DE102019123874A1 - Device for determining a thermophysical property of a gas - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, insbesondere einer Dichte und/oder einer Viskosität eines Gases, aufweisend:- zumindest einen Kragbalken (20) mit einem Schwingungsbereich (21) der zum Anregen einer Schwingung mit einer ersten Frequenz dient und der dem Gas aussetzbar ist, wobei zumindest in dem Schwingungsbereich (21) ferner ein erster piezoelektrischer Wandler (30) aufgebracht ist, der den Schwingungsbereich (21) des ersten Kragbalkens (20) mit der ersten Frequenz zum Schwingen anregt;- zumindest ein auf dem Schwingungsbereich (21) ausgebildetes Temperatursensorelement (40) mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert zum Erfassen einer Temperatur des Gases;- eine Auswerte- und/oder Recheneinheit (50), die dazu eingerichtet ist, den temperaturabhängigen Widerstandswert in einen entsprechenden Temperaturwert zu wandeln und zumindest anhand der Frequenz und der Schwingungsgüte die thermophysikalische Eigenschaft des Gases bei dem Temperaturwert zu bestimmen und auszugeben.Device for determining a thermophysical property, in particular a density and / or a viscosity of a gas, comprising: - at least one cantilever beam (20) with an oscillation area (21) which is used to excite an oscillation with a first frequency and which can be exposed to the gas, wherein a first piezoelectric transducer (30) is also applied at least in the oscillation area (21), which excites the oscillation area (21) of the first cantilever beam (20) to oscillate at the first frequency; - at least one temperature sensor element formed on the oscillation area (21) (40) with a temperature-dependent resistance value for detecting a temperature of the gas; - an evaluation and / or arithmetic unit (50) which is set up to convert the temperature-dependent resistance value into a corresponding temperature value and at least based on the frequency and the vibration quality the thermophysical Property of the gas at the temperature value to be agree and spend.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, insbesondere einer Dichte und/oder einer Viskosität eines Gases.The invention relates to a device for determining a thermophysical property, in particular a density and / or a viscosity of a gas.

Die Bestimmung von thermophysikalischen Eigenschaften von Gasen gewinnt nicht nur in der Laborautomatisierung sondern auch im Bereich der industriellen Automatisierung zunehmend an Bedeutung. Thermophysikalische Eigenschaften sind hierbei physikalische Eigenschaften eines Gases, die insbesondere durch die Temperatur beeinflusst werden. Beispiele von derartigen thermophysikalischen Eigenschaften sind die Dichte und die Viskosität des Gases. Aber auch für andere Prozessgrößen wird die Temperatur benötigt, wie beispielsweise zur Bestimmung der relativen Luftfeuchte aus der absoluten Luftfeuchte eines GasesThe determination of thermophysical properties of gases is becoming increasingly important not only in laboratory automation but also in the field of industrial automation. Thermophysical properties are physical properties of a gas that are particularly influenced by temperature. Examples of such thermophysical properties are the density and viscosity of the gas. The temperature is also required for other process variables, for example to determine the relative humidity from the absolute humidity of a gas

Die Information über die Dichte und die Viskosität des Gases ist für einen in einer Automatisierungsanlage ablaufenden Prozess wichtig, um beispielsweise Korrekturen an den Prozessparametern vorzunehmen. Aus Dichte und Viskosität lassen sich Rückschlüsse auf die Art des Gases oder die Zusammensetzung eines Gasgemisches machen. Aber auch für eine Charakterisierung und/oder zur Diagnose des Prozesses ist die Kenntnis der thermophysikalischen Eigenschaften des Gases hilfreich. So lässt sich daraus beispielsweise der Energiegehalt eines Brenngases bestimmen. Das Patent EP3362790B1 beispielsweise offenbart ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches.The information about the density and viscosity of the gas is important for a process running in an automation system, for example to make corrections to the process parameters. From the density and viscosity, conclusions can be drawn about the type of gas or the composition of a gas mixture. Knowledge of the thermophysical properties of the gas is also helpful for characterizing and / or diagnosing the process. For example, the energy content of a fuel gas can be determined from this. The patent EP3362790B1 for example, discloses a method for determining properties of a hydrocarbon-containing gas mixture.

Um die thermophysikalischen Eigenschaften des Gases möglichst präzise bestimmen zu können, ist die Kenntnis der genauen Temperatur des Gases am Ort wo die eigentliche Messung der thermophysikalischen Eigenschaft des Gases stattfindet notwendig. Üblicherweise werden hierzu eine Temperatursensorelement und ein davon beabstandeter Sensor zur Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaft, beispielsweise ein Dichtesensor und/oder ein Viskositätssensor in die Messstelle eingebracht. Eine Messung der Temperatur genau an dem Ort wo auch der Sensor zur Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaft misst, ist jedoch nicht möglich, sodass die Ermittlung der thermophysikalischen Eigenschaft des Gases anhand der durch das Temperatursensorelement bestimmten Temperatur relativ ungenau ist. Die genaue Kenntnis der Temperatur am eigentlichen Ort wo die thermophysikalische Eigenschaft bestimmt wird ist umso wichtiger je kleiner der Sensor bzw. das Sensorelement zur Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaft wird. Insbesondere bei Halbleiter-Sensoren, die durch mikromechanische Verfahren hergestellt werden, ist die genaue Kenntnis der Temperatur am Ort der eigentlichen Messung der thermophysikalischen Eigenschaft von großem Vorteil, da aufgrund der kleinen Dimensionen es leicht zu Beeinflussungen kommen kann, beispielsweise durch die Erwärmung elektronsicher Bauteile auf einer Platine.In order to be able to determine the thermophysical properties of the gas as precisely as possible, it is necessary to know the exact temperature of the gas at the location where the actual measurement of the thermophysical properties of the gas takes place. For this purpose, a temperature sensor element and a sensor spaced apart therefrom for determining the thermophysical property, for example a density sensor and / or a viscosity sensor, are usually introduced into the measuring point. However, it is not possible to measure the temperature precisely at the location where the sensor measures to determine the thermophysical property, so that the determination of the thermophysical property of the gas on the basis of the temperature determined by the temperature sensor element is relatively imprecise. The exact knowledge of the temperature at the actual place where the thermophysical property is determined is all the more important the smaller the sensor or the sensor element for determining the thermophysical property becomes. In particular with semiconductor sensors that are manufactured by micromechanical processes, the exact knowledge of the temperature at the location of the actual measurement of the thermophysical property is of great advantage, since influences can easily occur due to the small dimensions, for example through the heating of electronic components a circuit board.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen wie thermophysikalische Eigenschaften von Gasen noch genauer bzw. präziser ermittelt werden können.The invention is therefore based on the object of showing a possibility of how thermophysical properties of gases can be determined even more precisely or more precisely.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1.The object is achieved according to the invention by the device according to claim 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, insbesondere einer Dichte und/oder einer Viskosität eines Gases umfasst:

  • - zumindest einen aus einem Halbleiter-Wafer, insb. einem SOI-Wafer hergestellten ersten Kragbalken mit einem Schwingungsbereich der zum Anregen einer Schwingung mit einer ersten Frequenz dient und der dem Gas aussetzbar ist, wobei in dem Schwingungsbereich zumindest eine Isolationsschicht auf den ersten Kragbalken aufgebracht ist, wobei zumindest in dem Schwingungsbereich ferner ein erster piezoelektrischer Wandler aufgebracht ist, der den Schwingungsbereich des ersten Kragbalkens mit der ersten Frequenz zum Schwingen anregt, wobei der erste piezoelektrische Wandler aus einer, vorzugsweise Aluminium-Nitrid aufweisenden piezoelektrischen Schicht, die zwischen einer ersten auf die Isolationsschicht aufgebrachten, elektrisch leitfähigen, vorzugsweise Platin aufweisenden Elektrodenschicht und einer zweiten elektrisch leitfähigen, vorzugsweise Platin aufweisenden Elektrodenschicht ausgebildet ist,
  • - zumindest ein auf dem Schwingungsbereich, vorzugsweise aus zumindest einer der beiden Elektrodenschichten ausgebildetes Temperatursensorelement mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert zum Erfassen einer Temperatur des Gases;
  • - eine Auswerte- und/oder Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, den temperaturabhängigen Widerstandswert in einen entsprechenden Temperaturwert zu wandeln und zumindest anhand der Frequenz und der Schwingungsgüte die thermophysikalische Eigenschaft des Gases bei dem Temperaturwert zu bestimmen und auszugeben.
The device according to the invention for determining a thermophysical property, in particular a density and / or a viscosity of a gas comprises:
  • At least one first cantilever beam made from a semiconductor wafer, in particular an SOI wafer, with an oscillation area which is used to excite an oscillation at a first frequency and which can be exposed to the gas, with at least one insulation layer being applied to the first cantilever beam in the oscillation area is, wherein a first piezoelectric transducer is also applied at least in the oscillation area, which excites the oscillation area of the first cantilever beam to oscillate at the first frequency, wherein the first piezoelectric transducer consists of a piezoelectric layer, preferably comprising aluminum nitride, which is sandwiched between a first the insulating layer applied, electrically conductive, preferably platinum having electrode layer and a second electrically conductive, preferably platinum having electrode layer is formed,
  • - At least one temperature sensor element formed on the oscillation area, preferably from at least one of the two electrode layers, with a temperature-dependent resistance value for detecting a temperature of the gas;
  • - An evaluation and / or arithmetic unit which is set up to convert the temperature-dependent resistance value into a corresponding temperature value and to determine and output the thermophysical property of the gas at the temperature value at least on the basis of the frequency and the vibration quality.

Der aus dem Halbleiter-Wafer mikromechanisch gefertigte Kragbalken (Cantilever) besteht aus einem beweglichen und einem unbeweglichen/festen Bereich. Der bewegliche Teil ist vorzugsweise in Form einer rechteckigen stabförmigen Struktur (Träger) ausgebildet, die länger als breit ist und eine Dicke aufweist, die kleiner als ihre Länge und/oder Breite ist. Der bewegliche Bereich wird durch einen piezoelektrischen Wandler zum Schwingen angeregt, weswegen er nachfolgend auch als Schwingungsbereich bezeichnet wird. Beispielsweise kann der Kragbalken eine Dicke im Bereich von 2 - 20 Mikrometern, vorzugsweise 5 - 10 Mikrometern, eine Breite im Bereich von 50 - 400 Mikrometern, vorzugsweise im Bereich von 100 - 300 Mikrometern, besonders bevorzugt im Bereich von 100- 200 Mikrometern und eine Länge im Bereich von 200 - 1000 Mikrometern, vorzugsweise im Bereich von 500 - 700 Mikrometern, bevorzugt von 300, 500, 600 oder 700 Mikrometern aufweisen.The cantilever, micromechanically manufactured from the semiconductor wafer, consists of a movable and an immovable / fixed area. The moving part is preferably in Form of a rectangular rod-shaped structure (carrier) formed, which is longer than wide and has a thickness that is smaller than its length and / or width. The movable area is excited to vibrate by a piezoelectric transducer, which is why it is also referred to below as the vibration area. For example, the cantilever can have a thickness in the range of 2-20 micrometers, preferably 5-10 micrometers, a width in the range of 50-400 micrometers, preferably in the range of 100-300 micrometers, particularly preferably in the range of 100-200 micrometers and a Length in the range of 200-1000 micrometers, preferably in the range of 500-700 micrometers, preferably of 300, 500, 600 or 700 micrometers.

Erfindungsgemäß weist der Schwingungsbereich ein Temperatursensorelement zur Bestimmung der Temperatur des Gases auf, welches vorzugsweise aus einer der beiden Elektrodenschichten ausgebildet wird, die auch zur Ausbildung eines piezoelektrischen Wandlers verwendet werden. Dadurch, dass das Temperatursensorelement auf dem Schwingungsbereich ausgebildet ist, wird die Temperatur genau an dem Ort bestimmt, wo auch die eigentliche Messung der thermophysikalischen Eigenschaft erfolgt.According to the invention, the oscillation range has a temperature sensor element for determining the temperature of the gas, which is preferably formed from one of the two electrode layers which are also used to form a piezoelectric transducer. Because the temperature sensor element is formed on the oscillation area, the temperature is determined precisely at the location where the actual measurement of the thermophysical property also takes place.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass auf dem Schwingungsbereich, vorzugsweise aus der anderen der beiden Elektrodenschichten zusätzlich ein Heizelement ausgebildet ist und die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, das Heizelement so anzusteuern, dass es auf einen vorgegebene Temperaturwert heizt. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, das Heizelement anhand des Temperaturwertes auf den vorgegebenen Temperaturwert zu regeln.An advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that a heating element is additionally formed on the vibration range, preferably from the other of the two electrode layers, and the evaluation and / or computing unit is furthermore set up to control the heating element so that it reaches a predetermined temperature value heats. In particular, the embodiment can provide that the evaluation and / or arithmetic unit is also set up to regulate the heating element to the predetermined temperature value on the basis of the temperature value.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner eine hygroskopische Schicht zur Aufnahme von Wassermolekülen oder eine ein Adsorptionsmittel umfassende Schicht zur Aufnahme von Spurengasmolekülen aufweisen, wobei die hygroskopische Schicht oder die das Adsorptionsmittel umfassende Schicht vorzugsweise auf der als Heizelement ausgebildeten Elektrodenschicht zumindest in dem Schwingungsbereich des ersten Kragbalkens aufgebracht ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die hygroskopische Schicht ein Hydrogel, ein Zeolith oder ein Silikagel aufweist oder die das Adsorptionsmittel umfassende Schicht ein Molekularsieb, insbesondere ein Zeolith, ein mesoporöses Silikat, ein Silikagel, eine Aktivkohle und/oder ein organisches Polymer aufweist.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can also have a hygroscopic layer for taking up water molecules or a layer comprising an adsorbent for taking up trace gas molecules, the hygroscopic layer or the layer comprising the adsorbent preferably being on the electrode layer designed as a heating element at least in the oscillation range of the first cantilever is applied. In particular, the embodiment can provide that the hygroscopic layer has a hydrogel, a zeolite or a silica gel or the layer comprising the adsorbent has a molecular sieve, in particular a zeolite, a mesoporous silicate, a silica gel, an activated carbon and / or an organic polymer.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass die Elektrodenschicht, die als Temperatursensorelement mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert ausgebildet ist, so ausgeführt ist, dass diese Elektrodenschicht einen größeren Widerstandswert aufweist als die andere, vorzugsweise als Heizelement ausgebildete E lektrodensch icht.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that the electrode layer, which is designed as a temperature sensor element with a temperature-dependent resistance value, is designed such that this electrode layer has a greater resistance value than the other electrode layer, preferably designed as a heating element.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, das Heizelement so zu erhitzen, dass Wassermoleküle aus der hygroskopischen Schicht oder Moleküle des Spurengases aus der das Adsorptionsmittel umfassenden Schicht in mindestens einem Ausheizvorgang entfernt werden.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that the evaluation and / or computing unit is also set up to heat the heating element in such a way that water molecules from the hygroscopic layer or molecules of the trace gas from the layer comprising the adsorbent are removed in at least one heating process become.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner einen aus dem Halbleiter-Wafer, insb. einem SOI-Wafer hergestellten weiteren Kragbalken mit einem weiteren Schwingungsbereich der zum Anregen einer Schwingung mit einer weiteren Frequenz dient und der dem Gas aussetzbar ist aufweisen, wobei in dem weiteren Schwingungsbereich zumindest eine weitere Isolationsschicht auf den weiteren Kragbalken aufgebracht ist, wobei zumindest in dem weiteren Schwingungsbereich ferner ein weiterer piezoelektrischer Wandler aufgebracht ist, der den weiteren Schwingungsbereich des weiteren Kragbalkens mit der weiteren Frequenz zum Schwingen anregt, wobei der weitere piezoelektrische Wandler aus einer, vorzugsweise Aluminium-Nitrid aufweisenden weiteren piezoelektrischen Schicht, die zwischen einer ersten auf die weitere Isolationsschicht aufgebrachten, elektrisch leitfähigen, vorzugsweise Platin aufweisenden weiteren Elektrodenschicht und einer zweiten elektrisch leitfähigen, vorzugsweise Platin aufweisenden weiteren Elektrodenschicht ausgebildet ist.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can furthermore have a further cantilever beam produced from the semiconductor wafer, in particular an SOI wafer, with a further oscillation range which serves to excite an oscillation with a further frequency and which can be exposed to the gas, in which case further oscillation area at least one further insulation layer is applied to the further cantilever beam, wherein at least in the further oscillation area a further piezoelectric transducer is also applied, which excites the further oscillation area of the further cantilever beam to vibrate at the further frequency, the further piezoelectric transducer being composed of a, preferably aluminum nitride having further piezoelectric layer, which is between a first electrically conductive, preferably platinum having further electrode layer applied to the further insulation layer and a second electrically conductive layer gene, preferably platinum having further electrode layer is formed.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, die erste Frequenz in Relation zu der weiteren Frequenz zu setzen, um eine absolute Luftfeuchte oder ein Spurengasanteil des Gases zu bestimmen. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, anhand einer relativen zeitlichen Ableitung der weiteren Frequenz bezogen auf eine zeitliche Ableitung der ersten Frequenz die absolute Luftfeuchte oder den Spurengasanteil des Gases zu bestimmen.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that the evaluation and / or arithmetic unit is also set up to set the first frequency in relation to the further frequency in order to determine an absolute humidity or a trace gas fraction of the gas. In particular, the embodiment can provide that the evaluation and / or arithmetic unit is further set up to determine the absolute humidity or the trace gas portion of the gas based on a relative time derivative of the further frequency based on a time derivative of the first frequency.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, anhand einer Differenzbildung, in die die erste Frequenz und die zweite Frequenz eingeht, die absolute Luftfeuchte oder den Spurengasanteil des Gases zu bestimmen.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that the evaluation and / or arithmetic unit is also set up to use a difference formation into which the first frequency and the second frequency is used to determine the absolute humidity or the trace gas content of the gas.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass der erste und der weitere Kragbalken derartig ausgebildet sind, dass eine Länge des Schwingungsbereichs des ersten Kragbalkens länger ist als eine Länge des Schwingungsbereichs des weiteren Kragbalkens, sodass der erste Schwingungsbereich mit der ersten Frequenz und der weitere Schwingungsbereich mit der zweiten, davon abweichenden Frequenz schwingt.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that the first and the further cantilever beam are designed in such a way that a length of the vibration range of the first cantilever beam is longer than a length of the vibration range of the further cantilever beam, so that the first vibration range with the first frequency and the further oscillation range oscillates with the second, deviating frequency.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner ein weiteres Temperatursensorelement zum Erfassen einer weiteren Temperatur des Gases aufweisend, wobei zumindest eine der beiden weiteren Elektrodenschichten des weiteren piezoelektrischen Wandlers als weiteres Temperatursensorelement mit einem weiteren temperaturabhängigen Widerstandswert ausgebildet ist.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can also have a further temperature sensor element for detecting a further temperature of the gas, at least one of the two further electrode layers of the further piezoelectric transducer being designed as a further temperature sensor element with a further temperature-dependent resistance value.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass wenigstens eines der Temperatursensorelemente und/oder der Heizelemente eine im Wesentlichen mäanderförmige Struktur aufweist.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that at least one of the temperature sensor elements and / or the heating elements has an essentially meandering structure.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass wenigstens ein der Temperatursensorelemente und/oder das Heizelemente durch einen Lift-off Prozess hergestellt sind bzw. werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Temperatur- oder Heizelement in der ersten (unteren) Elektrodenschicht mit einem Lift-off Prozess hergestellt ist, sodass ungewollte Kurzschlüsse zur zweiten (oberen) Elektrodenschicht vermieden werden können.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that at least one of the temperature sensor elements and / or the heating elements are or will be produced by a lift-off process. In particular, it can be provided that the temperature or heating element in the first (lower) electrode layer is produced using a lift-off process, so that undesired short circuits to the second (upper) electrode layer can be avoided.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass der erste und weitere Kragbalken auf einem gemeinsamen Chip ausgebildet sind und vorzugsweise derartig aus dem Halbleiter-Wafer, insb. dem SOI-Wafer hergestellt sind, dass der Schwingungsbereich des ersten und/oder weiteren Kragbalkens frei über einer in den Halbleiter-Wafer eingebrachte Kavität liegt bzw. liegen.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that the first and further cantilever beams are formed on a common chip and are preferably made from the semiconductor wafer, in particular the SOI wafer, in such a way that the vibration range of the first and / or further cantilever beam lies or lie freely over a cavity introduced into the semiconductor wafer.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass der erste und weitere Kragbalken auf unterschiedlichen Chips ausgebildet sind.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that the first and further cantilever beams are formed on different chips.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass das erste und/oder das weitere Temperatursensorelement an einem freien Ende des ersten oder weiteren Schwingungsbereichs angeordnet ist und vorzugsweise eine Fläche von ca. 1/3 einer Gesamtfläche des ersten oder weiteren Schwingungsbereichs einnimmt, wobei der erste oder weitere piezoelektrische Wandler eine restliche Fläche des ersten oder weiteren Schwingungsbereichs einnimmt.A further advantageous embodiment of the device according to the invention can provide that the first and / or the further temperature sensor element is arranged at a free end of the first or further oscillation range and preferably occupies an area of approximately 1/3 of a total area of the first or further oscillation range, wherein the first or further piezoelectric transducer occupies a remaining area of the first or further oscillation range.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, wie beispielsweise einer Dichte und/oder einer Viskosität, eines Gases,
  • 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, wie beispielsweise einer Dichte und/oder einer Viskosität, bei der zusätzlich ein Heizelement auf dem Schwingungsbereich ausgebildet ist,
  • 3 a) ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, bei dem die Vorrichtung zwei Kragbalken aufweist,
  • 3 b) ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, bei dem die Vorrichtung zwei Kragbalken aufweist,
  • 3 c) ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, bei dem die Vorrichtung zwei Kragbalken aufweist, und
  • 4 einen exemplarischen Schichtaufbau eines einzelnen Kragbalkens.
The invention is explained in more detail with reference to the following drawings. It shows:
  • 1 : a first embodiment of a device designed according to the invention for determining a thermophysical property, such as a density and / or a viscosity, of a gas,
  • 2 : a second embodiment of a device designed according to the invention for determining a thermophysical property, such as a density and / or a viscosity, in which a heating element is additionally formed on the vibration area,
  • 3 a) a third embodiment of a device designed according to the invention for determining a thermophysical property, in which the device has two cantilever beams,
  • 3 b) a fourth embodiment of a device designed according to the invention for determining a thermophysical property, in which the device has two cantilever beams,
  • 3 c) a fifth embodiment of an inventive device for determining a thermophysical property, in which the device has two cantilever beams, and
  • 4th an exemplary layer structure of a single cantilever beam.

Die Vorrichtung umfasst zumindest einen mikromechanisch gefertigten Kragbalken 20, ein Temperatursensorelement 40, welches auf dem Kragbalken 20 ausgebildet ist und eine Auswerte- und/oder Recheneinheit 50.The device comprises at least one micromechanically manufactured cantilever beam 20th , a temperature sensor element 40 which is on the cantilever 20th is designed and an evaluation and / or arithmetic unit 50 .

Der Kragbalken 20 ist aus einem Halbleiter-Wafer 10 mittels in der Mikrotechnik üblicher mikromechanischer Verfahren hergestellt. Der Kragbalken 20 weist einen festen Bereich 22 und einen daran angrenzenden Schwingungsbereich 21 auf, der zum Anregen einer Schwingung mit einer ersten Frequenz f1 (Resonanzfrequenz) dient. Der Schwingungsbereich 21 ist dabei derartig auf dem Halbleiter-Wafer 10 ausgebildet, dass er frei über einer aus dem Halbleiter-Wafer heraus präparierten, insbesondere geätzten Kavität 11 steht. Auf den Schwingungsbereich 21 ist ein piezoelektrischer Wandler aufgebracht, über den der Schwingungsbereich 21 mit der ersten Frequenz f1 anregbar ist. Hierzu umfasst der piezoelektrische Wandler 30 eine piezoelektrische Schicht 31, die zwischen einer unteren und einer oberen als Elektrode dienende Elektrodenschicht 32, 33 ausgebildet ist. Die Elektrodenschichten 32, 33 sind über auf dem Wafer ausgebildete Leiterbahnen 34, 35 elektrisch kontaktierbar. Über die Leiterbahnen 34, 35 kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit ein Wechselspannungssignal mit der ersten Frequenz an die als Elektroden dienenden Elektrodenschichten anlegen, sodass der piezoelektrische Wandler den Schwingungsbereich des Kragbalkens zum Schwingen anregt. Über den Schwingungsbereich wird im eigentlichen Messbetrieb ein Gas geführt. In 1 bis 3 c) ist die Strömung des Gases exemplarisch durch einen Pfeil angedeutet und strömt jeweils von links nach rechts. Grundsätzlich ist jedoch anzumerken, dass das Gas nicht zwingend strömen muss, sondern auch „stehen“ kann. Der Kragbalken 20 liegt vorzugsweise als ein aus dem Wafer 10 vereinzelter Chip 12 vor.The cantilever 20th is made from a semiconductor wafer 10 produced by means of micromechanical processes customary in microtechnology. The cantilever 20th assigns a fixed area 22nd and an adjacent vibration range 21 on, which is used to excite an oscillation with a first frequency f1 (Resonance frequency) is used. The vibration range 21 is like this on the semiconductor wafer 10 designed so that it is freely above a prepared, in particular etched, cavity prepared from the semiconductor wafer 11 stands. On the vibration range 21 is a piezoelectric transducer applied over which the oscillation range 21 with the first frequency f1 is stimulable. To this end, the piezoelectric transducer includes 30th a piezoelectric layer 31 , the electrode layer serving as an electrode between a lower and an upper electrode 32 , 33 is trained. The electrode layers 32 , 33 are via conductive paths formed on the wafer 34 , 35 electrically contactable. About the conductor tracks 34 , 35 the evaluation and / or computing unit can apply an alternating voltage signal at the first frequency to the electrode layers serving as electrodes, so that the piezoelectric transducer excites the oscillation area of the cantilever beam to oscillate. During the actual measuring operation, a gas is passed over the oscillation range. In 1 to 3 c) the flow of the gas is indicated by an arrow and flows from left to right. Basically, however, it should be noted that the gas does not necessarily have to flow, but can also "stand". The cantilever 20th is preferably located as one from the wafer 10 scattered chip 12th in front.

Erfindungsgemäß ist auf dem Schwingungsbereich 21 des Kragbalkens 20 ein Temperatursensorelement 40 ausgebildet. Insbesondere kann einer der beiden Elektrodenschichten 32, 33 zusätzlich auch als Temperatursensorelement 40 ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Temperatursensorelement 40 in einem vorderen Drittel des Schwingungsbereichs des Kragbalkens 20 aus der Elektrodenschicht ausgebildet sein. Der restliche Teil der Elektrodenschicht dient als Elektrode zur Anregung der piezoelektrischen Schicht. Die als Temperatursensorelement 40 dienende Elektrodenschicht ist aus einem Material mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert, beispielsweise Platin, ausgebildet. Ferner ist das Temperatursensorelement 40 so ausgestaltet bzw. strukturiert, dass es bei einer Referenztemperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur (20°C) einen definierten Widerstandswert aufweist. Beispielsweise kann das Temperatursensorelement 40 eine mäanderförmige Struktur aufweisen, wie dies z.B. bei PT100 oder PT1 000-Temperatursensorelementen der Fall ist. Beispielsweise kann die Elektrodenschicht des Temperatursensorelements so strukturiert sein, dass sie einen Widerstandswert zwischen 500-3000 Ohm bei einer Referenztemperatur von 20°C aufweist. Der Widerstandswert des Temperatursensorelements ändert sich in Abhängigkeit der Temperatur des vorbeiströmenden Gases, sodass über den Widerstandswert die Temperatur des Gases ermittelbar ist.According to the invention is on the vibration range 21 of the cantilever 20th a temperature sensor element 40 educated. In particular, one of the two electrode layers can 32 , 33 also as a temperature sensor element 40 be trained. For example, the temperature sensor element 40 in a front third of the oscillation range of the cantilever beam 20th be formed from the electrode layer. The remaining part of the electrode layer serves as an electrode for exciting the piezoelectric layer. As a temperature sensor element 40 The electrode layer used is formed from a material with a temperature-dependent resistance value, for example platinum. Furthermore, the temperature sensor element 40 designed or structured in such a way that it has a defined resistance value at a reference temperature, for example at room temperature (20 ° C.). For example, the temperature sensor element 40 have a meandering structure, as is the case, for example, with PT100 or PT1 000 temperature sensor elements. For example, the electrode layer of the temperature sensor element can be structured in such a way that it has a resistance value between 500-3000 ohms at a reference temperature of 20 ° C. The resistance value of the temperature sensor element changes as a function of the temperature of the gas flowing past, so that the temperature of the gas can be determined via the resistance value.

Um eine Kurzschlussbildung durch ein Überstehen der Kanten der Elektrodenschicht zu verhindern, kann die erste Elektrodenschicht optional mittels eines Lift-off Prozessschrittes hergestellt bzw. strukturiert sein. Alternativ kann die Elektrodenschicht aber auch durch in der Mikrotechnik übliche andere photolithographische Verfahren und einem daran anschließenden Ätzverfahren hergestellt sein. Zur Kontaktierung des Temperatursensorelements können ebenfalls Leiterbahnen 41, 42 auf dem Chip vorgesehen sein.In order to prevent the formation of a short circuit due to the edges of the electrode layer protruding, the first electrode layer can optionally be produced or structured by means of a lift-off process step. Alternatively, however, the electrode layer can also be produced by other photolithographic processes customary in microtechnology and a subsequent etching process. Conductor tracks can also be used to make contact with the temperature sensor element 41 , 42 be provided on the chip.

Über die Leiterbahnen 41, 42 ist das Temperatursensorelement 40 mit der Auswerte- und/oder Recheneinheit elektrisch kontaktierbar. Die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50, ist dazu eingerichtet, einen Widerstandswert des Temperatursensorelementes zu erfassen und daraus einen Temperaturwert abzuleiten.About the conductor tracks 41 , 42 is the temperature sensor element 40 electrically contactable with the evaluation and / or arithmetic unit. The evaluation and / or arithmetic unit 50 , is set up to detect a resistance value of the temperature sensor element and to derive a temperature value therefrom.

Zur Bestimmung der Dichte des Gases ist die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 dazu eingerichtet, die erste Frequenz f1 und der Güte der Schwingung (Schwingungsgüte) dahingehend auszuwerten, dass anhand dieser zwei Größen die Dichte des Gases bestimmt wird. Dies kann bspw. derart erfolgen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 eine zeitliche Veränderung der Frequenz f1 und der Schwingungsgüte aufgrund einer Dichteänderung des Gases mit Hilfe eines mathematisch-physikalischen Modells in eine entsprechende Dichte umwandelt.The evaluation and / or computing unit is used to determine the density of the gas 50 set up to do this, the first frequency f1 and the quality of the vibration (vibration quality) to the effect that the density of the gas is determined on the basis of these two variables. This can be done, for example, in such a way that the evaluation and / or computing unit 50 a change in frequency over time f1 and converts the vibration quality due to a change in density of the gas into a corresponding density with the aid of a mathematical-physical model.

Ergänzend oder alternativ kann zur Bestimmung der Viskosität des Gases die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 ferner dazu eingerichtet sein, anhand der Güte (Schwingungsgüte) und der Frequenz des mechanischen Schwingers die Viskosität zu bestimmen. Hierbei wird ausgenutzt, dass je höher die Viskosität des Gases ist, desto höher ist auch die Bedämpfung des Schwingkreises. Die Bedämpfung des piezoelektrischen Wandlers zur Bestimmung der Güte des Schwingkreises kann auf unterschiedliche Weise gemessen werden. So kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 bspw. dazu eingerichtet sein, die Leistungszufuhr, die benötigt wird, um den Schwingkreis mit einer konstanten Amplitude schwingen zu lassen, zu ermitteln, umso die Güte zu bestimmen.In addition or as an alternative, the evaluation and / or computing unit can be used to determine the viscosity of the gas 50 also be set up to determine the viscosity on the basis of the quality (vibration quality) and the frequency of the mechanical oscillator. This makes use of the fact that the higher the viscosity of the gas, the higher the damping of the oscillating circuit. The damping of the piezoelectric transducer to determine the quality of the resonant circuit can be measured in different ways. So can the evaluation and / or arithmetic unit 50 For example, be set up to determine the power supply that is required to make the resonant circuit oscillate with a constant amplitude in order to determine the quality.

Aufgrund der auf diese Weise bestimmten Dichte und/oder Viskosität des Gases und des ebenfalls ermittelten Temperaturwertes kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 die Dichte und/oder Viskosität zusammen mit dem Temperaturwert bei dem die Dichte und/oder Viskosität bestimmt wurde, ausgeben.Due to the density and / or viscosity of the gas determined in this way and the temperature value also determined, the evaluation and / or computing unit can 50 output the density and / or viscosity together with the temperature value at which the density and / or viscosity was determined.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, wie beispielsweise einer Dichte und/oder einer Viskosität, bei der zusätzlich ein Heizelement 60 auf dem Schwingungsbereich 21 ausgebildet ist. Das Heizelement 60 ist vorzugsweise aus der anderen Elektrodenschicht als das Temperatursensorelement 40 ausgebildet. Auch hier kann, um ein Überstehen der Kanten der Elektrodenschicht zu verhindern, und somit auch die Bildung eines Kurzschlusses zu verhindern, die Elektrodenschicht optional mittels eines Lift-off Prozessschrittes hergestellt bzw. strukturiert sein. 2 shows a second embodiment of a device designed according to the invention for determining a thermophysical property, such as a density and / or a viscosity, for which a heating element is also added 60 on the vibration range 21 is trained. The heating element 60 is preferably made of the other electrode layer than the temperature sensor element 40 educated. Here too, in order to prevent the edges of the electrode layer from protruding and thus also to prevent the formation of a short circuit, the electrode layer can optionally be produced or structured by means of a lift-off process step.

Die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 kann ferner dazu eingerichtet sein, das Heizelement 60 so anzusteuern, dass es auf einen vorgegebenen Temperaturwert heizt. Dies kann beispielsweise dazu dienen, den Schwingungsbereich 21 zu reinigen, indem dieser kurzzeitig auf eine hohe Temperatur (ca. 200°C-300°C) erhitzt wird. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 auch dazu eingerichtet sein, das Heizelement auf einen vorgegebenen Temperaturwert für eine vorbestimmte Zeitdauer zu erhitzen und dort zu halten (regeln). Durch die Regelung des Heizelementes 60 ist eine Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaft des Gases bei dem vorgebbaren Temperaturwert, welcher nicht der eigentlichen Temperatur des Gases entspricht, möglich, indem die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 neben der Regelung des Heizelements 60 auf den vorgebbaren Temperaturwert auch dazu eingerichtet ist, während der Reglungsphase anhand der Frequenz und der Schwingungsgüte die thermophysikalische Eigenschaft des Gases zu bestimmen.The evaluation and / or arithmetic unit 50 can also be set up to the heating element 60 controlled in such a way that it heats to a specified temperature value. This can be used, for example, to set the oscillation range 21 to be cleaned by briefly heating it to a high temperature (approx. 200 ° C-300 ° C). As an alternative or in addition, the evaluation and / or arithmetic unit 50 also be set up to heat the heating element to a predetermined temperature value for a predetermined period of time and to hold it there (regulate). By regulating the heating element 60 a determination of the thermophysical property of the gas at the predeterminable temperature value, which does not correspond to the actual temperature of the gas, is possible by the evaluation and / or arithmetic unit 50 in addition to regulating the heating element 60 on the specifiable temperature value is also set up to determine the thermophysical property of the gas during the control phase on the basis of the frequency and the vibration quality.

Bei den in 3 a) bis c) dargestellten Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung jeweils zumindest zwei Kragbalken 20, 80 auf, wobei zumindest einer der beiden Kragbalken gemäß den Ausführungen des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet ist.The in 3 a) to c ) illustrated embodiments, the device each has at least two cantilever beams 20th , 80 on, wherein at least one of the two cantilever beams is designed according to the statements of the first or second embodiment.

Bei dem in 3 a) dargestellten dritten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung einen ersten Kragbalken 20, der gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist, d.h. der erste Kragbalken 20 weist ein Temperatursensorelement 40 und ein Heizelement 60 auf dem Schwingungsbereich 21 auf. Der erste Kragbalken 20 kann optional eine hygroskopische Schicht zur Aufnahme von Wassermolekülen oder eine ein Adsorptionsmittel umfassende Schicht zur Aufnahme von Spurengasmolekülen 70 aufweisen. Derartige Spurengase können Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Schwefeldioxyd, Kohlendioxyd, Ozon oder eine flüchtige organische Verbindung wie beispielsweise Chlorkohlenwasserstoffe, Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan oder Alkohole wie beispielsweise Ethanol, Methanol, Isopropanol, Toluol sein. Die Schicht ist ebenfalls auf dem Schwingungsbereich 21 des ersten Kragbalkens 20 ausgebildet und vorzugsweise auf der als Heizelement 60 dienenden Elektrodenschicht angeordnet. Zur elektrischen Isolierung kann eine elektrisch nicht leitfähige Isolationsschicht 71 zwischen der hygroskopischen bzw. der das Adsorptionsmittel umfassenden Schicht 70 und der als Heizelement 60 dienenden Elektrodenschicht ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine weitere Aluminium-Nitrid-Schicht als elektrisch nicht leitfähige Isolationsschicht 71 dienen. Die hygroskopische Schicht kann beispielsweise ein Hydrogel, ein Zeolith oder ein Silikagel aufweisen. Die das Adsorptionsmittel umfassende Schicht kann beispielsweise ein Molekularsieb, insbesondere ein Zeolith, ein mesoporöses Silikat, ein Silikagel, eine Aktivkohle und/oder ein organisches Polymer aufweisen. Ferner umfasst die Vorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel einen weiteren Kragbalken 80, der auf demselben Chip 12 wie der erste Kragbalken ausgeführt ist. Der weitere Kragbalken 80 ist in dem in 3 a) dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich mit einem piezoelektrischen Wandler 90 ausgeführt, über den der Schwingungsbereich 21 des weiteren Kragbalkens 80 mit einer weiteren Frequenz f2, insb. Resonanzfrequenz anregbar ist. Der weitere Kragbalken 80 weist kein Temperatur- oder Heizelement auf.The in 3 a) illustrated third embodiment, the device comprises a first cantilever beam 20th , which according to the in 2 illustrated embodiment is executed, ie the first cantilever beam 20th has a temperature sensor element 40 and a heating element 60 on the vibration range 21 on. The first cantilever 20th can optionally be a hygroscopic layer for taking up water molecules or a layer comprising an adsorbent for taking up trace gas molecules 70 exhibit. Such trace gases can be hydrogen sulfide, ammonia, sulfur dioxide, carbon dioxide, ozone or a volatile organic compound such as chlorinated hydrocarbons, hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane or alcohols such as ethanol, methanol, isopropanol, toluene. The layer is also on the vibrational area 21 of the first cantilever 20th formed and preferably on the as a heating element 60 serving electrode layer arranged. An electrically non-conductive insulation layer can be used for electrical insulation 71 between the hygroscopic or the layer comprising the adsorbent 70 and the one as a heating element 60 serving electrode layer be formed. For example, a further aluminum nitride layer can act as an electrically non-conductive insulation layer 71 to serve. The hygroscopic layer can for example have a hydrogel, a zeolite or a silica gel. The layer comprising the adsorbent can for example have a molecular sieve, in particular a zeolite, a mesoporous silicate, a silica gel, an activated carbon and / or an organic polymer. In this exemplary embodiment, the device further comprises a further cantilever beam 80 that is on the same chip 12th how the first cantilever is made. The other cantilever 80 is in the in 3 a) illustrated embodiment only with a piezoelectric transducer 90 executed over which the oscillation range 21 of the further cantilever 80 with another frequency f2 , especially resonance frequency can be excited. The other cantilever 80 has no temperature or heating element.

Bei dem in 3 b) dargestellten vierten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung einen ersten Kragbalken 20, der gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist, d.h. der erste Kragbalken 20 weist ein Temperatursensorelement 40 auf dem Schwingungsbereich 21 auf. Ferner umfasst die Vorrichtung einen weiteren Kragbalken 80, der kein Temperatur- und/oder Heizelement aufweist, sondern lediglich einen weiteren piezoelektrischen Wandler 90 zur Anregung eines Schwingungsbereichs 81 des weiteren Kragbalkens mit einer weiteren Frequenz f2.The in 3 b) illustrated fourth embodiment, the device comprises a first cantilever beam 20th , which according to the in 1 illustrated embodiment is executed, ie the first cantilever beam 20th has a temperature sensor element 40 on the vibration range 21 on. The device also comprises a further cantilever beam 80 , which has no temperature and / or heating element, but only a further piezoelectric transducer 90 to excite a vibration range 81 of the further cantilever beam with a further frequency f2 .

Bei dem in 3 c) dargestellten fünften Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung einen ersten Kragbalken 20, der gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist, d.h. der erste Kragbalken weist ein Temperatursensorelement 40 und ein Heizelement 60 auf dem Schwingungsbereich 21 auf. Zusätzlich kann der erste Kragbalken 20 eine hygroskopische Schicht zur Aufnahme von Wassermolekülen oder eine ein Adsorptionsmittel umfassende Schicht zur Aufnahme von Spurengasmolekülen 70 aufweisen. Ferner umfasst die Vorrichtung einen weiteren Kragbalken 80, der gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist, d.h. der weitere Kragbalken 80 weist ein weiteres Temperatursensorelement 100 auf dem weiteren Schwingungsbereich 81 auf.The in 3 c) The illustrated fifth embodiment, the device comprises a first cantilever beam 20th , which according to the in 2 illustrated embodiment is executed, ie the first cantilever has a temperature sensor element 40 and a heating element 60 on the vibration range 21 on. In addition, the first cantilever 20th a hygroscopic layer for taking up water molecules or a layer comprising an adsorbent for taking up trace gas molecules 70 exhibit. The device also comprises a further cantilever beam 80 , which according to the in 1 illustrated embodiment is executed, ie the further cantilever beam 80 has another temperature sensor element 100 on the wider vibration range 81 on.

Bei den in 3 a) bis 3 c) dargestellten Ausführungsbeispielen können die beiden Kragbalken 20, 80 derartig ausgebildet sein, dass sich ihre Schwingungsbereiche 21, 81 frei über einer gemeinsamen Kavität 11, die in den Chip 12 hinein präpariert worden ist, teilen. Alternativ können die beiden Kragbalken 20, 80 auch separat auf jeweils eigenen Chips ausgebildet sein. Vorzugsweise können die Schwingungsbereiche 21, 81 der Kragbalken 20, 80 so dimensioniert sein, dass der Schwingungsbereich 21 des ersten Kragbalkens L1 länger als ein Schwingungsbereich des weiteren Kragbalkens L2 ist. Die Anregung der beiden Kragbalken 20, 80 kann über die gleiche Auswerte- und/oder Recheneinheit erfolgen.The in 3 a) to 3 c) The illustrated embodiments can use the two cantilever beams 20th , 80 be designed in such a way that their oscillation ranges 21 , 81 freely over a common cavity 11 that are in the chip 12th has been dissected into it. Alternatively, the two cantilever beams 20th , 80 also separately on their own chips be trained. The oscillation ranges can preferably 21 , 81 the cantilever 20th , 80 be dimensioned so that the oscillation range 21 of the first cantilever L1 longer than an oscillation range of the further cantilever beam L2 is. The excitation of the two cantilever beams 20th , 80 can be done using the same evaluation and / or arithmetic unit.

Durch die Kombination von zwei Kragbalken 20, 80, wovon zumindest einer der beiden Kragbalken gemäß den Ausführungen des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet ist, ergeben sich eine Reihe von Möglichkeiten hinsichtlich der Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaften des Gases. Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 ferner dazu eingerichtet sein, anhand der ersten Frequenz f1 und/oder ersten Schwingungsgüte oder der ermittelten Dichte in Kombination mit der weiteren Frequenz f2 und /oder weiteren Schwingungsgüte oder einer durch die weitere Frequenz f2 und die weitere Schwingungsgüte ermittelten Dichte die absolute Luftfeuchte bzw. den Konzentrationsanteil des Spurengases zu bestimmen. Die durch die weitere Frequenz f2 und Schwingungsgüte ermittelte Dichte wird im Wesentlichen gleich ermittelt wie die durch die erste Frequenz f1 und die erste Schwingungsgüte ermittelte Dichte, d.h. es wird dasselbe mathematischphysikalische Modell zu Grunde gelegt. Dies bedeutet, dass solange die absolute Luftfeuchte des Gasgemisches unterhalb eines spezifischen Wertes, bspw. kleiner 5 ppm, bleibt, die beiden ermittelten Dichten im Wesentlichen einen gleichen Wert aufweisen. Steigt die absolute Luftfeuchte des Gases über den spezifischen Wert an, weichen die beiden ermittelten Dichten voneinander ab. Die Auswerte- und/oder Recheneinheit kann somit die beiden Frequenzen f1, f2 oder die beiden ermittelten Dichten in Relation zueinander setzen, um die Feuchte zu bestimmen. Entsprechendes gilt auch für die Auswertung des Konzentrationsanteils des Spurengases des Gasgemisches.By combining two cantilever beams 20th , 80 , of which at least one of the two cantilever beams is designed according to the statements of the first or second exemplary embodiment, there are a number of possibilities with regard to the determination of the thermophysical properties of the gas. For example, the evaluation and / or computing unit 50 also be set up on the basis of the first frequency f1 and / or the first vibration quality or the determined density in combination with the further frequency f2 and / or further vibration quality or one due to the further frequency f2 and the other vibration quality determined density to determine the absolute humidity or the concentration proportion of the trace gas. The through the further frequency f2 The density determined and vibration quality is determined essentially the same as that determined by the first frequency f1 and the first vibration quality determined density, ie it is based on the same mathematical-physical model. This means that as long as the absolute humidity of the gas mixture remains below a specific value, for example less than 5 ppm, the two densities determined have essentially the same value. If the absolute humidity of the gas rises above the specific value, the two densities determined differ from one another. The evaluation and / or arithmetic unit can thus use the two frequencies f1 , f2 or set the two densities determined in relation to one another in order to determine the humidity. The same also applies to the evaluation of the concentration fraction of the trace gas in the gas mixture.

Im einfachsten Fall, kann die Auswertung derartig erfolgen, dass die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 eine Subtraktion durchführt, bei der die Auswerte- und Recheneinheit die erste Frequenz f1 von der weiteren Frequenz f2 oder die durch die erste Frequenz f1 und Schwingungsgüte ermittelte Dichte von der durch die weitere Frequenz f2 und Schwingungsgüte ermittelten Dichte subtrahiert. Die Differenz bzw. eine Veränderung der Differenz kann der Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 wiederum als ein Maß für die absolute Luftfeuchte des Gases oder des Konzentrationsanteils des Spurengases dienen bzw. einer Veränderung der absoluten Luftfeuchte oder des Konzentrationsanteils des Spurengases. Ferner kann die Auswerte- und/oder Recheneinheit 50 auch dazu eingerichtet sein, die absolute Luftfeuchte oder den Konzentrationsanteil des Spurengases anhand der relativen zeitlichen Ableitung der ersten Frequenz f1 und der weiteren Frequenz f2 zu ermitteln.In the simplest case, the evaluation can take place in such a way that the evaluation and / or arithmetic unit 50 performs a subtraction in which the evaluation and arithmetic unit uses the first frequency f1 of the further frequency f2 or by the first frequency f1 and vibration quality from the density determined by the further frequency f2 and vibration quality determined density subtracted. The difference or a change in the difference can be made by the evaluation and / or arithmetic unit 50 in turn serve as a measure for the absolute air humidity of the gas or the concentration fraction of the trace gas or a change in the absolute air humidity or the concentration fraction of the trace gas. Furthermore, the evaluation and / or computing unit 50 also be set up to determine the absolute humidity or the concentration fraction of the trace gas on the basis of the relative time derivative of the first frequency f1 and the further frequency f2 to determine.

4 zeigt einen exemplarischen Schichtaufbau eines einzelnen aus einem Halbleiter-Wafer hergestellten Kragbalkens. Der Kragbalken 20 kann als ein aus dem Wafer vereinzelter Chip vorliegen. Beispielsweise kann ein SOI-Wafer (SOI steht für Silicon-on-Insulator) als Grundlage zur Herstellung des Kragbalkens 20 dienen. Ein derartiger SOI-Wafer weist eine dünne Siliziumschicht 10a, die durch eine isolierende Schicht 10b von einem Silizium-Substrat 10c getrennt ist, auf. Auf die dünne Siliziumschicht 10a ist eine Isolationsschicht 23 aufgebracht. Die Isolationsschicht 23 kann beispielsweise eine Siliziumoxidschicht sein, die vorzugsweise über einen nassen Oxidationsschritt auf der dünnen Siliziumschicht 10a ausgebildet ist. Auf die Isolationsschicht 23 ist in einem nächsten Herstellungsschritt optional eine Haftvermittlerschicht aufgebracht. Die Haftvermittlerschicht 24 kann beispielsweise Aluminiumnitrid (AIN) aufweisen, welches vorzugsweise mit einer Schichtdicke von kleiner 25 Mikrometern, bevorzugt von kleiner 20 Mikrometern, besonders bevorzugt von ca. 15 Mikrometern auf die Isolationsschicht 24 aufgebracht ist. 4th shows an exemplary layer structure of a single cantilever beam made from a semiconductor wafer. The cantilever 20th can be present as a chip separated from the wafer. For example, an SOI wafer (SOI stands for silicon-on-insulator) can be used as the basis for manufacturing the cantilever beam 20th to serve. Such an SOI wafer has a thin silicon layer 10a covered by an insulating layer 10b from a silicon substrate 10c is separated on. On the thin silicon layer 10a is an insulation layer 23 upset. The insulation layer 23 can for example be a silicon oxide layer, which is preferably applied to the thin silicon layer via a wet oxidation step 10a is trained. On the insulation layer 23 an adhesion promoter layer is optionally applied in a next manufacturing step. The adhesion promoter layer 24 can for example have aluminum nitride (AlN), which is preferably applied with a layer thickness of less than 25 micrometers, preferably less than 20 micrometers, particularly preferably approx. 15 micrometers on the insulation layer 24 is upset.

Auf die Haftvermittlerschicht 24 ist der piezoelektrische Wandler aufgebracht. Der piezoelektrische Wandler weist eine Schichtfolge aus einer unteren elektrisch leitenden Elektrodenschicht 32, die auf die Haftvermittlerschicht 24 aufgebracht ist, einer piezoelektrischen Schicht 31, die auf die untere Elektrodenschicht 32 aufgebracht ist, und eine obere Elektrodenschicht 34, die auf die piezoelektrische Schicht 31 aufgebracht ist, auf. Die Elektrodenschichten 32, 33 können beispielsweise Platin aufweisen. Bis hierin weisen sowohl der in den ersten bis fünften Ausführungsbeispielen beschriebene erste Kragbalken als auch der weitere Kragbalken den gleichen Schichtaufbau auf.On the adhesion promoter layer 24 the piezoelectric transducer is applied. The piezoelectric transducer has a layer sequence made up of a lower electrically conductive electrode layer 32 that are applied to the adhesion promoter layer 24 is applied, a piezoelectric layer 31 that are on the lower electrode layer 32 is applied, and a top electrode layer 34 applied to the piezoelectric layer 31 is applied to. The electrode layers 32 , 33 can for example have platinum. Up to this point, both the first cantilever beam described in the first to fifth exemplary embodiments and the further cantilever beam have the same layer structure.

Zusätzlich kann bei der Herstellung des Kragbalkens nach der Aufbringung der unteren Elektrodenschicht diese derartig strukturiert werden, dass die untere Elektrodenschicht 32 ein separat vom restlichen Teil der Elektrodenschicht ausgebildetes Temperatursensorelement 40 umfasst. Dies kann beispielsweise durch einen Lift-off Prozess erfolgen. Bevorzugt wird die Elektrodenschicht dabei so strukturiert, dass sie eine mäanderförmige Struktur als Temperatursensorelement aufweist.In addition, during the production of the cantilever beam, after the lower electrode layer has been applied, it can be structured in such a way that the lower electrode layer 32 a temperature sensor element formed separately from the remaining part of the electrode layer 40 includes. This can be done, for example, by means of a lift-off process. The electrode layer is preferably structured in such a way that it has a meandering structure as a temperature sensor element.

Ergänzend oder alternativ kann bei der Herstellung des Kragbalkens nach der Aufbringung der oberen Elektrodenschicht 33 diese derartig strukturiert werden, dass die obere Elektrodenschicht ein separat von dem restlichen Teil der Elektrodenschicht ausgebildetes Heizelement umfasst. Dies kann beispielsweise auch durch einen Lift-off Prozess erfolgen. Bevorzugt wird die Elektrodenschicht 33 dabei so strukturiert, dass sie auch eine mäanderförmige Struktur als Heizelement 60 aufweist. Vorzugsweise sind die Elektrodenschichten 32, 33 so ausgeführt, dass die untere Elektrodenschicht 32, aus der auch das Temperatursensorelement 40 ausgebildet ist, einen größeren Widerstandswert aufweist als die obere Elektrodenschicht 33, aus der ggfls. das Heizelement 60 ausgebildete ist. Hierzu kann beispielsweise die untere Elektrodenschicht 32 einen geringere Schichtdicke aufweisen als die obere Elektrodenschicht 33. Insbesondere kann die untere Elektrodenschicht 32 eine Schichtdicke kleiner 50 Mikrometern, bevorzugt kleiner 35 Mikrometern ganz besonders bevorzugt kleiner 30 Mikrometern aufweisen. Die oberer Elektrodenschicht kann eine Schichtdicke größer 30 Mikrometern, bevorzugt größer 35, besonders bevorzugt größer 45 Mikrometern aufweisen.In addition or as an alternative, the cantilever beam can be produced after the upper electrode layer has been applied 33 these are structured in such a way that the upper electrode layer comprises a heating element formed separately from the remaining part of the electrode layer. This can can also be done, for example, through a lift-off process. The electrode layer is preferred 33 structured in such a way that it also has a meandering structure as a heating element 60 having. Preferably the electrode layers are 32 , 33 designed so that the lower electrode layer 32 , from which also the temperature sensor element 40 is formed, has a greater resistance value than the upper electrode layer 33 , from the possibly. the heating element 60 is trained. The lower electrode layer, for example, can be used for this purpose 32 have a smaller layer thickness than the upper electrode layer 33 . In particular, the lower electrode layer 32 have a layer thickness of less than 50 micrometers, preferably less than 35 micrometers, very particularly preferably less than 30 micrometers. The upper electrode layer can have a layer thickness greater than 30 micrometers, preferably greater than 35, particularly preferably greater than 45 micrometers.

Ergänzend können die Kragbalken die ein Heizelement 60 auf dem Schwingungsbereich aufweisen zusätzlich auch eine hygroskopische Schicht oder eine ein Adsorptionsmittel aufweisende Schicht 70 umfassen. Die hygroskopische Schicht bzw. die das Adsorptionsmittel aufweisen Schicht 70 ist auf die obere Elektrodenschicht 33 aufgebracht. Zur elektrischen Isolierung kann eine elektrisch nicht leitfähige Isolationsschicht 71 zwischen der hygroskopischen bzw. der das Adsorptionsmittel umfassenden Schicht 70 und der als Heizelement 60 dienenden Elektrodenschicht aufgebracht sein, die beispielsweise Aluminiumnitrid (AIN) aufweist.In addition, the cantilever beams can have a heating element 60 also have a hygroscopic layer or a layer having an adsorbent on the vibration region 70 include. The hygroscopic layer or the layer containing the adsorbent 70 is on the top electrode layer 33 upset. An electrically non-conductive insulation layer can be used for electrical insulation 71 between the hygroscopic or the layer comprising the adsorbent 70 and the one as a heating element 60 Serving electrode layer be applied, which has, for example, aluminum nitride (AlN).

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
Halbleiter-WaferSemiconductor wafer
10a10a
Dünne SiliziumschichtThin silicon layer
10b10b
Isolierende SchichtInsulating layer
10c10c
Silizium-SubstratSilicon substrate
1111
Kavitätcavity
1212th
Vereinzelter ChipIsolated chip
2020th
Erster KragbalkenFirst cantilever
2121
Schwingungsbereich des ersten KragbalkensOscillation range of the first cantilever beam
2222nd
Fester Bereich des ersten KragbalkensFixed area of the first cantilever
2323
IsolationsschichtInsulation layer
2424
HaftvermittlerschichtAdhesion promoter layer
3030th
Erster piezoelektrischer WandlerFirst piezoelectric transducer
3131
piezoelektrische Schichtpiezoelectric layer
3232
Erste ElektrodenschichtFirst electrode layer
3333
Zweite ElektrodenschichtSecond electrode layer
3434
Elektrische Leiterbahn zum Kontaktieren der einen ElektrodenschichtElectrical conductor track for contacting one electrode layer
3535
Elektrische Leiterbahn zum Kontaktieren der anderen ElektrodenschichtElectrical conductor track for contacting the other electrode layer
4040
TemperatursensorelementTemperature sensor element
4141
Leiterbahn zum Kontaktieren des TemperatursensorelementsConductor track for contacting the temperature sensor element
4242
Leiterbahn zum Kontaktieren des TemperatursensorelementsConductor track for contacting the temperature sensor element
5050
Auswerte- und/oder RecheneinheitEvaluation and / or arithmetic unit
6060
HeizelementHeating element
6161
Leiterbahn zum Kontaktieren des HeizelementsConductor track for contacting the heating element
6262
Leiterbahn zum Kontaktieren des HeizelementsConductor track for contacting the heating element
7070
hygroskopische Schicht oder eine ein Adsorptionsmittel aufweisende Schichthygroscopic layer or a layer containing an adsorbent
7171
elektrisch nicht leitfähige Isolationsschichtelectrically non-conductive insulation layer
8080
Weiterer KragbalkenAnother cantilever
8181
Schwingungsbereich des weiteren KragbalkensOscillation range of the further cantilever beam
8282
Weitere IsolationsschichtAnother layer of insulation
8383
Weitere HaftvermittlerschichtFurther adhesion promoter layer
9090
Weiterer piezoelektrischer WandlerAnother piezoelectric transducer
9191
Weitere piezoelektrische SchichtAnother piezoelectric layer
9292
Erste weitere ElektrodenschichtFirst further electrode layer
9393
Zweite weitere ElektrodenschichtSecond further electrode layer
100100
Weiteres TemperatursensorelementAnother temperature sensor element
L1L1
Länge des Schwingungsbereichs des ersten KragbalkensLength of the oscillation range of the first cantilever
L2L2
Länge des Schwingungsbereichs des weiteren KragbalkensLength of the oscillation range of the further cantilever beam
f1f1
Schwingungsfrequenz (Resonanzfrequenz) des ersten KragbalkensOscillation frequency (resonance frequency) of the first cantilever beam
f2f2
Schwingungsfrequenz (Resonanzfrequenz) des weiteren KragbalkensOscillation frequency (resonance frequency) of the further cantilever beam

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 3362790 B1 [0003]EP 3362790 B1 [0003]

Claims (18)

Vorrichtung zur Bestimmung einer thermophysikalischen Eigenschaft, insbesondere einer Dichte und/oder einer Viskosität eines Gases, aufweisend: - zumindest einen aus einem Halbleiter-Wafer (10), insb. einem SOI-Wafer hergestellten ersten Kragbalken (20) mit einem Schwingungsbereich (21) der zum Anregen einer Schwingung mit einer ersten Frequenz dient und der dem Gas aussetzbar ist, wobei in dem Schwingungsbereich (21) zumindest eine Isolationsschicht (23) auf den ersten Kragbalken (20) aufgebracht ist, wobei zumindest in dem Schwingungsbereich (21) ferner ein erster piezoelektrischer Wandler (30) aufgebracht ist, der den Schwingungsbereich (21) des ersten Kragbalkens (20) mit der ersten Frequenz zum Schwingen anregt, wobei der erste piezoelektrische Wandler (30) aus einer, vorzugsweise Aluminium-Nitrid aufweisenden piezoelektrischen Schicht (31), die zwischen einer ersten auf die Isolationsschicht aufgebrachten, elektrisch leitfähigen, vorzugsweise Platin aufweisenden Elektrodenschicht (32) und einer zweiten elektrisch leitfähigen, vorzugsweise Platin aufweisenden Elektrodenschicht (33) ausgebildet ist, - zumindest ein auf dem Schwingungsbereich (21), vorzugsweise aus zumindest einer der beiden Elektrodenschichten (32, 33) ausgebildetes Temperatursensorelement (40) mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert zum Erfassen einer Temperatur des Gases; - eine Auswerte- und/oder Recheneinheit (50), die dazu eingerichtet ist, den temperaturabhängigen Widerstandswert in einen entsprechenden Temperaturwert zu wandeln und zumindest anhand der Frequenz und der Schwingungsgüte die thermophysikalische Eigenschaft des Gases bei dem Temperaturwert zu bestimmen und auszugeben.Device for determining a thermophysical property, in particular a density and / or a viscosity of a gas, comprising: - At least one first cantilever beam (20) made from a semiconductor wafer (10), in particular an SOI wafer, with an oscillation region (21) which is used to excite an oscillation with a first frequency and which can be exposed to the gas, in which Vibration area (21) at least one insulation layer (23) is applied to the first cantilever beam (20), a first piezoelectric transducer (30), which encompasses the vibration area (21) of the first cantilever beam (20), at least in the vibration area (21) ) excites to vibrate at the first frequency, wherein the first piezoelectric transducer (30) consists of a piezoelectric layer (31), preferably comprising aluminum nitride, which is sandwiched between a first electrically conductive, preferably platinum-comprising electrode layer (32) applied to the insulation layer. and a second electrically conductive, preferably platinum-containing electrode layer (33) is formed, - At least one temperature sensor element (40) formed on the vibration region (21), preferably from at least one of the two electrode layers (32, 33), with a temperature-dependent resistance value for detecting a temperature of the gas; - An evaluation and / or arithmetic unit (50) which is set up to convert the temperature-dependent resistance value into a corresponding temperature value and to determine and output the thermophysical property of the gas at the temperature value at least on the basis of the frequency and the vibration quality. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei auf dem Schwingungsbereich (21), vorzugsweise aus der anderen der beiden Elektrodenschichten (33, 32) zusätzlich ein Heizelement (60) ausgebildet ist und die Auswerte- und/oder Recheneinheit (50) ferner dazu eingerichtet ist, das Heizelement (60) so anzusteuern, dass es auf einen vorgegebene Temperaturwert heizt.Device according to Claim 1 , wherein a heating element (60) is additionally formed on the oscillation area (21), preferably from the other of the two electrode layers (33, 32), and the evaluation and / or computing unit (50) is also set up to the heating element (60) controlled in such a way that it heats to a specified temperature value. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit (50) ferner dazu eingerichtet ist, das Heizelement (60) anhand des Temperaturwertes auf den vorgegebenen Temperaturwert zu regeln.Device according to the preceding claim, wherein the evaluation and / or arithmetic unit (50) is further configured to regulate the heating element (60) to the predetermined temperature value on the basis of the temperature value. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine hygroskopische Schicht (70) zur Aufnahme von Wassermolekülen oder eine ein Adsorptionsmittel umfassende Schicht zur Aufnahme von Spurengasmolekülen, wobei die hygroskopische Schicht (70) oder die das Adsorptionsmittel umfassende Schicht vorzugsweise auf der als Heizelement (60) ausgebildeten Elektrodenschicht zumindest in dem Schwingungsbereich des ersten Kragbalkens (20) aufgebracht ist.Device according to one of the preceding claims, further comprising a hygroscopic layer (70) for taking up water molecules or a layer comprising an adsorbent for taking up trace gas molecules, the hygroscopic layer (70) or the layer comprising the adsorbent preferably being on the heating element (60 ) formed electrode layer is applied at least in the oscillation region of the first cantilever beam (20). Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die hygroskopische Schicht (70) ein Hydrogel, ein Zeolith oder ein Silikagel aufweist oder die das Adsorptionsmittel umfassende Schicht ein Molekularsieb, insbesondere ein Zeolith, ein mesoporöses Silikat, ein Silikagel, eine Aktivkohle und/oder ein organisches Polymer aufweist.Device according to the preceding claim, wherein the hygroscopic layer (70) comprises a hydrogel, a zeolite or a silica gel or the layer comprising the adsorbent comprises a molecular sieve, in particular a zeolite, a mesoporous silicate, a silica gel, an activated carbon and / or an organic polymer having. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenschicht (32, 33), die als Temperatursensorelement (40) mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert ausgebildet ist, so ausgeführt ist, dass diese Elektrodenschicht (32, 33) einen größeren Widerstandswert aufweist als die andere, vorzugsweise als Heizelement ausgebildete Elektrodenschicht (33, 32).Device according to one of the preceding claims, wherein the electrode layer (32, 33), which is designed as a temperature sensor element (40) with a temperature-dependent resistance value, is designed such that this electrode layer (32, 33) has a greater resistance value than the other, preferably electrode layer (33, 32) designed as a heating element. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit (50) ferner dazu eingerichtet ist, das Heizelement (60) so zu erhitzen, dass Wassermoleküle aus der hygroskopischen Schicht oder Moleküle des Spurengases aus der das Adsorptionsmittel umfassenden Schicht in mindestens einem Ausheizvorgang entfernt werden.Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation and / or computing unit (50) is further set up to heat the heating element (60) so that water molecules from the hygroscopic layer or molecules of the trace gas from the layer comprising the adsorbent in at least can be removed in a bakeout process. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner aufweisend einen aus dem Halbleiter-Wafer (10), insb. einem SOI-Wafer hergestellten weiteren Kragbalken (80) mit einem weiteren Schwingungsbereich (81) der zum Anregen einer Schwingung mit einer weiteren Frequenz dient und der dem Gas aussetzbar ist, wobei in dem weiteren Schwingungsbereich (81) zumindest eine weitere Isolationsschicht (82) auf den weiteren Kragbalken (80) aufgebracht ist, wobei zumindest in dem weiteren Schwingungsbereich ferner ein weiterer piezoelektrischer Wandler (90) aufgebracht ist, der den weiteren Schwingungsbereich (81) des weiteren Kragbalkens (80) mit der weiteren Frequenz zum Schwingen anregt, wobei der weitere piezoelektrische Wandler (90) aus einer, vorzugsweise Aluminium-Nitrid aufweisenden weiteren piezoelektrischen Schicht (91), die zwischen einer ersten auf die weitere Isolationsschicht (82) aufgebrachten, elektrisch leitfähigen, vorzugsweise Platin aufweisenden weiteren Elektrodenschicht (92) und einer zweiten elektrisch leitfähigen, vorzugsweise Platin aufweisenden weiteren Elektrodenschicht (93) ausgebildet ist.Device according to one of the Claims 1 or 2 , further comprising a further cantilever beam (80) made from the semiconductor wafer (10), in particular an SOI wafer, with a further oscillation region (81) which is used to excite an oscillation at a further frequency and which can be exposed to the gas, wherein In the further oscillation area (81) at least one further insulation layer (82) is applied to the further cantilever beam (80), at least in the further oscillation area a further piezoelectric transducer (90) is also applied, which furthermore the further oscillation area (81) The cantilever beam (80) excites to vibrate at the further frequency, the further piezoelectric transducer (90) made of a further piezoelectric layer (91), preferably comprising aluminum nitride, which is electrically conductive between a first layer (82) applied to the further insulation layer (82) , preferably platinum having further electrode layer (92) and a second electrically conductive, preferably Swise platinum having further electrode layer (93) is formed. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 8, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, die erste Frequenz in Relation zu der weiteren Frequenz zu setzen, um eine absolute Luftfeuchte oder ein Spurengasanteil des Gases zu bestimmen.Device according to Claim 4 and 8th , wherein the evaluation and / or arithmetic unit is further set up to set the first frequency in relation to the further frequency to an absolute one To determine humidity or a trace gas portion of the gas. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, anhand einer relativen zeitlichen Ableitung der weiteren Frequenz bezogen auf eine zeitliche Ableitung der ersten Frequenz die absolute Luftfeuchte oder den Spurengasanteil des Gases zu bestimmen.Device according to the preceding claim, wherein the evaluation and / or arithmetic unit is further configured to determine the absolute humidity or the trace gas portion of the gas on the basis of a relative time derivative of the further frequency based on a time derivative of the first frequency. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Auswerte- und/oder Recheneinheit ferner dazu eingerichtet ist, anhand einer Differenzbildung, in die die erste Frequenz und die weitere Frequenz eingeht, die absolute Luftfeuchte oder den Spurengasanteil des Gases zu bestimmen.Device according to one of the Claims 9 or 10 , wherein the evaluation and / or arithmetic unit is further set up to determine the absolute humidity or the trace gas portion of the gas on the basis of a difference formation in which the first frequency and the further frequency are included. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der erste und der weitere Kragbalken (20, 80) derartig ausgebildet sind, dass eine Länge des Schwingungsbereichs des ersten Kragbalkens (L1) länger ist als eine Länge des Schwingungsbereichs des weiteren Kragbalkens (L2), sodass der erste Schwingungsbereich mit der ersten Frequenz und der weitere Schwingungsbereich mit der zweiten, davon abweichenden Frequenz schwingt.Device according to one of the Claims 8 to 11 , wherein the first and the further cantilever beam (20, 80) are designed such that a length of the vibration range of the first cantilever beam (L1) is longer than a length of the vibration range of the further cantilever beam (L2), so that the first vibration range with the first frequency and the further oscillation range oscillates with the second, deviating frequency. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, ferner aufweisend ein weiteres Temperatursensorelement (100) zum Erfassen einer weiteren Temperatur des Gases, wobei zumindest eine der beiden weiteren Elektrodenschichten des weiteren piezoelektrischen Wandlers (90) als weiteres Temperatursensorelement (100) mit einem weiteren temperaturabhängigen Widerstandswert ausgebildet ist.Device according to one of the Claims 8 to 12th , further comprising a further temperature sensor element (100) for detecting a further temperature of the gas, at least one of the two further electrode layers of the further piezoelectric transducer (90) being designed as a further temperature sensor element (100) with a further temperature-dependent resistance value. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eins der Temperatursensorelemente (40, 100) und/oder das Heizelemente (60) eine im Wesentlichen mäanderförmige Struktur aufweist.Device according to one or more of the preceding claims, wherein at least one of the temperature sensor elements (40, 100) and / or the heating element (60) has a substantially meandering structure. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein der Temperatursensorelemente (40, 100) und/oder das Heizelemente (60) durch einen Lift-off Prozess hergestellt sind bzw. werden.Device according to one or more of the preceding claims, wherein at least one of the temperature sensor elements (40, 100) and / or the heating elements (60) are or will be produced by a lift-off process. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und weitere Kragbalken auf einem gemeinsamen Chip ausgebildet sind und vorzugsweise derartig aus dem Halbleiter-Wafer (10), insb. dem SOI-Wafer hergestellt sind, dass der Schwingungsbereich des ersten und/oder weiteren Kragbalkens frei über einer in den Halbleiter-Wafer eingebrachte Kavität (11) liegt bzw. liegen.Device according to one or more of the preceding claims, wherein the first and further cantilever beams are formed on a common chip and are preferably made from the semiconductor wafer (10), in particular the SOI wafer, that the oscillation range of the first and / or further cantilever beam lies or lie freely above a cavity (11) introduced into the semiconductor wafer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der erste und weitere Kragbalken auf unterschiedlichen Chips ausgebildet sind.Device according to one of the Claims 1 to 15th , wherein the first and further cantilever beams are formed on different chips. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder das weitere Temperatursensorelement an einem freien Ende des ersten oder weiteren Schwingungsbereichs angeordnet ist und vorzugsweise eine Fläche von ca. 1/3 einer Gesamtfläche des ersten oder weiteren Schwingungsbereichs einnimmt, wobei der erste oder weitere piezoelektrische Wandler eine restliche Fläche des ersten oder weiteren Schwingungsbereichs einnimmt.Device according to one or more of the preceding claims, wherein the first and / or the further temperature sensor element is arranged at a free end of the first or further oscillation range and preferably occupies an area of approximately 1/3 of a total area of the first or further oscillation range, the first or further piezoelectric transducer occupies a remaining area of the first or further oscillation range.
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