DE102016200270A1

DE102016200270A1 - Apparatus and method for detecting a fluid

Info

Publication number: DE102016200270A1
Application number: DE102016200270.8A
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

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren eines Fluids (1). Die Vorrichtung (10; 110) ist ausgebildet mit: einem Substrat (12; 112); einer Messmembran (26; 126), an welche ein Fluid (1) leitbar ist, sowie mit einer ersten Heizeinrichtung (24; 124) an der Messmembran (26; 126); wobei die erste Heizeinrichtung (24; 124) einen ersten Mess-Heizwiderstand (81; 181) und einen zweiten Mess-Heizwiderstand (83; 183) aufweist; einer Referenzmembran (46; 146), sowie mit einer zweiten Heizeinrichtung (44; 144) an der Referenzmembran (46; 146); wobei die zweite Heizeinrichtung (44; 144) einen ersten Referenz-Heizwiderstand (82; 182) und einen zweiten Referenz-Heizwiderstand (84; 184) aufweist; wobei der erste Mess-Heizwiderstand (81; 181) und der erste Referenz-Heizwiderstand (82; 182) in Reihe geschaltet sind; wobei der zweite Mess-Heizwiderstand (83; 183) und der zweite Referenz-Heizwiderstand (84; 184) in Reihe geschaltet sind; und einer Temperaturfühleinrichtung (60; 160) an dem Substrat (12; 112).The present invention provides an apparatus and method for detecting a fluid (1). The device (10; 110) is formed with: a substrate (12; 112); a measuring diaphragm (26, 126), to which a fluid (1) can be conducted, and with a first heating device (24, 124) on the measuring diaphragm (26, 126); wherein the first heating means (24; 124) comprises a first measuring heating resistor (81; 181) and a second measuring heating resistor (83; 183); a reference diaphragm (46; 146) and a second heater (44; 144) on the reference diaphragm (46; 146); said second heater (44; 144) having a first reference heater resistor (82; 182) and a second reference heater resistor (84; 184); wherein the first measuring heating resistor (81; 181) and the first reference heating resistor (82; 182) are connected in series; wherein the second measuring heating resistor (83; 183) and the second reference heating resistor (84; 184) are connected in series; and a temperature sensing device (60; 160) on the substrate (12; 112).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren eines Fluids, insbesondere zum Detektieren einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft eines Gases, beispielsweise eines Wasserstoffanteils des Gases. The present invention relates to an apparatus and a method for detecting a fluid, in particular for detecting a chemical and / or physical property of a gas, for example a hydrogen content of the gas.

Stand der TechnikState of the art

Vorrichtungen zum Detektieren von Gasen, sogenannte Gassensoren, werden für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt. Eine Technik, welche dazu verwendet werden kann, basiert auf Wärmeleitfähigkeitsmessungen. Dabei wird an einem ersten Bereich des Gassensors Wärme abgegeben und an einem zweiten Bereich des Gassensors eine Temperatur gemessen. Ein zu detektierendes Gas wird derart geleitet, dass sich eine Wärmeleitfähigkeit des Gassensors zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich in Abhängigkeit von dem Gas verändert. Basierend auf der an den ersten Bereich abgegebenen Wärme und der gemessenen Temperatur kann das Gas detektiert werden.Devices for detecting gases, so-called gas sensors, are needed for a variety of applications. One technique that can be used is based on thermal conductivity measurements. In this case, heat is released at a first region of the gas sensor and a temperature is measured at a second region of the gas sensor. A gas to be detected is conducted so that a thermal conductivity of the gas sensor between the first and second regions changes depending on the gas. Based on the heat given off to the first area and the measured temperature, the gas can be detected.

In der DE 42 44 224 A1 ist ein Gassensor beschrieben, mittels welchem eine Konzentration oder eine Veränderung der Konzentration von gasförmigen Fremdstoffen in Gasen nach dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip bestimmt wird.In the DE 42 44 224 A1 a gas sensor is described by means of which a concentration or a change in the concentration of gaseous foreign substances in gases is determined on the basis of the thermal conductivity principle.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.The present invention discloses a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 8.

Demgemäß ist eine mikromechanische Vorrichtung zum Detektieren eines Fluids vorgesehen, mit: einem Substrat; einer an dem Substrat und/oder in dem Substrat ausgebildeten Messeinrichtung mit einer Messmembran, an welche ein zu detektierendes Fluid leitbar ist, sowie mit einer an der Messmembran angeordneten ersten Heizeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Wärme an die Messmembran abzugeben; wobei die erste Heizeinrichtung einen ersten Mess-Heizwiderstand und einen zweiten Mess-Heizwiderstand aufweist; einer an dem Substrat und/oder in dem Substrat ausgebildeten Referenzeinrichtung mit einer Referenzmembran, sowie mit einer an der Referenzmembran angeordneten zweiten Heizeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Wärme an die Referenzmembran abzugeben; wobei die zweite Heizeinrichtung einen ersten Referenz-Heizwiderstand und einen zweiten Referenz-Heizwiderstand aufweist; wobei der erste Mess-Heizwiderstand und der erste Referenz-Heizwiderstand elektrisch in Reihe geschaltet sind; wobei der zweite Mess-Heizwiderstand und der zweite Referenz-Heizwiderstand elektrisch in Reihe geschaltet sind; und eine Temperaturfühleinrichtung, welche, zum Messen einer Temperatur des Substrats, beabstandet von der Messmembran und beabstandet von der Referenzmembran an dem Substrat angeordnet ist.Accordingly, a micromechanical device for detecting a fluid is provided, comprising: a substrate; a measuring device formed on the substrate and / or in the substrate with a measuring diaphragm, to which a fluid to be detected can be conducted, and with a first heating device arranged on the measuring diaphragm, which is designed to deliver heat to the measuring diaphragm; wherein the first heating means comprises a first measuring heating resistor and a second measuring heating resistor; a reference means formed on the substrate and / or in the substrate having a reference diaphragm, and having a second heater disposed on the reference diaphragm and configured to deliver heat to the reference diaphragm; wherein the second heating means comprises a first reference heating resistor and a second reference heating resistor; wherein the first measuring heating resistor and the first reference heating resistor are electrically connected in series; wherein the second measuring heating resistor and the second reference heating resistor are electrically connected in series; and a temperature sensing device disposed on the substrate for measuring a temperature of the substrate spaced from the sensing diaphragm and spaced from the reference diaphragm.

Unter einem Fluid soll ein Gas oder eine Flüssigkeit verstanden werden. Unter einem Leiten des Fluids an eine Membran soll sowohl ein aktives Leiten, etwas mittels Pumpen oder Ventilatoren, oder ein passives Leiten durch Ausbilden und Anordnen von entsprechenden Leitungen und Zulassen einer Diffusion des Fluids an die entsprechende Membran verstanden werden.A fluid should be understood to mean a gas or a liquid. By directing the fluid to a membrane is meant both active conduction, somewhat by means of pumps or fans, or passive conduction by formation and placement of respective conduits and permitting diffusion of the fluid to the corresponding membrane.

Weiterhin ist ein Verfahren zum Detektieren eines Fluids bereitgestellt, mit den Schritten: Leiten eines zu detektierenden Fluids an eine Messmembran einer an einem Substrat und/oder in einem Substrat ausgebildeten Messeinrichtung; Abgeben von Wärme an die Messmembran mittels eines ersten Mess-Heizwiderstands und eines zweiten Mess-Heizwiderstands einer an der Messmembran angeordneten ersten Heizeinrichtung; Abgeben von Wärme an eine Referenzmembran einer an dem Substrat und/oder in dem Substrat ausgebildeten Referenzeinrichtung mittels eines ersten Referenz-Heizwiderstands und eines zweiten Referenz-Heizwiderstands einer an der Referenzmembran angeordneten zweiten Heizeinrichtung; wobei der erste Mess-Heizwiderstand und der erste Referenz-Heizwiderstand in Reihe geschaltet sind; wobei der zweite Mess-Heizwiderstand und der zweite Referenz-Heizwiderstand in Reihe geschaltet sind; Messen einer Temperatur mittels einer Temperaturfühleinrichtung, welche beabstandet von der Messmembran und beabstandet von der Referenzmembran an oder auf dem Substrat angeordnet ist; und Detektieren des zu detektierenden Fluids basierend auf der an die Messmembran und/oder der an die Referenzmembran abgegebenen Wärme und basierend auf der gemessenen Temperatur des Substrats.There is further provided a method of detecting a fluid, comprising the steps of: directing a fluid to be detected to a measuring membrane of a measuring device formed on a substrate and / or in a substrate; Applying heat to the measuring diaphragm by means of a first measuring heating resistor and a second measuring heating resistor of a first heating device arranged on the measuring diaphragm; Applying heat to a reference diaphragm of a reference device formed on the substrate and / or in the substrate by means of a first reference heater resistor and a second reference heater resistor of a second heater disposed on the reference diaphragm; wherein the first measuring heating resistor and the first reference heating resistor are connected in series; wherein the second measuring heating resistor and the second reference heating resistor are connected in series; Measuring a temperature by means of a temperature sensing means spaced from the sensing diaphragm and spaced from the reference diaphragm on or on the substrate; and detecting the fluid to be detected based on the heat delivered to the sensing membrane and / or the heat emitted to the reference membrane and based on the measured temperature of the substrate.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist z.B. als Sensorelement eines Gassensors oder als Gassensor einsetzbar. Bevorzugt sind die Messmembran und/oder die Referenzmembran möglichst dünn ausgebildet, so dass ein direkter Wärmestrom von der jeweiligen Heizeinrichtung über ein Material der jeweiligen Membran an das Substrat und die Temperaturfühleinrichtung minimiert, vorzugsweise eliminiert wird. Der Großteil des Gesamtwärmestroms von der ersten Heizeinrichtung an die Temperaturfühleinrichtung erfolgt somit über das zu detektierende, an die Messmembran geleitete Gas. Das Detektieren des Fluids kann mittels Funktionen und/oder Kennfeldern basierend auf der mittels der Temperaturfühleinrichtung gemessenen Temperatur, der an die Messmembran und/oder die Referenzmembran abgegebenen Wärme(n) und/oder einer Temperatur der ersten und/oder der zweiten Heizeinrichtung erfolgen, insbesondere basierend auf einem Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der ersten und/oder der zweiten Heizeinrichtung und der mittels der Temperaturfühleinrichtung gemessenen Temperatur, insbesondere durch Erfassung einer von diesem Temperaturunterschied abhängenden Brückenspannung. Das Detektieren des Fluids kann optional zusätzlich basierend auf dem zu detektierenden Gas, insbesondere physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des zu detektierenden Fluids und/oder eines an der Referenzmembran angelegten Referenzfluids erfolgen.The device according to the invention can be used, for example, as a sensor element of a gas sensor or as a gas sensor. Preferably, the measuring membrane and / or the reference membrane are formed as thin as possible, so that a direct heat flow from the respective heating device via a material of the respective membrane to the substrate and the temperature sensing device is minimized, preferably eliminated. The majority of the total heat flow from the first heater to the temperature sensing device thus takes place via the gas to be detected, which is conducted to the measuring diaphragm. The detection of the fluid can by means of functions and / or maps based on the means of Temperature measuring device measured temperature, the output to the measuring membrane and / or the reference membrane heat (s) and / or a temperature of the first and / or the second heater, in particular based on a temperature difference between the temperature of the first and / or the second heater and the measured by the temperature sensing device temperature, in particular by detecting a dependent of this temperature difference bridge voltage. The detection of the fluid can optionally additionally be based on the gas to be detected, in particular physical and / or chemical properties of the fluid to be detected and / or a reference fluid applied to the reference diaphragm.

Unter dem Detektieren des Fluids soll insbesondere ein Bestimmen mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Fluids verstanden werden, insbesondere ein Bestimmen eines Wasserstoffanteils des Fluids.By detecting the fluid, it should be understood in particular to determine at least one physical and / or chemical property of the fluid, in particular a determination of a hydrogen content of the fluid.

Die Referenzeinrichtung ist vorteilhaft dazu verwendbar, äußere Einflüsse auf die Wärmeleitfähigkeitsmessungen, insbesondere auf die Abgabe der Wärme an die Messmembran und/oder das Messen der Temperatur mittels der Temperaturfühleinrichtung, zu eliminieren. Beispielsweise kann mittels der Referenzeinrichtung ein Einfluss einer Umgebungstemperatur oder einer Umgebungsströmung auf die Wärmeleitfähigkeitsmessung zum Detektieren des Fluids verringert oder eliminiert werden.The reference device can be advantageously used to eliminate external influences on the thermal conductivity measurements, in particular on the release of the heat to the measuring membrane and / or the measurement of the temperature by means of the temperature sensing device. For example, by means of the reference device, an influence of an ambient temperature or an ambient flow on the thermal conductivity measurement for detecting the fluid can be reduced or eliminated.

Durch die Verwendung von zwei Reihenschaltungen, welche jeweils mindestens einen Mess-Heizwiderstand und einen Referenz-Heizwiderstand aufweisen, ist die Messempfindlichkeit der Vorrichtung erhöht. By using two series circuits, each having at least one measuring heating resistor and a reference heating resistor, the measuring sensitivity of the device is increased.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der erste Mess-Heizwiderstand und der erste Referenz-Heizwiderstand als elektrische Leitungsbahnen mit voneinander beabstandeten, ineinander eingreifenden Mäanderformen ausgebildet. Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind der zweite Mess-Heizwiderstand und der zweite Referenz-Heizwiderstand als elektrische Leitungsbahnen mit voneinander beabstandeten, ineinander eingreifenden Mäanderformen ausgebildet. Somit wird ein näherungsweise kastenförmiges Temperaturprofil erzeugt, wodurch das Detektieren des Fluids unter besonders gut reproduzierbaren Bedingungen und somit besonders akkurat und präzise erfolgen kann.According to a preferred embodiment of the device according to the invention, the first measuring heating resistor and the first reference heating resistor are designed as electrical conductor tracks with mutually spaced, intermeshing meander shapes. According to a further development, the second measuring heating resistor and the second reference heating resistor are designed as electrical conductor tracks with mutually spaced, intermeshing meander shapes. Thus, an approximately box-shaped temperature profile is generated, whereby the detection of the fluid under particularly good reproducible conditions and thus can be done very accurately and precisely.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen der erste Mess-Heizwiderstand, der zweite Mess-Heizwiderstand, der erste Referenz-Heizwiderstand und/oder der zweite Referenz-Heizwiderstand einen elektrischen Widerstand von 2 Kilo-Ohm oder weniger auf, bevorzugt von 1 Kilo-Ohm oder weniger, besonders bevorzugt von 500 Ohm oder weniger, insbesondere von 200 Ohm oder weniger. Diese Niederohmigkeit der Mess- und/oder Referenz-Heizwiderstände führt zu geringeren Anforderungen, beispielsweise im Hinblick auf eine Eingangsimpedanz, Input-Bias-Ströme etc., an elektrische Bauteile, beispielsweise Differenzverstärker, welche an die erfindungsgemäße Vorrichtung anzuschließen sind. Die Niederohmigkeit der Mess- und/oder Referenz-Heizwiderstände wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass eine gesamte, innerhalb einer mit der ersten und der zweiten Heizeinrichtung gebildeten Brückenschaltung umgesetzte elektrische Leistung verlustfrei zum Beheizen, das heißt zum Abgeben von Wärme, der Mess- und der Referenzmembran verwendet werden kann. According to a further preferred development, the first measuring heating resistor, the second measuring heating resistor, the first reference heating resistor and / or the second reference heating resistor have an electrical resistance of 2 kilo-ohms or less, preferably 1 kilo-ohms or less, more preferably 500 ohms or less, especially 200 ohms or less. This low resistance of the measuring and / or reference heating resistors leads to lower requirements, for example with regard to an input impedance, input bias currents, etc., to electrical components, for example differential amplifiers, which are to be connected to the device according to the invention. The low resistance of the measuring and / or reference heating resistors is made possible in particular by the fact that an entire electrical power converted within a bridge circuit formed with the first and the second heating device is lossless for heating, that is to say for emitting heat, the measuring and Reference membrane can be used.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Messeinrichtung und die Referenzeinrichtung in Bezug auf ihre geometrischen, ihre elektrischen und/oder ihre werkstoffbezogenen Charakteristiken gleich ausgebildet. Somit kann die Referenzeinrichtung vorteilhaft dazu verwendet werden, besonders genau und vollständig äußere Einflüsse auf das Detektieren des zu detektierenden Fluids zu verringern oder zu eliminieren. Insbesondere können die Messeinrichtung und die Referenzeinrichtung identisch ausgebildet sein, beispielsweise durch einen gemeinsamen, bevorzugt simultanen, Fertigungsprozess (z.B. einen Maskenprozess). Somit fallen Fertigungstoleranzen wie z.B. Maskenversätze wenig ins Gewicht und innerhalb der Fertigung oder Montage ist keine aufwendige Zuordnungslogistik bzw. Paarung von getrennten Bauteilen erforderlich.According to a further preferred development, the measuring device and the reference device are designed to be identical with respect to their geometric, their electrical and / or their material-related characteristics. Thus, the reference means can be advantageously used to reduce or eliminate particularly accurately and completely external influences on the detection of the fluid to be detected. In particular, the measuring device and the reference device can be formed identically, for example by a common, preferably simultaneous, manufacturing process (for example a mask process). Thus, manufacturing tolerances such as e.g. Masks offsets little in weight and in production or assembly no complex allocation logistics or mating of separate components is required.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Messmembran und die Referenzmembran in einer ersten Außenseite des Substrats ausgebildet. Mit anderen Worten bilden eine von dem Substrat abgewandte Oberfläche der Messmembran, sowie eine von dem Substrat abgewandte Oberfläche der Referenzmembran, jeweils einen Teil der ersten Außenseite des Substrats. According to a further preferred development, the measuring diaphragm and the reference diaphragm are formed in a first outer side of the substrate. In other words, a surface of the measuring diaphragm facing away from the substrate and a surface of the reference diaphragm facing away from the substrate each form part of the first outer side of the substrate.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Temperaturfühleinrichtung an einer zweiten Außenseite des Substrats ausgebildet, welche von der ersten Außenseite abgewandt ist. Dadurch ergibt sich vorteilhaft ein durch eine Dicke des Substrats zwischen dessen erster Außenseite und dessen zweiter Außenseite vordefinierter Abstand zwischen der Messmembran bzw. der Referenzmembran und der Temperaturfühleinrichtung, welcher von dem Wärmestrom von der jeweiligen Heizeinrichtung der jeweiligen Membran bis zu der Temperaturfühleinrichtung zu überwinden ist. According to a further preferred development, the temperature sensing device is formed on a second outer side of the substrate, which faces away from the first outer side. This advantageously results in a predetermined distance between the measuring membrane or the reference membrane and the temperature sensing device, which is predefined by a thickness of the substrate between its first outer side and its second outer side. which is to be overcome by the heat flow from the respective heating device of the respective membrane to the temperature sensing device.

Bevorzugt ist an einer Oberfläche der Messmembran, welche von der ersten Außenseite des Substrats abgewandt ist, bis hin zu der zweiten Außenseite des Substrats eine erste Kaverne ausgebildet, welche auch als Messkaverne bezeichenbar ist, in welche das zu detektierende Fluid einleitbar ist und durch welche der Wärmestrom von der ersten Heizeinrichtung über das zu detektierende Fluid an die Temperaturfühleinrichtung gelangen kann. Preferably, a first cavern is formed on a surface of the measuring membrane, which faces away from the first outer side of the substrate, as far as the second outer side of the substrate, which cavity can also be designated as a measuring cavern into which the fluid to be detected can be introduced and through which Heat flow can pass from the first heater via the fluid to be detected to the temperature sensing device.

Bevorzugt ist an einer von der ersten Außenseite des Substrats abgewandten Oberfläche der Referenzmembran eine zweite Kaverne ausgebildet, welche auch als Referenzkaverne bezeichenbar ist, an welche vorzugsweise ein Referenzfluid, z.B. ein Referenzgas wie Stickstoff, Wasserstoff oder Wasser leitbar ist oder an welcher ein Vakuum ausgebildet ist und durch welche ein Wärmestrom von der zweiten Heizeinrichtung an die Temperaturfühleinrichtung fließen muss. Hierdurch ergibt sich ein besonders genau definierter Pfad innerhalb eines besonders genau definierten Volumens, welchen der Wärmestrom von der ersten Heizeinrichtung an die Temperaturfühleinrichtung durch das zu detektierende Fluid hauptsächlich oder ausschließlich nehmen wird, so dass das Fluid besonders genau zu detektieren ist. Insbesondere ergibt sich so ein Geometriefaktor für die erfindungsgemäße Vorrichtung mit besonders engen Fehlerbalken.Preferably, on a surface of the reference membrane facing away from the first outer side of the substrate, a second cavern is formed, which can also be designated as a reference cavern, to which preferably a reference fluid, e.g. a reference gas such as nitrogen, hydrogen or water can be conducted or at which a vacuum is formed and through which a heat flow must flow from the second heater to the temperature sensing device. This results in a particularly well-defined path within a particularly well-defined volume, which the heat flow from the first heater to the temperature sensing device by the fluid to be detected will mainly or exclusively take, so that the fluid is particularly accurate to detect. In particular, this results in a geometry factor for the device according to the invention with particularly narrow error bars.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist an der Messmembran und/oder an der Referenzmembran an der ersten Außenseite des Substrats ein Referenzfluid oder ein Vakuum angeordnet. Das Referenzfluid, beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff oder Wasser, oder das Vakuum, können beispielsweise in einer jeweiligen, auf die jeweilige Membran separat aufgesetzten oder einer auf beide Membranen gemeinsam aufgesetzten Kaverne in einem zweiten Substrat oder durch Überkapselung der Messmembran und/oder der Referenzmembran erfolgen. Es kann auch vorgesehen sein, dass an der Messmembran ein Referenzfluid und an der Referenzmembran ein Vakuum angeordnet ist oder umgekehrt. Die genannten Varianten ermöglichen das Einstellen besonders genau bekannter Randbedingungen für das Detektieren des Fluids.According to a further preferred refinement, a reference fluid or a vacuum is arranged on the measuring diaphragm and / or on the reference diaphragm on the first outer side of the substrate. The reference fluid, for example, nitrogen, hydrogen or water, or the vacuum, for example, in a respective, separately placed on the respective membrane or jointly on both membranes cavern placed in a second substrate or by encapsulation of the measuring membrane and / or the reference membrane. It can also be provided that a reference fluid is arranged on the measuring diaphragm and a vacuum is arranged on the reference diaphragm or vice versa. The variants mentioned make it possible to set particularly precisely known boundary conditions for the detection of the fluid.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist an einer von der ersten Außenseite des Substrats abgewandten Oberfläche der Referenzmembran ein Referenzfluid oder ein Vakuum angeordnet. Dies kann beispielsweise in einer in dem Substrat ausgebildeten Referenzkaverne erfolgen. Das Referenzfluid oder das Vakuum an der von der ersten Seite des Substrats abgewandten Oberfläche der Referenzmembran kann gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein wie ein an der ersten Außenseite des Substrats an der Referenzmembran angeordnetes Referenzfluid oder Vakuum. Auch hierdurch sind besonders genau definierte Randbedingungen für das Detektieren des zu detektierenden Fluids mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbar. According to a further preferred refinement, a reference fluid or a vacuum is arranged on a surface of the reference diaphragm which is remote from the first outer side of the substrate. This can be done, for example, in a reference cavern formed in the substrate. The reference fluid or the vacuum on the surface of the reference diaphragm facing away from the first side of the substrate may be the same or different as a reference fluid or vacuum arranged on the first outer side of the substrate on the reference diaphragm. This also makes it possible to produce particularly well-defined boundary conditions for detecting the fluid to be detected by means of the device according to the invention.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Abgeben von Wärme an die Messmembran und zum Abgeben von Wärme an die Referenzmembran ein erster elektrischer Strom derart an die erste und die zweite Heizeinrichtung angelegt, dass in technischer Stromrichtung des ersten elektrischen Stroms der erste Mess-Heizwiderstand vor dem ersten Referenz-Heizwiderstand angeordnet ist, und ein zweiter elektrischer Strom derart an die erste und die zweite Heizeinrichtung angelegt, dass in technischer Stromrichtung des zweiten elektrischen Stroms der zweite Mess-Heizwiderstand nach dem zweiten Referenz-Heizwiderstand angeordnet ist. Somit ergibt sich eine gegenläufige Durchströmungsrichtung der ersten und der zweiten Heizeinrichtung mit elektrischen Strömen, wodurch eine besonders homogene Beheizung der Messmembran und der Referenzmembran bereitstellbar ist. According to a preferred development of the method according to the invention, a first electric current is applied to the first and the second heating device for discharging heat to the measuring diaphragm and for discharging heat to the reference diaphragm such that the first measuring heating resistor is in the technical current direction of the first electrical current is arranged in front of the first reference heating resistor, and a second electric current is applied to the first and the second heating means such that in the technical current direction of the second electric current, the second measuring heating resistor is arranged after the second reference heating resistor. This results in an opposite flow direction of the first and the second heater with electrical currents, whereby a particularly homogeneous heating of the measuring membrane and the reference membrane is provided.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden der erste und der zweite elektrische Strom mit demselben elektrischen Spannungswert und/oder demselben elektrischen Stromwert angelegt. Dazu kann beispielsweise an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein gemeinsamer Anschlusspunkt sowohl für den ersten als auch für den zweiten elektrischen Strom vorgesehen sein. Weiterhin kann die elektrische Spannung an einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Mess-Heizwiderstand und dem ersten Referenz-Heizwiderstand verglichen werden mit der elektrische Spannung an einem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Mess-Heizeiderstand und dem zweiten Referenz-Heizwiderstand. Dieser Vergleich kann auf einer Ermittlung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Verbindungspunkten basieren. Diese Spannungsdifferenz kann als eine Brückenspannung aufgefasst werden, die durch die Verschaltung der vier Heizwiderstände zustande kommt.According to a further preferred development, the first and the second electrical current are applied with the same electrical voltage value and / or the same electric current value. For this purpose, for example, a common connection point for both the first and the second electrical current can be provided on a device according to the invention. Furthermore, the electrical voltage at a connection point between the first measuring heating resistor and the first reference heating resistor can be compared with the electrical voltage at a connection point between the second measuring heating resistor and the second reference heating resistor. This comparison may be based on a determination of the voltage difference between the two connection points. This voltage difference can be understood as a bridge voltage, which comes about through the interconnection of the four heating resistors.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The present invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the schematic figures of the drawings. Show it:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer mikromechanischen Vorrichtung zum Detektieren eines Fluids gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic block diagram of a micromechanical device for detecting a fluid according to an embodiment of the present invention;

2 eine schematische, teilweise transparente Schrägansicht auf eine mikromechanische Vorrichtung zum Detektieren eines Fluids gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 2 a schematic, partially transparent oblique view of a micromechanical device for detecting a fluid according to another embodiment of the present invention;

3 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 2; 3 a schematic plan view of the device according to 2 ;

4 ein schematisches Schaltbild der Vorrichtung aus 2 und 3, wobei die erste und die zweite Heizspannung gleich gewählt sind; und 4 a schematic diagram of the device 2 and 3 wherein the first and second heating voltages are the same; and

5 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Detektieren eines Fluids gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 a schematic flowchart for explaining a method for detecting a fluid according to yet another embodiment of the present invention.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals. The numbering of method steps is for the sake of clarity and, in particular, should not, unless otherwise indicated, imply a particular chronological order. In particular, several method steps can be carried out simultaneously.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer mikromechanischen Vorrichtung 10 zum Detektieren eines Fluids gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic block diagram of a micromechanical device 10 for detecting a fluid according to an embodiment of the present invention.

Die Vorrichtung 10 umfasst ein Substrat 12, an und/oder in welchem eine Messeinrichtung 20 und eine Referenzeinrichtung 40 ausgebildet sind. Die Messeinrichtung 20 weist eine Messmembran 26 auf, an welche ein zu detektierendes Fluid 1 leitbar ist und weist außerdem eine an der Messmembran 26 angeordnete erste Heizeinrichtung 24 auf, welche dazu ausgelegt ist, Wärme an die Messmembran 26 abzugeben. Die Referenzeinrichtung 40 weist eine Referenzmembran 46 sowie eine an der Referenzmembran 46 angeordnete zweite Heizeinrichtung 44 auf, welche dazu ausgelegt ist, Wärme an die Referenzmembran 46 abzugeben.The device 10 includes a substrate 12 , on and / or in which a measuring device 20 and a reference device 40 are formed. The measuring device 20 has a measuring membrane 26 to which a fluid to be detected 1 is conductive and also has a on the measuring diaphragm 26 arranged first heater 24 which is designed to transfer heat to the measuring membrane 26 leave. The reference device 40 has a reference membrane 46 and one on the reference membrane 46 arranged second heating device 44 which is designed to transfer heat to the reference membrane 46 leave.

Die erste Heizeinrichtung 24 weist einen ersten Mess-Heizwiderstand 81 und einen zweiten Mess-Heizwiderstand 83 auf. Die zweite Heizeinrichtung 44 weist einen ersten Referenz-Heizwiderstand 82 und einen zweiten Referenz-Heizwiderstand 84 auf. Der erste Mess-Heizwiderstand 81 und der erste Referenz-Heizwiderstand 82 sind in Reihe geschaltet. Der zweite Mess-Heizwiderstand 83 und der zweite Referenz-Heizwiderstand 84 sind in Reihe geschaltet. Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Temperaturfühleinrichtung 60, welche beabstandet von der Messmembran 26 und beabstandet von der Referenzmembran 46 an oder auf dem Substrat 12 angeordnet ist und welche zum Messen einer Temperatur Tchp des Substrats 12 ausgelegt ist. Das Erfassen und/oder Auswerten von gemessenen Größen wie der gemessenen Temperatur Tchp, von abgegebenen Wärmen, von Temperaturen der Heizwiderstände 81, 82, 83, 84 etc. kann durch eine Auswerteeinrichtung, z.B. einen Mikrokontroller, erfolgen, welcher Teil der Vorrichtung 10 sein kann oder zum Anschließen an welche die Vorrichtung 10 ausgelegt ist.The first heating device 24 has a first measuring heating resistor 81 and a second measuring heating resistor 83 on. The second heater 44 has a first reference heating resistor 82 and a second reference heating resistor 84 on. The first measuring heating resistor 81 and the first reference heating resistor 82 are connected in series. The second measuring heating resistor 83 and the second reference heating resistor 84 are connected in series. The device 10 further comprises a temperature sensing device 60 which is spaced from the measuring diaphragm 26 and spaced from the reference membrane 46 on or on the substrate 12 is arranged and which for measuring a temperature Tchp of the substrate 12 is designed. The detection and / or evaluation of measured quantities such as the measured temperature Tchp, of delivered heat, of temperatures of the heating resistors 81 . 82 . 83 . 84 etc. can be done by an evaluation device, such as a microcontroller, which part of the device 10 may be or for connecting to which the device 10 is designed.

2 zeigt eine schematische, teilweise transparente Schrägansicht auf eine mikromechanische Vorrichtung 110 zum Detektieren eines Fluids gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 2 gezeigte Vorrichtung 110 wird außerdem im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3 und 4 näher erläutert werden. 2 shows a schematic, partially transparent oblique view of a micromechanical device 110 for detecting a fluid according to another embodiment of the present invention. In the 2 shown device 110 will also be described below with reference to the 3 and 4 be explained in more detail.

Die Vorrichtung 110 umfasst ein Substrat 112 mit einer ersten Außenseite 111 und einer von der ersten Außenseite 111 abgewandten zweiten Außenseite 113. In und an dem Substrat 112 sind, voneinander beabstandet, eine Messeinrichtung 120 und eine Referenzeinrichtung 140 ausgebildet. Die Messeinrichtung 120 weist eine Messmembran 126 auf, welche in der ersten Außenseite 111 des Substrats 112 ausgebildet ist. Die Referenzeinrichtung 140 weist eine Referenzmembran 146 auf, welche in der Außenseite 111 des Substrats 112, beabstandet von der Messmembran 126, ausgebildet ist. Die Messmembran 126 und die Referenzmembran 146 sind in Bezug auf ihre geometrischen, elektrischen und werkstoffbezogenen Charakteristiken vorzugsweise gleich ausgebildet. Beispielsweise kann das Substrat 112 aus Silizium ausgebildet sein und die Referenzmembran 126 und die Messmembran 416 können aus Siliziumoxid ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Referenzmembran 146 und die Messmembran 126 aus einem nicht-leitenden Werkstoff ausgebildet. Die Messmembran 126 und die Referenzmembran 146 sind bevorzugt besonders dünn ausgebildet und derart gestaltet, dass sie eine möglichst geringe Wärmeleitung hin zu den außerhalb der jeweiligen Membran 126, 146 liegenden Bereichen des Substrats 112 aufweisen. The device 110 includes a substrate 112 with a first outside 111 and one from the first outside 111 facing away from the second outer side 113 , In and on the substrate 112 are, spaced from each other, a measuring device 120 and a reference device 140 educated. The measuring device 120 has a measuring membrane 126 on which in the first outside 111 of the substrate 112 is trained. The reference device 140 has a reference membrane 146 on which in the outside 111 of the substrate 112 , spaced from the measuring diaphragm 126 , is trained. The measuring membrane 126 and the reference membrane 146 are preferably the same in terms of their geometric, electrical and material-related characteristics. For example, the substrate 112 be formed of silicon and the reference membrane 126 and the measuring membrane 416 may be formed of silicon oxide. Preference is given to the reference membrane 146 and the measuring membrane 126 formed of a non-conductive material. The measuring membrane 126 and the reference membrane 146 are preferably made particularly thin and designed such that they have the lowest possible heat conduction to the outside of the respective membrane 126 . 146 lying areas of the substrate 112 exhibit.

An die Messmembran 126 anliegend ist, von der Messmembran 126 bis an die zweite Außenseite 113 des Substrats 112, eine erste Kaverne 119 ausgebildet, welche auch als Messkaverne bezeichenbar ist. Die Messkaverne 119 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf, wobei eine kleinere der beiden parallelen Seiten des Trapezes durch die Messmembran 126 gebildet wird und eine größere der beiden parallelen Seiten des Trapezes an der zweiten Außenseite 113 des Substrats 112 liegt. An der Referenzmembran 146 ist durch das Substrat 112 hindurch eine zweite Kaverne 139 ausgebildet, welche auch als Referenzkaverne bezeichenbar ist. Die Referenzkaverne 139 reicht von der Referenzmembran 146 bis zu der zweiten Außenseite 113 des Substrats 112. Die Referenzkaverne 139 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf, wobei eine kleinere der beiden parallelen Seiten des Trapezes durch die Referenzmembran 146 gebildet wird und eine größere der beiden parallelen Seiten des Trapezes an der zweiten Außenseite 113 des Substrats 112 liegt. In 2 ist zur Verdeutlichung ein Querschnitt durch das Substrat 112 und die Kavernen 119, 139 innerhalb einer Querschnittsebene Q eingezeichnet. Dazu sind die an der ersten Außenseite 111 des Substrats 112 angeordneten Elemente in 2 teilweise nicht dargestellt. Die nachfolgende 3 zeigt die erste Außenseite 111 vollständig und detaillierter.To the measuring membrane 126 is fitting, from the measuring diaphragm 126 to the second outside 113 of the substrate 112 , a first cavern 119 formed, which is also denominated as a measuring cavern. The measuring cavern 119 has a trapezoidal cross-section, with a smaller of the two parallel sides of the trapezium through the measuring membrane 126 is formed and a larger of the two parallel sides of the trapezium on the second outer side 113 of the substrate 112 lies. At the reference membrane 146 is through the substrate 112 through a second cavern 139 trained, which can also be designated as a reference cavern. The reference cavern 139 ranges from the reference membrane 146 up to the second outside 113 of the substrate 112 , The reference cavern 139 has a trapezoidal cross-section, with a smaller of the two parallel sides of the trapezoid through the reference membrane 146 is formed and a larger of the two parallel sides of the trapezium on the second outer side 113 of the substrate 112 lies. In 2 is for clarity a cross section through the substrate 112 and the caverns 119 . 139 drawn within a cross-sectional plane Q. These are on the first outside 111 of the substrate 112 arranged elements in 2 partially not shown. The following 3 shows the first outside 111 complete and detailed.

Die Messkaverne 119 ist dazu ausgelegt, dass das zu detektierende Fluid 1, z.B. ein Gas, in die Messkaverne 119 an die Messmembran 126 geleitet wird, insbesondere durch eine Öffnung der Messkaverne 119 an der zweiten Außenseite 113 des Substrats 112. Die Referenzkaverne 139 ist dazu ausgelegt, dass in die Referenzkaverne 139 an die Referenzmembran 146 nicht das zu detektierende Gas 1, sondern entweder Umgebungsluft, ein Referenzfluid 2 wie Wasser, Wasserstoff oder Stickstoff oder Vakuum geleitet bzw. darin ausgebildet wird. Dasselbe oder ein anderes Referenzfluid 2 oder Vakuum kann auch an die Messmembran 126 und/oder die Referenzmembran 146 an der ersten Außenseite 111 des Substrats 112 vorgesehen sein.The measuring cavern 119 is designed so that the fluid to be detected 1 , eg a gas, into the measuring cavern 119 to the measuring membrane 126 is passed, in particular through an opening of the measuring cavern 119 on the second outside 113 of the substrate 112 , The reference cavern 139 is designed to be in the reference cavern 139 to the reference membrane 146 not the gas to be detected 1 but either ambient air, a reference fluid 2 as water, hydrogen or nitrogen or vacuum is passed or formed therein. Same or different reference fluid 2 or vacuum can also be applied to the measuring diaphragm 126 and / or the reference membrane 146 on the first outside 111 of the substrate 112 be provided.

An der ersten Außenseite 111 des Substrats 112 ist an der Messmembran 126 eine erste Heizeinrichtung 124 ausgebildet, welche zwei mäanderförmig ineinander verschlungene elektrische Heizwiderstände aufweist, wie im Folgenden in Bezug auf die 3 und 4 näher beschrieben. Mittels der ersten Heizeinrichtung 124 ist Wärme an die Messmembran 126 abgebbar, indem ein erster elektrischer Strom IH1, ein so genannter Heizstrom, in die erste Heizeinrichtung 124 eingespeist wird bzw. an die Heizeinrichtung 124 angelegt wird. An der ersten Außenseite 111 des Substrats 112 ist an der Referenzmembran 146 eine zweite Heizeinrichtung 144 ausgebildet, welche zwei mäanderförmig ineinander verschlungene elektrische Heizwiderstände aufweist, wie im Folgenden in Bezug auf die 3 und 4 näher beschrieben. Mittels der zweiten Heizeinrichtung 144 ist Wärme an die Referenzmembran 146 abgebbar, indem ein zweiter elektrischer Strom IH2 in die zweite Heizeinrichtung 144 eingespeist wird.At the first outside 111 of the substrate 112 is on the measuring membrane 126 a first heating device 124 formed, which has two meandering intertwined electrical heating resistors, as in the following with respect to the 3 and 4 described in more detail. By means of the first heating device 124 is heat to the measuring membrane 126 can be emitted by a first electric current IH1, a so-called heating current, in the first heater 124 is fed or to the heater 124 is created. At the first outside 111 of the substrate 112 is at the reference membrane 146 a second heater 144 formed, which has two meandering intertwined electrical heating resistors, as in the following with respect to the 3 and 4 described in more detail. By means of the second heating device 144 is heat to the reference membrane 146 deliverable by a second electric current IH2 in the second heater 144 is fed.

3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung 110 gemäß 2 und verdeutlicht die physische Anordnung der Elemente der Vorrichtung 110 an der ersten Außenseite 111 des Substrats 112. Grob hufeisenförmig um die erste Heizeinrichtung 124 und die zweite Heizeinrichtung 144 ist eine Temperaturfühleinrichtung 160 der Vorrichtung 110 als Leiterbahn auf der ersten Außenseite 111 ausgebildet. Als Teil dieser Leiterbahn umfasst die Temperaturfühleinrichtung 160 einen ersten Temperaturmessbereich 161 und einen zweiten Temperaturmessbereich 162, in welchem die Leiterbahn jeweils mehrfach mäandert. Die Temperaturfühleinrichtung 160 ist an jeweils einer Seite elektrisch über einen ersten Anschluss 91 und einen zweiten Anschluss 92 auf der Außenseite 111 kontaktierbar. Durch Anlegen einer bekannten Spannung oder eines bekannten Stroms iRchp zwischen den Anschlüssen 91, 92 kann basierend auf einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand der Temperaturfühleinrichtung 160, insbesondere der Temperaturmessbereiche 161, 162 durch Messen der resultierenden Spannung URchp bzw. des resultierenden Stroms eine Temperatur der Temperaturfühleinrichtung 160 gemessen werden, welche eine Temperatur Tchp des Substrats 112 indiziert. 3 shows a schematic plan view of the device 110 according to 2 and illustrates the physical arrangement of the elements of the device 110 on the first outside 111 of the substrate 112 , Coarse horseshoe shape around the first heater 124 and the second heater 144 is a temperature sensing device 160 the device 110 as a trace on the first outside 111 educated. As part of this track, the temperature sensing device includes 160 a first temperature measuring range 161 and a second temperature measuring range 162 , in which the track meanders more than once. The temperature sensing device 160 is electrically connected on one side via a first connection 91 and a second connection 92 on the outside 111 contactable. By applying a known voltage or current iRchp between the terminals 91 . 92 may be based on a temperature-dependent electrical resistance of the temperature sensing device 160 , in particular the temperature measuring ranges 161 . 162 by measuring the resulting voltage URchp or the resulting current, a temperature of the temperature sensing device 160 be measured, which is a temperature Tchp of the substrate 112 indexed.

Die erste Heizeinrichtung 124 weist einen ersten Mess-Heizwiderstand 181 und einen zweiten Mess-Heizwiderstand 183 auf, welche im Bereich der Messmembran 126 voneinander beabstandet mäanderförmig ineinander eingreifen. Die zweite Heizeinrichtung 144 weist einen ersten Referenz-Heizwiderstand 182 und einen zweiten Referenz-Heizwiderstand 184 auf, welche im Bereich der Referenzmembran 146 voneinander beabstandet mäanderförmig ineinander eingreifen. Der erste Mess-Heizwiderstand 181, der zweite Mess-Heizwiderstand 183, der erste Referenz-Heizwiderstand 182 und/oder der zweite Referenz-Heizwiderstand 184 weisen einen elektrischen Widerstand von 2 Kilo-Ohm oder weniger auf, bevorzugt von 1 Kilo-Ohm oder weniger, besonders bevorzugt von 500 Ohm oder weniger, insbesondere von 200 Ohm oder weniger.The first heating device 124 has a first measuring heating resistor 181 and a second measuring heating resistor 183 on, which in the area of the measuring diaphragm 126 spaced from each other meandering intermesh. The second heater 144 has a first reference heating resistor 182 and a second reference heating resistor 184 on which in the region of the reference membrane 146 spaced from each other meandering intermesh. The first measuring heating resistor 181 , the second measuring heating resistor 183 , the first reference heating resistor 182 and / or the second reference heating resistor 184 have an electrical resistance of 2 kilo-ohms or less, preferably 1 kilo-ohms or less, more preferably 500 ohms or less, more preferably 200 ohms or less.

Über einen dritten Anschluss 93 ist der erste elektrische Strom IH1 zu einem ersten Erdanschluss 97 (zum Anschließen an Masse, GND, von Engl. „ground“) durch den ersten Mess-Heizwiderstand 181 und den ersten Referenz-Heizwiderstand 182 bewirkbar, indem eine erste Heizspannung UH1 zwischen dem dritten Anschluss 93 und dem ersten Erdanschluss 97 angelegt wird. Über einen vierten Anschluss 94 ist der zweite elektrische Strom IH2 zu einem zweiten Erdanschluss 98 (zum Anschließen an Masse GND, Engl. „ground“) durch den zweiten Mess-Heizwiderstand 183 und den zweiten Referenz-Heizwiderstand 184 bewirkbar, indem eine zweite Heizspannung UH2 zwischen dem vierten Anschluss 94 und dem zweiten Erdanschluss 98 angelegt wird. About a third connection 93 is the first electric current IH1 to a first ground terminal 97 (for ground connection, GND, from English ground) through the first measuring heating resistor 181 and the first reference heating resistor 182 be effected by a first heating voltage UH1 between the third terminal 93 and the first ground connection 97 is created. About a fourth connection 94 is the second electric current IH2 to a second ground terminal 98 (for ground connection GND, Engl. "ground") through the second measuring heating resistor 183 and the second reference heating resistor 184 be effected by a second heating voltage UH2 between the fourth terminal 94 and the second ground connection 98 is created.

Bevorzugt werden der erste und der zweite elektrische Strom IH1, IH2 gegenläufig zueinander angelegt. Mit anderen Worten werden der erste und der zweite elektrische Strom IH1, IH2 derart an den dritten und den vierten Anschluss 93, 94 angelegt, dass in technischer Stromrichtung des ersten elektrischen Stroms IH1 der erste Mess-Heizwiderstand 181 vor dem ersten Referenz-Heizwiderstand 182 angeordnet ist, und dass in technischer Stromrichtung des zweiten elektrischen Stroms IH2 der zweite Mess-Heizwiderstand 183 nach dem zweiten Referenz-Heizwiderstand 184 angeordnet ist.Preferably, the first and second electric currents IH1, IH2 are applied in opposite directions. In other words, the first and second electric currents IH1, IH2 are applied to the third and fourth connection 93 . 94 created that in the technical direction of the first electric current IH1 the first measuring heating resistor 181 before the first reference heating resistor 182 is arranged, and that in the technical current direction of the second electric current IH2, the second measuring heating resistor 183 after the second reference heating resistor 184 is arranged.

An einem fünften Anschluss 95 ist ein erstes elektrisches Brückenpotenzial Ubr1, in Reihe zwischen dem ersten Mess-Heizwiderstand 181 und dem ersten Referenz-Heizwiderstand 182, abgreifbar. An einem sechsten Anschluss 96 ist ein zweites elektrisches Brückenpotenzial Ubr2, in Reihe zwischen dem zweiten Mess-Heizwiderstand 183 und dem zweiten Referenz-Heizwiderstand 184, abgreifbar. Die Brückenpotenziale Ubr1, Ubr2, insbesondere deren Differenz Ubr2 – Ubr1, können beispielsweise in einer Brückenschaltung verwendet und ausgewertet werden, etwa wie im Folgenden näher beschrieben.At a fifth port 95 is a first electrical bridge potential Ubr1, in series between the first measuring heating resistor 181 and the first reference heating resistor 182 , accessible. At a sixth connection 96 is a second electrical bridge potential Ubr2, in series between the second measuring heating resistor 183 and the second reference heating resistor 184 , accessible. The bridge potentials Ubr1, Ubr2, in particular their difference Ubr2-Ubr1, can be used and evaluated in a bridge circuit, for example as described in more detail below.

Die ersten bis sechsten Anschlüsse 91 bis 96 sowie der erste und der zweite Erdungsanschluss 97, 98 sind zur einfacheren Kontaktierung vorzugsweise an ein- und derselben Kante der Außenseite 111 des Substrats 112 angeordnet. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Heizspannungen UH1, UH2 gleich sind, indem der dritte Anschluss 93 und der vierte Anschluss 94 ineinander integriert ausgebildet sind. Auch der erste und der zweite Erdanschluss 97, 98 können ineinander integriert ausgebildet sein.The first to sixth connections 91 to 96 and the first and second ground connections 97 . 98 are for easier contacting preferably on one and the same edge of the outside 111 of the substrate 112 arranged. Preferably, it may be provided that the heating voltages UH1, UH2 are equal by the third terminal 93 and the fourth connection 94 are formed integrated into each other. Also the first and the second earth connection 97 . 98 can be integrated with each other.

4 zeigt ein schematisches Schaltbild der Vorrichtung 110 aus den 2 und 3, wobei die erste und die zweite Heizspannung UH1, UH2 gleich gewählt sind. 4 kann auch als schematisches Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung interpretiert werden, in welcher der erste Anschluss 93 und der vierte Anschluss 94 ineinander integriert ausgebildet sind und der erste und der zweite Erdanschluss 97, 98 ineinander integriert ausgebildet sind. 4 shows a schematic diagram of the device 110 from the 2 and 3 , wherein the first and the second heating voltage UH1, UH2 are the same. 4 can also be interpreted as a schematic circuit diagram of a device according to another embodiment of the present invention, in which the first terminal 93 and the fourth connection 94 are formed integrated into each other and the first and the second ground terminal 97 . 98 are formed integrated into each other.

Wie in 4 angedeutet, kann mittels der ersten und der zweiten Brückenspannung Ubr1, Ubr2 eine Temperatur Tprb der ersten Heizeinrichtung 124 (und somit auch der Messmembran 126) sowie eine Temperatur Tref der zweiten Heizeinrichtung (144 (und somit auch der Referenzmembran 146) ermittelt werden.As in 4 indicated, by means of the first and the second bridge voltage Ubr1, Ubr2 a temperature Tprb the first heater 124 (and thus also the measuring membrane 126 ) and a temperature Tref the second heater ( 144 (and thus also the reference membrane 146 ) be determined.

Bei der sich aus der oben definierten Verschaltung und der gegenläufigen Durchströmungsrichtung der vier Heizwiderstände 181, 182, 183, 184 ergebenden Brückenschaltung (Wheatstonesche Brücke) sind vorteilhaft alle vier Brückenwiderstände, d.h. alle vier Heizwiderstände 181, 182, 183, 184 mit dem zu messenden Fluid 1 bzw. dem Referenzfluid 2 thermisch in Kontakt. Dadurch kann auf genaue, außerhalb der Messzone angeordnete Referenzwiderstände oder eine Referenzspannungsquelle als Vergleichspotential für eine Halbbrückenmessung verzichtet werden. Die Verwendung von zwei Reihenschaltungen der Heizwiderstände 181, 182, 183, 184 erhöht insgesamt die Messempfindlichkeit (Verdopplung gegenüber Halbbrücke).In the case of the interconnection defined above and the opposite flow direction of the four heating resistors 181 . 182 . 183 . 184 resulting bridge circuit (Wheatstone bridge) are advantageous all four bridge resistors, ie all four heating resistors 181 . 182 . 183 . 184 with the fluid to be measured 1 or the reference fluid 2 thermally in contact. As a result, it is possible to dispense with exact reference resistors arranged outside the measuring zone or a reference voltage source as comparison potential for a half-bridge measurement. The use of two series connections of the heating resistors 181 . 182 . 183 . 184 overall increases the measuring sensitivity (doubling compared to half-bridge).

Die gewählte Verschaltung der vier Heizwiderstände in Kombination mit zwei möglichen Messstellen, nämlich an der Messmembran 126 und der Referenzmembran 146, ermöglicht eine ausschließlich vergleichende Messung des zu detektierenden Fluids 1 gegenüber dem Referenzfluid 2 anstelle des üblichen Vergleichs einer Halbbrücken-Messspannung mit einer Referenzspannung bzw. einer zweiten, außerhalb eines Messelements erzeugten Halbbrückenspannung (beide Halbbrücken ergeben dann zusammen die üblicherweise verwendete Vollbrücke bzw. Wheatstonesche Brücke).The selected interconnection of the four heating resistors in combination with two possible measuring points, namely on the measuring diaphragm 126 and the reference membrane 146 , allows an exclusively comparative measurement of the fluid to be detected 1 opposite the reference fluid 2 instead of the usual comparison of a half-bridge measuring voltage with a reference voltage or a second, generated outside a measuring element half-bridge voltage (both half-bridges together then give the commonly used full bridge or Wheatstone bridge).

Wenn sich das zu detektierende Fluid 1 von dem Referenzfluid 2 (z.B. Luft) im Wesentlichen nur durch eine zusätzliche Gaskomponente (z.B. Wasserstoff) in dem Fluid 1 unterscheidet und ansonsten bzgl. Druck, weiterer Zusammensetzung und Temperatur identisch zu dem Referenzfluid 2 ist, dann geht in das Detektieren lediglich diese Gaskomponente ein, während alle anderen Einflüsse eliminiert werden. Dies führt zusammen mit der gewählten Brückenschaltung und gegenläufigen Durchströmungsrichtung der elektrischen Ströme IH1, IH2 zu einer offsetfreien Messung, was eine einfachere und wesentlich genauere Weiterverarbeitung der analogen Signale an den Anschlüssen 91 bis 96 einschließlich deren Digitalisierung ermöglicht. So kann beispielsweise ein an die erfindungsgemäße Vorrichtung anzuschließender Analog-digital-Wandler bzgl. Bitbreite und Genauigkeit erheblich gröber ausgelegt werden.When the fluid to be detected 1 from the reference fluid 2 (eg, air) substantially only by an additional gas component (eg, hydrogen) in the fluid 1 differs and otherwise with respect to pressure, further composition and temperature identical to the reference fluid 2 is, then only the gas component is involved in the detection while all other influences are eliminated. This leads, together with the selected bridge circuit and countercurrent through-flow direction of the electrical currents IH1, IH2, to an offset-free measurement, which results in simpler and significantly more accurate further processing of the analog signals at the terminals 91 to 96 including their digitization. Thus, for example, an analog-to-digital converter to be connected to the device according to the invention can be made considerably coarser in terms of bit width and accuracy.

Das Wirkprinzip der Vorrichtung 110 kann folgendermaßen beschrieben werden: Die beiden in unterschiedlichen Brückenzweigen der Brückenschaltung angeordneten Mess-Heizwiderstände 181, 183 heizen gemeinsam das zu detektierende Fluid 1 an der Messmembran 126 lokal auf die Temperatur Tprb auf. Entsprechend heizen die Referenz-Heizwiderstände 182, 184 das Referenzfluid 2 an der Referenzmembran 146 auf die Temperatur Tref auf. Sind Referenz- und zu detektierendes Fluid 1 identisch, dann gilt wegen der identischen Wärmeleitfähigkeit und der Integration beider Membranen 126, 146 auf einem gemeinsamen Substrat 112: Tprb = Tref. The operating principle of the device 110 can be described as follows: The two arranged in different bridge arms of the bridge circuit measuring heating resistors 181 . 183 together heat the fluid to be detected 1 at the measuring membrane 126 locally to the temperature tprb on. Accordingly, the reference heating resistors heat up 182 . 184 the reference fluid 2 at the reference membrane 146 on the temperature Tref up. Are reference and fluid to be detected 1 identical, then applies because of the identical thermal conductivity and the integration of both membranes 126 . 146 on a common substrate 112 : Tprb = Tref.

Nun stellen sich Wärmeströme Q .prb (von der Messmembran 126 ausgehend) und Q .ref (von der Referenzmembran 146) ausgehend, längs der Membranen 126, 146 und durch die Fluide 1, 2 hindurch verlaufend bis auf den äußeren Bereich der Vorrichtung 110 ein, wo die Temperaturfühleinrichtung 160 angeordnet ist. Diese Wärmeströme ergeben sich gemäß einer Wärmeleitungsgleichung zu Q .prb = P181 + P183 = Lprb·(Tprb – Tchp) und Q .ref = P182 + P184 = Lref·(Tref – Tchp), wobei P181 = IH1²/R1prb, P183 = IH2²/R2prb, P182 = IH1²/R1ref und P184 = IH2²/R2ref die Heizleistungen an den zugehörigen Heizwiderständen 181, 182, 183, 184 sind, mit den jeweils zugehörigen Ohm‘schen Widerstandswerten: R1prb für den ersten Mess-Heizwiderstand 181, R2prb für den zweiten Mess-Heizwiderstand 183, R1ref für den ersten Referenz-Heizwiderstand 182 und R2ref für den zweiten Referenz-Heizwiderstand 184. Lprb und Lref in den obigen Gleichungen sind hingegen Proportionalitäts-„Konstanten“, in die Geometriefaktoren des Aufbaus der Vorrichtung 110 und die Wärmeleitfähigkeiten der beteiligten Stoffe (Membrane 126, 146 und Fluide 1, 2) eingehen. Die Proportionalitäts-„Konstante“ Lprb hängt letztendlich von der Zusammensetzung des zu detektierenden Fluids 1 ab.Now heat flows Q .prb (from the measuring membrane 126 starting) and Q.ref (from the reference membrane 146 ), along the membranes 126 . 146 and through the fluids 1 . 2 passing through to the outer area of the device 110 one where the temperature sensing device 160 is arranged. These heat flows arise according to a heat equation Q.prb = P181 + P183 = Lprb * (Tprb - Tchp) and Q.ref = P182 + P184 = Lref * (Tref - Tchp), where P181 = IH1 ² / R1prb, P183 = IH2 ² / R2prb, P182 = IH1 ² / R1ref and P184 = IH2 ² / R2ref the heat outputs at the associated heating resistors 181 . 182 . 183 . 184 with the respectively associated ohmic resistance values: R1prb for the first measuring heating resistor 181 , R2prb for the second measuring heating resistor 183 , R1ref for the first reference heating resistor 182 and R2ref for the second reference heating resistor 184 , Lprb and Lref in the above equations, on the other hand, are proportionality "constants" in the geometry factors of the device design 110 and the thermal conductivities of the substances involved (Membrane 126 . 146 and fluids 1 . 2 ). The proportionality "constant" Lprb ultimately depends on the composition of the fluid to be detected 1 from.

Die Ohmschen Widerstandswerte R1prb, R2prb, R1ref, R2ref der Heizwiderstände 181, 182, 183, 184 ändern sich mit ihrer Temperatur und die Heizströme IH1, IH2 hängen bei gegebener Heizspannung UH, wobei UH=UH1=UH2, wiederum von diesen Widerstandswerten R1prb, R2prb, R1ref, R2ref, d.h. ebenfalls von deren Temperatur, ab. Andersherum hängen aber die Temperaturen sowohl von der Heizleistung als auch von der gasabhängigen Wärmeleitung ab. Dadurch ergeben sich bei einem (zu messenden) Unterschied zwischen Referenzfluid 2 und zu detektierendem Fluid 1 an den vier Heizwiderständen 181, 182, 183, 184 unterschiedliche Heizleistungen, selbst wenn die Heizwiderstände 181, 182, 183, 184 im stromlosen Zustand gleichdimensioniert sind und eine gemeinsame Heizspannung UH angelegt wird.The ohmic resistance values R1prb, R2prb, R1ref, R2ref of the heating resistors 181 . 182 . 183 . 184 change with their temperature and the heating currents IH1, IH2 depend at a given heating voltage UH, where UH = UH1 = UH2, again from these resistance values R1prb, R2prb, R1ref, R2ref, ie also from their temperature. On the other hand, however, the temperatures depend on both the heat output and the gas-dependent heat conduction. This results in a difference (to be measured) between reference fluid 2 and fluid to be detected 1 at the four heating resistors 181 . 182 . 183 . 184 different heating powers, even if the heating resistors 181 . 182 . 183 . 184 are dimensioned equal in the de-energized state and a common heating voltage UH is applied.

Die in beiden obigen Gleichungen bezüglich der Wärmeströme beschriebene Relation zwischen den von den Heizwiderständen 181, 182, 183, 184 auf den Membranen 126, 146 abgegebenen Wärmeströmen und den Temperaturgefällen zwischen den Membranen 126, 146 und dem Substrat durch das Referenzfluid 2 und das zu detektierende Fluid 1 bzw. die Sensorstruktur hindurch kann zur Bestimmung z.B. einer Gaskonzentration eines Messgases als zu detektierendem Fluid 1 genutzt werden, indem aus der Messung der Brückenspannung Ubr2 – Ubr1 die Temperaturen und Heizleistungen bestimmt, aus den Gleichungen dann Lprb ermittelt und damit wiederum eine Gaskonzentration gemessen wird. The relation between the heating resistances described in the two equations above regarding the heat flows 181 . 182 . 183 . 184 on the membranes 126 . 146 emitted heat flows and the temperature gradient between the membranes 126 . 146 and the substrate through the reference fluid 2 and the fluid to be detected 1 or the sensor structure can be used to determine, for example, a gas concentration of a measurement gas as fluid to be detected 1 can be used by determining the temperatures and heating powers from the measurement of the bridge voltage Ubr2-Ubr1, then from the equations Lprb is determined and in turn a gas concentration is measured.

Als Grundlage für diese Gaskonzentrationsbestimmung kann andersherum die Modellierung der gemessenen Brückenspannung Ubr2 – Ubr1 dienen, siehe 4. Das entsprechende Modell ergibt sich aus der Überlegung, dass die gewählte Heizspannung UH die elektrischen Ströme IH1, IH2 in den Heizwiderständen 181, 182, 183, 184 erzeugt, die dann mit der jeweils abfallenden (von der aktuellen Heiztemperatur abhängenden) Heizspannung UH die resultierenden Heizleistungen P181, P182, P183, P184 erzeugt. Diese Heizleistungen P181, P182, P183, P184 treiben die z.B. von einer Gasmischung in dem zu detektierenden Fluid 1 abhängenden Wärmeströme an, was wiederum gasabhängig zu einer bestimmten Abkühlung bzw. Temperatur der Heizwiderstände 181, 182, 183, 184 führt. On the other hand, the modeling of the measured bridge voltage Ubr2 - Ubr1 can serve as the basis for this gas concentration determination, see 4 , The corresponding model results from the consideration that the selected heating voltage UH the electrical currents IH1, IH2 in the heating resistors 181 . 182 . 183 . 184 generated, which then generates the resulting heating power P181, P182, P183, P184 with the respective falling (depending on the current heating temperature) heating voltage UH. These heating powers P181, P182, P183, P184 drive the example of a gas mixture in the fluid to be detected 1 Dependent heat flows, which in turn depends on the gas to a specific cooling or temperature of the heating resistors 181 . 182 . 183 . 184 leads.

Letztendlich stellt sich in dieser iterativen, kreisförmigen Verkettung ein Gleichgewichtszustand ein, der durch die sich einstellende Brückenspannung charakterisiert ist. Entsprechend wie zuvor beschrieben kann diese eingeschwungene Brückenspannung iterativ etwa mittels der Schaltung gemäß 4 berechnet werden. Zur Auswertung kann eine externe oder interne Auswerteeinrichtung vorgesehen sein, wie in Bezug auf 1 beschrieben. Dazu kann beispielsweise ein Matlab-Code verwendet werden, welcher wie folgt, oder ähnlich, ausgeführt ist:

%Berechnung Brückenspannungen [V] aus Chiptemperatur [°C],
%Heizspannung [V] und H2-Konzentration [Vol%]
function [Ubr1,Ubr2]=messbruecke(Tchp,UH,cH2)

%Heizwiderstände bei RT
RT=25; %Definition Raumtemperatur
R1refRT=174; R1prbRT=174;
R2refRT=164; R2prbRT=164;
TK=2.850e-3; %Temperaturkoeffizient Platin

%empirische Parameter-Anpassung an vorher durchgeführte
%Abgleich-Messung
Lref=0.00047; %Wärmeleitwert Struktur und Ref.-Gas (Luft)
Lprb=0.00047+0.00000285*cH2; %WL Struktur und Messgas

%Start Iteration mit Membrantemperatur=Chiptemperatur
Tref=Tchp; Tprb=Tchp;
Trefprev=-100; Tprbprev=-100;

%Berechnung Messbrücke, Iteration bis Konvergenz erreicht
konv=0.001;
while or(abs(Tref-Trefprev)>konv,...
abs(Tprb-Tprbprev)>konv)

%Zwischenspeichern letzte berechnete Temperaturen,
%um auf Konvergenz zu test (->Schleifenabbruch)
Trefprev=Tref;
Tprbprev=Tprb;

%Berechnung Heizer- bzw. Brückenwiderstände
R1ref=R1refRT*(1+TK*(Tref-RT));
R1prb=R1prbRT*(1+TK*(Tprb-RT));
R2ref=R2refRT*(1+TK*(Tref-RT));
R2prb=R2prbRT*(1+TK*(Tprb-RT));

%Berechnung Brückenspannungen
Ubr1=UH*R2ref/(R2ref+R2prb);
Ubr2=UH*R1prb/(R1prb+R1ref);

%Berechnung elektr. Heizleistungen (=Wärmeströme)
Pref=(UH-Ubr2)^2/R1ref+Ubr1^2/R2ref; %Referenzmembran
Pprb=(UH-Ubr1)^2/R2prb+Ubr2^2/R1prb; %Messmembran

%Berechnung Membrantemperaturen über Wärmeleitungs-GL
Tref=Tchp+Pref/Lref; %Referenzmembran
Tprb=Tchp+Pprb/Lprb; %Messmembran
end;Finally, in this iterative, circular chaining, an equilibrium state is established, which is characterized by the resulting bridge voltage. Accordingly, as described above, this steady-state bridge voltage can iteratively approximately by means of the circuit according to 4 be calculated. For evaluation, an external or internal evaluation device may be provided, as with respect to 1 described. For this purpose, for example, a Matlab code can be used, which is carried out as follows or similar:

% Calculation of bridge voltages [V] from chip temperature [° C],
% Heating voltage [V] and H2 concentration [Vol%]
function [Ubr1, Ubr2] = measuring bridge (Tchp, UH, cH2)

% Heating resistors at RT
RT = 25; % Definition Room temperature
R1refRT = 174; R1prbRT = 174;
R2refRT = 164; R2prbRT = 164;
TK = 2.850e-3; % Temperature coefficient platinum

% empirical parameter adjustment to previously performed
% Balance measurement
Lref = 0.00047; % Thermal conductivity structure and ref. Gas (air)
Lprb = 0.00047 + 0.00000285 * cH2; % WL structure and sample gas

% Start iteration with membrane temperature = chip temperature
Tref = TCHP; TPRB = TCHP;
Trefprev = -100; Tprbprev = -100;

% Calculation bridge, iteration until convergence reached
conv = 0.001;
while or (abs (Tref-Trefprev)> conv ...
abs (TPRB-Tprbprev)> conv)

% Caching last calculated temperatures,
% to test for convergence (-> loop abort)
Trefprev = Tref;
Tprbprev = TPRB;

% Calculation of heater or bridge resistances
R1ref = R1refRT * (1 + TK * (Tref-RT));
R1prb = R1prbRT * (1 + TK * (TPRB-RT));
R2ref = R2refRT * (1 + TK * (Tref-RT));
R2prb = R2prbRT * (1 + TK * (TPRB-RT));

% Calculation of bridge voltages
UBR1 = UH * R2ref / (R2ref R2prb +);
Ubr2 = UH * R1prb / (R1prb R1ref +);

% Calculation electr. Heating capacities (= heat flows)
Pref = (UH-Ubr2) ^ 2 / R1ref UBR1 + ^ 2 / R2ref; % Reference membrane
PpRB = (UH-UBR1) ^ 2 / R2prb Ubr2 + ^ 2 / R1prb; % Measuring diaphragm

% Calculation of membrane temperatures via heat conduction GL
Tref = Pref + TCHP / Lref; % Reference membrane
TPRB = TCHP + ppRB / Lprb; % Measuring diaphragm
end;

Statt des hier dargestellten Matlab-Codes oder eines vergleichbaren Codes in einer anderen Programmiersprache kann die Modellierung alternativ auch auf andere Weise erfolgen, z.B. durch Näherungsformeln oder mit Hilfe von empirisch ermittelten Kennfeldern oder wiederum alternativ mit Hilfe von Tools zur Schaltungs- bzw. Netzwerkanalyse, beispielsweise mittels einer Beschreibung in SPICE.Alternatively, instead of the Matlab code shown here or a comparable code in another programming language, the modeling can be done in other ways, e.g. by means of approximation formulas or with the aid of empirically determined characteristic diagrams or again alternatively with the aid of tools for circuit or network analysis, for example by means of a description in SPICE.

5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahren zum Detektieren eines Fluids gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß 5 ist insbesondere zum Ausführen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere der Vorrichtung 10 oder der Vorrichtung 110 geeignet und ist in Bezug auf alle im Hinblick auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere die Vorrichtung 10 oder die Vorrichtung 110, beschriebenen Weiterbildungen und Modifikationen anpassbar und umgekehrt. 5 FIG. 12 is a schematic flowchart for explaining a method of detecting a fluid according to still another embodiment of the present invention. FIG. The method according to 5 is in particular for carrying out by means of a device according to the invention, in particular the device 10 or the device 110 is suitable and with respect to all with regard to the device according to the invention, in particular the device 10 or the device 110 , described developments and modifications adaptable and vice versa.

In einem Schritt S01 wird ein zu detektierendes Fluid 1 an eine Messmembran 26; 126 einer an und/oder in einem Substrat 12; 112 angeordneten Messeinrichtung 20; 120 geleitet. In einem Schritt S02 wird an die Messmembran 26; 126 mittels eines ersten Mess-Heizwiderstands 81; 181 und eines zweiten Mess-Heizwiderstands 83; 183 einer an der Messmembran 26; 126 angeordneten ersten Heizeinrichtung 24, 124 Wärme abgegeben. In einem Schritt S03 wird an eine Referenzmembran 46; 146 einer an und/oder in dem Substrat 12; 112 angeordneten Referenzeinrichtung 40; 140 mittels eines ersten Referenz-Heizwiderstands 82; 182 und eines zweiten Referenz-Heizwiderstands 84; 184 einer an der Referenzmembran 46; 146 angeordneten zweiten Heizeinrichtung 44; 144 Wärme abgegeben. Der erste Mess-Heizwiderstand 81; 181 und der erste Referenz-Heizwiderstand 82; 182 sind in Reihe geschaltet. Der zweite Mess-Heizwiderstand 83; 183 und der zweite Referenz-Heizwiderstand 84; 184 sind in Reihe geschaltet.In a step S01, a fluid to be detected is detected 1 to a measuring membrane 26 ; 126 one on and / or one substrate 12 ; 112 arranged measuring device 20 ; 120 directed. In a step S02 is applied to the measuring diaphragm 26 ; 126 by means of a first measuring heating resistor 81 ; 181 and a second measuring heating resistor 83 ; 183 one on the measuring membrane 26 ; 126 arranged first heater 24 . 124 Given off heat. In a step S03 is applied to a reference membrane 46 ; 146 one on and / or in the substrate 12 ; 112 arranged reference device 40 ; 140 by means of a first reference heating resistor 82 ; 182 and a second reference heating resistor 84 ; 184 one on the reference membrane 46 ; 146 arranged second heating device 44 ; 144 Given off heat. The first measuring heating resistor 81 ; 181 and the first reference heating resistor 82 ; 182 are connected in series. The second measuring heating resistor 83 ; 183 and the second reference heating resistor 84 ; 184 are connected in series.

In einem Schritt S04 wird mittels einer Temperaturfühleinrichtung 60; 160, welche beabstandet von der Messmembran 26; 126 und beabstandet von der Referenzmembran 46; 146 an dem Substrat 12; 112 angeordnet ist, eine Temperatur Tchp des Substrats 12; 112 gemessen. In einem Schritt S05 wird basierend auf der an die Messmembran 26; 126 und/oder der an die Referenzmembran 46; 146 abgegebenen Wärme und basierend auf der gemessenen Temperatur Tchp des Substrats 12; 112 das zu detektierende Fluid 1 detektiert.In a step S04 is by means of a temperature sensing device 60 ; 160 which is spaced from the measuring diaphragm 26 ; 126 and spaced from the reference membrane 46 ; 146 on the substrate 12 ; 112 is arranged, a temperature Tchp of the substrate 12 ; 112 measured. In a step S05, based on the to the measuring diaphragm 26 ; 126 and / or to the reference membrane 46 ; 146 emitted heat and based on the measured temperature Tchp of the substrate 12 ; 112 the fluid to be detected 1 detected.

Optional können, wie im Vorangehenden beschrieben, weitere Größen wie etwa Temperaturen Tref, Tprb der Membranen 26, 46; 126; 146 und/oder die Brückenspannung Ubr2 – Ubr1 bestimmt und für das Detektieren des Fluids 1 verwendet werden.Optionally, as described above, other quantities such as temperatures Tref, Tprb of the membranes 26 . 46 ; 126 ; 146 and / or the bridge voltage Ubr2-Ubr1 and for detecting the fluid 1 be used.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4244224 A1 [0003]

Claims

Micromechanical device ( 10 ; 110 ) for detecting a fluid ( 1 ), comprising: a substrate ( 12 ; 112 ); one on and / or in the substrate ( 12 ; 112 ) trained measuring device ( 20 ; 120 ) with a measuring membrane ( 26 ; 126 ) to which a fluid to be detected ( 1 ) is conductive, and with a on the measuring membrane ( 26 ; 126 ) arranged first heating device ( 24 ; 124 ) which is designed to transfer heat to the measuring membrane ( 26 ; 126 ) the first heating device ( 24 ; 124 ) a first measuring heating resistor ( 81 ; 181 ) and a second measuring heating resistor ( 83 ; 183 ) having; one on and / or in the substrate ( 12 ; 112 ) trained reference device ( 40 ; 140 ) with a reference membrane ( 46 ; 146 ), as well as one at the reference membrane ( 46 ; 146 ) arranged second heating device ( 44 ; 144 ) which is designed to apply heat to the reference membrane ( 46 ; 146 ) the second heating device ( 44 ; 144 ) a first reference heating resistor ( 82 ; 182 ) and a second reference heating resistor ( 84 ; 184 ) having; wherein the first measuring heating resistor ( 81 ; 181 ) and the first reference heating resistor ( 82 ; 182 ) are connected in series; wherein the second measuring heating resistor ( 83 ; 183 ) and the second reference heating resistor ( 84 ; 184 ) are connected in series; and a temperature sensing device ( 60 ; 160 ), for measuring a temperature (Tchp) of the substrate ( 12 ; 112 ), spaced from the measuring membrane ( 26 ; 126 ) and spaced from the reference membrane ( 46 ; 146 ) on the substrate ( 12 ; 112 ) is arranged.

Contraption ( 110 ) according to claim 1, wherein the first measuring heating resistor ( 81 ; 181 ) and the first reference heating resistor ( 82 ; 182 ) are formed as electrical conduction paths with spaced, intermeshing meander shapes; and / or wherein the second measuring heating resistor ( 83 ; 183 ) and the second reference heating resistor ( 84 ; 184 ) are formed as electrical paths with spaced, intermeshing meander shapes.

Contraption ( 10 ; 110 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the first measuring heating resistor ( 81 ; 181 ), the second measuring heating resistor ( 83 ; 183 ), the first reference heating resistor ( 82 ; 182 ) and / or the second reference heating resistor ( 84 ; 184 ) has an electrical resistance of 2 kilo-ohms or less.

Contraption ( 10 ; 110 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the measuring device ( 20 ; 120 ) and the reference device ( 40 ; 140 ) with respect to their geometric, their electrical and / or their material-related characteristics are the same.

Contraption ( 110 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the temperature sensing device ( 160 ) on a second outer side ( 113 ) of the substrate ( 112 ) is formed, which from the first outer side ( 111 ) of the substrate ( 112 ) is turned away.

Contraption ( 110 ) according to one of claims 1 to 5, wherein at the measuring membrane ( 126 ) and / or at the reference membrane ( 146 ) on the first outer side ( 111 ) of the substrate ( 112 ) a reference fluid ( 2 ) or a vacuum is arranged.

Contraption ( 110 ) according to one of claims 1 to 6, wherein at one of the first outer side ( 111 ) of the substrate ( 112 ) facing away from the surface of the reference membrane ( 146 ) a reference fluid ( 2 ) or a vacuum is arranged.

Method for detecting a fluid, comprising the steps of: conducting (S01) a fluid to be detected (S01) 1 ) to a measuring membrane ( 26 ; 126 ) on and / or in a substrate ( 12 ; 112 ) trained measuring device ( 20 ; 120 ); Discharging (S02) heat to the measuring membrane ( 26 ; 126 ) by means of a first measuring heating resistor ( 81 ; 181 ) and a second measuring heating resistor ( 83 ; 183 ) one at the measuring membrane ( 26 ; 126 ) arranged first heating device ( 20 ; 120 ); Discharging (S03) heat to a reference membrane ( 46 ; 146 ) on and / or in the substrate ( 12 ; 112 ) trained reference device ( 40 ; 140 ) by means of a first reference heating resistor ( 82 ; 182 ) and a second reference heating resistor ( 84 ; 184 ) one at the reference membrane ( 46 . 146 ) arranged second heating device ( 44 ; 144 ); wherein the first measuring heating resistor ( 81 ; 181 ) and the first reference heating resistor ( 82 ; 182 ) are connected in series; wherein the second measuring heating resistor ( 83 ; 183 ) and the second reference heating resistor ( 84 ; 184 ) are connected in series; Measuring (S04) a temperature (Tchp) of the substrate ( 12 ; 112 ) by means of a temperature sensing device ( 60 ; 160 ) spaced from the measuring membrane ( 26 ; 126 ) and spaced from the reference membrane ( 46 ; 146 ) on or on the substrate ( 12 ; 112 ) is arranged; and detecting (S05) the fluid to be detected (S05) 1 ) based on the to the measuring membrane ( 26 ; 126 ) and / or the on the reference membrane ( 46 ; 146 ) and based on the measured temperature (Tchp) of the substrate ( 12 ; 112 ).

A method according to claim 8, wherein for discharging heat to the measuring membrane ( 26 ; 126 ) and for delivering heat to the reference membrane ( 46 ; 146 ) a first electric current (IH1) in such a way to the first and the second heating device ( 24 . 44 ; 124 . 144 ), that in the technical current direction of the first electrical current (IH1) the first measuring heating resistor ( 81 ; 181 ) in front of the first reference heating resistor ( 82 ; 182 ) is arranged; and wherein a second electric current (IH2) is connected to the first and the second heating device ( 24 . 44 ; 124 . 144 ) is applied, that in the technical flow direction of the second electrical current (IH2) of the second measuring heating resistor ( 83 ; 183 ) after the second reference heating resistor ( 84 ; 184 ) is arranged.

The method of claim 9, wherein the first and second electric currents (IH1, IH2) are applied with the same electric voltage value and / or the same electric current value.