DE102017207461B4 - Vorrichtung zur Messung der Luftfeuchtigkeit - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung, mit einem mikromechanischen Bauelement (1) mit einer auslenkbaren Membran (6) und mit einem Rückseitenvolumen (2),- wobei das mikromechanischen Bauelement (1) auch als Mikrofon betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Heizelement (3, 8) aufweist, durch welches das Rückseitenvolumen (2) beheizbar ist,- wobei ein ASIC (9) der Ansteuerung und Auswertung des MEMS-Mikrofons sowie des Heizelements dient, derart dass- das Heizelement periodisch heizbar ist, und- das Heizelement dazu eingerichtet ist, mit Pulsen zu arbeiten, deren Länge kürzer oder ähnlich lange sind wie die untere Grenzfrequenz des Mikrofons.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung, mit einem mikromechanischen Bauelement mit einer auslenkbaren Membran und mit einem Rückseitenvolumen. Derartige Vorrichtungen sind als MEMS-Mikrofone bekannt.
  • Der Feuchtegehalt von Luft kann mit sehr viele unterschiedliche Methoden bestimmt werden. Sehr viele dieser Methoden benötigen viel Platz wie beispielsweise ein Haar-Hygrometer und lassen sind nur schwer miniaturisieren. Auch reagieren die meisten dieser Messmethoden nur langsam auf eine Feuchteänderung.
  • Sollen sehr kleine Feuchtesensoren hergestellt werden, so wird meist auf eine Kammstruktur ein feuchteempfindliches, dielektrisches Material wie beispielsweise Polyimid aufgebracht und es wird die Kapazitätsänderung zwischen der Kammstruktur als Maß für die Luftfeuchtigkeit gemessen. Diese Messmethode kann sehr gut miniaturisiert werden. Allerdings nimmt Polyimid und andere feuchteempfindliche Materialen das Wasser nur langsam auf und reagiert entsprechend langsam auf eine Änderung der Luftfeuchtigkeit. Zusätzlich ist das kapazitive Signal sehr empfindlich und extrem nichtlinear von der Temperatur abhängig, es ist also nur eine sehr ungenaue Messung der Feuchtigkeit möglich und es können leicht Fehlmessungen verursacht werden. Ein mikromechanischer Feuchtesensor mit Polyimid ist in der DE 10 2014 202 248 A1 offenbart.
  • Die Druckschrift DE 10 2014 203 881 A1 offenbart ein MEMS-Mikrofonbauelement mit einer auslenkbaren Membran und mit einem Rückseitenvolumen, nämlich einem Gehäuseinnenraum, wobei die Vorrichtung ein Heizelement aufweist, durch welches das Rückseitenvolumen beheizbar ist.
  • Die Messung der Feuchtigkeit ist derzeit schon ein wichtiges Feature für Smartphones. Weiter wird erwartet, dass in Zukunft Smartphones auch mit Gas-Sensoren ausgestattet werden. Die meisten Gas-Sensoren sind sehr empfindlich auf Luftfeuchtigkeit und benötigen diese als Eingangssignal, um funktionsfähig zu sein. Das heißt es ist wichtig einen gut funktionierenden und genauen Feuchtigkeitssensor insbesondere für zukünftige Smartphone-Anwendungen zu haben.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zur Messung der Luftfeuchtigkeit zu schaffen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung, mit einem mikromechanischen Bauelement mit einer auslenkbaren Membran und mit einem Rückseitenvolumen. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung ein Heizelement aufweist, durch welches das Rückseitenvolumen beheizbar ist. Vorteilhaft kann durch das Heizelement das Rückseitenvolumen mit einer bestimmten Wärmemenge beheizt werden und aus der Druckänderung oder Volumenänderung eines Gases oder Gasgemisches im Rückseitenvolumen auf dessen Feuchtegehalt geschlossen werden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement das Rückseitenvolumen wenigstens bereichsweise begrenzt. Vorteilhaft bildet das Heizelement eine Wand des Volumens und kann in dem mikromechanischen Bauelement ausgebildet sein.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement in dem Rückseitenvolumen angeordnet ist. Vorteilhaft ist das Heizelement an einer möglichst großen Oberfläche vom Rückseitenvolumen umgeben. Vorteilhaft kann so während des Heizens eine besonders gute Wärmeübertragung an Gase oder Gasgemische im Rückseitenvolumen erfolgen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Rückseitenvolumen in dem mikromechanischen Bauelement angeordnet ist. Vorteilhaft lässt sich dieses Rückseitenvolumen genau bestimmen. Vorteilhaft ist das Rückseitenvolumen sehr klein, sodass das Heizen und die Bestimmung des Feuchtegehalts sehr schnell erfolgen können.
  • Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Rückseitenvolumen außerhalb des mikromechanischen Bauelements in einem Gehäuse angeordnet ist. Vorteilhaft kann hierbei das Heizelement ebenfalls außerhalb des mikromechanischen Bauelements angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist dabei das Heizelement an oder auf einer Auswerteschaltung, einem ASIC angeordnet.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement ober- oder unterhalb einer maximal 25 µm dicken Membran angeordnet ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement als Draht ausgeführt wird, der in Teilbereichen eine Mindestabstand von 50 µm zum jeder Begrenzung aufweist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Auslenkung der Membran messbar ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein so kleiner Durchgang zum Rückseitenvolumen besteht, so dass die Eigenfrequenz der Membran bei Atmosphäre größer ist als 10 Hertz.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das mikromechanische Bauelement auch als Mikrofon betreibbar ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement periodisch heizbar ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Auslenkung der Membran in Lock-In-Technik auswertbar ist.
  • Das Messverfahren zur Messung von Luftfeuchte mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist sehr schnell. Das Messverfahren ist besonders gut für eine Miniaturisierung geeignet. Je kleiner und schneller gemessen wird desto weniger Wärme fließt über den Rand ab. Auch ein Luftaustausch ist bei einem kleinen System einfacher und schneller. Je kleiner das Volumen, umso kürzer ist die Grenzfrequenz für den Drucksensor; das heißt MEMS-Mikrofone sind sehr gut zur Detektion der Feuchte in einer miniaturisierten Anordnung geeignet. Herkömmliche MEMS-Mikrofone können mit nur geringen Änderungen des Aufbaus zu einem Feuchtesensor umgebaut werden. Es kann einfach ein mit einem Mikrofon integrierter Feuchtesensor gebaut werden. Es wird ein im Vergleich zu anderen Sensoren relativ lineares und näherungsweise temperaturunabhängiges Feuchtesignal erwartet, da primär die Wärmekapazität der Luft gemessen wird, und diese sich in erster Ordnung linear mit dem Wassergehalt ändert und nur wenig über die Temperatur.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Beschreibung
  • Bekannt ist, dass die Wärmekapazität der Luft von deren Feuchtigkeitsgehalt abhängt. Am deutlichsten wird dies in der Wetterlage Föhn spürbar. An einem Gebirgskamm steigt auf der einen Seite kalte Luft feuchteadiabatisch auf und kühlt sich ab. Die Feuchte regnet sich in großer Höhe ab. Auf der anderen Gebirgsseite sinkt die Luft trockenadiabatisch ab und erwärmt sich aufgrund der jetzt geringeren Wärmekapazität beim Fallen stärker als sie sich beim Steigen abgekühlt hat. Es entsteht eine warme, trockene Luftströmung.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen ein Luftvolumen mit einem Heizpuls zu erwärmen und die Druckänderung beziehungsweise die Ausdehnung des Volumens zu messen. Je nach Feuchtigkeitsgehalt der Luft, also unterschiedlicher Wärmekapazität, dehnt sich die Luft bei gleichen Heizleistung stärker oder weniger stark aus. Umgekehrt kann auch ein Wärmepuls derart angelegt werden, dass man eine definierte Volumen- oder Druckänderung beobachtet. Aus der Pulslänge oder der Pulsenergie kann man auf die aktuelle Luftfeuchtigkeit schließen. Es wird vorgeschlagen die Volumen- beziehungsweise die Druckänderung über einen druckempfindlichen Sensor zu messen, wobei zwischen dem abgeschlossenen Volumen, das ein Heizelement enthält, und dem Außenbereich ein kleiner Bypass, für den Luftaustausch vorgesehen ist.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellt ist eine mikromechanische Vorrichtung 1 in Form eines MEMS-Mikrofons mit einem Rückseitenvolumen 2 und einem Bypass 4, der eine Öffnung des Rückseitenvolumens zu einer äußeren Umgebung bildet. Das Rückseitenvolumen ist an einer Seite von einer auslenkbaren Membran 6 begrenzt, auf deren gegenüberliegender Seite eine Membran 7 angeordnet ist, die bereichsweise zu einer Gegenelektrode 5 strukturiert ist. Das MEMS-Mikrofon ist in einem Gehäuse 10 angeordnet. Das Gehäuse weist einen Träger 12, einen Rahmen 13 und einen Deckel 14 auf. Der Träger 12 weist äußere elektrische Kontaktierungen, in diesem Beispiel Lotkugeln 11 auf. Das MEMS-Mikrofon 1 und ein ebenfalls im Gehäuse angeordneter ASIC 9 sind an dem Träger 12 angeordnet. Der Deckel 14 weist einen Medienzugang 15 auf. Erfindungsgemäß weist die mikromechanische Vorrichtung 1 ein Heizelement 3 auf, durch welches das Rückseitenvolumen 2 beheizbar ist. Das Heizelement 3 ist ein elektrisches Heizelement, ein Heizwiderstand. Das Heizelement 3 ist dabei auf einer Membran 7 in der Schicht der auslenkbaren Membran 6 ausgebildet. Das Heizelement 3 begrenzt bereichsweise das Rückseitenvolumen 2 in diesem Ausführungsbeispiel. Der ASIC 9 dient der Ansteuerung und Auswertung des MEMS-Mikrofons 1 sowie des Heizelements 3.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu 1 ist in diesem Beispiel der Medienzugang 15 im Träger 12 angelegt. Das MEMS-Mikrofon 1 ist darüber angeordnet und derart ausgestaltet, dass sein Volumen zum Medienzugang geöffnet ist. Das Rückseitenvolumen 2 ist dabei im Gehäuse 10 angeordnet. Das Heizelement 3 ist in der Schicht der Gegenelektrode 5 ausgebildet.
  • 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zur 2 ist das Heizelement 3 hier in Gestalt eines Hitzedrahts 8 über dem ASIC angeordnet und mit diesem auch elektrisch verbunden.
  • In einer bevorzugten Anordnung wird ein MEMS-Mikrofon 1 zur Messung der Luftfeuchtigkeit verwendet. Im Rückseitenvolumen 2 des Mikrofons wird ein Heizelement 3 vorgesehen. Das Heizelement arbeitet mit Pulsen deren Länge kürzer oder ähnlich lange sind wie die untere Grenzfrequenz des Mikrofons. Zur Messung der Feuchtigkeit können die Heizpulse mehrfach wiederholt werden. Damit wird ein effizienter und schneller Luftaustausch zwischen dem Rückseitenvolumen und der Umgebungsluft erreicht. Die Wiederholfrequenz der Heizpulse sollte günstiger weise in der Größenordnung der Grenzfrequenz des Mikrofon oder länger gewählt werden.
  • Das Sensorelement kann als kombinierter Feuchtigkeitssensor und als Mikrofon betrieben werden (Zeichnung 1, 2, 3). Im Betrieb können beide Funktionen abwechselnd angesprochen werden. Es können auch beide Funktionen gleichzeitig betrieben werden. Bei geschickter Dimensionierung kann man erreichen, dass man das Feuchtigkeitssignal über einen Tiefpassfilter und das akustische Signal über einen Hochpassfilter separiert. Insbesondere für eine Smartphone-Anwendung ist der wechselweise Betrieb nicht kritisch. In den modernen Smartphone sind meist mehrere Mikrofone verbaut, um ein optimales akustisches Signal einfangen zu können. Wird gleichzeitig eine Feuchtigkeitssignal und ein akustisches Signal benötigt, kann auch nur eins der Mikrofone ausgeschalten werden oder das Mikrofon misst nur das hochfrequente akustische Signal und mit diesem Mikrofon wird ein Feuchtigkeitssignal gemessen. Das heißt also während der Feuchtigkeitsmessung wird nur die Qualität des akustischen Signals kurzzeitig etwas reduziert.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung:
  • Günstig ist es, wenn ein kapazitives MEMS-Mikrofon mit mindestens eine feststehenden Gegenelektrode 5 und eine auslenkbaren Membran 6 verwendet wird. Das Heizelement wird im Rückseitenvolumen 2 dieses MEMS-Mikrofons angeordnet.
  • Günstig ist es das Heizelement entweder direkt auf dem MEMS-Mikrofonelement anzuordnen (1, 2) oder auf dem Auswerte-ASIC (3). Für beide Fälle wird vorgeschlagen ein oder mehrere freistehende, nur jeweils an den Enden auf dem jeweiligen Substrat verankerte Heizelemente zu verwenden. Besonders günstig ist ein Heizelement, das auf eine Membran 7 zwischen dem Rückseitenvolumen und dem Volumen der Außenseite angeordnet ist. Dadurch kann eine sehr gute Kopplung des Heizelements an die umliegendes Luft und eine gute Entkopplung zum Substrat erreicht werden.
  • Ist das Rückseitenvolumen des Mikrofons auf der entgegengesetzten Seite der Mikrofonmembran wie die Gegenelektrode, so kann in günstiger weise der Schichtaufbau der Membran auch zur Herstellung des freistehenden Heizelements verwendet werden. Der Schichtaufbau der Gegenelektrode kann in diesem Fall in sehr günstiger und einfacher weise als freistehendes thermisches Entkopplungselement zum Substrat dienen. Zusätzlich oder alternativ kann das Substrat unter dem Heizelement auch entfernt werden (siehe 1).
  • Ist das Rückseitenvolumen des Mikrofons auf der gleichen Seite der Mikrofonmembran wie die Gegenelektrode, so kann in günstiger weise der Schichtaufbau der Gegenelektrode auch zur Herstellung des freistehenden Heizelements verwendet werden. Der Schichtaufbau der Membran kann in diesem Fall in sehr günstiger und einfacher weise als freistehendes thermisches Entkopplungselement zum Substrat dienen. Zusätzlich oder alternativ kann das Substrat unter dem Heizelement auch entfernt werden, um die Wärmeabfluss durch das Substrat zu minimieren(siehe 2).
  • Besonders günstig ist es wenn das Heizelement auf dem ASIC angeordnet wird. Beide Elemente ASIC und Sensor müssen nicht vergrößert werden. In einem besonders preisgünstigen Fall kann das Heizelement als sehr dünner Bonddraht 8 ausgeführt werden. Bevorzugt kann dazu ein Gold- oder Platindraht mit einem Durchmesser von weniger als 100 µm verwendet werden (Siehe 3). Durch die Anordnung des Drahts im Volumen und deutlich über dem ASIC wird eine gute Wärmekopplung zum Gas und eine geringer Wärmeabfluss durch das ASIC erreicht.
  • Günstig für die Auswertung des Signals nach einem Heizpuls ist es das Signal mit einem Tiefpassfilter weiter zu verarbeiten.
  • Weiter kann es günstig sein, erst einen oder mehrere Heizpulse auszuführen, um das System in ein Art dynamisches thermisches Gleichgewicht zu bringen und dann in einem oder mehreren weiteren Heizpulsen das Feuchtigkeitssignal auszuwerten.
  • Weiter kann es günstig sein eine Serie von periodischen Heizpulsen zu verwenden und mit Lock-In-Technik das Signal zu detektieren.
  • Weiterhin kann es günstig sein zur Auswertung des Signals auch noch den lokalen Luftdruck mit zu berücksichtigen. Die meisten Smartphones mit Feuchtesensoren haben heutzutage auch ein Drucksensor an Bord mit dem zusätzlich auch die Druckabhängigkeit des Signals herausgerechnet werden kann. Soll ein sehr günstiger Feuchtesensor hergestellt werden, kann das Drucksignal auch aus dem Internet oder eine anderen Quelle bezogen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    1 mikromechanisches Bauelement, MEMS-Mikrofon Rückseitenvolumen
    3
    Heizelement
    4
    Bypass
    5
    Gegenelektrode 6auslenkbare Membran
    7
    Membran
    8
    Heizdraht, Bonddraht
    9
    ASIC
    10
    Gehäuse
    11
    Lotkugeln
    12
    Träger
    13
    Rahmen
    14
    Deckel
    15
    Medienzugang

Claims (10)

  1. Vorrichtung, mit einem mikromechanischen Bauelement (1) mit einer auslenkbaren Membran (6) und mit einem Rückseitenvolumen (2), - wobei das mikromechanischen Bauelement (1) auch als Mikrofon betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Heizelement (3, 8) aufweist, durch welches das Rückseitenvolumen (2) beheizbar ist, - wobei ein ASIC (9) der Ansteuerung und Auswertung des MEMS-Mikrofons sowie des Heizelements dient, derart dass - das Heizelement periodisch heizbar ist, und - das Heizelement dazu eingerichtet ist, mit Pulsen zu arbeiten, deren Länge kürzer oder ähnlich lange sind wie die untere Grenzfrequenz des Mikrofons.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) das Rückseitenvolumen (2) wenigstens bereichsweise begrenzt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3, 8) in dem Rückseitenvolumen (2) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückseitenvolumen (2) in dem mikromechanischen Bauelement (1) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückseitenvolumen (2) außerhalb des mikromechanischen Bauelements (1) in einem Gehäuse (10) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3, 8) ober- oder unterhalb einer maximal 25 µm dicken Membran (7) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) als Draht ausgestaltet ist, der in Teilbereichen einen Mindestabstand von 50 µm zum jeder Begrenzung aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung der Membran messbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass ein so kleiner Durchgang zum Rückseitenvolumen (2) besteht, so dass die Eigenfrequenz der Membran bei Atmosphäre größer ist als 10 Hertz.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung der Membran in Lock-In-Technik auswertbar ist.
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