DE102015207876A1

DE102015207876A1 - Sensor device for detecting at least one property of a fluid medium

Info

Publication number: DE102015207876A1
Application number: DE102015207876.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Lang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-11-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums. Die Sensorvorrichtung (110) umfasst
• mindestens ein Sensorelement (114) zur Erfassung der Eigenschaft, umfassend eine Oberseite und eine Unterseite, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Membran (120) umfasst, wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit (130) umfasst;
• mindestens ein Gehäuse (148) mit mindestens einer Aufnahme (150), wobei das Sensorelement (114) ganz oder teilweise in der Aufnahme (150) aufgenommen ist; und
• mindestens ein Dichtelement (152), wobei das Dichtelement (152) zwischen der Unterseite des Sensorelements (114) und dem Gehäuse (148) angeordnet ist und eingerichtet ist, um das Sensorelement (114) gegen das Gehäuse (148) abzudichten,
wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (130) auf der Oberseite des Sensorelements (114) direkt gegenüber des Dichtelements (152) angeordnet ist. The present invention relates to a sensor device (110) for detecting at least one property of a fluid medium. The sensor device (110) comprises
At least one sensor element (114) for detecting the property, comprising an upper side and a lower side, wherein the sensor element (114) comprises at least one membrane (120), wherein the sensor element (114) further comprises at least one control and evaluation unit (130) ;
• at least one housing (148) having at least one receptacle (150), wherein the sensor element (114) is completely or partially received in the receptacle (150); and
At least one sealing element, wherein the sealing element is arranged between the underside of the sensor element and the housing and is arranged to seal the sensor element against the housing;
wherein the control and evaluation unit (130) is arranged on the upper side of the sensor element (114) directly opposite the sealing element (152).

Description

Stand der Technik State of the art

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere mindestens eines Gases. Derartige Sensorvorrichtungen werden beispielsweise in der Automobiltechnik zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens einer Gaskomponente eingesetzt, beispielsweise zur Konzentrationsmessung von Sauerstoff in einem Luft-Kraftstoff-Gemisch und/oder zur Konzentrationsmessung von Wasserstoff in einem Wasserstoff-Luft-Gemisch. Die Erfindung ist jedoch auch in anderen Arten der Sensorik einsetzbar. The invention relates to a sensor device for detecting at least one property of a fluid medium, in particular at least one gas. Such sensor devices are used for example in the automotive industry for the qualitative and / or quantitative detection of at least one gas component, for example for measuring the concentration of oxygen in an air-fuel mixture and / or for measuring the concentration of hydrogen in a hydrogen-air mixture. However, the invention can also be used in other types of sensors.

Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, müssen Gaskonzentrationen zuverlässig bestimmt werden und/oder es muss definiert ein Gasmassenstrom, insbesondere ein Luftmassenstrom, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel, auf das die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Auch die Zuführung von Gasen genau definierter Zusammensetzung für Brennstoffzellen ist als Anwendungsgebiet zu nennen. Auch sicherheitsrelevante Anwendungen sind zu nennen. So kann beispielsweise ein Wasserstoffsensor in Brennstoffzellen-Fahrzeugen eingesetzt werden, um Fahrzeuginsassen bei einem Wasserstoffaustritt, beispielsweise aus den Brennstoffzellen heraus in eine Umgebung oder in einen Abgastrakt, welcher grundsätzlich ganz oder zumindest teilweise Luft und Wasserdampf führt, zu warnen. Luft wird näherungsweise ab einem Wasserstoffanteil von 4 % zündungsfähig und bei höherem Anteil sogar explosionsfähig, so dass der Wasserstoffsensor beispielsweise mit einer entsprechenden Warnvorrichtung oder einer entsprechenden Notfallautomatik oder einer entsprechenden Regelautomatik gekoppelt werden kann. Auch andere sicherheitsrelevante Anwendungen derartiger Gassensoren sind denkbar. In many processes, for example in the field of process engineering, chemistry or mechanical engineering, gas concentrations must be reliably determined and / or a gas mass flow, in particular an air mass flow, must be fed in a defined manner. These include, in particular, combustion processes which take place under controlled conditions. However, an important example, to which the present invention is not limited, is the combustion of fuel in internal combustion engines of motor vehicles, in particular with subsequent catalytic exhaust gas purification. Also, the supply of gases of precisely defined composition for fuel cells is to be mentioned as an application. Safety-relevant applications should also be mentioned. Thus, for example, a hydrogen sensor can be used in fuel cell vehicles in order to warn vehicle occupants in the event of hydrogen leakage, for example from the fuel cells, into an environment or into an exhaust gas tract which in principle completely or at least partially conducts air and water vapor. Air is approximately ignitable from a hydrogen content of 4% and even explosive at higher proportion, so that the hydrogen sensor can be coupled, for example, with a corresponding warning device or a corresponding emergency automatic or a corresponding automatic control. Other safety-related applications of such gas sensors are conceivable.

Zur Messung eines Gasstroms und/oder einer Gaskonzentration werden verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt. Eine Klasse derartiger Sensoren sind Sensoren mit einem Sensorchip. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp dieser Klasse ist der so genannte Heißfilmluftmassensensor (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Siliziumsensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt. Various types of sensors are used to measure a gas flow and / or a gas concentration. One class of such sensors are sensors with a sensor chip. A type of sensor of this class known from the prior art is the so-called hot film air mass sensor (HFM) which is used, for example, in US Pat DE 196 01 791 A1 in one embodiment. In such Heißfileinuftmassenmessern usually a sensor chip is used, which has a thin sensor membrane, such as a silicon sensor chip. On the sensor membrane is typically arranged at least one heating resistor, which is surrounded by two or more temperature measuring resistors (temperature sensors). In an air flow, which is guided over the membrane, the temperature distribution changes, which in turn can be detected by the temperature measuring resistors and can be evaluated by means of a control and evaluation circuit. Thus, for example, from a difference in resistance of the temperature measuring resistors, an air mass flow can be determined. Various other variants of this type of sensor are known in the art.

Neben der Erfassung einer Strömung spielt die Detektion und Messung von Komponenten, aus welchen sich das jeweilige gasförmige Fluid zusammensetzt, eine große Rolle. Ein Sensorprinzip beruht auf der unterschiedlichen Wärmekapazität und/oder Wärmeleitfähigkeit der unterschiedlichen Fluidkomponenten und ist beispielsweise in M. Arndt: “Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications“, Sensors, 2002 . Proceedings of IEEE beschrieben. So wird beispielsweise zur Detektion von Wasserstoff in einem Luft-Wasserstoff-Gemisch die Tatsache ausgenutzt, dass Wasserstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als Luft bzw. die Komponenten der Luft. Bei einem Sensoraufbau, der ähnlich gestaltet ist wie der von Heißfilmluftmassenmessern (HFM), diffundiert zum Beispiel ein Luft-Wasserstoff-Gemisch durch eine dünne Membran oder ein enges Gitter in einen 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, welches die Konzentration des Wasserstoffs widerspiegelt. In addition to the detection of a flow, the detection and measurement of components, which make up the respective gaseous fluid, plays a major role. A sensor principle is based on the different heat capacity and / or thermal conductivity of the different fluid components and is for example in M. Arndt: "Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications", Sensors, 2002 , Proceedings of IEEE described. For example, for the detection of hydrogen in an air-hydrogen mixture, the fact is exploited that hydrogen has a higher thermal conductivity than air or the components of the air. For example, in a sensor structure similar to that of hot-film air mass meters (HFM), an air-hydrogen mixture diffuses through a thin membrane or mesh into a measurement space of a sensor. The presence of hydrogen in the gaseous fluid changes the temperature of the heated diaphragm or its heat output, which is released to the ambient air. This in turn generates a measurement signal which reflects the concentration of hydrogen.

Die DE 10 2006 010 901 A1 beschreibt einen Fluidsensor zur Detektion von fluiden Medien, der einen Sensorchip mit einer mit dem fluiden Medium beaufschlagbaren Chipoberfläche aufweist. Diese Chipoberfläche beinhaltet eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche. Auf der Messoberfläche sind Leiterbahnen einer Sensorschaltung mit mindestens einem Heizelement und mindestens einem Temperaturfühler aufgebracht. The DE 10 2006 010 901 A1 describes a fluid sensor for the detection of fluid media, which has a sensor chip with a surface acted upon by the fluid medium chip surface. This chip surface includes a measurement surface and a mainland surface. Conductor tracks of a sensor circuit having at least one heating element and at least one temperature sensor are applied to the measurement surface.

Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Fluidsensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Üblicherweise ist der Sensorchip mit dem Gehäuse verklebt. Beispielsweise werden Klebstoffe wie Silikone oder Epoxide verwendet. Diese sind jedoch häufig nicht dauerhaft medienresistent, insbesondere nicht gegenüber aggressiven Medien. Bei einer Verwendung eines elastischen Dichtelements, welches üblicherweise gegen den Sensorchip gedrückt wird, werden im Allgemeinen großflächige Bereiche des Sensorchips ausschließlich zur Abdichtung gegenüber dem fluiden Medium benötigt. Dies führt in der Regel zu hohen Herstellkosten. Despite the numerous advantages of the fluid sensors known from the prior art, these still contain room for improvement. Usually, the sensor chip is glued to the housing. For example, adhesives such as silicones or epoxies are used. However, these are often not permanently resistant to media, especially not to aggressive media. When using an elastic sealing element, which is usually pressed against the sensor chip, are in Generally large areas of the sensor chip only needed for sealing against the fluid medium. This usually leads to high production costs.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es wird daher eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Gases, vorgeschlagen, welche die oben genannten Probleme bekannter Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeidet. A device is therefore proposed for detecting at least one property of a fluid medium, in particular of a gas, which at least largely avoids the above-mentioned problems of known devices.

Unter einem "fluiden Medium" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger Stoff im fluiden, insbesondere gasförmigen, Zustand zu verstehen, welcher einer beliebig langsamen Scherung keinen Widerstand entgegensetzt. Im Allgemeinen kann der flüssige Zustand eines Stoffes temperatur- und/oder druckabhängig sein. Das fluide Medium kann als Reinstoff oder als Stoffgemisch vorliegen. Beispielsweise kann es sich um ein Luft-Wasserstoff-Gemisch handeln. Auch andere Gase oder Gasgemische sind beispielsweise einsetzbar. In the context of the present invention, a "fluid medium" is basically to be understood as meaning any substance in the fluid, in particular gaseous, state which does not resist any slow shear. In general, the liquid state of a substance may be temperature and / or pressure dependent. The fluid medium can be present as a pure substance or as a substance mixture. For example, it may be an air-hydrogen mixture. Other gases or gas mixtures are for example used.

Die Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Gases, umfasst mindestens ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft, mindestens ein Gehäuse mit mindestens einer Aufnahme und mindestens ein Dichtelement. Das Sensorelement umfasst eine Oberseite und eine Unterseite, mindestens eine Membran und mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit. Das Sensorelement ist weiterhin ganz oder teilweise in der Aufnahme aufgenommen. Das Dichtelement ist zwischen der Unterseite des Sensorelements und dem Gehäuse angeordnet und ist eingerichtet, um das Sensorelement gegen das Gehäuse abzudichten. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist auf der Oberseite des Sensorelements direkt gegenüber des Dichtelements angeordnet. The sensor device for detecting at least one property of a fluid medium, in particular a gas, comprises at least one sensor element for detecting the property, at least one housing with at least one receptacle and at least one sealing element. The sensor element comprises an upper side and a lower side, at least one diaphragm and at least one control and evaluation unit. The sensor element is further completely or partially received in the recording. The sealing element is arranged between the underside of the sensor element and the housing and is arranged to seal the sensor element against the housing. The control and evaluation unit is arranged on the upper side of the sensor element directly opposite the sealing element.

Das Sensorelement kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Der Chip kann beispielsweise mindestens ein Basiselement umfassen, welches vorzugsweise mindestens eine Kaverne aufweist. Der Begriff "Kaverne" bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einen frei und/oder offen gestalteten Hohlraum des Basiselements, wobei es sich beispielsweise um einen durchgängigen Hohlraum oder auch um einen lediglich in das Basiselement hineinragenden Hohlraum handeln kann. Eine Unterseite der Membran kann sich über eine Oberfläche des Basiselements erstrecken und die Kaverne von der Membran zumindest weitgehend verdecken. Das Basiselement und/oder die Kaverne können beispielsweise eine quaderförmige Grundform aufweisen. Auch andere Grundformen sind grundsätzlich denkbar. Die Membran und das Basiselement können gemeinsam als Chip ausgebildet sein. Das Basiselement und/oder die Membran können hergestellt sein aus mindestens einem Halbmaterial. Das Halbleitermaterial kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Germanium, Bor, Selen, einer Siliziumverbindung einer Galliumverbindung, einer Indiumverbindung. Weiterhin können das Basiselement und/oder die Membran ganz oder teilweise das mindestens eine Halbmaterial in einem Schichtaufbau aufweisen. The sensor element can be designed in particular as a chip. By way of example, the chip may comprise at least one base element, which preferably has at least one cavity. In the context of the present invention, the term "cavern" refers to a freely and / or openly designed cavity of the base element, which may be, for example, a continuous cavity or even a hollow space projecting only into the base element. An underside of the membrane may extend over a surface of the base member and conceal the cavity from the membrane at least substantially. The base element and / or the cavern may, for example, have a cuboid basic shape. Other basic forms are conceivable in principle. The membrane and the base member may be formed together as a chip. The base member and / or the membrane may be made of at least one semi-material. The semiconductor material may in particular be selected from the group consisting of: silicon, germanium, boron, selenium, a silicon compound of a gallium compound, an indium compound. Furthermore, the base element and / or the membrane can wholly or partly have the at least one semifinished material in a layer structure.

Unter einer "Membran" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiges Element mit einer quadratischen, rechteckigen, polygonförmigen oder gerundeten flächigen Form und einer Dicke zu verstehen, wobei die Ausdehnung des Elements in den Dimensionen innerhalb der flächigen Form die Dicke des Elements überschreitet, beispielsweise um einen Faktor von 10 bis 10000, vorzugsweise um einen Faktor von 100 bis 3000, vorzugsweise um einen Faktor von 400 bis 1600, vorzugsweise um einen Faktor von 600 bis 1000. Die Membran kann für unterschiedliche Stoffe unterschiedlich durchlässig gestaltet sein. Beispielsweise kann die Membran zumindest weitgehend undurchlässig für mindestens einen oder mehrere Stoffe sein. Beispielsweise kann die Membran für mindestens einen oder mehrere Stoffe in eine Richtung durchlässig sein. Beispielsweise kann die Membran für mindestens einen oder mehrere Stoffe in beide Richtungen durchlässig sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich möglich. A "membrane" in the context of the present invention is basically an arbitrary element having a square, rectangular, polygonal or rounded planar shape and a thickness, wherein the extent of the element in the dimensions within the planar shape exceeds the thickness of the element, for example by a factor of 10 to 10,000, preferably by a factor of 100 to 3000, preferably by a factor of 400 to 1600, preferably by a factor of 600 to 1000. The membrane can be designed to be different permeable for different substances. For example, the membrane may be at least substantially impermeable to at least one or more substances. For example, the membrane may be permeable to at least one or more substances in one direction. For example, the membrane may be permeable to at least one or more substances in both directions. Other embodiments are possible in principle.

Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine weitere Membran umfassen. Die weitere Membran kann eingerichtet sein, um mindestens eine Referenzgröße zu erfassen. Die weitere Membran kann außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Die weitere Membran kann neben der Membran angeordnet sein. Das Basiselement, die Membran und die weitere Membran können als ein Bauteil, insbesondere als Chip ausgebildet sein The sensor element may further comprise at least one further membrane. The further membrane can be set up to detect at least one reference variable. The further membrane can be arranged outside the housing. The further membrane can be arranged next to the membrane. The base element, the membrane and the further membrane may be formed as a component, in particular as a chip

Das Sensorelement kann mindestens ein Heizelement aufweisen. Der Begriff "Heizelement" bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, um Wärme an eine Umgebung des Heizelements zu übertragen. Das Heizelement kann insbesondere mindestens einen Heizwiederstand aufweisen. Das Heizelement kann aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material und/oder aus einem wärmeleitfähigem Material hergestellt sein. Das Heizelement kann eine längliche Form aufweisen. Das Heizelement kann zumindest teilweise auf der Membran angeordnet sein. Weiterhin kann das Heizelement auf der Oberseite des Sensorelements angeordnet sein. The sensor element may have at least one heating element. The term "heating element" basically refers to any element which is arranged to transfer heat to an environment of the heating element. The heating element may in particular have at least one Heizwiederstand. The heating element may be made of at least one electrically conductive material and / or of a thermally conductive material. The heating element may have an elongated shape. The heating element may be at least partially disposed on the membrane. Furthermore, the heating element can be arranged on the upper side of the sensor element.

Weiterhin kann das Sensorelement mindestens ein auf der Membran angeordnetes Messelement umfassen. Der Begriff “Messelement“ bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung ein vorzugsweise elektronisches Gerät, welches eingerichtet ist, um mindestens ein Signal zu detektieren. Insbesondere kann es sich bei dem Messelement um einen Temperaturfühler handeln. Beispielsweise kann der Temperaturfühler mindestens einen elektrischen Widerstand aufweisen. Der Temperaturfühler kann insbesondere auf der Oberseite des Sensorelements angeordnet sein. Der Temperaturfühler kann insbesondere zumindest teilweise außerhalb der Membran angeordnet sein. Furthermore, the sensor element at least one arranged on the membrane Include measuring element. The term "measuring element" in the sense of the present invention denotes a preferably electronic device which is set up to detect at least one signal. In particular, the measuring element may be a temperature sensor. For example, the temperature sensor may have at least one electrical resistance. The temperature sensor may in particular be arranged on the upper side of the sensor element. The temperature sensor may in particular be arranged at least partially outside the membrane.

Das Sensorelement kann, wie oben ausgeführt, insbesondere als Chip ausgebildet sein, und die Steuer- und Auswerteeinheit kann insbesondere ganz oder teilweise in den Chip integriert sein. Der Begriff "Steuer- und Auswerteeinheit" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung ein vorzugsweise elektronisches Gerät, welches eingerichtet ist, um mindestens ein Signal, insbesondere ein elektrisches Signal, zu detektieren und/oder einzustellen. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann durch einen Maskenprozess hergestellt sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann weiterhin außerhalb der Membran angeordnet sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann mit dem Heizelement verbunden sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um mindestens eine Größe des Heizelements einzustellen. Die Größe kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Strom, einer Spannung, einer Temperatur, einer Differenz zu dem Temperaturfühler, einer Temperaturdifferenz zu der Membran, einer Heizleistung. Auch andere Größen des Heizelements sind grundsätzlich denkbar. So kann sich beispielsweise grundsätzlich jegliche durch die Steuer- und Auswerteeinheit einstellbare Größe auf eine Kombination aus einer Spannung und eines Stroms zurückführen. Weiterhin kann die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet sein, um mindestens eine Messgröße des Temperaturfühlers, insbesondere einer Temperatur, zu erfassen. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um mindestens eine elektrische Messgröße des Sensorelements zu erfassen, insbesondere mindestens einen elektrischen Strom und/oder mindestens eine elektrische Spannung. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um mindestens eine elektrische Stellgröße des Sensorelements einzustellen, insbesondere mindestens einen elektrischen Strom und/oder mindestens eine elektrische Spannung. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um mindestens eine Messgröße der Membran, insbesondere eine Temperatur, zu erfassen. Weiterhin kann die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet sein, um mindestens eine der folgenden Messgrößen des fluiden Mediums zu bestimmen: eine Wärmeleitfähigkeit; einen Wärmestrom; eine Strömung; eine chemische Zusammensetzung. Aus der Wärmeleitfähigkeit des fluiden Mediums kann eine Konzentration des fluiden Mediums bestimmt werden. The sensor element can, as stated above, be designed in particular as a chip, and the control and evaluation unit can in particular be completely or partially integrated into the chip. The term "control and evaluation" referred to in the context of the present invention, a preferably electronic device which is adapted to at least one signal, in particular an electrical signal to detect and / or set. The control and evaluation unit can be produced by a mask process. The control and evaluation unit can furthermore be arranged outside the membrane. The control and evaluation unit can be connected to the heating element. The control and evaluation unit may be configured to set at least one size of the heating element. The size may be selected from the group consisting of: a current, a voltage, a temperature, a difference to the temperature sensor, a temperature difference to the membrane, a heating power. Other sizes of the heating element are conceivable in principle. For example, basically any variable that can be set by the control and evaluation unit can be attributed to a combination of a voltage and a current. Furthermore, the control and evaluation unit may be configured to detect at least one measured variable of the temperature sensor, in particular a temperature. The control and evaluation unit may be configured to detect at least one electrical measured variable of the sensor element, in particular at least one electrical current and / or at least one electrical voltage. The control and evaluation unit may be configured to set at least one electrical control variable of the sensor element, in particular at least one electrical current and / or at least one electrical voltage. The control and evaluation unit may be configured to detect at least one measured variable of the membrane, in particular a temperature. Furthermore, the control and evaluation unit can be set up to determine at least one of the following measured variables of the fluid medium: a thermal conductivity; a heat flow; a flow; a chemical composition. From the thermal conductivity of the fluid medium, a concentration of the fluid medium can be determined.

Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens eine Ansteuerung umfassen. Die Ansteuerung kann mit dem Sensorelement verbunden sein. Die Ansteuerung kann mindestens ein Trägerelement umfassen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Stecker; einem Leiterkamm; einem Schaltungsträger, insbesondere einem keramischen Schaltungsträger, insbesondere einem auf einer Kunststoffbasis basierenden Schaltungsträger; einem hybridischen Schaltungsträger; einem Halbleiterchip; einem spritzgegossenen Schaltungsträger oder dreidimensionalen Kunststoff-Schaltungsträger, insbesondere einem in MID-Technik hergestellten Schaltungsträger, beispielsweine einem durch Laserstrukturierung eines Gehäusebestandteils hergestellten Schaltungsträger. Beispielsweise kann es sich bei dem Schaltungsträger um eine Leiterplatte handeln. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. The sensor device may further comprise at least one drive. The drive can be connected to the sensor element. The drive may comprise at least one carrier element which is selected from the group consisting of: a plug; a ladder comb; a circuit carrier, in particular a ceramic circuit carrier, in particular a plastic base based circuit carrier; a hybrid circuit carrier; a semiconductor chip; an injection-molded circuit carrier or three-dimensional plastic circuit carrier, in particular a circuit carrier produced in MID technology, for example a circuit carrier produced by laser structuring of a housing component. For example, the circuit carrier may be a printed circuit board. Other embodiments are conceivable in principle.

Die Ansteuerung kann beispielsweise mindestens eine Leistungsendstufe umfassen. Der Begriff “Leistungsendstufe“ bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges elektrisches Bauteil, welches ein eingehendes elektrisches Signal so verarbeitet, dass die ausgehende Größe größer ist als die eingehende Größe. The control may include, for example, at least one power output stage. The term "power output stage" in the context of the present invention basically means any electrical component which processes an incoming electrical signal so that the outgoing size is greater than the incoming size.

Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens ein Gehäuse mit mindestens einer Aufnahme. Der Begriff "Gehäuse" bezieht sich im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich auf ein beliebig geformtes Element, welches eingerichtet ist, um Bauteile der Sensorvorrichtung oder teilweise zu umschließen und um diese Bauteile weiterhin von externen Einflüssen wie mechanische Belastung oder Feuchtigkeit zu schützen. Das Gehäuse kann einen Gehäuseinnenraum umfassen, welcher eingerichtet ist, um das fluide Medium aufzunehmen. Das Gehäuse kann ganz oder teilweise als Rohr ausgebildet sein. Der Begriff “Rohr“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen, von dem fluiden Medium durchströmbaren Hohlkörper. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlkörper handeln. Das Rohr kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden, einen ovalen oder einen polygonalen Querschnitt. Das Rohr kann beispielsweise aus einem Metall hergestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Rohr aus einem Kunststoff hergestellt sein. Das Gehäuse kann weiterhin das Trägerelement umfassen, insbesondere den Schaltungsträger. Beispielsweise kann der Schaltungsträger in MID-Technik (MID: molded interconnect device) hergestellt sein, beispielsweise durch eine Laserstrukturierung eines Teils des Gehäuses. The sensor device further comprises at least one housing with at least one receptacle. The term "housing" in the context of the present invention basically refers to an arbitrarily shaped element, which is designed to enclose components of the sensor device or partially and to further protect these components from external influences such as mechanical stress or moisture. The housing may include a housing interior configured to receive the fluid medium. The housing may be wholly or partially formed as a tube. The term "tube" basically refers to any hollow body through which the fluid medium can flow. In particular, it may be an elongated hollow body. The tube may in principle have any cross section, for example a round, an oval or a polygonal cross section. The tube may be made of a metal, for example. Alternatively or additionally, the tube may be made of a plastic. The housing may further comprise the carrier element, in particular the circuit carrier. For example, the circuit carrier in MID technology (MID: molded interconnect device) may be prepared, for example by a laser structuring of a portion of the housing.

Alternativ kann das Gehäuse auch ein Bauteil umfassen, das in der Aufnahme des Rohrs befestigt ist. Beispielsweise kann das Bauteil ein Steckfühler sein oder einen Steckfühler umfassen. So kann beispielsweise die Sensorvorrichtung einen Steckfühler umfassen, der in einem Abgasrohr eines Brennstoffzellensystems befestigt werden kann. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Alternatively, the housing may also comprise a component which is secured in the receptacle of the tube. For example, the component may be a plug-in sensor or include a plug-in sensor. For example, the sensor device may include a plug-in sensor that may be mounted in an exhaust pipe of a fuel cell system. Other embodiments are conceivable in principle.

Das Gehäuse umfasst weiterhin mindestens eine Aufnahme, in welche das Sensorelement ganz oder teilweise aufgenommen ist. Die Aufnahme kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. The housing further comprises at least one receptacle, in which the sensor element is wholly or partially received. The receptacle may for example have a rectangular cross-section.

Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens ein Dichtelement. Der Begriff "Dichtelement" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, um das Innere des Gehäuses von der Umgebung hermetisch abzudichten. Weiterhin kann das Dichtelement Kontamination vermeiden. Das Dichtelement kann ein beliebig geformtes Element sein, vorzugsweise ein Dichtring, vorzugsweise ein O-Ring mit einem runden Querschnitt. Auch andere Querschnittsformen sind grundsätzlich denkbar. Das Dichtelement kann insbesondere ganz oder teilweise aus einem medienresistenten Material hergestellt sein. Insbesondere kann das Dichtelement ganz oder teilweise aus mindestens einem Elastomer, insbesondere aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk hergestellt sein. Das Dichtelement kann mindestens ein Matrixmaterial umfassen, insbesondere ein medienresistentes Matrixmaterial. Dem Matrixmaterial kann mindestens ein weiteres Material beigemischt sein. Das weitere Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem metallischen Werkstoff, mindestens einem keramischen Werkstoff. Auch andere Werkstoffe sind denkbar. Der metallische und/oder der keramische Werkstoff können als Partikel ausgebildet sein. Das Dichtelement ist zwischen der Unterseite des Sensorelements und dem Gehäuse angeordnet und eingerichtet, um das Sensorelement gegen das Gehäuse abzudichten. Weiterhin kann das Dichtelement eingerichtet sein, um Verlustwärme der Steuer- und Auswerteeinheit von dem Sensorelement weg zu transportieren. Das Dichtelement kann eingerichtet sein, um einen Wärmestrom zu erzeugen. Der Begriff “Wärmestrom“ bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen Wärmeübertrag. Im Allgemeinen erfolgt der Wärmeübertrag infolge eines Temperaturunterschiedes in Richtung eines Ortes mit einer tieferen Temperatur. The sensor device further comprises at least one sealing element. The term "sealing element" in the context of the present invention basically designates any element which is designed to hermetically seal the interior of the housing from the environment. Furthermore, the sealing element can avoid contamination. The sealing element may be an arbitrarily shaped element, preferably a sealing ring, preferably an O-ring with a round cross section. Other cross-sectional shapes are conceivable in principle. The sealing element may in particular be wholly or partly made of a media-resistant material. In particular, the sealing element may be wholly or partly made of at least one elastomer, in particular of an ethylene-propylene-diene rubber. The sealing element may comprise at least one matrix material, in particular a media-resistant matrix material. The matrix material may be mixed with at least one other material. The further material may be selected from the group consisting of: at least one metallic material, at least one ceramic material. Other materials are conceivable. The metallic and / or the ceramic material may be formed as particles. The sealing element is arranged between the underside of the sensor element and the housing and arranged to seal the sensor element against the housing. Furthermore, the sealing element can be set up in order to transport waste heat of the control and evaluation unit away from the sensor element. The sealing element may be configured to generate a heat flow. The term "heat flow" in the context of the present invention basically means a heat transfer. In general, the heat transfer occurs due to a temperature difference in the direction of a location with a lower temperature.

Die Steuer- und Auswerteeinheit ist auf der Oberfläche des Sensorelements direkt gegenüber des Dichtelements angeordnet. Unter “direkt gegenüber“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden werden, dass eine Projektion des Dichtelements in eine Ebene der Steuer- und Auswerteeinheit die Steuer- und Auswerteeinheit ganz oder teilweise überlappt. In anderen Worten kann beispielsweise die Steuer- und Auswerteeinheit in einer Blickrichtung senkrecht zu einer Oberfläche der Membran das Dichtelement ganz oder teilweise überlappen. Wiederum alternativ oder zusätzlich der Begriff “direkt gegenüber“ auch beispielsweise definiert werden mithilfe einer Menge aller Geraden, die einen Punkt der Steuer- und Auswerteeinheit mit einem Punkt des Dichtelements verbinden. Gibt es in dieser Menge keine Gerade, die senkrecht zur Oberfläche des Sensorelements steht, dann ergibt sich kein Überlappungsbereich zwischen der Steuer- und Auswerteeinheit und dem Dichtelement. Gibt es dagegen in der zuvor definierten Menge eine nichtleere Teilmenge mit senkrecht zur Oberfläche des Sensorelements stehenden Geraden, dann ergibt sich ein Überlappungsbereich zwischen der Steuer- und Auswerteeinheit und dem Dichtelement. Der Überlappungsbereich kann vorzugsweise mindestens 30% einer Fläche der Steuer- und Auswerteeinheit entsprechen, vorzugszeise mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95%. Je größer dieser Überlappbereich ist, desto größer ist im Allgemeinen der Anteil der Dichtfläche, der gleichzeitig für die Steuer- und Auswerteeinheit genutzt werden kann. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn dieser Überlappbereich in etwa mindestens der Hälfte der Schaltungsfläche entspricht. Wünschenswert kann ein vollständiger oder nahezu vollständiger Überlapp sein, d.h. wenn der Überlappbereich vollständig oder nahezu vollständig der Schaltungsfläche entspricht. The control and evaluation unit is arranged on the surface of the sensor element directly opposite the sealing element. For the purposes of the present invention, "directly opposite" may be understood in particular to mean that a projection of the sealing element into a plane of the control and evaluation unit completely or partially overlaps the control and evaluation unit. In other words, for example, the control and evaluation unit in a viewing direction perpendicular to a surface of the membrane, the sealing element completely or partially overlap. Again alternatively or additionally, the term "directly opposite" can also be defined, for example, by means of a set of all straight lines which connect a point of the control and evaluation unit to a point of the sealing element. If there is no straight line in this quantity which is perpendicular to the surface of the sensor element, then there is no overlapping area between the control and evaluation unit and the sealing element. If, on the other hand, there is a non-empty subset in the previously defined quantity with straight lines perpendicular to the surface of the sensor element, then an overlapping region results between the control and evaluation unit and the sealing element. The overlapping area may preferably correspond to at least 30% of an area of the control and evaluation unit, preferably at least 50%, preferably at least 70%, preferably at least 90%, preferably at least 95%. The larger this overlap area, the larger the proportion of the sealing surface that can be used simultaneously for the control and evaluation unit. In particular, it may be advantageous if this overlap area corresponds approximately to at least half of the circuit area. Desirable may be a complete or near complete overlap, i. when the overlap area completely or almost completely corresponds to the circuit area.

Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens einen Wärmeleiter umfassen. Der Wärmeleiter kann eingerichtet sein, um Verlustwärme der Steuer- und Auswerteeinheit von dem Sensorelement weg zu transportieren. Der Wärmeleiter kann aus mindestens einem Material hergestellt sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem keramischen Werkstoff, einem metallischen Werkstoff, einem Klebstoff, einem Duroplast, einem Thermoplast, einem Elastomer, einem Gel. Der Wärmeleiter kann mindestens ein Matrixmaterial umfassen. Dem Matrixmaterial kann mindestens ein weiteres Material beigemischt sein. Das weitere Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem metallischen Werkstoff, mindestens einem keramischen Werkstoff. Der metallische und/oder der keramische Werkstoff können als Partikel ausgebildet sein. Der Wärmeleiter kann auf der Oberfläche des Sensorelements angeordnet sein. Beispielsweise kann der Wärmeleiter als Ring mit einem runden Querschnitt ausgebildet sein. Auch andere Ausführungsformen sind denkbar. The sensor device may further comprise at least one heat conductor. The heat conductor can be set up to transport heat loss of the control and evaluation unit away from the sensor element. The thermal conductor may be made of at least one material selected from the group consisting of: a ceramic material, a metallic material, an adhesive, a thermoset, a thermoplastic, an elastomer, a gel. The heat conductor may comprise at least one matrix material. The matrix material may be mixed with at least one other material. The further material may be selected from the group consisting of: at least one metallic material, at least one ceramic material. The metallic and / or the ceramic material may be formed as particles. The heat conductor can be arranged on the surface of the sensor element. For example, the heat conductor can be designed as a ring with a round cross section. Other embodiments are conceivable.

Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens einen weiteren Wärmeleiter umfassen, welcher ebenfalls eingerichtet ist, um Verlustwärme abzuleiten. Der weitere Wärmeleiter kann eine längliche Form aufweisen. Der weitere Wärmeleiter kann ganz oder teilweise aus einem wärmeleitenden Material hergestellt sein, insbesondere aus einem Metall. Der weitere Wärmeleiter kann zwischen dem Dichtelement und dem Gehäuse angeordnet sein. Alternativ kann der Wärmeleiter stoffschlüssig mit dem Dichtelement und/oder dem Gehäuse verbunden sein. Die Sensorvorrichtung kann mindestens einen Wärmeaufnehmer umfassen. Der Wärmeaufnehmer kann eingerichtet sein, um Verlustwärme von dem Sensorelement aufzunehmen. Der Wärmeaufnehmer kann eine längliche Form aufweisen und mit dem Wärmeleiter verbunden sein. Der Wärmeaufnehmer kann aus einem weiteren Material hergestellt sein, insbesondere aus einem Metall. Der Wärmeaufnehmer kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind denkbar. Der Wärmeaufnehmer kann auf dem Wärmeleiter aufliegen. The sensor device may further include at least one further heat conductor, which is also configured to dissipate heat loss. The further heat conductor may have an elongated shape. The further heat conductor may be wholly or partly made of a thermally conductive material, in particular of a metal. The further heat conductor can be arranged between the sealing element and the housing. Alternatively, the heat conductor can be materially connected to the sealing element and / or the housing. The sensor device may comprise at least one heat absorber. The heat absorber may be configured to receive heat loss from the sensor element. The heat absorber may have an elongated shape and be connected to the heat conductor. The heat absorber can be made of a further material, in particular of a metal. The heat absorber may for example have a cuboid basic shape. Other embodiments are conceivable. The heat absorber can rest on the heat conductor.

Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens einen Niederhalter umfassen. Der Niederhalter kann eingerichtet sein, um das Sensorelement und/oder das Dichtelement gegen das Gehäuse zu drücken. So kann der Niederhalter beispielsweise mindestens ein Federelement umfassen, welches eingerichtet ist, um das Sensorelement und/oder das Dichtelement gegen das Gehäuse zu drücken. Alternativ oder zusätzlich kann der Niederhalter auf einem elastischen Bauteil aufliegen, welches eingerichtet ist, den Niederhalter gegen das Sensorelement anzudrücken. Beispielsweise kann der Niederhalter auf dem Wärmeleiter aufliegen. Alternativ oder zusätzlich kann der Niederhalter mindestens einen Rahmen aufweisen, welcher ebenfalls eingerichtet sein kann, um das Sensorelement und/oder das Dichtelement gegen das Gehäuse zu drücken und welcher beispielsweise auf dem Sensorelement aufliegen kann. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann der Niederhalter auch mindestens ein weiteres elektronisches oder passives Bauteil und/oder mindestens eine Kappe aufweisen, welche eingerichtet ist, um das Sensorelement und/oder das Dichtelement gegen das Gehäuse zu drücken. Der Niederhalter kann eingerichtet sein, um Verlustwärme von dem Sensorelement aufzunehmen. Beispielsweise können der Niederhalter und der Wärmeaufnehmer als ein Bauteil ausgebildet sein. The sensor device may further comprise at least one hold-down device. The hold-down device may be configured to press the sensor element and / or the sealing element against the housing. For example, the hold-down device may comprise at least one spring element which is set up to press the sensor element and / or the sealing element against the housing. Alternatively or additionally, the hold-down rest on an elastic member which is adapted to press the hold-down against the sensor element. For example, the hold-down rest on the heat conductor. Alternatively or additionally, the hold-down may have at least one frame, which may also be arranged to press the sensor element and / or the sealing element against the housing and which may rest for example on the sensor element. As an alternative or in addition, the hold-down device can also have at least one further electronic or passive component and / or at least one cap which is set up to press the sensor element and / or the sealing element against the housing. The hold-down device may be configured to absorb heat loss from the sensor element. For example, the hold-down and the heat absorber may be formed as a component.

Die Sensorvorrichtung kann mindestens ein Referenzelement umfassen. Das Referenzelement kann über der Membran angeordnet sein. Das Referenzelement kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform mit einer weiteren Kaverne aufweisen, so dass die Membran des Sensorelements nicht von dem Referenzelement bedeckt ist. Das Referenzelement kann auf der Oberseite des Sensorelements aufliegen und die Steuer- und Auswerteeinheit ganz oder teilweise bedecken. Das Referenzelement kann ein offenes oder ein ganz oder teilweise geschlossenes Referenzvolumen über der Membran bereitstellen. Das Referenzelement kann kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Sensorelement verbunden sein. Das Referenzelement kann beispielsweise durch einen Chip-Bond-Prozess stoffschlüssig mit dem Sensorelement verbunden sein. Das Referenzelement kann eingerichtet sein, um mindestens eine Referenzgröße zu erfassen. Das Referenzelement kann hergestellt sein aus mindestens einem Halbleitermaterial in Reinform oder als Verbindung, insbesondere aus Silizium. Das Referenzelement kann aus einem wärmeleitenden Material hergestellt sein. Weiterhin kann das Referenzelement vorzugsweise eine konstante Temperatur aufweisen, welche vorzugsweise möglichst genau einer Temperatur des Temperaturfühlers und/oder einer Temperatur des Sensorelements entspricht. The sensor device may comprise at least one reference element. The reference element can be arranged over the membrane. The reference element may for example have a cuboid basic shape with a further cavern, so that the membrane of the sensor element is not covered by the reference element. The reference element can rest on the upper side of the sensor element and completely or partially cover the control and evaluation unit. The reference element may provide an open or fully or partially closed reference volume over the membrane. The reference element may be non-positively and / or materially connected to the sensor element. By way of example, the reference element can be connected in a material-bonded manner to the sensor element by a chip bonding process. The reference element can be set up to detect at least one reference variable. The reference element may be made of at least one semiconductor material in pure form or as a compound, in particular of silicon. The reference element may be made of a thermally conductive material. Furthermore, the reference element may preferably have a constant temperature, which preferably corresponds as closely as possible to a temperature of the temperature sensor and / or a temperature of the sensor element.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung der Sensorvorrichtung nach einem der oben beschriebenen oder nachfolgend noch näher dargestellten Ausführungsbeispiele vorgeschlagen, in einer Anwendung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Wasserstoffsicherheitssensor, insbesondere für Automotive-Brennstoffzellensysteme; einem Feuchtemesser, insbesondere in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Einsatz nach einem Turbolader; einem Brennstoffzellensystem; einem Wasserstoffverbrennungsmotor; einem Sicherheitssensor, insbesondere zum Einsatz in einer Anlage zur Wasserstofferzeugung; einer analytischen Vorrichtung, insbesondere in einer Gasanalysenanlage, insbesondere einer Gaschromatographie-Anlage. In a further aspect of the present invention, a use of the sensor device according to one of the embodiments described above or described in more detail below is proposed, in an application selected from the group consisting of: a hydrogen safety sensor, in particular for automotive fuel cell systems; a moisture meter, in particular in an internal combustion engine, in particular in an insert after a turbocharger; a fuel cell system; a hydrogen combustion engine; a safety sensor, in particular for use in a plant for hydrogen production; an analytical device, in particular in a gas analysis system, in particular a gas chromatography system.

Die vorgeschlagene Sensorvorrichtung weist gegenüber bekannten Sensorvorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Die Vorteile der Erfindung können vor allem dann zur Geltung kommen, wenn sie zur Gaskonzentrationsmessung unter Bedingungen eingesetzt wird, bei denen aggressive Medien eine Rolle spielen. Beispielsweise kann kondensiertes, deionisiertes Wasser bei Sicherheitssensorvorrichtungen zur H₂-Detektion in einem Abgastrakt von Brennstoffzellensystemen sensorinterne, medientaugliche Dichtelemente erfordern. Im Allgemeinen können sich herkömmliche Klebstoffe unter solchen Bedingungen zersetzen. Folglich kann beispielsweise ein elastisches Dichtelement erforderlich sein, welches gegen das Sensorelement gedrückt werden kann. Eine allein für eine solche Abdichtung benötigte Fläche des Sensorelements kann grundsätzlich insbesondere im Vergleich zu der Membran groß sein. Es kann folglich häufig nur ein fast zu vernachlässigender Anteil der Fläche des Sensorelements nicht zum Abdichten sondern für eigentliche Hauptfunktionen der Sensorvorrichtung verwendet werden. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung kann folglich insbesondere darin liegen, dass die für die Abdichtung benötigte Fläche des Sensorelements für weitere, sonst extern anzuschließende Funktionsgruppen verwendet werden kann. The proposed sensor device has numerous advantages over known sensor devices. The advantages of the invention can be particularly effective when it is used for gas concentration measurement under conditions in which aggressive media play a role. For example, condensed deionized water may require sensor-internal, media-grade sealing elements in safety sensor devices for H ₂ detection in an exhaust tract of fuel cell systems. In general, conventional adhesives can degrade under such conditions. Consequently, for example, an elastic sealing element may be required, which can be pressed against the sensor element. A surface of the sensor element which is required solely for such a seal can in principle be large, in particular in comparison to the membrane. Consequently, it is often only an almost negligible portion of the surface of the sensor element not for sealing but for actual main functions the sensor device can be used. The advantage of the present invention can therefore be, in particular, that the area of the sensor element required for the sealing can be used for further, otherwise externally connectable functional groups.

Aufgrund einer möglichen Realisierung eines thermischen Messprinzips und einer möglichen Notwendigkeit, hochgenaue Messungen durchführen zu können, beispielsweise um etwa mehrere Gaskomponenten über deren Temperaturkoeffizienten zu unterscheiden, kann ein besonderes Thermomanagement erforderlich sein, insbesondere wenn eine Abwärme erzeugende Elektronik auf dem Sensorelement integriert ist. Dies kann durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ermöglicht werden, indem ein partikelgefüllter Kunststoff Verlustwärme abtransportieren kann. Dies kann beispielsweise auf der Oberseite des Sensorelements erfolgen, oder beispielsweise auf der Unterseite beispielsweise im Falle einer gleichzeitigen Anwendung des Dichtelements zur Kühlung. Due to a possible realization of a thermal measurement principle and a possible need to be able to perform highly accurate measurements, for example, to differentiate about several gas components on the temperature coefficient, a special thermal management may be required, especially if a waste heat generating electronics is integrated on the sensor element. This can be made possible by the sensor device according to the invention by a particle-filled plastic can dissipate heat loss. This can be done for example on the top of the sensor element, or for example on the underside, for example, in the case of a simultaneous application of the sealing element for cooling.

Das Sensorelement kann durch einen zum Großteil aus Silizium bestehenden Schichtaufbau gebildet werden. Der Schichtaufbau kann jedoch auch weitere Materialien umfassen. Eine dieser weiteren Materialschichten, vorzugsweise Siliziumoxid, kann einen Hauptteil der Membran bilden. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich möglich. Unter der Membran kann die Kaverne ausgebildet sein, über welche das fluide Medium an die Membran gelangen kann. Auf der dem fluiden Medium abgewandten Seite der Membran kann das mindestens eine Heizelement angebracht sein. Außerhalb der Membran kann auf dem Sensorelement der Temperaturfühler angeordnet sein. The sensor element can be formed by a layer structure consisting largely of silicon. However, the layer structure may also comprise other materials. One of these further material layers, preferably silicon oxide, can form a main part of the membrane. Other embodiments are possible in principle. Under the membrane, the cavern can be formed, via which the fluid medium can reach the membrane. On the side facing away from the fluid medium side of the membrane, the at least one heating element may be attached. Outside the membrane, the temperature sensor can be arranged on the sensor element.

Die Sensorvorrichtung kann insbesondere dazu genutzt werden, eine Wasserstoffkonzentration zu messen, welche Luft oder einem anderen Gasgemisch beigemischt ist. Dies kann beispielsweise im Abgastrakt des Brennstoffzellensystems einen Fehlerfall darstellen, so dass die Sensorvorrichtung als Sicherheitssensorvorrichtung eingesetzt werden kann. Weiterhin kann beispielsweise eine Luftdichte bestimmt werden oder deren Quereinfluss auf eine Wasserstoffmessung. Weiterhin kann insbesondere ein durch einen solchen Quereinfluss erzeugter Messfehler kompensiert werden. Alternativ ist dieser Ansatz auch für andere Gase, Gasmischungen und Gaskomponenten denkbar. Eine Konzentrationsbestimmung kann im Allgemeinen durch eine Wärmeleitfähigkeitsmessung an dem fluiden Medium erfolgen. Die Wärmeleitfähigkeit oder eine diese Größe repräsentierende Ersatzgröße kann insbesondere aus einer Relation zwischen Heizleistung und Temperaturen von Membran und Temperaturfühler ermittelt werden. Eine Ermittlung dieser Relation kann beispielsweise in der Steuer- und Auswerteeinheit erfolgen. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann das Heizelement steuern, indem beispielsweise eine feste oder variable Spannung einstellt wird. Alternativ kann ein Strom, eine Temperatur, eine Temperaturdifferenz eingestellt werden oder eine aus diesen Größen zusammengesetzte Größe wie beispielsweise eine Heizleistung. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann zumindest im Prinzip eine elektrische Leistung, eine elektrische Heizleistung des Heizelements, eine Temperatur des Heizelements, eine Temperatur der Membran und eine Temperatur des Temperaturfühlers erfassen. The sensor device can in particular be used to measure a hydrogen concentration, which is added to air or another gas mixture. This can represent, for example, in the exhaust tract of the fuel cell system a fault, so that the sensor device can be used as a safety sensor device. Furthermore, for example, an air density can be determined or its transverse influence on a hydrogen measurement. Furthermore, in particular, a measurement error generated by such a transverse influence can be compensated. Alternatively, this approach is also conceivable for other gases, gas mixtures and gas components. A concentration determination can generally be carried out by a thermal conductivity measurement on the fluid medium. The thermal conductivity or a substitute variable representing this variable can be determined in particular from a relation between heating power and temperatures of membrane and temperature sensor. A determination of this relation can take place, for example, in the control and evaluation unit. The control and evaluation unit can control the heating element, for example by setting a fixed or variable voltage. Alternatively, a current, a temperature, a temperature difference may be set or a variable composed of these quantities, such as a heating power. The control and evaluation unit can detect at least in principle an electrical power, an electrical heating power of the heating element, a temperature of the heating element, a temperature of the membrane and a temperature of the temperature sensor.

Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise im oder auf dem Sensorelement integriert sein und beispielsweise durch einen Maskenprozess auf dem Sensorelement erzeugt sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise neben der Membran oder ganz oder teilweise um die Membran herum oder auch in mehreren miteinander verbundenen oder auch getrennten Bereichen angeordnet sein. The control and evaluation unit can for example be integrated in or on the sensor element and be generated for example by a mask process on the sensor element. The control and evaluation unit can be arranged, for example, next to the membrane or completely or partially around the membrane or also in a plurality of interconnected or even separate areas.

Eine Steuerung des Heizelements kann beispielsweise direkt durch eine elektrische Verbindung zwischen Steuer- und Auswerteeinheit und dem Heizelement erfolgen, oder beispielsweise über einen Umweg außerhalb des Sensorelements. Beispielsweise kann die Leistungsendstufe außerhalb des Sensorelements platziert werden. Das Sensorelement kann mit den Bonddrähten kontaktiert sein. Die Bonddrähte können auf das Trägerelement verlaufen. Das Trägerelement kann beispielsweise ein Stecker, ein Leiterkamm oder ein Schaltungsträger, beispielsweise eine Leiterplatte sein. A control of the heating element can for example be done directly by an electrical connection between the control and evaluation and the heating element, or for example via a detour outside the sensor element. For example, the power output stage can be placed outside the sensor element. The sensor element can be contacted with the bonding wires. The bonding wires can run on the carrier element. The carrier element can be, for example, a plug, a conductor comb or a circuit carrier, for example a printed circuit board.

Zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse kann das Dichtelement platziert sein. Das Sensorelement kann einen Innenraum der Sensorvorrichtung gegenüber dem fluiden Medium abdichten. Auf diese Weise kann das fluide Medium nur an die Unterseite der Membran gelangen, wohingegen die Oberseite mit medienempflindlicheren Strukturen wie beispielsweise Platin-Leiterbahnen und der Steuer- und Auswerteeinheit Kontakt mit Umgebungsluft, einem Referenzgas oder Vakuum haben kann. The sealing element can be placed between the sensor element and the housing. The sensor element can seal an interior of the sensor device with respect to the fluid medium. In this way, the fluid medium can only reach the underside of the membrane, whereas the upper side can have contact with ambient air, a reference gas or a vacuum with media-sensitive structures such as platinum conductor tracks and the control and evaluation unit.

Bei einem möglichen Einsatz des Dichtelements unter aggressiven Medien kann eine Abdichtung vorzugsweise durch einen Andruck des Sensorelements an das Dichtelement erfolgen. Die Qualität dieser Abdichtung kann grundsätzlich in einem direkten Zusammenhang mit einer Dichtfläche stehen. Die Dichtfläche kann in der Regel deutlich größer als sonstige zur eigentlichen Messfunktion genutzten Flächenanteile des Sensorelements auszulegen sein. Um diese andernfalls ausschließlich zur Abdichtung vorgesehenen Sensorelementflächenanteile für die Steuer- und Auswerteeinheit mitnutzen zu können, kann letztere so beispielsweise angeordnet werden, dass sie ganz oder zumindest teilweise in diesen Sensorelementflächenanteilen zu liegen kommen kann bzw. direkt gegenüber den Bereichen des anliegenden Dichtelements platziert werden kann. In a possible use of the sealing element under aggressive media, a seal can be carried out preferably by a pressure of the sensor element to the sealing element. The quality of this seal can basically be directly related to a sealing surface. As a rule, the sealing surface can be designed to be considerably larger than other area proportions of the sensor element used for the actual measuring function. In order to share this otherwise only provided for sealing sensor element surface portions for the control and evaluation can, for example, the latter can be arranged so that it can come to lie completely or at least partially in these sensor element surface portions or can be placed directly opposite the areas of the adjacent sealing element.

Die Steuer- und Auswerteeinheit kann Verlustwärme erzeugen. Teilweise kann Verlustwärme insbesondere durch Steuerung des Heizelements entstehen, aber grundsätzlich auch durch eine Regelung einer Stromversorgung einer Gesamtschaltung und durch eine Auswertung und Weiterverarbeitung von erfassten elektrischen Messgrößen bis hin zu einer elektrischen Schnittstelle nach außen. The control and evaluation unit can generate heat loss. Partly loss heat can arise in particular by controlling the heating element, but in principle by regulating a power supply of a whole circuit and by an evaluation and further processing of detected electrical measurements up to an electrical interface to the outside.

Eine Anordnung der Steuer- und Auswerteeinheit auf der Oberseite des Sensorelements kann insbesondere sinnvoll sein, wenn Verlustwärme vom Sensorelement wegtransportiert werden kann. Insbesondere kann dies einerseits zu einem Schutz der Steuer- und Auswerteeinheit selbst geschehen, bzw. um einen größeren Temperatureinsatzbereich zu gewährleisten, aber andererseits auch, um durch zusätzlich eingebrachte Wärme die Wärmeleitfähigkeitsmessung nicht ungünstig zu beeinflussen. An arrangement of the control and evaluation unit on the upper side of the sensor element may be particularly useful if heat loss from the sensor element can be transported away. In particular, this can be done on the one hand to protect the control and evaluation unit itself, or to ensure a wider temperature range, but on the other hand, to influence the heat conductivity measurement by addition of additional heat not unfavorable.

Zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse kann das Dichtelement platziert werden, welches den Innenraum der Sensorvorrichtung gegenüber dem fluiden Medium abdichten kann. Das Dichtelement kann gleichzeitig genutzt werden, um Verlustwärme abzutransportieren. Das Dichtelement kann beispielsweise ein Klebstoff sein, ein Thermoplast, Duroplast oder auch ein Elastomer. Beim Einsatz im Abgastrakt des Brennstoffzellensystems würden sich grundsätzlich die meisten dieser Kunststoffe aufgrund eines Vorhandenseins von deionisiertem Wasser zersetzen. Deshalb kann vorzugsweise ein medienresistentes Elastomer eingesetzt werden, welches zu einer besseren Wärmeleitung mit weiteren Stoffen versetzt werden kann, beispielsweise mit wärmeleitenden Partikeln wie beispielsweise Metall- oder Keramik-Partikeln. Between the sensor element and the housing, the sealing element can be placed, which can seal the interior of the sensor device relative to the fluid medium. The sealing element can be used simultaneously to remove heat loss. The sealing element may be, for example, an adhesive, a thermoplastic, thermoset or even an elastomer. When used in the exhaust tract of the fuel cell system, basically most of these plastics would decompose due to the presence of deionized water. Therefore, preferably a media-resistant elastomer can be used, which can be added to a better heat conduction with other substances, for example with heat-conductive particles such as metal or ceramic particles.

Ein Wärmetransport kann zusätzlich oder alternativ durch den Wärmeleiter erfolgen. Dieser kann beispielsweise ein Keramik-, Metall- oder Kunststoffteil umfassen und/oder einen Klebstoff, einen Duroplast, einen Thermoplast, ein Elastomer oder ein Gel. Der Wärmeleiter kann insbesondere mit einem wärmeleitenden Werkstoff versetzt sein, beispielsweise mit Metall- oder Keramik-Partikeln. Der Wärmeleiter kann dazu genutzt werden, aufgenommene Wärme ohne eine Hilfe eines weiteren Bauteils abzustrahlen. Alternativ kann Wärme an den Wärmeaufnehmer abgegeben werden. Insbesondere bei einer möglichen Verwendung des Elastomers, kann der Niederhalter das Sensorelement und das Dichtelement gegen das Gehäuse andrücken. Der Niederhalter kann insbesondere gleichzeitig der Wärmeaufnehmer sein, an welchem Wärme von dem Wärmeleiter abgegeben werden kann. A heat transfer can additionally or alternatively be carried out by the heat conductor. This may for example comprise a ceramic, metal or plastic part and / or an adhesive, a thermoset, a thermoplastic, an elastomer or a gel. The heat conductor may in particular be mixed with a heat-conducting material, for example with metal or ceramic particles. The heat conductor can be used to radiate absorbed heat without the help of another component. Alternatively, heat can be given to the heat absorber. In particular, in a possible use of the elastomer, the hold-down can press the sensor element and the sealing element against the housing. In particular, the hold-down device can at the same time be the heat absorber to which heat can be released by the heat conductor.

Alternativ oder zusätzlich kann Verlustwärme der Steuer- und Auswerteeinheit zunächst in das Referenzelement übertragen werden. Das Referenzelement kann gleichzeitig ein offenes oder geschlossenes Referenzvolumen über der Membran bereitstellen. Das Referenzelement kann vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material hergestellt sein. Das Referenzelement kann vorzugsweise eingerichtet sein, um einen möglichst großen Wärmestrom ableiten zu können. Weiterhin kann das Referenzelement vorzugsweise eine konstante Temperatur aufweisen, welche vorzugsweise eine möglichst genau der Temperatur des Temperaturfühlers und/oder der Temperatur des Sensorelements entspricht. Das Referenzelement kann grundsätzlich als Chip ausgebildet sein, beispielsweise als Siliziumchip. Das Referenzelement kann auf dem Sensorelement aufliegen, aufgelegt, geklebt oder stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch einen Chip-Bond-Prozess. Alternatively or additionally, heat loss of the control and evaluation unit can first be transferred to the reference element. The reference element can simultaneously provide an open or closed reference volume over the membrane. The reference element may preferably be made of a thermally conductive material. The reference element can preferably be set up in order to be able to derive the largest possible heat flow. Furthermore, the reference element may preferably have a constant temperature, which preferably corresponds as closely as possible to the temperature of the temperature sensor and / or the temperature of the sensor element. The reference element can basically be formed as a chip, for example as a silicon chip. The reference element can rest on the sensor element, be placed, glued or materially connected, for example by a chip-bonding process.

Das Sensorelement kann weiterhin eine weitere Membran umfassen, welche beispielsweise zur Erfassung einer Referenzgröße dienen kann. Das Sensorelement kann in die Sensorvorrichtung eingebaut werden, dass die Membran nicht mit dem fluiden Medium in Kontakt steht. The sensor element can furthermore comprise a further membrane, which can serve, for example, for detecting a reference variable. The sensor element can be installed in the sensor device so that the membrane is not in contact with the fluid medium.

Zwischen dem Dichtelement und dem Gehäuse kann der weitere Wärmeleiter angeordnet sein, auf welchem Verlustwärme übertragen werden kann. Der weitere Wärmeleiter kann aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise aus einem Metall hergestellt sein. Der Wärmeleiter kann zwischen dem Sensorelement und dem Dichtelement angeordnet sein. Alternativ kann der Wärmeleiter weder in direktem Kontakt mit dem Sensorelement und dem Gehäuse stehen. Vorzugsweise kann der weitere Wärmeleiter zwischen dem Dichtelement und dem Gehäuse angeordnet sein. Der weitere Wärmeleiter kann beispielsweise eingelegt und über das Dichtelement angedrückt werden oder beispielsweise stoffschlüssig mit dem Dichtelement oder dem Gehäuse verbunden sein. Eine stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere hergestellt werden, indem der weitere Wärmeleiter mit dem Material des Dichtelement oder des Gehäuses bei dessen Herstellung umspritzt oder teilumspritzt wird oder das entsprechende Material zumindest einseitig an das Bauteil angespritzt wird. Between the sealing element and the housing, the further heat conductor can be arranged, on which heat loss can be transmitted. The further heat conductor may be made of a thermally conductive material, for example of a metal. The heat conductor can be arranged between the sensor element and the sealing element. Alternatively, the heat conductor can not be in direct contact with the sensor element and the housing. Preferably, the further heat conductor can be arranged between the sealing element and the housing. The further heat conductor can for example be inserted and pressed against the sealing element or, for example, be integrally connected to the sealing element or the housing. A cohesive connection can be made in particular by the further heat conductor with the material of the sealing element or the housing is molded or teilumspritzt in its manufacture or the corresponding material is molded at least on one side to the component.

Alle dargestellten Varianten können auch miteinander kombiniert werden, wie der Fachmann erkennen wird. All variants shown can also be combined with each other, as the skilled person will recognize.

Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen: Show it:

1A und 1B Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Sensorelements in Schnittdarstellung (1A) und in Draufsicht (1B); 1A and 1B Representations of an embodiment of an insertable in the context of the present invention sensor element in sectional view ( 1A ) and in plan view ( 1B );

2A, 2B und 2C Schnittdarstellungen von drei Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; 2A . 2 B and 2C Sectional views of three embodiments of a sensor device according to the invention;

3 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; 3 a sectional view of another embodiment of a sensor device according to the invention;

4A und 4B eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement (4A) und eine Darstellung des Sensorelements in Draufsicht (4B); und 4A and 4B a sectional view of another embodiment of a sensor device according to the invention with a sensor element ( 4A ) and a representation of the sensor element in plan view ( 4B ); and

5 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. 5 a sectional view of another embodiment of a sensor device according to the invention.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1A und 1B zeigen ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 114, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist. Das Sensorelement 114 ist in 1A in einer Schnittdarstellung gezeigt und in 1B in Draufsicht. Beide Darstellungen zeigen das Sensorelement 114 in einem mit einer Ansteuerung 112 verbundenen Zustand. 1A and 1B show an exemplary embodiment of a sensor element 114 , which can be used in the context of the present invention. The sensor element 114 is in 1A shown in a sectional view and in 1B in plan view. Both illustrations show the sensor element 114 in one with a drive 112 connected state.

Das Sensorelement 114 umfasst eine Oberseite 116 und eine Unterseite 118. Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 mindestens eine Membran 120. Das Sensorelement 114 kann als Chip 122 ausgebildet sein. Der Chip 122 kann mindestens ein Basiselement 124 umfassen, welches mindestens eine Kaverne 126 aufweist. Eine Unterseite der Membran 120 kann sich über eine Oberfläche des Basiselements 124 erstrecken, und die Kaverne 126 kann von der Membran 120 bedeckt sein. Die Membran 120 und das Basiselement 124 können gemeinsam den Chip 122 bilden. Das Basiselement 124 und/oder die Kaverne 126 können eine quaderförmige Grundform aufweisen. Andere Grundformen sind grundsätzlich möglich. Das Basiselement 124 und/oder die Membran 122 können hergestellt sein aus mindestens einem Halbleitermaterial in Reinform oder als Verbindung. Das Halbleitermaterial kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Germanium, Bor, Selen, einer Siliciumverbindung, einer Galliumverbindung, einer Indiumverbindung. Das Basiselement 124 und/oder die Membran 120 können ganz oder teilweise das mindestens eine Halbleitermaterial in einem Schichtaufbau 128 aufweisen. The sensor element 114 includes a top 116 and a bottom 118 , Furthermore, the sensor element comprises 114 at least one membrane 120 , The sensor element 114 can as a chip 122 be educated. The chip 122 can be at least one basic element 124 comprising at least one cavern 126 having. A bottom of the membrane 120 can be over a surface of the base element 124 extend, and the cavern 126 can from the membrane 120 be covered. The membrane 120 and the base element 124 can share the chip 122 form. The basic element 124 and / or the cavern 126 can have a cuboid basic shape. Other basic forms are possible in principle. The basic element 124 and / or the membrane 122 can be made of at least one semiconductor material in pure form or as a compound. The semiconductor material may in particular be selected from the group consisting of: silicon, germanium, boron, selenium, a silicon compound, a gallium compound, an indium compound. The basic element 124 and / or the membrane 120 can wholly or partially the at least one semiconductor material in a layer structure 128 exhibit.

Das Sensorelement 114 umfasst weiterhin mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit 130. Die Steuer- und Auswerteeinheit 130 kann insbesondere ganz oder teilweise in den Chip 122 integriert sein und kann beispielsweise eingerichtet sein, um mit der optionalen Ansteuerung 112 zu interagieren, beispielsweise durch Austausch von Steuersignalen und/oder durch Austausch von Messgrößen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 130 kann insbesondere außerhalb der Membran 120 angeordnet sein. Weiterhin kann das Sensorelement 114 mindestens ein auf der Membran 120 angeordnetes Heizelement 132 und mindestens einen auf der Membran 120 angeordneten Temperaturfühler 134 aufweisen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 130 kann eingerichtet sein, um mindestens eine Größe des Heizelements 132 einzustellen, wobei die Größe ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Strom, einer Spannung, einer Temperatur, einer Temperaturdifferenz zu dem Temperaturfühler, einer Temperaturdifferenz zu der Membran, einer Heizleistung. Weiterhin kann die Steuer- und Auswerteeinheit 130 eingerichtet sein, um mindestens eine Messgröße des Temperaturfühlers 134, insbesondere einer Temperatur, zu erfassen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 130 kann eingerichtet sein, um mindestens eine Messgröße des Sensorelements 114 zu erfassen, insbesondere mindestens einen elektrischen Strom und/oder mindestens eine elektrische Spannung. Die Steuer- und Auswerteeinheit 130 kann weiterhin eingerichtet sein, um mindestens eine elektrische Stellgröße des Sensorelements 114 einzustellen, insbesondere mindestens einen elektrischen Strom und/oder mindestens eine elektrische Spannung. Die Steuer- und Auswerteeinheit 130 kann eingerichtet sein, um mindestens eine Messgröße der Membran 120, insbesondere eine Temperatur, zu erfassen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 130 kann eingerichtet sein, um mindestens eine der folgenden Messgrößen des fluiden Mediums zu bestimmen: eine Wärmeleitfähigkeit; einen Wärmestrom; eine Strömung; eine chemische Zusammensetzung. Weiterhin kann die Steuer- und Auswerteeinheit 130 eingerichtet sein, um aus der Wärmeleitfähigkeit des fluiden Mediums eine Konzentration des fluiden Mediums zu bestimmen. The sensor element 114 furthermore comprises at least one control and evaluation unit 130 , The control and evaluation unit 130 especially in whole or in part in the chip 122 be integrated and can be set up, for example, with the optional control 112 to interact, for example by exchanging control signals and / or by exchange of measured variables. The control and evaluation unit 130 especially outside the membrane 120 be arranged. Furthermore, the sensor element 114 at least one on the membrane 120 arranged heating element 132 and at least one on the membrane 120 arranged temperature sensor 134 exhibit. The control and evaluation unit 130 can be set to at least one size of the heating element 132 adjust, wherein the size is selected from the group consisting of: a current, a voltage, a temperature, a temperature difference to the temperature sensor, a temperature difference to the membrane, a heating power. Furthermore, the control and evaluation unit 130 be set up to at least one measure of the temperature sensor 134 , in particular a temperature to detect. The control and evaluation unit 130 can be set up to at least one measured variable of the sensor element 114 to detect, in particular at least one electric current and / or at least one electrical voltage. The control and evaluation unit 130 can also be set to at least one electrical control variable of the sensor element 114 set, in particular at least one electric current and / or at least one electrical voltage. The control and evaluation unit 130 can be set up to at least one measurand of the membrane 120 , in particular a temperature to detect. The control and evaluation unit 130 can be arranged to determine at least one of the following measured variables of the fluid medium: a thermal conductivity; a heat flow; a flow; a chemical composition. Furthermore, the control and evaluation unit 130 be set up to determine from the thermal conductivity of the fluid medium, a concentration of the fluid medium.

Das Heizelement 132 und der Temperaturfühler 134 können auf der Oberseite 116 angeordnet sein. Das Heizelement 132 kann zumindest teilweise auf der Membran 120 angeordnet sein. Der Temperaturfühler 134 kann zumindest teilweise außerhalb der Membran 120 angeordnet sein. The heating element 132 and the temperature sensor 134 can on the top 116 be arranged. The heating element 132 can be at least partially on the membrane 120 be arranged. Of the temperature sensor 134 can be at least partially outside the membrane 120 be arranged.

Die Ansteuerung 112 kann insbesondere mindestens eine Leistungsendstufe 136 umfassen. Die Ansteuerung 112 kann mit dem Sensorelement 114 verbunden sein, beispielsweise durch Bonddrähte 138. Weiterhin kann die Ansteuerung 112 mindestens ein Trägerelement 144 umfassen, beispielsweise eine Leiterplatte 146. The control 112 can in particular at least one power amplifier 136 include. The control 112 can with the sensor element 114 be connected, for example by bonding wires 138 , Furthermore, the control 112 at least one carrier element 144 include, for example, a printed circuit board 146 ,

2A, 2B und 2C zeigen drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Sensorvorrichtungen 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in Schnittdarstellung. Die Sensorvorrichtungen 110 umfassen jeweils ein Sensorelement 114. Das Sensorelement 114 kann der Ausgestaltung gemäß den 1A und 1B entsprechen, so dass weitgehend auf die Beschreibung der 1A und 1B oben verwiesen werden kann. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. 2A . 2 B and 2C show three embodiments of inventive sensor devices 110 for detecting at least one property of a fluid medium in a sectional view. The sensor devices 110 each comprise a sensor element 114 , The sensor element 114 can the embodiment according to the 1A and 1B correspond largely to the description of the 1A and 1B can be referred to above. However, other embodiments are possible.

Die Sensorvorrichtung 110 gemäß 2A umfasst weiterhin mindestens ein Gehäuse 148. Das Gehäuse 148 kann teilweise als Rohr ausgebildet sein. Weiterhin umfasst das Gehäuse mindestens eine Aufnahme 150. Das Sensorelement 114 ist ganz oder teilweise in der Aufnahme 150 aufgenommen. The sensor device 110 according to 2A further comprises at least one housing 148 , The housing 148 may be partially formed as a tube. Furthermore, the housing comprises at least one receptacle 150 , The sensor element 114 is completely or partially in the recording 150 added.

Die Sensorvorrichtung 110 gemäß 2A umfasst weiterhin mindestens ein Dichtelement 152. Das Dichtelement 152 ist zwischen der Unterseite 118 des Sensorelements 114 und dem Gehäuse 148 angeordnet und eingerichtet, um das Sensorelement 114 gegen das Gehäuse 148 abzudichten. Das Dichtelement 152 kann insbesondere mindestens einen Dichtungsring 154, insbesondere einen O-Ring, umfassen. Das Dichtelement 152 kann insbesondere ganz oder teilweise aus mindestens einem medienresistenten Material hergestellt sein, beispielsweise ganz oder teilweise aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk. Weiterhin kann das Dichtelement 152 mindestens ein Matrixmaterial umfassen, insbesondere ein medienresistentes Matrixmaterial. Dem Matrixmaterial kann mindestens ein weiteres Material beigemischt sein. Das weitere Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem metallischen Werkstoff, mindestens einem keramischen Werkstoff. Der metallische und/oder der keramische Werkstoff können als Partikel ausgebildet sein. Das Dichtelement 152 kann weiterhin eingerichtet sein, um einen Transport einer Verlustwärme der Steuer- und Auswerteeinheit 130 von dem Sensorelement 114 weg zu transportieren. Dies ist schematisch mit einem ersten Wärmestrompfad 156 dargestellt. The sensor device 110 according to 2A further comprises at least one sealing element 152 , The sealing element 152 is between the bottom 118 of the sensor element 114 and the housing 148 arranged and set up to the sensor element 114 against the case 148 seal. The sealing element 152 in particular, at least one sealing ring 154 , in particular an O-ring. The sealing element 152 In particular, it may be wholly or partially made of at least one media-resistant material, for example wholly or partly of an elastomer, in particular of an ethylene-propylene-diene rubber. Furthermore, the sealing element 152 comprise at least one matrix material, in particular a media-resistant matrix material. The matrix material may be mixed with at least one other material. The further material may be selected from the group consisting of: at least one metallic material, at least one ceramic material. The metallic and / or the ceramic material may be formed as particles. The sealing element 152 can also be set up to transport a loss of heat of the control and evaluation 130 from the sensor element 114 to transport away. This is schematically with a first heat flow path 156 shown.

Die Sensorvorrichtung 110 gemäß 2B entspricht in weiten Teilen der Sensorvorrichtung 110 gemäß 2A. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung 110 in diesem Ausführungsbeispiel mindestens einen Wärmeleiter 158. Der Wärmeleiter 158 kann hergestellt sein aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem keramischen Werkstoff, einem metallischen Werkstoff, einem Klebstoff, einem Duroplast, einem Thermoplast, einem Elastomer, einem Gel. Der Wärmeleiter 158 kann mindestens ein Matrixmaterial umfassen, welchem mindestens ein weiteres Material beigemischt ist. Das weitere Material kann ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem metallischen Werkstoff, mindestens einem keramischen Werkstoff. Der metallische und/oder der keramische Werkstoff können als Partikel ausgebildet sein. Der Wärmeleiter 158 kann eingerichtet sein, um einen Transport einer Verlustwärme der Steuer- und Auswerteeinheit 130 von dem Sensorelement 114 weg zu transportieren. Dies ist schematisch durch einen zweiten Wärmestrompfad 160 dargestellt. Die Sensorvorrichtung 110 kann weiterhin mindestens einen Wärmeaufnehmer 162 umfassen. Der Wärmeaufnehmer 162 kann eingerichtet sein, um Verlustwärme von dem Sensorelement 114 aufzunehmen. Der Wärmeaufnehmer 162 kann in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Niederhalter 163 ausgebildet sein. Der Niederhalter 163 kann eingerichtet sein, um das Sensorelement 114 und/oder das Dichtelement 152 gegen das Gehäuse 148 zu drücken. The sensor device 110 according to 2 B corresponds in many parts of the sensor device 110 according to 2A , Furthermore, the sensor device comprises 110 in this embodiment, at least one heat conductor 158 , The heat conductor 158 may be made of at least one material selected from the group consisting of: a ceramic material, a metallic material, an adhesive, a thermoset, a thermoplastic, an elastomer, a gel. The heat conductor 158 may comprise at least one matrix material, which is admixed with at least one further material. The further material may be selected from the group consisting of: a metallic material, at least one ceramic material. The metallic and / or the ceramic material may be formed as particles. The heat conductor 158 can be set up to transport a loss of heat of the control and evaluation 130 from the sensor element 114 to transport away. This is schematically represented by a second heat flow path 160 shown. The sensor device 110 can still have at least one heat absorber 162 include. The heat absorber 162 may be configured to remove heat loss from the sensor element 114 take. The heat absorber 162 can simultaneously as a hold-down in this embodiment 163 be educated. The hold down 163 can be set up to the sensor element 114 and / or the sealing element 152 against the case 148 to press.

In 2C ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 gezeigt, welches ebenfalls weitgehend dem Beispiel gemäß 2A entspricht. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Sensorvorrichtung 110 jedoch weiterhin mindestens einen weiteren Wärmeleiter 164 umfassen. Der weitere Wärmeleiter 164 kann eingerichtet sein, um Verlustwärme abzuleiten. Der weitere Wärmeleiter 164 kann ganz oder teilweise aus einem wärmeleitenden Material hergestellt sein, insbesondere aus einem Metall. Der weitere Wärmeleiter 164 kann zwischen dem Dichtelement 152 und dem Gehäuse 148 angeordnet sein. Der weitere Wärmeleiter 164 kann weiterhin stoffschlüssig mit dem Dichtelement 152 und/oder dem Gehäuse 148 verbunden sein. In 2C is a fourth embodiment of a sensor device according to the invention 110 shown, which also largely according to the example 2A equivalent. In this embodiment, the sensor device 110 but still at least one other heat conductor 164 include. The further heat conductor 164 can be set up to dissipate heat loss. The further heat conductor 164 may be wholly or partly made of a thermally conductive material, in particular of a metal. The further heat conductor 164 can be between the sealing element 152 and the housing 148 be arranged. The further heat conductor 164 can continue cohesively with the sealing element 152 and / or the housing 148 be connected.

3 zeigt eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 in Schnittdarstellung. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann die Sensorvorrichtung 110 wieder weitgehend dem Beispiel gemäß 2A entsprechen, so dass weitgehend auf die Beschreibung der 2A oben verwiesen werden kann. Die Sensorvorrichtung 110 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 umfasst jedoch weiterhin mindestens ein Referenzelement 166. Das Referenzelement 166 kann eingerichtet sein, um Verlustwärme von dem Sensorelement 114 abzuleiten. Dies ist schematisch durch einen dritten Wärmestrompfad 168 dargestellt. Das Referenzelement 166 kann weiterhin eingerichtet sein, um ein offenes oder ein ganz oder teilweise geschlossenes Referenzvolumen 169 über der Membran 120 bereitzustellen. Das Referenzelement 166 kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform mit einer weiteren Kaverne 170 aufweisen, so dass die Membran 120 des Sensorelements 114 nicht von dem Referenzelement 166 bedeckt ist. Das Referenzelement 166 kann auf der Oberseite 116 des Sensorelements 114 aufliegen und die Steuer- und Auswerteeinheit 130 ganz oder teilweise bedecken. Das Referenzelement 166 kann stoffschlüssig mit dem Sensorelement 114 verbunden sein. 3 shows a representation of a further embodiment of a sensor device according to the invention 110 in section. Also in this embodiment, the sensor device 110 again largely according to the example 2A correspond largely to the description of the 2A can be referred to above. The sensor device 110 in the embodiment according to 3 However, it also includes at least one reference element 166 , The reference element 166 may be configured to remove heat loss from the sensor element 114 derive. This is schematically represented by a third heat flow path 168 shown. The reference element 166 may be further configured to have an open or fully or partially closed reference volume 169 over the membrane 120 provide. The reference element 166 For example, a cuboid basic shape with another cavern 170 have, so that the membrane 120 of the sensor element 114 not from the reference element 166 is covered. The reference element 166 can on the top 116 of the sensor element 114 rest and the control and evaluation unit 130 cover in whole or in part. The reference element 166 can cohesively with the sensor element 114 be connected.

4A zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110, welche ein Sensorelement 114 umfasst. Aufgrund einer möglichen Symmetrie der Sensorvorrichtung 110 bezüglich einer Linie A-A ist in 4A nur eine Hälfte der Schnittdarstellung gezeigt. 4B zeigt eine Darstellung des Sensorelements 114 in Draufsicht. Die Sensorvorrichtung 110 und das Sensorelement 114 entsprechen in weiten Teilen den Anordnungen gemäß 1A und 1B, so dass weitgehend auf die Beschreibung der 1A und 1B oben verwiesen werden kann. 4A shows a sectional view of an embodiment of a sensor device according to the invention 110 which is a sensor element 114 includes. Due to a possible symmetry of the sensor device 110 with respect to a line AA is in 4A only one half of the sectional view shown. 4B shows a representation of the sensor element 114 in plan view. The sensor device 110 and the sensor element 114 correspond largely to the arrangements according to 1A and 1B , so largely on the description of the 1A and 1B can be referred to above.

Die Steuer- und Auswerteeinheit 130 ist auf der Oberseite 116 des Sensorelements 114 direkt gegenüber des Dichtelements angeordnet. Dies ist schematisch durch einen Überlappbereich 172 dargestellt. Der Überlappbereich kann definiert sein als die Schnittfläche zwischen einer Schaltungsfläche 174 der Steuer- und Auswerteeinheit 130 und einer Dichtfläche 176 des Dichtelements 152. The control and evaluation unit 130 is on the top 116 of the sensor element 114 arranged directly opposite the sealing element. This is schematically by an overlap area 172 shown. The overlap area can be defined as the interface between a circuit area 174 the control and evaluation unit 130 and a sealing surface 176 of the sealing element 152 ,

5 zeigt eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 in Schnittdarstellung. Die Sensorvorrichtung 110 entspricht in weiten Teilen dem Ausführungsbeispiel aus 2A, so dass in weiten Teilen auf die Beschreibung der 2A verwiesen werden kann. 5 shows a representation of a further embodiment of a sensor device according to the invention 110 in section. The sensor device 110 corresponds in many parts to the embodiment 2A , so to a large extent based on the description of the 2A can be referenced.

Das Sensorelement 114 gemäß 5 kann weiterhin mindestens eine weitere Membran 178 umfassen. Die weitere Membran 178 kann eingerichtet sein, um mindestens eine Referenzgröße zu erfassen. Die weitere Membran 178 kann sich über eine weitere Kaverne 180 des Basiselements 124 erstrecken und die weitere Kaverne 180 bedecken. Die weitere Membran 178 kann außerhalb des Gehäuses 148 angeordnet sein. Das Basiselement 124, die Membran 120 und die weitere Membran 178 können als ein Bauteil, insbesondere als Chip 122 ausgebildet sein. The sensor element 114 according to 5 can continue at least one other membrane 178 include. The further membrane 178 can be set up to capture at least one reference size. The further membrane 178 can be about another cavern 180 of the base element 124 extend and the further cavern 180 cover. The further membrane 178 can outside the case 148 be arranged. The basic element 124 , the membrane 120 and the other membrane 178 can as a component, especially as a chip 122 be educated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19601791 A1 [0003]
DE 102006010901 A1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

M. Arndt: "Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications", Sensors, 2002 [0004]

Claims

Sensor device ( 110 ) for detecting at least one property of a fluid medium comprising • at least one sensor element ( 114 ) for detecting the property, comprising a top and a bottom, wherein the sensor element ( 114 ) at least one membrane ( 120 ), wherein the sensor element ( 114 ) at least one control and evaluation unit ( 130 ); At least one housing ( 148 ) with at least one recording ( 150 ), wherein the sensor element ( 114 ) in whole or in part in the recording ( 150 ) is included; and at least one sealing element ( 152 ), wherein the sealing element ( 152 ) between the underside of the sensor element ( 114 ) and the housing ( 148 ) is arranged and adapted to the sensor element ( 114 ) against the housing ( 148 ), whereby the control and evaluation unit ( 130 ) on top of the sensor element ( 114 ) directly opposite the sealing element ( 152 ) is arranged.

Sensor device ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the sensor element ( 114 ) as a chip ( 122 ) and wherein the control and evaluation unit ( 130 ) into the chip ( 122 ) is integrated.

Sensor device ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the chip ( 122 ) at least one basic element ( 124 ), wherein the base element ( 124 ) at least one cavern ( 126 ), wherein a bottom of the membrane ( 120 ) over a surface of the base member ( 124 ), the cavern ( 126 ) from the membrane ( 120 ) is covered.

Sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the sealing element ( 152 ) is made entirely or partially of an elastomer.

Sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device ( 110 ) at least one heat conductor ( 158 ), wherein the heat conductor ( 158 ) is set up to dissipate heat loss of the control and evaluation unit ( 130 ) of the sensor element ( 114 ) to transport away.

Sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device ( 110 ) at least one heat absorber ( 162 ), wherein the heat absorber ( 162 ) is arranged to absorb the heat loss from the sensor element ( 114 ).

Sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device ( 110 ) at least one hold-down ( 163 ), wherein the hold-down ( 163 ) is arranged to the sensor element ( 114 ) and / or the sealing element ( 152 ) against the housing ( 148 ).

Sensor device ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the hold-down ( 163 ) is further adapted to dissipate heat loss from the sensor element ( 114 ).

Sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device ( 110 ) at least one reference element ( 166 ), wherein the reference element ( 166 ) is made of a thermally conductive material and is adapted to a reference volume ( 169 ).

Use of the sensor device ( 110 ) according to one of the preceding, a sensor device ( 110 ) in an application selected from the group consisting of: a hydrogen safety sensor; a moisture meter; a hydrogen internal combustion engine; a safety sensor, in particular for use in a plant for hydrogen production.