DE102016200258A1

DE102016200258A1 - Micromechanical sensor for determining a gas concentration

Info

Publication number: DE102016200258A1
Application number: DE102016200258.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Lang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-13

Abstract

Es wird ein mikromechanischer Gassensor (100) zur Bestimmung einer Gaskonzentration beschrieben, welcher eine Substratplatte (110), eine die Substratplatte (110) durchsetzende und dabei eine Kaverne (120) bildende Kavernenöffnung (121), eine die Kavernenöffnung (120) überspannende Membran (130) und ein auf der Membran (130) angeordnetes Heizelement (140), umfasst. Der mikromechanische Gassensor (100) umfasst ferner ein mit seinem oberen Ende auf der Unterseite (112) der Substratplatte (110) an die Kavernenöffnung (121) anschließendes und dabei thermisch mit der Substratplatte (110) gekoppeltes Hülsenelement (160), welches ein im Bereich der Kaverne (120) angeordnetes Messvolumen (122) gegenüber einer gasförmigen Umgebung (200) abschließt und eine der Kavernenöffnung (121) gegenüberliegend am unteren Ende des Hülsenelements (160) angeordnete Gaszutrittsöffnung (163) zum Zuführen eines Messgases aus der gasförmigen Umgebung (200) in das Messvolumen (122) aufweist.A micromechanical gas sensor (100) for determining a gas concentration is described which comprises a substrate plate (110), a cavern opening (121) passing through the substrate plate (110) and forming a cavity (120), a membrane spanning the cavern opening (120) ( 130) and a heating element (140) disposed on the membrane (130). The micromechanical gas sensor (100) further comprises a sleeve element (160) adjoining the cavern opening (121) with its upper end on the lower side (112) of the substrate plate (110) and thermally coupled to the substrate plate (110) the cavern (120) arranged measuring volume (122) against a gaseous environment (200) and one of the cavern opening (121) opposite to the lower end of the sleeve member (160) arranged gas inlet opening (163) for supplying a measuring gas from the gaseous environment (200) in the measuring volume (122).

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Gassensor, welcher durch Messung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit von Gasen die Konzentration eines Gases oder eines Gasgemisches spezifisch ermitteln kann.The invention relates to a micromechanical gas sensor, which can determine the concentration of a gas or a gas mixture specifically by measuring the specific thermal conductivity of gases.

Gassensoren werden in verschiedenen technischen Anwendungen zur Bestimmung von Gaskonzentrationen oder der Überwachung von Gaseigenschaften verwendet. Unter anderem werden dabei Wärmeleitfähigkeits(WLF)-, Wärmestrom- oder Strömungssensoren verwendet, welche auf mikromechanisch gefertigten Siliziumchips basieren. Diese Sensoren umfassen typischerweise eine Sensormembran, welche je nach Aufbaukonzept einseitig oder beidseitig mit dem Messgas beaufschlagt wird. Hierbei kommen auch flächige Begrenzungsstrukturen zum Einsatz, welche nahe am Siliziumchip unter bzw. über der Messmembran angeordnet sind und eine definierte Temperatur aufweisen bzw. thermisch definiert an den Siliziumchip angekoppelt sind. Durch die flächigen Begrenzungsstrukturen wird im Bereich der Messmembran ein definiertes Messvolumen erzeugt, welches über einen seitlichen Spalt zum Zuführen des Messgases mit der Gasumgebung verbunden ist. Die spaltförmige Gaszutrittsöffnung kann dabei über ein Schutzgitter verfügen. Gas sensors are used in various technical applications for determining gas concentrations or monitoring gas properties. Among other things, heat conductivity (WLF), heat flow or flow sensors are used, which are based on micromechanically manufactured silicon chips. These sensors typically comprise a sensor membrane which, depending on the construction concept, is acted upon on one or both sides with the measurement gas. In this case, also surface boundary structures are used which are arranged close to the silicon chip below or above the measuring diaphragm and have a defined temperature or are thermally coupled to the silicon chip. Due to the two-dimensional boundary structures, a defined measurement volume is generated in the region of the measurement membrane, which is connected to the gas environment via a lateral gap for supplying the measurement gas. The gap-shaped gas inlet opening can have a protective grid.

Bei diesem Sensorkonzept sind die seitlichen, sich von der Membran in Richtung des Gaszutrittsspalts erstreckenden Wärmestrompfade nur dann hinreichend definiert, wenn ein besonders schmaler Spalt gewählt wird. In diesem Fall kommt es jedoch zu Problemen mit Kondenswasser, aufgrund der geringen Spaltmaße und der seitlichen Anordnung der Gaszutrittsöffnung nicht abfließen kann. So kann kondensierendes Wasser und Vereisung zu nicht reproduzierbaren thermischen Bedingungen und infolgedessen zur Reduktion der Messgenauigkeit führen. Aus diesem Grund können die bekannten WLF-Sensoren bislang nicht unter Umgebungsbedingungen mit hoher (absoluter) Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden.In this sensor concept, the lateral heat flow paths extending from the membrane in the direction of the gas inlet gap are only sufficiently defined if a particularly narrow gap is selected. In this case, however, there are problems with condensation, due to the small gaps and the lateral arrangement of the gas inlet opening can not flow. Thus, condensing water and icing can lead to non-reproducible thermal conditions and, as a result, to a reduction in measurement accuracy. For this reason, the known WLF sensors can not be used under ambient conditions with high (absolute) humidity.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, welcher reproduzierbare thermische Randbedingungen auch bei Einsatz unter Umgebungsbedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit bzw. unter kondensierenden oder gefrierenden Bedingungen ermöglicht und dabei eine hohe Messgenauigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen mikromechanischen Gassensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.It is therefore an object of the invention to provide a gas sensor which allows reproducible thermal boundary conditions even when used under ambient conditions with high air humidity or under condensing or freezing conditions and thereby has a high measuring accuracy. This object is achieved by a micromechanical gas sensor according to claim 1. Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Gemäß der Erfindung ist ein mikromechanischer Gassensor zur Bestimmung einer Gaskonzentration vorgesehen, welcher eine Substratplatte mit einer die Substratplatte durchsetzenden und dabei eine Kaverne bildenden Kavernenöffnung, eine auf der Oberseite der Substratplatte angeordnete und die Kavernenöffnung überspannende Membran aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit sowie ein auf der Membran angeordnetes Heizelement umfasst. Der mikromechanische Gassensor umfasst ferner ein mit seinem oberen Ende auf der Unterseite der Substratplatte an die Kavernenöffnung anschließendes und dabei thermisch mit der Substratplatte gekoppeltes Hülsenelement, welches ein im Bereich der Kaverne angeordnetes Messvolumen gegenüber einer gasförmigen Umgebung abschließt und eine der Kavernenöffnung gegenüberliegende am untere Ende des Hülsenelements angeordnete Gaszutrittsöffnung zum Zuführen eines Messgases aus der gasförmigen Umgebung in das Messvolumen aufweist. Durch das Hülsenelement wird das Messvolumen ausreichend gegenüber der gasförmigen Umgebung abgeschlossen. Hierdurch wird sichergestellt, dass Wärmestrompfade, welche sich von dem auf der Membran befindlichen Heizelement in das Messvolumen erstrecken, möglichst definiert verlaufen. Durch die untere Gaszutrittsöffnung des Hülsenelements wird dabei eine Möglichkeit zum Gasaustausch zwischen dem Messvolumen und der äußeren Gasumgebung ermöglicht. Durch die Ausrichtung des Hülsenelements mit der Gaszutrittsöffnung nach unten wird ferner das Abfließen von Wassertropfen ermöglicht, welche sich an der Innenseite des Hülsenelements aufgrund von Kondensation gebildet haben. Hierdurch wird die Funktion des Gassensors auch unter Umgebungsbedingungen mit hoher (absoluter) Luftfeuchtigkeit bzw. unter kondensierenden bzw. gefrierenden Bedingungen, wie zum Beispiel Abgastrakt von Brennstoffzellensystemen, ermöglicht. Durch die Erfindung können die thermisch reproduzierbaren Randbedingungen für das Messvolumen allein durch eine Abstimmung der Länge des rohrförmigen Abschnitts des Hülsenelements eingestellt werden, während der zugehörige Rohrquerschnitt im Hinblick auf den Abfluss von Kondenswasser ausgelegt werden kann. Gleichzeitig kann die Reproduzierbarkeit der zum Messergebnis beitragenden Wärmestrompfade erhalten werden.According to the invention, a micromechanical gas sensor is provided for determining a gas concentration, which comprises a substrate plate with a cavern opening passing through the substrate plate and forming a cavern, a diaphragm made of a material with low thermal conductivity and spanning the cavern opening on the top of the substrate plate Membrane arranged heating element comprises. The micromechanical gas sensor further comprises a sleeve element adjoining the cavern opening with its upper end on the lower side of the substrate plate and thermally coupled to the substrate plate, which closes off a measuring volume arranged in the region of the cavern with respect to a gaseous environment and at the lower end of the cavern opening Sleeve member arranged gas inlet opening for supplying a sample gas from the gaseous environment in the measurement volume. By the sleeve member, the measuring volume is sufficiently completed against the gaseous environment. This ensures that heat flow paths, which extend from the heating element located on the membrane in the measuring volume, run as defined as possible. In this case, a possibility for gas exchange between the measuring volume and the outer gas environment is made possible by the lower gas inlet opening of the sleeve element. The orientation of the sleeve member with the gas inlet opening downwards also allows the outflow of water droplets which have formed on the inside of the sleeve member due to condensation. As a result, the function of the gas sensor is also possible under ambient conditions with high (absolute) atmospheric humidity or under condensing or freezing conditions, such as, for example, the exhaust gas tract of fuel cell systems. By means of the invention, the thermally reproducible boundary conditions for the measuring volume can be set solely by matching the length of the tubular section of the sleeve element, while the associated pipe cross-section can be designed with regard to the outflow of condensed water. At the same time, the reproducibility of the heat flow paths contributing to the measurement result can be obtained.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Länge des Hülsenelements wenigstens dem Dreifachen des Innendurchmessers des Hülsenelements entspricht. Bei dieser Geometrie enden die meisten Wärmestrompfade auf der isothermen Silizium-/Metall-Begrenzung. Hingegen ist der Wärmestrombeitrag der durch die Gasaustrittsöffnung nach außen verlaufenden Wärmestrompfade hierbei besonders klein, sodass sich für lange Hülsenelemente und kleine Gasaustrittsöffnungen besonders reproduzierbare thermische Randbedingungen ergeben. Somit kann eine besonders hohe Messgenauigkeit des Gassensors erzielt werden.In one embodiment, it is provided that the length of the sleeve element corresponds to at least three times the inner diameter of the sleeve member. With this geometry, most heat flow paths end up on the isothermal silicon / metal boundary. On the other hand, the heat flow contribution of the heat flow paths through the gas outlet opening to the outside is particularly small, so that particularly reproducible thermal boundary conditions result for long sleeve elements and small gas outlet openings. Thus, a particularly high accuracy of the gas sensor can be achieved.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Mantelfläche des Hülsenelements axial verlaufende Rillen auf, welche den Innendurchmesser des Hülsenelements reduzieren. Mithilfe der im Wesentlichen in Längsrichtung verlaufenden Rillen ist es möglich, das Röhrchen enger zu machen und damit die Reproduzierbarkeit der thermische Randbedingungen zu verbessern. Dabei können bei besonders vielen bzw. engen Rillen Wassertropfen, welche durch Kondensation im Inneren des Röhrchens gebildet werden, aufgrund von kapillarähnlichen Effekten in den Rillen aufgenommen und in die Länge gezogen werden. Dadurch kann ein Verengen bzw. Verschließen des Querschnitts des Röhrchens durch kondensiertes Wasser vermieden werden. In a further embodiment, the lateral surface of the sleeve member has axially extending grooves which reduce the inner diameter of the sleeve member. By means of the substantially longitudinal grooves, it is possible to make the tube narrower and thus to improve the reproducibility of the thermal boundary conditions. In the case of especially many or narrow grooves, water droplets which are formed by condensation in the interior of the tube can be taken up in the grooves and drawn out due to capillary-like effects. As a result, a narrowing or closing of the cross section of the tube by condensed water can be avoided.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der obere Endabschnitt des Hülsenelements in Form eines sich wenigstens entlang eines Teils des Umfangs des Hülsenelements erstreckenden Kragens ausgebildet ist. Ein solches Kragenelement erleichtert die Befestigung des Hülsenelements an der Unterseite der Substratplatte. Dabei wird durch den kragenförmig ausgebildeten Endabschnitt eine besonders große Kontaktfläche zwischen den beiden Verbindungspartnern erzeugt, wodurch eine besonders gute Wärmeankopplung des Hülsenelements an die Substratplatte möglich wird.In a further embodiment it is provided that the upper end portion of the sleeve member is formed in the form of a collar extending at least along a part of the circumference of the sleeve member. Such a collar element facilitates attachment of the sleeve member to the underside of the substrate plate. In this case, a particularly large contact surface between the two connection partners is generated by the collar-shaped end portion, whereby a particularly good heat coupling of the sleeve member to the substrate plate is possible.

In einer weiteren Ausführungsform ist an der Substratplatte ein Temperaturfühler in einer vorgegebenen Entfernung zu der Membran angeordnet. Mithilfe des Temperaturfühlers wird die Temperatur des Chips außerhalb der Membran erfasst. Anhand dieser Chiptemperatur, der aktuellen Heizleistung und der aktuellen Membrantemperatur lässt sich die aktuelle Wärmeleitfähigkeit des Messgases und somit auch seine Konzentration bzw. Zusammensetzung bestimmen.In a further embodiment, a temperature sensor is arranged at a predetermined distance from the membrane on the substrate plate. The temperature sensor detects the temperature of the chip outside the membrane. On the basis of this chip temperature, the current heat output and the current membrane temperature, the current thermal conductivity of the sample gas and thus also its concentration or composition can be determined.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Hülsenelement in Form eines Edelstahl-Tiefziehteils ausgebildet ist. Aufgrund der guten Korrosionsbeständigkeit dieses Materials ermöglicht ein aus Edelstahl gefertigtes Hülsenelement den Einsatz des Gassensors in korrosiven Umgebungen, wie z.B. feuchten Gasmischungen oder feuchter Luft mit entsprechend demineralisierten oder deionisierten oder sauren Wasserpartikeln bzw. Kondenswasser. Die Verwendung eines Tiefzieh-Verfahrens zur Ausbildung des Hülsenelements ermöglicht hingegen eine kostengünstige und reproduzierbare Herstellung.In a further embodiment it is provided that the sleeve element is designed in the form of a stainless steel deep-drawn part. Due to the good corrosion resistance of this material, a stainless steel sleeve member allows the use of the gas sensor in corrosive environments, such as e.g. moist gas mixtures or moist air with corresponding demineralized or deionized or acidic water particles or condensation. The use of a thermoforming process to form the sleeve element, however, allows a cost-effective and reproducible production.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Hülsenelement seitliche Gasdurchlassöffnungen aufweist, welche strömungsseitig oder strömungsabseitig oder quer zur Hauptströmungsrichtung am rohrförmigen Abschnitt des Hülsenelements angeordnet sind und lamellenförmige Strömungsleitstrukturen aufweisen. Mithilfe dieser speziellen Gasdurchlassöffnungen können Partikel oder Wassertropfen vom Messvolumen wegbewegt werden und gleichzeitig der Zutrittsquerschnitt für die zu messende Gasmischung vergrößert werden.In a further embodiment it is provided that the sleeve element has lateral gas passage openings, which are arranged on the flow side or flow side or transversely to the main flow direction on the tubular portion of the sleeve member and have lamellar Strömungsleitstrukturen. With the aid of these special gas openings, particles or water droplets can be moved away from the measuring volume and at the same time the access cross-section for the gas mixture to be measured can be increased.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Hülsenelement seitliche Gasdurchlassöffnungen aufweist, wobei ferner eine Außenhülse aus Kunststoff oder Metall um das Hülsenelement angeordnet ist, welche seitliche Gasdurchlassöffnungen mit lamellenförmigen Strömungsleitstrukturen umfasst. Auch bei dieser Ausführungsform werden Partikel und Wassertropfen vom Messvolumen wegbewegt. Dabei übernimmt die Außenhülse eine wesentliche Abweisfunktion gegenüber Flüssigwasser. Somit kann in feuchten Umgebungen sichergestellt werden, dass sich im Messgas befindende Wassertropfen nicht zum Messvolumen gelangen.In a further embodiment, it is provided that the sleeve element has lateral gas passage openings, wherein furthermore an outer sleeve made of plastic or metal is arranged around the sleeve element, which comprises lateral gas passage openings with lamellar flow guide structures. Also in this embodiment, particles and water droplets are moved away from the measurement volume. The outer sleeve takes over a significant rejection function against liquid water. Thus, it can be ensured in humid environments that water drops in the measuring gas do not reach the measuring volume.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Hülsenelement einen sich nach unten verengenden oder verbreiternden Querschnitt aufweist. Durch die Variationen des Querschnitts kann der Gassensor an verschiedene Messumgebungen angepasst werden. Hierbei können durch die Verjüngung des Querschnitts die vom Messvolumen durch die Gasdurchlassöffnung nach außen gehenden Wärmestrompfade reduziert werden, sodass auch kürzere Hülsenelemente eingesetzt werden können. Hingegen kann durch eine Verbreiterung des Querschnitts der Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Messvolumen verbessert werden.In a further embodiment it is provided that the sleeve element has a downwardly narrowing or widening cross section. Due to the variations of the cross section, the gas sensor can be adapted to different measuring environments. In this case, can be reduced by the taper of the cross section of the measuring volume through the gas passage opening outgoing heat flow paths, so that shorter sleeve elements can be used. On the other hand, widening of the cross-section can improve the gas exchange between the environment and the measuring volume.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ferner eine der Kaverne benachbarte Referenzkaverne mit einer die Substratplatte durchsetzenden zweiten Kavernenöffnung, einer die zweite Kavernenöffnung überspannenden Membran und einem auf der Membran angeordneten Heizelement vorgesehen. Dabei ist ferner eine die Referenzkaverne gegenüber der gasförmigen Umgebung abschließende Abdeckung vorgesehen, welche durch eine Erweiterung des kragenförmigen Abschnitts des Hülsenelements gebildet wird. Mithilfe der Referenzkaverne kann eine Referenzmessung realisiert werden, welche die Genauigkeit des Gassensors erhöht. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Abdeckung der Referenzkaverne als Teil des Hülsenelements auszubilden. Die Reduktion der Anzahl der benötigten Bauteile resultiert in geringeren Herstellungs- und Montagekosten.In a further embodiment, provision is further made for a reference cavern adjacent to the cavern to be provided with a second cavern opening passing through the substrate plate, a membrane spanning the second cavern opening and a heating element arranged on the membrane. In this case, a reference cavern opposite to the gaseous environment final cover is also provided, which is formed by an extension of the collar-shaped portion of the sleeve member. With the help of the reference cavern a reference measurement can be realized, which increases the accuracy of the gas sensor. It is particularly advantageous to form the cover of the reference cavern as part of the sleeve member. The reduction in the number of components required results in lower manufacturing and assembly costs.

Schließlich ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Abdeckung der Referenzkaverne in Form einer geschlossenen Hülse ausgebildet ist. Hierdurch können die Referenzkaverne der eigentlichen Messkaverne besser nachgebildet und somit die Bedingungen der für die Referenzmessung optimiert werden.Finally, it is provided in a further embodiment that the cover of the reference cavern is formed in the form of a closed sleeve. As a result, the reference cavern of the actual measuring cavern can better emulated and thus the conditions for the reference measurement are optimized.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigenIn the following the invention will be described in more detail with reference to figures. Show

1 einen Längsschnitt durch einen mikromechanischen Gassensor gemäß der Erfindung; 1 a longitudinal section through a micromechanical gas sensor according to the invention;

2 eine Variation des mikromechanischen Gassensors aus 1 mit einem einen geringeren Durchmesser aufweisenden Hülsenelement; 2 a variation of the micromechanical gas sensor 1 with a smaller diameter sleeve member;

3 eine weitere Variation des mikromechanischen Gassensors aus 1 mit einem einen erweiterten Durchmesser aufweisenden Hülsenelement; 3 a further variation of the micromechanical gas sensor 1 with an expanded diameter sleeve member;

4 einen Querschnitt durch ein Hülsenelement mit axial verlaufenden Rillen; 4 a cross section through a sleeve member with axially extending grooves;

5 einen Querschnitt durch ein weiteres Hülsenelement mit einer reduzierten Anzahl von Rillen; 5 a cross-section through another sleeve member with a reduced number of grooves;

6 einen Querschnitt durch ein Hülsenelement mit einem abgeflachten Querschnittsprofil; 6 a cross section through a sleeve member with a flattened cross-sectional profile;

7 einen Längsschnitt durch ein Hülsenelement mit gleichmäßigem Durchmesser; 7 a longitudinal section through a sleeve member of uniform diameter;

8 einen Längsschnitt durch ein Hülsenelement mit einem sich verengenden Durchmesser; 8th a longitudinal section through a sleeve member with a narrowing diameter;

9 einen Längsschnitt durch ein Hülsenelement mit einem variierenden Durchmesser; 9 a longitudinal section through a sleeve member with a varying diameter;

10 einen Längsschnitt durch ein Hülsenelement mit einem sich trichterförmig aufweitenden Durchmesser; 10 a longitudinal section through a sleeve member having a funnel-shaped widening diameter;

11 eine Variation des Längsprofils des Hülsenelements aus 10; 11 a variation of the longitudinal profile of the sleeve member 10 ;

12 einen Längsschnitt durch einen mikromechanischen Gassensor mit einem Hülsenelement, welches seitliche Gasdurchlassöffnungen und lamellenförmige Ablenkelemente aufweist; 12 a longitudinal section through a micromechanical gas sensor with a sleeve member having lateral gas passage openings and lamellar deflecting elements;

13 einen Längsschnitt durch einen weiteren mikromechanischen Gassensor mit einer zusätzlichen Außenhülse und speziell gestalteten Gasdurchlassöffnungen; 13 a longitudinal section through a further micromechanical gas sensor with an additional outer sleeve and specially designed gas passage openings;

14 einen Längsschnitt durch einen mikromechanischen Gassensor mit einer zusätzlichen Referenzkaverne; und 14 a longitudinal section through a micromechanical gas sensor with an additional Referenzkaverne; and

15 einen Längsschnitt durch einen mikromechanischen Gassensor mit einer alternativ ausgestalteten Referenzkaverne. 15 a longitudinal section through a micromechanical gas sensor with an alternative designed reference cavern.

Der im Folgenden beschriebene Gas-Wärmeleitfähigkeits-Sensor erlaubt aufgrund seines speziellen Aufbaus besonders reproduzierbare thermische Randbedingungen und hohe Messgenauigkeit. Dabei wird konstruktionsbedingt ein Abfließen von kondensiertem Wasser aus dem Messvolumen und damit verbunden ein Verstopfen des die Umgebung mit dem Messvolumen verbindenden Kanals vermieden. Um dies zu erreichen, wird der Gassensor mit einem nach unten gerichteten Hülsenelement ausgestattet. Due to its special design, the gas thermal conductivity sensor described below allows particularly reproducible thermal boundary conditions and high measuring accuracy. In this case, by design, a drainage of condensed water from the measurement volume and, associated therewith, clogging of the channel connecting the environment with the measurement volume is avoided. To achieve this, the gas sensor is equipped with a downwardly directed sleeve element.

Die 1 zeigt hierzu eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Gassensors 100 entlang seiner vertikalen Ebene. Der Gassensor 100 umfasst dabei eine vorzugsweise aus Silizium gebildete Substratplatte 110 mit einer darin ausgebildeten Kaverne 120 und einem an der Unterseite 112 der Substratplatte 110 im Bereich der Kavernenöffnung 121 angeordneten Hülsenelement 160. Die Kaverne 120 ist in Form einer die Substratplatte 110 durchsetzenden Kavernenöffnung 121 ausgebildet und mittels einer die Kavernenöffnung 121 auf der Oberseite 111 der Substratplatte 110 überspannenden Membran 130 nach oben begrenzt. Die in Form einer Dünnschicht ausgebildete Membran 130 dient dabei als eine Tragestruktur für ein Heizelement 140. Um Korrosionen des Heizelements 140 aufgrund des Kontakts mit korrosiven Messgasen zu verhindern, befindet sich das Heizelement 140 vorzugsweise auf der der Kaverne 120 abgewandten Seite der Membran 130. In einer vorgegebenen Entfernung zur Kaverne 120 ist ferner ein Temperaturfühler 150 an der Substratplatte 110 angeordnet.The 1 shows a sectional view of the gas sensor according to the invention 100 along its vertical plane. The gas sensor 100 comprises a substrate plate preferably formed of silicon 110 with a cavern formed therein 120 and one at the bottom 112 the substrate plate 110 in the area of the cavern opening 121 arranged sleeve element 160 , The cavern 120 is in the form of a substrate plate 110 enforcing cavern opening 121 trained and by means of a cavern opening 121 on the top 111 the substrate plate 110 spanning membrane 130 limited to the top. The formed in the form of a thin film membrane 130 serves as a support structure for a heating element 140 , To corrosion of the heating element 140 due to contact with corrosive sample gases, the heating element is located 140 preferably on the cavern 120 opposite side of the membrane 130 , At a given distance to the cavern 120 is also a temperature sensor 150 on the substrate plate 110 arranged.

Das Hülsenelement 160 ist vorzugsweise in Form eines Tiefziehteils aus Edelstahl ausgebildet und umfasst einen kragenförmigen Abschnitt 162 und einen daran anschließenden rohrförmigen Abschnitt 161. Mittels eines kragenförmigen Abschnitts 162 ist das Hülsenelement 160 dabei derart an der Unterseite 112 der Substratplatte 110 befestigt, dass der rohrförmige Abschnitt 161 eine sich nach unten erstreckende Verlängerung der Kavernenöffnung 121 bildet. Bei dieser Anordnung schließen die Kaverne 120 und der rohrförmige Abschnitt 161 ein definiertes Messvolumen 122 ein, welches aufgrund der Gaszutrittsöffnung 163 des Hülsenelements 160 lediglich nach unten zur gasförmigen Umgebung 200 geöffnet ist. Die Gaszutrittsöffnung 163 dient dabei dem Austausch des Messgases zwischen der gasförmigen Umgebung 200 und dem Messvolumen 122.The sleeve element 160 is preferably in the form of a deep-drawn part made of stainless steel and comprises a collar-shaped portion 162 and a subsequent tubular section 161 , By means of a collar-shaped section 162 is the sleeve element 160 doing so at the bottom 112 the substrate plate 110 fastened that to the tubular section 161 a downwardly extending extension of the cavern opening 121 forms. In this arrangement, close the cavern 120 and the tubular portion 161 a defined measuring volume 122 a, which due to the gas inlet opening 163 of the sleeve element 160 only down to the gaseous environment 200 is open. The gas inlet opening 163 serves to exchange the sample gas between the gaseous environment 200 and the measurement volume 122 ,

Da der kragenförmige Abschnitt 162 eine relativ große Kontaktfläche zu der Substratplatte 110 bildet, wird eine besonders gute Wärmekopplung zwischen dem Hülsenelement 160 und der Substratplatte 110 erzielt. Aus diesem Grund bilden die Substratplatte 110 und das aus einem thermisch leitfähigen Material bestehende Hülsenelement 160 eine im Wesentlichen isotherme Begrenzung des Messvolumens 122. Hierdurch ergeben sich für sämtliche vom Heizelement 140 ausgehenden und an den Seitenwänden der Kaverne 120 sowie an der Innenseite des Hülsenelements 160 endenden Wärmestrompfade reproduzierbare thermischen Bedingungen. Lediglich die Wärmestrompfade, welche das Messvolumen durch die Gaszutrittsöffnung verlassend, sind nicht ausreichend definiert und tragen folglich zu einer gewissen Messunsicherheit bei.Because the collar-shaped section 162 a relatively large contact area to the substrate plate 110 forms, is a particularly good heat coupling between the sleeve element 160 and the substrate plate 110 achieved. For this reason, form the substrate plate 110 and the sleeve member made of a thermally conductive material 160 a substantially isothermal limitation of the measurement volume 122 , This results for all of the heating element 140 outgoing and on the sidewalls of the cavern 120 and on the inside of the sleeve member 160 ending heat flow paths reproducible thermal conditions. Only the heat flow paths, which leave the measurement volume through the gas inlet opening, are not sufficiently defined and thus contribute to a certain measurement uncertainty.

Durch die spezielle Anordnung des Hülsenelements 160 mit der Gaszutrittsöffnung 163 nach unten kann Kondenswasser, welches sich im rohrförmigen Abschnitt 161 des Hülsenelements 160 in feuchter Umgebung bildet, leicht nach unten abfließen. Dies macht den in 1 gezeigten Gassensor 100 im Vergleich zu herkömmlichen Gassensoren besonders geeignet für den Einsatz in Umgebungen mit hoher absoluter Luftfeuchtigkeit bzw. unter kondensierenden oder gefrierenden Bedingungen, wie zum Beispiel Abgastrakt von Brennstoffzellensystemen.Due to the special arrangement of the sleeve element 160 with the gas inlet opening 163 downwards can condensation, which extends in the tubular section 161 of the sleeve element 160 in a humid environment, gently drain downwards. This makes the in 1 shown gas sensor 100 Compared to conventional gas sensors particularly suitable for use in environments with high absolute humidity or under condensing or freezing conditions, such as the exhaust gas tract of fuel cell systems.

Als Material für das Hülsenelement 160 wird vorzugsweise Edelstahl verwendet, da dieses Material weitgehend resistent gegenüber deionisierenden und korrosiven Gasen ist. Alternativ kommen als Material für das Hülsenelement 160 jedoch auch andere Metalle oder Legierungen mit guter Wärmeleitfähigkeit in Frage. As material for the sleeve element 160 Preferably, stainless steel is used because this material is largely resistant to deionizing and corrosive gases. Alternatively come as a material for the sleeve element 160 However, other metals or alloys with good thermal conductivity in question.

In der in der 1 gezeigten Ausführungsform gelangt das Messgas durch das Edelstahlröhrchen 160 mit der Länge L und dem Durchmesser D in die Kaverne 120 unter der Messmembran 130. Die Oberseite der Membran 130 wird vorzugsweise nicht mit dem Messgas beaufschlagt, um die hier angeordneten und gegenüber deionisierenden empfindlichen Materialien nicht zu schädigen. Jedoch sind grundsätzlich auch alternative Ausführungsformen möglich, bei denen die Membran 130 gleichzeitig mit Messgas beaufschlagt oder die Oberseite Membran 130 mit einem Referenzgas, wie zum Beispiel der Umgebungsluft beaufschlagt ist.In the in the 1 In the embodiment shown, the sample gas passes through the stainless steel tube 160 with the length L and the diameter D in the cavern 120 under the measuring membrane 130 , The top of the membrane 130 is preferably not charged with the sample gas in order not to damage the here arranged and against deionizing sensitive materials. However, in principle, alternative embodiments are possible in which the membrane 130 simultaneously charged with sample gas or the top membrane 130 with a reference gas, such as the ambient air is acted upon.

Wie die 1 ferner zeigt, ist der Temperaturfühler 150 in einer vorgegebenen Entfernung zu der Membran 130 auf der Substratplatte 110 angeordnet. Der Temperaturfühler 150 erfasst dabei die Temperatur des Chips außerhalb der Membran. Die aktuelle Chiptemperatur wird von einer Auswerteschaltung (hier nicht gezeigt) zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Messgases herangezogen. Neben der gemessenen Chiptemperatur werden hierzu ferner auch die aktuelle Membrantemperatur und die aktuell zugeführte Heizleistung benötigt, wobei die entsprechende Werte im Prinzip bekannt sind bzw. eingestellt oder gemessen werden.As the 1 also shows, is the temperature sensor 150 at a predetermined distance to the membrane 130 on the substrate plate 110 arranged. The temperature sensor 150 detects the temperature of the chip outside the membrane. The current chip temperature is used by an evaluation circuit (not shown here) to determine the thermal conductivity of the sample gas. In addition to the measured chip temperature, the current membrane temperature and the currently supplied heating power are also required for this purpose, with the corresponding values being known in principle or being set or measured.

Da die Wärmeleitfähigkeit eines Gases mit seiner Konzentration bzw. Zusammensetzung korreliert ist, erlaubt die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit eines Messgases somit auch eine Aussage über die aktuelle Konzentration des jeweiligen Messgases bzw. einer seiner Mischungskomponenten. Dies kann z. B eine Wasser- und/oder Wasserstoff-Konzentration innerhalb eines Wasser-Wasserstoff-Luft-Gemisches sein.Since the thermal conductivity of a gas is correlated with its concentration or composition, the determination of the thermal conductivity of a sample gas thus also allows a statement about the current concentration of the respective sample gas or one of its mixture components. This can be z. B is a water and / or hydrogen concentration within a water-hydrogen-air mixture.

Ohne das Messgas-führende Hülsenelement 160 wären die von der Membran 130 durch das Messgas verlaufenden und auf der Substratplatte 110 endenden Wärmestrompfade nur unzureichend definiert, da in diesem Fall können beispielsweise unterschiedliche Konvektionspfade zum Wärmetransport beitragen könnten. Ein wärmeleitendes und thermisch mit der Substratplatte 110 gekoppeltes Hülsenelement 160 schränkt mit seinem rohrförmigen Abschnitt 161 hingegen das Volumen für die zur Wärmeleitfähigkeitsmessung beitragenden Wärmestrompfade stark ein, und zwar umso besser, je enger bzw. länger der rohrförmige Abschnitt 161 gestaltet wird. Das liegt daran, dass Wärmestrompfade, welche nicht auf der isothermen Silizium-/Metall-Begrenzung enden, durch die Gaszutrittsöffnung 163 nach außen verlaufen müssen. Je weiter diese Öffnung von der als Wärmestromquelle dienenden Membran 130 entfernt ist und je enger diese Öffnung ausfällt, umso kleiner ist auch der gesamte Wärmestrombeitrag solcher undefinierten Strompfade. Geeignet sind folglich Hülsenelemente mit langen rohrförmigen Abschnitten und schmalen Gasaustrittsöffnungen. Dabei kann ein Hülsenelement 160 beispielsweise ein Länge-/Durchmesser-Verhältnis von L/D > 3 aufweisen.Without the sample gas-carrying sleeve element 160 those would be from the membrane 130 passing through the sample gas and on the substrate plate 110 ending heat flow paths defined insufficient, since in this case, for example, different convection paths could contribute to the transport of heat. A thermally conductive and thermally with the substrate plate 110 coupled sleeve element 160 limits with its tubular section 161 on the other hand, the volume for the heat flow paths contributing to the measurement of the thermal conductivity strongly, and the better, the narrower or longer the tubular portion 161 is designed. This is because heat flow paths, which do not terminate on the isothermal silicon / metal boundary, through the gas inlet port 163 must go to the outside. The further this opening from the serving as a heat flow source membrane 130 is removed and the narrower this opening fails, the smaller is the total heat flow contribution of such undefined current paths. Consequently, sleeve elements with long tubular sections and narrow gas outlet openings are suitable. In this case, a sleeve element 160 For example, have a length / diameter ratio of L / D> 3.

Andererseits ist es für reproduzierbare thermische Randbedingungen vorteilhaft, wenn der rohrförmige Abschnitt 161 des Hülsenelements 160 einen Durchmesser aufweist, der in etwa der Größe der Kavernenöffnung 121 entspricht oder sogar kleiner als diese ist. Hierzu zeigt die 2 eine mögliche Ausführungsform des Sensors 100, bei dem das Hülsenelement 160 einen rohrförmigen Abschnitt 161 mit einem schmalen Durchmesser D₂ aufweist. On the other hand, it is advantageous for reproducible thermal boundary conditions when the tubular section 161 of the sleeve element 160 has a diameter which is approximately the size of the cavern opening 121 is equal or even smaller than this. This shows the 2 a possible embodiment of the sensor 100 in which the sleeve element 160 a tubular section 161 having a narrow diameter D ₂ .

Es sind grundsätzlich auch Ausführungsformen denkbar, bei denen der Durchmesser des rohrförmigen Abschnitts 161 dem Öffnungsdurchmesser der Kaverne 120 entspricht oder kleiner oder auch größer als Öffnungsdurchmesser der Kaverne 120 ist. Damit Kondenswasser gut abfließen kann bzw. eine Verstopfung durch Wassertropfen oder Eis wirksam vermieden werden kann, sollte der rohrförmige Abschnitt 161 hingegen möglichst kurz und weit gestaltet sein, beispielsweise mit einem Längen zu Durchmesser-Verhältnis von L/D < 3. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in der 3 gezeigt.In principle, embodiments are also conceivable in which the diameter of the tubular section 161 the opening diameter of the cavern 120 corresponds to or less than or larger than the opening diameter of the cavern 120 is. So that condensation can drain well or a blockage by water droplets or ice can be effectively avoided, the tubular section should 161 however, as short and far as possible be designed, for example, with a length to diameter ratio of L / D <3. A corresponding embodiment is in the 3 shown.

Um das Hülsenelement 160 für reproduzierbare thermische Randbedingungen dennoch enger machen zu können, sind Ausführungsformen möglich, bei denen das Hülsenelement 160 in Längsrichtung bzw. axialer Richtung verlaufende Rillen 168 aufweist. Durch diese sich im Wesentlichen von der Membran 130 in Richtung der Gaszutrittsöffnung 163 erstreckenden Rillen 168 wird der Innendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts 161 verengt. Gleichzeitig werden auf diese Weise spaltförmige Bereiche im Inneren des Hülsenelements 160 geschaffen, in denen sich kondensiertes Wasser durch Kapillareffekte sammeln und in axialer Richtung verteilen bzw. abfließen kann, ohne dass es zu Verstopfungen des rohrförmigen Abschnitts 161 kommt. Grundsätzlich ist es möglich, die Anzahl der entlang des Umfangs des Hülsenelements 160 verteilt angeordneten Rillen der jeweiligen Anwendung anzupassen. Bei der Verwendung vieler kleiner Rillen führen kapillarähnliche Effekte verstärkt dazu, dass sich Wassertropfen aufgrund der Oberflächenspannung von Wasser an der Rohrwandung eher in die Länge ziehen und folglich weniger stark den Querschnitt des Hülsenelements 160 verengen bzw. verschließen. Die 4 zeigt hierzu einen Querschnitt durch den rohrförmigen Abschnitt 161 eines Hülsenelements 160 mit insgesamt sechs gleichmäßig entlang des Umfangs verteilten Rillen 168.To the sleeve element 160 For a reproducible thermal boundary conditions, however, to be able to make narrower, embodiments are possible in which the sleeve element 160 in the longitudinal or axial direction grooves 168 having. This is essentially due to the membrane 130 in the direction of the gas inlet opening 163 extending grooves 168 becomes the inner diameter of the tubular portion 161 narrows. At the same time in this way, gap-shaped areas in the interior of the sleeve member 160 created in which condensed water can collect by capillary effects and distribute in the axial direction or flow, without causing blockages of the tubular portion 161 comes. Basically, it is possible to increase the number of along the circumference of the sleeve element 160 distributed grooves arranged to suit the particular application. With the use of many small grooves, capillary-like effects tend to cause water droplets to be elongated due to the surface tension of water on the pipe wall, and thus less strongly the cross-section of the sleeve member 160 narrow or close. The 4 shows a cross section through the tubular portion 161 a sleeve element 160 with a total of six evenly distributed along the circumference grooves 168 ,

Alternativ kann die Anzahl der Rillen- oder Wellenstrukturen reduziert werden, wobei sowohl feine als auch größere Rillen verwendet werden können. Die 5 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch einen rohrförmigen Abschnitt 161 eines Hülsenelements 160 mit insgesamt vier entlang des Umfangs gleichmäßig angeordneten Rillen 168. Im Extremfall kann der rohrförmige Abschnitt 161 des Hülsenelements 160 auch in Form eines in einer Richtung deformierten bzw. flach gedrückten Röhrchens ausgebildet sein. Ein Querschnitt durch einen solche flach deformierten rohrförmigen Abschnitt 161 ist in der 6 gezeigt.Alternatively, the number of groove or wave structures can be reduced, and both fine and larger grooves can be used. The 5 shows an example of a cross section through a tubular portion 161 a sleeve element 160 with a total of four circumferentially evenly spaced grooves 168 , In extreme cases, the tubular section 161 of the sleeve element 160 be formed in the form of a deformed in one direction or flattened tube. A cross section through such a flat deformed tubular section 161 is in the 6 shown.

Auch das Querschnittprofil des Hülsenelements in Längsrichtung kann speziell gestaltet sein. Je nach gewünschtem Kompromiss zwischen reproduzierbaren Randbedingungen von dem Schutz vor Wasseransammlungen und Vereisung kann das Hülsenelement 160 mit einem in Längsrichtung konisch zulaufenden oder sich erweiternden rohrförmigen Abschnitt 161 erzeugt werden. Dabei sind besonders solche Querschnittsprofile vorteilhaft, welche im Tiefziehprozess leicht entformbar bzw. in axialer Richtung monoton zunehmend oder abnehmend ausgestaltet sind. Grundsätzlich sind jedoch auch Hülsenelemente 160 möglich, welche nicht direkt entformbare Querschnittsänderungen aufweisen, sofern der Tiefziehvorgang beispielsweise durch Stauch-, Bördel-, Biege- oder Pressprozesse ergänzt wird. Die 7 bis 11 zeigen beispielhaft Hülsenelemente 160 mit verschiedenen Querschnittsprofilen in Längsrichtung. Dabei zeigt die 7 ein Hülsenelement 160, welches einen rohrförmigen Abschnitt 161 mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser entlang der Längsrichtung aufweist.Also, the cross-sectional profile of the sleeve member in the longitudinal direction may be specially designed. Depending on the desired compromise between reproducible boundary conditions from the protection against water retention and icing, the sleeve element can 160 with a longitudinally tapered or flared tubular portion 161 be generated. In this case, particularly those cross-sectional profiles are advantageous, which in the deep-drawing process are easily demolding or monotonically increasing or decreasing in the axial direction. Basically, however, are sleeve elements 160 possible, which have not directly demouldable cross-sectional changes, if the deep-drawing process is supplemented for example by compression, crimping, bending or pressing processes. The 7 to 11 show exemplary sleeve elements 160 with different cross-sectional profiles in the longitudinal direction. It shows the 7 a sleeve element 160 which is a tubular section 161 having a substantially constant diameter along the longitudinal direction.

Die 8 hingegen zeigt ein Hülsenelement 160 mit einem sich nach unten verjüngenden Querschnittsprofil.The 8th however, shows a sleeve element 160 with a downwardly tapering cross-sectional profile.

Ein mögliche Variation des sich verjüngenden Querschnittsprofil zeigt die 9, wobei die Verjüngung in einen geraden Endabschnitt übergeht. A possible variation of the tapered cross-sectional profile shows the 9 , wherein the taper merges into a straight end section.

Hingegen zeigt die 10 ein Hülsenelement 160 mit einem sich in Längsrichtung aufweitenden Querschnittsprofil. Dabei weist das Querschnittsprofil in einem oberen Abschnitt einen geraden Verlauf auf, welcher in einen sich aufweitenden Profilabschnitt übergeht. Durch die Aufweitung des Hülsenelements 160 im unteren Teil kann erreicht werden, dass Wassertröpfchen, welche an der Innenseite des rohrförmigen Abschnitts 161 kondensieren, besser nach unten abfließen können.On the other hand shows the 10 a sleeve element 160 with a longitudinally widening cross-sectional profile. In this case, the cross-sectional profile in an upper portion on a straight course, which merges into a widening profile section. By the expansion of the sleeve element 160 In the lower part can be achieved that water droplets, which are on the inside of the tubular section 161 condense, better drain down.

Analog hierzu zeigt auch die 11 ein Hülsenelement 160 mit einem sich in Längsrichtung aufweitenden Querschnittsprofil. Im Unterschied zu der Ausführungsform aus 10, geht der sich aufweitende Abschnitt des Querschnittsprofils in einen unteren Endabschnitt mit einem konstanten Durchmesser über. Analog to this shows also the 11 a sleeve element 160 with a longitudinally widening cross-sectional profile. Unlike the embodiment of 10 , the widening portion of the cross-sectional profile merges into a lower end portion with a constant diameter.

Alternativ zu einer Aufweitung des Querschnittsprofils in Längsrichtung können Hülsenelemente 160 mit seitlichen Gasdurchlassöffnungen versehen werden. Die 12 zeigt hierzu beispielhaft einen Gassensor 100 mit einem entsprechend ausgebildeten Hülsenelement 160. Hierbei weist der rohrförmige Abschnitt 161 des Hülsenelements 160 auf einer der Strömung 201 des Messgases zugewandten Seite sowie auf einer der Strömung 201 des Messgases abgewandten Seite jeweils drei seitliche Gasdurchlassöffnungen 164, 166 auf. Die vorzugsweise in einem Stanzprozess erzeugten Gasdurchlassöffnungen 164, 166 ermöglichen, dass in Richtung des Pfeils 201 strömendes Messgas das Messvolumen 122 durchströmt und dabei Wassertröpfchen sowie Partikel, welche sich im Inneren des rohrförmigen Abschnitts 161 befinden, nach außen fördert. Hier weisen die Gasdurchlassöffnungen 164, 166 lamellenförmige Strukturen 165, 167 auf, welche vorzugsweise im Stanzprozess entstanden sind und als Strömungsleitstrukturen dienen. Dabei sind die strömungsseitig am rohrförmigen Abschnitt 161 angeordneten lamellenförmigen Strömungsleitstrukturen 165 jeweils oberhalb der Gasdurchlassöffnungen 164 angeordnet und dabei derart in das Innere des Hülsenelements 160 hinein gebogen, dass das im Wesentlichen parallel zur Substratplatte 110 strömende Messgas, wie mittels des gestrichelten Pfeils 202 angedeutet ist, im Inneren des Hülsenelements 160 nach schräg unten abgelenkt wird. Hingegen sind die strömungsabseitig angeordneten lamellenförmigen Strömungsleitstrukturen 167 jeweils unterhalb der zugehörigen Gasdurchlassöffnungen 166 angeordnet und derart in das Innere des Hülsenelements 160 hinein gebogen, wie das mit mittels der gestrichelten Pfeile 203 dargestellt ist, dass sie schräg nach unten aus dem Inneren des Hülsenelements 160 herausströmen. Hierdurch ergibt sich ein effektiver Transport von Partikeln oder Wassertropfen vom Messvolumen 122 weg bzw. aus dem Messvolumen 122 heraus. Alternativ zu der in 12 gezeigten Ausführungsform können die Gasdurchlassöffnung 164, 166 auch ohne entsprechende lamellenförmige Strömungsleitstrukturen 165, 167 erzeugt werden. In diesem Fall durchströmt das Messgas den unteren Bereich des rohrförmigen Abschnitt ohne eine wesentliche Ablenkung nach unten. Ferner können die seitlichen Gasdurchlassöffnungen auch quer zur Hauptströmungsrichtung am rohrförmigen Abschnitt des Hülsenelements angeordnet sein.As an alternative to a widening of the cross-sectional profile in the longitudinal direction can sleeve elements 160 be provided with lateral gas passage openings. The 12 shows an example of a gas sensor 100 with a correspondingly formed sleeve element 160 , Here, the tubular portion 161 of the sleeve element 160 on one of the currents 201 the gas side facing and on one of the flow 201 the gas side facing away from each three lateral gas passage openings 164 . 166 on. The gas passage openings preferably produced in a stamping process 164 . 166 allow that in the direction of the arrow 201 flowing sample gas the measurement volume 122 flows through it while water droplets and particles, which are located inside the tubular section 161 to be promoted to the outside. Here are the gas passage openings 164 . 166 lamellar structures 165 . 167 on, which are preferably formed in the stamping process and serve as Strömungsleitstrukturen. Here are the flow side of the tubular portion 161 arranged lamellar flow guide 165 each above the gas passage openings 164 arranged and thereby in the interior of the sleeve member 160 bent into that substantially parallel to the substrate plate 110 flowing sample gas, as by means of the dashed arrow 202 is indicated inside the sleeve member 160 is deflected diagonally down. By contrast, the lamellar Strömungsleitstrukturen arranged downstream of the flow 167 each below the associated gas passage openings 166 arranged and so in the interior of the sleeve member 160 bent in, like that with the dashed arrows 203 it is shown that they are inclined downwards from the interior of the sleeve element 160 flow out. This results in an effective transport of particles or drops of water from the measuring volume 122 away or from the measuring volume 122 out. Alternatively to the in 12 embodiment shown, the gas passage opening 164 . 166 even without corresponding lamellar Strömungsleitstrukturen 165 . 167 be generated. In this case, the measuring gas flows through the lower portion of the tubular portion without a substantial deflection down. Further, the lateral gas passage openings may also be arranged transversely to the main flow direction at the tubular portion of the sleeve member.

In einer weiteren Ausgestaltung kann auch eine Außenhülse verwendet werden, um Partikel und Wassertropfen möglichst effektiv von dem Messvolumen fernzuhalten bzw. aus dem Messvolumen heraus zu bewegen. Hierzu zeigt die 13 einen entsprechenden Gassensor 100 mit einem mehrere Gasdurchlassöffnungen 164, 166 aufweisenden Hülsenelement 160 und einer das Hülsenelement 160 aufnehmenden Außenhülse 170. Die Gasdurchlassöffnungen 164, 166 des Hülsenelements 160 sind dabei in Form einfacher Löcher ohne entsprechend lamellenförmigen Strömungsleitstrukturen erzeugt. Hingegen weist die Außenhülse 170 sowohl strömungsseitig als auch strömungsabseitig jeweils Gasdurchlassöffnungen 174, 176 auf, welche im oberen Teil nach innen gebogene Strömungsleitstrukturen 175, 177 aufweisen. Hierdurch wird erreicht, dass Partikel und Wassertröpfchen in der Strömung 201 des Messgases nach Eintritt durch die Gasdurchlassöffnungen 174, 176 der Außenhülse 170 nach unten abgelenkt werden bevor sie in das Innere des Hülsenelements 160 gelangen können. Die Ablenkung des strömenden Messgases in der 13 auf der strömungsseitigen Seite der Außenhülse 170 ist mittels gestrichelter Linien 202 angedeutet. Alternativ hierzu können die seitlichen Gasdurchlassöffnungen auch quer zur Hauptströmungsrichtung 200 am rohrförmigen Abschnitt des Hülsenelements angeordnet. Da die Außenhülse 170 lediglich die Funktion hat, Partikel und Flüssigwasser in der Messgasströmung abzuweisen, kann sie sowohl aus einem Metall als auch aus einem Kunststoff gebildet sein. Wie in der 13 gezeigt ist, kann die Außenhülse 170 an einer separaten Substratplatte 178 montiert sein, welche das Hülsenelement 160 von der Außenhülse 170 thermisch isoliert. Die thermische Isolierung kann gegebenenfalls entfallen, sofern die Außenhülse 170 aus einem thermisch schlecht leitfähigen Material gebildet ist, wie zum Beispiel Kunststoff.In a further embodiment, an outer sleeve can also be used to keep particles and water droplets as effectively as possible away from the measurement volume or out of the measurement volume. This shows the 13 a corresponding gas sensor 100 with a multiple gas passage openings 164 . 166 having sleeve member 160 and one the sleeve member 160 receiving outer sleeve 170 , The gas passage openings 164 . 166 of the sleeve element 160 are created in the form of simple holes without corresponding lamellar Strömungsleitstrukturen. By contrast, the outer sleeve 170 both on the flow side and on the downstream side gas passage openings 174 . 176 on, which in the upper part inwardly curved Strömungsleitstrukturen 175 . 177 exhibit. This ensures that particles and water droplets in the flow 201 of the sample gas after entering through the gas passage openings 174 . 176 the outer sleeve 170 be deflected downwards before entering the interior of the sleeve element 160 can reach. The deflection of the flowing sample gas in the 13 on the flow side of the outer sleeve 170 is by dashed lines 202 indicated. Alternatively, the lateral gas passage openings may also be transverse to the main flow direction 200 arranged on the tubular portion of the sleeve member. Because the outer sleeve 170 only the function has to reject particles and liquid water in the sample gas flow, it can be formed both of a metal and of a plastic. Like in the 13 shown, the outer sleeve 170 on a separate substrate plate 178 be mounted, which is the sleeve element 160 from the outer sleeve 170 thermally insulated. The thermal insulation may be omitted if the outer sleeve 170 is formed of a thermally poorly conductive material, such as plastic.

Um die Messgenauigkeit des mikromechanischen Gassensors 100 zu erhöhen, kann in der Substratplatte 110 ferner eine Referenzkaverne mit einem gegenüber der gasförmigen Umgebung 200 abgeschlossenen Messvolumen ausgebildet sein. Hierzu zeigt die 14 ein entsprechendes Ausführungsbeispiel des mikromechanischen Gassensors 100 in einer Referenzkaverne 180. Die Referenzkaverne 180 ist in Form einer mit der Substratplatte 110 erzeugten Kavernenöffnung 181 ausgebildet und in einer im Wesentlichen gleichen Distanz zum Temperaturfühler 150 angeordnet, wie die Kaverne 120. Das in Referenzkaverne 180 gebildete Referenzvolumen 184 wird nach oben von einer die Kavernenöffnung 181 überspannenden Membran 182 mit einem in einem mittleren Bereich der Membran 182 angeordneten Heizelement 183 begrenzt. Die untere Begrenzung des Referenzvolumens 184 bildet hingegen eine Erweiterung 169 des kragenförmigen Abschnitts 162, welcher das Referenzvolumen 184 der Referenzkaverne 180 gegenüber der gasförmigen Umgebung 200 gasdicht abschließt. Das Referenzvolumen 184 enthält vorzugsweise ein Referenzgas mit bekannter Zusammensetzung. Somit kann sichergestellt werden, dass selbst bei starker Variation der Messbedingungen stets ein bekannter Referenzwert zur Verfügung steht. Mithilfe der Referenzmessung kann die Genauigkeit der im Messvolumen 122 erfolgenden Messung noch gesteigert werden.To the measuring accuracy of the micromechanical gas sensor 100 can increase in the substrate plate 110 Further, a reference cavern with a relation to the gaseous environment 200 completed measuring volume to be formed. This shows the 14 a corresponding embodiment of the micromechanical gas sensor 100 in a reference cavern 180 , The reference cavern 180 is in the form of a with the substrate plate 110 generated cavern opening 181 trained and at a substantially same distance to the temperature sensor 150 arranged like the cavern 120 , That in reference cavern 180 formed reference volume 184 gets up from one the cavern opening 181 spanning membrane 182 with one in a middle region of the membrane 182 arranged heating element 183 limited. The lower limit of the reference volume 184 on the other hand forms an extension 169 of the collar-shaped section 162 , which is the reference volume 184 the reference cavern 180 opposite the gaseous environment 200 gas-tight. The reference volume 184 preferably contains a reference gas of known composition. Thus, it can be ensured that a known reference value is always available even in the case of strong variation of the measuring conditions. Using the reference measurement can increase the accuracy of the measurement volume 122 be further increased measurement.

Zu einer weiteren Optimierung der Referenzmessung kann die Abdeckung 185 der Referenzkaverne 180 in Form einer geschlossenen Hülse gestaltet sein. Hierzu zeigt die 15 einen entsprechend ausgebildeten mikromechanischen Sensor 100. Die vorzugsweise ebenfalls als Erweiterung 169 des kragenförmigen Abschnitts 162 des Hülsenelements 160 ausgebildete geschlossene Hülse 185 ist dabei vorzugsweise so geformt, dass das darin eingeschlossene Referenzvolumen 184 im Wesentlichen dem Messvolumen 122 des Sensors entspricht. Ideal ist hierbei eine Ausführungsform, bei der das Referenzvolumen möglichst ähnlich dem Messvolumen 122 gestaltet ist, hilfsweise ebenfalls rohrförmig mit vergleichbaren Dimensionen. Die hülsenförmig gestaltete metallische Abdeckung 185 bildet dabei einen thermisch reproduzierbaren Abschluss des Referenzvolumens 180. Hierbei schließt das Referenzvolumen jedoch im Unterschied zum Messvolumen gasdicht gegenüber dem Messgas ab. For a further optimization of the reference measurement, the cover 185 the reference cavern 180 be designed in the form of a closed sleeve. This shows the 15 a correspondingly formed micromechanical sensor 100 , The preferably also as an extension 169 of the collar-shaped section 162 of the sleeve element 160 trained closed sleeve 185 is preferably shaped so that the reference volume enclosed therein 184 essentially the measurement volume 122 corresponds to the sensor. Ideal here is an embodiment in which the reference volume is as similar as possible to the measurement volume 122 is designed, alternatively also tubular with comparable dimensions. The sleeve-shaped metallic cover 185 forms a thermally reproducible completion of the reference volume 180 , In this case, however, the reference volume, in contrast to the measuring volume, seals off gas-tight from the measuring gas.

Neben der direkten Verbindung mit der Substratplatte 110 kann das Hülsenelement 160 alternativ auch mittels eines geeigneten Wärmeübertragungselements thermisch leitend mit der Substratplatte 110 verbunden sein.In addition to the direct connection to the substrate plate 110 can the sleeve element 160 Alternatively, by means of a suitable heat transfer element thermally conductive with the substrate plate 110 be connected.

Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die beschriebenen Merkmale geeignet abändern und miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above with reference to specific embodiments, it is by no means limited thereto. The person skilled in the art will thus be able to suitably modify and combine the described features without deviating from the essence of the invention.

Claims

Micromechanical gas sensor ( 100 ) for determining a gas concentration comprising: - a substrate plate ( 110 ), - a substrate plate ( 110 ) and thereby a cavern ( 120 ) forming cavern opening ( 121 ), - one the cavern opening ( 120 ) spanning membrane ( 130 ), - one on the membrane ( 130 ) arranged heating element ( 140 ), and - one with its upper end on the bottom ( 112 ) of the substrate plate ( 110 ) to the cavern opening ( 121 ) and thereby thermally with the substrate plate ( 110 ) coupled sleeve element ( 160 ), which one in the area of the cavern ( 120 ) arranged measuring volume ( 122 ) against a gaseous environment ( 200 ) and one of the cavern openings ( 121 ) opposite the lower end of the sleeve element ( 160 ) arranged gas inlet opening ( 163 ) for supplying a measuring gas from the gaseous environment ( 200 ) into the measuring volume ( 122 ) having.

Micromechanical gas sensor ( 100 ) according to claim 1, wherein the length (L) of the sleeve element ( 160 ) At least three times the inner diameter (D) of the sleeve member ( 160 ) corresponds.

Micromechanical gas sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the lateral surface of the sleeve element ( 160 ) axially extending grooves ( 168 ), which the inner diameter (D) of the sleeve member ( 160 ) to reduce.

Micromechanical gas sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the upper end portion ( 162 ) of the sleeve element ( 160 ) in the form of a at least along a part of the circumference of the sleeve member ( 160 ) extending collar is formed.

Micromechanical gas sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein on the substrate plate ( 110 ) a temperature sensor ( 150 ) at a predetermined distance to the membrane ( 130 ) is arranged.

Micromechanical gas sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the sleeve element ( 160 ) is formed in the form of a stainless steel deep-drawn part.

Micromechanical gas sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the sleeve element ( 160 ) lateral gas passage openings ( 164 . 166 ), which on the flow side and downstream or transversely to the main flow direction at the tubular portion ( 161 ) of the sleeve element ( 160 ) are arranged and lamellar flow guide structures ( 165 . 167 ) exhibit.

Micromechanical gas sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims 1 to 6, wherein the sleeve element ( 160 ) lateral gas passage openings ( 164 . 166 ), and further comprising an outer sleeve ( 170 ) made of plastic or metal around the sleeve element ( 160 ), which has a lower gas inlet opening ( 173 ) and lateral gas passage openings ( 174 . 175 ) with lamellar flow guiding structures ( 175 . 177 ).

Micromechanical gas sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the sleeve element ( 160 ) has a downwardly narrowing or widening cross-section.

Micromechanical gas sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein furthermore one of the caverns ( 120 ) adjacent reference cavern ( 180 ) with a substrate plate ( 110 ) passing through the second cavern opening ( 181 ), one the second cavern opening ( 181 ) spanning membrane ( 182 ) and one on the membrane ( 182 ) arranged heating element ( 183 ), wherein furthermore a reference cavern ( 180 ) relative to the gaseous environment ( 200 ) final cover ( 186 ) provided by an extension of the collar-shaped portion ( 162 ) of the sleeve element ( 160 ) is formed.

Micromechanical sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the cover ( 185 ) of the reference cavern ( 180 ) is formed in the form of a closed sleeve.