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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mikroelektrochemischen Sensor, auf ein Verfahren zum Betreiben eines mikroelektrochemischen Sensors sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Um ein Verhältnis zwischen einer Brennstoffmenge für einen Verbrennungsprozess und einer zur Verfügung stehenden Sauerstoffmenge anpassen zu können, wird eine Aussage über eine Sauerstoffkonzentration in einem Abgas des Verbrennungsprozesses benötigt. Da das Abgas an einer Messstelle meist eine hohe Temperatur aufweist, ist ein temperaturbeständiger Sensor zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration erforderlich.
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Die
DE 199 41 051 A1 beschreibt ein Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein mikroelektrochemischer Sensor, ein Verfahren zum Betreiben eines mikroelektrochemischen Sensors sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Sensor benötigt zum Betrieb elektrische Energie. In einem Fahrzeug kann die elektrische Energie über ein Bordnetz bereitgestellt werden. Dadurch ist jedoch pro Sensor eine zumindest zweiadrige Energieversorgungsleitung erforderlich. Zusätzlich ist eine zumindest einadrige Datenleitung erforderlich. Diese Vielzahl an Kabeln wird zu einem Kabelbaum verbunden, der eine große Gesamtlänge erreichen kann. Durch eine Mehrfachnutzung von Leitungen kann die Anzahl der Kabel verringert werden. Über Bussysteme können mehrere Sensoren und/oder Fahrzeugkomponenten über eine Busleitung verbunden werden.
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Der Sensor kann lediglich an eine Datenleitung, insbesondere an eine Busleitung angeschlossen werden, wenn der Sensor eine eigene Energiequelle aufweist, die ausreichend dimensioniert ist, um den Sensor zu versorgen. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung in der Prozesstechnik können immer geringere Energieverbräuche erreicht werden, da Sensorelemente immer weniger Fläche benötigen, um ein Signal bereitzustellen. In gleichem Maß, wie die benötigten Flächen und Schichtdicken schrumpfen, so reduziert sich die notwendige Energieversorgungskapazität einer Energiequelle.
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Es wird ein mikroelektrochemischer Sensor mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
einer Energieversorgungseinheit zum Erzeugen von elektrischer Energie unter Verwendung eines Referenzfluids; und
einer Sensoreinheit zum Bestimmen eines Konzentrationsunterschieds einer chemischen Spezies zwischen einem Messfluid mit einer unbekannten Konzentration der Spezies und dem Referenzfluid, das eine bekannte Konzentration der Spezies aufweist, wobei die Sensoreinheit elektrisch mit der Energieversorgungseinheit verbunden ist und dazu ausgebildet ist, den Konzentrationsunterschied unter Verwendung der elektrischen Energie von der Energieversorgungseinheit zu bestimmen.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines mikroelektrochemischen Sensors gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Erzeugen von elektrischer Energie unter Verwendung eines Referenzfluids; und
Bestimmen eines Konzentrationsunterschieds einer chemischen Spezies zwischen einem Messfluid mit einer unbekannten Konzentration der Spezies und dem Referenzfluid mit einer bekannten Konzentration der Spezies unter Verwendung der elektrischen Energie.
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Unter einem mikroelektrochemischen Sensor kann ein miniaturisierter Sensor zum Erfassen und Abbilden einer physikalischen Größe in einem Signal verstanden werden. Das Signal kann über eine Datenleitung bereitgestellt werden. Eine chemische Spezies kann ein chemisches Element, ein Molekül oder eine chemische Verbindung sein. Das Signal kann ein elektrisches Signal sein. Eine Energieversorgungseinheit kann eine Stromquelle und/oder Spannungsquelle sein, die dazu ausgebildet ist, ein Energiepotenzial zumindest eines Mediums zu nutzen, um elektrische Energie für den Sensor zu gewinnen. Beispielsweise kann die Energieversorgungseinheit ein chemisches Energiepotenzial beim Synthetisieren des Mediums mit zumindest einem weiteren Medium zu einem neuen Medium nutzen, um elektrische Energie zu gewinnen. Die Energieversorgungseinheit kann ebenso ein thermisches Energiepotenzial zwischen zwei Medien oder zwischen dem Medium in einem ersten Zustand und dem Medium in einem zweiten Zustand nutzen, um elektrische Energie zu gewinnen. Das Medium kann in dem Referenzfluid enthalten sein. Die chemische Spezies kann das Medium sein. Die elektrische Energie kann beispielsweise verwendet werden, um den Sensor auf eine Betriebstemperatur zu temperieren. Die elektrische Energie kann auch verwendet werden, um das Signal zu bearbeiten. Beispielsweise kann das Signal verstärkt werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Bereitstellens eines Konzentrationssignals aufweisen, wobei das Konzentrationssignal den Konzentrationsunterschied repräsentiert und das Konzentrationssignal unter Verwendung der elektrischen Energie ermittelt wird. Ein Konzentrationssignal kann ein digitales Signal sein. Beispielsweise kann der Konzentrationsunterschied in einer Abfolge von Impulsen repräsentiert werden. Ebenso kann der Konzentrationsunterschied in einer Mehrzahl von Signalzuständen parallel über mehrere Leitungen übertragen werden. Das Digitalisieren kann unter Verwendung der elektrischen Energie erfolgen.
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Die Energieversorgungseinheit kann dazu ausgebildet sein, die elektrische Energie ferner unter Verwendung eines Energiefluids als Energieträger bereitzustellen. Das Energiepotenzial kann zwischen dem Referenzfluid und dem Energiefluid vorliegen. Das Energiefluid kann das gleiche Fluid wie das Messfluid sein. Beispielsweise kann das Energiefluid thermische Energie aufweisen, die über ein thermoelektrisches Element in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das Energiefluid kann dann heißes Abgas sein, das einen Wärmestrom an das thermoelektrische Element abgibt, wobei der Wärmestrom durch das thermoelektrische Element fließt und elektrische Energie erzeugt. Der Wärmestrom kann dann von dem thermoelektrischen Element an das Referenzfluid abgegeben werden. Das Energiefluid kann auch ein chemischer Energieträger sein.
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Die Energieversorgungseinheit kann eine Membran aufweisen, die einen Referenzkanal für das Referenzfluid von einem Versorgungskanal für das Energiefluid fluidisch trennt. An der Membran kann die elektrische Energie abgreifbar sein, wenn das Referenzfluid und das Energiefluid an der Membran anliegen. Ein Referenzkanal kann dazu ausgebildet sein, das Referenzfluid zu leiten. Ein Versorgungskanal kann dazu ausgebildet sein das Energiefluid zu leiten. Der Referenzkanal und der Versorgungskanal können das Referenzfluid und das Energiefluid voneinander fluidisch getrennt führen. Eine Membran kann eine dünne Trennwand zwischen den Kanälen sein.
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Das Energiefluid kann ein Protonendonator sein. Die Energieversorgungseinheit kann dazu ausgebildet sein, die elektrische Energie katalytisch bereitzustellen. Das Energiefluid kann chemische Energie aufweisen, die über ein katalytisches Element in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das Energiefluid kann in einem Speicher oder Tank gelagert werden und bei Bedarf verwendet werden. Ein Protonendonator kann ein Wasserstoffkationendonator sein. Der Protonendonator kann eine chemische Verbindung sein, die Wasserstoffatome und/oder Wasserstoffionen abspaltet, sobald eine Aktivierungsenergie zum Abspalten bereitgestellt wird. Die Aktivierungsenergie kann kleiner sein, als eine, bei einer Rekombination der Wasserstoffatome freigesetzte Energie.
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Beispielsweise kann der Protonendonator eine Wasserstoff-Kohlenstoff-Verbindung oder reiner Wasserstoff sein. Ein Katalysator kann die Aktivierungsenergie zum Abspalten des Wasserstoffs verringern. Die elektrische Energie kann durch eine Synthese des Wasserstoffs mit Sauerstoff aus dem Referenzfluid zu Wasser gewonnen werden. Die Membran kann für Sauerstoffionen und/oder Wasserstoffionen durchlässig sein. Die elektrische Energie kann an Elektroden an der Membran abgegriffen werden.
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Die Sensoreinheit kann einen Tank zum Bevorraten des Energiefluids aufweisen, wobei der Tank mit dem Versorgungskanal der Energieversorgungseinheit verbunden ist. Der Tank kann ein druckfester Behälter sein, der beispielsweise ein komprimiertes Brenngas bevorraten kann. Der Tank kann ein Ventil aufweisen, das unter Verwendung der in der Energieversorgungseinheit gewonnenen elektrischen Energie gesteuert wird. Ein Druck in dem Versorgungskanal kann durch das Ventil geregelt werden. Der Tank kann auswechselbar sein. Der Tank kann wiederbefüllbar sein. Der Tank kann dazu ausgebildet sein, eine Flüssigkeit zu bevorraten. Dazu kann der Tank eine Dosiereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe aufweisen, die die Flüssigkeit dosiert in den Versorgungskanal befördern kann.
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Die Sensoreinheit kann eine Sensormembran aufweisen, die einen Referenzkanal für das Referenzfluid von einem Messkanal für das Messfluid fluidisch trennt. Die Sensormembran kann eine erste Elektrode in dem Referenzkanal und eine zweite Elektrode in dem Messkanal aufweisen. Zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kann ein elektrisches Spannungspotenzial abgreifbar sein, wenn der Konzentrationsunterschied zwischen dem Referenzfluid und dem Messfluid besteht. Die Sensormembran kann für Ionen der chemischen Spezies durchlässig sein. An beiden Oberflächen der Sensormembran kann die chemische Spezies ionisiert werden, beispielsweise durch Wärme und/oder einen Katalysator. Beim Ionisieren wird zumindest ein Elektron von einem Ion abgeschieden. Die Elektronen können sich in den Elektroden bewegen. Eine Menge der Ionen an einer Seite steht in einem Gleichgewicht zu der Konzentration bzw. einem Partialdruck der Spezies in dem jeweils anliegenden Fluid. Bei dem Konzentrationsunterschied zwischen dem Referenzfluid und dem Messfluid besteht entstehen an einer Seite der Sensormembran mehr Ionen als ab der anderen Seite. Dieser Unterschied wird durch eine Wanderung der Ionen von der hohen Konzentration zu der niedrigen Konzentration ausgeglichen. Die abgeschiedenen Elektronen können der Wanderung nicht folgen, was zu einem Spannungspotenzial zwischen den Elektroden führt. Eine Höhe der Spannung steht dabei in einem Zusammenhang mit zu dem Konzentrationsunterschied.
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Die Sensoreinheit kann dazu ausgebildet sein, den Konzentrationsunterschied zwischen einem Verbrennungsabgas als das Messfluid und einer Umgebungsluft als das Referenzfluid zu bestimmen. Insbesondere kann die Sensoreinheit dazu ausgebildet sein, den Konzentrationsunterschied von Sauerstoff zwischen dem Verbrennungsabgas und der Umgebungsluft zu erfassen. Das Verbrennungsabgas kann heiß sein. Das Verbrennungsabgas kann die Sensoreinheit und/oder die Energieversorgungseinheit aufheizen, sodass zum Temperieren der Sensoreinheit nur noch eine geringe elektrische Leistung erforderlich ist.
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Der mikroelektrochemische Sensor kann einen Grundkörper aufweisen, in dem die Energieversorgungseinheit neben dem Sensorteil angeordnet ist. Der Grundkörper kann Leiterbahnen aufweisen, die die Energieversorgungseinheit elektrisch mit der Sensoreinheit verbinden. Der mikroelektronische Sensor kann auf einem zusammenhängenden Chip angeordnet sein. Der Sensor kann auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sein. Der Sensor kann unter Verwendung von Halbleitertechnik hergestellt werden.
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Die Membran der Energieversorgungseinheit kann gleich aufgebaut sein, wie die Sensormembran des Sensorteils. Die Membran kann für die Ionen der gleichen chemischen Spezies durchlässig sein. Die Membran kann das gleiche Material aufweisen. Die Membran kann mit dem gleichen Katalysator ausgerüstet sein. Durch gleichartige Membranstrukturen können die Sensoreinheit und die Energieversorgungseinheit kostengünstig und schnell hergestellt werden.
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Der mikroelektrochemische Sensor kann eine Elektronikeinheit aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Energieversorgungseinheit und die Sensoreinheit unter Verwendung der elektrischen Energie anzusteuern und ein Konzentrationssignal bereitzustellen, das den Konzentrationsunterschied repräsentiert. Die Elektronikeinheit kann integrierte Schaltkreise aufweisen. Beispielsweise kann die Elektronikeinheit in dem Halbleitersubstrat des Grundkörpers angeordnet sein. Beispielsweise kann die Elektronikeinheit dazu ausgebildet sein, eine Spannung zum Betreiben der Sensoreinheit zu regeln.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines mikroelektrochemischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines mikroelektrochemischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Blockdarstellung eines mikroelektrochemischen Sensors mit Peripherie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung eines mikroelektrochemischen Sensors mit gleich aufgebauten Membranen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine räumliche Darstellung eines autarken mikroelektrochemischen Sensors in einem gemeinsamen Grundkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines mikroelektrochemischen Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 weist eine Energieversorgungseinheit 102, die insbesondere eine autarke Energieversorgungseinheit bildet, und eine Sensoreinheit 104 auf. Die Energieversorgungseinheit 102 ist dazu ausgebildet, elektrische Energie 106 unter Verwendung eines Referenzfluids 108 zu erzeugen. Die Sensoreinheit 104 ist dazu ausgebildet, einen Konzentrationsunterschied 110 einer chemischen Spezies zwischen einem Messfluid 112 mit einer unbekannten Konzentration der Spezies und dem Referenzfluid 108, das eine bekannte Konzentration der Spezies aufweist, zu bestimmen. Die Sensoreinheit 104 ist elektrisch mit der Energieversorgungseinheit 102 verbunden. Die Sensoreinheit 104 ist dazu ausgebildet, den Konzentrationsunterschied 110 unter Verwendung der elektrischen Energie 106 von der Energieversorgungseinheit 102 zu bestimmen.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Betreiben eines mikroelektrochemischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise ist der mikroelektrochemische Sensor in 1 dargestellt. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Erzeugens und einen Schritt 204 des Bestimmens auf. Im Schritt 202 des Erzeugens wird elektrische Energie unter Verwendung eines Referenzfluids erzeugt. Im Schritt 204 des Bestimmens wird ein Konzentrationsunterschied einer chemischen Spezies zwischen einem Messfluid mit einer unbekannten Konzentration der Spezies und dem Referenzfluid mit einer bekannten Konzentration der Spezies unter Verwendung der elektrischen Energie bestimmt.
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3 zeigt eine Blockdarstellung eines mikroelektrochemischen Sensors mit Peripherie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor weist wie in 1 eine Energieversorgungseinheit 102 und eine Sensoreinheit 104 auf. Die Energieversorgungseinheit 102 ist als miniaturisierte Festoxidbrennstoffzelle (µSOFC) ausgeführt. Die Sensoreinheit 104 ist als Sensorzelle ausgeführt. Sowohl die Sensoreinheit 104 als auch die Energieversorgungseinheit 102 werden mit Luft 108 als Referenzfluid beaufschlagt. Die Luft 108 wird der Sensoreinheit 104 und der Energieversorgungseinheit 102 über eine Luftzufuhr 300 zugeleitet. Die Energieversorgungseinheit 102 wird hier ferner mit einem Brenngas 302 beaufschlagt. Das Brenngas 302 ist in einem Tank 304 bevorratet. Von dem Tank 304 wird das Brenngas 302 durch eine erste Mikrofluidik 306 zu der Festoxidbrennstoffzelle 102 geleitet. In der Festoxidbrennstoffzelle 102 werden Sauerstoffmoleküle aus der Luft 108 ionisiert und mit Wasserstoffkationen bzw. Wasserstoffionen aus dem Brenngas 302 katalytisch zu Wasserdampf verbunden. Dabei entsteht in der Festoxidbrennstoffzelle 102 elektrische Energie 106 in Form von elektrischem Strom Ielektrisch und elektrischer Spannung. Die elektrische Energie 106 wird in einer Elektronik 308 an einen Energiebedarf der Sensoreinheit 104 angepasst. Der Energiebedarf wird hauptsächlich von einem miniaturisierten Heizer 310 der Sensoreinheit 104 bestimmt. Der Heizer 310 stellt Wärme 312 bereit, um die Sensoreinheit auf eine Betriebstemperatur einzustellen. Die Sensoreinheit 104 wird hier mit Messgas 112 als Messfluid beaufschlagt. Das Messgas 112 wird aus einem Messraum 314 durch eine zweite Mikrofluidik 316 zu der Sensorzelle 104 geleitet. In der auf Betriebstemperatur geheizten Sensoreinheit 104 werden ebenfalls Sauerstoffmoleküle aus der Luft 108 ionisiert. Im Gegensatz zur Festoxidbrennstoffzelle 102 werden aber auch aus dem Messgas 112 Sauerstoffmoleküle ionisiert. Eine Menge der Ionen steht dabei in Gleichgewicht zu einer Konzentration des Sauerstoffs im jeweiligen Gas 108, 112. Beim Ionisieren werden Elektronen abgespalten. Die Elektronen auf der Luftseite bilden ein erstes Spannungsniveau aus. Die Elektronen auf der Messgasseite bilden ein zweites Spannungsniveau aus. Ein Spannungspotenzial 318 zwischen dem ersten Spannungsniveau und dem zweiten Spannungsniveau repräsentiert ein Verhältnis der Sauerstoffkonzentrationen in der Luft 108 und dem Messgas 112. Das Spannungspotenzial 318 wird elektrisches Signal an einem Signalausgang 320 des Sensors bereitgestellt.
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Die Hochtemperaturbrennstoffzelle 102 (SOFC, solid oxide fuel cell) kann in miniaturisierter Form ausgeführt sein. Hierbei werden keramische Materialien aus konventioneller SOFC-Technologie mit Mikrofabrikationsschritten aus der Halbleiterprozesstechnik kombiniert, um eine Mikro-SOFC 102 darzustellen. Solche miniaturisierten Energiewandler 102 bilden als Leistungsversorgung für Elektronikgeräte eine mögliche Alternative für herkömmliche Akkumulatoren (insbesondere Li-Ionen-Akkus). Der Hauptvorteil gegenüber traditionellen Energiespeichern liegt in der schnellen "Wiederaufladbarkeit". Während Batterien zum Laden über einen längeren Zeitraum an eine stationäre Stromversorgung angeschlossen werden müssen, wird bei der Brennstoffzellenlösung ein separater Tank mit Brennstoff nachgefüllt. Als Tankkonzept kann beispielsweise eine Flüssiggaspatrone wie etwa im Feuerzeug vorgesehen werden.
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Parallel können auch keramische Abgassensoren 104 miniaturisiert werden. Attraktiv ist die Verkleinerung der Sensorelemente 104 wegen einer erreichbaren Materialersparnis bei kostenintensiven Materialien und niedrigem benötigtem Heizleistungsbedarf. Typischerweise sind Betriebstemperaturen größer 400°C erforderlich, um die Sensorfunktion zu gewährleisten. Die erforderliche Heizleistung wird bisher von einem separaten Energieträger (z. B. dem Bordnetz im Kfz) zur Verfügung gestellt. Als Ausführungsbeispiel ist hier die Lambdasonde 104 beschrieben. Mit dem hier vorgestellten Ansatz können weitere keramische Gassensoren, beispielsweise NOx Sensoren für Stickoxide, HC Sensoren für Kohlenwasserstoffe, NH3 Sensoren für Ammoniak autark betrieben werden.
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4 zeigt eine Darstellung eines mikroelektrochemischen Sensors 100 mit gleich aufgebauten Membranen 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor entspricht dem Sensor in 3. Zusätzlich sind die Energieversorgungseinheit 102 in Form einer Mikro-Festoxidbrennstoffzelle und die Sensoreinheit 104 in ein gemeinsames Halbleitersubstrat 402 integriert. Das Halbleitersubstrat 402 dient hier als mikrostrukturierter Träger des Sensors. Das Halbleitersubstrat 402 weist beidseitig eine Passivierung 404 auf. Auf einer ersten Seite des Halbleitersubstrats 402 ist eine erste Membran 400 der Energieversorgungseinheit 102 und eine zweite Membran 400 der Sensoreinheit 104 angeordnet. Die Membranen 400 sind hier als sauerstoffionenleitende Keramik aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) ausgeführt. Auf der ersten Membran 400 ist eine erste Elektrode 406 angeordnet. Auf der zweiten Membran 400 ist eine zweite Elektrode 408 angeordnet. Die Elektroden 406, 408 sind in einem Referenzkanal 410 angeordnet. Hier sind die erste Elektrode 406 und die zweite Elektrode 408 als Luftelektroden ausgebildet und weisen als Katalysator Platin auf. Die Luftelektroden 406, 408 können von Luft 108 beaufschlagt werden. Auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Halbleitersubstrats 402 ist eine fluiddichte Trennwand 412 angeordnet. Die Trennwand 412 trennt einen Versorgungskanal 414 für das Brenngas 302 von einem Messkanal 416 für das Messgas 112. Im Bereich des Versorgungskanals 414 ist auf der zweiten Seite des Halbleitersubstrats 402 eine dritte Elektrode 418 angeordnet. Die dritte Elektrode 418 erstreckt sich über das Halbleitersubstrat 402 des Versorgungskanals 414, kleidet eine erste Aussparung in dem Halbleitersubstrat 402 aus und erstreckt sich über die erste Membran 400. Die dritte Elektrode 418 ist als Brenngaselektrode ausgebildet und weist Platin auf. Im Bereich des Messkanals 416 ist auf der zweiten Seite des Halbleitersubstrats 402 eine vierte Elektrode 420 angeordnet. Die vierte Elektrode 420 erstreckt sich über das Halbleitersubstrat 402 des Messkanals 416, kleidet eine zweite Aussparung in dem Halbleitersubstrat 402 aus und erstreckt sich über die zweite Membran 400. Die vierte Elektrode 420 ist als Messelektrode ausgebildet und weist ebenfalls Platin auf.
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Mit anderen Worten zeigt 4 eine Schnittdarstellung durch eine bordnetzautonome Lambdasonde 100. Insbesondere die Lambdasonde 104 weist eine große technologische Nähe zur SOFC 102 auf. Basismaterial für beide Anwendungen ist eine sauerstoffionenleitende Keramik 400, die als yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, YSZ ausgeführt werden kann. Als Elektrodenmaterial kommt z. B. Pt (Platin) infrage. Der hier vorgestellte Ansatz zeigt eine Kombination der Elemente SOFC 102 und MECS 104 (MECS = mikroelektrochemischer Sensor).
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Die Lambdasonde 104 kann unter Nutzung der Halbleiterprozesstechnik miniaturisiert werden. Da sich beide Mikrokonzepte 102, 104 in verwendeten Materialien, Strukturen und Prozessen sehr ähneln, ist eine Integration beider Elemente auf einem Chip 402 möglich. Hierdurch kann ein Sensorsubsystem 100 ausgebildet werden, das nicht vom Bordnetz oder ähnlichen Energiequellen abhängig ist. Durch die Integration einer miniaturisierten SOFC 102 und einer miniaturisierten Lambdasonde 104 auf einem Chip 402 kann ein Sensorsubsystem 100 ausgebildet werden, das platzsparend eine Leistungsquelle 102 und einen Verbraucher 104 verbindet und unabhängig von Batterien oder dem Bordnetz arbeitet.
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5 zeigt eine räumliche Darstellung eines mikroelektrochemischen Sensors 100 in einem gemeinsamen Grundkörper 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht dem Sensor in 4. Zusätzlich ist das Halbleitersubstrat 402 durch einen weiteren Chip 502 zu dem Grundkörper ergänzt. Der weitere Chip 502 verschließt eine, von den Membranen 400 abgewandte Seite des Versorgungskanals 414 und des Messkanals 416. Dadurch verlaufen der Versorgungskanal 414 und der Messkanal 416 innerhalb des Grundkörpers 500 und bilden das erste Mikrofluidiksystem und das zweite Mikrofluidiksystem aus. Die erste Membran 400 der Energieversorgungseinheit 102 und die zweite Membran 400 sind rechteckig geformt. Die erste Membran 400 und die zweite Membran erstrecken sich jeweils nur über einen Teilbereich des Trägermaterials 402. Außerhalb der Membranen 400 liegt die Passivierung 404 frei. Im Gegensatz zu 4 erstrecken sich die erste Elektrode 406 und die zweite Elektrode 408 nur über einen zentralen Bereich der jeweiligen Membran 400. Die Elektroden 406, 408 sind über Leiterbahnen 504 auf den Membranen 400 kontaktiert. Um mit Leiterbahnen 506 auf dem Grundkörper 500 elektrisch kontaktiert zu werden, weisen die Leiterbahnen 504 jeweils ein Bondpad 508 am Ende auf. Die Leiterbahnen 506 weisen ebenfalls Bondpads 510 auf. Zusammengehörige Bondpads 508, 510 sind über einen Bonddraht elektrisch leitend verbunden. Die Leiterbahnen 506 des Grundkörpers 500 sind mit einer Elektronikeinheit verbunden, die in das Trägermaterial 402 integriert ist. Die Elektronikeinheit reguliert die Elektrische Energie von der Brennstoffzelle 102, um den Sensor 104 anzusteuern. Der Sensor 102 weist einen, um die zweite Elektrode 408 umlaufenden, Mikroheizer 512 auf, der als mäandrierende Widerstandsleiterbahn auf der zweiten Membran ausgebildet ist. Der Mikroheizer 512 ist ebenfalls über Leiterbahnen 504 und Bondpads 508 mit der Elektronikeinheit verbunden und wird von der Elektronikeinheit mit elektrischer Energie versorgt.
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Das in den 4 und 5 skizzierte System 100 basiert auf einem Halbleiterchip 402, 500, 502, z. B. aus SiC oder Si mit geeigneten Passivierungsschichten 404, in den in Halbleiterprozesstechnik Kanäle 414, 416 und Hohlkammern 414, 416 für Mikrofluidik prozessiert sind. Der Chip 500 trägt mindestens zwei Bereiche mit keramischen YSZ-Membranen 400, die beidseitig mit geeigneten Elektrodenmaterialien (z. B. Pt) beschichtet sind. Einer der Bereiche 400 übernimmt die Funktion einer Mikro-SOFC 102, der Zweite die Funktion eines keramischen Gassensors 104 (z. B. einer Lambdasonde).
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Grundsätzlich ist eine Ausweitung auf mehrere SOFC-Einheiten 102 und/oder mehrere Sensorzellen 104 auf einem Chip 500 möglich.
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Eine Elektrode 418 der SOFC-Zelle 102 ist über ein geeignetes Mikrofluidiksystem 414 mit einem separaten leicht auswechselbaren oder geeignet dimensionierten Brennstofftank (z. B. einer Flüssiggaspatrone) verbunden. Eine Elektrode 420 der Gassensorzelle 104 steht über ein Kanalsystem 416 mit dem zu messenden Gas 112 in Kontakt. Die jeweils zweite Elektrode 406, 408 sowohl von SOFC 102 als auch Sensorelement 104 befindet sich in Kontakt mit einem sauerstoffhaltigen Gas 108, im einfachsten Fall Luft. Die Kapselung des Chips 500 ist so ausgeführt, dass die Zufuhr von Frischluft 108 an diese Elektroden 406, 408 stets ausreichend möglich ist.
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Die SOFC-Einheit 102 ist über mikrostrukturierte Leiterbahnen 506 mit einem mikrostrukturierten Heizer 512 für die Sensorzelle 104 verbunden. Zusätzlich kann auf dem Chip 500 Elektronik zur Widerstands-Temperaturregelung der Sensorzelle 104 untergebracht sein.
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In der Brennstoffzelle 102 wird die chemische Energie des Brennstoffs 302 in elektrische Energie ungesetzt. Der resultierende elektrische Strom wird über die Leiterbahnen 506 dem Heizer 512 zugeführt und führt dort zu einer Erwärmung der Sensorzelle 104, um diese betriebsbereit zu machen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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