DE102018210387B4

DE102018210387B4 - Sensorvorrichtung und Verfahren zum Detektieren von Gasen

Info

Publication number: DE102018210387B4
Application number: DE102018210387.9A
Authority: DE
Inventors: Renate Mueller; Stefan Pinter; Jochen Reinmuth; Tobias Sebastian Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: JP2020024190A; DE102018210387A1; JP7397588B2

Abstract

Sensorvorrichtung (100) zum Detektieren von Gasen umfassend:- einen mikroelektromechanischen Sensor (110) mit einem Messvolumen (120) zur Aufnahme eines Messgases (200) und einem im Messvolumen (120) angeordneten Sensorelement (130), wobei das Sensorelement (130) relativ zu einem Substrat (101) elastisch auslenkbar ausgebildet ist,- eine Antriebseinrichtung (161) zum Erzeugen einer Schwingungsbewegung des Sensorelements (130),- eine Detektionseinrichtung (162) zum Erfassen wenigstens eines Schwingungsparameters der Schwingungsbewegung des Sensorelements (130), und- eine Steuereinrichtung (160) zum Ermitteln einer Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases (200) anhand einer Viskosität des Messgases (200), wobei die Steuereinrichtung (160) ausgebildet ist, die Viskosität des Messgases (200) durch eine Auswertung des wenigstens einen Schwingungsparameters der Schwingungsbewegung des Sensorelements (130) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (130) in Form einer Interdigitalstruktur umfassend wenigstens zwei Sensorteile (131, 134) mit mehreren ineinandergreifenden Fingerstrukturen (133, 136) ausgebildet ist, wobei wenigstens einer der Sensorteile (131, 134) elastisch auslenkbar relativ zu dem jeweils anderen Sensorteil (131, 134) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Detektieren von Gasen. Ferner betrifft die Erfindung einen mikroelektromechanischen Sensor und eine Steuereinrichtung für eine solche Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zum Detektieren von Gasen.
Zur Detektion gasförmiger Substanzen werden spezielle Gassensoren verwendet, welche chemische Informationen der Umgebungsluft in ein elektrisch nutzbares Signal umwandeln. Dabei sind verschiedene Methoden zur Gasdetektion bekannt, welche sich grundsätzlich durch das jeweils verwendete Messprinzip unterscheiden. Neben chemischen Messmethoden, welche chemische Eigenschaften der Gase ausnutzen, wie z.B. Oxidierbarkeit, Reaktivität und Reproduzierbarkeit, kommen auch physikalische Messmethoden zum Einsatz, welche verschiedene physikalische Eigenschaften des zu messenden Gases erfassen, wie zum Beispiel elektrische, magnetische, dielektrische, optische oder thermische Eigenschaften. Darüber hinaus sind auch Messmethoden bekannt, bei denen Änderungen bestimmter Eigenschaften des Sensors erfasst werden, welche aufgrund chemischer oder physikalischer Wechselwirkungen mit dem zu messenden Gas entstehen. Hierzu zählen unter anderem gravimetrische Sensoren, bei denen eine durch Absorption von Gasmolekülen bedingte Massenänderung detektiert wird, oder resistive Gassensoren, bei denen ein durch das zu messende Gas beeinflusste Leitfähigkeit einer gasempfindlichen Sensorschicht detektiert wird. Aus der DE 4244224 A1 ist beispielsweise ein Gassensor bekannt, welcher ein kalorimetrisches Messprinzip verwendet. Aus der DE 19804326 A1 ist ferner ein Gassensor bekannt, welcher die Viskosität und Dichte eines Mediums mithilfe einer schwingenden Biegezunge erfasst. Ferner ist aus der WO 2007/038180 A2 ein Gassensor bekannt, welcher schwingenden Quarzgabeln zur Messung der Konzentration von Wasserstoff verwendet.
Aus der DE 10 2014 106 729 A1 ist ein Messgerät zum Bestimmen der Konzentration wenigstens einer Komponente eines mehrkomponentigen Messmediums bekannt, welches zur Bestimmung der Konzentration, des Volumenanteils, des Massenanteils oder des Partialdruck wenigstens einer Komponente in einem mehrkomponentigen Messmediums eine Kombination aus einem ersten Sensor zur Bestimmung thermischer Eigenschaften des Messmediums und einem zweiten Sensor zur Bestimmung der Dichte oder Viskosität des Messmediums verwendet. Der zweite Sensor ist dabei in Form eines in MEMS-Bauweise ausgebildeten vibrierenden Cantilevers ausgebildet.
Aus der DE 10 2016 124 910 A1 ist ein Gasanalysator zur Bestimmung der Dichte und Viskosität eines Gasgemisches bekannt, welcher einen vibronischen Sensor in Form eines schwingenden Cantilevers aufweist, welcher in einer von dem Messgas durchströmten Kavität angeordnet ist.
Aus der DE 10 2015 118 346 A1 ist ein MEMS- Sensor zur Messung wenigstens einer Messgröße, insbesondere einer Dichte eines durch Flusses oder einer Viskosität eines strömenden Fluiden bekannt. Der MEMS- Sensor verwendet hierzu einen von dem Fluid durchströmten mikrofluidischen Kanal mit einem zu Schwingungen anregbaren Kanalabschnitt.
Aus der DE 10 2012 210 470 A1 ist ein MEMS-Mikroviskosimeter zur Bestimmung der Viskosität eines Fluids bekannt. Das Mikroviskosemeter verwendet hierzu einen in dem zu messenden Fluid angeordneten Aktuator in Form eines elastisch verformbaren Cantilevers, welcher mittels eines HF-Signals zur Schwingung angeregt wird.
Aus der DE 198 50 799 A1 ist eine Sensoranordnung zu Ermittlung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten, z.B. der Viskosität, bekannt. Die Sensoranordnung umfasst dabei eine mit der zu messenden Flüssigkeit in Kontakt stehende Sensorplatte mit einem darauf angeordneten ersten elektro-akustischen Wandler zum Anregen von Schwingungsmoden der Sensorplatte. Ferner umfasst die Sensoranordnung einen zweiten elektro-akustischen Wandler zum Detektieren des Schwingungsverhaltens der Senderplatte. Beide elektroakustische Wandler sind dabei in Form von Interdigitalstrukturen ausgebildet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine alternative Methode zur Detektion von Gasen bzw. Fluiden bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mithilfe einer Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch einen mikroelektromechanischen Sensor nach Anspruch 8, eine Steuereinrichtung nach Anspruch 9 sowie ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist eine Sensorvorrichtung zum Detektieren von Gasen umfassend einen mikroelektromechanischen Sensor mit einem Messvolumen zur Aufnahme eines Messgases und einem im Messvolumen angeordneten Sensorelement vorgesehen. Das Sensorelement ist dabei relativ zu einem Substrat elastisch auslenkbar ausgebildet. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung eine Antriebseinrichtung zum Erzeugen einer Schwingungsbewegung des Sensorelements, eine Detektionseinrichtung zum Erfassen der Schwingungsbewegung des Sensorelements und eine Steuereinrichtung zum Ermitteln einer Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases anhand einer durch das Messgas bewirkten Dämpfung der Schwingungsbewegung des Sensorelements. Dabei ist die Steuereinrichtung ausgebildet, die Dämpfung des Sensorelements durch eine Auswertung seiner Schwingungsbewegung zu bestimmen. Mithilfe einer solchen Sensorvorrichtung ist es möglich, eine Vielzahl von Gasen unabhängig voneinander zu detektieren. Aufgrund des Messprinzips unterliegt der Sensor trotz direktem Kontakt zum Messgas keiner bzw. einer nur unwesentlichen Alterung, was mit einer besonders langen Lebenszeit einhergeht. Im Unterschied zu chemischen Sensoren besteht bei dem hier vorgestellten Messkonzept ferner nicht die Gefahr der Sättigung oder Vergiftung des sensierenden Elements. Ferner kann die Sensorvorrichtung mittels geeigneter fotolithografischer Verfahren besonders kostengünstig hergestellt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensorelement in Form einer Interdigitalstruktur umfassend wenigstens zwei Sensorteile mit ineinandergreifenden Fingerstrukturen ausgebildet ist. Dabei ist wenigstens einer der Sensorteile elastisch auslenkbar relativ zu dem jeweils anderen Sensorteil ausgebildet. Da aufgrund der Vielzahl der ineinandergreifenden und miteinander wechselwirkenden Fingerstrukturen sich eine besonders große Interaktionsfläche zwischen Sensor und Gas ergibt, kann die Dämpfung mithilfe einer Interdigitalstruktur besonders genau bestimmt werden. Hierdurch können auch kleinste Änderungen der Viskosität des Messgases detektiert werden. Da die Bewegung der Fingerstrukturen bei einer Interdigitalstruktur im Wesentlichen gleichmäßig über die gesamte effektive Sensorfläche erfolgt, treten ferner nur geringe lokale Temperaturunterschiede des Messgases auf. Hierdurch lässt sich die Temperatur des Messgases besonders präzise erfassen, was zu einer weiteren Erhöhung der Messgenauigkeit führt. Schließlich lassen sich Interdigitalstrukturen zusätzlich auch als Inertialsensoren zum Erfassen von Beschleunigungen nutzen, wodurch die Funktionalität der Sensorvorrichtung erweitert wird. Da der Herstellungsprozess für Inertialsensoren gut bekannt ist, können diese Sensoren sehr kostengünstig und zuverlässig hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung ferner wenigstens einen Zusatzsensor zum Ermitteln der aktuellen Temperatur und/oder des aktuellen Drucks des Messgases umfasst. Dabei ist die Steuereinrichtung ausgebildet, den mittels des Zusatzsensors ermittelten Parameter zur Berechnung und/oder Korrektur der durch Auswertung der Schwingungsbewegung des Sensorelements ermittelten Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases zu verwenden. Hiermit ist es möglich, die durch die Umwelteinflüsse Druck und temperaturverursachten Änderung der Viskosität des Messgases besonders effektiv zu kompensieren. Dieses wiederum erlaubt eine besonders genaue Messung, unter anderem auch, da ein Heizer fotolithografisch sehr genau hergestellt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung ferner eine Heizeinrichtung zum Einstellen verschiedener Temperaturen des Messgases umfasst, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Dämpfung des Messgases auf die Schwingungsbewegung des Sensorelements bei den verschiedenen Temperaturen des Messgases separat zu ermitteln und die Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases durch eine gemeinsame Auswertung der bei den verschiedenen Temperaturen separat ermittelten Dämpfung zu bestimmen. Hierdurch wird es möglich, verschiedene Gasgemische voneinander zu unterscheiden. Insbesondere können hierbei die Konzentrationen einzelner Komponenten der Gasgemische ermittelt werden. Die Messung und Auswertung der Viskosität bei verschiedenen Temperaturen ermöglicht jedoch auch eine Verbesserung der Messgenauigkeit bei Gasen, welche lediglich eine Komponente aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung wenigstens ein elektrisches Heizelement umfasst, welches auf dem Substrat, in bzw. an einer das Messvolumen abdeckenden Kappenstruktur und/oder auf dem Sensorelement angeordnet ist. Durch die unmittelbare Anordnung des Heizelements im in unmittelbarer Nähe des Sensorelements ermöglicht eine besonders präzise Einstellung der Temperatur des Messgases, was sich in einer besonders hohen Präzision der Messung bemerkbar macht. Dabei kann ein Heizelement bei einer Anordnung auf dem Substrat beispielsweise als substratseitige Elektrode einer kapazitiven Antriebseinrichtung oder einer entsprechenden Detektionseinrichtung dienen. Das gleiche gilt für die Anordnung des Heizelements auf einer das Messvolumen abdeckenden Kappenstruktur oder auf dem auslenkbaren Sensorelement. Hierdurch können verschiedene Funktionen der Sensorvorrichtung zusammengefasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Messvolumen wenigstens einseitig mittels einer Kappenstruktur gegenüber einem Außenvolumen abgegrenzt ist. Dabei umfasst die Kappenstruktur wenigstens eine Öffnung oder eine gasdurchlässige Membran zum Austausch des Messgases zwischen dem Messvolumen und einem Außenvolumen. Eine solche Kappenstruktur bietet einen mechanischen Schutz für das empfindliche Sensorelement. Bei einem ausreichend geringen Durchmesser der Gasaustauschöffnung bietet eine solche Kappenstruktur ferner einen wirksamen Partikelschutz. Einen entsprechenden Partikelschutz bietet ferner auch eine gasdurchlässige Membran. Durch eine entsprechende Ausbildung der gasdurchlässigen Membran lassen sich jedoch auch gezielt bestimmte Gasmoleküle aus einem Gasgemisch herausfiltern. Hierdurch kann die Präzision der Messung erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung ferner einen Referenzsensor umfasst, wobei der Referenzsensor ein gegenüber einem Außenvolumen abgeschlossenes und ein Referenzgas beinhaltendes Referenzvolumen mit einem darin angeordneten Sensorelement umfasst. Die Steuereinrichtung ist dabei ausgebildet, die mithilfe des Referenzsensors ermittelten Messdaten zur Korrektur der mithilfe des Sensors ermittelten Messdaten zu verwenden. Durch die Verwendung des Referenzsensors lassen sich Änderungen der Viskosität des Messgases durch bestimmte Umwelteinflüsse, wie z. B. Druck und Temperatur, relativ einfach heraus rechnen bzw. kompensieren. Hierdurch kann die Präzision der Messung erhöht weiter werden, beispielsweise indem man das Referenz- und Messvolumen als Wheatstone Brücke ausführt.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Referenzsensor eine flexible Druckausgleichsmembran umfasst, welche einen Druckausgleich zwischen dem Referenzvolumen und dem Außenvolumen bewirkt. Eine solche Druckausgleichsmembran erlaubt eine besonders effiziente Kompensation des Einflusses des Gasdrucks auf die zu ermittelnde Viskosität zu erzielen.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum Detektieren von Gasen mithilfe einer Sensorvorrichtung vorgesehen, wobei die Sensorvorrichtung einen mikroelektromechanischen Sensor mit einem Messvolumen und einem darin elastisch auslenkbar angeordneten Sensorelement umfasst. Dabei wird in einem ersten Schritt ein zu detektierendes Messgas in dem Messvolumen bereitgestellt. Anschließend wird eine Schwingungsbewegung des Sensorelements erzeugt. Des Weiteren wird wenigstens ein Schwingungsparameter der Schwingungsbewegung des Sensorelements erfasst. Anschließend wird eine Viskosität des Messgases durch Auswerten des erfassten Schwingungsparameters ermittelt. Schließlich wird die Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases anhand der ermittelten Viskosität des Messgases bestimmt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Messgas auf verschiedene Temperaturen erwärmt wird und die Viskosität des Messgases für die verschiedenen Temperaturen des Messgases separat ermittelt wird. Ferner wird die Konzentration der wenigstens einen Komponente des Messgases durch eine gemeinsame Auswertung der für die verschiedenen Temperaturen ermittelten Viskosität des Messgases bestimmt wird. Eine Messung der Viskosität bei verschiedenen Temperaturen eröffnet die Möglichkeit, auch Gasgemische voneinander zu unterscheiden. Dabei können auch einzelne Komponenten des Gasgemisches identifiziert und deren Konzentration bestimmt werden. Auch bei Gasen, welche lediglich eine Komponente enthalten, führt die Ermittlung der Viskosität bei mehreren Temperaturen zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Viskosität des Messgases der Schwingungsbewegung des Sensorelements durch Messen und Auswerten wenigstens eines Schwingungsparameters bestimmt wird. Als Schwingungsparameter werden dabei eine zur Aufrechterhaltung einer konstanter Amplitude der durch die Interaktion mit dem Messgas gedämpften Schwingungsbewegung des Sensorelements notwendigen Energiezufuhr der Antriebseinrichtung, eine Schwing- und/oder Abklingdauer der durch die Interaktion mit dem Messgas gedämpften Schwingungsbewegung des Sensorelements, eine Änderung der Resonanzfrequenz der durch die Interaktion mit dem Messgas gedämpften Schwingungsbewegung des Sensorelements und/oder eine Dämpfung und/oder ein Gütefaktor der durch die Interaktion mit dem Messgas gedämpften Schwingungsbewegung des Sensorelements verwendet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:

1 schematisch Draufsicht auf eine Sensorvorrichtung zur Detektion von Gasen umfassend einen Interdigitalsensor mit mehreren ineinandergreifenden Fingerstrukturen;
2 schematisch eine Querschnittsdarstellung der Sensorvorrichtung aus 1;
3 schematisch eine alternative Ausführungsform der Sensorvorrichtung mit einem gegenüber einem Außenvolumen abgeschlossenen Messvolumen;
4 eine Variation der Sensorvorrichtung aus 3 mit einem in Z-Richtung schwingenden Sensorelement;
5 eine weitere Variation der Sensorvorrichtung aus 3 mit einem in Form einer Wippe ausgebildeten Sensorelement;
6 eine Variation der Sensorvorrichtung aus 2 mit einer mehrere Gasaustauschöffnungen aufweisenden Kappenstruktur;
7 eine Variation der Sensorvorrichtung aus 6 mit einer in Form einer gasdurchlässigen Membran ausgebildeten Kappenstruktur;
8 eine alternative Gestaltung der Sensorvorrichtung aus 2 mit einem zusätzlichen Referenzsensor;
9 eine Variation der Sensorvorrichtung aus 8, bei welcher die Kappenstruktur des Referenzsensors eine Druckausgleichsmembran aufweist;
10 eine Sensorvorrichtung mit einer Heizeinrichtung, welche ein auf dem Substrat angeordnetes Heizelement umfasst.;
11 eine Variation der Sensorvorrichtung aus 10 mit einem an einer Kappenstruktur angeordneten Heizelement;
12 eine Variation der Sensorvorrichtung aus 11, bei welcher die Heizelemente an den Fingerstrukturen des Sensorelements angeordnet sind;
13 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Viskosität verschiedener Gase in Abhängigkeit von der Temperatur;
14 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Viskosität von Stickstoff in Abhängigkeit vom angelegten Druck bei verschiedenen Temperaturen; und
15 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Viskosität von Stickstoff in Abhängigkeit von der Temperatur bei verschiedenen Drücken.

Das hier beschriebene Detektionskonzept sieht die Verwendung von schwingenden bzw. vibrierenden Sensorstrukturen zur Detektion von Gasen bzw. Fluiden vor. Wird eine solche Sensorstruktur in einer gasförmigen Umgebung zur Schwingung angeregt, so kommt es zu einer Dämpfung der Schwingungsbewegung durch das umgebende Gas. Da diese Dämpfung unter anderem von der Viskosität des Gases abhängt, lässt sich durch eine Analyse der gedämpften Schwingungsbewegung auf das Vorhandensein des jeweiligen Gases bzw. seine Konzentration schließen. Da Gase ferner spezifische Viskositäten aufweisen, lässt sich durch eine entsprechende Analyse auch die Zusammensetzung eines Gasgemisches bzw. die Konzentration einzelner Gaskomponenten in einem Gasgemisch ermitteln. Hierbei wird vorzugsweise auch das Temperatur- und Druckverhalten der Viskosität des zu untersuchenden Gases genutzt, welche für verschiedener Gase unterschiedlich ausfällt. So können durch eine Variation der Temperatur und/oder des Drucks des zu messenden Gases unterschiedliche Messsituationen erzeugt werden, deren gemeinsame Analyse Rückschlüsse auf die Konzentration einzelner Gaskomponenten in einem Gasgemisch ermöglicht.
Die gedämpfte Schwingung wird dabei durch die schwingenden Masse, die Elastizität der Aufhängung, die Auslenkung und die Dämpfung beschrieben. Bei einer erzwungenen Schwingung können ferner auch Amplitude, Schwingungsfrequenz und die Dämpfung bzw. der Güte-Faktor analysiert werden. Durch eine Messung und Auswertung eines oder mehrerer dieser Schwingungsparameter kann die durch das Gas bewirkte Dämpfung der Schwingungsbewegung und damit auch die Viskosität des Gases relativ genau bestimmt werden. Anhand der Viskosität wird dann die Konzentration des Gases bzw. seine Zusammensetzung ermittelt. Durch Messen des Gases bei unterschiedlichen Temperaturen und eine gemeinsame Auswertung der dabei bei den einzelnen Temperaturen gewonnen Messergebnisse mithilfe eines geeigneten Algorithmus ist es ferner auch möglich, bei einem Gasgemisch unterschiedliche Gaskomponenten separat zu ermitteln.
In der Tabelle 1 sind beispielhaft die Viskositäten η und freien Weglängen λ von Luft und weiteren Gasen bei Normalbedingungen aufgeführt. Hieraus ist ersichtlich, dass die Viskosität von Wasserstoff ungefähr halb so groß ist, wie die von Stickstoff, welcher den Hauptbestandteil von Luft bildet. Tabelle 1

Gas η [µPa·s] λ [nm]

air 17,1 59,8

O₂ 19,2 63,3

CO₂ 13,8 39,0

N₂ 16,6 58,8

Ar 21,0 62,6

Ne 29,7 124,0

He 18,6 174,0

H₂ 8,4 111,0
Für Gase lässt sich die Viskosität η grundsätzlich wie folgt abschätzen: $η = 1 / 3 n m v λ$
mit der Teilchenzahldichte n, der Masse der Gasteilchen m, der mittleren Teilchengeschwindigkeit v und der freien Weglänge λ.
Die Viskosität von Gasen steigt grundsätzlich mit der Temperatur, da die Teilchengeschwindigkeit v proportional zur Temperatur T wächst. Die 13 zeigt ein Diagramm, aus welchem sich der Verlauf der Viskositäten verschiedener Gase in Abhängigkeit von der Gastemperatur entnehmen lässt. Wie hierbei ersichtlich ist, steigt die Viskosität eines Gases nichtlinear mit der Temperatur an. Der Verlauf der Viskosität mit der Temperatur ist dabei gasspezifisch, sodass sich die Viskositäten verschiedener Gase bei jeweils gleicher Messtemperatur teilweise sehr deutlich voneinander unterscheiden. Das Messen der Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur eröffnet somit die Möglichkeit, die Zusammensetzung eines Gases zu bestimmen. Insbesondere können durch Messen der Viskosität eines Messgases bei verschiedenen Temperaturen einzelne Komponenten eines Gasgemisches identifiziert und deren Konzentration bestimmt werden. In der 13 ist beispielhaft die Erfassung der Viskosität des Messgases bei drei verschiedenen Messtemperaturen T1, T2 und T3 dargestellt.
Darüber hinaus ist die Viskosität eines Gases abhängig vom Druck bzw. der Dichte des jeweiligen Gases. Dies gilt insbesondere für ein sehr dünnes oder ein sehr dichtes Gas. Hingegen ist die Viskosität von Gasen bei niedrigen Drücken (≈0,1 bis 10 bar) im Wesentlichen unabhängig vom Druck, sofern die freie Weglänge klein gegenüber den Gefäßabmessungen und groß gegenüber den Molekülabmessungen ist. Aus dem in der 14 dargestellten Diagramm lässt sich die Abhängigkeit der Viskosität von Stickstoff vom eingestellten Druck für verschiedene Gastemperaturen ablesen. Hierbei ist ersichtlich, wie die Viskosität des Messgases nichtlinear mit dem Druck zunimmt. Ferner ergeben sich für verschiedene Temperaturen des Messgases unterschiedliche Verläufe. Diese Zusammenhänge lassen sich bei der Bestimmung der Viskosität eines Gases nutzen, indem der Druck des zu messenden Gases in geeigneter Weise gemessen und zur Korrektur der für das jeweilige Gas ermittelten Viskosität verwendet wird.
Das in der 15 gezeigte Diagramm veranschaulicht hingegen den Zusammenhang zwischen der Viskosität von Stickstoff und der Gastemperatur für verschiedene Gasdrücke. Hieraus lässt sich erkennen, dass sich der Zusammenhang zwischen Viskosität und Temperatur für zunehmende Drücke stark ändert. Insbesondere kehrt sich die Abhängigkeit der Viskosität eines Gases von der Temperatur für besonders hohe Drücke und tiefe Temperaturen um. Infolgedessen nimmt die Viskosität des Gases bei tiefen Temperaturen und hohen Drücken zunächst mit der Temperatur ab, bevor sie bei höheren Temperaturen wieder mit der Temperatur anwächst.
Als Sensoren kommen erfindungsgemäß schwingende Sensorstrukturen zum Einsatz, welche vorzugsweise in Form von mikroelektromechanischen Sensoren ausgebildet sind. Solche MEMS-Sensorstrukturen sind bereits in Form von Drehraten- oder Beschleunigungssensoren, Mikrofonen und Mikrospiegeln realisiert und weisen vorzugsweise auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Antriebs- bzw. Messsysteme auf.
Die 1 zeigt beispielhaft eine Sensorvorrichtung 100 mit einem Substrat 101 und einem darauf angeordneten mikroelektromechanischen Sensor 110 zur Detektion von Gasen. Der Sensor 110 umfasst ein auslenkbares Sensorelement 130, welches in einem in Form einer durch eine Rahmenstruktur 102 seitlich begrenzten Kavität ausgebildeten Messvolumen 120 angeordnet ist. Das Sensorelement 130 ist im vorliegenden Fall in Form einer Interdigitalstruktur ausgebildet und umfasst zwei gegeneinander elastisch auslenkbar angeordnete Sensorteile 131, 134 mit jeweils einem Grundkörper 132, 135 und mehreren daran angeordneten Fingerstrukturen 133, 136. Die Fingerstrukturen 133 des ersten Sensorteils 131 befinden sich dabei in kämmenden Eingriff mit den Fingerstrukturen 136 des zweiten Sensorteils 134. Durch das Ineinandergreifen der Fingerstrukturen 133, 136 ergibt sich eine relativ große effektive Sensorfläche, welche für die Interaktion mit dem zu messenden Gas zur Verfügung steht. Darüber hinaus ermöglicht die große effektive Sensorfläche eine besonders präzise Detektion der relativen Bewegung zwischen den Fingerstrukturen 133, 136 der beiden Sensorteile 131, 134. Während des Betriebs des Sensors 110 wird wenigstens einer der beiden Sensorteile 131, 134 mithilfe einer geeigneten Antriebseinrichtung 161 ausgelenkt, wodurch eine relative Schwingungsbewegung zwischen den Fingerstrukturen 133, 136 der beiden Sensorteile 131, 134 erzeugt wird. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel beide Sensorteile 131, 134 elastisch auslenkbar ausgebildet sind, werden durch eine entsprechende Anregung entgegengesetzte Schwingungsbewegungen der beiden Sensorteile 131, 134 erzeugt, welche mittels der beiden Pfeile angedeutet sind. Dabei kommt es zu einer Interaktion der Fingerstrukturen 133, 136 mit dem umgebenden Gas, welche sich dämpfend auf die Schwingungsbewegungen der beiden Sensorteile 131, 134 auswirkt. Bei einer Interdigitalstruktur ist diese Dämpfung besonders stark ausgeprägt, da der Zwischenraum zwischen jeweils unmittelbar benachbarten Fingerstrukturen 133, 136 während einer Schwingungsphase besonders großen relativen Volumenänderung unterliegt. Ferner erhöht sich die Dämpfungswirkung proportional zur Anzahl der ineinandergreifenden Fingerstrukturen.
Die Schwingungsbewegung der Sensorteile 131, 134 relativ zueinander wird mittels einer Detektionseinrichtung 163 erfasst, welche vorzugsweise in Form einer auf dem Substrat 101 angeordneten integrierten Schaltung ausgebildet ist. Die Detektionseinrichtung 163 beruht im vorliegenden Fall auf einer kapazitiven Messmethode, bei der eine Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den Fingerstrukturen 133, 136 der beiden Sensorteile 131, 134 erfasst wird. Dabei bilden die sich gegenüberliegenden Seiten der Fingerstrukturen 133, 136 jeweils komplementäre Elektroden, sodass jede relative Änderung des gegenseitigen Abstands der betreffenden Fingerstrukturen zu einer messbaren Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden der beiden Sensorteile 131, 134 führt. Grundsätzlich können zur Detektion der Schwingungsbewegung auch andere Detektionsmethoden zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel eine optische Messmethode, bei der die relative Auslenkung der beiden Sensorteile beispielsweise durch Ablenkung eines Laserstrahls erfasst wird.
Wie in der 1 ferner gezeigt ist, wird das Messsignal der Detektionseinrichtung 163 über eine entsprechende Signalleitung einer Steuereinrichtung 160 zugeführt, welche anhand dieses Messsignals eine Auswertung der Schwingungsbewegung durchführt. Die Steuereinrichtung 160 ist dabei vorzugsweise in Form einer auf dem Substrat 101 angeordneten integrierten Schaltung ausgebildet. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Steuereinrichtung 160 auf einem separaten Substrat oder Träger anzuordnen.
Da es bei dem mikroelektromechanischen Sensor 110 lediglich auf die Relativbewegung der beiden Sensorteile 131, 134 ankommt, kann alternativ auch vorgesehen sein, dass lediglich einer der Sensorteile 131, 134 elastisch auslenkbar ausgebildet ist, während der jeweils andere Sensorteil star zum Substrat 101 angeordnet ist.
Die Sensorvorrichtung 100 kann ferner einen Temperatursensor 165 zum Erfassen der aktuellen Temperatur des zu messenden Gases und einen Drucksensor 166 zum Erfassen des aktuellen Gasdrucks umfassen. Diese Zusatzsensoren können dabei im gleichen Package wie der Sensor oder in geeigneter Weise auf demselben Chip integriert sein. Vorzugsweise sind die Zusatzsensoren 165, 166 innerhalb des Messvolumens 120 angeordnet und mittels geeigneter Signalleitungen an die Steuereinrichtung 160 angeschlossen. Die Steuereinrichtung 160 ist dabei vorzugsweise ausgebildet, die ermittelte Temperatur bzw. den ermittelten Druck als Berechnung- oder Korrekturfaktor bei der Ermittlung der Viskosität bis Messgases zu verwenden. Hierdurch ist es möglich die Einflüsse der beiden Umwelteinflüsse Druck und Temperatur auf die Viskosität des Messgases in der Signalanalyse zu berücksichtigen.
Ferner kann die Sensorvorrichtung 100 auch eine Heizeinrichtung 170 zum Einstellen definierter Temperaturen des Messgases umfassen, welche wenigstens ein vorzugsweise im Messvolumen 120 angeordnetes Heizelement 171 umfasst. Die Heizeinrichtung 170 kann dabei über entsprechende Leitungen direkt an die Steuereinrichtung 160 angeschlossen sein.
Die Antriebseinrichtung 161 kann dabei ein aus der Inertialsensorik, Mikrofon- oder Mikrospiegel Technologie bekanntes Verfahren verwenden, wie z. B. ein piezoelektrisches, magnetisches oder elektrostatisches Antriebsverfahren.
Die 2 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung der Sensorvorrichtung 100 aus 1. Wie hier ersichtlich ist, ist das zweiteilig aufgebaute Sensorelement 130 des mikroelektromechanischen Sensors 110 innerhalb des durch die den Rahmen 102 begrenzten Messvolumens 120 angeordnet. Das Messvolumen 120 ist die im vorliegenden Fall offen zum Außenvolumen 210 ausgebildet, sodass zwischen dem Außenvolumen 210 und dem Messvolumen 120 ein Austausch des zu messenden Gases 200 erfolgen kann. Alternativ hierzu kann das Messvolumen 120 auch mittels einer Kappenstruktur abgeschlossen ausgebildet und lediglich über Gasaustauschöffnungen mit dem Außenvolumen 210 verbunden sein. Hierdurch entsteht ein definiertes Gasvolumen, dessen Temperatur und Druck besser gemessen bzw. eingestellt werden kann.
Die 3 zeigt eine alternative Gestaltung der Sensorvorrichtung 100 in Form eines Durchflusssensors. Hierbei ist das Messvolumen 120 von einer oberen und einer unteren Kappenstruktur 140, 150 zum Außenvolumen 210 begrenzt. Die beiden Kappenstrukturen 140, 150 weisen jeweils eine zentrale Öffnung 141, 151 auf, durch welche das Messgas 200 in das Messvolumen 120 ein- bzw. aus dem Messvolumen 120 ausströmen kann. Die entsprechenden Gasströmungen sind mittels der Pfeile 203, 204 angedeutet. Das Sensorelement 130 ist dabei vorzugsweise in Form der aus den 1 und 2 bekannten Interdigitalstruktur ausgebildet.
Die 4 zeigt eine alternative Gestaltung des Sensors 110, bei dem das Sensorelement 130 eine Schwingungsbewegung senkrecht zur Substratebene durchführt. Das Sensorelement 130 kann dabei in Form einer Membran ausgebildet sein, welche mittels elastischer Aufhängungen 136 am Substrat 101 befestigt ist. In diesem Fall können an einer oder an beiden Kappenstrukturen140, 150 entsprechende Elektroden 162, 164 angeordnet sein, welche als Antriebs- und Detektionseinrichtungen des Sensors 110 dienen.
Die 5 zeigt eine alternative Gestaltung des Sensors 110, bei dem das Sensorelement 130 in Form einer um einen Drehpunkt 137 drehbar angeordneten Wippe ausgebildet ist. Die Wippe ist dabei mittels geeigneter elastischer Aufhängung 136 am Substrat 101 befestigt.
Grundsätzlich lassen sich die in den 4 und 5 gezeigten Alternativen Sensorelemente auch in einem nur einseitig zum Außenvolumen offenen bzw. mittels einer Kappenstruktur oder einer gasselektiven Membran verschlossenen Sensorgehäuse analog zu den 2, 6 oder 7 unterbringen
Die 6 zeigt eine alternative Gestaltung der Sensorvorrichtung 100 aus 2, bei welcher das Messvolumen 120 lediglich mittels einer oberen Kappenstruktur 140 gegenüber dem Außenvolumen 210 abgegrenzt ist. Die Kappenstruktur 140 weist mehrere Gasaustauschöffnungen 141 auf, welche einen Gasaustausch zwischen dem Außenvolumen 210 und dem Messvolumen 120 ermöglichen. Die Gasaustauschöffnungen 141 weisen dabei einen relativ geringen Durchmesser auf, wodurch ein besserer Schutz des Sensorelements 130 vor Kontamination mit Partikeln realisiert wird. Alternativ hierzu kann das Messvolumen 120 auch mittels einer gasdurchlässigen Membran gegenüber dem Außenvolumen 210 abgeschlossen werden. Eine solche gasdurchlässige Membran 142 ist in der 7 gezeigt. Die gasdurchlässige Membran 142 kann dabei in Form einer gassensitiven Filterschicht ausgebildet sein, welche nur die gewünschten Gasmoleküle aus der Gasatmosphäre 210, wie z.B. Wasserstoff, in das Messvolumen 120 durchlässt. Solche gassensitiven Filterschichten können beispielsweise über geeignet funktionalisierte Schichten oder Getter-Materialien realisiert werden. Sofern Wasserstoff gemessen werden soll, welcher eine große Diffusionsfähigkeit besitzt, muss die Schicht geeignet sein, diesen von anderen Gasen zu trennen.
Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, kann die Sensorvorrichtung ferner eine Doppelstruktur mit einem zusätzlichen Referenzsensor aufweisen, welcher beispielsweise auf demselben Chip integriert ist, wie der Sensor 110. Eine entsprechende Sensorvorrichtung 100 ist in der 8 gezeigt, wobei der Referenzsensor 190 in direkten Nachbarschaft zum Sensor 110 angeordnet ist. Der Referenzsensor 190 ist im Wesentlichen analog zum eigentlichen Sensor 110 aufgebaut und umfasst ein mit einem definierten Referenzgas 195 gefülltes Referenzvolumen 191, welches jedoch mittels einer Kappenstruktur 193 gegenüber dem Außenvolumen 210 gasdicht abgeschlossen ist. Das Messsignal des Referenzsensors 190 wird von der Steuereinrichtung 170 der Messvorrichtung 100 zur Korrektur des Messsignals des Sensors 110 verwendet. Um einen Druckausgleich zwischen dem Referenzvolumen 191 und dem Außenvolumen 210 zu ermöglichen, kann die Kappenstruktur 193 des Referenzsensors 190 eine flexible Druckausgleichsmembran 194 umfassen. Eine solche Sensorvorrichtung 100 ist in der 9 dargestellt. Mithilfe des Referenzsensors 190 und einer entsprechenden Auswerteschaltung lassen sich Einflüsse von Temperatur und gegebenenfalls Druck auf die Viskosität des zu messenden Gases besonders einfach herausrechnen bzw. kompensieren. Dieses kann beispielsweise mithilfe einer Wheatston'schen Brücke erfolgen. Als Referenzgas kann eine geeignete Gasmischung verwendet werden, zur welcher der Sensor 110 besonders sensitiv sein soll.
Um definierte Temperaturen des Messgases 200 zu erzeugen, kann die Sensorvorrichtung 100 mit einer geeigneten Heizeinrichtung 170 ausgestattet sein, welche wenigstens ein Heizelement 171 umfasst. Das Heizelement 171 kann dabei in Form einer Metallisierung, einer Dotierung oder in Form eines Heizdrahtes realisiert sein. Diese elektrisch leitfähigen Strukturen weisen einen definierten elektrischen Widerstand auf, welcher ein Aufheizen bei einem entsprechenden Stromfluss bewirkt. Um eine möglichst effektive Wärmeübertragung zu gewährleisten, ist das Heizelement 171 vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zum Sensorelement 130 angeordnet. Hierzu zeigt die 10 eine Sensorvorrichtung 100, bei der das Heizelement 171 direkt unterhalb des Sensorelements 130 auf dem Substrat 101 angeordnet ist. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung 100 auch einen Temperatursensor 165 sowie einen Drucksensor 166, welche im vorliegenden Ausgangsbeispiel ebenfalls unterhalb des Sensorelements 130 auf dem Substrat 101 angeordnet sind. Die 11 zeigt hingegen eine Sensorvorrichtung 100, bei der das Heizelement 171 der Heizeinrichtung 170 innerhalb der Kappenstruktur 140 ausgebildet ist. Die 12 zeigt eine weitere Sensorvorrichtung 100, bei der die Heizeinrichtung 170 Heizelemente 171 umfasst, welche in Form elektrisch leitfähiger Schichten direkt auf dem Sensorelement 130 bzw. auf den Fingerstrukturen 133, 136 angeordnet sind. Bei dieser Anordnung wird eine besonders effektive Wärmeübertragung ermöglicht. In einer alternativen Ausführungsform kann der Gaszugang bzw. die Gaszufuhröffnung mittels beispielsweise einer Heizschicht oder eines Heizdrahtes beheizt werden. Sofern ein Heizelement 171 in Form einer elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet ist, kann diese Struktur gleichzeitig auch als Teil der Antriebseinrichtung 161 dienen. So lässt sich das Heizelement 171 beispielsweise bei der in der 11 gezeigten Variante gleichzeitig auch als Antriebselektrode einer kapazitiven Antriebseinrichtung oder als Detektionselektrode einer kapazitiven Detektionseinrichtung nutzen. Hierdurch werden mehrere Funktionen der Sensoreinrichtung 100 zusammengefasst, wodurch sich der Herstellungsaufwand reduziert.
Durch die Heizeinrichtung 170 ist es möglich, Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen auszuführen. Damit können Gasgemische bzw. und ihre Komponenten besser ermittelt werden. Da der Zusammenhang zwischen Viskosität und Temperatur nichtlinear und gasspezifisch ist.
Die hier beschriebene Sensorvorrichtung 100 kann zur Detektion von Wasserstoff in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, beispielsweise als Wasserstoff--Sicherheitssensor für automotive Brennstoffzellensysteme. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Sensorvorrichtung 100 zur allgemeinen Gasdetektion, beispielsweise bei Benzin- oder Dieselmotoren oder als Gassensor in Gas- oder Wasserstoff -Verbrennungsmotoren zu nutzen. Ferner kann die Sensorvorrichtung unabhängig von Motoranwendungen in allgemeinen Brennstoffzellensystemen zur Energieerzeugung, in Anlagen zur Wasserstofferzeugung und in allgemeinen Gas-analytischen Aufgabenstellungen, wie z. B. Gaschromatografie, genutzt werden. Die Sensorvorrichtung 100 kann ferner auch als Feuchtesensor eingesetzt werden.
Obwohl die Erfindung lediglich im Zusammenhang mit Gase bzw. gasförmigen Medien beschrieben wurde lässt sie sich grundsätzlich auch für flüssige Medien einsetzen, um hochviskose Flüssigkeiten von niedrigviskosen Flüssigkeiten zu unterschieden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Sensorvorrichtung (100) zum Detektieren von Gasen umfassend: - einen mikroelektromechanischen Sensor (110) mit einem Messvolumen (120) zur Aufnahme eines Messgases (200) und einem im Messvolumen (120) angeordneten Sensorelement (130), wobei das Sensorelement (130) relativ zu einem Substrat (101) elastisch auslenkbar ausgebildet ist, - eine Antriebseinrichtung (161) zum Erzeugen einer Schwingungsbewegung des Sensorelements (130), - eine Detektionseinrichtung (162) zum Erfassen wenigstens eines Schwingungsparameters der Schwingungsbewegung des Sensorelements (130), und - eine Steuereinrichtung (160) zum Ermitteln einer Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases (200) anhand einer Viskosität des Messgases (200), wobei die Steuereinrichtung (160) ausgebildet ist, die Viskosität des Messgases (200) durch eine Auswertung des wenigstens einen Schwingungsparameters der Schwingungsbewegung des Sensorelements (130) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (130) in Form einer Interdigitalstruktur umfassend wenigstens zwei Sensorteile (131, 134) mit mehreren ineinandergreifenden Fingerstrukturen (133, 136) ausgebildet ist, wobei wenigstens einer der Sensorteile (131, 134) elastisch auslenkbar relativ zu dem jeweils anderen Sensorteil (131, 134) ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung (100) ferner wenigstens einen Zusatzsensor (165, 166) zum Ermitteln der aktuellen Temperatur und/oder des aktuellen Drucks des Messgases (200) umfasst, und wobei die Steuereinrichtung (170) ausgebildet ist, den mittels des Zusatzsensors (165, 166) ermittelten Parameter zur Berechnung und/oder Korrektur der durch Auswertung der Schwingungsbewegung des Sensorelements (130) ermittelten Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases (200) zu verwenden.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (100) ferner eine Heizeinrichtung (170) zum Einstellen verschiedener Temperaturen des Messgases (200) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (170) ausgebildet ist, die Dämpfung des Messgases (200) auf die Schwingungsbewegung des Sensorelements (130) bei den verschiedenen Temperaturen des Messgases (200) separat zu ermitteln und die Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases (200) durch eine gemeinsame Auswertung der bei den verschiedenen Temperaturen ermittelten Dämpfung zu bestimmen.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die Heizeinrichtung (170) wenigstens ein elektrisches Heizelement (171) umfasst, welches auf dem Substrat (101), in bzw. an einer das Messvolumen (120) abdeckenden Kappenstruktur (140, 150) und/oder auf dem Sensorelement (130) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messvolumen (120) wenigstens einseitig mittels einer Kappenstruktur (140, 150) gegenüber einem Außenvolumen (210) abgegrenzt ist, und wobei die Kappenstruktur (140, 150) wenigstens eine Öffnung (141, 151) oder eine gasdurchlässige Membran (142) zum Austausch des Messgases (200) zwischen dem Messvolumen (120) und einem Außenvolumen (210) umfasst.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (100) ferner einen Referenzsensor (190) umfasst, wobei der Referenzsensor (190) ein gegenüber einem Außenvolumen (210) abgeschlossenes und ein Referenzgas (195) beinhaltendes Referenzvolumen (191) mit einem darin angeordneten Sensorelement (192) umfasst, und wobei die Steuereinrichtung (170) ausgebildet ist, die mithilfe des Referenzsensors (190) ermittelten Messdaten zur Korrektur des mithilfe des Sensors (110) ermittelten Messdaten zu verwenden.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei der Referenzsensor (190) eine flexible Druckausgleichsmembran (194) umfasst, welche einen Druckausgleich zwischen dem Referenzvolumen (191) und dem Außenvolumen (210) bewirkt.
Mikroelektromechanischer Sensor (110) für eine Sensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend: - ein Substrat (101) mit einem Messvolumen (120) zur Aufnahme eines Messgases (200), - ein im Messvolumen (120) angeordnetes Sensorelement (130), wobei das Sensorelement (130) relativ zu dem Substrat (101) elastisch auslenkbar ausgebildet ist, - eine Antriebseinrichtung (161) zum Erzeugen einer Schwingungsbewegung des Sensorelements (130).
Steuereinrichtung (160) für eine Sensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Ermitteln einer Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases (200) anhand einer Viskosität des Messgases (200), wobei die Steuereinrichtung (160) ausgebildet ist, die Viskosität des Messgases (200) durch eine Auswertung des wenigstens einen Schwingungsparameters der Schwingungsbewegung des Sensorelements (130) zu bestimmen.
Verfahren zum Detektieren von Gasen mithilfe einer Sensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Sensorvorrichtung (100) einen mikroelektromechanischen Sensor (110) mit einem Messvolumen (120) und einem darin elastisch auslenkbar angeordneten Sensorelement (130) in Form einer Interdigitalstruktur umfassend wenigstens zwei Sensorteile (131, 134) mit mehreren ineinandergreifenden Fingerstrukturen (133, 136) ausgebildet ist, wobei wenigstens einer der Sensorteile (131, 134) elastisch auslenkbar relativ zu dem jeweils anderen Sensorteil (131, 134) ausgebildet ist umfasst, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines zu detektierenden Messgases (200) in dem Messvolumen (120), - Erzeugen einer Schwingungsbewegung des Sensorelements (130), - Erfassen wenigstens eines Schwingungsparameters der Schwingungsbewegung des Sensorelements (130), - Ermitteln einer Viskosität des Messgases (200) durch Auswerten des erfassten Schwingungsparameters, und - Bestimmen der Konzentration wenigstens einer Komponente des Messgases (200) anhand der ermittelten Viskosität des Messgases (200).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Messgas (200) auf verschiedene Temperaturen erwärmt wird, wobei die Viskosität des Messgases (200) für die verschiedenen Temperaturen des Messgases (200) separat ermittelt wird, und wobei die Konzentration der wenigstens einen Komponente des Messgases (200) durch eine gemeinsame Auswertung der für die verschiedenen Temperaturen ermittelten Viskosität des Messgases (200) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Viskosität des Messgases (200) durch Messen und Auswerten wenigstens eines der folgenden Schwingungsparameters der Schwingungsbewegung des Sensorelements (130) bestimmt wird: - eine zur Aufrechterhaltung einer konstanter Amplitude der durch die Interaktion mit dem Messgas (200) gedämpften Schwingungsbewegung des Sensorelements (130) notwendigen Energiezufuhr der Antriebseinrichtung; - eine Schwing- und/oder Abklingdauer der durch die Interaktion mit dem Messgas (200) gedämpften Schwingungsbewegung des Sensorelements (130); - eine Änderung der Resonanzfrequenz der durch die Interaktion mit dem Messgas (200) gedämpften Schwingungsbewegung des Sensorelements (130); - eine Dämpfung und/oder ein Gütefaktor der durch die Interaktion mit dem Messgas (200) gedämpften Schwingungsbewegung des Sensorelements (130).