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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Ermitteln mindestens einer Zustandsgröße mit einer feuchtigkeitssensitiven Schicht und einem Substrat.
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Stand der Technik
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Verschiedene Gassensoren können neben dem Messen einer Gaskonzentration weitere Zustandsgrößen, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit, Druck und Temperatur ermitteln. Gassensoren zum Messen einer Luftqualität arbeiten auf der Basis von Metalloxiden. Diese Gassensoren haben jedoch den Nachteil, eine unzureichende Selektivität bei der Analyse zu besitzen. Die Bestimmung der Luftqualität ergibt sich aus einer Bestimmung der Gesamtheit der verdampften organischen Kohlenwasserstoffe sowie der Konzentration von O3, SO2 und NO3. Eine Möglichkeit die Selektivität eines Gassensors zu erhöhen, besteht darin mehrere unterschiedliche Metalloxide sowie mehrere Messgrößen zusammenzufassen und miteinander in Korrelation zu setzen. Ein entsprechender Algorithmus errechnet anschließend die Luftqualität.
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Durch weitere Messgrößen kann die Leistungsfähigkeit eines Gassensors gesteigert werden. Insbesondere können zusätzliche Messgrößen weitere Faktoren zum Bewerten einer Luftqualität oder einer Gaskonzentration ermöglichen und eine Selektivität eines Gassensors optimieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine verbesserte Sensoranordnung zu schaffen, die eine Messung einer zusätzlichen Zustandsgröße ermöglicht und dabei keine zusätzliche Sensorfläche einnimmt.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Sensoranordnung zum Ermitteln mindestens einer Zustandsgröße mit mindestens einer feuchtigkeitssensitiven Schicht und mit einem Substrat bereitgestellt. Erfindungsgemäß sind die mindestens eine feuchtigkeitssensitive Schicht und das Substrat durch eine pH-sensitive Schicht miteinander verbunden, wobei mindestens zwei erste Elektroden zum Ermitteln mindestens einer elektrischen Messgröße elektrisch leitend mit der pH-sensitiven Schicht verbunden sind.
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Ein pH-Wert kann nur gemessen werden, wenn sich Stoffe, beispielsweise aus der Umgebungsluft in Wasser lösen. Im Wasser stellt sich dann ein korrespondierender pH-Wert ein. Die Messung des pH-Werts kann als eine zusätzliche Messgröße eine Sensordynamik und eine Sensorsensitivität der Sensoranordnung steigern. Die Sensoranordnung kann ein Umgebungsluftsensor sein, welcher neben einer Gaskonzentration und der Messung der relativen Feuchtigkeit und des pH-Werts auch weitere Zustandsgrößen der Umgebungsluft, wie beispielsweise Temperatur und Druck, ermitteln kann. Die Sensoranordnung kann beispielsweise in einem tragbaren Gerät, wie beispielsweise einem Messgerät, einem Smartphone oder dergleichen, angeordnet sein.
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Als eine weitere Möglichkeit kann durch die pH-Messfunktion beispielsweise der Frischzustand von Lebensmitteln in Kühlschränken bestimmt werden. Hierfür kann die Sensoranordnung in einem Innenbereich eines Kühlschranks angeordnet sein. Verderbende Lebensmittel geben häufig Ammoniak an ihre Umgebungsluft ab und führen somit zu einer Veränderung des pH-Wertes der Umgebungsluft im Inneren des Kühlschranks. Eine pH-Wert-Messung der Umgebungsluft der Sensoranordnung kann beispielsweise dazu genutzt werde ein Indikation zu geben, ob Lebensmittel noch frisch oder bereits verdorben sind. Eine erweiterte beispielhafte Anwendung der Sensoranordnung könnte in intelligent, zum Beispiel mit einem Smartphone, einem externen Server oder einer Software eines Lebensmittelgeschäfts, vernetzten Kühlschränken möglich sein.
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Intelligent vernetzte Kühlschränke könnten beispielsweise durch die Sensoranordnung den Benutzer über eine App über den Frischezustand der gelagerten Lebensmittel Informieren, einen Einkaufsliste erstellen um verdorbene Lebensmittel zu ersetzen oder direkt eine Bestellung bei einem Lebensmittelgeschäft aufgeben. Die Sensoranordnung kann auch unterstützend zur Ermittlung einer Luftqualität in beliebigen Räumen verwendet werden.
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Die Sensoranordnung bietet die Möglichkeit einer kostengünstigen Kombination aus einem Feuchtesensor bzw. der feuchtigkeitssensitiven Schicht und einem pH-Sensor bzw. einer pH-sensitiven Schicht bereitzustellen, die zudem platzsparend angeordnet werden können.
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Die feuchtigkeitssensitive Schicht kann beispielsweise ein hydrophiles Dielektrikum sein, dessen dielektrischen Eigenschaften aufgrund eines Feuchtigkeitsgehaltes variieren können und messbar sind. Das von der feuchtigkeitssensitiven Schicht aufgenommene Wasser kann vorteilhafterweise einen direkten oder indirekten Kontakt mit der pH-sensitiven Schicht herstellen und von der pH-sensitiven Schicht analysiert werden. Beispielsweise kann die feuchtigkeitssensitive Schicht Kanäle oder eine offenporige Schaumstruktur zum Transportieren von aufgenommener Feuchtigkeit aufweisen. Insbesondere können die pH-sensitive Schicht und die feuchtigkeitssensitive Schicht auf einem Substrat vertikal übereinander gestapelt werden, wodurch eine Sensorfläche eines Gassensors trotz einer zusätzlichen Messgröße unverändert bleiben kann. Durch die Sensoranordnung kann eine Leistungserweiterung eines Gassensors durch die zusätzliche pH-Wert Messung ermöglicht werden, da das von der feuchtigkeitssensitiven Schicht aufgenommene Wasser bzw. Flüssigkeit durch die pH-sensitive Schicht ebenfalls zumindest teilweise analysiert werden kann.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung ändern sich die elektrischen Eigenschaften der feuchtigkeitssensitiven Schicht bezüglich der relativen Feuchte in ihrer Umgebungsluft. Die feuchtigkeitssensitive Schicht entzieht einem Analysegase Wasser. Vorzugsweise ist der Wassergehalt in der feuchtigkeitssensitiven Schicht proportional zu einem Feuchtigkeitsgehalt des Analysegases. Die relative Feuchtigkeit kann hierbei durch kapazitatives Ermitteln von dielektrischen Eigenschaften der feuchtigkeitssensitiven Schicht oder durch resistives Ermitteln des ohmschen Widerstandes der feuchtigkeitssensitiven Schicht in Abhängigkeit von dem relativen Feuchtigkeitsgehalt in der feuchtigkeitssensitiven Schicht ermittelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Elektrische Eigenschaft der pH-sensitiven Schicht abhängig von einer Änderung eines pH-Werts. Insbesondere kann durch die pH-sensitive Schicht der pH-Wert des von der feuchtigkeitssensitiven Schicht aufgenommenen Wassers ermittelbar sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung sind die mindestens zwei ersten Elektroden in die pH-sensitive Schicht integriert. Hierdurch kann die zusätzliche pH-sensitive Schicht besonders kompakt ausgeführt sein. Die Messung des pH-Wertes kann dabei durch Messung des ohmschen Widerstandes der pH-sensitiven Schicht über die mindestens zwei ersten Elektroden erfolgen. Die mindestens zwei ersten Elektroden können hierbei eine gleiche Schichtdicke aufweisen, wie die pH-sensitive Schicht oder eine geringere Schichtdicke als die pH-sensitive Schicht aufweisen. Vorzugsweise ist die pH-sensitive Schicht zwischen den mindestens zwei ersten Elektroden angeordnet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung ist die pH-sensitive Schicht ein Polymer oder Graphen. Das Polymer kann dabei Polyimid oder ein Polyanile sein und eine pH-abhängige Widerstandänderung in Form eines Chemieresistors ausbilden. Als ein Chemieresistor kann die pH-sensitive Schicht eine relative pH-Wert Messung anhand eines ohmschen Messverfahrens ermöglichen.
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Alternativ kann Graphen als eine pH-sensitive Schicht verwendet werden. Graphen kann eine resistive Struktur bilden, welche beispielsweise durch Indium-Zinn-Oxid Elektroden kontaktiert werden kann. Diese Gesamtstruktur bildet einen Chemieresistor aus. Die Gesamtstruktur weist hierbei einen elektrischen Widerstand auf, der abhängig von einer Konzentration von alkalischen Stoffen ist. Hierdurch kann der pH-Wert ebenfalls durch eine Messung des ohmschen Widerstands der pH-sensitive Schicht zwischen mindestens zwei ersten Elektroden ermittelt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung ist das Substrat eine Membran. Viele Gassensoren werden auf einer Membran als Substrat aufgebracht. Hierdurch kann die Sensoranordnung auf ein bereits bestehendes Substrat aufgebracht und bestehende waferbasierte Herstellungsverfahren zum Herstellen der Sensoranordnung verwendet werden. Insbesondere kann durch Verwenden einer Membran die Sensoranordnung mit einer definierten Temperatur beaufschlagt werden und parasitäre Wärmeverluste durch das Substrat reduziert werden, da die Membran eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein massiv ausgebildetes Substrat mit einer größeren Schichtdicke als die Membran. Vorzugsweise kann die Membran eine mikromechanisch ausgebildete Membran mit einer Membrandicke in einer Größenordnung von Nanometern bis Mikrometern sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung ist die Membran beheizbar. Die Leistung der Sensoranordnung kann durch eine thermische Anregung der pH-sensitiven Schicht durch ein resistives Heizelement gesteigert werden. Insbesondere kann das Heizelement eine mikromechanisch hergestellte resistive Heizstruktur sein. Damit kann die Sensordynamik zusätzlich erhöht werden. Eine resistive Heizung kann im Rahmen eines waferbasierten Herstellungsverfahrens technisch einfach auf die Membran aufgebracht werden. Die Heizung bzw. das Heizelement kann beispielsweise in die Membran integriert oder auf einer Oberfläche der Membran aufgebracht werden. Beispielsweise kann das Heizelement auf die Membran unter Verwendung einer Maske aufgedampft werden. Alternativ kann das Heizelement durch Auftragen einer elektrisch leitfähigen Schicht und einem anschließenden chemischen und/oder physikalischem Materialabtrag hergestellt werden. Der Materialabtrag kann auch ein ionenstrahlbasiertes Strukturierungsverfahren sein. Das Heizelement kann vorzugsweise zum Einstellen einer optimalen Betriebstemperatur verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Heizelement zum Enteisen der Sensoranordnung bei geringen Umgebungstemperaturen als Vorbereitungsstufe zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts und eines pH-Wertes verwendet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung ist an den mindestens zwei ersten Elektroden eine Impedanzmessung durchführbar. Die Sensoranordnung kann technisch besonders einfach ausgeführt sein, wenn auf eine Kontaktierung der feuchtigkeitssensitiven Schicht verzichtet wird. Dabei kann die feuchtigkeitssensitive Schicht kapazitiv gemessen, wohingegen die pH-sensitive Schicht resistiv gemessen werden kann. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit zwischen den gleichen Interdigitalstrukturen der Sensoranordnung eine Impedanzmessung zu implementieren, die parallel die feuchtigkeitsabhängige Kapazitätsänderung der feuchtigkeitssensitiven Schicht und die pH-Wert abhängige Widerstandsänderung der pH-sensitiven Schicht messen kann, ohne weitere Elektroden zu benötigen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung sind mindestens zwei zweite Elektroden zum Ermitteln einer elektrischen Messgröße elektrisch leitend mit der feuchtigkeitssensitiven Schicht verbunden. Hierdurch kann ein kombiniertes Feuchte-/pH- sensitives Bauelement realisiert werden, in dem zwei Metallebenen mit jeweils mindestens zwei Elektroden einen Kontakt zu er feuchtesensitiven Schicht, sowie zu der pH-sensitiven Schicht herstellen können. Die jeweiligen Elektroden können vorzugsweise in die feuchtigkeitssensitive Schicht und in die pH-sensitive Schicht integriert sein, sodass eine kompakte Bauform der Sensoranordnung ermöglicht wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung weist die Sensoranordnung einen nachgeschalteten integrierten Schaltkreis auf, wobei eine Umgebungsluftgüte in dem nachgeschalteten integrierten Schaltkreis basierend auf Messwerten für die relative Feuchtigkeit und den pH-Wert in einer Umgebungsluft bestimmbar. Durch den integrierten Schaltkreis können die ermittelten Messwerte ausgewertet werden. Beispielsweise kann durch einen Auswertealgorithmus eine basierend auf definierten Grenzwerten Aussage über eine Güte oder Qualität einer Umgebungsluft getroffen werden.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform und
- 3 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform,
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Sensoranordnung 1 weist eine feuchtigkeitssensitive Schicht 2 auf. Die feuchtigkeitssensitive Schicht 2 ist eine dielektrische Schicht 2 mit hygroskopischen Eigenschaften. Die feuchtigkeitssensitive Schicht 2 nimmt Wasser aus einer Umgebung der Sensoranordnung 1 auf und ändert abhängig von einem Feuchtigkeitsgehalt ihre dielektrischen Eigenschaften. Hierdurch ändert sich eine Kapazität der feuchtigkeitssensitiven Schicht 2.
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In der feuchtigkeitssensitiven Schicht 2 sind zwei zweite Elektroden 4 eingebracht. An den zwei zweiten Elektroden 4 kann durch eine Auswerteelektronik 6 eine Messung der Kapazität der feuchtigkeitssensitiven Schicht 2 durchgeführt werden. Hierfür sind die zwei zweiten Elektroden 4 mit der Auswerteelektronik 6 elektrisch leitend verbunden.
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Zu der feuchtigkeitssensitiven Schicht 2 benachbart ist eine pH-sensitive Schicht 8 angeordnet. Insbesondere verbindet hierbei die pH-sensitive Schicht 8 die feuchtigkeitssensitive Schicht 2 mit einem Substrat 10.
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Das Substrat 10 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Halbleiter, wie beispielsweise Silizium. Auf das Substrat 10 können die pH-sensitive Schicht 8 und die feuchtigkeitssensitive Schicht 2 mit einem waferbasierten Herstellungsverfahren aufgebracht werden. Bei dem waferbasierten Herstellungsverfahren können auch mindestens zwei erste Elektroden 12 in die pH-sensitive Schicht 8 integriert werden.
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Die pH-sensitive Schicht 8 ist hier beispielsweise ein Polymer, welcher seinen elektrischen Widerstand abhängig von einem pH-Wert einer Flüssigkeit ändert. Alternativ kann auch Graphen als eine pH-sensitive Schicht 8 verwendet werden. Das von der feuchtigkeitssensitiven Schicht 2 aufgenommene Wasser aus der Umgebung steht in direktem oder indirektem Kontakt mit der pH-sensitiven Schicht 8 und kann somit auf einen pH-Wert analysiert werden. Es wird dabei ein ohmscher Widerstand der pH-sensitiven Schicht 8 zwischen den zwei ersten Elektroden 12 gemessen, da der ohmsche Widerstand der pH-sensitiven Schicht 8 abhängig von dem pH-Wert der hydrophil angezogenen Flüssigkeit ist. Vorzugsweise weist die feuchtigkeitssensitive Schicht 2 eine materielle Struktur auf, welche einen Transport der aufgenommenen Feuchtigkeit zu der unter ihr liegenden pH-sensitiven Schicht 8 ermöglicht. Beispielsweise kann die feuchtigkeitssensitive Schicht 2 zumindest bereichsweise eine offenporige Schaumstruktur aufweisen.
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Die zwei ersten Elektroden 12 sind elektrisch leitend mit einer weiteren Auswerteeinheit 14 verbunden. Die Auswerteeinheit 14 kann kontinuierlich oder in bestimmten zeitlichen Abständen durch Beaufschlagen der zwei ersten Elektroden 12 mit einer Gleichspannung und Ermitteln des resultierenden Stroms den ohmschen Widerstand zwischen den zwei ersten Elektroden 2 ermitteln. Alternativ können die zwei ersten Elektroden 12 mit Pulsweiten-modulierten Spannungspulsen unterschiedlicher Frequenz zum Messen elektrischer Eigenschaften der pH-sensitiven Schicht beaufschlagt werden. Die zwei ersten Elektroden 12 und die zwei zweiten Elektroden 4 sind in der Sensoranordnung 1 derart angeordnet, dass die Elektroden 4, 12 voneinander beabstandet sind.
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Die Sensoranordnung 1 gemäß der ersten Ausführungsform weist zwei parallele und voneinander unabhängige elektrische Messkreise auf, die bei Bedarf oder kontinuierlich zum Ermitteln der Feuchtigkeit und des pH-Wertes verwendet werden können.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Sensoranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist ein Substrat 10 auf. Auf dem Substrat 10 ist die pH-sensitive Schicht 8 mit zwei ersten Elektroden 12 angeordnet. Auf der pH-sensitiven Schicht 8 ist die feuchtigkeitssensitive Schicht 2 positioniert.
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Im Unterschied zu der Sensoranordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Sensoranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nur in die pH-sensitive Schicht 8 integrierte zwei erste Elektroden 12 auf. Die feuchtigkeitssensitive Schicht 2 weist keine Elektroden auf. Hierdurch kann die Sensoranordnung 1 technisch einfacher ausgeführt sein.
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Die zwei ersten Elektroden 12 sind voneinander beabstandet und weisen einen Abstand zu der feuchtigkeitssensitiven Schicht 2 auf. Die zwei ersten Elektroden 12 können zum Durchführen einer Impedanzmessung verwendet werden. Die zwei ersten Elektroden 12 sind hierfür mit einer Auswerteelektronik 16 zum Durchführen und Ermitteln der Impedanz der Sensoranordnung 1 elektrisch leitend verbunden.
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Da eine Impedanz bzw. komplexer Widerstand sowohl von einem ohmschen Widerstand zwischen den beiden Elektroden 12 und der Auswerteelektronik 16 als auch der Kapazität der Sensoranordnung 1 abhängig ist, kann beispielsweise in einem ersten Schritt der ohmsche Widerstand zwischen den beiden ersten Elektroden 12 gemessen werden und anhand einer Wechselspannung anschließend die Impedanz gemessen und die Kapazität mithilfe des gemessenen ohmschen Widerstandes berechnet werden. Es können somit durch die beiden ersten Elektroden 12 alle relevanten Messgrößen der Sensoranordnung 1 durch die Auswerteelektronik 16 ermittelt werden.
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Bei einem waferbasierten Herstellungsverfahren kann somit ein Schritt zum Einbringen und Kontaktieren von zwei zweiten Elektroden 4 entfallen. Des Weiteren ist nur eine Auswerteelektronik 16 notwendig.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. Im Unterschied zu einer Sensoranordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und zu einer Sensoranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, weist die Sensoranordnung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine Membran 10 als Substrat 10 auf. Hierdurch können beispielsweise Druckunterschiede oder aufgrund Temperaturschwankungen entstehende Längenausdehnungen des Substrats 10 oder der auf dem Substrat 10 aufgebrachten Schichten 2, 8 kompensiert werden.
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Der Einfachheit halber sind elektrische Leitungen und eine Auswerteelektronik nicht dargestellt.
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Auf einer der pH-sensitiven Schicht 8 gegenüberliegenden Seite der Membran 10 ist ein Heizelement 18 angeordnet. Das Heizelement 18 ist ein resistives Heizelement 18, welches aufgrund eines hohen elektrischen Widerstands aus einem Stromfluss Wärme erzeugt. Das Heizelement 18 dient zum Aufheizen der Sensoranordnung 1 und kann insbesondere eine definierte Temperatur einstellen oder die Sensoranordnung 1 bei niedrigen Temperaturen auf eine Betriebstemperatur erwärmen. Das Heizelement 18 kann auch parallel zum Beheizen eines CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) Sensors oder einer MEMS (Mikro-Elektromechanisches System) dienen. Durch ein Einstellen einer definierten Temperatur kann beispielsweise eine Effizienz der Sensoranordnung 1 gesteigert werden. Aufgrund der verwendeten Membran 10 als Substrat 10 können Wärmeverluste durch das Substrat 10 reduziert werden, da die Wärmeleitfähigkeit eines Feststoffs von einem Querschnitt des Feststoffs abhängt.
