu kompensieren. Der Konvektionsprozess entlang des
Messchips wird dadurch herbeigeführt,
dass die Messmembran an ihrer Oberseite von einem Strom des gasförmigen Fluides überstrichen wird.
Im Gehäuse
des Sensors werden gezielt Öffnungen
eingebracht, die z. B. als horizontal verlaufende Kanäle ausgebildet
sein können.
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Durch
die seitlich im Gehäuse
ausgebildeten Öffnungen
wird erreicht, dass frisches gasförmiges Fluid in einen vom Gehäuse umgebenen
Hohlraum eintritt und von diesem über die erwähnte, zentral im Gehäusedach
ausgebildete Öffnung
dieses wieder verlässt.
Aufgrund der im Gehäuse
des Sensors ausgebildeten Öffnungen
tritt frisches gasförmiges
Fluid in einen vom Gehäuse
begrenzten Messraum ein, welches anschließend aufgrund der Aufheizung durch
die zentrale Öffnung
in der Gehäusedachfläche abströmt. Dadurch
wird eine Konvektionsströmung
erreicht, die bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Sensor den
dominierenden Transportmechanismus darstellt. Entsprechend der Auslegung und
der Lage der Öffnungen
im Gehäuse
lässt sich der
Anteil des Konvektionsprozesses und des Diffusionsprozesses in Bezug
auf die Gesamtwärmeübertragung
einstellen und eine Feuchtekompensation vorgeben.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
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1 einen
Querschnitt durch einen aus dem Stande der Technik bekannten Sensor
zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides,
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2 das
geschlossene Gehäuse
des in 1 dargestellten Sensors,
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2.1 den Temperaturverlauf der Messmembran aufgetragen über die
Erstreckung der Messmembran und
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3 einen
Schnitt durch das wie erfindungsgemäß vorgeschlagen ausgestaltete
Gehäuse des
Sensors zur Erfassung einer Komponente eines gasförmigen Fluides.
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Ausführungsbeispiele
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Der
Darstellung gemäß 1 ist
ein Schnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Sensor
zur Detektion einer Komponente eines mehrere Komponenten enthaltenden
gasförmigen
Fluides zu entnehmen.
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Ein
Gehäuse 16 eines
Sensors 10 ist an der Oberseite des Gehäuses 16 durch einen
Deckel 12 verschlossen. Das Gehäuse 16 und der Deckel 12 begrenzen
einen Messraum 14, in welchem ein Messchip 18 aufgenommen
ist. Am Messchip 18 befindet sich eine beheizbare Membran 20.
Der Messchip 18 ist innerhalb des Gehäuses 16 auf einem
Gehäuseboden 24 fixiert.
Durch die als Deckel 12 gestaltete Abdeckung des Gehäuses 16 diffundiert
ein gasförmiges
Fluid 26, bei welchem es sich z. B. um ein gasförmiges Fluid 26 handelt,
welches Wasserstoff, Luft und eine sich willkürlich einstellende Luftfeuchte
enthält.
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Der
Darstellung gemäß 2 ist
eine vereinfachte Schnittdarstellung durch das Gehäuse des Sensors
gemäß 1 zu
entnehmen.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
hervor, dass ein Chipsockel 34, auf welchem der Messchip 18 aufgenommen
ist, erhaben aus dem Gehäuseboden 24 des
Gehäuses 16 herausragt.
Der Chipsockel 34 weist eine Chipsockeloberfläche 36 auf,
in die die beheizbare Membran 20, die Messmembran, bündig eingelassen
ist. Durch die beheizbare Membran 20 entsteht auf deren
Oberfläche
ein starker Temperaturgradient. Aufgrund dieses Temperaturgradienten
wird durch thermisches Kriechen (thermal creep) gasförmiges Fluid
in unmittelbarer Wandnähe von
kalten Stellen zu heißen
Stellen transportiert. In der in 2 dargestellten
Ausführungsvariante
handelt es sich bei dem Gehäuse 16 um
ein geschlossenes Gehäuse 30,
welches lediglich in den Messraum 14 diffundierendes gasförmiges Fluid 26 durchlässt. Aufgrund
der beheizten Membran 20 entstehen oberhalb der beheizbaren
Membran 20 der Messmembran mit Bezugszeichen 32 bezeichnete
Thermogradientenwirbel. Da es sich bei dem Gehäuse 16 um ein geschlossenes
Gehäuse 30 handelt,
ist der Wärmeaustauschvorgang
diffusionsdominiert, da durch den Deckel 12 des geschlossenen
Gehäuses 30 gasförmiges Fluid 26 (vergleiche
Darstellung gemäß 1) nur
aufgrund von Diffusion in den Messraum 14 eintritt.
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Der
Darstellung gemäß 2.1 ist der sich an der beheizbaren Membran einstellende
Temperaturverlauf, aufgetragen über
die Erstreckung der Membran in der Zeichenebene, zu entnehmen.
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Die
Temperatur der beheizbaren Membran 20, in 2.1 durch TM gekennzeichnet,
nimmt ihr Maximum im zentralen Bereich an. Durch die als Rampe 40 beschaffenen
Temperaturverläufe
ist angedeutet, dass die beheizbare Membran 20, d. h. die Messmembran,
in ihren Randbereichen an den Übergängen zur
Chipsockeloberfläche 36 eine
niedrigere Temperatur, nämlich
Raumtemperatur TR aufweist. Aufgrund des
hohen Temperaturgradienten stellen sich die in 2 dargestellten
Thermogradientenwirbel 32 oberhalb der beheizbaren Membran 20 ein.
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Der
Darstellung gemäß 3 ist
ein Gehäuse
mit Öffnungen
zu entnehmen, durch welches ein sowohl auf Konvektion als auch auf
Diffusion beruhender Wärmeübertragungsprozess
erreicht wird.
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In
der in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst der Sensor 10 ein Gehäuse 16,
welches eine Öffnung 44 im
Sensorgehäusedeckel 42 aufweist,
und welches an mindestens einer Gehäuseseite 58, 60 mindestens
eine Zuströmöffnung 46, 48 aufweist.
Ist das Sensorgehäuse 16 von
quadratischem oder rechteckigem Grundriss, so können in das Gehäuse 16 sowohl
an einer ersten Gehäuseseite 58 als
auch an einer zweiten Gehäuseseite 60 eine
erste seitliche Zuströmöffnung 46 sowie
eine zweite seitliche Zuströmöffnung 48 ausgebildet
werden. Ist das Sensorgehäuse 16 von
kreisförmigem
Querschnitt und wird durch eine Zylindermantelfläche begrenzt, so können in
dieser in einem Winkelversatz von 90°, 120° oder 180° in Bezug aufeinander, Zuströmöffnungen
ausgebildet sein, die ein Zuströmen
von frischem gasförmigen
Fluid 50 zum Chipsockel 34 ermöglichen. Da die beheizbare
Membran 20 eine Wärmequelle
darstellt, herrscht oberhalb der in eine Einfassung 54 eingelassenen
beheizbaren Membran 20 eine höhere Temperatur verglichen
mit der Temperatur, die neben dem Chipsockel 34 im Messraum 14 herrscht.
Aufgrund der höheren Temperatur
im Bereich oberhalb der beheizbaren Membran 20 wird Konvektion
nahezu lageunabhängig
vom Messraum 14 durch die Thermogradientenwirbel erzeugt.
Damit beruht der erzielte Wärmetransport
sowohl auf der Diffusion von gasförmigem Fluid 26 durch
die z. B. als Membran beschaffene Deckelfläche 12 des Gehäuses 16 als
auch auf konvektivem Wärmetransport,
herbeigeführt
durch die seitlich am Gehäuse
in 3 dargestellten ausgeführten beiden Zuströmöffnungen 46 und 48.
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Der
Sensorgehäusedeckel 42,
der in seinem zentralen Bereich die Öffnungen 44 aufweist,
ermöglicht
auch weiterhin ein Hindurchdiffundieren von gasförmigem Fluid 26 durch
seine z. B. als Membran beschaffene Struktur. Die nach wie vor sich
oberhalb der beheizbaren Membran 20 einstellenden Thermogradientenwirbel 33 werden
dadurch „aufgeklappt" und ermöglichen
dadurch ein Abströmen
von gasförmigem
Fluid 50 durch die Öffnung 44 im
Sensorgehäusedeckel 42.
In der Darstellung gemäß 3 sind
die Reste der Thermogradientenwirbel, die im Vergleich zur Darstellung
gemäß 2 geringer
ausgeprägt
sind, durch Bezugszeichen 33 gekennzeichnet.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird
erreicht, dass der Wärmeübertragungsprozess
sowohl einen diffusiven Anteil als auch einen konvektiven Anteil
aufweist und der Einfluss der im gasförmigen Medium 26, 50 enthaltenen
Luftfeuchte aufgrund des konvektiven Anteiles des Wärmeübertragungsprozesses
zurückgedrängt werden
kann. Da die Luftfeuchte sowohl den diffusiven Prozess als auch
den konvektiven Prozess beeinflusst, bei dem die Wärmekapazität des gasförmigen Fluides 26, 50 maßgebend
ist, kann eine Änderung
des sich einstellenden Wärmestromes,
die abhängig
von der Luftfeuchtigkeit ist, durch einen entsprechenden konvektiven
Anteil am Wärmeübertragungsprozess
kompensiert werden. Da angestrebt wird, dass die Luftfeuchte des
gasförmigen
Fluids 26, 50 das Messergebnis nicht beeinflusst,
wird der Anteil des konvektiven Prozesses dementsprechend gewählt. Der
Anteil des konvektiven Prozesses neben dem Anteil des diffusiven
Prozesses am Wärmeübertragungsvorgang kann
durch eine dementsprechende Dimensionierung sowohl der Öffnung 44 im
Sensorgehäusedeckel 42 als
auch durch eine dementsprechende Dimensionierung der seitlichen
Zuströmöffnungen 46 und 48 eingestellt
und damit vorgegeben werden. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen,
im Gehäuse 16 des
Sensors 10 ausgebildeten Öffnungen 44, 46 und 48 kann
die Teilchenbewegung an der Oberfläche 20 der beheizbaren
Membran 20, welche die Messmembran darstellt, dazu ausgenutzt
werden, eine konvektive Strömung
von frischem gasförmigen
Fluid 50 über
die beheizbare Membran 20 zu erzeugen, mit welcher der
Einfluss der Luftfeuchte auf das erhaltene Signal reduziert und
ganz ausgeschlossen werden kann, da bei einem konvektiven Wärmetransport
die Wärmekapazität des gasförmigen Fluides 26, 50 für den Wärmeübergang
maßgebend
ist.