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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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 oder einen Spalt oder einen Kanal 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.
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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.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorvorrichtungen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Üblicherweise werden reproduzierbare thermische Randbedingungen für das zur Messung beitragende Volumen dadurch hergestellt, dass eine begrenzende Fläche möglichst nah am Chip platziert wird. Aufgrund der entsprechenden geringen Spaltmaße würde in einer solchen Anordnung Kondenswasser nicht mehr abfließen, weshalb mikromechanische Wärmeleitfähigkeitssensoren bislang in Umgebungsbedingungen mit hoher absoluter Luftfeuchtigkeit, wie beispielsweise beim Einsatz im Abgastrakt von Brennstoffzellensystemen, bei denen im Allgemeinen eine hohe Luftfeuchtigkeit vorliegt, nicht eingesetzt werden. Dabei kann es zur Kondensation und Vereisung kommen. Derartige Einflüsse führen zu Messeffekten, die nicht mit einer zu messenden Konzentrationsänderung im Zusammenhang stehen. Ein Verzicht auf enge Spaltmaße zugunsten einer offenen Messgeometrie würde zu wenig reproduzierbaren Messungen führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die oben genannten Nachteile bekannter Sensorvorrichtungen zumindest weitgehend vermeidet und die insbesondere eine Vereisung verhindern bzw. bereits vorhandenes Kondensat oder Eis verdampfen, schmelzen oder sublimieren kann.
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Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums umfasst mindestens ein Sensorelement zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft, wobei das Sensorelement mindestens eine Membran aufweist, mindestens ein Gehäuse mit mindestens einer Aufnahme, wobei das Sensorelement zumindest teilweise in der Aufnahme aufgenommen ist. Das Sensorelement ist als Chip ausgebildet, wobei der Chip mindestens ein Basiselement umfasst, wobei das Basiselement mindestens eine Kaverne aufweist, wobei sich die Membran über eine Oberfläche des Basiselements erstreckt, wobei die Kaverne des Basiselements von der Membran bedeckt ist. Die Sensorvorrichtung weist weiterhin mindestens ein Heizelement auf. Das Heizelement verengt einen freien Öffnungsquerschnitt der Kaverne.
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Unter einem "fluiden Medium" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger Stoff im fluiden, insbesondere gasförmigen oder flüssigen, Zustand zu verstehen, welcher einer beliebig langsamen Scherung keinen Widerstand entgegensetzt. Im Allgemeinen kann der fluide Zustand eines Stoffs 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 Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemische, Gase oder Gasgemische sind beispielsweise einsetzbar.
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Unter einem "Sensorelement" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiges Element zu verstehen, mittels dessen mindestens eine Messgröße erfasst werden kann. Das Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens ein Signal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Signal, beispielsweise ein analoges und/oder digitales Signal. Das Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Wärmeleitfähigkeit eines Gases zu bestimmen. Der Begriff "Wärmeleitfähigkeit" beschreibt im Allgemeinen einen Transport von Energie, in Form von Wärme, durch einen Stoff aufgrund eines Temperaturgefälles. Das Sensorelement kann als Chip ausgebildet sein.
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Der Begriff "Kaverne" bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einen frei und/oder offen gestalteten Hohlraum und/oder eine Aussparung in dem Basiselement, wobei es sich beispielsweise um einen durchgängigen Hohlraum oder auch um einen lediglich in das Basiselement hineinragenden Hohlraum handeln kann.
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Die Membran kann sich über eine Oberfläche des Basiselements erstrecken und die Kaverne des Basiselements zumindest teilweise bedecken. Das Basiselement und/oder die Kaverne können eine quaderförmige Grundform aufweisen. Andere Ausführungsformen sind jedoch denkbar. Weiterhin kann das Basiselement aus mindestens einem Halbleitermaterial hergestellt sein. Das Halbleitermaterial kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Germanium, Bor, Selen, einer Siliziumverbindung, einer Galliumverbindung, einer Indiumverbindung. Die Membran kann ebenfalls das mindestens eine Halbmaterial in Reinform oder als Verbindung aufweisen, z.B. als ein Oxid wie etwa Silizium-Dioxid und/oder als ein Nitrid wie etwa Silizium-Nitrid und/oder weitere Verbindungen. Weiterhin können die Membran und das Basiselement gemeinsam als Chip ausgebildet sein.
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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.
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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.
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Der Begriff "Gehäuse" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebig geformtes Bauteil, welches mindestens einen Gehäuseinnenraum umschließt. Der Gehäuseinnenraum kann eingerichtet sein, um das fluide Medium aufzunehmen. Das Gehäuse kann ganz oder teilweise als Rohr ausgebildet sein. Der Begriff "Rohr" bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen, von einem fluiden Medium durchströmbaren Hohlkörper. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlkörper handeln. Das Rohr kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem starren Material oder auch ganz oder teilweise aus einem flexiblen Material hergestellt sein, beispielsweise einem Metall und/oder einem Kunststoff. Das Rohr kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden, einen ovalen oder einen polygonalen Querschnitt. Alternativ kann das Gehäuse auch ein Bauteil umfassen, das in der Aufnahme des Rohrs befestigt ist. Beispielsweise kann das Bauteil ein Steckfühler sein, welcher im Rohr der Brennstoffzelle befestigt ist. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
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Das Gehäuse umfasst weiterhin mindestens eine Aufnahme. Die Aufnahme kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind denkbar. Das Sensorelement ist ganz oder teilweise in der Aufnahme aufgenommen.
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Das Heizelement kann einen Zuleitungsabschnitt und einen Heizabschnitt aufweisen. Dabei wird vorgeschlagen, dass der Heizabschnitt den freien Öffnungsquerschnitt der Kaverne verengt. Vorzugsweise ist der Heizabschnitt mäanderförmig ausgebildet. Der Zuleitungsabschnitt und der Heizabschnitt lassen sich dadurch unterscheiden, dass der Heizabschnitt einen höheren elektrischen oder Ohm’schen Widerstand als der Zuleitungsabschnitt aufweist. Die mäanderförmige Ausbildung des Heizabschnitts sorgt dabei für eine Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche.
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Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens ein Dichtelement umfassen. Das Dichtelement kann zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse angeordnet und zum Abdichten des Sensorelements gegen das Gehäuse ausgebildet sein.
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Der Begriff "Dichtelement" bezeichnet ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, um das Sensorelement gegen das Gehäuse abzudichten. Das Dichtelement kann eingerichtet sein, um Wärme an den Gehäuseinnenraum zu übertragen. Weiterhin kann das Dichtelement eingerichtet sein, um eine durchgängige Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Sensorelement zu bilden. Das Dichtelement ist zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse angeordnet. Das Dichtelement kann ein beliebig geformtes Element sein, vorzugsweise ein Dichtungsring. Das Dichtelement kann ganz oder teilweise aus einem medienresistenten Material hergestellt sein. Insbesondere kann das Dichtelement ganz oder teilweise aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk hergestellt sein. Das Dichtelement kann mindestens ein Matrixmaterial umfassen, insbesondere ein medienresistentes Matrixmaterial, welchem mindestens ein weiteres Material beigemischt ist. 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. Insbesondere können die Partikel eine Partikelgröße oder mittlere Partikelgröße von weniger als 1 mm aufweisen, vorzugsweise von weniger als 100 µm. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 0,5 µm bis 100 µm handeln.
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Vorzugsweise ist das Heizelement zwischen dem Sensorelement und dem Dichtelement angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Heizelement zwischen dem Basiselement und dem Dichtelement angeordnet. Dabei kann das Heizelement zwischen dem Sensorelement und dem Dichtelement kraftschlüssig angeordnet sein, da eine Verklebung an dieser Stelle in den meisten Fällen nicht möglich ist, da übliche Klebstoffe sich nicht als ausreichend medienresistent erweisen, insbesondere gegenüber deionisiertem Wasser. Eine kraftschlüssige Verbindung ist dabei eine Verbindung, die eine Normal-Kraft auf die miteinander zu verbindenden Flächen voraussetzt. Die gegenseitige Verschiebung der Flächen ist verhindert, solange die durch die Haftreibung bewirkte Gegen-Kraft nicht überschritten wird.
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Das Heizelement kann zumindest teilweise aus Edelstahl hergestellt sein. Dadurch kann das Heizelement aggressiven Medien ausgesetzt werden, ohne beschädigt zu werden.
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Die Sensorvorrichtung kann erfindungsgemäß wie folgt hergestellt werden:
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- – Bereitstellen eines Gehäuses mit mindestens einer Aufnahme,
- – zumindest teilweise Anordnen mindestens eines Sensorelements zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft in der Aufnahme, wobei das Sensorelement mindestens eine Membran aufweist, wobei das Sensorelement als Chip ausgebildet ist, wobei der Chip mindestens ein Basiselement umfasst, wobei das Basiselement mindestens eine Kaverne aufweist, wobei sich die Membran über eine Oberfläche des Basiselements erstreckt, wobei die Kaverne des Basiselements von der Membran bedeckt ist,
- – Vorsehen mindestens eines Heizelements derart, dass das Heizelement einen freien Öffnungsquerschnitt der Kaverne verengt.
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Das Heizelement kann einen Zuleitungsabschnitt und einen Heizabschnitt aufweisen. Der Heizabschnitt kann den freien Öffnungsquerschnitt der Kaverne verengen. Das Heizelement kann als Heizfolie vorgesehen werden. Die Heizfolie kann nach dem Anordnen des Sensorelements in der Aufnahme derart perforiert werden, dass der Heizabschnitt mäanderförmig ausgebildet wird.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die Heizleistung direkt im Kondenswasserbereich umzusetzen und die flächige Ausführung des Heizers gleichzeitig die geometrisch und/oder thermisch reproduzierbare Randbedingung für den Kavernenraum darstellen zu lassen, was zu einer verbesserten Messgenauigkeit führt. Die vorgeschlagene Mäanderstruktur führt zusammen mit einer speziellen Formgebung im Bereich der Mäanderkurven eine eben gespannte Heizergeometrie und ermöglicht eine deutlich verbesserte Fertigbarkeit in Großserie.
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Der Heizer ist aus einer Edelstahlfolie angefertigt, um ebenfalls aggressiven Medien standzuhalten. Um diesem Heizer einen ausreichend hohen Ohmschen Widerstand zu verleihen, ist er mäandrierend auszuformen. Ein solch filigranes Mäandergebilde ließe sich während des Fertigungsprozesses nicht reproduzierbar zwischen Dichtung und Chip platzieren. Deshalb wird die Mäanderstruktur erst nach der Montage z.B. durch Laserbearbeitung vollständig ausgearbeitet. Gerade im Bereich der Verklemmung der Folie durch die Dichtung jedoch ist die Folie einer solchen Nachbearbeitung nach der Montage nicht mehr zugänglich. Genau hier jedoch muss die Folie aufgetrennt werden.
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Dieser Widerspruch wird durch dadurch aufgelöst, dass die Folie im kritischen Außenbereich bereits kerbenförmig ausgeformt ist. Nach der Montage ragen die Kerben noch hinter der Dichtung heraus und können somit zu Schlitzen verlängert werden, dass sich die vollständige Mäandergeometrie ergibt.
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Alternativ können die Schlitze ebenfalls schon vorgestaltet sein, während nur kleine, nach der Montage noch zu entfernende Stege die Heizleitung im Außenbereich zusammen halten und für die Montage stabilisieren. In diesem Fall müssen lediglich diese Stege nach der Montage noch entfernt werden, was zu einer ähnlichen mäanderförmigen Endgeometrie führt.
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Der Unterschied dabei ist lediglich durch den Außenbereich bestimmt. Durch die zuletzt genannte Vorstrukturierung kann ein Endzustand erzielt werden, bei dem nur noch Streifenleitungen quer über die Öffnung des Dichtkörpers führen, während die Mäanderkurven vollständig von der Dichtung verdeckt werden. Durch die zuerst genannte Struktur ergibt sich zwangsläufig eine geringfügig ungleichmäßigere Abdeckung der Öffnung, indem die Mäanderkurven z.T. noch aus dem Klemmbereich hinter der Elastomerdichtung hervorragen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
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2 eine Draufsicht auf einen ersten Schritt zur Herstellung der Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
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3 eine Draufsicht auf einen zweiten Schritt zur Herstellung der Sensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform,
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4 eine Draufsicht auf einen ersten Schritt zur Herstellung der Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform und
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5 eine Draufsicht auf einen zweiten Schritt zur Herstellung der Sensorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Gases. Die Sensorvorrichtung 10 umfasst mindestens ein Sensorelement 12 zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft, ein Gehäuse 14, ein Dichtelement 16 und ein Heizelement 18.
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Das Sensorelement 12 kann als Chip 20 ausgebildet sein. Der Chip 20 kann mindestens ein Basiselement 22 aufweisen, welches mindestens eine Kaverne 24 aufweist. Das Basiselement 22 und/oder die Kaverne 24 können eine quaderförmige Grundform aufweisen. Das Sensorelement 12 umfasst weiterhin mindestens eine Membran 26. Die Membran 26 kann sich über eine Oberfläche 28 des Basiselements 22 erstrecken und die Kaverne 24 zumindest teilweise bedecken. Die Membran 26 und das Basiselement 22 können gemeinsam als Chip 20 ausgebildet sein. Das Basiselement 22 und/oder die Membran 26 können aus mindestens einem Halbleitermaterial in Reinform oder als Verbindung hergestellt sein. Das Sensorelement 12 kann insbesondere eingerichtet sein, eine Wärmeleitfähigkeit des fluiden Mediums zu bestimmen.
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Das Gehäuse 14 kann ganz oder teilweise als Rohr ausgebildet sein. Das Gehäuse 14 kann alternativ oder zusätzlich einen Steckfühler umfassen, welcher beispielsweise in dem Rohr befestigt ist. Das Rohr kann beispielsweise einen runden oder polygonalen Querschnitt aufweisen. Das Gehäuse 14 umfasst mindestens eine Aufnahme 30. Das Sensorelement 12 ist ganz oder teilweise in der Aufnahme 30 aufgenommen. Das Gehäuse 14 kann einen Gehäuseinnenraum 32 umschließen. Weiterhin kann das Gehäuse 14 ganz oder teilweise aus einem starren Material hergestellt sein, beispielsweise aus einem Metall und/oder einem Kunststoff. Der Gehäuseinnenraum 32 kann eingerichtet sein, um das fluide Medium aufzunehmen.
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Das Dichtelement 16 ist zwischen dem Sensorelement 12 und dem Gehäuse 14 angeordnet. Das Dichtelement 16 kann beispielsweise ein Dichtungsring 34 mit einem rechteckigen Querschnitt sein, der aus einem Elastomermaterial hergestellt ist. Auch andere Ausführungsformen sind denkbar. Das Dichtelement 16 kann ganz oder teilweise aus einem medienresistenten Material hergestellt sein. Insbesondere kann das Dichtelement 16 ganz oder teilweise aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk hergestellt sein. Das Dichtelement 16 ist eingerichtet, um das Sensorelement 12 gegen das Gehäuse 14 abzudichten.
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Das Heizelement 18 kann eine längliche Form aufweisen. Auch andere Formen sind grundsätzlich denkbar. Das Heizelement 18 verengt einen freien Öffnungsquerschnitt 36 der Kaverne 24. Das Heizelement 18 weist einen Zuleitungsabschnitt 38 und einen Heizabschnitt 40 auf. Dabei verengt der Heizabschnitt 40 den freien Öffnungsquerschnitt 36 der Kaverne 24. Das Heizelement 18 ist aus Edelstahl hergestellt. Zur Erhöhung des elektrischen Widerstands ist der Heizabschnitt 40 mäanderförmig ausgebildet. Das Heizelement 18 ist zwischen dem Sensorelement 12 und dem Dichtelement 16 angeordnet. Genauer ist das Heizelement 18 zwischen dem Basiselement 22 und dem Dichtelement 16 angeordnet. Dabei steht der Heizabschnitt 40 von dem Dichtelement 16 in den Gehäuseinnenraum 32 vor. Das Heizelement 18 trennt beispielsweise die Kaverne 24 von dem Gehäuseinnenraum 32 räumlich ab, blockiert jedoch den freien Öffnungsquerschnitt 36 nicht vollständig. Entsprechend kann das fluide Medium durch den Gehäuseinnenraum 32 das Heizelement 18 passieren und zu der Membran 26 von der Seite der Kaverne 24 her gelangen. Optional kann die Sensorvorrichtung 10 ein Vorspannelement 42 aufweisen, wie beispielsweise einen Niederhalter. Das Vorspannelement 42 ist auf einer Oberseite des Chips 20 vorgesehen und spannt diesen gegen das Dichtelement 16 vor. Mit anderen Worten drückt das Vorspannelement 42 den Chip 20 gegen das Dichtelement 16.
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2 zeigt eine Draufsicht auf einen ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung der Sensorvorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Grundsätzlich wird das Gehäuse 14 mit der Aufnahme 30 bereitgestellt. Darin wird das Dichtelement 16 und anschließend das Sensorelement 12 angeordnet. Das Sensorelement 12 weist dabei die Membran 26 auf und ist als der oben beschriebene Chip 20 ausgebildet, der das Basiselement 22 mit der Kaverne 24 aufweist. Dabei wird zwischen dem Dichtelement 16 und dem Chip 20 bzw. dem Basiselement 22 eine Heizfolie 44 vorgesehen. Die Heizfolie 44 ist beispielsweise eine Edelstahlfolie, d.h. eine aus Edelstahl hergestellte Folie. Um aus dieser Heizfolie 44 das oben beschriebene Heizelement 18 auszubilden, ist der mäanderförmige Heizabschnitt 40 mit einem hohen Ohm‘schen Widerstand auszubilden. Eine solche Mäanderform lässt sich jedoch während des Herstellungsverfahrens nicht reproduzierbar zwischen dem Dichtelement 16 und dem Basiselement 22 vorsehen. Deshalb wird der mäanderförmige Heizabschnitt 40 erst nach der Montage der Heizfolie 44 und des Chips 20 vollständig ausgearbeitet. Beispielsweise wird die Heizfolie 44 so perforiert, dass der mäanderförmige Heizabschnitt 40 ausgebildet wird. Das Perforieren kann beispielsweise mittels eines Lasers erfolgen. Da jedoch die Heizfolie 44 in demjenigen Bereich, in dem diese zwischen dem Dichtelement 16 und dem Basiselement 22 verklemmt ist, einer solchen Nachbearbeitung nach der Montage nicht mehr zugänglich ist, müsste hier eine Auftrennung erfolgen. Dies wird jedoch dadurch umgangen, dass die Heizfolie 44 in einem Außenbereich 46 Kerben 48 aufweist. Wie aus 2 zu erkennen ist, ragen die Kerben 48 über das Dichtelement 16 etwas heraus. Wie weiter zu erkennen ist, sind die Kerben 48 auf einer Seite des Außenbereichs 46 zu den Kerben 48 auf der gegenüberliegenden Seite des Außenbereichs 46 versetzt.
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3 zeigt eine Draufsicht auf einen zweiten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung der Sensorvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Kerben 48 werden mittels des Lasers zu Schlitzen 50 verlängert, so dass der mäanderförmige Heizabschnitt 40 ausgebildet wird.
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4 zeigt eine Draufsicht auf einen ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung der Sensorvorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Heizfolie 44 weist die Kerben 48 und schlitzförmige Öffnungen 52 auf. Die schlitzförmigen Öffnungen 52 sind dabei in den jeweiligen Verlängerungen der Kerben 48 vorgesehen. Die schlitzförmigen Öffnungen 52 sind somit von den Kerben 48 lediglich durch kleine Stege 54 getrennt.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen zweiten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung der Sensorvorrichtung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform. Die Stege werden mittels eines Lasers entfernt, so dass aus den Kerben 48 und den schlitzförmigen Öffnungen 52 die Schlitze 50 gebildet werden, so dass der mäanderförmige Heizabschnitt 40 ausgebildet wird. Der Unterschied der Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform wird lediglich durch den Außenbereich realisiert. Durch die Vorstrukturierung bei der zweiten Ausführungsform kann ein Endzustand erzielt werden, bei dem nur noch Streifenleitungen quer über die Öffnung des Dichtelements 16 führen, während die Mäanderkurven vollständig von dem Dichtelement 16 verdeckt werden. Durch die in 2 gezeigte Struktur ergibt sich zwangsläufig eine geringfügig ungleichmäßigere Abdeckung des freien Öffnungsquerschnitts 36, in dem die Mäanderkurven zum Teil noch aus dem Klemmbereich hinter dem Dichtelement 16 hervorragen.
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Die Sensorvorrichtung 10 kann in einem Wasserstoff-Sicherheitssensor für Automotive Brennstoffzellensysteme verwendet werden. Alternativ kann die Sensorvorrichtung 10 zur Feuchtemessung in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Weitere mögliche Einsatzbereiche sind Brennstoffzellensysteme zur allgemeinen Energieerzeugung losgelöst von Motoranwendungen, Wasserstoff-Verbrennungsmotoren, Sicherheitssensoren in Anlagen zur Wasserstofferzeugung, wie beispielsweise Elektrolyse mittels regenerativ erzeugtem Strom, allgemeinen gasanalytischen Aufgabestellungen, wie beispielsweise Gas-Chromatographie. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 10 kann durch Öffnen, wie beispielsweise bei einer zerstörenden Untersuchung, nachgewiesen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19601791 A1 [0003]
- DE 102006010901 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- M. Arndt: „Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications“, Sensors, 2002 [0004]
