DE102016223834A1

DE102016223834A1 - Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in mindestens einem Messraum

Info

Publication number: DE102016223834A1
Application number: DE102016223834.5A
Authority: DE
Inventors: Uwe Konzelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-05-30
Also published as: US20180149630A1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums (114) in mindestens einem Messraum (116), insbesondere zur Erfassung eines H-Anteils in einem Messgas (118), vorgeschlagen. Das Sensorelement (110) umfasst einen Referenzraum (120) und eine Messmembran (122), wobei die Messmembran (122) den Referenzraum (120) von dem Messraum (116) trennt, wobei die Messmembran (122) durch mindestens ein Heizelement (124) zumindest teilweise beheizbar ist. Weiterhin weist das Sensorelement (110) mindestens einen Kanal (126) auf, wobei der Referenzraum (120) durch den Kanal (126) mit mindestens einem fluiden Referenzmedium (128) beaufschlagbar ist.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige Eigenschaften eines gasförmigen oder flüssigen fluiden Mediums handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensorelemente zur Erfassung eines Gases, insbesondere eines H₂-Anteils in einem Messgas, beschrieben.
Sensorelemente der hier beschriebenen Art finden Anwendung in einer Vielzahl von Gebieten, beispielsweise in der Automobiltechnik, der Verfahrenstechnik, der Chemie und dem Maschinenbau, insbesondere zur Bestimmung von Gaskonzentrationen. So spielt beispielsweise die Bestimmung von Wasserstoffkonzentrationen, beispielsweise in einem Luft-Wasserstoff-Gemisch, bei der Anwendung von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Systemen eine große Rolle. Hierbei sind auch sicherheitsrelevante Anwendungen zu nennen. Ein Luft-Wasserstoff-Gemisch wird etwa bei einem Wasserstoffanteil von 4 % zündungsfähig. Sensorelemente zur Erfassung von Wasserstoff können beispielsweise in Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen zum Einsatz kommen, um beispielsweise aufgrund von Beschädigung oder Defekt austretenden Wasserstoff zu detektieren und, durch eine Kopplung an entsprechende Systeme, Warnsignale und/oder Schutzmaßnahmen auszulösen.
Ein Prinzip zur Erfassung eines fluiden Mediums in einem Messgemisch fluider Medien beruht auf der unterschiedlichen Wärmekapazität und/oder Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher fluider Medien, insbesondere unterschiedlicher Komponenten eines Messgemisches fluider Medien, und ist beispielsweise in M. Arndt „Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications“, Sensors, 2002 IEEE, beschrieben. So besitzt beispielsweise Wasserstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Gaskomponenten der Luft. Eine beheizbare Messmembran kann in Kontakt mit dem Messgemisch fluider Medien stehen. Die Wärmeabgabe der Membran an das Messgemisch fluider Medien kann beispielswiese über die Messung der Temperatur der beheizten Messmembran oder beispielsweise über eine Messung der Heizleistung bei vorgegebener Temperatur bestimmt werden. Je nach Zusammensetzung des Messgemisches fluider Medien ändert sich dessen Wärmeleitung und ermöglicht bei entsprechender Kalibrierung die Detektion von Wasserstoff im Messgas.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Insbesondere spielt die Robustheit des Sensorelements bei Messungen unter Überdruck, beispielsweise bei Drücken von über einer Atmosphäre, eine große Rolle. Insbesondere ist die Messmembran in der Regel nicht in der Lage, einem Überdruck standzuhalten, und wird bei Messungen unter Überdruck häufig zerstört.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum zumindest weitgehend vermeidet, und das insbesondere eine gegenüber dem Stand der Technik höhere Robustheit gegen Überdruck aufweist.
Unter einem Sensorelement wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche die mindestens eine Eigenschaft des fluiden Mediums erfassen kann und welche beispielsweise mindestens ein Messsignal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, beispielsweise ein elektrisches Messsignal wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Bei der Eigenschaft kann es sich beispielsweise um eine physikalische und/oder eine chemische Eigenschaft handeln. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Insbesondere kann das Sensorelement ausgestaltet sein zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases, insbesondere eines H₂-Anteils in einem Messgas. Auch andere Eigenschaften und/oder Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.
Das Sensorelement kann insbesondere zum Einsatz in einem Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug eingerichtet sein. Bei dem Messraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen, offenen oder geschlossenen, Raum handeln, in welchem das fluide Medium, insbesondere das Messgas, aufgenommen ist, und/oder welcher von dem fluiden Medium, insbesondere dem Messgas, durchströmt wird.
Das Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in mindestens einem Messraum, insbesondere zur Erfassung eines H₂-Anteils in einem Messgas, umfasst einen Referenzraum und eine Messmembran. Die Messmembran trennt den Referenzraum von dem Messraum und ist durch mindestens ein Heizelement zumindest teilweise beheizbar. Das Sensorelement weist weiterhin mindestens einen Kanal auf. Der Referenzraum ist durch den Kanal mit mindestens einem fluiden Referenzmedium beaufschlagbar.
Unter einem Referenzraum wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger, offener oder geschlossener, Raum verstanden, welcher von dem Messraum abgegrenzt ist. Unter einer Messmembran wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Trennschicht verstanden, welche zwei Räume voneinander abgrenzen kann, und die vorzugsweise derart ausgestaltet ist, beispielsweise bezüglich eines Material und/oder einer Schichtdicke, dass ein zumindest teilweises Beheizen einer ersten Seite der Trennschicht zu einer zumindest teilweisen Erwärmung einer zweiten Seite der Trennschicht führt. Unter einem Kanal wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Verbindung, beispielsweise ein röhrenförmiger Durchgang, verstanden, welche zwei Räume miteinander verknüpft, insbesondere derart, dass ein Austausch fluider Medien, insbesondere ein Austausch von Gasen, zwischen den zwei Räumen ermöglicht wird. Unter einem fluiden Referenzmedium wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges fluides Medium verstanden, welches vorzugsweise von dem Messgas unabhängig ist und beispielsweise eine bekannte Zusammensetzung und/oder eine bekannte Eigenschaft aufweist, so dass dieses Referenzmedium für eine Referenzmessung herangezogen werden. Das Referenzmedium kann insbesondere ganz oder teilweise in dem Referenzraum aufgenommen sein.
Das Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um einen H₂-Anteil in einem Messgas, insbesondere einem Brenngas in einer Brennstoffzelle, zu erfassen. Das Sensorelement weist mindestens ein Heizelement auf und kann weiterhin mindestens einen Temperaturfühler aufweisen. Unter einem Temperaturfühler wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche eingerichtet ist, eine Temperatur zu erfassen und ein Messsignal entsprechend der erfassten Temperatur zu erzeugen. Das Heizelement und der Temperaturfühler können insbesondere in einem Chip integriert sein. Insbesondere kann der Chip in dem Referenzraum angeordnet sein und mit der Messmembran in thermischem Kontakt stehen. Beispielsweise kann der Chip auf der Messmembran aufliegen.
Das Sensorelement kann weiterhin ein den Referenzraum zumindest teilweise umschließendes Gehäuse aufweisen. Unter einem Gehäuse wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Bauteil oder eine Gruppe von Bauteilen verstanden, welche das Sensorelement ganz oder teilweise umschließen und/oder nach außen abschließen und dem Sensorelement eine mechanische Stabilität verleihen können. Insbesondere kann ein Gehäuse mindestens einen Innenraum umschließen. Beispielsweise kann das Gehäuse den Referenzraum zumindest teilweise umschließen und ihn gegen seine Umgebung zumindest teilweise abgrenzen. Das Gehäuse kann insbesondere ganz oder teilweise aus mindestens einem der folgenden Materialien hergestellt sein: einem Halbleitermaterial, einem Kunststoff; einem Metall. Insbesondere kann die Messmembran den Referenzraum gasdicht gegen den Messraum abschließen. Weiterhin kann eine dem Referenzraum zugewandte Seite der Messmembran mindestens ein Schutzelement aufweisen. Insbesondere kann das Schutzelement ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Glas oder aus einer keramischen Beschichtung. Unter einem Schutzelement wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden, welches eingerichtet ist, den Referenzraum und/oder im Referenzraum angeordnete Funktionselemente, beispielsweise im Referenzraum angeordnete Messelemente und/oder Bauteile, zu schützen, insbesondere vor Korrosion, beispielsweise durch den Schutz vor Wasser, insbesondere vor destilliertem Wasser.
Das Sensorelement kann mindestens einen Kappenwafer und mindestens einen Messraumwafer umfassen. Unter einem Kappenwafer ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiger Wafer zu verstehen, der den Referenzraum zumindest teilweise begrenzt. Unter einem Messraumwafer ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Wafer zu verstehen, der den Messraum zumindest teilweise umfasst und/oder zumindest teilweise abgrenzt, insbesondere gegen den Referenzraum. Insbesondere kann der Referenzraum von dem Kappenwafer und dem Messraumwafer gebildet werden. Insbesondere kann der Messraumwafer die Messmembran umfassen. Weiterhin können der Messraumwafer und der Kappenwafer mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silicium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Siliciumcarbid. Ferner kann der Kappenwafer den Kanal zumindest teilweise umfassen. Der Kanal kann einen Schlauch umfassen. Weiterhin kann das Sensorelement einen Elektronikraum umfassen. Insbesondere kann der Elektronikraum mit dem fluiden Referenzmedium beaufschlagbar sein. Insbesondere kann der Kanal den Referenzraum mit dem Elektronikraum verbinden. Insbesondere können, wie oben ausgeführt, der mindestens eine Temperaturfühler und das mindestens eine Heizelement in einem Chip integriert sein. In diesem Fall ist es besonders günstig, wenn der oben genannte Kanal derart in den Referenzraum mündet, dass eine Belüftung durch den Kanal direkt über dem Chip mündet.
Ferner kann die Messmembran einen zentralen Bereich aufweisen. Zumindest der zentrale Bereich der Messmembran kann durch das mindestens eine Heizelement zumindest teilweise beheizbar sein. Unter einem zentralen Bereich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Teilbereich der Messmembran verstanden, welcher in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen Heizelement steht. Weiterhin kann das Sensorelement weitere Funktionselemente, beispielsweise Messelemente und/oder Bauteile, aufweisen, wie beispielsweise mindestens einen Messwiderstand, mindestens eine elektrische Kontaktierung und mindestens eine Leiterbahn. Insbesondere können der Messwiderstand, die elektrische Kontaktierung und die Leiterbahn im Referenzraum angeordnet sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorsystem zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in mindestens einem Messraum vorgeschlagen. Das Sensorsystem umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Sensorelement, also beispielsweise ein Sensorelement gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehrerer der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausführungsformen. Weiterhin umfasst das Sensorsystem mindestens eine Steuerung, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um mittels des Sensorelements die mindestens eine Eigenschaft zu bestimmen. Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um mittels des Sensorelements mindestens eine Wärmeleitfähigkeit des fluiden Mediums zu bestimmen. Weiterhin kann die Steuerung insbesondere eingerichtet sein, um aus der Wärmeleitfähigkeit mindestens einen Anteil mindestens einer Komponente des fluiden Mediums, insbesondere einen Wasserstoffanteil, zu bestimmen. Ferner kann das Sensorsystem eine Druckquelle umfassen. Dabei kann die Druckquelle fluidisch mit dem Kanal verbunden und eingerichtet sein, um den Referenzraum mit dem fluiden Referenzmedium zu beaufschlagen. Dabei kann das fluide Referenzmedium einen Überdruck aufweisen. Unter einem Überdruck wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Druck oberhalb des Normaldrucks verstanden. Insbesondere kann der Überdruck einen Wert von über einer Atmosphäre annehmen. Beispielsweise kann der Überdruck einen Wert von 0 bis 2 bar aufweisen, insbesondere zwischen 0 und 2 bar über Normaldruck. Die Druckquelle kann einen Verdichter aufweisen, insbesondere einen Luftverdichter, und besonders bevorzugt einen Verdichter einer Brennstoffzelle.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle und mindestens ein Sensorsystem. Das Sensorsystem kann eingerichtet sein, um mindestens einen Anteil einer Gaskomponente eines Brenngases in der Brennstoffzelle zu erfassen. Das Sensorsystem kann aber auch außerhalb der Brennstoffzelle angeordnet und eingerichtet sein, um mindestens einen Anteil einer Gaskomponente eines Brenngases außerhalb der Brennstoffzelle zu erfassen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in mindestens einem Messraum, insbesondere zur Erfassung eines H₂-Anteils in einem Messgas vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst eine Verwendung eines Sensorelements, welches einen Referenzraum und einen Messraum umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin ein zumindest teilweises Beheizen der Messmembran durch mindestens ein Heizelement. Das Sensorelement weist einen Kanal auf. Das Verfahren umfasst eine Beaufschlagung des Referenzraums durch den Kanal mit mindestens einem fluiden Referenzmedium. Der Druck des fluiden Referenzmediums kann im Wesentlichen einem Druck des fluiden Mediums, insbesondere des Messgases, entsprechen. Unter dem Begriff „im Wesentlichen“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass zwei Drücke um nicht mehr als 40 %, bevorzugt um nicht mehr als 20 %. Insbesondere können die beiden Drücke auch identisch sein. Insbesondere kann der Druck des fluiden Mediums, insbesondere des Messgases, ein Überdruck sein. Der Überdruck kann einen Wert von 0 bis 1 bar aufweisen, beispielsweise zwischen 0 und 1 bar über Normaldruck. Weiterhin kann das fluide Referenzmedium ein nicht-korrosives fluides Referenzmedium sein, insbesondere ein nicht-korrosives Gas. Insbesondere kann das fluide Referenzmedium eine Ansaugluft nach Verdichtung durch einen Luftverdichter sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in mindestens einem Messraum vorgeschlagen. Das Sensorelement umfasst einen Referenzraum und eine Messmembran. Die Messmembran trennt den Referenzraum von dem Messraum und ist durch mindestens ein Heizelement beheizbar. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle der Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können einer oder mehrere der Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten auch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Die Verfahrensschritte sind:

a) Bereitstellen mindestens eines Kappenwafers und mindestens eines Messraumwafers;
b) Herstellung der Messmembran durch isotrope Membranätzung des Messraumwafers;
c) Herstellung des Messraums durch isotrope Membranätzung des Kappenwafers, wobei bei der isotropen Membranätzung des Kappenwafers in mindestens einer Wand des Kappenwafers mindestens ein Kanal hergestellt wird, wobei der Referenzraum durch den Kanal mit mindestens einem fluiden Referenzmedium beaufschlagbar ist; und
d) Aufsetzen des Kappenwafers auf den Messraumwafer, so dass die Messmembran den Referenzraum von dem Messraum trennt.

Vorteile der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung, das vorgeschlagene Arbeitsverfahren und das vorgeschlagene Herstellungsverfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen, Arbeitsverfahren und Herstellungsverfahren zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere kann mittels der vorliegenden Erfindung die Robustheit des Sensorelements, insbesondere die Robustheit der Messmembran gesteigert werden, insbesondere gegenüber einem Überdruck des fluiden Mediums, insbesondere des Messgases. Bei Überdruck, insbesondere bei Überdruckbetrieb, kann es sein, dass die Messmembran von dem fluiden Medium, insbesondere von dem Messmedium, das unter Überdruck steht, beaufschlagt wird. Auf einer anderen Seite der Messmembran befindet sich der Referenzraum, der in der Regel Atmosphärendruck aufweist. Es kann sein, dass die Messmembran einem Differenzdruck nicht widerstehen kann und zerstört wird. Durch eine Einleitung eines unter Druck stehenden Referenzmediums, insbesondere eines Gases, in die Referenzkammer, beispielsweise auf eine Referenzseite, welche durch den Kanal, insbesondere durch eine Belüftung, mit der Referenzkammer verbunden ist, kann der Differenzdruck reduziert werden.
Dadurch kann es möglich sein, die Lebensdauer des Sensorelements, insbesondere die Lebensdauer der Messmembran, gegenüber dem Stand der Technik zu erhöhen.
Ferner kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das zweite fluide Medium bei einem Wasserstoff-Brennstoffzellensystem der Ansaugluft nach Verdichtung durch den Luftverdichter entnommen werden. Dadurch kann ein Gegendruck im Referenzraum kostengünstig und mit einem nicht-korrosiven Medium aufgebaut werden. Es kann dadurch möglich sein, dass funktionelle Elemente, wie beispielsweise Heizelemente, insbesondere eine Heizung, Messwiderstände und elektrische Kontaktierungen, durch eine Beaufschlagung mit dem Referenzmedium nicht einem korrosiven Medium ausgesetzt werden und vor Korrosion geschützt sein können. Ferner kann es möglich sein, den Kanal, welcher sich in dem Kappenwafer befinden kann, gemeinsam mit der Messmembran, welche sich in dem Messwafer befinden kann, herzustellen, insbesondere in einem Prozessschritt, beispielsweise in einem Prozessschritt mit einer isotropen Membranätzung. Es kann daher möglich sein, das Sensorelement kostengünstig herzustellen. Es ist möglich, dass das vorgeschlagene Sensorelement vielseitig einsetzbar ist. Insbesondere kann es möglich sein, das Sensorelement als Sicherheitssensor einzusetzen, beispielsweise zur Warnung bei H₂-Austritt. Weiterhin kann es möglich sein, dass das Sensorelement als Prozesssteuerungssensor mit Detektion der H₂-Konzentration geeignet ist. Ferner kann es möglich sein, dass das Sensorelement in Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen zum Einsatz kommen kann.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements;
2 Schnittdarstellung eines in 1 verwendeten Kappenwafers; und
3 schematischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Bren nstoffzellensystems.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement 110 in einer Querschnittsansicht. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen in 1 verwendeten Kappenwafer 134 mit Schnittebene senkrecht zur Schnittebene von 1. 3 zeigt eine Übersicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 112. Diese Figuren werden im Folgenden gemeinsam erläutert.
Das Sensorelement 110 kann insbesondere zum Einsatz in einem Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug eingerichtet sein. Auch andere Anwendungen sind jedoch möglich. Das Sensorelement 110 kann insbesondere ein oder mehrere in den Figuren nicht dargestellte, weitere Funktionselemente umfassen, wie beispielsweise Elektroden, Elektrodenzuleitungen und Kontakte, mehrere Schichten oder andere Elemente, wie beispielsweise in dem oben genannten Stand der Technik gezeigt.
Das Sensorelement 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums 114 in mindestens einem Messraum 116, insbesondere zur Erfassung eines H₂-Anteils in einem Messgas 118, umfasst einen Referenzraum 120 und eine Messmembran 122. Die Messmembran 122 trennt den Referenzraum 120 von dem Messraum 116 und ist durch mindestens ein Heizelement 124 zumindest teilweise beheizbar. Das Sensorelement 110 weist weiterhin mindestens einen Kanal 126 auf. Der Referenzraum 120 ist durch den Kanal 126 mit mindestens einem fluiden Referenzmedium 128 beaufschlagbar.
Das Sensorelement 110 weist mindestens ein Heizelement 124 auf und kann weiterhin mindestens einen Temperaturfühler 130 aufweisen. Das Heizelement 124 und der Temperaturfühler 130 können insbesondere in einem Chip 132 integriert sein, wie in 1 dargestellt, welcher auch als Sensorchip bezeichnet werden kann. Wie ebenfalls in 1 gezeigt, kann der Chip 132 in dem Referenzraum 120 angeordnet sein. Der Chip 132 kann mit der Messmembran 122 in thermischem Kontakt stehen. Beispielsweise kann der Chip 132 auf der Messmembran 122 aufliegen, wie in 1 zu sehen.
Wie ebenfalls in 1 dargestellt, kann das Sensorelement 110 mindestens einen Kappenwafer 134 und mindestens einen Messraumwafer 136 umfassen. Insbesondere kann der Referenzraum 120 von dem Kappenwafer 134 und dem Messraumwafer 136 gebildet werden, wie in 1 zu sehen. Insbesondere kann der Messraumwafer 136 die Messmembran 122 umfassen, wie in 1 gezeigt. Weiterhin können der Messraumwafer 136 und der Kappenwafer 134 mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silicium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliciumcarbid. Wie in 1 dargestellt, kann der Kappenwafer 134 ferner den Kanal 126 zumindest teilweise umfassen. Der Kappenwafer 134 kann eine Wand 137 aufweisen. Insbesondere kann die Wand 137 des Kappenwafers 134 den Kanal 126 zumindest teilweise umfassen. Der Kanal 126 kann einen Schlauch 138 umfassen.
Zur Herstellung des Sensorelements 110 können zunächst der Kappenwafer 134 und der Messraumwafer 136 bereitgestellt werden. Diese können beispielsweise jeweils in Form von Rohlingen bereitgestellt werden. Diese Rohlinge können dann bearbeitet werden, beispielsweise durch ein Ätzverfahren, bei welchem die Rohlinge gleichzeitig oder auch zeitlich getrennt geätzt werden. Bei diesem Ätzen, welches beispielsweise ein nasschemisches Ätzen und/oder ein Trockenätzen umfassen kann, können jeweils Kavitäten in die Rohlinge eingebracht werden. Die Kavität in dem Kappenwafer 134 kann später, gemeinsam mit der Membran 122, beispielsweise den Referenzraum 120 bilden. Die Kavität in dem Messraumwafer 136 kann später einen Teil des Messraums 116 bilden. Bei der Bildung der Kavität des Messraumwafers 136, welche durch isotrope Membranätzung des Messraumwafers 136 erfolgen kann, kann die Membran 122 gebildet werden, und es kann gleichzeitig der Kanal 126 gebildet werden. Anschließend kann der Kappenwafer 134 auf den Messraumwafer 136 aufgesetzt werden, so dass die Messmembran 122 den Referenzraum 120 von dem Messraum 116 trennt.
Weiterhin kann das Sensorelement 110 einen Elektronikraum 140 umfassen. Insbesondere kann der Elektronikraum 140 mit dem fluiden Referenzmedium 128 beaufschlagbar sein. Das fluide Referenzmedium 128 kann einen Überdruck aufweisen. Insbesondere kann der Kanal 126 den Referenzraum 120 mit dem Elektronikraum 140 verbinden, wie in 1 zu sehen.
Das Sensorelement 110 kann weiterhin ein den Referenzraum 120 zumindest teilweise umschließendes Gehäuse 142 aufweisen. Wie in 1 dargestellt, kann das Gehäuse 142 den Kappenwafer 134 und den Messraumwafer 136 umfassen. Insbesondere kann die Messmembran 122 den Referenzraum 120 gasdicht gegen den Messraum 116 abschließen. Weiterhin kann eine dem Referenzraum 120 zugewandte Seite der Messmembran 122 mindestens ein hier nicht dargestelltes Schutzelement aufweisen. Insbesondere kann das Schutzelement ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Glas und einer keramischen Beschichtung. Ferner kann die Messmembran einen zentralen Bereich aufweisen. Zumindest der zentrale Bereich der Messmembran 122 kann durch das mindestens eine Heizelement 124 zumindest teilweise beheizbar sein. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich
3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 112. Das Brennstoffzellensystem 112 umfasst mindestens eine Brennstoffzelle 144 und mindestens ein Sensorsystem 146. Das Sensorsystem 146 umfasst mindestens ein Sensorelement 110 und mindestens eine Steuerung 148, wobei die Steuerung 148 eingerichtet ist, um mittels des Sensorelements 110 die mindestens eine Eigenschaft des fluiden Mediums 114 zu bestimmen. Die Steuerung 146 kann insbesondere eingerichtet sein, um mittels des Sensorelements 110 mindestens eine Wärmeleitfähigkeit des fluiden Mediums 114 zu bestimmen. Weiterhin kann die Steuerung 146 insbesondere eingerichtet sein, um aus der Wärmeleitfähigkeit mindestens einen Anteil mindestens einer Komponente des fluiden Mediums 114, insbesondere einen Wasserstoffanteil, zu bestimmen. Das Sensorsystem 146 kann eingerichtet sein, um mindestens einen Anteil einer Gaskomponente eines Brenngases 150 in der Brennstoffzelle 144 zu erfassen. Wie in 3 gezeigt, kann das Sensorsystem 146 aber auch außerhalb der Brennstoffzelle 144 angeordnet sein und eingerichtet sein, um mindestens einen Anteil einer Gaskomponente eines Brenngases 150 außerhalb der Brennstoffzelle 144 zu erfassen.
3 zeigt weiterhin einen Luftfilter 152, einen elektrischen Luftverdichter 154, einen Ladeluftkühler 156, eine Verbindung 158, einen Abgaskanal 160 und einen H₂-Tank 162. Das Sensorsystem 146 kann eine Druckquelle 164 umfassen. Die Druckquelle 164 kann fluidisch mit dem Kanal 126 verbunden und eingerichtet sein, um den Referenzraum 120 mit dem fluiden Referenzmedium 128, beispielsweise einem nicht-korrosiven Gas, zu beaufschlagen. Der elektrische Luftverdichter 154 dient in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel als Druckquelle 164 des Sensorsystems 146, eine Ansaugluft 166 nach Verdichtung durch den Luftverdichter 154 dient als fluides Referenzmedium 128. Der elektrische Luftverdichter 154 ist hier durch die Verbindung 158 fluidisch mit dem Kanal 126 verbunden. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Referenzraum 120 durch den Kanal 126 mit der Ansaugluft 166 nach Verdichtung durch den Luftverdichter 154 beaufschlagt. Dabei kann ein Druck des fluiden Referenzmediums 128, insbesondere der Ansaugluft 166 nach Verdichtung durch den Luftverdichter 154, im Wesentlichen einem Druck des fluiden Mediums 114, insbesondere des Messgases 118, beispielsweise des Brenngases 150, entsprechen. Der Druck des fluiden Mediums 114, insbesondere des Messgases 118, beispielsweise des Brenngases 150 kann ein Überdruck sein. Auch das fluide Referenzmedium 128, insbesondere die Ansaugluft 166 nach Verdichtung durch den Luftverdichter 154, kann einen Überdruck aufweisen. Insbesondere kann der Überdruck einen Wert von über einer Atmosphäre annehmen. Beispielsweise kann der Überdruck einen Wert von 0 bis 2 bar aufweisen.

Claims

Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums (114) in mindestens einem Messraum (116), insbesondere zur Erfassung eines H₂-Anteils in einem Messgas (118), wobei das Sensorelement (110) einen Referenzraum (120) und eine Messmembran (122) umfasst, wobei die Messmembran (122) den Referenzraum (120) von dem Messraum (116) trennt, wobei die Messmembran (122) durch mindestens ein Heizelement (124) zumindest teilweise beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (110) mindestens einen Kanal (126) aufweist, wobei der Referenzraum (120) durch den Kanal (126) mit mindestens einem fluiden Referenzmedium (128) beaufschlagbar ist.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorelement (110) eingerichtet ist, um einen H₂-Anteil in einem Messgas (118), insbesondere einem Brenngas (150) einer Brennstoffzelle (144), zu erfassen.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) das Heizelement (124) und weiterhin mindestens einen Temperaturfühler (130) aufweist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) weiterhin ein den Referenzraum (120) zumindest teilweise umschließendes Gehäuse (142) aufweist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dem Referenzraum (120) zugewandte Seite der Messmembran (122) mindestens ein Schutzelement aufweist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) mindestens einen Kappenwafer (134) und mindestens einen Messraumwafer (136) umfasst, wobei der Messraumwafer (136) die Messmembran (122) umfasst, wobei der Kappenwafer (134) den Kanal (126) zumindest teilweise umfasst.
Sensorsystem (146) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums (114) in mindestens einem Messraum (116), umfassend mindestens ein Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Steuerung (148), wobei die Steuerung (148) eingerichtet ist, um mittels des Sensorelements (110) die mindestens eine Eigenschaft zu bestimmen.
Sensorsystem (146) nach dem vorhergehenden Anspruch, weiterhin umfassend eine Druckquelle (164), wobei die Druckquelle (164) fluidisch mit dem Kanal (126) verbunden ist und eingerichtet ist, um den Referenzraum (120) mit dem fluiden Referenzmedium (128) zu beaufschlagen, wobei das fluide Referenzmedium (128) einen Überdruck aufweist.
Brennstoffzellensystem (112), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (144) und mindestens ein Sensorsystem (146) nach einem der vorhergehenden, ein Sensorsystem (146) betreffenden Ansprüche.
Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums (114) in mindestens einem Messraum (116), insbesondere zur Erfassung eines H₂-Anteils in einem Messgas (118), wobei das Verfahren eine Verwendung eines Sensorelements (110) umfasst, wobei das Sensorelement (110) einen Referenzraum (120) und eine Messmembran (122) umfasst, wobei das Verfahren ein zumindest teilweises Beheizen der Messmembran (122) durch mindestens ein Heizelement (124) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (110) einen Kanal (126) aufweist, wobei das Verfahren eine Beaufschlagung des Referenzraums (120) durch den Kanal (126) mit mindestens einem fluiden Referenzmedium (128) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums (114) in mindestens einem Messraum (116), wobei das Sensorelement (110) einen Referenzraum (120) und eine Messmembran (122) umfasst, wobei die Messmembran (122) den Referenzraum (120) von dem Messraum (116) trennt, wobei die Messmembran (122) durch mindestens ein Heizelement (124) zumindest teilweise beheizbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen mindestens eines Kappenwafers (134) und mindestens eines Messraumwafers (136); b) Herstellung der Messmembran (122) durch isotrope Membranätzung des Messraumwafers (136); c) Herstellung des Messraums (116) durch isotrope Membranätzung des Kappenwafers (134), wobei bei der isotropen Membranätzung des Kappenwafers (134) in mindestens einer Wand 137 des Kappenwafers (134) mindestens ein Kanal (126) hergestellt wird, wobei der Referenzraum (120) durch den Kanal (126) mit mindestens einem fluiden Referenzmedium (128) beaufschlagbar ist; und d) Aufsetzen des Kappenwafers (134) auf den Messraumwafer (136), so dass die Messmembran (122) den Referenzraum (120) von dem Messraum (116) trennt.