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Die Erfindung betrifft einen Gassensor, der ein keramisches Substrat und wenigstens ein darauf angeordnetes Sensorelement umfasst.
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Eine bekannte Bauform von Gassensoren ist die Anbringung eines Sensorelements auf einem keramischen Substrat, beispielsweise einem Substrat von 5 mm Breite, 50 mm Länge und 0,5 mm Dicke. Das Sensorelement kann als Beschichtung, beispielsweise aus einem Metalloxidmaterial bestehen. Ein weiteres Beispiel ist ein Sensorelement auf Feldeffekttransistorbasis, das separat gefertigt und auf das keramische Substrat aufgeklebt wird. Das Sensorelement wird an einem ersten Ende des Substrats angeordnet. Die elektrische Kontaktierung erfolgt am anderen Ende. Durch den Abstand vom Sensorelement zu den elektrischen Kontakten von 40 mm oder mehr sind die beiden Enden thermisch gut isoliert. Das ermöglicht es, das Sensorelement auf eine für die Funktion als Gassensor vorteilhafte Temperatur von beispielsweise 100 °C oder 300 °C zu heizen. Dabei wird im Wesentlichen nur der Bereich des Gassensors um das Sensorelement heiß.
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Die Beheizung erfolgt dabei typischerweise durch einen elektrischen Widerstandsheizer. Dieser wird in Form einer Beschichtung, beispielsweise aus Platin, auf das Substrat aufgebracht. Für die Funktion des Sensorelements ist es dabei häufig entscheidend, dass die Temperatur möglichst genau einer Soll-Temperatur entspricht. Abweichungen der Temperatur führen zu deutlichen Abweichungen im Sensorsignal und somit zu fehlerhaften Messungen.
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Eine Messung der Temperatur kann über eine 4-Punktmessung eines elektrischen Widerstands erfolgen. Die 4-Punktmessung ist erforderlich, da die temperaturabhängigen Widerstände der Zuleitungen nicht vernachlässigt werden können, ohne zu viel Genauigkeit zu verlieren. Nachteilig daran ist, dass neben den drei oder vier Anschlüssen zur Messung des Widerstands und Beheizung auch wenigstens ein Anschluss für das Sensorelement nötig ist. Bei der geringen Breite des Substrats ist es aber nachteilig, mehr als 4 Anschlüsse auf einer Seite des Substrats zu verwenden. Der Grund dafür liegt in den typischen Betriebsspannungen von 5 V oder 22 V und den geringen Schichtdicken der typischerweise aufgesputterten Schichten für den Heizer. Diese zusammen mit den erforderlichen Widerstandswerten der Heizer machen breite Leiterbahnen nötig. Weiterhin steigen mit der Zahl der Anschlüsse auch die Komplexität und Kosten für Stecker.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Gassensor anzugeben, der eine genaue Messung der Temperatur beim Sensorelement ermöglicht und dabei die o.g. Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gassensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Gassensors.
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Der erfindungsgemäße Gassensor umfasst ein Substrat und wenigstens ein auf dem Substrat angeordnetes Sensorelement zur Detektion eines Gases. Weiterhin umfasst der Gassensor eine auf einer ersten Seite des Substrats aufgebrachte strukturierte erste Schicht und eine auf einer zweiten Seite des Substrats aufgebrachte strukturierte zweite Schicht, wobei die erste und/oder zweite Schicht zur Beheizung des Sensorelements ausgestaltet ist. Die erste und zweite Schicht weisen jeweils einen Zuleitungsbereich und einen Widerstandsbereich auf und das Verhältnis des elektrischen Widerstands von Zuleitungsbereich zu Widerstandsbereich der zweiten Schicht weicht von dem der ersten Schicht um wenigstens 5 % ab.
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Es wird dadurch ein Gassensor geschaffen, bei dem eine genaue Ermittlung der Temperatur des Sensorelements ermöglicht ist. Über die Widerstandswerte der beiden Schichten kann eine Temperatur des Sensorelements, genauer gesagt eine Temperatur eines Heizbereichs der heizenden Schicht, bestimmt werden, bei der störende Einflüsse des elektrischen Widerstands der elektrischen Zuleitungen beseitigt sind. Vorteilhaft ist dazu aber keine 4-Punkt-Messung erforderlich, die die Anzahl der Zuleitungen auf einer Seite des Substrats auf wenigstens vier, mit Sensorelement auf wenigstens fünf anheben würde. Vielmehr werden auf beiden Seiten des Substrats je zwei Anschlüsse verwendet. Damit beträgt die Anzahl der Anschlüsse pro Seite weniger als vier, wenn das Sensorelement mit einem Anschluss auskommt. Damit wird ein Gassensor geschaffen, bei dem auch in beengten Platzverhältnissen eine einfache elektrische Kontaktierung möglich ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Gassensor noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- – Zweckmäßig ist eine Auswerteeinrichtung vorhanden, die ausgestaltet ist, aus Werten, die den Widerstand der ersten und zweiten Schicht repräsentieren, insbesondere angelegte Spannung und fließender Strom, einen Temperaturwert für das Sensorelement zu berechnen, bei dem die durch den Widerstand der Zuleitungen verursachten Messfehler korrigiert sind.
- – Der Gassensor kann auf jeder der Seiten weniger als vier elektrische Kontakte aufweisen. Insbesondere bei kleinen Substraten, wenn beispielsweise die Kontakte nebeneinander auf einer Breite von 5 mm oder weniger angeordnet werden müssen, führt das zu einer deutlichen Vereinfachung.
- – Das Verhältnis des elektrischen Widerstands von Zuleitungsbereich zu Widerstandsbereich der zweiten Schicht kann von dem der ersten Schicht um wenigstens 10 %, insbesondere um wenigstens 50% abweichten. Eine große Abweichung führt zu einer genaueren Berechnung der Temperatur aus den gemessenen Werten.
- – Die Schichten können durchgängig metallisch sein, insbesondere mit dem Hauptbestandteil Platin. Diese Gestaltung ist zweckmäßig für Heizschichten oder Temperaturfühlerschichten. Platin ist ein hochtemperaturstabiles Material.
- – Das Substrat kann ein keramisches Substrat sein, insbesondere mit dem Hauptbestandteil Aluminiumoxid. Alternativ kann das Substrat ein Silizium-Substrat sein oder ein Substrat mit einem Ionenleiter als Hauptbestandteil, beispielsweise Zirkonoxid.
- – Das Substrat kann eine Länge von wenigstens 30 mm und eine Breite von höchstens 10 mm aufweisen, insbesondere eine Breite von höchstens 6 mm. Mit anderen Worten kann das Substrat länglich und stabförmig sein. Diese Substrate sind vorteilhaft, wenn das Sensorelement auf hohe Temperaturen geheizt werden muss, da sie eine gute thermische Isolation des Sensorelements von den elektrischen Kontakten und der mechanischen Aufhängung des Substrats gewährleisten.
- – Die erste und/oder zweite Schicht kann zur Beheizung des Sensorelements auf eine Temperatur von wenigstens 100 °C, insbesondere wenigstens 250 °C ausgebildet sein. Dazu ist eine bestimmte Stromtragfähigkeit der Schicht erforderlich, die durch Dicke und Breite der Leiterbahnen bestimmt wird. Gleichzeitig muss im Bereich des Sensorelements der elektrische Widerstand so hoch ausgelegt werden, dass dort die nötige Heizleistung eingebracht wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Gassensors nach der beschriebenen Art wird eine der Schichten verwendet, um das Sensorelement auf eine gegenüber der Raumtemperatur erhöhte Temperatur zu beheizen, ein Gesamtwiderstand der ersten Schicht bestimmt, ein Gesamtwiderstand der zweiten Schicht bestimmt und aus den Gesamtwiderständen die Temperatur des Sensorelements unter Herausrechnung des Einflusses der Zuleitungen berechnet.
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Bevorzugt wird das Sensorelement auf wenigstens 100 °C, insbesondere wenigstens 250 °C beheizt.
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Bevorzugt wird die Beheizung des Sensorelements unter Verwendung der berechneten Temperatur auf einen Temperatur-Sollwert geregelt.
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Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
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1 die Vorderseite eines ersten Gassensors,
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2 die Rückseite des ersten Gassensors,
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3 die Vorderseite eines zweiten Gassensors,
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4 die Rückseite des zweiten Gassensors.
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1 zeigt die Vorderseite eines ersten Gassensors 10. Der Gassensor 10 umfasst ein keramisches Substrat 11 aus Aluminiumoxid. Das keramische Substrat 11 ist 5 mm breit und 42 mm lang. Auf der Vorderseite ist in einem Sensorbereich 12 ein Sensorelement 13 angeordnet. Das Sensorelement 13 ist in einem Zuleitungsbereich 14 über eine Sensor-Zuleitung 15 mit dem Kontaktierungsende 16 des ersten Gassensors 10 verbunden. Im vorliegenden Beispiel weist das Sensorelement 13 nur eine Sensor-Zuleitung 15 auf. In anderen Ausführungsformen können auch zwei Sensor-Zuleitungen 15 verwendet werden.
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Weiterhin umfasst die Vorderseite des keramischen Substrats 11 eine Temperaturfühlerstruktur 18 im Sensorbereich 12. Die Temperaturfühlerstruktur 18 ist in diesem Beispiel eine um das Sensorelement 12 herumgeführte einfache Leiterschleife. Die beiden Enden der Temperaturfühlerstruktur 18 sind im Zuleitungsbereich 14 über Fühlerzuleitungen 17 mit dem Kontaktierungsende 16 verbunden.
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2 zeigt die Rückseite des ersten Gassensors 10. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Rückseite in einem Sensorbereich 12 ein weiteres Sensorelement 19. In anderen Ausführungsformen kann auch nur die Vorderseite ein Sensorelement 13 umfassen.
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Weiterhin umfasst die Rückseite des keramischen Substrats 11 eine Heizerstruktur 20 im Sensorbereich 12. Die Heizerstruktur 20 ist in diesem Beispiel eine um das weitere Sensorelement 19 herumgeführte einfache Leiterschleife. Die beiden Enden der Heizerstruktur 20 sind im Zuleitungsbereich 14 über Heizerzuleitungen 21 mit dem Kontaktierungsende 16 verbunden.
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Im Betrieb wird die Heizerstruktur 20 verwendet, um den Sensorbereich 12 auf eine für das Sensorelement 13 optimale Temperatur zu heizen, beispielsweise 250 °C. Um diese Temperatur einstellen zu können, kann als wenig genaue Methode der Widerstand des Heizelements selbst bestimmt und ausgewertet werden. Der Widerstand der Heizerstruktur 20 ergibt sich aus der angelegten Spannung und dem sich ergebenden Strom. Ist die Heizerstruktur 20 beispielsweise aus Platin gefertigt, kann über den thermischen Widerstandsverlauf von Platin, der in einer guten Näherung linear mit einem Koeffizienten von 0,0039 / K ist, auf die Temperatur der Heizerstruktur 20 geschlossen werden. Die so bestimmte Temperatur ist aber ungenau, da der elektrische Widerstand der Heizer-Zuleitungen 21 nicht vernachlässigbar gering ist gegenüber dem Widerstand der Heizerstruktur 20 selbst und somit die Temperatur dieser Heizer-Zuleitungen 21 den Gesamtwiderstand beeinflusst. Die Temperatur der Heizer-Zuleitungen ist aber unbekannt und unterliegt noch dazu einem starken Gradienten zum Kontaktende 16 hin.
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Um ein besseres Ergebnis zu erzielen, wird daher die Temperaturfühlerstruktur 18 verwendet. Die Temperaturfühlerstruktur 18 ist im Prinzip gleichartig wie die Heizerstruktur 20 aufgebaut. Bei der Temperaturfühlerstruktur 18 kann daher eine Temperaturbestimmung ebenso vorgenommen werden wie bei der Heizerstruktur 20. Wenn die Temperaturfühlerstruktur 18 nicht zur Beheizung verwendet wird, muss dafür nur kurzzeitig ein geringer Strom eingeprägt werden. Kurzzeitig bedeutet dabei lang genug für eine Messung, aber nicht so lange, dass eine separate ungewollte Beheizung erfolgt, beispielsweise eine Zeitspanne von weniger als oder gleich 10 ms, oder höchstens 50 ms oder höchstens 100 ms. Gering bedeutet dabei, dass ebenfalls, dass die erreichte Beheizung vernachlässigbar ist, beispielsweise eine Leistung von höchstens 1 mW oder höchstens 100 mW. Alternativ können auch Messzeit und Leistung so ausgelegt werden, dass eine Höchstenergie von beispielsweise 1 J oder 10 J in den ersten Gassensor eingebracht wird.
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Bei der Temperaturfühlerstruktur 18 ist die Breite der Fühler-Zuleitungen 17 mit 1 mm geringer als bei den Heizer-Zuleitungen 21 mit 2 mm und die Breite der Leiterbahn der Temperaturfühlerstruktur 18 mit 0,3 mm größer als die Leiterbahnbreite der Heizerstruktur 20 mit 0,15 mm. Das Verhältnis der sich ergebenden elektrischen Widerstände ist somit deutlich verschieden bei der Temperaturfühlerstruktur 18 und der Heizerstruktur 20 und den jeweiligen Zuleitungen 17, 21.
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Unter der Annahme, dass die Temperatur der Oberseite und der Unterseite gleich sind, lässt sich damit der Anteil der Zuleitungen 17, 21 aus dem Ergebnis de Temperaturbestimmung vorteilhaft herausrechnen. Der elektrische Widerstand beider Gesamtstrukturen ergibt sich zu: R = RZ0·f(TZ) + RH0·f(TH) wobei
- R der Gesamtwiderstand aus Widerstand der Zuleitungen 17, 21;
- RZ0 der Widerstand der Zuleitung 17, 21 bei einer Referenztemperatur;
- f(TZ) die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur TZ;
- TZ die Zuleitungstemperatur;
- f(TH) die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur TH;
- TH die Temperatur der Heizerstruktur 20 bzw. Temperaturfühlerstruktur 18;
sind.
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Die Gesamtwiderstände werden wie vorab beschrieben durch Messung ermittelt. Die Widerstände bei Referenztemperatur müssen vorab gemessen und bekannt sein. Dadurch entstehen zwei Gleichungen für die beiden Gesamtwiderstände. Sind die beiden Gleichungen linear unabhängig, können so die beiden Unbekannten TZ und TH bestimmt werden. Hierbei ist die Genauigkeit von TH deutlich höher als bei einer Bestimmung nur anhand der Heizerstruktur 20. Die Gleichungen sind linear unabhängig, wenn das Verhältnis RH0/RZ0 bei beiden Strukturen verschieden ist.
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Vorteilhaft sind dazu im Gegensatz zur Verwendung einer 4-Punkt-Messung nur zwei Zuleitungen 17, 21 auf jeder der beiden Seiten nötig. Zusammen mit einer einzigen Sensor-Zuleitung 15 lässt sich so der ganze Gassensor 10 aufbauen, wobei auf einer Seite drei und auf der anderen Seite nur zwei Kontakte verwendet werden, was sich günstig auf die Komplexität und Kosten des Aufbaus auswirkt.
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Beim ersten Gassensor wird nur mit der Heizerstruktur 20 geheizt, während die Temperaturfühlerstruktur 18 nur zur Messung der Temperatur verwendet wird. Hierdurch entsteht zwar ein leichter Temperaturgradient zwischen beiden Strukturen. Dafür wird der Aufbau einfacher, da nur einer der Schaltkreise zur Ansteuerung der Strukturen für die hohen Ströme ausgelegt werden muss, die zur Beheizung nötig sind.
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Die 3 und 4 zeigen Vorder- und Rückseite eines zweiten Gassensors 22, der ähnlich wie der erste Gassensor 10 aufgebaut ist. Der zweite Gassensor 22 weist wie der erste Gassensor 10 zwei Sensorelemente 13, 19 auf und jeweils eine entsprechende Sensor-Zuleitung 15. Auf der Rückseite weist der zweite Gassensor 22 ebenfalls die Heizerstruktur 20 auf.
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Im Gegensatz zum ersten Gassensor 10 weist die Vorderseite des zweiten Gassensors 22 jedoch eine weitere Heizerstruktur 25 auf mit entsprechenden weiteren Zuleitungen 26. Bei diesem Gassensor 22 werden beide Heizerstrukturen 20, 25 zum Beheizen des Gassensors 22 verwendet. Dadurch wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht, gleichzeitig aber genauso eine genaue Temperaturbestimmung ermöglicht.
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Um die Beheizung auf den Sensorbereich 12 zu konzentrieren, sind die Zuleitungen dabei möglichst breit gestaltet, in diesem Beispiel jeweils 2 mm. Die Leiterbahnen der Heizerstrukturen 20, 25 wiederum sind möglichst schmal gestaltet. Um eine genaue Temperaturbestimmung durchführen zu können, müssen daher die Leiterbahnen der Heizerstrukturen 20, 25 unterschiedlich breit oder lang sein. Im vorliegenden Beispiel ist die Leiterbahn der weiteren Heizerstruktur 25 ca. 0,5 mm breit, während die Breite der Leiterbahn der Heizerstruktur 20 wie beim ersten Gassensor 10 ca. 0,15 mm beträgt.
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Eine Auswertung der elektrischen Widerstände der Heizerstrukturen 20, 25 und der jeweiligen Zuleitungen 21, 26 kann daher wie beim ersten Gassensor 10 verwendet werden, um die genaue Temperatur der Heizerstruktur 20 und/oder der weiteren Heizerstruktur 25 zu bestimmen.
