DE102017212786A1

DE102017212786A1 - Sensoranordnung zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum und Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102017212786A1
Application number: DE102017212786.4A
Authority: DE
Inventors: Simon Genter; Radoslav Rusanov; Christoph Daniel Kraemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2019-01-31

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung (138) zur Erfassung von Partikeln (122) eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Die Sensoranordnung (138) umfasst mindestens ein mikromechanisches Sensorelement (140), wobei das mikromechanische Sensorelement (140) mindestens ein Substrat (142) und mindestens eine Membran (114) aufweist. Die Membran (114) weist mindestens eine durch Anlagerung der Partikel (122) veränderbare Resonanzfrequenz auf. Weiterhin umfasst das mikromechanische Sensorelement (140) mindestens ein Antriebselement (144), wobei die Membran (114) mithilfe des Antriebselements (144) in Schwingung versetzbar ist. Die Sensoranordnung (138), insbesondere das mikromechanische Sensorelement (140), weist weiterhin mindestens ein mit der Membran (114) verbundenes Homogenisierungselement (116) auf. Das Homogenisierungselement (116) ist zumindest teilweise dem Messgas aussetzbar. Das Homogenisierungselement (116) ist eingerichtet, um eine Abhängigkeit einer Änderung der Resonanzfrequenz von einem Anlagerungsort (120) der Partikel (122) zu beeinflussen.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoranordnungen zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln. Insbesondere kann es sich bei den Partikeln um Ruß- oder Staubpartikel handeln. Die Erfindung wird im Folgenden ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensoranordnungen zur Detektion von Rußpartikeln beschrieben.
Zwei oder mehrere metallische Elektroden können auf einem elektrisch isolierenden Träger angebracht sein. Die sich unter Einwirkung einer Spannung anlagernden Teilchen, insbesondere die Rußpartikel, bilden in einer sammelnden Phase der Sensoranordnung elektrisch leitfähige Brücken zwischen den beispielsweise als kammartig ineinandergreifende Interdigitalelektroden ausgestalteten Elektroden und schließen diese dadurch kurz. In einer regenerierenden Phase werden die Elektroden üblicherweise mit Hilfe eines integrierten Heizelementes freigebrannt. In der Regel werten die Partikelsensoren die aufgrund der Partikelanlagerung geänderten elektrischen Eigenschaften einer Elektrodenstruktur aus. Es kann beispielsweise ein abnehmender Widerstand oder ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung gemessen werden.
Nach diesem Prinzip arbeitende Partikelsensoren werden im Allgemeinen als resistive Sensoren bezeichnet und werden beispielsweise in Ochs et al. (Ochs, T., Schittenhelm, H., Genssle, A., and Kamp, B., „Particulate Matter Sensor for On Board Diagnostics (OBD) of Diesel Particulate Filters (DPF)", SAE Int. J. Fuels Lubr. 3(1):61-69, 2010, doi:10.4271/2010-01-0307) genauer beschrieben. Weiterhin existieren resistive Sensoren in einer Vielzahl von Ausführungsformen, wie z.B. aus DE 101 49 333 A1 und WO 2003/006976 A2 bekannt. Die als Rußsensoren ausgestalteten Partikelsensoren werden üblicherweise zur Überwachung von Diesel-Partikelfiltern eingesetzt. Im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine sind die Partikelsensoren der beschriebenen Art in der Regel in ein Schutzrohr aufgenommen, das gleichzeitig beispielsweise die Durchströmung des Partikelsensors mit dem Abgas erlaubt.
Hitoshi Habuka und Yurie Tanaka offenbaren eine Messmethode unter Benutzung einer Langasitkristall-Mikrowaage zur Überwachung einer chemischen Beschichtung aus der Gasphase (ECS Journal of Solid State Science and Technology, 1(2) P62-P65 (2012), „Langasite Crystal Microbalance Used for In-Situ Monitoring of Amorphous Silicon Carbide Film Deposition“). Nach diesem Prinzip arbeitende Mikrowaagen werden im Allgemeinen als resonante Mikrowaagen bezeichnet. Üblicherweise umfasst die Mikrowaage einen Quarzkristall und wird daher häufig auch als Quarzmikrowaage bezeichnet. Das Funktionsprinzip basiert auf einer masseabhängigen Frequenzänderung eines Quarzkristalls, welcher in der Regel als Schwingquarz bezeichnet wird. Anstelle von Quarz kann jedoch auch, wie beispielsweise von Habuka und Tanaka beschrieben, Langasit eingesetzt werden. Weiterhin zeigen Hajjam et al. (Arash Hajjam, James C. Wilson, Siavash Pourkamali, IEEE Sensors Journal, Volume: 11, Issue: 11, Nov. 2011, Pages: 2883 - 2890, Date of Publication: 25 April 2011, „Individual Air-Borne Particle Mass Measurement Using High-Frequency Micromechanical Resonators"), dass nach dem genannten Prinzip arbeitende Mikrowaagen einzelne, luftgetragene Partikel messen können und schlagen beispielsweise eine Verwendung in Reinräumen vor.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen zur Erfassung von Partikeln beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So spielt beispielsweise insbesondere bei nach dem Funktionsprinzip der masseabhängigen Frequenzänderung arbeitenden Sensoranordnungen der Anlagerungsort der Partikel eine große Rolle. So ist in der Regel die Frequenzänderung von dem Anlagerungsort der Partikel abhängig, was die Erfassung von Partikeln im Messgas häufig erschwert.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher eine Sensoranordnung zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Unter einer „Sensoranordnung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Messgröße eines Messgases zu erfassen. Unter einer „Sensoranordnung zur Erfassung von Partikeln eines Messgases“ kann dementsprechend im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche geeignet ist, die Partikel in dem Messgas qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen und welche beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Ansteuereinheit und geeignet ausgestalteten Elektroden mindestens ein elektrisches Messsignal entsprechend der erfassten Partikel erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Bei den erfassten Partikeln kann es sich insbesondere um Rußpartikel und/oder Staubpartikel handeln. Hierbei können DC-Signale und/oder AC-Signale verwendet werden. Des Weiteren kann beispielsweise zur Signalauswertung aus der Impedanz ein resistiver Anteil und/oder ein kapazitiver Anteil verwendet werden.
Die Sensoranordnung kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas des Kraftfahrzeugs handeln. Auch andere Gase und Gasgemische sind grundsätzlich möglich. Bei dem Messgasraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen, offenen oder geschlossenen Raum handeln, in welchem das Messgas aufgenommen ist und/oder welcher von dem Messgas durchströmt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgasraum um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, handeln.
Die Sensoranordnung zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum umfasst mindestens ein mikromechanisches Sensorelement, wobei das mikromechanische Sensorelement mindestens ein Substrat und mindestens eine Membran aufweist. Die Membran weist mindestens eine durch Anlagerung der Partikel veränderbare Resonanzfrequenz auf, insbesondere eine durch Anlagerung der Partikel veränderbare Eigenfrequenz. Weiterhin umfasst das mikromechanische Sensorelement mindestens ein Antriebselement, wobei die Membran mithilfe des Antriebselements in Schwingung versetzbar ist. Die Sensoranordnung, insbesondere das mikromechanische Sensorelement, weist weiterhin mindestens ein mit der Membran verbundenes Homogenisierungselement auf. Das Homogenisierungselement ist zumindest teilweise dem Messgas aussetzbar. Das Homogenisierungselement ist eingerichtet, um eine Abhängigkeit einer Änderung der Resonanzfrequenz von einem Anlagerungsort der Partikel zu beeinflussen, insbesondere im Vergleich zu einem Fall der Membran ohne das Homogenisierungselement.
Unter einem „Sensorelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche als Funktionseinheit, beispielsweise für eine Sensoranordnung, dienen kann und als solche mindestens ein Messsignal erzeugen kann, beispielsweise das mindestens eine elektrische Messsignal entsprechend der erfassten Partikel. Unter einem „mikromechanischen Sensorelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement verstanden werden, welches zumindest teilweise mit Verfahren und Technologien der Mikrosystemtechnik hergestellt wurde, wie beispielsweise mit galvanischen Verfahren, Ätzverfahren, Lasertechnik, Photolithographie, Dünnschicht- und Siebdruck-Technik. Das mikromechanische Sensorelement kann hierbei insbesondere eine Größe von 100 µm² bis 5 cm² aufweisen. Unter einem „Substrat“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Träger verstanden werden, der geeignet ist, die Membran oder mindestens ein weiteres weiter unten noch näher beschriebenes Funktionselement der Sensoranordnung wie beispielsweise eine isolierende Schicht oder eine Elektrodeneinrichtung direkt oder indirekt zu tragen oder auf welchen die Membran oder mindestens ein weiteres weiter unten noch näher beschriebenes Funktionselement der Sensoranordnung zumindest teilweise aufgebracht werden kann. Beispielsweise kann das mikromechanische Sensorelement weiterhin mindestens eine erste elektrisch isolierende Schicht umfassen, wobei die erste elektrisch isolierende Schicht auf dem Substrat aufgebracht sein kann. Insbesondere kann es sich bei dem Substrat um ein Halbleitersubstrat umfassend mindestens ein Halbleitermaterial handeln. Das Substrat kann insbesondere mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium; Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, insbesondere SiO₂; GaN; SiC; Aluminiumoxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Insbesondere kann das Halbleitersubstrat einen Glas-Wafer umfassen. Unter einer „Membran“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Schicht verstanden werden, deren Abmessung in mindestens einer Dimension einer Ausbreitungsebene eine Abmessung in mindestens einer weiteren Dimension senkrecht zu der Ausbreitungsebene deutlich überschreitet, beispielsweise um mindestens einen Faktor zwei, vorzugsweise um mindestens einen Faktor fünf, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor zehn. Die Membran kann insbesondere ausgestaltet sein, um mindestens eine Biegeschwingung durchzuführen. Insbesondere kann die Biegeschwingung die Resonanzfrequenz der Membran aufweisen. Unter einer „Resonanzfrequenz“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Frequenz eines schwingfähigen Systems, beispielsweise der Membran und/oder des weiter unten noch näher erläuterten Schwingsystems, verstanden werden, bei der das Einwirken einer äußeren Antriebskraft, beispielsweise einer periodischen Antriebskraft, auf das schwingfähige System zu einer Schwingungsamplitude des schwingfähigen Systems führt, welche größer ist als bei benachbarten Frequenzen. Bei Schwingung des schwingfähigen Systems mit der Resonanzfrequenz oder einer der Resonanzfrequenzen des schwingenden Systems kann die Schwingungsamplitude ein relatives Maximum aufweisen. Insbesondere kann es sich bei der mindestens einen Resonanzfrequenz um eine Eigenfrequenz handeln. Unter einem „Antriebselement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, auf eine weitere Vorrichtung, beispielsweise auf das schwingfähiges System, insbesondere auf die Membran und/oder das Schwingsystem, eine Kraft auszuüben, beispielsweise um das schwingfähige System, insbesondere die Membran und/oder das Schwingsystem, in Schwingung zu versetzen oder die Schwingung aufrechtzuerhalten oder die Schwingung zu verstärken. Unter einer „Schwingung“ eines Systems kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine wiederkehrende, zeitliche Schwankung einer Zustandsgröße eines Systems verstanden werden. Unter einer Schwankung kann hierbei eine Abweichung von einem Mittelwert der Zustandsgröße des Systems verstanden werden. Unter einer „Zustandsgröße“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich um ein Maß einer Eigenschaft handeln, welche das System beschreibt. Bei der Zustandsgröße kann es sich beispielsweise um eine Position, insbesondere eine Position eines Mittelpunktes oder eines Schwerpunktes des Systems, handeln. Auch andere Zustandsgrößen sind jedoch möglich.
Unter einem „Homogenisierungselement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Bauelement verstanden werden, welches eingerichtet ist, mindestens eine Eigenschaft der Sensoranordnung, insbesondere des mikromechanischen Sensorelements, zu verändern. Bei der mindestens einen Eigenschaft kann es sich insbesondere um eine Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von dem Anlagerungsort der Partikel handeln oder um eine Abhängigkeit einer Änderung der Resonanzfrequenz von dem Anlagerungsort der Partikel. Insbesondere kann das Homogenisierungselement derart eingerichtet sein, dass die Änderung der Resonanzfrequenz der Membran bei einer Anlagerung der Partikel auf dem mit der Membran verbundenen Homogenisierungselement weniger abhängig ist von dem Anlagerungsort der Partikel ist als bei der Anlagerung der Partikel auf der Membran selbst. Insbesondere kann das Homogenisierungselement derart eingerichtet sein, dass die Änderung der Resonanzfrequenz der Membran bei einer Anlagerung der Partikel auf dem mit der Membran verbundenen Homogenisierungselement unabhängig von dem Anlagerungsort der Partikel ist, solange sich der Anlagerungsort auf dem Homogenisierungselement befindet. Unter einem „Anlagerungsort“ kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Stelle einer Vorrichtung verstanden werden, an der die Partikel infolge eines Kontakts mit der Vorrichtung haften bleiben. Das Homogenisierungselement ist mit der Membran verbunden. Unter dem Ausdruck „verbunden“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden werden, dass ein Element mit einem weiteren Element mechanisch verknüpft ist beispielsweise durch einen direkten Kontakt und/oder durch mindestens ein Verbindungselement und/oder durch eine einstückige Ausführung der beiden Elemente. Insbesondere kann es sich bei dem Verbindungselement um eines der folgenden Elemente handeln: einen Steg, einen Stift und einer Säule. Unter dem Begriff „Beeinflussen“ einer Eigenschaft kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Verändern der Eigenschaft verstanden werden, insbesondere ein Verringern oder Reduzieren der Eigenschaft. Bei der Eigenschaft kann es sich insbesondere um die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz, oder der Änderung der Resonanzfrequenz, der Membran und von dem Anlagerungsort der Partikel handeln.
Die Sensoranordnung kann weiterhin eine Steuereinheit aufweisen. Insbesondere kann die Steuereinheit die bereits weiter oben beschriebene Ansteuereinheit umfassen. Weiterhin kann die Steuereinheit insbesondere mindestens eine Messvorrichtung und/oder mindestens eine elektrische Energiequelle aufweisen. Weiterhin kann die Steuereinheit mindestens einen Prozessor oder Schaltkreis aufweisen, welcher eine Steuerungsfunktion und/oder Auswertungsfunktion mindestens eines mit der Sensoranordnung, insbesondere mit dem mikromechanischen Sensorelement, erzeugten Messsignals ausüben kann. Die Steuereinheit kann insbesondere eingerichtet kann sein, um die Resonanzfrequenz zu erfassen und daraus auf eine Partikelkonzentration in dem Messgas zu schließen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit eingerichtet sein, eine Änderung der Resonanzfrequenz, beispielsweise die Änderung in einer vorgegebenen Zeiteinheit oder eine Änderungsrate, zu erfassen und daraus auf die Partikelkonzentration in dem Messgas zu schließen.
Die Sensoranordnung umfasst mindesten eine Membran und mindestens ein mit der Membran verbundenes Homogenisierungselement. Das Homogenisierungselement kann eine hohe Steifigkeit, insbesondere eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen. Insbesondere können das Homogenisierungselement und die Membran starr verbunden und die Steifigkeit des Homogenisierungselements ausreichend hoch sein, so dass das Homogenisierungselement durch ein Inschwingungversetzen der Membran durch das Antriebselement nicht selbst in eine Eigenschwingung versetzt wird. Insbesondere kann die Schwingung des im Folgenden beschriebenen Schwingsystems von der Membran dominiert oder bestimmt sein. Die Membran und das Homogenisierungselement können mindestens ein Schwingsystem bilden, wobei das Schwingsystem durch das Antriebselement in eine gemeinsame Schwingung versetzbar ist. Unter einem „Schwingsystem“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Gesamtheit von mindestens zwei Elementen verstanden werden, welche mechanisch derart verbunden sind, dass das Inschwingungversetzen des einen Elements mit einer Bewegung des anderen Elements einhergeht. Bei der Bewegung des anderen Elements kann es sich insbesondere ebenfalls um eine Schwingung handeln. Auf diese Weise können die Membran und das Homogenisierungselement gleichzeitig schwingen, die Art der Schwingung kann jedoch, auch bei gleicher Amplitude, verschieden sein. So kann bei der gemeinsamen Schwingung der Membran und des Homogenisierungselements die Membran eine Biegeschwingung ausführen, während das Homogenisierungselement steif oder weitgehend steif bleibt und lediglich seine Position im Raum aufgrund der mechanischen Verbindung mit der schwingenden Membran zeitlich schwankt, eine geometrische Form des Homogenisierungselements im Raum sich jedoch nicht oder kaum ändert. Insbesondere kann sich das Homogenisierungselement bei einer Biegeschwingung der Membran im Wesentlichen parallel zu dem Antriebselement, insbesondere zu der weiter unten noch näher beschriebenen ersten Elektrodeneinrichtung und/oder der ebenfalls weiter unten noch näher beschriebenen zweiten Elektrodeneinrichtung, bewegen.
Das Homogenisierungselement kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem in die Membran integrierten Homogenisierungselement und einem separat von der Membran ausgebildeten und mit der Membran verbundenen Homogenisierungselement. Weiterhin kann das Homogenisierungselement mindestens ein Element umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem versteiften Membranbereich; einer Verdickung der Membran; einem mit der Membran verbundenen Aufsatz. Insbesondere kann es sich bei dem versteiften Membranbereich um den verdickten Membranbereich handeln. Auch andere versteifte Membranbereiche sind jedoch möglich. Das Homogenisierungselement ist mit der Membran verbunden. Insbesondere kann das Homogenisierungselement mit einem Zentralbereich der Membran verbunden sein. Unter einem Zentralbereich der Membran kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Ausschnitt der Membran verstanden werden, der einen Mittelpunkt und/oder einen Schwerpunkt der Membran umfasst. Insbesondere kann das Homogenisierungselement mit dem Mittelpunkt und/oder mit dem Schwerpunkt der Membran verbunden sein. Das Homogenisierungselement kann die Membran teilweise umfassen. Insbesondere können die Verdickung der Membran und/oder der versteifte Membranbereich die Membran teilweise umfassen. Beispielsweise kann der versteifte Membranbereich und oder die Verdickung der Membran den Zentralbereich der Membran umfassen. Weiterhin kann der Aufsatz mit dem Zentralbereich der Membran, insbesondere mit dem Mittelpunkt und/oder mit dem Schwerpunkt verbunden sein, insbesondere durch mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Steg, einem Stift, einer Säule. Weiterhin kann der Aufsatz mit dem Zentralbereich der Membran insbesondere steif verbunden sein.
Die Membran kann eine Dicke D_M von 10 nm bis 20 µm aufweisen, bevorzugt von 50 nm bis 2 µm, besonders bevorzugt von 700 nm bis 1500 nm. Das Homogenisierungselement kann eine Dicke D_H aufweisen. Insbesondere kann die Dicke D_H des Homogenisierungselements die Dicke D_M der Membran überschreiten. Insbesondere kann die Dicke des Aufsatzes die Dicke der Membran überschreiten. Insbesondere kann die Dicke des Homogenisierungselements zu der im Vergleich zu der Membran höheren Steifigkeit, insbesondere der höheren Biegesteifigkeit, beitragen. Die Membran kann mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumkarbid; Siliziumoxid, Siliziumnitrid; Siliziumkarbonitrid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Das Homogenisierungselement kann ebenfalls Siliziumkarbid umfassen. Insbesondere kann das Homogenisierungselement das Material der Membran aufweisen. Das Homogenisierungselement kann mit einer Sensorfläche der Membran verbunden sein. Unter einer „Sensorfläche“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Oberfläche verstanden werden, an welche sich die Partikel direkt oder indirekt anlagern können. So können beispielsweise die Membran und das Homogenisierungselement jeweils mindestens eine Sensorfläche aufweisen. Die indirekte Anlagerung von Partikeln an der Sensorfläche der Membran kann beispielsweise über die Anlagerung von Partikeln auf dem mit der Sensorfläche der Membran verbundenen Homogenisierungselement geschehen. Die Sensorfläche des Homogenisierungselements, insbesondere die Sensorfläche des Aufsatzes, kann größer sein als die Sensorfläche der Membran. Die Sensorfläche des Homogenisierungselements kann aber auch kleiner sein als die Sensorfläche der Membran. Insbesondere können der verdickte Membranbereich und/oder der versteifte Membranbereich kleiner sein als die Sensorfläche der Membran. Weiterhin können die Sensorfläche der Membran und die Sensorfläche des Homogenisierungselements, insbesondere die Sensorfläche des Aufsatzes, gleich groß sein. Insbesondere kann die Sensorfläche des Homogenisierungselements, insbesondere des Aufsatzes, die Sensorfläche der Membran vollständig überdecken.
Das mikromechanische Sensorelement kann weiterhin mindestens eine Kavität aufweisen. Die Membran kann die Kavität gegen die Partikel zumindest teilweise, insbesondere vollständig, abschließen. Die Membran kann kreisförmig ausgestaltet sein. Auch andere Ausgestaltungsformen, beispielsweise elliptische Ausgestaltungsformen, sind möglich. Insbesondere kann die Membran einen Radius R_M oder Äquivalentradius von 1 µm bis 10 mm aufweisen, bevorzugt von 10 µm bis 150 µm.
Das mikromechanische Sensorelement weist mindestens ein Antriebselement auf. Das Antriebselement kann mindestens eine erste Elektrodeneinrichtung und mindestens eine zweite Elektrodeneinrichtung umfassen, wobei die erste Elektrodeneinrichtung mit der Membran in elektrischem Kontakt steht, wobei die zweite Elektrodeneinrichtung von der Membran elektrisch isoliert ist. Die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung können jeweils mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumkarbid; dotiertes Silizium. Weiterhin kann die Membran ein dielektrisches Material, insbesondere Siliziumnitrid, Siliziumkarbonitrid und/oder Siliziumoxid, umfassen, welches eine leitfähige Beschichtung aufweisen kann. Insbesondere kann die leitfähige Beschichtung als erste Elektrodeneinrichtung fungieren. Die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung können eingerichtet sein, die Membran durch eine Beaufschlagung der ersten Elektrodeneinrichtung und der zweiten Elektrodeneinrichtung mit einer Spannung in Schwingung zu versetzen, insbesondere in eine Schwingung mit der Resonanzfrequenz der Membran. Weiterhin können die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung eingerichtet sein, die Schwingung der Membran zu detektieren. Insbesondere kann die zweite Elektrodeneinrichtung auf der ersten elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht sein. Die zweite Elektrodeneinrichtung kann von einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht zumindest teilweise umgeben sein. Die erste elektrisch isolierende Schicht und die zweite elektrisch isolierende Schicht können jeweils mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumoxid; Siliziumnitrid.
Weiterhin kann die Membran ganz oder teilweise Bestandteil des Antriebselements sein. Insbesondere kann die Membran die erste Elektrodeneinrichtung umfassen. Insbesondere kann die Membran elektrisch leitfähig sein. Weiterhin kann insbesondere auch das Homogenisierungselement elektrisch leitfähig sein. Weiterhin kann auch das mindestens eine Element, durch welches der Aufsatz mit der Membran verbunden sein kann, beispielsweise der Steg, der Stift oder die Säule, elektrisch leitfähig sein. Die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung können jeweils mindestens eine erste elektrische Kontaktierung aufweisen. Die erste elektrische Kontaktierung kann insbesondere Platin umfassen. Die Membran kann mindestens eine erste elektrische Kontaktierung und mindestens eine zweite elektrische Kontaktierung aufweisen. Insbesondere kann es sich bei der ersten elektrischen Kontaktierung der Membran um die erste elektrische Kontaktierung der ersten Elektrodeneinrichtung handeln, beispielsweise wenn die Membran die erste Elektrodeneinrichtung umfasst. Weiterhin kann die Membran durch die erste elektrische Kontaktierung und die zweite elektrische Kontaktierung mit einem Strom und/oder einer Spannung beaufschlagbar sein. Auch andere Ausgestaltungen des Antriebselements, beispielsweise über piezoelektrische und/oder piezoresistive Elemente sind möglich. Das piezoelektrische Element kann insbesondere mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Langasit, insbesondere La₃Ga₅SiO₁₄; Aluminiumnitrid, insbesondere AIN; Blei-Zirkonat-Titan (PZT); Quarz.
Das mikromechanische Sensorelement kann mindestens ein Heizelement umfasst, wobei die Membran und/oder das Homogenisierungselement mithilfe des Heizelements beheizbar ist. Insbesondere kann das Heizelement eingerichtet sein, das mikromechanische Sensorelement, insbesondere die Membran und/oder das Homogenisierungselement auf eine Temperatur von 550 °C bis 900 °C, vorzugsweise von 600 °C bis 850 °C, besonders bevorzugt von 650 °C bis 750 °C zu beheizen, beispielsweise um das mikromechanische Sensorelement, insbesondere die Membran und/oder das Homogenisierungselement von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln freizubrennen. Weiterhin kann das Heizelement eingerichtet sein, um eine Temperatur des mikromechanischen Sensorelements, insbesondere der Membran und/oder des Homogenisierungselements, auf einem konstanten Wert zu halten oder auf einen konstanten Wert zu regeln, beispielsweise mithilfe der Steuereinheit. Das Heizelement kann mindestens einen Heizwiderstand umfassen. Weiterhin kann das Heizelement mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; SiC. Das Heizelement kann insbesondere ringförmig ausgestaltet sein. Weiterhin können die Membran und/oder das Homogenisierungselement insbesondere ganz oder teilweise Bestandteil des Heizelements sein. Insbesondere kann die Membran durch Beaufschlagung mit dem Strom oder der Spannung über die erste elektrische Kontaktierung und die zweite elektrische Kontaktierung, wie oben beschrieben, beheizbar sein. Weiterhin kann auch das Heizelement mindestens eine erste elektrische Kontaktierung und mindestens eine zweite elektrische Kontaktierung aufweisen. Insbesondere kann die erste elektrische Kontaktierung des Heizelements die erste elektrische Kontaktierung der Membran umfassen und die zweite elektrische Kontaktierung des Heizelements kann die zweite elektrische Kontaktierung der Membran umfassen, insbesondere in Ausführungsformen, in denen die Membran ganz oder teilweise Bestandteil des Heizelementes ist.
Das mikromechanische Sensorelement umfasst die mindestens eine Membran. Das mikromechanische Sensorelement kann insbesondere mindestens zwei Membranen umfassen. Insbesondere können die mindestens zwei Membranen jeweils mindestens eine Resonanzfrequenz aufweisen. Hierbei können sich die mindestens zwei Membranen in ihrer jeweils mindestens einen Resonanzfrequenz unterscheiden. Die jeweils mindestens eine Resonanzfrequenz der mindestens zwei Membranen können jedoch auch identisch sein. Insbesondere können die mindestens zwei Membranen elektrisch parallel geschaltet sein. Weiterhin kann das mikromechanische Sensorelement mindestens zwei Gruppen von Membranen aufweisen, wobei jede Gruppe mindestens zwei Membranen umfasst. Hierbei können die Membranen innerhalb mindestens einer der mindestens zwei Gruppen identisch sein, insbesondere dieselbe mindestens eine Resonanzfrequenz aufweisen. Ferner können die Membranen, innerhalb mindestens einer der mindestens zwei Gruppen auch in weiteren Merkmalen übereinstimmen, wie beispielsweise in dem Radius R_M, dem Äquivalentradius, der Dicke D_M, dem Material und einer Form. Weiterhin können sich die Membranen, verschiedener Gruppen unterscheiden, beispielsweise in mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: der mindestens eine Resonanzfrequenz; dem Radius R_M; dem Äquivalentradius; der Dicke D_M; dem Material; der Form.
Weiterhin kann das mikromechanische Sensorelement in ein Schutzrohr aufgenommen sein. Das Schutzrohr kann insbesondere eine Pumpe umfassen, wobei das mikromechanische Sensorelement durch die Pumpe mit dem Messgas beaufschlagbar sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Schutzrohr mindestens einen Strömungskanal umfassen. Das mikromechanische Sensorelement kann durch den Strömungskanal mit dem Messgas beaufschlagbar sein, insbesondere passiv, beispielsweise unter Ausnutzung des Venturi-Effekts.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst folgende 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 zwei 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 des mindestens einen Substrats;
b) Erzeugen der mindestens einen Membran, und
c) Erzeugen des mindestens einen mit der Membran verbundenen

Hierbei kann Schritt c) getrennt von Schritt b) oder auch ganz oder teilweise mit Schritt b) zusammengefasst ausgeführt werden. Weiterhin kann das Verfahren weiterhin folgenden Verfahrensschritt umfassen:

d) Bereitstellen des mindestens einen Antriebselements derart, dass die Membran mithilfe des Antriebselements in Schwingung versetzbar ist.

Insbesondere kann das Erzeugen des Homogenisierungselements in Schritt c) ein Verdicken und/oder ein Versteifen der Membran umfassen. Weiterhin kann in Schritt b) mindestens eine Opferschicht, insbesondere mindestens eine erste Opferschicht, zwischen dem Substrat und der Membran verwendet werden, welche zur Erzeugung einer Kavität zwischen dem Substrat und der Membran zumindest teilweise entfernt wird. Schritt b) kann ferner die folgenden Teilschritte umfasst:

b1) Aufbringen mindestens einer ersten elektrisch isolierenden Schicht auf dem Substrat;
b2) Aufbringen mindestens einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht auf die erste elektrisch isolierende Schicht;
b3) Strukturieren der ersten elektrisch leitfähigen Schicht zu mindestens einer zweiten Elektrodeneinrichtung;
b4) Aufbringen einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht auf die zweite Elektrodeneinrichtung;
b5) Teilweises Entfernen der zweiten elektrisch isolierenden Schicht zur Vorbereitung mindestens einer ersten elektrischen Kontaktierung der zweiten Elektrodeneinrichtung;
b6) Aufbringen mindestens einer ersten Opferschicht auf die zweite elektrisch isolierenden Schicht;
b7) Aufbringen mindestens einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht;
b8) Strukturieren der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht zu mindestens einer ersten Elektrodeneinrichtung; und
b9) Zumindest teilweises Entfernen der ersten Opferschicht.

Weiterhin kann das Erzeugen des Homogenisierungselements in Schritt c) folgende Schritte umfassen:

c1) Aufbringen mindestens einer zweiten Opferschicht auf die zweite elektrisch leitfähige Schicht;
c2) Aufbringen mindestens einer dritten elektrisch leitfähigen Schicht auf die zweite Opferschicht, wobei die dritte elektrisch leitfähige Schicht mit der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht verbunden ist, insbesondere durch einen in dem Zentralbereich der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht verankerten Steg;
c3) Zumindest teilweises Entfernen der zweiten Opferschicht; und
c4) Strukturieren der dritten elektrisch leitfähigen Schicht zu einem Aufsatz.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst, 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 zwei 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.

i) Bereitstellen mindestens einer Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden, eine Sensoranordnung betreffenden Ansprüche;
ii) Versetzen der Membran in Schwingung mithilfe des mindestens einen Antriebselements;
iii) Beaufschlagen des mikromechanischen Sensorelements mit dem Messgas;
iv) Erfassen der Resonanzfrequenz der Membran; und
v) Ermitteln einer Partikelkonzentration in dem Messgas aus der Resonanzfrequenz.

Insbesondere kann in Schritt iv) eine Änderung der Resonanzfrequenz erfasst werden und in Schritt v) aus der Änderung auf die Partikelkonzentration geschlossen werden
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und die beschriebenen Verfahren weisen gegenüber herkömmlichen Sensoranordnungen und Verfahren der genannten Art zahlreiche Vorteile auf. Die Sensoranordnung, insbesondere das mikromechanische Sensorelement weist mindestens ein mit der Membran verbundenes Homogenisierungselement auf. Es kann daher möglich sein, dass die Abhängigkeit der Änderung der Resonanzfrequenz von dem Anlagerungsort der Partikel aufgrund der Verwendung des Homogenisierungselements im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert ist, solange das Homogenisierungselement den Anlagerungsort der Partikel umfasst. Insbesondere kann es möglich sein, dass durch eine im Vergleich zu der Biegeschwingung der Membran reduzierte oder vollständig oder weitgehend unterdrückte Biegeschwingung des Homogenisierungselements die Sensoranordnung, insbesondere das mikromechanische Sensorelement, eine im Vergleich zu der Sensoranordnung ohne Homogenisierungselement höhere Massensensitivität aufweisen kann. Insbesondere kann es möglich sein, dass die Massensensitivität der Sensoranordnung gegenüber zwei Partikeln gleicher Masse mit unterschiedlichen Anlagerungsorten vollständig oder weitgehend gleich ist, solange die beiden Anlagerungsorte von dem Homogenisierungselement, insbesondere der Sensorfläche des Homogenisierungselements, umfasst sind. Insbesondere kann es möglich sein, dass die Änderung der Resonanzfrequenz der Membran aufgrund der Anlagerung eines Partikels lediglich von einer Masse des Partikels abhängt, nicht jedoch von dem Anlagerungsort des Partikels, solange sich der Anlagerungsort von dem Homogenisierungselement umfasst ist, insbesondere von der Sensorfläche des Homogenisierungselements. Der beschriebene Zusammenhang ist hier zur besseren Verständlichkeit für zwei Partikel ausgeführt, lässt sich jedoch jederzeit auf eine Mehrzahl von mehr als zwei Partikeln erweitern. So ist es insbesondere möglich, dass die Sensoranordnung aufgrund einer hohen Massesensitivität in der Lage ist, die Partikel in dem Messgas auch bei sehr geringen Konzentrationen zu detektieren.
Es kann daher möglich sein, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung einen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Rückschluss auf eine Partikelgröße und/oder Partikelmasse ermöglicht, bei einer Anlagerung der Partikel an dem Homogenisierungselement. Insbesondere kann es möglich sein, dass eine erfindungsgemäße Sensoranordnung eine im Vergleich zu Sensoranordnungen des Stands der Technik homogenere Änderung der Resonanzfrequenz, insbesondere der Eigenfrequenz, bei der Anlagerung von zwei Partikeln an unterschiedlichen von dem Homogenisierungselement umfassten Anlagerungsorten aufweist. Es kann daher möglich sein, aus der durch die Anlagerung des Partikels, insbesondere des Rußpartikels, auf dem Homogenisierungselement veränderten und beispielsweise von der Steuereinheit erfassten Resonanzfrequenz auf die Partikelmasse und/oder die Partikelgröße des angelagerten Partikels zu schließen. Es kann daher möglich sein, dass die Sensoranordnung mithilfe des gerade beschriebenen Prozesses mit der Fähigkeit zu einem Zählen der sich an das Homogenisierungselement anlagernden Partikel ausgestaltbar sein kann. Weiterhin kann es möglich sein, dass die Resonanzfrequenz der Membran durch Geometrieparameter, beispielsweise die Dicke D_M, eine Form der Membran, den Radius R_M und den Äquivalentradius, und/oder durch das Material, insbesondere Materialeigenschaften, festlegbar ist. Weiterhin kann es möglich sein, dass die Sensoranordnung auch bei sehr hohen Temperaturen einsetzbar ist.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und optionale Merkmale der Erfindung sind in den Ausführungsbeispielen dargestellt, welche in den nachfolgenden Zeichnungen schematisch gezeigt sind.
Es zeigen:

1A und B ein Diagramm zur Illustration einer Massesensitivität einer Membran ohne Homogenisierungselement in Abhängigkeit von einem Abstand eines Anlagerungsorts eines Partikels zu einem Mittelpunkt der Membran (1A) und eine perspektivische Ansicht der Membran ohne Homogenisierungselement (1B);
2 Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einem verdickten Membranbereich als Homogenisierungselement; und
3A und 3B Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einem Aufsatz als Homogenisierungselement, wobei eine Sensorfläche des Aufsatzes und eine Sensorfläche der Membran in 3A gleich groß sind und die Sensorfläche des Aufsatzes in 3B größer ist als die Sensorfläche der Membran.

Diese Figuren werden im Folgenden gemeinsam erläutert.
1A zeigt ein Diagramm 110 basierend auf Simulationsergebnissen zur Illustration einer Massesensitivität 112 einer Membran 114 ohne Homogenisierungselement 116 in Abhängigkeit von einer relativen radialen Position 118 eines Anlagerungsorts 120 eines Partikels 122 bezogen auf einen Mittelpunkt 124 der Membran 114. Dazu ist die Massesensitivität S 112 in der Einheit Hz/fg auf logarithmischer Skala aufgetragen gegen die relative radiale Position R 118 des Anlagerungsorts 120 des Partikels 122 bezogen auf den Mittelpunkt 124 der Membran 114. Hierbei entspricht die relative radiale Position R von 0 dem Mittelpunkt 124 der Membran 114, die relative radiale Position R von 1 dem Rand 136 der Membran 114. Die Massesensitivität 112 der Membran 114 wird beschrieben durch eine Änderung einer Resonanzfrequenz, insbesondere einer Eigenfrequenz, der Membran 114, welche in Hz angegeben wird, aufgrund eines von einer Anlagerung des Partikels 122 verursachten Massenzuwachses der Membran 114, welcher in fg (10^-15 Gramm) angegeben wird. Das Diagramm 110 zeigt den Zusammenhang exemplarisch für drei Membranen 114, welche einen Radius R_M 126 von 25 µm oder 50 µm oder 75 µm aufweisen. Dabei stellen die Graphen mit den Bezugszeichen 128, 130 und 132 die Abhängigkeit der Massesensitivität S 112 der Membranen 114 mit den Radien R_M 126 von 25 µm, 50 µm und 75 µm dar. Das Diagramm 110 zeigt, dass die Massesensitivität 112 in radialer Richtung 134 vom Mittelpunkt 124 der Membran 114 hin zum Rand 136 der Membran 114 für alle drei Membranen 114 um mehrere Größenordnungen abnimmt. Die Simulationsergebnisse beziehen sich auf eine Membran 114 aus Siliziumkarbid. 1B zeigt exemplarische eine solche Membran 114 ohne Homogenisierungselement 116.
Die 2, 3A und 3B zeigen verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 138 zur Erfassung von den Partikeln 122 eines Messgases in einem Messgasraum in einer Querschnittsansicht. Die Sensoranordnung 138 umfasst mindestens ein mikromechanisches Sensorelement 140. Das mikromechanische Sensorelement 140 umfasst mindestens ein Substrat 142 und mindestens eine Membran 114. Die Membran 114 weist mindestens eine durch Anlagerung der Partikel 122 veränderbare Resonanzfrequenz auf. Das mikromechanische Sensorelement 140 umfasst weiterhin mindestens eine Antriebselement 144, wobei die Membran 114 mithilfe des Antriebselements 144 in Schwingung versetzbar ist. Ferner umfasst die Sensoranordnung 138, insbesondere das mikromechanische Sensorelement 140, ein mit der Membran 114 verbundenes Homogenisierungselement 116. Das Homogenisierungselement 116 ist zumindest teilweise dem Messgas aussetzbar. Weiterhin ist das Homogenisierungselement 116 eingerichtet, um eine Abhängigkeit einer Änderung der Resonanzfrequenz von dem Anlagerungsort 120 der Partikel zu beeinflussen.
Die Sensoranordnung 138 kann weiterhin eine in den Figuren nicht gezeigte Steuereinheit aufweisen. Die Steuereinheit kann insbesondere mindestens eine Messvorrichtung und/oder mindestens eine elektrische Energiequelle aufweisen. Weiterhin kann die Steuereinheit mindestens einen Prozessor oder Schaltkreis aufweisen, welcher eine Steuerungsfunktion und/oder Auswertungsfunktion mindestens eines mit der Sensoranordnung 138, insbesondere mit dem mikromechanischen Sensorelement 140, erzeugten Messsignals ausüben kann. Die Steuereinheit kann insbesondere eingerichtet kann sein, um die Resonanzfrequenz zu erfassen und daraus auf eine Partikelkonzentration in dem Messgas zu schließen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit eingerichtet sein, eine Änderung der Resonanzfrequenz, beispielsweise die Änderung in einer vorgegebenen Zeiteinheit oder eine Änderungsrate, zu erfassen und daraus auf die Partikelkonzentration in dem Messgas zu schließen.
Die Sensoranordnung 138 umfasst mindesten eine Membran 114 und mindestens ein mit der Membran 114 verbundenes Homogenisierungselement 116. Das Homogenisierungselement 116 kann, wie in 2 gezeigt, als in die Membran integriertes Homogenisierungselement 116 ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Homogenisierungselement 116 als eine Verdickung 146 der Membran 114 ausgebildet sein, wie ebenfalls in 2 zu sehen. Das Homogenisierungselement 116 kann eine hohe Steifigkeit, insbesondere eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen. Die Membran 114 und das Homogenisierungselement 116 können mindestens ein Schwingsystem bilden, wobei das Schwingsystem durch das Antriebselement 144 in eine gemeinsame Schwingung versetzbar ist. Bei einer gemeinsamen Schwingung der Membran 114 und des Homogenisierungselements 116 kann die Membran 114 eine Biegeschwingung ausführen, während das Homogenisierungselement 116 steif oder weitgehend steif bleibt und lediglich seine Position im Raum aufgrund der mechanischen Verbindung mit der schwingenden Membran zeitlich schwankt, während eine geometrische Form des Homogenisierungselements 116 im Raum sich nicht oder kaum ändert. Insbesondere kann sich das Homogenisierungselement 116 bei einer Biegeschwingung der Membran 114 im Wesentlichen parallel zu dem Antriebselement 144, insbesondere zu der weiter unten noch näher beschriebenen und in 2 dargestellten ersten Elektrodeneinrichtung 148 und/oder der ebenfalls weiter unten noch näher beschriebenen zweiten Elektrodeneinrichtung 150, bewegen.
Die Membran kann eine Dicke D_M von 10 nm bis 20 µm, bevorzugt von 10 nm bis 15 µm, mehr bevorzugt von 10 nm bis 10 µm, besonders bevorzugt von 10 nm bis 5 µm aufweisen, wie in 2 zu sehen. Das Homogenisierungselement kann eine Dicke D_H aufweisen, wie ebenfalls in 2 dargestellt. Insbesondere kann die Dicke D_H des Homogenisierungselements 116 die Dicke D_M der Membran 114 überschreiten. Insbesondere kann die Dicke D_H des Homogenisierungselements 116 zu der im Vergleich zu der Membran 114 höheren Steifigkeit, insbesondere der höheren Biegesteifigkeit, beitragen. Die Membran 114 kann mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumkarbid; Siliziumoxid, Siliziumnitrid; Siliziumkarbonitrid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Das Homogenisierungselement 116 kann ebenfalls Siliziumkarbid umfassen. Insbesondere kann die Verdickung 146 beispielsweise durch eine weitere Abscheidung von Membranmaterial geformt sein. Insbesondere kann das Homogenisierungselement 116 das Material der Membran 114 aufweisen. Das Homogenisierungselement kann mit einer Sensorfläche 152 der Membran 114 verbunden sein. Auch das Homogenisierungselement kann eine Sensorfläche 152 aufweisen. So können beispielsweise die Membran 114 und das Homogenisierungselement 116 jeweils mindestens eine Sensorfläche 152 aufweisen, an die die Partikel 122 sich direkt oder indirekt anlagern können. Die indirekte Anlagerung von Partikeln 122 an der Sensorfläche 152 der Membran 114 kann beispielsweise über die Anlagerung von Partikeln 122 auf dem mit der Sensorfläche 152 der Membran 114 verbundenen Homogenisierungselement 116 geschehen. Die Sensorfläche 152 des Homogenisierungselements 116 kleiner sein als die Sensorfläche 152 der Membran 114. Insbesondere kann das als Verdickung 146 der Membran 114 ausgeprägte Homogenisierungselement 116 eine Sensorfläche 152 aufweisen, die kleiner ist als die Sensorfläche 152 der Membran 114, wie in 2 gezeigt. Das Homogenisierungselement 116 kann weiterhin mit einem Zentralbereich 170 der Membran 114 verbunden sein. Insbesondere kann das Homogenisierungselement 116 mit dem Mittelpunkt 124 und/oder mit einem Schwerpunkt 153 der Membran 114 verbunden sein, wie in 2 für das als Verdickung 146 ausgeprägte Homogenisierungselement 116 gezeigt.
Das mikromechanische Sensorelement 140 kann weiterhin mindestens eine Kavität 154 aufweisen. Wie in 2 dargestellt kann die Membran 114 die Kavität 154 gegen die Partikel 122 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, abschließen. Die Membran 114 kann kreisförmig 156 ausgestaltet sein, wie ebenfalls beispielsweise in 2 zu sehen. Auch andere Ausgestaltungsformen, beispielsweise elliptische Ausgestaltungsformen, sind jedoch grundsätzlich möglich. Insbesondere kann die Membran einen Radius R_M oder Äquivalentradius von 1 µm bis 10 mm aufweisen, bevorzugt von 10 µm bis 150 µm.
Das mikromechanische Sensorelement 140 weist mindestens ein Antriebselement 144 auf. Wie in 2 zu sehen, kann das Antriebselement 144 mindestens eine erste Elektrodeneinrichtung 148 und mindestens eine zweite Elektrodeneinrichtung 150 umfassen, wobei die erste Elektrodeneinrichtung 148 mit der Membran 114 in elektrischem Kontakt steht, wobei die zweite Elektrodeneinrichtung 150 von der Membran 114 elektrisch isoliert ist. Die erste Elektrodeneinrichtung 148 und die zweite Elektrodeneinrichtung 150 können jeweils mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumkarbid; dotiertes Silizium. Weiterhin kann die Membran 114 ein dielektrisches Material, insbesondere Siliziumnitrid, Siliziumkarbonitrid und/oder Siliziumoxid, umfassen, welches eine leitfähige Beschichtung aufweisen kann. Insbesondere kann die leitfähige Beschichtung als erste Elektrodeneinrichtung 148 fungieren. Die erste Elektrodeneinrichtung 148 und die zweite Elektrodeneinrichtung 150 können eingerichtet sein, die Membran 114 durch eine Beaufschlagung der ersten Elektrodeneinrichtung 148 und der zweiten Elektrodeneinrichtung 150 mit einer Spannung in Schwingung zu versetzen, insbesondere in eine Schwingung mit der Resonanzfrequenz der Membran 114. Weiterhin können die erste Elektrodeneinrichtung 148 und die zweite Elektrodeneinrichtung 150 eingerichtet sein, die Schwingung der Membran 114 zu detektieren. Insbesondere kann die zweite Elektrodeneinrichtung 150 auf einer ersten elektrisch isolierenden Schicht 158 aufgebracht sein, wie in 2 zu sehen. Die zweite Elektrodeneinrichtung 150 kann von einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht 160 zumindest teilweise umgeben sein. Auch die erste Elektrodeneinrichtung 148 kann von der zweiten elektrisch isolierenden Schicht 160 zumindest teilweise umgeben sein. Die erste elektrisch isolierende Schicht 158 und die zweite elektrisch isolierende Schicht 160 können jeweils mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumoxid; Siliziumnitrid. Weiterhin kann die Membran 114 ganz oder teilweise Bestandteil des Antriebselements 144 sein, wie in 2 zu sehen. Insbesondere kann die Membran 114 die erste Elektrodeneinrichtung 148 umfassen. Insbesondere kann die Membran 114 elektrisch leitfähig sein. Auch das Homogenisierungselement 116 kann elektrisch leitfähig sein. Die erste Elektrodeneinrichtung 148 und die zweite Elektrodeneinrichtung 150 können jeweils mindestens eine erste elektrische Kontaktierung 162 aufweisen. Die erste elektrische Kontaktierung 162 kann insbesondere Platin umfassen. Die Membran 114 kann mindestens eine erste elektrische Kontaktierung 162 und mindestens eine zweite elektrische Kontaktierung 164 aufweisen. Insbesondere kann es sich bei der ersten elektrischen Kontaktierung 162 der Membran 114 um die erste elektrische Kontaktierung 162 der ersten Elektrodeneinrichtung 148 handeln, wie in 2 zu sehen, beispielsweise wenn die Membran 114 die erste Elektrodeneinrichtung 148 umfasst. Weiterhin kann die Membran 114 durch die erste elektrische Kontaktierung 162 und die zweite elektrische Kontaktierung 164 mit einem Strom und/oder einer Spannung beaufschlagbar sein. Auch andere, in den Figuren nicht gezeigte Ausgestaltungen des Antriebselements 144, beispielsweise über piezoelektrische und/oder piezoresistive Elemente sind möglich.
Das mikromechanische Sensorelement 140 kann mindestens ein in den Figuren nicht gezeigtes Heizelement umfasst, wobei die Membran 114 und/oder das Homogenisierungselement 116 mithilfe des Heizelements beheizbar sind. Insbesondere kann das Heizelement eingerichtet sein, das mikromechanische Sensorelement 140, insbesondere die Membran 114 und/oder das Homogenisierungselement 116 auf eine Temperatur von 550 °C bis 900 °C, vorzugsweise von 600 °C bis 850 °C, besonders bevorzugt von 650 °C bis 750 °C zu beheizen, beispielsweise um das mikromechanische Sensorelement 140, insbesondere die Membran 114 und/oder das Homogenisierungselement 116 von den Partikeln 122, insbesondere von den Rußpartikeln freizubrennen. Weiterhin können die Membran 114 und/oder das Homogenisierungselement 116 insbesondere ganz oder teilweise Bestandteil des Heizelements sein.
Insbesondere kann die Membran 114 durch Beaufschlagung mit dem Strom oder der Spannung über die erste elektrische Kontaktierung 162 und die zweite elektrische Kontaktierung 164, wie oben beschrieben, beheizbar sein. Weiterhin kann auch das Heizelement mindestens eine erste elektrische Kontaktierung 162 und mindestens eine zweite elektrische Kontaktierung 164 aufweisen. Insbesondere kann die erste elektrische Kontaktierung 162 des Heizelements die erste elektrische Kontaktierung 162 der Membran 114 umfassen und die zweite elektrische Kontaktierung 164 des Heizelements kann die zweite elektrische Kontaktierung 164 der Membran 114 umfassen, insbesondere in Ausführungsformen, in denen die Membran 114 ganz oder teilweise Bestandteil des Heizelementes ist.
Das mikromechanische Sensorelement 140 umfasst die mindestens eine Membran 114. In einer in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsform kann das mikromechanische Sensorelement 140 insbesondere mindestens zwei Membranen 114 umfassen. Insbesondere können die mindestens zwei Membranen 114 jeweils mindestens eine Resonanzfrequenz aufweisen. Hierbei können sich die mindestens zwei Membranen 114 in ihrer jeweils mindestens einen Resonanzfrequenz unterscheiden. Die jeweils mindestens eine Resonanzfrequenz der mindestens zwei Membranen 114 können jedoch auch identisch sein. Insbesondere können die mindestens zwei Membranen elektrisch parallel geschaltet sein. In einer weiteren in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsform kann das mikromechanische Sensorelement 140 mindestens zwei Gruppen von Membranen 114 aufweisen, wobei jede Gruppe mindestens zwei Membranen 114 umfasst. Hierbei können die Membranen 114 innerhalb mindestens einer der mindestens zwei Gruppen identisch sein, insbesondere dieselbe mindestens eine Resonanzfrequenz aufweisen. Ferner können die Membranen 114, innerhalb mindestens einer der mindestens zwei Gruppen auch in weiteren Merkmalen übereinstimmen, wie beispielsweise in dem Radius R_M , dem Äquivalentradius, der Dicke D_M , dem Material und einer Form. Weiterhin können sich die Membranen 114, verschiedener Gruppen unterscheiden, beispielsweise in mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: der mindestens eine Resonanzfrequenz; dem Radius R_M ; dem Äquivalentradius; der Dicke D_M ; dem Material; der Form. Weiterhin kann das mikromechanische Sensorelement 140 in ein in den Figuren nicht gezeigtes Schutzrohr aufgenommen sein.
Die 3A und 3B zeigen weitere Ausführungsformen der Sensoranordnung 138, die mit der in 2 gezeigten Ausführungsform in weiten Teilen übereinstimmen. In den in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 138 ist das Homogenisierungselement 116 jedoch als mit der Membran 114 verbundener Aufsatz 166 ausgebildet, welcher separat von der Membran 114 ausgebildet und mit der Membran 114 über einen Steg 168 verbundenen ist. Auch eine Verbindung über ein anders ausgestaltetes Element ist grundsätzlich möglich. Abgesehen von der in 2 dargestellten Verdickung 146 und dem in den 3A und 3B gezeigten Aufsätzen 166 sind auch weitere Homogenisierungselemente 116 möglich, beispielsweise ein versteifter Membranbereich.
Der versteifte Membranbereich kann insbesondere einen Zentralbereich 170 der Membran 114 umfassen. Weiterhin kann der Aufsatz 166 mit dem Zentralbereich 170 der Membran 114 verbunden sein, insbesondere durch mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Steg 168; einem Stift; einer Säule. Wie in den 3A und 3B gezeigt, kann der Aufsatz 166 mit dem Zentralbereich 170 der Membran 114 verbunden sein, insbesondere steif verbunden. Wie in den 3A und 3B gezeigt kann der Aufsatz 166 weiterhin insbesondere mit dem Mittelpunkt 124 und/oder mit dem Schwerpunkt 153 der Membran 114 verbunden sein, insbesondere durch mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: dem Steg 168; dem Stift; der Säule.
Weiterhin kann eine Dicke des Aufsatzes 166 die Dicke D_M der Membran 114 überschreiten, wie in den 3A und 3B zu sehen. Ferner kann, wie in 3B gezeigt, die Sensorfläche 152 des Homogenisierungselements 116, insbesondere des Aufsatzes 166, größer sein als die Sensorfläche 152 der Membran 114. Die Sensorfläche 152 der Membran 114 und die Sensorfläche 152 des Homogenisierungselements 116, insbesondere des Aufsatzes 166, können aber auch gleich groß sein, wie in 3B dargestellt. Insbesondere kann die Sensorfläche 152 des Homogenisierungselements 116, insbesondere des Aufsatzes 166, die Sensorfläche 152 der Membran 114 vollständig überdecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10149333 A1 [0003]
WO 2003/006976 A2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ochs, T., Schittenhelm, H., Genssle, A., and Kamp, B., „Particulate Matter Sensor for On Board Diagnostics (OBD) of Diesel Particulate Filters (DPF)“, SAE Int. J. Fuels Lubr. 3(1):61-69, 2010, doi:10.4271/2010-01-0307 [0003]
Arash Hajjam, James C. Wilson, Siavash Pourkamali, IEEE Sensors Journal, Volume: 11, Issue: 11, Nov. 2011, Pages: 2883 - 2890, Date of Publication: 25 April 2011, „Individual Air-Borne Particle Mass Measurement Using High-Frequency Micromechanical Resonators“ [0004]

Claims

Sensoranordnung (138) zur Erfassung von Partikeln (122) eines Messgases in einem Messgasraum, wobei die Sensoranordnung (138) mindestens ein mikromechanisches Sensorelement (140) umfasst, wobei das mikromechanische Sensorelement (140) mindestens ein Substrat (142) und mindestens eine Membran (114) umfasst, wobei die Membran (114) mindestens eine durch Anlagerung der Partikel (122) veränderbare Resonanzfrequenz aufweist, wobei das mikromechanische Sensorelement (140) weiterhin mindestens ein Antriebselement (144) umfasst, wobei die Membran (114) mithilfe des Antriebselements (144) in Schwingung versetzbar ist, wobei die Sensoranordnung (138) weiterhin mindestens ein mit der Membran (114) verbundenes Homogenisierungselement (116) aufweist, wobei das Homogenisierungselement (116) zumindest teilweise dem Messgas aussetzbar ist, wobei das Homogenisierungselement (116) eingerichtet ist, um eine Abhängigkeit einer Änderung der Resonanzfrequenz von einem Anlagerungsort (120) der Partikel (122) zu beeinflussen.
Sensoranordnung (138) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sensoranordnung (138) weiterhin eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, um die Resonanzfrequenz zu erfassen und daraus auf eine Partikelkonzentration in dem Messgas zu schließen.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Homogenisierungselement (116) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem in die Membran (114) integrierten Homogenisierungselement (116) und einem separat von der Membran (114) ausgebildeten und mit der Membran (114) verbundenen Homogenisierungselement (116).
Sensoranordnung (138) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Homogenisierungselement (116) mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem versteiften Membranbereich; einer Verdickung (146) der Membran (114); einem mit der Membran (114) verbundenen Aufsatz (166).
Sensoranordnung (138) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Homogenisierungselement (116) mit einem Zentralbereich (170) der Membran (114) verbunden ist.
Sensoranordnung (138) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufsatz (166) mit einem Zentralbereich (170) der Membran (114) verbunden ist, insbesondere durch mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Steg (168), einem Stift, einer Säule.
Sensoranordnung (138) nacheinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Sensorfläche (152) des Homogenisierungselements (116) größer ist als die Sensorfläche (152) der Membran (114).
Sensoranordnung (138) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Homogenisierungselement (116) eine hohe Biegesteifigkeit aufweist.
Sensoranordnung (138) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Sensorelement (138) mindestens zwei Membranen (114) umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung (138) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen des mindestens einen Substrats (142); b) Erzeugen der mindestens einen Membran (114); und c) Erzeugen des mindestens einen mit der Membran (114) verbundenen Homogenisierungselements (116).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren weiterhin folgenden Verfahrensschritt umfasst: d) Bereitstellen des mindestens einen Antriebselements (144) derart, dass die Membran (114) mithilfe des Antriebselements (144) in Schwingung versetzbar ist.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erzeugen des Homogenisierungselements (116) in Schritt c) ein Verdicken und/oder ein Versteifen der Membran (114) umfasst.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt b) die folgenden Teilschritte umfasst: bl) Aufbringen mindestens einer ersten elektrisch isolierenden Schicht auf dem Substrat (142); b2) Aufbringen mindestens einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht auf die erste elektrisch isolierende Schicht (158); b3) Strukturieren der ersten elektrisch leitfähigen Schicht zu mindestens einer zweiten Elektrodeneinrichtung (150); b4) Aufbringen einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht (160) auf die zweite Elektrodeneinrichtung (150); b5) Teilweises Entfernen der zweiten elektrisch isolierenden Schicht (160) zur Vorbereitung mindestens einer ersten elektrischen Kontaktierung (162) der zweiten Elektrodeneinrichtung (150); b6) Aufbringen mindestens einer ersten Opferschicht auf die zweite elektrisch isolierenden Schicht (160); b7) Aufbringen mindestens einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht; b8) Strukturieren der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht zu mindestens einer ersten Elektrodeneinrichtung (148); und b9) Zumindest teilweises Entfernen der ersten Opferschicht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Erzeugen des Homogenisierungselements (116) in Schritt c) weiterhin folgende Schritte umfasst: c1) Aufbringen mindestens einer zweiten Opferschicht auf die zweite elektrisch leitfähige Schicht; c2) Aufbringen mindestens einer dritten elektrisch leitfähigen Schicht auf die zweite Opferschicht, wobei die dritte elektrisch leitfähige Schicht mit der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht verbunden ist, insbesondere durch einen in dem Zentralbereich (170) der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht verankerten Steg (168); c3) Zumindest teilweises Entfernen der zweiten Opferschicht; und c4) Strukturieren der dritten elektrisch leitfähigen Schicht zu dem Aufsatz (166).
Verfahren zur Erfassung von Partikeln in einem Messgas in einem Messgasraum, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: i) Bereitstellen mindestens einer Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden, eine Sensoranordnung betreffenden Ansprüche; ii) Versetzen der Membran in Schwingung mithilfe des mindestens einen Antriebselements; iii) Beaufschlagen des mikromechanischen Sensorelements mit dem Messgas; iv) Erfassen der Resonanzfrequenz der Membran; und v) Ermitteln einer Partikelkonzentration in dem Messgas aus der Resonanzfrequenz.