DE102017213520A1

DE102017213520A1 - Referenzkammer für einen Fluidsensor, Fluidsensor, Vorrichtung mit einem Fluidsensor und Verfahren zum Bereitstellen einer Referenzkammer sowie zum Bestimmen einer Atmosphäreneigenschaft in einer Referenzkammer

Info

Publication number: DE102017213520A1
Application number: DE102017213520.4A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; David Tumpold
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2019-02-07
Also published as: US11549917B2; US20190041363A1

Abstract

Eine Referenzkammer für einen Fluidsensor umfasst ein Gehäuse, eine auslenkbare Struktur, die beweglich innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur zu einem ersten Zeitpunkt so anzusteuern dass die auslenkbare Struktur eine definierte Position einnimmt, und um zu einem zweiten Zeitpunkt die auslenkbare Struktur so anzusteuern, dass sich die auslenkbare Struktur aus der definierten Position herausbewegt und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur in dem Gehäuse erhalten wird. Die Referenzkammer umfasst eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur basierend auf dem Bewegen in die definierte Position oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus zu bestimmen und um basierend auf der Bewegungscharakteristik eine Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Referenzkammer für einen Fluidsensor, beispielsweise einen Gassensor, auf einen Fluidsensor mit einer derartigen Referenzkammer, auf eine Vorrichtung mit einem Fluidsensor und auf ein Verfahren zum Bereitstellen einer Referenzkammer sowie ein Verfahren zum Bestimmten einer Atmosphäreneigenschaft in einer Referenzkammer. Die vorliegende Offenbarung beschreibt ferner auf eine resonanzbasierte Auto-Kalibrierung für geschlossene photoakustische Sensoren (PAS).
Photoakustische Sensoren (PAS) können einen Infrarot-Emitter (Signalquelle) und eine Referenzkammer (Signalsenke) aufweisen, zwischen denen ein Absorptionspfad angeordnet ist. Thermische Strahlung kann von dem Emitter durch den Absorptionspfad hin zu der Referenzzelle gesendet werden, wobei ein Teil der thermischen Strahlung in dem Absorptionspfad von einem dort befindlichen Gas manipuliert oder absorbiert wird, das bedeutet, dass Gas wirkt wie ein Filter. Die gefilterte Strahlung kann in der Referenzkammer empfangen werden und ausgewertet werden, wodurch ein Rückschluss auf das in dem Absorptionspfad befindliche Gas ermöglicht wird.
Wünschenswert wären Referenzkammern für Fluidsensoren und Fluidsensoren sowie Vorrichtungen mit derartigen Fluidsensoren, die zuverlässig sind und/oder eine zuverlässige Auswertung des Gases in dem Absorptionspfad ermöglichen.
Ausführungsbeispiele schaffen eine Referenzkammer für einen Fluidsensor. Die Referenzkammer umfasst ein Gehäuse und eine auslenkbare Struktur, die beweglich innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die Referenzkammer umfasst eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur zu einem ersten Zeitpunkt so anzusteuern dass die auslenkbare Struktur eine definierte Position einnimmt. Die Steuereinrichtung ist ferner ausgebildet, um zu einem zweiten Zeitpunkt die auslenkbare Struktur so anzusteuern, dass sich die auslenkbare Struktur aus der definierten Position herausbewegt und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur in dem Gehäuse erhalten wird. Die Referenzkammer umfasst eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur basierend auf dem Bewegen in die definierte Position und/oder basierend auf der Bewegungscharakteristik eine Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse zu bestimmen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft einen Fluidsensor mit einem Emitter, der ausgebildet ist, um eine thermische Strahlung zu emittieren und mit einer Referenzkammer gemäß hierin beschriebenen Ausführungen. Der Fluidsensor umfasst einen Absorptionspfad, der zwischen dem Emitter und der Referenzkammer angeordnet ist. Der Fluidsensor ist ausgebildet, um basierend auf einer Auswertung einer durch die thermische Strahlung erzeugten Bewegung der auslenkbaren Struktur eine photoakustische Auswertung eines in dem Absorptionspfad angeordneten Fluids vorzunehmen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Referenzkammer. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Gehäuses und ein Anordnen einer auslenkbaren Struktur, so dass die auslenkbare Struktur beweglich innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ein Anordnen einer Steuereinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur zu einem ersten Zeitpunkt so anzusteuern, dass die auslenkbare Struktur eine definierte Position einnimmt, und um zu einem zweiten Zeitpunkt die auslenkbare Struktur so anzusteuern, dass die auslenkbare Struktur aus der definierten Position herausbewegt wird und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur in dem Gehäuse erhalten wird. Das Verfahren umfasst ein Anordnen einer Auswerteeinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um eine Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur basierend auf dem Bewegen in die definierte Position und/oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus zu bestimmen und um basierend auf der Bewegungscharakteristik eine Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse zu bestimmen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Bestimmen einer Atmosphäreneigenschaft in einer Referenzkammer, die eine auslenkbare Struktur aufweist, die beweglich innerhalb eines Gehäuses der Referenzkammer angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ein Auslenken der auslenkbaren Struktur zu einem ersten Zeitpunkt, so dass die auslenkbare Struktur eine definierte Position einnimmt und so dass sich die auslenkbare Struktur zu einem zweiten Zeitpunkt aus der definierten Position herausbewegt und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur in dem Gehäuse erhalten wird. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur basierend auf dem Bewegen in die definierte Position und/oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestimmen einer Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse basierend auf der Bewegungscharakteristik.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenschnittansicht einer Referenzkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2a-2f eine Referenzkammer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei der eine auslenkbare Membran Teil eines Mikrophons ist;
3a schematisch einen Bewegungsverlauf der Membran, wie er anhand der 2a bis 2f beschrieben ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3b einen schematischen Graph einer Auswertung des Bewegungsverlaufs aus 3a im Frequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3c-d einen Bewegungsverlauf der Membran und einen zugehörigen schematischen Graph einer Auswertung des Bewegungsverlaufs gemäß den 3a-b, bei dem das Gehäuse undicht ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Anordnung der Membran gegenüber einer Statorelektrode, bei der zwischen der Membran und der Statorelektrode eine Isolationsstruktur angeordnet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Seitenschnittansicht einer Referenzkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Statorelektrode beispielsweise in das Gehäuse integriert ist;
6 ein schematisches Blockschaltbild eines Fluidsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 ein schematisches Ersatzschaltbild für den Fluidsensor aus 6 gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8a-8f eine schematische Darstellung einer Autokalibrierung eines Fluidsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 ein schematisches Blockschaltbild eines Fluidsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, der eine Mehrzahl von Referenzkammern aufweist;
10 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die den Fluidsensor aus 6 umfasst;
11 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Bereitstellen einer Referenzkammer; und
12 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, das angewendet werden kann, um eine Atmosphäreneigenschaft in einer Referenzkammer zu bestimmen.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine auslenkbare Struktur, die an einem Substrat aufgehängt sein kann. Manche der nachfolgenden Ausführungen beziehen sich dabei auf eine auslenkbare Struktur, die als Membran ausgeführt ist, die an dem Substrat aufgehängt ist. Bei der Membran kann es sich um eine geschlossene Membran handeln, die keine oder lediglich geringfügige Öffnungen aufweist. Alternativ kann es sich bei der auslenkbaren Struktur um eine offene Membran handeln, die Öffnungen aufweist, etwa verbliebene Release-Öffnungen, die während einer Unterätzung verwendet werden. Die Membran kann vollständig umschlossen aufgehängt sein oder wenn teilweise aufgehängt sein. Bspw. kann die Membran teilweise geschlitzt ausgeführt sein, so dass die Membran unvollständig, d. h., mit weniger als 360°, an einem äußeren Umfang mit dem Substrat verbunden ist. Gemäß einer Ausführung kann die Membran über 360° aufgehängt sein, jedoch in ersten Intervallen von bspw. 10° eine Aussparung oder einen Schlitz aufweisen und mit alternierenden Intervallen von bspw. 10° mit dem Substrat verbunden sein. Die Schlitze können Öffnungen bereitstellen, an denen die Membran dann nicht an dem Substrat aufgehängt ist. Dies kann bspw. 18 Teilbereiche bereitstellen in denen die Membran über jeweilige Winkel von 10° mit dem Substrat verbunden ist und zwischen denen jeweils Schlitze mit 10° Öffnungswinkel angeordnet sind, also 18 Befestigungsintervalle und 18 Öffnungsintervalle. Die Anzahl, Anordnung und Ausdehnung ist hierbei lediglich beispielhaft und ohne einschränkende Wirkung zu verstehen.
Das Selbe kann für Balken oder Plattenstrukturen gelten, wenn diese auf zumindest einer Seite oder Platten auf 2 Seiten aufgehängt werden. Das bedeutet, alternativ oder zusätzlich kann die auslenkbare Struktur auch ganz oder teilweise durch eine Plattenstruktur, Balkenstruktur und/oder eine druckabhängige mechanische Struktur beliebiger Form gebildet sein oder diese aufweisen. Eine Balken- oder Plattenstruktur kann einseitig, zweiseitig oder mehrseitig an oder in dem Substrat eingespannt angeordnet sein. Für derartige Strukturen kann ebenfalls die Resonanz bestimmt werden.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Referenzkammer für einen Fluidsensor, auf Fluidsensoren mit einer derartigen Referenzkammer, auf Vorrichtungen mit einem derartigen Fluidsensor sowie auf Verfahren zum Bereitstellen einer Referenzkammer bzw. zum Bestimmen einer Atmosphäreneigenschaft in einer derartigen Referenzkammer. In der Referenzkammer kann eine Membran angeordnet sein, die beweglich ist, um basierend auf einer empfangenen thermischen Strahlung, die mit einer Füllung in dem Gehäuse der Referenzkammer oder mit der Membran selbst wechselwirkt, ausgelenkt zu werden. Bei der Membran kann es sich um einen Teil eines mikromechanischen System (MMS) oder eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) handeln. Manche der nachfolgenden Ausführungsbeispiele können so gebildet sein, dass die Referenzkammer ein MEMS-Mikrophon aufweist, das wiederum eine bewegliche Membran aufweist, die für die hierin beschriebenen Messzwecke verwendet wird. Alternativ kann es sich um eine andere Art von MMS oder MEMS-Druckwandler handeln.
MMS/MEMS-Druckwandler können in Halbleitertechnologie gefertigt sein und/oder Halbleitermaterialien umfassen. Hierzu gehören beispielsweise Schichten oder Wafer umfassend ein Siliziummaterial, ein Galliumarsenid-Material und/oder ein anderes Halbleitermaterial. MMS/MEMS-Strukturen können Schichtfolgen aufweisen, die elektrisch leitende, elektrisch halbleitende und/oder elektrisch schlecht leitende bzw. isolierende Schichten umfassen, um eine entsprechende MEMS-Funktionalität bereitzustellen. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen können bewegliche Elemente, etwa eine Membran, an einem Substrat aufgehängt werden. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein amorphes, polykristallines oder kristallines Halbleitermaterial handeln, etwa Silizium.
1 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Referenzkammer 10, die für einen Fluidsensor verwendet werden kann. Die Referenzkammer 10 umfasst ein Gehäuse 12, das ein Volumen 14 umschließt. Die Referenzkammer 10 umfasst ferner eine auslenkbare Struktur 16, die beweglich innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist. Die auslenkbare Struktur 16 wird nachfolgend als Membran beschrieben, kann jedoch auch anders gebildet sein und/oder andere Strukturen umfassen, etwa eine Balkenstruktur und/oder eine Plattenstruktur. Alternativ oder zusätzlich kann die Membran teilweise oder vollständig aufgehängt sein. Eine bewegliche Anordnung bedeutet hierbei, dass die Membran 16 auslenkbar ist. Das bedeutet, sie kann von einem Substrat 18, etwa in einem Randbereich der Membran 16, gehalten oder eingespannt sein und in einem Mittenbereich auslenkbar sein, etwa wenn eine thermische Strahlung 23 auf das Volumen 14 trifft. Ist beispielsweise ein Gas in dem Volumen 14 angeordnet, so kann dieses basierend auf der thermischen Strahlung 23 expandieren und einen Druckunterschied zwischen Teilkavitäten 22a und 22b in dem Volumen 14 erzeugen, was zu einer Auslenkung der Membran 16 führen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Membran 16 auch an einer anderen Stelle aufgehängt oder eingespannt sein. Für einen Rückschluss von dem Membranverhalten auf ein Fluid, durch welches die thermische Strahlung 23 verlaufen ist, kann eine Kenntnis bezüglich einer Füllung oder einer angenommenen Atmosphäreneigenschaft des Volumens 14 verwendet werden. Die Atmosphäreneigenschaft kann sich auf eine Eigenschaft der Füllung, also eine Anwesenheit oder Abwesenheit eines Fluids in dem Gehäuse 12 beziehen, die sich durch eine Undichtigkeit des Gehäuses 12 verändern kann. Es kann sich bei der Atmosphäreneigenschaft um zumindest eines aus einem Druck innerhalb des Gehäuses 12, auf eine Zusammensetzung eines Fluids in dem Gehäuse 12 und einer Anzahl von Fluidmolekülen in dem Gehäuse 12 handeln. Die Atmosphäreneigenschaft und/oder eine Veränderung derselben kann mit einer veränderten Bewegungscharakteristik der Membran 16 verknüpft sein, einer Totzeit, bis sich die Membran 16 aus der definierten Position bewegt, eine Schwingfrequenz der Membran, eine Schwingamplitude der Membran, eine Schwingungsdämpfung der Schwingung der Membran, einer Flankensteilheit der Bewegung der Membran, einer Grenzfrequenz der Membran und einer Resonanzfrequenz der Schwingung der Membran.
Das bedeutet, eine Kenntnis bezüglich der Atmosphäreneigenschaft, etwa eines Drucks oder Vakuums, einer Zusammensetzung und/oder einer Anzahl von Molekülen eines Referenzfluides oder Referenzgases für eine Kalibrierung des Sensors genutzt werden kann.
Die Referenzkammer 10 umfasst eine Steuereinrichtung 24, die ausgebildet ist, um die Membran 16 zu einem ersten Zeitpunkt so anzusteuern, dass die Membran 16 eine durch gestrichelte Linien dargestellte definierte Position einnimmt. Die Steuereinrichtung 24 ist ausgebildet, um die Membran 16 zu einem zweiten Zeitpunkt so anzusteuern, dass sich die Membran 16 aus der definierten Position herausbewegt, so dass eine Bewegung der Membran 16 in dem Gehäuse 12 erhalten wird. Um die Bewegung in die definierte Position und/oder die Bewegung aus der definierten Position heraus zu erhalten, kann ein Kraftglied oder Aktuator angeordnet sein, der basierend auf einer Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 24 die Membran 16 auslenkt. Beispielsweise können hierfür pneumatische, elektrische, hydraulische und/oder piezoelektrische Aktuatoren vorgesehen sein, die mit der Membran 16 zumindest zeitweise in Kontakt stehen, um eine Kraft zu übertragen. Alternativ kann die Membran 16 auch eine leitfähige Schicht umfassen, das bedeutet, eine Elektrode umfassen und basierend mit einer weiteren Elektrode ein Elektrodenpaar bilden. Dies wird nachfolgend auch so beschreiben, dass es sich bei der Membran 16 um eine Elektrode handeln kann. Die Steuereinrichtung 24 kann ausgebildet sein, um eine elektrische Spannung oder eine Potenzialdifferenz an das Elektrodenpaar anzulegen, um durch Ausnutzung elektrostatischer und/oder elektrodynamischer Kräfte die Bewegung der Membran 16 in die definierte Position und/oder die Bewegung aus der definierten Position heraus zu bewirken.
Die Referenzkammer 10 umfasst eine Auswerteeinrichtung 26, die ausgebildet ist, um eine Bewegungscharakteristik der Bewegung der Membran 16 basierend auf dem Bewegen in die definierte Position und/oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung 26 ist ferner ausgebildet, um basierend auf der Bewegungscharakteristik eine Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse 12 zu bestimmen.
Obwohl die Steuereinrichtung 24 und die Auswerteeinrichtung 26 als innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet dargestellt sind, kann zumindest eines der beiden Elemente außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sein, etwa indem eine Durchkontaktierung vorgesehen ist, die ein Ansteuern oder Auswerten der Membran 16 durch das Gehäuse 12 hindurch ermöglicht. Das bedeutet, obwohl die hierin beschriebenen Ausführungen so gestaltet sind, dass die Referenzkammer die Steuereinrichtung 24 und die Auswerteeinrichtung 26 umfasst, ist dies nicht zwangsläufig so zu verstehen, dass die Steuereinrichtung 24 und/oder die Auswerteeinrichtung 26 zwingend innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sind.
Fluidsensoren können so gebildet sein, dass eine Aussendung einer thermischen Strahlung durch einen Emitter bekannt ist und auch eine Auswirkung der thermischen Strahlung in dem Volumen 14 des Gehäuses 12. Hierfür kann das Volumen 14 ein definiertes Referenzgas, einen definierten Referenzdruck (etwa bei einer Referenztemperatur) und/oder einen Niedrigdruck aufweisen. Als Niedrigdruck wird hier ein technisch implementierbares Vakuum verstanden, das zwar Restmoleküle eines Fluids oder Gases aufweisen kann, im Wesentlichen jedoch als Vakuum zu betrachten ist. Vereinfacht bedeutet dies, dass anstelle eines Referenzgases auch kein Gas oder Fluid in dem Volumen 14 angeordnet sein kann. Unabhängig von der tatsächlichen Befüllung oder Nicht-Befüllung in dem Volumen 14 besteht ein hohes Interesse daran, dass der Zustand innerhalb des Volumens 14 zumindest bei den Referenzbedingungen (Temperatur, Druck, etc.) unverändert bleibt, das bedeutet, dass das Gehäuse 12 das Volumen 14 zuverlässig und unverändert verschließt. In einem Sollzustand, d. h. in einem funktionsgemäßen Betriebszustand bzw. einem Zustand, in dem das Gehäuse 12 als fehlerfrei oder zumindest betriebsbereit angesehen wird, kann das Gehäuse 12 hermetisch dicht gebildet sein.
Dies ermöglicht, dass bei gleichbleibender emittierter thermischer Strahlung ein Unterschied in der durch die thermische Strahlung 23 erfolgten Anregung der Membran 16 auf Unterschiede in dem in dem Absorptionspfad angeordneten Fluid zurückzuführen sind, so dass durch die ausgeführte Auswertung Rückschlüsse auf das in dem Absorptionspfad angeordnete Fluid möglich sind.
Eine Undichtigkeit bzw. ein Leck in dem Gehäuse 12 kann zu einer Veränderung des Zustands in der Referenzkammer 10 führen, so dass hierdurch eine Veränderung oder Verfälschung von Messergebnissen erhalten würde. Gleichzeitig ist die Füllung oder Nicht-Füllung des Volumens 14 jedoch direkt mit der Bewegung der Membran 16 gekoppelt. Verändert sich beispielsweise ein Druck in dem Volumen 14, so verändert sich ein Bewegungswiderstand, der auf die Membran 16 wirkt, da eine Veränderung eines auf die Membran 16 wirkenden mechanischen oder fluidischen Bewegungswiderstands 16 mit einer Veränderung des Drucks und/oder einer Anzahl der Fluidmolekül in dem Volumen 14 einhergeht. Dies kann auch so verstanden werden, dass eine Undichtigkeit in dem Gehäuse 12 zu einer Veränderung einer Zusammensetzung des Fluids in dem Volumen 14, zu einem veränderlichen Druck (steigend oder fallend) oder dergleichen führt, was auch in einer veränderlichen Viskosität oder Masse eines Füllmediums in dem Volumen 14 verstanden werden kann. Diese veränderliche Viskosität oder Masse führt zu einer veränderlichen Bewegung der Membran 16 durch die thermische Strahlung 23 und/oder durch die Ansteuerung der Steuereinrichtung 24. Das bedeutet, dass sich die Atmosphäreneigenschaft auf eines oder mehreren aus einem Druck des Fluids innerhalb des Gehäuses 12, auf eine Zusammensetzung des Fluids in dem Gehäuse 12 und/oder eine Anzahl von Fluidmolekülen in dem Gehäuse 12 beziehen kann.
Ausführungsbeispiele nutzen diesen Effekt, indem eine Veränderung während der Bewegung der Membran 16 in die definierte Position und/oder aus der definierten Position heraus festgestellt wird. Da diese Bewegung durch die Steuereinrichtung erzeugt wird, kann sie unabhängig oder zumindest gering beeinflusst von thermischer Strahlung sein, so dass auch die Anwesenheit oder Beschaffenheit von Fluiden in Absorptionspfaden eine geringe Bedeutung aufweisen können. Vielmehr kann die Bewegung, die durch die Steuereinrichtung bewirkt wird, als Eigenanregung verstanden werden, die von der Auswerteeinrichtung ausgewertet wird. Eine veränderliche Reaktion der Membran 16 auf eine unverändert gebliebene Anregung durch die Steuereinrichtung kann auf eine Veränderung des Fluids in dem Volumen 14 und mithin auf eine Undichtigkeit zurückbezogen werden, was durch eine Rekalibrierung oder durch einen Austausch der Referenzkammer 10 in einem Fluidsensor behoben werden kann.
Anhand der 2a bis 2f wird eine Referenzkammer 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. 2a zeigt die Referenzkammer 20 in einem Zustand, in welchem die Membran in einem Ruhezustand ist, etwa zwischen zwei Messungen. Das Gehäuse 12 kann zumindest teilweise durch ein Trägersubstrat 28, etwa eine Platine oder dergleichen gebildet sein und teilweise durch einen Gehäusedeckel 32, etwa umfassend ein Metallmaterial, ein Halbleitermaterial und/oder ein Kunststoff. Sowohl das Trägersubstrat 28 als auch der Gehäusedeckel 32 können jeweils für sich hermetisch dicht gebildet sein und können ebenfalls hermetisch dicht miteinander verbunden sein, etwas durch Verwendung eines Klebstoffs oder dergleichen. Die Referenzkammer 20 kann ein MEMS-Mikrophon 34 umfassen, das wiederum die Membran 16 als bewegliche Elektrode umfasst. Ferner kann das MEMS-Mikrophon 34 eine Statorelektrode 36 umfassen, die gemeinsam mit der Membran 16 ein Elektrodenpaar bildet, das bedeutet, die Membran 16 kann eine Elektrode eines Elektrodenpaars aufweisen. Das bedeutet, die Membran 16 kann Teil eines Mikrophons und/oder eines anderen Druckwandlers, etwa eines Drucksensors, sein. Die Membran 16 und die Statorelektrode 36 können benachbart zueinander angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können beispielsweise die Elektroden 16 und 36 geschlossen, d. h. ebenfalls hermetisch dicht ausgeführt sein, so dass sich zwischen den beiden Elektroden ein Volumen ausbildet, das geschlossen gegenüber dem restlichen Volumen 14 sein kann, das bedeutet ebenfalls hermetisch ist. Dies ermöglicht die Beibehaltung einer hohen Messgenauigkeit, da die fluidische Kopplung in diesem Zwischenbereich unverändert bleiben kann, selbst wenn das Gehäuse 12 ein Leck aufweist.
Die Recheneinrichtung 38 und/oder die Auswerteeinrichtung 26 können ausgebildet sein, um ein Signal 44 auszugeben, das eine Abweichung der Atmosphäreneigenschaft von einem Referenz- oder Kalibrierzustand unter Berücksichtigung eines Toleranzbereichs anzeigt. Der Toleranzbereich kann beispielsweise ± 100 %, ± 50 % oder ± 20 % der jeweiligen Atmosphäreneigenschaft betragen. Alternativ oder zusätzlich kann das Signal 44 Informationen aufweisen, die die von der Membran 16 ausgeführte Bewegung angeben.
Die Referenzkammer 20 kann eine Recheneinrichtung 38 aufweisen, die die Funktionalität der Steuereinrichtung 24 und der Auswerteeinrichtung 26 einzeln oder kombiniert bereitstellen kann. Bei der Recheneinrichtung 38 kann es sich, ebenso wie bei der Steuereinrichtung 24 und/oder der Auswerteeinrichtung 26, um einen Prozessor, einen Mikrocontroller, ein feldprogrammierbares Gatterarray und/oder um einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (engl.: application specific integrated circuit - ASIC) handeln. Alternativ können auch die Steuereinrichtung 24 und die Auswerteeinrichtung 26 in der Referenzkammer 20 angeordnet sein. Die Recheneinrichtung 38 kann mit dem MEMS-Mikrophon 34 elektrisch verbunden sein. Die Recheneinrichtung 38 kann ausgebildet sein, um eine Spannungsdifferenz an das Elektrodenpaar 16 und 36 anzulegen. Hierdurch kann eine Auslenkung der Membran 16 gegenüber der Statorelektrode 36 erhalten werden.
2f zeigt einen kombinatorischen Verlauf einer Auslenkung der Membran 16 über eine den 2a bis 2e gemeinsam zugrunde gelegte Zeitachse, wobei die Auslenkung der Membran 16 entlang einer x-Richtung dargestellt ist.
In dem in 2a dargestellten Ruhezustand kann die Membran 16 des MEMS-Mikrophons 34 in einer Ruheposition sein. Die Recheneinrichtung 38 kann hierfür beispielsweise eine Spannungsdifferenz an dem Elektrodenpaar anlegen, die geringer ist als eine Snap-In Spannung bzw. eine Pull-In Spannung des MEMS-Mikrophons 34, bei der ein mechanischer Kontakt zwischen den Elektroden 16 und 36 erhalten wird. Beispielsweise kann eine Spannung von 0 V angelegt werden.
Zu einem Zeitpunkt t₂ kann die Recheneinrichtung 38 bzw. die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um eine Spannung an die Elektroden des Elektrodenpaars anzulegen, die größer ist als die Pull-In Spannung. Dies ist in 2b dargestellt. Durch die elektrische Spannung, die größer ist als die Pull-In Spannung, kann die Membran 16 einen mechanischen Kontakt mit der Statorelektrode 36 ausführen. Dies ist in 2f mit der Position x₂ dargestellt. Abhängig von einer Geschwindigkeit, mit der sich die Membran 16 an die Statorelektrode 36 annähert, kann es zu Prelleffekten kommen, das bedeutet, die Membran 16 kann sich zeitweise in einer schwingenden Bewegung wieder von der Statorelektrode 36 bzw. der Position x₂ wegbewegen und kann wieder angezogen und in Richtung der Statorelektrode 36 bewegt werden. Eine derartige schwingende Bewegung der Membran 16 ist durch die gestrichelten Linien dargestellt.
Eine beschriebene Überprüfungsmessung kann zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, etwa im Rahmen einer Qualitätsüberprüfung vor einer Auslieferung. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest während eines Kalibrierintervalls eine solche Routine als Kalibrierintervall, beispielsweise zwischen zwei regulären Messungen, ausgeführt werden, das bedeutet, während eines regulären Betriebs des Sensors zum Einstellen und/oder Überprüfen, ob die zuvor oder nachfolgend ausgeführte Messung ein korrektes Ergebnis liefert.
In anderen Worten wird die Mikrophonmembran an die Rückplattenelektrode, die Statorelektrode 36, herangeführt. Der ASIC 38 stellt eine Spannung bereit, die größer ist als die Pull-In Spannung, das bedeutet, V_bias>V_pull-IN. Die Membran kann beim Anschlagen an die Statorelektrode mit ihren mechanischen Eigenschaften oszillieren oder schwingen. Die mechanischen Eigenschaften können beispielsweise die Eigenfrequenz umfassen und/oder von der Wechselwirkung der Membran 16 mit dem Fluid oder Vakuum in der Kavität 14 beeinflusst sein.
Wie es in 2c dargestellt ist, kann die erhaltene Schwingung ausklingen, so dass nach einem Zeitpunkt t₃ ein statischer Ruhezustand an der Position x₂ erhalten wird. Die Position x₂ kann als eine definierte Position bezeichnet werden, da unabhängig von der Höhe der an das Elektrodenpaar angelegten Spannung stets dieselbe Position eingenommen wird, solange die Spannung größer ist als die Pull-In Spannung. Eine derartige definierte Position könnte auch erhalten werden, wenn zwischen der Statorelektrode 36 und der Membran 16 eine Stützstruktur angeordnet ist, die bezogen auf das Substrat im Wesentlichen unbeweglich ist, so dass der mechanische Kontakt beispielsweise an der Stützstruktur erhalten wird.
Zwischen einem Zeitpunkt t₃ und einem Zeitpunkt t₄ kann die Membran 16 einen Ruhezustand aufweisen, das bedeutet, im Wesentlichen unbeweglich verharren. Hierfür kann die Recheneinrichtung 38 weiterhin eine Spannung anlegen, die größer ist als die Pull-In Spannung. Dies ist in 2c dargestellt. Zum Zeitpunkt t₄ kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um die Membran 16 so anzusteuern, dass sich die Membran 16 aus der definierten Position x₂ herausbewegt. Der Zeitpunkt t₄ kann zeitlich so angeordnet sein, dass die Membran nach der vorhergehenden Schwingungsanregung wieder in einen Ruhezustand oder zumindest einen näherungsweisen Ruhezustand zurückgekehrt ist, das bedeutet, noch maximal 20 %, maximal 10 % oder maximal 5 % einer maximalen Schwingungsamplitude aufweist oder keine Schwingung mehr aufweist. Das bedeutet, die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, um zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt, d. h. dem Herstellen und dem Lösen des mechanischen Kontakts, einen zeitlichen Abstand t₃ bis t₄ oder t₅ bis t₆ abzuwarten, der den Erhalt eines Ruhezustands der Membran 16 ermöglicht.
Für das Lösen der Membran 16 kann die Recheneinrichtung 38 ausgebildet sein, um die Spannung, die an das Elektrodenpaar angelegt wird, zu reduzieren, so dass sie unterhalb einer Haltespannung liegt, wobei die Haltespannung geringer sein kann als die Pull-In Spannung. Nach Reduzieren der Spannung zum Zeitpunkt t₄ kann die Membran 16 noch in der definierten Position verharren, bis sie sich zu einem Zeitpunkt t'₄ von der Elektrode 36 löst bzw. aus der Position x₂ herausbewegt. Eine Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten t'₄ und t₄ kann als Totzeit t_tot bezeichnet werden und unter anderem ebenfalls von der Atmosphäreneigenschaft beeinflusst sein. Das bedeutet, die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, um zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt, d. h. dem Herstellen und dem Lösen des mechanischen Kontakts, einen zeitlichen Abstand t₃ bis t₄ oder t₅ bis t₆ abzuwarten, der den Erhalt eines Ruhezustands der Membran 16 ermöglicht.
Nach dem Zeitpunkt t'₄ kann die Membran 16 beeinflusst von ihren eigenen mechanischen Eigenschaften, etwa einer Materialsteifigkeit, sowie beeinflusst von der Füllung oder Nicht-Füllung in dem Volumen 14 schwingen, wie es durch die gestrichelten Linien in der 2d dargestellt ist. Dies ist durch die Oszillationen zwischen den Zeitpunkten t'₄ und t₅ in 2f dargestellt. In anderen Worten wird die Mikrophonmembran von der Rückplattenelektrode 36 gelöst. Die Spannung des ASIC fällt unterhalb einer Lösespannung V_release und oszilliert mit einer Resonanzfrequenz gemäß der fluidisch-mechanischen Kopplung zwischen der Membran 16 und dem Vakuum oder Fluid in dem Volumen 14.
Wie es in 2e dargestellt ist, kann die Membran 16 nach dem Zeitpunkt t₅ wieder einen Ruhemodus aufweisen, in welchem die Recheneinrichtung 38 eine Spannung an das Elektrodenpaar anlegen kann, die geringer ist als die Pull-In Spannung.
Wie es in 2f detailliert dargestellt ist, kann basierend auf dem mechanischen Kontakt zwischen der Membran 16 und der Rückplattenelektrode 36 zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ eine Oszillation erhalten werden. Eine Positionsänderung der Membran 16 kann auch als dx/dt bzw. eine Flankensteilheit der Bewegung der Membran 16 bezeichnet werden. Wie es in dem Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t'₄ und t₅ dargestellt ist, kann die Oszillation der Membran 16 mit der Zeit t abklingen, wobei dies durch eine Hüllkurve 42 darstellbar ist, die eine Schwingungsdämpfung der Schwingung der Membran 16 beschreibt.
Die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, um die Bewegung und/oder Oszillation der Membran 16 zu erfassen und um zumindest eines aus der Flankensteilheit dx/dt, der Totzeit t_tot einer Schwingfrequenz f der Membran 16, einer Schwingamplitude der Membran 16, eine Schwingungsdämpfung der Schwingung der Membran 16, einer Flankensteilheit der Bewegung der Membran 16, einer Grenzfrequenz der Membran 16 und einer Resonanzfrequenz der Schwingung der Membran 16 zu bestimmen, um basierend auf diesem bestimmten Parameter die Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse 12 zu bestimmen. Jeder diese Parameter sowie eine Kombination hieraus kann als Bewegungscharakteristik verstanden werden, die eine Information bezüglich einer Veränderung eines auf die Membran 16 wirkenden Bewegungswiderstands eines Füllmediums oder keines Füllmediums in dem Gehäuse 12 bereitstellt. Hierbei kann es sich um den mechanischen oder fluidischen Bewegungswiderstand, der von einer Viskosität des Füllmediums beeinflusst ist, handeln.
Die Auswerteeinrichtung bzw. die Recheneinrichtung kann ausgebildet sein, um sowohl das Einschwingen der Membran 16 in die definierte Position x₂ und/oder ein Ausschwingen der Membran aus der definierten Position x₁, d. h. nach dem Zeitpunkt t₄, auszuwerten.
Obwohl die 2a bis 2f so beschrieben wurden, dass die definierte Position der Ort des mechanischen Kontakts der Elektroden ist, wobei ein Lösen des mechanischen Kontakts und/oder ein Herstellen des mechanischen Kontakts, etwa durch Prellen, auswertbare Schwingungen ermöglicht, kann alternativ auch eine andere Vorgehensweise implementiert werden. So kann beispielsweise eine Ansteuerung durch die Recheneinrichtung 38 bzw. die Steuereinrichtung 24 erhalten werden, in der eine Spannung, die kleiner ist als die Pull-In Spannung genutzt wird, um die Membran 16 in Richtung der Statorelektrode 36 und hiervon wegzubewegen. Hierfür kann beispielsweise ein Rechtecksignal verwendet werden. Das Ansteuersignal keine eine Frequenz aufweisen, die im Wesentlichen, d. h. innerhalb eines Toleranzbereichs von ± 10 %, ± 5 % oder ± 2 % der erwarteten Resonanzfrequenz entspricht. Wird beispielsweise die Amplitude der so erhaltenen Schwingung ausgewertet, so kann eine Abweichung in der tatsächlich gemessenen Amplitude durch die Auswerteeinrichtung 26 festgestellt werden, dass eine Resonanzverschiebung stattgefunden hat, die zu einer reduzierten oder erhöhten Amplitude führt. Diese Resonanzverschiebung kann ebenfalls auf eine Veränderung des Fluids in dem Gehäuse 12 hinweisen und auf eine Undichtigkeit des Gehäuses 12 hindeuten. Das bedeutet, die definierte Position kann durch einen mechanischen Anschlag und/oder mechanischen Kontakt bestimmt sein, kann alternativ aber auch eine Position der Membran 16 sein, die ohne eine mechanische Begrenzung erreicht wird, bspw. mit einer Spannung unterhalb der Pull-In Spannung. Hierbei kann es sich um eine frei einstellbare Position handeln. In anderen Worten kann das System auch unter Berücksichtigung von elektrischen Spannungen geringer der Pull-In Spannung betrieben werden. Die Membran kann lediglich nur einen Hub erfahren um sich in einer verglichen mit einer Mittenposition anderen potentiellen Energie geladen zu sein. Ein Austausch der potentiellen Energie im angezogenem Zustand, d. h., der definierten Position, zu dem Ruhezustand kann dann der kinetischen Energie entsprechen und kann über die komplette gekoppelte Bewegungskette zwischen Mechanik und Fluidikinteraktion beschrieben werden. Es spielt kann somit sowohl Pull-In Spannung erreicht und die maximale Membranamplitude erreicht werden oder darunter geblieben werden und die Membran nur leicht, d. h., teilwiese, nach oben gezogen und dann wieder „freigelassen“ werden um nach unten zu schnellen. In beiden Fällen ergibt sich durch die Systemdynamik das gewünschte Verhalten, welches dann über bspw. die Resonanzfrequenz ausgelesen werden kann. Beispielsweise kann eine Anzahl von Null-Durchgängen des erhaltenen Resonanzsignals gemessen und/oder gezählt werden. Diese korrelieren mit dem Dämpfungskoeffizienten k und somit mit der mechanischen/fluidischen Kopplung zwischen der Membran 16 und dem Fluid in dem Gehäuse.
Anhand der 3a bis 3d wird ein exemplarischer Vergleich beschrieben, in welcher Form eine Undichtigkeit des Gehäuses 12 der Referenzkammer 20 von der Auswerteeinrichtung bzw. der Recheneinrichtung 38 festgestellt werden kann.
3a zeigt schematisch einen Bewegungsverlauf 46 der Membran 16, wie er anhand der 2a bis 2f beschrieben ist.
3b zeigt einen schematischen Graph einer Auswertung des Bewegungsverlaufs 46 im Frequenzbereich, etwa durch Ausführen einer schnellen Fourier-Transformation (engl.: fast Fourier transformation - FFT) der Oszillationen im Zeitintervall t₂-t₃ und/oder t'₄-t₅. Die Frequenzauswertung kann beispielsweise eine Resonanzfrequenz f₁ ergeben.
Während die 3a und 3b beispielhaft für ein schadfreies und dichtes Gehäuse 12 beschrieben sind, beschreiben die 3c und 3d beispielhaft ein Szenario für ein Leck aufweisendes Gehäuse 12' einer beschädigten oder fehlerhaften Referenzkammer 20', die ansonsten der Referenzkammer 20 entspricht. Die veränderte Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse 12' kann zu einem veränderten Bewegungsverlauf 46' führen, dessen in 3d dargestellte Frequenzauswertung zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz von der Frequenz f₁ hin zu der Frequenz f₂ führen kann. Die Frequenz f₂ kann größer oder kleiner sein als die Frequenz f₁.
Alternativ oder zusätzlich können noch andere Parameter der Bewegungscharakteristik ausgewertet werden, wie sie im Zusammenhang mit den 2a bis 2f beschrieben sind.
In anderen Worten zeigen die 3a und 3b ein Signal für den Fall, dass die Referenzkammer mit einem reinen Referenzgas gefüllt ist und versiegelt sowie dicht ist. Die 3c und 3d zeigen ein vergleichbares Signal für den Fall, dass die Referenzkammer undicht ist und somit zumindest teilweise mit Luft gefüllt ist. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz kann mit dem Gasgemisch in der Referenzkammer bzw. dem Volumen 14 korrespondieren und sich auf die ursprüngliche Gaszusammensetzung beziehen, wenn das Volumen 14 neu befüllt und versiegelt ist. In einem Extremfall kann die Frequenz f₂ erhalten werden, wenn normale Umgebungsluft in dem Volumen 14 angeordnet ist, das bedeutet, das Gehäuse 12 vollständig undicht ist. Somit kann die Resonanzverschiebung als Kalibrier-Information verwendet werden. Wird beispielsweise CO₂ als ursprüngliches Fluid in dem Volumen 14 betrachtet, das durch eine Undichtigkeit durch Umgebungsluft ersetzt wurde, so ergibt sich die Resonanzverschiebung aus den Fluiden zugehörigen Parametern. So kann CO₂ beispielsweise einen Isentropenexponenten κ von 1,29 sowie eine Dichte ρ von 1,98 kg/m³ aufweisen, während Luft einen Isentropenexponenten κ von 1,4 und eine Dichte ρ von 1,29 kg/m³ aufweisen kann. Dies führt zu einer veränderlichen mechanischen und/oder fluidischen Kopplung zwischen dem Fluid und der Membran 16 und somit zu einem veränderten Bewegungsverlauf 46 bzw. 46'.
Die Auswerteeinrichtung bzw. die Recheneinrichtung kann ausgebildet sein, um während eines Kalibrierintervalls die Bewegungscharakteristik zu erfassen, und um eine Information, die auf der Bewegungscharakteristik basiert, in einem Speicher als Referenzwert zu speichern. Beispielsweise kann es sich bei der Information, die auf der Bewegungscharakteristik basiert, um eine Resonanzfrequenz oder eine Bewegungsamplitude handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Information, die auf der Bewegungscharakteristik basiert, um die Bewegungscharakteristik selbst handeln. Während eines Überprüfungsintervalls kann die Bewegungscharakteristik erneut durch die Auswerteeinrichtung oder die Recheneinrichtung erfasst werden. Die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, um die erneut erfasste Bewegungscharakteristik mit der gespeicherten Information zu vergleichen, um ein Vergleichsergebnis zu erhalten, und um basierend auf dem Vergleichsergebnis eine Atmosphäreneigenschaft zu bestimmen. So kann beispielsweise eine Abweichung, die über einen Toleranzbereich hinausgeht, der beispielsweise ± 100 %, ± 50 % oder ± 20 % beträgt, als schadhaft identifiziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Ergebnis auch so interpretiert werden, dass beispielsweise geringe Abweichungen auf eine beginnende Undichtigkeit der Referenzkammer schließen lassen. Die Auswerteeinrichtung und/oder die Recheneinrichtung können ausgebildet sein, um ein Signal auszugeben, das auf einen bevorstehenden Ausfall der Referenzkammer und/oder des Sensors, in dem die Referenzkammer verbaut ist, hinweist. Alternativ oder zusätzlich kann der zuletzt ausgeführte Messzyklus bzw. die Bewegungscharakteristik als neues Kalibrierintervall genutzt werden, das bedeutet, die Information, die auf der Bewegungscharakteristik des zuletzt ausgeführten Intervalls basiert, kann als neuer Referenzwert in einem Speicher der Referenzkammer und/oder des Fluidsensors gespeichert werden. Dies ermöglicht zum einen eine Beibehaltung und/oder Wiederherstellung einer Messgenauigkeit und kann alternativ oder zusätzlich auch für ein Monitoring oder ein Überwachen des Zustands der Referenzkammer genutzt werden, etwa wenn ein zeitlicher Verlauf der Veränderung der Bewegungscharakteristik erfasst wird. Eine erneute Kalibrierung, das bedeutet ein zweites Kalibrierintervall kann nach einem vordefinierten Zeitintervall und/oder bei einer Abweichung zwischen Messergebnissen, die einen Toleranzbereich überschreitet, ausgeführt werden.
Das Signal 44 kann sich beispielsweise auch auf eine Abweichung der Atmosphäreneigenschaft von einem Referenzzustand, etwa einem Auslieferungszustand der Referenzkammer, unter Berücksichtigung eines Toleranzbereichs beziehen oder dieses anzeigen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, um basierend auf der Atmosphäreneigenschaft ein Leck in dem Gehäuse und/oder einen bevorstehenden Ausfall der Referenzkammer anzuzeigen.
4 zeigt eine schematische Anordnung der Membran 16 gegenüber der Statorelektrode 36, bei der zwischen der Membran 16 und der Statorelektrode 36, etwa benachbart zu der Statorelektrode 36 und/oder an dieser befestigt, eine Isolationsstruktur 48 angeordnet ist, die ausgebildet ist, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Elektroden 16 und 36 während des mechanischen Kontakts zwischen den Elektroden zu verhindern. Die Isolationsstruktur 48 kann beispielsweise ein Isolationsmaterial, etwa Siliziumoxid oder Siliziumnitrid umfassen.
Ferner ist die Membran 16 zumindest zeitweise mit einem Aktuator 52 verbunden, der ausgebildet ist, um die Membran 16 in die definierte Position zu bewegen und/oder aus dieser Position herauszubewegen. Das bedeutet, alternativ oder zusätzlich zu der Ausnutzung elektrostatischer Kräfte können auch andere Aktuatorprinzipien genutzt werden, etwa pneumatische, hydraulische, elektrodynamische und/oder piezoelektrische Aktuatoren. Beispielsweise kann eine piezoelektrische Schicht an der Membran 16 angeordnet sein und den Aktuator 52 implementieren. Dies kann alternativ oder zusätzlich zu der Isolationsstruktur 48 implementiert werden.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Aktuator 52 und/oder der Isolationsstruktur 48 kann eine Erfassungseinrichtung 54 angeordnet sein, die ausgebildet ist, um den Bewegungsverlauf und/oder die Bewegungscharakteristik der Membran 16 zu erfassen. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung 54 ausgebildet sein, um eine berührungslose Erfassung der Bewegung der Membran 16 auszuführen, etwa durch optische Messprinzipien. Das bedeutet, dass alternativ oder zusätzlich zu einer elektrischen, etwa kapazitiven Erfassung in einem MEMS-Mikrophon auch eine andere, etwa optische Erfassung der Bewegung der Membran 16 möglich ist.
5 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Referenzkammer 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Statorelektrode 36 beispielsweise in das Gehäuse 12 integriert ist und zwischen der Statorelektrode 36 und der Membran 16 eine Stützstruktur 56 angeordnet ist, die gegenüber dem Gehäuse 12 in geringem Maße beweglich ist oder gar unbeweglich ist. Eine elektrisches Feld zwischen den Elektroden 16 und 36 kann nun einen mechanischen Kontakt zwischen der Membran 16 und der Stützstruktur 56 bereitstellen oder ermöglichen, was ohne Einschränkungen die zuvor erläuterten Messprinzipien ermöglicht. Das bedeutet, anstelle eines mechanischen Kontakts zwischen zwei Elektroden kann auch ein mechanischer Kontakt zwischen der Membran 16 und der Stützstruktur 56 bereitgestellt werden.
6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Fluidsensors 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Fluidsensor 60 umfasst einen Emitter 58, der ausgebildet ist, um eine thermische Strahlung 23' zu emittieren. Bei dem Emitter kann es sich um eine beliebige Quelle thermischer Strahlung handeln, etwa um ein Heizelement, ein ohm'sches Widerstandselement oder einer Vorrichtung mit elektrischer Verlustleistung, die konfiguriert ist, um die thermische Strahlung 23' zu emittieren. Der Emitter kann eine Quelle von Infrarotstrahlung sein, das bedeutet, die thermische Strahlung 23' kann eine Infrarotstrahlung sein.
Der Fluidsensor 60 kann ferner eine Referenzkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen. Bei der Referenzkammer kann es sich beispielsweise um die Referenzkammer 20 handeln. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Referenzkammer 10 und/oder 50 angeordnet sein. Die Referenzkammer 20 kann so angeordnet sein und ausgebildet sein, um zumindest die thermische Strahlung 23 zu empfangen. Zwischen dem Emitter 58 und der Referenzkammer 20 kann ein Absorptionspfad 62 angeordnet sein. Der Absorptionspfad 62 kann eine Strecke, ein Pfad oder ein Weg bzw. ein Kanal sein, den die thermische Strahlung 23' durchquert. In dem Absorptionspfad 62 kann ein Fluid 64 angeordnet sein, das mit der thermischen Strahlung 23' interagiert oder von dieser angeregt wird. Das kann dazu führen, dass ein Teil der thermischen Energie der thermischen Strahlung 23' verändert, modifiziert oder absorbiert wird, um den Anteil 23 der thermischen Strahlung 23' zu erhalten, der auf die Referenzkammer 20 treffen kann. Bei dem Fluid 64 kann es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln. Der Fluidsensor 60 kann konfiguriert sein, um ein gasförmiges Fluid 64 zu messen oder zu erfassen. In diesem Fall kann es sich bei dem Fluidsensor 60 um einen Gassensor handeln.
Die Referenzkammer 20 kann somit als Detektor für die thermische Strahlung 23 nutzbar sein. Die Referenzkammer 20 kann ausgebildet sein, um mit der Auswerteeinrichtung und/oder der Recheneinrichtung ein Signal 66 bereitzustellen, das auf einer Anregung der Membran 16 bzw. des Mikrophons 34 durch die thermische Strahlung 23 basiert. Dies ist durch das in dem Gehäuse 12 angeordnete Fluid (Füllung) 68 zumindest teilweise beeinflusst. Wie bereits erwähnt, kann es sich bei der Füllung 68 auch um ein zumindest näherungsweises Vakuum handeln. Ein bestimmtes Level der thermischen Strahlung 23 führt bei einem bestimmten Atmosphärenzustand der Füllung 68 zu einem bestimmten Signalpegel 72 des Signals 68.
In anderen Worten kann der Fluidsensor 60 einen Infrarot-Emitter, beispielsweise mit der Strahlungscharakteristik eines schwarzen Strahlers umfassen. Eine mögliche Ansteuerung des Emitters 58 ist beispielsweise eine Ansteuerung mit einem periodischem Signal. In dem Absorptionspfad 62 kann ein Teil der thermischen Energie durch sämtliche dort angeordnete Gase absorbiert werden. Die Absorptionskammer, das bedeutet die Referenzkammer, kann mit einem Gas oder einem Gasgemisch sowie der Membran bzw. einem Mikrophon gefüllt sein, wobei hier, d. h. beispielsweise zwischen den Mikrophonelektroden, ein Referenzgas angeordnet sein kann. Ein In dem Absorptionspfad angeordnetes Fluid (Gas) kann als Filter fungieren, so dass eine inverse Messung erfolgt. Ein hoher Signalpegel kann auf geringe Fluidkonzentrationen hinweisen und ein geringer Signalpegel kann wegen hoher Absorptionen auf hohe Fluidkonzentrationen hinweisen. Basierend auf dem Fluid in der Referenzkammer kann die Fluidkonzentration in dem Absorptionspfad 62 bestimmt oder berechnet werden. Dies kann dazu führen, dass ein Sensordrift bzw. eine Ungenauigkeit oder Abweichung des Signalpegels 72 auftritt, wenn das Gehäuse bzw. die Referenzkammer 20 eine Undichtigkeit aufweist. Ausführungsbeispiele stellen Referenzkammern, Fluidsensoren, Vorrichtungen und Verfahren dar, die eine Überprüfung der Dichtigkeit des Gehäuses während des Betriebs des Fluidsensors ermöglichen. Dies kann als geschlossenes System bezeichnet werden, da die Referenzkammer bevorzugt verschlossen, d. h. dicht bleibt. Das Erfassen von Umweltparametern wie Lärm, Geräuschen, Temperaturen und/oder Gasen wird zunehmend wichtig im Hinblick auf mobile Vorrichtungen, Gebäudeautomatisierung, Industrieapplikationen und im automobilen Sektor. Schädliche Fluidkonzentrationen und Gaskonzentrationen können durch Verschmutzung und/oder Fehlfunktionen bestimmter Geräte hervorgerufen werden. Eine derartige Gasmessung durch günstige, stets verfügbare und miteinander verbundene Sensoren ist ein zunehmend bedeutsames Thema, auch in Zukunft.
Das bedeutet, dass die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein kann, um für eine photoakustische Auswertung während eines Messintervalls die Auswertung der durch die thermische Strahlung 23 bzw. 23' in der Referenzkammer 20 erzeugten Bewegung der Membran 16 auszuführen, und um basierend auf der Auswertung eine Fluideigenschaft des in dem Absorptionspfad 62 angeordneten Fluids 64 zu bestimmen.
7 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild für den Fluidsensor 60. Der Emitter 58 ist konfiguriert, um die thermische Strahlung 23 auszusenden. Die Füllung 68, d. h. das Fluid oder das Vakuum kann als Filter für die Strahlung 23 bzw. 23' wirken, was die Anregung der Membran 16 bzw. des Mikrophons 34 beeinflussen kann.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beschreiben eine Referenzkammer, die während der Herstellung evakuiert wird, das bedeutet, es wird soweit möglich sämtliches Fluid aus ihr entfernt. Das Gehäuse bzw. die Referenzkammer wird mit einem definierten Referenzfluid oder einem Referenzgas gefüllt, wobei es sich um ein reines Gas oder eine Mischung von zwei oder mehr Gasen handeln kann, um beispielsweise thermische Effekte oder Transienteneffekte zu verstärken. Sobald die Referenzkammer verschlossen ist und herstellerseitige Tests abgeschlossen sind, besteht eine Anforderung oder ein Wunsch an die Referenzkammer darin, dass die Referenzkonzentration des Fluids in der Kammer über die Lebenszeit unverändert bleibt. Ausführungsbeispiele ermöglichen es, eine Autokalibrierung gemäß der gegenwärtigen Fluideigenschaften durchzuführen. Die Membran oder das Mikrophon kann so gesteuert (vorgespannt; biased) werden, etwa unter Verwendung eines ASIC, wobei der ASIC einen sorgfältig eingestellten Betriebspunkt unterhalb der Pull-In/Snap-In Spannung aufweist. Während der beschriebenen Autokalibrierung kann der ASIC seine Spannung erhöhen, so dass diese über die Pull-In Spannung ansteigt und den Effekt auslöst, dass die Membran an der Rückplattenelektrode anschlägt. Durch Reduzieren der Spannung unterhalb der Lösespannung wird der mechanische Kontakt gelöst und die Membran fällt zurück in ihre Ruheposition. Während des mechanischen Anschlagens und insbesondere während des Lösens zeigt die Membran ihre mechanische Resonanz, die stark mit ihrer fluiddynamischen Umgebung gekoppelt sein kann. Da die mechanisch-fluidische Interaktion beispielsweise durch das Referenzgas gedämpft wird, hängt die mechanische Antwort der Membran von den Gaseigenschaften wie Dichte, Masse, Viskosität und thermischen Transienten ab. Im Gegensatz hierzu kann bei einer unter Vakuum stehenden Referenzkammer Luft die dämpfenden Eigenschaften einbringen. Wenn festgestellt wird, dass die Pull-In/Release (Lösespannung)nicht mit den herstellerseitigen Kalibrierdaten übereinstimmen, während der Sensor mit dem Referenzgas gefüllt ist, kann die Annahme getroffen werden, dass die Referenzkammer undicht ist oder gar kein Referenzgas mehr angeordnet ist, das bedeutet. Bei geringen Abweichungen oder Verlusten kann eine Neuhinterlegung der aktuellen Werte als Kalibrierung oder Kalibrierwerte erfolgen, um erneut eine zuverlässige Messung bereitzustellen. In diesem Fall spricht kann von einer Re-Kalibrierung oder Autokalibrierung des Sensors gesprochen werden.
Anhand der 8a bis 8f wird nun eine derartige Autokalibrierung erläutert. Hierbei zeigen die 8a, 8c und 8e unterschiedliche aufeinanderfolgende Zustände einer undichten Referenzkammer 20', die im Zustand gemäß der 8a mit dem Fluid 68 gefüllt ist, dessen Konzentration in 8c reduziert ist. Das bedeutet, es ist das Fluid 68' angeordnet, welches in 8e weiter reduziert ist, so dass das das Fluid 68" angeordnet ist. Eine Abnahme der Füllungskonzentration kann auch als eine Reduzierung der Anzahl von Fluidmolekülen 69 des Fluids 68, 68' bzw. 68" aufgefasst werden, das bedeutet, die Atmosphäreneigenschaft bezieht sich in manchen Beispielen auf eine Anzahl von Fluidmolekülen in dem Gehäuse.
Beispielsweise kann ein ursprünglich basierend auf der thermischen Strahlung 23' erhaltener Signalpegel 72 durch die zunehmend reduzierte Menge 68' bzw. 68" an Fluid reduziert sein, so dass ein Signalpegel 72' gegenüber dem Signalpegel 72 reduziert ist und ein Signalpegel 72" gegenüber dem Signalpegel 72' reduziert ist. Eine Richtung der Verschiebung kann angeben von welchem Referenzfluid auf welches (eindringendes) Außenfluid sich der Sensordrift verlagert. Wandert die Resonanzfrequenz nach unten zu niederen Frequenzen wäre das Referenzfluid leichter als das Umgebungsfluid, beispielsweise der Fall bei Vakuum. Wandert die Resonanzfrequenz nach oben also zu höheren Frequenzen wäre das Referenzfluid schwerer als das Umgebungsfluid, beispielweise bei einer Füllung des Referenzvolumens mit CO2 und einem Umgebungsfluid von Luft. Beispielsweise führt die abnehmende Füllung des Fluids 68 dazu, dass eine abnehmende Anregung in der Referenzkammer 20' erhalten wird. Die 8b, 8d und 8f zeigen analog den 3b und 3d den 8a, 8c bzw. 8e zugeordnete beispielhafte FFT-Darstellungen. Im fehlerfreien Werkszustand gemäß der 8a kann das Signal 66 beispielsweise eine Resonanzfrequenz f₁ aufweisen. Die abnehmende Konzentration des Fluids 68' gemäß 8c kann zu einer Frequenzverschiebung 74a der Resonanzfrequenz von der Frequenz f₁ zu der Frequenz f₂ führen, die beispielsweise geringer sein kann als die Frequenz f₁. Übersteigt die Frequenzverschiebung 74a einen Toleranzbereich, etwa 20 %, 10 % oder 5 % oder einen Absolutwert von 1000 Hz, 100 Hz, 50 Hz oder 10 Hz bezogen auf die Frequenz f₁, so kann der Fluidsensor ausgebildet sein, um eine Autokalibrierung auszuführen, das bedeutet, den aktuellen Zustand als neuen Referenzzustand zu hinterlegen und beispielsweise die Frequenz f₂ als neue Bezugsfrequenz zu hinterlegen.
8f zeigt ein entsprechendes FFT-Diagramm, das der 8e zugeordnet ist und bei dem eine Frequenzverschiebung 74b hin zu der Frequenz f₃ stattgefunden hat, was zumindest teilweise durch den weiter abnehmenden Füllgrad des Fluids 68" und den hiermit verbundenen Signalpegel 72" verbunden sein kann. Das bedeutet beispielsweise, dass der Signalpegel 72, 72' und/oder 72" ein gleiches Spannungsniveau aber unterschiedliche Eigenschaften, etwa Frequenzen, aufweisen kann.
Die Auswerteeinrichtung und/oder die Recheneinrichtung kann ausgebildet sein, um die Frequenzverschiebung 74a und/oder 74b bzw. eine Veränderung anderer überwachter Parameter zu überwachen, um zum einen eine langsamen Drift festzustellen als auch um beispielsweise bei Überschreiben eines bestimmten Schwellwerts einen bevorstehenden Ausfall des Fluidsensors und/oder der Referenzkammer anzuzeigen. So kann beispielsweise die Frequenzverschiebung 74a als tolerierbarer Drift und/oder als Aufforderung zur Erneuerung oder Wartung interpretiert werden, während der Drift 74b als unmittelbar bevorstehender Ausfall interpretiert werden kann, der beispielsweise einen Benutzer auffordert, die entsprechende Vorrichtung stillzulegen und/oder in einen sicheren Zustand zu bringen.
Obwohl die Frequenzverschiebungen 74a und 74b so beschrieben sind, dass eine Verringerung der Frequenz stattfindet, kann alternativ auch eine Erhöhung der Frequenz stattfinden, etwa wenn in einen evakuierten Raum der Referenzkammer 20' Umgebungsluft eindringt oder zumindest ein eine höhere Dichte aufweisendes Gas eindringt.
9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Fluidsensors 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Mehrzahl von Referenzkammern 20a, 20b und 20c aufweist. Obwohl der Fluidsensor 90 so beschrieben ist, dass er drei Referenzkammern 20a, 20b und 20c aufweist, kann er eine andere Anzahl von Referenzkammern aufweisen, etwa zumindest eine, zumindest zwei, zumindest drei, zumindest fünf oder mehr, etwa zehn. Obwohl der Fluidsensor 90 so dargestellt ist, dass er gleich aufgebaute Referenzkammern 20 aufweist, kann alternativ oder zusätzlich zumindest eine der Referenzkammern hiervon verschieden gebildet sein, etwa durch Anordnen der Referenzkammer 10 und/oder 50. Zumindest eine der Referenzkammern 20a bis 20c kann ausgebildet sein, um das Signal 44 so auszugeben, dass der Fehlerzustand des Fluidsensors 90 angezeigt wird.
Jeder der Referenzkammern 20a bis 20c ist ein Absorptionspfad 62a bis 62c zugeordnet. Dies ermöglicht eine parallele Durchführung mehrerer Messungen in jedem der Absorptionspfade 62a bis 62c bzw. mit jeder der Referenzkammern 20a bis 20c.
Beispielsweise können zumindest zwei der Referenzkammern 20a bis 20c in einem Sollzustand und funktionsgemäßen Betriebszustand eine gleiche Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse aufweisen, das bedeutet, die Füllung oder Nicht-Füllung in dem jeweiligen Gehäuse kann gleich sein. Die Referenzkammern 20a bis 20c können eine gemeinsame Auswerteeinrichtung, eine gemeinsame Steuereinrichtung und/oder eine gemeinsame Recheneinrichtung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die Steuereinrichtungen, die Auswerteeinrichtungen und/oder die Recheneinrichtungen miteinander verbunden sein und/oder von einer übergeordneten Einheit gesteuert und/oder ausgewertet werden. Die Auswerteeinrichtung/Recheneinrichtung kann ausgebildet sein, um die Bewegungscharakteristik der beiden gleichgebildeten Referenzkammern miteinander zu vergleichen. Eine Abweichung zwischen den beiden Bewegungscharakteristiken kann, insbesondere wenn in den Absorptionspfaden ein gleiches Gas oder Fluid angeordnet ist, auf eine Fehlfunktion hinweisen. Dies kann beispielsweise derart berücksichtigt werden, dass das Messergebnis als potenziell fehlerbehaftet eingestuft wird. Wird beispielsweise eine dritte Referenzkammer verwendet, so kann durch einen Vergleich der drei Messergebnisse bestimmt werden, welche der drei Referenzkammern fehlerhaft ist, etwa wenn zwei Referenzkammern weiterhin ein identisches Ergebnis liefern und die dritte Messkammer hiervon abweicht.
Die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, um ein Signal auszugeben, das auf einen Fehlerzustand des Fluidsensors hinweist, etwa wenn die Messergebnisse voneinander abweichen. Dies kann so gestaltet sein, dass das Signal erst ausgegeben wird, wenn die Abweichung außerhalb eines Toleranzbereichs von beispielsweise ± 5 %, ± 10 % oder ± 20 % liegt.
10 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 100, die den Fluidsensor 60 umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 100 den Fluidsensor 90 umfassen. Das Ausführungsbeispiel ermöglicht es, Fluide, die um die Vorrichtung 100 herum oder in der Vorrichtung 100 angeordnet sind, zu erfassen und/oder zu bestimmen bzw. zu überwachen. Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Automobil, eine mobile Vorrichtung wie etwa ein Tablet, ein Mobiltelefon oder dergleichen handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Vorrichtung 100 um ein Gebäude handeln.
11 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Bereitstellen einer Referenzkammer, etwa der Referenzkammer 10, 20 oder 50. Ein Schritt 1110 umfasst ein Bereitstellen eines Gehäuses. Ein Schritt 1120 umfasst ein Anordnen einer Membran, so dass die Membran beweglich innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Ein Schritt 1130 umfasst ein Anordnen einer Steuereinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um die Membran zu einem ersten Zeitpunkt so anzusteuern, dass die Membran eine definierte Position einnimmt, und um in einem zweiten Zeitpunkt die Membran so anzusteuern, dass die Membran aus der definierten Position herausbewegt wird und so eine Bewegung der Membran in dem Gehäuse erhalten wird. Bei der Bewegung kann es sich um eine Schwingung handeln. Ein Schritt 1140 umfasst ein Anordnen einer Auswerteeinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um eine Bewegungscharakteristik der Bewegung der Membran basierend auf dem Bewegen in die definierte Position oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus zu bestimmen und um basierend auf der Bewegungscharakteristik eine Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse zu bestimmen.
12 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 1200 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das angewendet werden kann, um eine Atmosphäreneigenschaft in einer Referenzkammer zu bestimmen, etwa der Referenzkammer 10, 20 oder 50. Ein Schritt 1210 umfasst ein Auslenken der Membran in der Referenzkammer zu einem ersten Zeitpunkt, so dass die Membran eine definierte Position einnimmt und so dass sich die Membran zu einem zweiten Zeitpunkt aus der definierten Position herausbewegt und eine Bewegung der Membran in dem Gehäuse erhalten wird. Hierbei kann bspw. eine Ansteuerung eines Aktuators und/oder einer Spannungsquelle erfolgen, was auch unter Verwendung eines Computers oder einer anderen steuerbaren Steuerung erfolgen kann. Ein Schritt 1220 umfasst ein Bestimmen einer Bewegungscharakteristik der Bewegung der Membran basierend auf dem Bewegen in die definierte Position oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus. Ein Schritt 1230 umfasst ein Bestimmen einer Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse basierend auf der Bewegungscharakteristik. Auch dieser Schritt kann unter Verwendung von Software implementiert werden.
Ausführungsbeispiele ermöglichen eine in situ akustische Kalibrierung für akustische Stimuli. Akustische Stimuli können intern generiert werden, indem eine Wärmequelle, der Emitter und eine thermoakustische Kopplung in dem Fluidsensor genutzt wird. Die thermische Quelle kann in das Referenzkammergas einkoppeln, was zu einem Druckanstieg (Erhitzen) oder Druckabfall (Abkühlen) führen kann. Ein transientes Verhalten kann Mikrophoncharakteristiken darstellen, wie etwa Amplitude und/oder Eckfrequenz. Die untere Eckfrequenz, etwa bei einem Ventilationskonzept, kann ebenfalls genutzt werden, um zwischen einem dichten und einem undichten Gehäuse zu unterscheiden.
Die Bewegung der Membran kann elektrisch und/oder optisch erfasst werden, etwa um ein Snap-In bzw. ein Pull-In zu detektieren. Der ASIC kann ein elektrisches Feedback ausgeben, das eine hohe Frequenz im nicht hörbaren Bereich bezüglich der Resonanzfrequenz aufweist.
Die Ausführungsbeispiele ermöglichen es die Konzentration des Referenzgases zu messen, ohne dass hierfür zusätzliche Geräte oder Hardware benötigt werden. Die Ausführungsbeispiele ermöglichen eine Verfeinerung der Messungen durch eine Vor-Kalibrierung der Referenzgaseigenschaften, etwa zur Vermeidung oder Reduzierung von Langzeitdiffusionseffekten oder Langzeitdrifteffekten. Die Ausführungsbeispiele ermöglichen sowohl eine Autokalibrierung als auch die Mitteilung, dass ein Sensorausfall bevorsteht.
Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Gesundheitseffekte durch Verschmutzung, da zunehmend Gesundheitsbedenken durch Luftverschmutzung heranwachsen. Es besteht ein hoher und wachsender Bedarf an Komfort und Wohlbefinden. Die Ausführungsbeispiele können insbesondere auch bei energieeffizienten Gebäuden, etwa geheizte, gelüftete und klimatisierte Gebäude (engl.: heating, ventilation and air conditioning - HVAC) oder Systemen eingesetzt werden. Die Ausführungsbeispiele ermöglichen ein zuverlässiges Konzept, um die Luftqualität und deren Veränderung in Echtzeit festzustellen Manche Ausführungsbeispiele können eine zweite Referenzkammer verwenden und ermöglichen einen Vergleich deren Ergebnisse miteinander, wobei bevorzugt zumindest eine keinen Drift aufweist oder keine Undichtigkeit aufweist. Manche Ausführungsbeispiele können einen zusätzlichen Resonator, das bedeutet einen Aktuator, aufweisen, der in der Referenzkammer angeordnet ist, um die Membran in eine Bewegung zu versetzen, und um so die Gaseigenschaften in der Referenzkammer zu bestimmen. Es ist möglich, für die Kalibrierung auch ein vorbestimmtes Fluid oder Gas in den Absorptionspfad einzubringen, so dass die Absorption der thermischen Strahlung ebenfalls als bekannt angesehen wird und so die Eigenschaft in der Referenzkammer in hoher Qualität bestimmbar sind. Ausführungsbeispiele umfassen das Messen einer Einschwingzeit infolge des mechanischen Kontakts und/oder infolge des Lösens, was jeweils als Rechteck-Anregung oder als Pull-In Anregung verstanden werden kann, die eine breitbandige mechanische Anregung ermöglichen. Je höher die Dämpfung, desto länger ist die Abklingzeit durch die internen gekoppelten Kräfte. Hierbei kann es sich um einen Effekt mit einer Dauer von wenigen µs bis ms handeln.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch so beschrieben werden, dass vor Beginn einer Messung oder nach einer Messung und möglicherweise während eines Betriebs des Sensors eine Anregung der Membran erfolgt, deren Bewegungscharakteristik und/oder Schwingverhalten gemessen wird und mit einem Referenzwert verglichen wird. Der Vergleich mit dem Referenzwert erlaubt einen Rückschluss auf eine Veränderung der Füllung in dem Volumen.
Obwohl hierin beschriebene Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit Gasen als Fluid beschrieben wurden, können diese Ausführungen ohne Weiteres auf Flüssigkeiten bezogen werden, so dass es sich bei den Fluiden sowohl um Gase als auch um Flüssigkeiten handeln kann. Hierin beschriebene Fluidsensoren können somit ausgebildet sein, um ein Gas und/oder eine Flüssigkeit zu messen.
Zusätzliche Ausführungsbeispiele und Aspekte der Erfindung werden beschrieben, die einzeln oder in Kombination mit den hierin beschriebenen Merkmalen und Funktionalitäten verwendet werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt kann eine Referenzkammer 10; 20; 50 für einen Fluidsensor folgende Merkmale umfassen: ein Gehäuse 12, 12'; eine auslenkbare Struktur 16, die beweglich innerhalb des Gehäuses 12, 12' angeordnet ist; eine Steuereinrichtung 24; 38, die ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur 16 zu einem ersten Zeitpunkt t₂ so anzusteuern, dass die auslenkbare Struktur 16 eine definierte Position x₂ einnimmt, und um zu einem zweiten Zeitpunkt t₄ die auslenkbare Struktur 16 so anzusteuern, dass sich die auslenkbare Struktur 16 aus der definierten Position x₂ herausbewegt und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur 16 in dem Gehäuse 12, 12' erhalten wird; und eine Auswerteeinrichtung 26; 38, die ausgebildet ist, um eine Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur 16 basierend auf dem Bewegen in die definierte Position x₂ oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position x₂ heraus zu bestimmen und um basierend auf der Bewegungscharakteristik eine Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse 12, 12' zu bestimmen.
Gemäß einem zweiten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Referenzkammer ein Elektrodenpaar aufweisen, wobei die auslenkbare Struktur 16 eine erste Elektrode des Elektrodenpaares aufweist und wobei eine zweite Elektrode 36 des Elektrodenpaares benachbart zu der ersten Elektrode angeordnet ist; wobei die Steuereinrichtung 24; 38 ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur 16 durch Anlegen einer Spannungsdifferenz an das Elektrodenpaar anzusteuern.
Gemäß einem dritten Aspekt unter Bezugnahme auf den zweiten Aspekt kann zumindest eine Elektrode 16; 36 des Elektrodenpaares eine Isolationsstruktur 48 umfassen, die ausgebildet ist, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen der ersten 16 und zweiten 36 Elektrode während einem mechanischen Kontakt zwischen der ersten 16 und zweiten 36 Elektrode zu verhindern.
Gemäß einem vierten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die auslenkbare Struktur 16 in der definierten Position x₂ einen mechanischen Kontakt mit einer Stützstruktur 56 oder einer Elektrode 36 ausführen.
Gemäß einem fünften Aspekt unter Bezugnahme auf den vierten Aspekt kann die Steuereinrichtung 24; 38 ausgebildet sein, um die auslenkbare Struktur 16 so anzusteuern, dass der mechanische Kontakt unter Ausführen einer Prellbewegung ausgeführt wird.
Gemäß einem sechsten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Bewegung ein Einschwingen der auslenkbaren Struktur 16 in die definierte Position x₂ oder ein Ausschwingen der auslenkbaren Struktur aus der definierten Position x₂ in eine Ruheposition x₁ umfassen.
Gemäß einem siebten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die auslenkbare Struktur 16 eine Elektrode umfassen, die Teil eines Elektrodenpaares ist, und bei der die Steuereinrichtung 24; 38 ausgebildet ist, um zum ersten Zeitpunkt t₂ eine Spannung an das Elektrodenpaar anzulegen, die größer als eine Snap-In Spannung des Elektrodenpaares ist, und um zum zweiten Zeitpunkt t₄ eine Spannung an das Elektrodenpaar anzulegen, die kleiner oder gleich als eine Lösespannung, die zu einem Lösen der ersten Elektrode 16 von der zweiten Elektrode 36 führt, ist.
Gemäß einem achten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Referenzkammer ferner einen Aktuator 52 umfassen, der mit der auslenkbaren Struktur 16 gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung 24; 38 ausgebildet ist, um den Aktuator 52 zu steuern, um die auslenkbare Struktur 16 in die definierte Position x₂ oder aus der definierten Position x₂ zu bewegen.
Gemäß einem neunten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Bewegungscharakteristik Informationen bezüglich einer Veränderung eines auf die auslenkbare Struktur 16 wirkenden Bewegungswiderstands eines Füllmediums 68 in dem Gehäuse 12, 12' bereitstellen.
Gemäß einem zehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Bewegungscharakteristik zumindest eines aus einer Totzeit t_tot, bis sich die auslenkbare Struktur 16 aus der definierten Position x₂ bewegt, einer Schwingfrequenz f der auslenkbaren Struktur 16, einer Schwingamplitude x der auslenkbaren Struktur 16, einer Schwingungsdämpfung 42 der Schwingung der auslenkbaren Struktur 16, einer Flankensteilheit dx/dt der Bewegung der auslenkbaren Struktur 16, einer Grenzfrequenz der auslenkbaren Struktur 16 und einer Resonanzfrequenz der Schwingung der auslenkbaren Struktur umfassen.
Gemäß einem elften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann sich die Atmosphäreneigenschaft auf zumindest eines aus einem Druck innerhalb des Gehäuses 12, 12', aus einer Zusammensetzung eines Fluids 68 in dem Gehäuse 12, 12' und einer Anzahl von Fluidmolekülen 69 in dem Gehäuse beziehen.
Gemäß einem zwölften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Auswerteeinrichtung 26; 38 ausgebildet sein, um während eines Kalibrierintervalls die Bewegungscharakteristik zu erfassen, eine Information, die auf der Bewegungscharakteristik basiert, in einem Speicher als Referenzwert zu speichern und während eines Überprüfungsintervalls die Bewegungscharakteristik erneut zu erfassen, mit der gespeicherten Information zu vergleichen, um eine Vergleichsergebnis zu erhalten, und um basierend auf dem Vergleichsergebnis die Atmosphäreneigenschaft zu bestimmen.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den zwölften Aspekt kann das Kalibrierintervall ein erstes Kalibrierintervall sein und die Auswerteeinrichtung 26; 38 ausgebildet sein, um während einem zweiten Kalibrierintervall die Bewegungscharakteristik zu erfassen und eine Information, die auf der Bewegungscharakteristik des zweiten Kalibrierintervalls basiert, den in dem Speicher als neuen Referenzwert zu speichern.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, um ein Signal 44 auszugeben, das eine Abweichung der Atmosphäreneigenschaft von einem Referenzzustand unter Berücksichtigung eines Toleranzbereichs anzeigt.
Gemäß einem fünfzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, um basierend auf der Atmosphäreneigenschaft ein Leck in dem Gehäuse 12, 12' oder einen bevorstehenden Ausfall der Referenzkammer anzuzeigen.
Gemäß einem sechzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Steuereinrichtung 24; 38 ausgebildet sein, um zwischen dem ersten Zeitpunkt t₂ und dem zweiten Zeitpunkt t₄ einen zeitlichen Abstand abzuwarten, der den Erhalt eines Ruhezustands x₁ der auslenkbaren Struktur 16 ermöglicht.
Gemäß einem siebzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann das Gehäuse in einem funktionsgemäßen Betriebszustand hermetisch dicht gebildet sein, wobei die Auswerteeinrichtung 26; 38 ausgebildet sein kann, um basierend auf einer über die Zeit veränderlichen Atmosphäreneigenschaft eine Undichtigkeit des Gehäuses 12, 12' festzustellen.
Gemäß einem achtzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann das Gehäuse 12, 12' in einem funktionsgemäßen Betriebszustand mit einem Referenzgas 68; 68', 68" oder einem Niedrigdruck gefüllt sein.
Gemäß einem neunzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die auslenkbare Struktur Teil eines Druckwandlers 34 sein.
Gemäß einem zwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den neunzehnten Aspekt kann der Druckwandler 34 ein Mikrophon sein.
Gemäß einem einundzwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Auswerteeinrichtung 26; 38 ausgebildet sein, um die Bewegungscharakteristik optisch oder elektrisch zu bestimmen.
Gemäß einem zweiundzwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die auslenkbare Struktur 16 eine erste Elektrode eines Elektrodenpaares umfassen und können die erste Elektrode und eine zweite Elektrode 36 des Elektrodenpaares geschlossen sein, und kann zwischen der ersten 10 und zweiten 36 Elektrode des Elektrodenpaares ein geschlossenes Volumen vorliegen.
Gemäß einem dreiundzwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die auslenkbare Struktur 16 eine Membran sein.
Gemäß einem vierundzwanzigsten Aspekt kann ein Fluidsensor 60; 90 folgende Merkmale aufweisen: einen Emitter 58, der ausgebildet ist, um eine thermische Strahlung 23' zu emittieren; eine Referenzkammer 10; 20; 50 gemäß dem ersten Aspekt, die ausgebildet ist, um zumindest einen Teil 23 der thermischen Strahlung 23' zu empfangen; einen zwischen dem Emitter 58 und der Referenzkammer 10; 20; 50 angeordneten Absorptionspfad 62; 62a-c; wobei der Fluidsensor ausgebildet sein kann, um basierend auf einer Auswertung einer durch die thermische Strahlung 23' erzeugten Bewegung der auslenkbaren Struktur 16 eine photoakustische Auswertung eines in dem Absorptionspfad 62; 62a-c angeordneten Fluids 64 vorzunehmen.
Gemäß einem fünfundzwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierundzwanzigsten Aspekt kann die Auswerteeinrichtung 26; 38 ausgebildet sein, um für die eine photoakustische Auswertung während eines Messintervalls die Auswertung der durch die thermische Strahlung 23' in der Referenzkammer 10; 20; 50 erzeugten Bewegung der auslenkbaren Struktur 16 auszuführen, und um basierend auf der Auswertung eine Fluideigenschaft des in dem Absorptionspfad 62; 62a-c angeordneten Fluids 64 zu bestimmen.
Gemäß einem sechsundzwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierundzwanzigsten Aspekt kann der Fluidsensor ausgebildet sein, um den Emitter 58 mit einem Rechtecksignal anzusteuern.
Gemäß einem siebenundzwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierundzwanzigsten Aspekt kann die auslenkbare Struktur 16 eine erste Elektrode eines Elektrodenpaares umfassen, wobei der Fluidsensor ausgebildet sein kann, um für die Auswertung der durch die thermische Strahlung 23' erzeugten Bewegung der auslenkbaren Struktur 16 eine Spannung an das Elektrodenpaar anzulegen, die geringer ist, als eine Snap-In Spannung.
Gemäß einem achtundzwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierundzwanzigsten Aspekt kann der Fluidsensor als Gassensor gebildet sein.
Gemäß einem neunundzwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierundzwanzigsten Aspekt kann der Fluidsensor eine Mehrzahl von Referenzkammern 20a-c aufweisen, wobei jeder Referenzkammer 20a-c ein Absorptionspfad 62a-c zugeordnet ist.
Gemäß einem dreißigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den neunundzwanzigsten Aspekt können eine erste Referenzkammer 20a-c und eine zweite Referenzkammer 20a-c der Mehrzahl von Referenzkammern in einem funktionsgemäßen Betriebszustand eine gleiche Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse 12 aufweisen, wobei die Auswerteeinrichtung 26; 38 ausgebildet sein kann, um die Bewegungscharakteristik der ersten 20a und zweiten 20b Referenzkammer miteinander zu vergleichen und bei einer Abweichung außerhalb eines Toleranzbereichs ein Signal 44 auszugeben, das auf einen Fehlerzustand des Fluidsensors hinweist.
Gemäß einem einunddreißigsten Aspekt kann eine Vorrichtung 100 einen Fluidsensor 60; 90 gemäß dem dreiundzwanzigsten Aspekt aufweisen.
Gemäß einem zweiunddreißigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den einunddreißigsten Aspekt kann die Vorrichtung als Automobil, Mobiltelefon oder Gebäude gebildet sein.
Gemäß einem dreiunddreißigsten Aspekt kann ein Verfahren 1100 zum Bereitstellen einer Referenzkammer folgende Schritte aufweisen: Bereitstellen 1110 eines Gehäuses; Anordnen 1120 einer auslenkbare Struktur, so dass die auslenkbare Struktur beweglich innerhalb des Gehäuses angeordnet ist; Anordnen 1130 einer Steuereinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur zu einem ersten Zeitpunkt so anzusteuern, dass die auslenkbare Struktur eine definierte Position einnimmt, und um zu einem zweiten Zeitpunkt die auslenkbare Struktur so anzusteuern, dass die auslenkbare Struktur aus der definierten Position herausbewegt wird und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur in dem Gehäuse erhalten wird; Anordnen 1140 einer Auswerteeinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um eine Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur basierend auf dem Bewegen in die definierte Position oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus zu bestimmen und um basierend auf der Bewegungscharakteristik eine Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse zu bestimmen.
Gemäß einem vierunddreißigsten Aspekt kann ein Verfahren 1200 zum Bestimmen einer Atmosphäreneigenschaft in einer Referenzkammer, die eine auslenkbare Struktur aufweist, die beweglich innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, folgende Schritte aufweisen: Auslenken 1210 der auslenkbaren Struktur zu einem ersten Zeitpunkt, so dass die auslenkbare Struktur eine definierte Position einnimmt und so dass sich die auslenkbare Struktur zu einem zweiten Zeitpunkt aus der definierten Position herausbewegt und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur in dem Gehäuse erhalten wird; Bestimmen 1220 einer Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur basierend auf dem Bewegen in die definierte Position oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus; und Bestimmen 1230 einer Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse basierend auf der Bewegungscharakteristik.
Gemäß einem fünfunddreißigsten Aspekt kann ein Computerprogramm ein Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach dem vierunddreißigsten Aspekt aufweisen, wenn das Programm auf einem Computer läuft.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Referenzkammer (10; 20; 50) für einen Fluidsensor, umfassend: ein Gehäuse (12, 12'); eine auslenkbare Struktur (16), die beweglich innerhalb des Gehäuses (12, 12') angeordnet ist; eine Steuereinrichtung (24; 38), die ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur (16) zu einem ersten Zeitpunkt (t₂) so anzusteuern, dass die auslenkbare Struktur (16) eine definierte Position (x₂) einnimmt, und um zu einem zweiten Zeitpunkt (t₄) die auslenkbare Struktur (16) so anzusteuern, dass sich die auslenkbare Struktur (16) aus der definierten Position (x₂) herausbewegt und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur (16) in dem Gehäuse (12, 12') erhalten wird; einer Auswerteeinrichtung (26; 38), die ausgebildet ist, um eine Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur (16) basierend auf dem Bewegen in die definierte Position (x₂) oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position (x₂) heraus zu bestimmen und um basierend auf der Bewegungscharakteristik eine Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse (12, 12') zu bestimmen.
Referenzkammer gemäß Anspruch 1, mit einem Elektrodenpaar, wobei die auslenkbare Struktur (16) eine erste Elektrode des Elektrodenpaares aufweist und wobei eine zweite Elektrode (36) des Elektrodenpaares benachbart zu der ersten Elektrode angeordnet ist; wobei die Steuereinrichtung (24; 38) ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur (16) durch Anlegen einer Spannungsdifferenz an das Elektrodenpaar anzusteuern.
Referenzkammer gemäß Anspruch 2, bei der zumindest eine Elektrode (16; 36) des Elektrodenpaares eine Isolationsstruktur (48) umfasst, die ausgebildet ist, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen der ersten (16) und zweiten (36) Elektrode während einem mechanischen Kontakt zwischen der ersten (16) und zweiten (36) Elektrode zu verhindern.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die auslenkbare Struktur (16) in der definierten Position (x₂) einen mechanischen Kontakt mit einer Stützstruktur (56) oder einer Elektrode (36) ausführt.
Referenzkammer gemäß Anspruch 4, bei der die Steuereinrichtung (24; 38) ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur (16) so anzusteuern, dass der mechanische Kontakt unter Ausführen einer Prellbewegung ausgeführt wird.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Bewegung ein Einschwingen der auslenkbaren Struktur (16) in die definierte Position (x₂) oder ein Ausschwingen der auslenkbaren Struktur aus der definierten Position (x₂) in eine Ruheposition (x₁) umfasst.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die auslenkbare Struktur (16) eine Elektrode umfasst, die Teil eines Elektrodenpaares ist, und bei der die Steuereinrichtung (24; 38) ausgebildet ist, um zum ersten Zeitpunkt (t₂) eine Spannung an das Elektrodenpaar anzulegen, die größer als eine Snap-In Spannung des Elektrodenpaares ist, und um zum zweiten Zeitpunkt (t₄) eine Spannung an das Elektrodenpaar anzulegen, die kleiner oder gleich als eine Lösespannung, die zu einem Lösen der ersten Elektrode (16) von der zweiten Elektrode (36) führt, ist.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Aktuator (52), der mit der auslenkbaren Struktur (16) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (24; 38) ausgebildet ist, um den Aktuator (52) zu steuern, um die auslenkbare Struktur (16) in die definierte Position (x₂) oder aus der definierten Position (x₂) zu bewegen.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Bewegungscharakteristik Informationen bezüglich einer Veränderung eines auf die auslenkbare Struktur (16) wirkenden Bewegungswiderstands eines Füllmediums (68) in dem Gehäuse (12, 12') bereitstellt.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Bewegungscharakteristik zumindest eines aus einer Totzeit (t_tot), bis sich die auslenkbare Struktur (16) aus der definierten Position (x₂) bewegt, einer Schwingfrequenz (f) der auslenkbaren Struktur (16), einer Schwingamplitude (x) der auslenkbaren Struktur (16), einer Schwingungsdämpfung (42) der Schwingung der auslenkbaren Struktur (16), einer Flankensteilheit (dx/dt) der Bewegung der auslenkbaren Struktur (16), einer Grenzfrequenz der auslenkbaren Struktur (16) und einer Resonanzfrequenz der Schwingung der auslenkbaren Struktur umfasst.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der sich die Atmosphäreneigenschaft auf zumindest eines aus einem Druck innerhalb des Gehäuses (12, 12'), aus einer Zusammensetzung eines Fluids (68) in dem Gehäuse (12, 12') und einer Anzahl von Fluidmolekülen (69) in dem Gehäuse bezieht.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (26; 38) ausgebildet ist, um während eines Kalibrierintervalls die Bewegungscharakteristik zu erfassen, eine Information, die auf der Bewegungscharakteristik basiert, in einem Speicher als Referenzwert zu speichern und während eines Überprüfungsintervalls die Bewegungscharakteristik erneut zu erfassen, mit der gespeicherten Information zu vergleichen, um eine Vergleichsergebnis zu erhalten, und um basierend auf dem Vergleichsergebnis die Atmosphäreneigenschaft zu bestimmen.
Referenzkammer gemäß Anspruch 12, bei der das Kalibrierintervall ein erstes Kalibrierintervall ist, und bei der die Auswerteeinrichtung (26; 38) ausgebildet ist, um während einem zweiten Kalibrierintervall die Bewegungscharakteristik zu erfassen und eine Information, die auf der Bewegungscharakteristik des zweiten Kalibrierintervalls basiert, den in dem Speicher als neuen Referenzwert zu speichern.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, um ein Signal (44) auszugeben, das eine Abweichung der Atmosphäreneigenschaft von einem Referenzzustand unter Berücksichtigung eines Toleranzbereichs anzeigt.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, um basierend auf der Atmosphäreneigenschaft ein Leck in dem Gehäuse (12, 12') oder einen bevorstehenden Ausfall der Referenzkammer anzuzeigen.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (24; 38) ausgebildet ist, um zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₂) und dem zweiten Zeitpunkt (t₄) einen zeitlichen Abstand abzuwarten, der den Erhalt eines Ruhezustands (x₁) der auslenkbaren Struktur (16) ermöglicht.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Gehäuse in einem funktionsgemäßen Betriebszustand hermetisch dicht gebildet ist, wobei die Auswerteeinrichtung (26; 38) ausgebildet ist, um basierend auf einer über die Zeit veränderlichen Atmosphäreneigenschaft eine Undichtigkeit des Gehäuses (12, 12') festzustellen.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Gehäuse (12, 12') in einem funktionsgemäßen Betriebszustand mit einem Referenzgas (68; 68', 68") oder einem Niedrigdruck gefüllt ist.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die auslenkbare Struktur Teil eines Druckwandlers (34) ist.
Referenzkammer gemäß Anspruch 19, bei der der Druckwandler (34) ein Mikrophon ist.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (26; 38) ausgebildet ist, um die Bewegungscharakteristik optisch oder elektrisch zu bestimmen.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die auslenkbare Struktur (16) eine erste Elektrode eines Elektrodenpaares umfasst und die erste Elektrode und eine zweite Elektrode (36) des Elektrodenpaares geschlossen sind, und zwischen der ersten (10) und zweiten (36) Elektrode des Elektrodenpaares ein geschlossenes Volumen vorliegt.
Referenzkammer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die auslenkbare Struktur (16) eine Membran ist.
Fluidsensor (60; 90) mit: einem Emitter (58), der ausgebildet ist, um eine thermische Strahlung (23') zu emittieren; einer Referenzkammer (10; 20; 50) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die ausgebildet ist, um zumindest einen Teil (23) der thermischen Strahlung (23') zu empfangen; einem zwischen dem Emitter (58) und der Referenzkammer (10; 20; 50) angeordnetem Absorptionspfad (62; 62a-c); wobei der Fluidsensor ausgebildet ist, um basierend auf einer Auswertung einer durch die thermische Strahlung (23') erzeugten Bewegung der auslenkbaren Struktur (16) eine photoakustische Auswertung eines in dem Absorptionspfad (62; 62a-c) angeordneten Fluids (64) vorzunehmen.
Fluidsensor gemäß Anspruch 24, wobei die Auswerteeinrichtung (26; 38) ausgebildet ist, um für die eine photoakustische Auswertung während eines Messintervalls die Auswertung der durch die thermische Strahlung (23') in der Referenzkammer (10; 20; 50) erzeugten Bewegung der auslenkbaren Struktur (16) auszuführen, und um basierend auf der Auswertung eine Fluideigenschaft des in dem Absorptionspfad (62; 62a-c) angeordneten Fluids (64) zu bestimmen.
Fluidsensor gemäß Anspruch 24 oder 25, der ausgebildet ist, um den Emitter (58) mit einem Rechtecksignal anzusteuern.
Fluidsensor gemäß einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem die auslenkbare Struktur (16) eine erste Elektrode eines Elektrodenpaares umfasst, wobei der Fluidsensor ausgebildet ist, um für die Auswertung der durch die thermische Strahlung (23') erzeugten Bewegung der auslenkbaren Struktur (16) eine Spannung an das Elektrodenpaar anzulegen, die geringer ist, als eine Snap-In Spannung.
Fluidsensor gemäß einem der Ansprüche 24 bis 27, der als Gassensor gebildet ist.
Fluidsensor gemäß einem der Ansprüche 24 bis 28, mit einer Mehrzahl von Referenzkammern (20a-c), wobei jeder Referenzkammer (20a-c) ein Absorptionspfad (62a-c) zugeordnet ist.
Fluidsensor gemäß Anspruch 29, bei dem eine erste Referenzkammer (20a-c) und eine zweite Referenzkammer (20a-c) der Mehrzahl von Referenzkammern in einem funktionsgemäßen Betriebszustand eine gleiche Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse (12) aufweisen, wobei die Auswerteeinrichtung (26; 38) ausgebildet ist, um die Bewegungscharakteristik der ersten (20a) und zweiten (20b) Referenzkammer miteinander zu vergleichen und bei einer Abweichung außerhalb eines Toleranzbereichs ein Signal (44) auszugeben, das auf einen Fehlerzustand des Fluidsensors hinweist.
Vorrichtung (100) mit einem Fluidsensor (60; 90) gemäß einem der Ansprüche 24 bis 30.
Vorrichtung gemäß Anspruch 31, die als Automobil, Mobiltelefon oder Gebäude gebildet ist.
Verfahren (1100) zum Bereitstellen einer Referenzkammer mit folgenden Schritten: Bereitstellen (1110) eines Gehäuses; Anordnen (1120) einer auslenkbare Struktur, so dass die auslenkbare Struktur beweglich innerhalb des Gehäuses angeordnet ist; Anordnen (1130) einer Steuereinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um die auslenkbare Struktur zu einem ersten Zeitpunkt so anzusteuern, dass die auslenkbare Struktur eine definierte Position einnimmt, und um zu einem zweiten Zeitpunkt die auslenkbare Struktur so anzusteuern, dass die auslenkbare Struktur aus der definierten Position herausbewegt wird und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur in dem Gehäuse erhalten wird; Anordnen (1140) einer Auswerteeinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um eine Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur basierend auf dem Bewegen in die definierte Position oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus zu bestimmen und um basierend auf der Bewegungscharakteristik eine Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse zu bestimmen.
Verfahren (1200) zum Bestimmen einer Atmosphäreneigenschaft in einer Referenzkammer, die eine auslenkbare Struktur aufweist, die beweglich innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, mit folgenden Schritten: Auslenken (1210) der auslenkbaren Struktur zu einem ersten Zeitpunkt, so dass die auslenkbare Struktur eine definierte Position einnimmt und so dass sich die auslenkbare Struktur zu einem zweiten Zeitpunkt aus der definierten Position herausbewegt und eine Bewegung der auslenkbaren Struktur in dem Gehäuse erhalten wird; Bestimmen (1220) einer Bewegungscharakteristik der Bewegung der auslenkbaren Struktur basierend auf dem Bewegen in die definierte Position oder basierend auf dem Bewegen aus der definierten Position heraus; und Bestimmen (1230) einer Atmosphäreneigenschaft in dem Gehäuse basierend auf der Bewegungscharakteristik.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 34, wenn das Programm auf einem Computer läuft.