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Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Detektion insbesondere brennbarer Gase, sowie ein entsprechendes Gas-Messgerät.
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Gas-Messgeräte, die zur reinen Gas-Detektion oder zur Bestimmung der Konzentration von brennbaren Gasen dienen, werden für verschiedenste Aufgaben eingesetzt, beispielsweise im Bergbau, in der petrochemischen Industrie und in vergleichbaren Industrien. Dazu kommen Gas-Messgeräte in weiteren Branchen, wie der dezentralen Energieversorgung, im Explosionsschutz, in der Automobilindustrie oder bei der Infrastruktursicherung zum Einsatz. Je nach Anwendung werden hierzu verschiedene Messmethoden eingesetzt. Diese können in folgende Kategorien gegliedert werden:
- - Physikalische Messmethoden zur Bestimmung von Gaseigenschaften, wie Bestimmung der Molekülmasse, des Diffusionsverhalten, der Molekülstruktur, einer Bindungsenergie oder einer Molekülbeweglichkeit,
- - Chemische Messmethoden, wie Messung der Reaktivität, der Oxidierbarkeit/Reduzierbarkeit,
- - Elektrische Messmethoden, wie beispielsweise resistive, kapazitive, potentiometrische, oder amperometrische Verfahren,
- - Thermische Messmethoden (z.B. Wärmeleitfähigkeitsmessung),
- - Thermisch-physikalische Messmethoden, wie die Bestimmung der Wärmetönung,
- - Gravimetrische Messmethoden, wie beispielsweise die Messung der Masseänderung, oder
- - Optische Messmethoden, wie Messung des Brechungsindizes, des Absorptionsspektrums, der Intensität oder der Lumineszenz.
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Zur Detektion brennbarer Gase werden überwiegend so genannte Pellistoren verwendet, welche auf dem Wärmetönungseffekt beruhen. Dabei entsteht Wärmetönung, wenn Gase an einer heißen Oberfläche exotherm verbrennen.
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Die bei der Verbrennung entstehende Wärmemenge hängt dabei direkt von der Gaskonzentration, bzw. der Dichte oder der Stoffmenge ab. Die Wärmemenge kann durch einen temperaturabhängigen Widerstand oder durch die Widerstandsänderung des heizenden Leitungsdrahtes selbst gemessen werden. Um die Verbrennungstemperatur des Gases unter seine eigentliche Zündtemperatur zu bringen, können außerdem Katalysatoren (z.B. Platin) am temperaturabhängigen Widerstand bzw. am heizenden Leitungsdraht eingesetzt werden.
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Bei einem ursprünglich aufgebauten Pellistor dient ein Draht, dessen Widerstand Temperatur-abhängig ist (im Falle eines „PTC, Positive Temperature Coefficient“, wie beispielsweise Platin) gleichzeitig als Heiz-Leitung und als Temperatursensor. Der Draht wird von einem Keramikpellet, das als Trägersubstrat fungiert, umschlossen. Ein zusätzlicher Katalysator wird entweder auf der Keramikoberfläche aufgebracht oder der ungesinterten Keramik beigemischt. Wird das Pellet durch den Draht erhitzt, verbrennt der gasförmige Stoff an der Katalysatoroberfläche und erwärmt das Pellet weiter. Durch die Temperaturabhängigkeit des Draht-Widerstandes kann die Erwärmung gemessen werden. Der Sensor ist dabei nicht-selektiv, d.h. es kann nicht zwischen unterschiedlichen brennbaren Gasen unterschieden werden. Um gasunabhängige Schwankungen in der Umgebungstemperatur zu kompensieren, kommen im Sensor zwei Pellistoren zum Einsatz wobei jeweils einer mit und einer ohne Katalysator ausgeführt ist.
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Bei Verwendung zweier Pellistoren können diese in den folgenden zwei Regel-Arten betrieben werden: Bei der Regel-Art „Constant-Current Anemometry (CCA)“ wird zumindest der mit Katalysator behaftete Pellistor mit einem konstanten Strom beaufschlagt. Durch Kontakt mit dem gasförmigen Stoff ändert sich der Widerstand dieses Pellistors und damit die dort abfallende Spannung, welche zur Detektion des Gases herangezogen werden kann. Bei der Regel-Art „Constant-Temperature Anemometry (CTA)“ wird der mit Katalysator behaftete Pellistor auf einer im Mittel konstanten Temperatur gehalten. Hierzu können beiden Pellistoren zu einer Wheatstone'schen Messbrücke verschaltet werden. In diesem Fall wird der Strom, der in den mit Katalysator behafteten Pellistor eingespeist wird (bzw. die eingespeiste Spannung), mit steigender Konzentration des Gases erhöht, indem die Spannung an der Wheatstone'schen Messbrücke entsprechend nachgeregelt wird.
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Obwohl Pellistoren aufgrund des einfachen technischen Aufbaus weit verbreitet sind und kostengünstig hergestellt werden können, vereinen Sie eine Reihe von Nachteilen:
- - Niedrige Selektivität: Obwohl fast alle brennbaren Gase mit dem Pellistor detektiert werden können, reagiert dieser nicht selektiv, es kann also nicht ermittelt werden, welches Gas (oder welche Gasmischung) vorliegt.
- - Hoher Energieverbrauch: Da das Pellet im Betrieb auf Temperaturen von ca. 400-600°C geheizt werden muss, verbraucht der Sensor typischerweise mehrere Watt an elektrischer Leistung. Dies ist insbesondere bei tragbaren Geräten oder Ultra-Low-Power Anwendungen nicht realisierbar.
- - Vergiftung des Katalysators: Diverse Stoffe wie Halogenide, Bleiverbindungen, Chlorverbindungen und Silikone können den Katalysator zerstören oder dessen Funktion beeinträchtigen. Das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Vergiftung steigt üblicherweise mit der Betriebstemperatur.
- - Mangelnde Robustheit: Bei klassischen Pellistoren sind der Heizdraht und das Widerstandselement im Sensor an einem äußerst dünnen Draht aufgehängt. Dies führt zu einer Anfälligkeit des Sensors gegenüber Vibrationen und Stößen, wie es im typischen Einsatzumfeld häufig auftritt.
- - Aufwändiger Herstellungsprozess: Aktiver und passiver Pellistor werden gewöhnlich manuell im Sensorgehäuse verlötet. Dieser Herstellungsprozess ist Zeit- und arbeitsintensiv und schlecht automatisierbar.
- - Mangelnde Integrierbarkeit: Durch den dreidimensionalen Aufbau des Sensors ist dieser im Vergleich zu moderner Chiptechnologie schlecht integrierbar und platzintensiv. Dies ist insbesondere für tragbare Geräte nachteilhaft.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Weiterentwicklungen von Pellistoren bekannt, um einige dieser Nachteile zu beheben: In den wissenschaftlichen Veröffentlichungen
- - Maier, K., Helwig, A., & Müller, G. (2015). Towards MEMS Pellistor Spectrometers. Procedia engineering, 120, 142-145;
- - Bíró, F., Pap, A. E., Barsony, I., & Ducso, C. (2014). Micro-pellistor with integrated porous alumina catalyst support. Procedia Engineering 87, 200-203; und
- - Gao, H., Lyu, X, Schmitt, K., Wöllenstein, J., & Tarantik, K. (2019). 6.2. 5 Niedertemperatur-Pellistoren aus mesoporösem Au-Pd@ Co3O4. Tagungsband, 498-503
werden beispielsweise unterschiedliche mikrotechnische Fertigungsverfahren (auch bekannt im Zusammenhang mit der Fertigung von „MEMS“-Bauteilen; „Micro Electro Mechanical System“) zur Realisierung von Pellistoren in Dickschicht- und Dünnschichttechnologie beschrieben. Bei mikrotechnisch gefertigten Gassensoren ist der Platin-basierte Widerstand auf einer freistehenden Mikromembran strukturiert und mit einer Katalysatorschicht funktionalisiert. Gegebenenfalls kommt auch ein zweiter, nichtfunktionalisierter Widerstand oder ein Temperatursensor zur Temperaturkompensation zum Einsatz.
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Die Nutzung der MEMS-Technologie bietet verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Aufbauten: Zum einen können die Gassensoren als Mikrochips hochparallel, vollautomatisch und mit reprozierbaren Eigenschaften gefertigt werden. Zum anderen sind die Gassensoren durch die Abmessungen der funktionalen Strukturen im Mikrometer-Maßstab und dem planaren Aufbau deutlich kompakter und besser integrierbar. Darüber hinaus sind die Sensoren tendenziell robuster gegen Vibration und mechanische Stöße. Außerdem ist der Energieverbrauch deutlich reduziert, da nur eine sehr geringe thermische Masse beheizt werden muss.
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Um eine hinreichende Sensitivität für unterschiedliche gasförmige Stoffe zu erzielen, nutzen Maier et al. unterschiedliche Reaktionstemperaturen aus. Die Temperatur des Heizers wird sägezahnartig variiert, und die Wärmetönung unterschiedlicher Gase bei unterschiedlichen Heizertemperaturen detektiert. Dies ist auch in der Veröffentlichungsschrift
DE 3606500 A1 offenbart. Dort wird zudem die Verwendung von BaTiO
3 -Keramik als Katalysatormaterial, die simultane Verwendung des Katalysators als Heizer, sowie die Herstellung der Struktur in Dünn- und Dickschichtverfahren beschrieben. Selektivität durch Verwendung unterschiedlicher Katalysatormaterialien wird wiederum in den Patentanmeldungen
DE 3606500 A1 und
US 6009742 A beschrieben. Hier werden zwei baugleiche Widerstände mit unterschiedlichen Katalysatoren realisiert und das Signal verglichen. Die in Biro et al. sowie Lee et al. beschriebenen Mikro-Pellistoren erreichen eine Leistung von nur 50 mW für den Betrieb. Gao et al. nutzen CO
3O
4 als Trägermaterial für einen bimetallischen Au/Pd-Katalysator, um die Betriebstemperatur des Pellistors auf 300°C zu senken. Dies reduziert die Leistungsaufnahme und zudem die Vergiftungsrate des Katalysators.
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Mittels keines dieser zuvor geschilderten Konzepte können jedoch alle der zuvor genannten Nachteile hinreichend überwunden werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen insgesamt verbesserten Gassensor bereitzustellen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Gassensor zur Detektion eines gasförmigen Stoffes, der mindestens folgende Komponenten umfasst:
- - Ein thermisch stabiles Substrat, wie beispielsweise eine Keramik, und
- - zumindest eine auf dem Substrat angeordnete, erste elektrische Leiterbahn, die folgendes aufweist:
- ◯ Einen Temperatur-abhängigen Leiterbahn-Widerstand,
- ◯ eine zur Oxidation bzw. Verbrennung des gasförmigen Stoffes definierte, katalytische Eigenschaft, und
- ◯ einen mäanderförmigen Verlauf auf einem definierten Bereich des Substrates.
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Durch die erfindungsgemäße Verschachtelung der ersten Leiterbahn in Form eines Mäanders kann der Platzverbrauch des Gassensors im Vergleich zum Stand der Technik um die Hälfte reduziert werden, so dass eine deutliche Miniaturisierung ermöglicht wird. Gleichzeitig wird durch die Verlängerung der Leiterbahn die Sensitivität des Gassensors ohne Erhöhung der Leistungsaufnahme deutlich erhöht.
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Im Rahmen der Erfindung ist es nicht fest vorgegeben, in welcher Form die katalytische Eigenschaft der ersten Leiterbahn realisiert werden muss. Es kann sich bei der katalytischen Eigenschaft beispielsweise um ein hinsichtlich des zu detektierenden Gases katalytisch aktives Leiterbahn-Material handeln. Hier sind insbesondere Pt oder eine Au-/Pd-Legierung vorteilhaft, da sie bei vielen gasförmigen Stoffe katalytisch aktiv sind. Weiterhin ist es möglich, die katalytische Eigenschaft in Form einer Dotierung, einer Porosität, bzw. einer Oberflächen-Rauigkeit zu realisieren.
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Besonders vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Gassensor dahingehend erweitert werden, dass er neben der ersten Leiterbahn eine zweite auf dem Substrat angeordnete, elektrische Leiterbahn umfasst. Dabei weist die zweite Leiterbahn korrespondierend zur ersten Leiterbahn einen Temperaturabhängigen Leiterbahn-Widerstand auf. Zudem verläuft die zweite Leiterbahn in dem definierten Bereich parallel zu der mäanderförmigen, ersten Leiterbahn. Durch die Mäander-förmige Verschachtelung der beiden Leiterbahnen wird nicht nur der Platzverbrauch des Gassensors im Vergleich zu den bekannten Lösungen mit zwei Leiterbahnen überproportional reduziert. Als synergetischer Effekt wird außerdem lediglich eine thermische Masse für beide Leiterbahnen benötigt, wodurch auch der Energieverbrauch überproportional reduziert wird. Zu diesem Zweck kann das Substrat in dem definierten Bereich außerdem als Membran ausgelegt werden.
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Die zweite Leiterbahnkann kann entweder zur Temperaturkompensation genutzt werden, und/oder zur Detektion eines weiteren Gases. Im Falle einer Temperaturkompensation braucht die zweite Leiterbahn nicht zwingend eine katalytische Eigenschaft aufzuweisen. Im anderen Fall ist es vorteilhaft, wenn die zweite Leiterbahn eine entsprechende katalytische Eigenschaft aufweist, die von der katalytischen Eigenschaft der ersten Leiterbahn abweicht.
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Mittels des erfindungsgemäßen Konzepts ist es möglich, den Gassensor als platzsparendes MEMS-Bauteil auszulegen. Um dies zu realisieren, kann die erste Leiterbahn und/oder die zweite Leiterbahn derart mittels eines mikrotechnischen Verfahrens gefertigt ist, dass
- - die Leiterbahn-Breite der ersten Leiterbahn und/oder der zweiten Leiterbahn,
- - die Mäander-Länge, und/oder
- - der (konstante) Abstand zwischen den Leiterbahnen
jeweils Abmessungen im Submillimeter-Bereich aufweisen/aufweist.
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Mittels folgender zusätzlicher Komponenten kann auf Basis des erfindungsgemäßen Gassensors nach einer der der zuvor beschriebenen Varianten ein entsprechendes Gas-Messgerät realisiert werden:
- - Eine Ansteuerungs-Einheit, die ausgelegt ist, zum Erhitzen eine derart definierte Heiz-Spannung an die erste Leiterbahn und/oder an die zweite Leiterbahn anzulegen, so dass der gasförmige Stoff oxidiert bzw. sich entzündet, und
- - eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist,
- ◯ um zumindest indirekt anhand des Leiterbahn-Widerstandes der ersten Leiterbahn den gasförmigen Stoff zu detektieren.
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Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie einem FPGA oder einen Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Gas-Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Gassensors ist es je nach Auslegung nicht nur möglich, einen gasförmigen Stoff auf etwaiges Vorhandensein zu detektieren. Vielmehr kann das Gas-Messgerät bzw. dessen Auswertungs-Einheit auch ausgelegt werden, um zumindest indirekt oder direkt anhand des Leiterbahn-Widerstandes der ersten Leiterbahn eine Konzentration, eine Dichte, oder eine Stoffmenge des gasförmigen Stoffes zu bestimmen: Je nach Gasart kann hierzu genutzt werden, dass der Widerstandswert der ersten Leiterbahn eine definierte Abhängigkeit, bspw. eine proportionale Abhängigkeit von der Dichte, oder der Stoffmenge des gasförmigen Stoffes aufweist. Somit kann die Auswertungs-Einheit beispielsweise auf Basis entsprechend hinterlegter Kalibrationsdaten mittels einer Lookup-table anhand des gemessenen Widerstandswertes die entsprechende Größe ausgeben.
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Sofern der Gassensor eine zweite elektrische Leiterbahn umfasst, kann die Auswertungs-Einheit außerdem ausgelegt werden, um die Konzentration, die Dichte oder die Stoffmenge des gasförmigen Stoffes Temperatur-kompensiert zu erfassen. Hierzu kann die zweite Leiterbahn innerhalb des Gas-Messgerätes beispielsweise über eine Wheatstone'sche Messbrücke mit der ersten elektrischen Leiterbahn verschaltet werden. In diesem Fall kann die Auswertungs-Einheit die Spannung an der Messbrücke zum Heizen der Leiterbahnen mittels eines Operationsverstärkers, der eine entsprechende Spannungsquelle ansteuert, derart regeln, dass sie Temperatur an der ersten Leiterbahn konstant gehalten wird. Den gasförmigen Stoff, bzw. dessen Konzentration kann die Auswertungs-Einheit anhand des eingestellten Wertes der Heizspannung an der Messbrücke ermitteln. In diesem Fall wird der gasförmige Stoff also indirekt anhand des Leiterbahn-Widerstandes der ersten Leiterbahn bzw. der Widerstands-Äderung ermittelt. Bei entsprechender Auslegung der Auswertungs-Einheit und der zweiten Leiterbahn, kann das Gas-Messgerät anhand des Leiterbahn-Widerstandes der zweiten Leiterbahn zudem einen zweiten, gasförmigen Stoff zu detektieren, sofern die zweite elektrische Leiterbahn eine entsprechende katalytische Eigenschaft aufweist.
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Das Verfahren zur Detektion eines gasförmigen Stoffes, welches zum Gas-Messgerät gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsvarianten korrespondiert, umfasst folgende Verfahrensschritte:
- - Anlegen einer derartigen Heiz-Spannung zum Erhitzen an der ersten Leiterbahn und/oder an der zweiten Leiterbahn, so dass der gasförmige Stoff oxidiert bzw. verbrennt, und
- - Detektion des gasförmigen Stoffes anhand des Leiterbahn-Widerstandes der ersten Leiterbahn bzw. dessen Widerstands-Änderung in Anwesenheit des gasförmigen Stoffes.
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Sofern der Gassensor eine katalytisch entsprechend ausgelegte, zweite Leiterbahn umfasst, kann dieses Verfahren zudem um folgende Verfahrensschritte erweitert werden, damit weitere gasförmige Stoffe detektiert werden können:
- - Ändern der Heiz-Spannung an der ersten Leiterbahn und/oder an der zweiten Leiterbahn zum Erhitzen, um einen weiteren gasförmigen Stoff zu oxidieren, und
- - Detektion des Weiteren gasförmigen Stoffes anhand des Leiterbahn-Widerstandes der zweiten Leiterbahn bzw. deren Widerstands-Änderung in Anwesenheit des weiteren Stoffes.
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Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: Einen erfindungsgemäßen Gassensor, und
- 2: Eine mögliche Verschaltung des Gassensors in einem Gas-Messgerät.
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1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Gassesnors 1, der zur reinen Detektion eines bestimmten Gas-förmigen Stoffes 2, oder zu dessen Konzentrations- bzw. Dichte-Bestimmung einsetzbar ist.
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Der Gassensor 1 basiert auf einem hitzebeständigen Keramik-Substrat 11, wie bspw. Al2O3, ZrO2 oder BaTiO3, wobei auf dem Substrat 11 zwei elektrische Leiterbahnen 12, 13 angeordnet sind. Zur Nutzung des Wärmetönungseffektes weisen die Leiterbahnen 12, 13 jeweils einen Temperatur-abhängigen Leiterbahn-Widerstand R12(T), R13(T) auf. Dabei müssen die Widerstände Ri2(T)), R13(T) bzw. deren Temperaturkoeffizienten nicht zwangsweise übereinstimmen. Da Metalle in der Regel eine Temperaturabhängige Leitfähigkeit aufweisen, kann als Leiterbahnmaterial für die Leiterbahnen 12, 13 beispielsweise Cu, Pt, Al, Ni, Au, Pd, Ag oder eine entsprechende Legierung eingesetzt werden. Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten von Metallen handelt es bei solch einer Konzipierung der Leiterbahnen 12, 13 um PTC's. Denkbar ist es jedoch auch, zumindest ein der Leiterbahnen 12, 13 als NTC auszulegen, beispielsweise indem die Leiterbahn 12, 13 aus Polysilizium gefertigt wird.
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Zur Nutzung des Wärmetönungseffektes weist die erste Leiterbahn 12 zudem definierte, katalytisches Eigenschaft auf, um die Oxidation bzw. Verbrennung des jeweiligen gasförmigen Stoffes 2 zu initiieren. Realisiert werden kann dies beispielsweise mittels eines katalytisch wirksamen Leiterbahn-Materials wie Pt oder einer Au-/Pd-Legierung, einer Dotierung, einer Porosität, einer Oberflächen-Rauigkeit, oder einer Oberflächenbeschichtung der ersten Leiterbahn 12. Die zweite Leiterbahn 13 hingegen muss bezüglich des zu detektierenden gasförmigen Stoffes 2 keine katalytische Funktion aufweisen. In dieser Konfiguration ist es möglich, die zweite Leiterbahn 12 als Heizelement zu nutzen, während an die zweite Leiterbahn 13 zur Bestimmung von dessen Widerstand R12(T) dient, um daraus den gasförmigen Stoff 2 bzw. dessen Konzentration/Dichte zu bestimmen. Dementsprechend ist zumindest an die zweite Leiterbahn 13 eine hinreichend hohe Spannung Vh anzulegen, so dass die Zündtemperatur des zu detektierenden gasförmigen Stoffes 2 überschritten wird. Um mittels des erfindungsgemäßen Gassensors 1 neben dem gasförmigen Stoff 2 weitere Gase detektieren zu können, kann die zweite Leiterbahn 13 analog zur ersten Leiterbahn 12 mit einer entsprechend katalytisch wirksamen Eigenschaft konzipiert werden.
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Erfindungsgemäß verlaufen die zwei Leiterbahnen 12, 13 auf einem definierten Bereich 14 des Substrates 11 mäanderförmig parallel zueinander. Hierdurch wird der Flächenverbrauch auf dem Substrat minimiert, ohne die potentiell erreichbare Sensitivität der Gasmessung bei gegebener Leiterbahn-Länge einzuschränken. Durch die Mäander-förmige Verschachtelung der beiden Leiterbahnen 12, 13 wird nicht nur der Platzverbrauch des Gassensors 1 überproportional reduziert. Ein synergetischer Effekt ergibt sich außerdem dadurch, dass lediglich eine gemeinsame thermische Masse für beide Leiterbahnen 12, 13 benötigt wird, wodurch der Gassensor 1 mit sehr geringer Leistung betrieben werden kann. Zur Verringerung des Leitungsbedarfs an den Leiterbahnen 12, 13 kann das Substrat 11 in dem Bereich 14, in dem die Leiterbahnen 12, 13 mäanderförmig verlaufen, darüber hinaus als verdünnte Membran ausgeführt werden, so dass die thermische Masse weiter verringert wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die zwei Leiterbahnen 12, 13 insgesamt drei Mäander auf, wobei sich ein Mäander im Rahmen der Erfindung als jeweils eine Richtungsänderung der Leiterbahnen 12, 13 auf dem Substrat 11 von 180° definiert. Im Gegensatz zu der gezeigten Ausführungsvariante kann die Anzahl der Mäander auch beliebig erhöht werden.
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Wie in 1 angedeutet ist, können die Strukturen der zwei mäanderförmig verlaufenden Leiterbahnen 12, 13 mittels mikrotechnischer Verfahren auf dem Keramik-Substrat 11 aufgebracht werden, beispielsweise mittels PECVD („Plasma Enhanced Vapor Deposition“) PVD („Physical Vapor Deposition“) oder Sputtern in Kombination mit Lithographie, oder per Siebdruck. Dies ermöglicht, dass die Abmessungen der Leierbahnen 12, 13, also die Leiterbahnbreiten, die Leiterbahn-Längen und der Abstand zwischen den Leiterbahnen im Submillimeter-Bereich bemaßt werden können. Dadurch kann der erfindungsgemäße Gassensor 1 insgesamt äußerst kompakt ausgelegt werden. Die elektrische Verschaltung des erfindungsgemäßen Gassensors erfolgt bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel über entsprechende Kontaktpads 120, 130 am Anfang und am Ende der jeweiligen Leiterbahn 12, 13.
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Eine mögliche elektrische Verschaltung des Gassensors 1 innerhalb eines Gas-Messgerätes 10 ist in 2 dargestellt: Kern der Schaltung ist eine Wheatstone'sche Messbrücke, die aus zwei Spannungsteilern 6, 7 besteht. An einem der Spannungsteiler 6, 7 wird eine anliegende Heiz-Spannung Vs in Bezug zur Masse GND an einem Mittelabgriff 15 durch einen Vorwiderstand R1 und den temperaturabhängigen Widerstand R12(T) der ersten Leiterbahn 12 geteilt. Der zweite Spannungsteiler 7 bildet sich aus dem temperaturabhängigen Widerstand R13(T) der zweiten Leiterbahn 13 und einem zweiten Vorwiderstand R2. Hierdurch wird die Versorgungsspannung Vs in Bezug zur Masse GND wiederum am dazwischenliegenden Mittelabgriff 16 geteilt. Dabei ist es im Hinblick auf den Wärmetönungseffekt irrelevant, ob die Vorwiderstände R1, R2 wie in 2 in Bezug zur Heiz-Spannung Vs tatsächlich vor der jeweiligen Leiterbahn 12, 13 angeordnet sind, oder dahinter. Entscheidend ist lediglich, dass die Leiterbahnen 12, 13 in den Spannungsteilern 6, 7 an jeweils korrespondierender Stelle zueinander angeordnet sind.
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Die Heiz-Spannung Vh an den Spannungsteilern 6, 7 wird, wie in 2 dargestellt ist, durch eine steuerbare Gleichspannungsquelle 3 einer Ansteuerungs-Einheit bereitgestellt. Daneben umfasst die Ansteuerungs-Einheit zur Regelung der Heizspannung Vs an der Messbrücke bzw. zum Heizen der Leiterbahnen 12, 13 einen Operationsverstärker 4, dessen Ausgang die Spannungsquelle 3 ansteuert. Um die Temperatur an den Spannungsteilern 6, 7 gemäß der Regel-Art „CTA“ auf einen konstanten Wert zu regeln, sind die Eingänge des Operationsverstärkers 4 mit dem jeweiligen Mittelabgriff 15, 16 der Spannungsteiler 6, 7 verschaltet. Somit kann eine entsprechend konfigurierte Auswertungs-Einheit 5 den gasförmigen Stoff 2, bzw. dessen Konzentration anhand des Wertes der Heiz-Spannung Vh ermitteln. In diesem Fall wird der gasförmige Stoff 2 also lediglich indirekt anhand des Leiterbahn-Widerstandes bzw. anhand der Widerstands-Äderung der ersten Leiterbahn 12 ermittelt.
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Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsvariante ist es natürlich ebenso denkbar, die Schaltung des Gas-Messgerätes 10 so auszulegen, dass der Stromfluss über die erste Leiterbahn 12 gemäß der Regel-Art „CCA“ geregelt wird. In diesem Fall, oder wenn das Gas-Messgerät 10 keine zweite Leiterbahn 13 umfasst, kann die Auswertungseinheit 5 den gasförmigen Stoff 2 bzw. dessen Konzentration beispielsweise durch Abgleich mit einer Look-up-table anhand der Spannung, die an der ersten Leiterbahn 12 abfällt, bestimmen. Dabei können die in der Look-up-table hinterlegten Referenzwerte einer entsprechenden Kalibrationsmessung entstammen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gassensor
- 2
- Gasförmiger Stoff
- 3
- Spannungsquelle
- 4
- Operationsverstärker
- 5
- Auswertungs-Einheit
- 6
- Erster Spannungsteiler
- 7
- Zweiter Spannungsteiler
- 10
- Gas-Messgerät
- 11
- Substrat
- 12
- Erste elektrische Leiterbahn
- 13
- Zweite elektrische Leiterbahn
- 14
- Mäanderförmiger Bereich
- 15
- Mittelabgriff des ersten Spannungsteilers
- 16
- Mittelabgriff des zweiten Spannungsteilers
- 120
- Kontaktpad der ersten Leiterbahn
- 130
- Kontaktpad der zweiten Leiterbahn
- GND
- Masse
- R1
- Vorwiderstand des ersten Spannungsteilers
- R2
- Vorwiderstand des zweiten Spannungsteilers
- R12(T)
- Temperaturabhängiger Leiterbahn-Widerstand der ersten Leiterbahn
- R13(T)
- Temperaturabhängiger Leiterbahn-Widerstand der zweiten Leiterbahn
- Vh
- Heiz-Spannung
- Vc
- Regel-Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3606500 A1 [0010]
- US 6009742 A [0010]
