DE102021112463A1 - MEMS Wasserstoffsensor und Wasserstofferfassungssystem - Google Patents

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Kia Corp
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Abstract

MEMS-Wasserstoffsensor (100) und Wasserstofferfassungssystem, das diesen enthält. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen MEMS(Mikroelektromechaniksystem)-Wasserstoffsensor (100) bereit, der aufweist ein Erfassungselement (R3), das zum Erfassen von Wasserstoffgas konfiguriert ist, ein Vereisungsschutzelement (R1, R2), das zum Umgeben des Erfassungselements (R3) konfiguriert ist, und ein Kompensationselement (R4), das konfiguriert ist, denselben Widerstand wie das Erfassungselement (R3) aufzuweisen.

Description

  • Technischer Bereich
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen bzw. die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen MEMS(z. B. Mikroelektromechaniksystem)-Wasserstoffsensor (z. B. einen mikroelektromechanischen Wasserstoffsensor oder Wasserstoffdetektor, z. B. eine MEMS-Messvorrichtung) und ein System, das diesen enthält, und insbesondere auf einen MEMS-Wasserstoffsensor mit katalytischer Verbrennung (z. B. einen eine katalytische Verbrennung nutzenden MEMS-Wasserstoffsensor), in den ein Erfassungselement (z. B. ein Sensorelement, ein Detektorelement und/oder ein Messelement) und ein Kompensationselement integriert sind.
  • Hintergrund
  • Ein Wasserstoffsensor ist ein wesentlicher Sensor für das Sicherheitsmanagement (z.B. die Sicherheitssteuerung oder die Überwachung der Sicherheit) nicht nur in Wasserstoff-Elektrofahrzeugen (z. B. in Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb und Elektroantrieb oder in Fahrzeugen mit einem Elektroantrieb, dessen Batterien/Akkumulatoren oder der durch Wasserstoffbrennzellen aufladbar/betreibbar ist), sondern auch in allen Bereichen der/des Wasserstoffproduktion/-transports/-nutzung. Ein Überwachungssystem und ein Sensor (z. B. ein Detektor oder eine Messvorrichtung) zur Erfassung von Wasserstofflecks werden an einem Ort installiert und betrieben, an dem Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellensysteme betrieben werden.
  • Es ist bekannt, dass sich Wasserstoff (z. B. Hydrogen) entzündet und explodiert, wenn er auf einen Funken mit einem Wasserstoffgas mit einer Konzentration von 4% oder mehr in der Luft und einen Funken von 20 uJ (z. B. 20 µJ) oder mehr oder auf einen Gegenstand mit einer Oberflächentemperatur von 135 ° C oder mehr trifft (z. B. wenn Wasserstoffgas mit einer Konzentration von 4% oder mehr in der Luft auf einen Funken von 20 µJ oder mehr oder auf einen Gegenstand mit einer Oberflächentemperatur von 135 ° C oder mehr trifft). Als solches weist Wasserstoff Schwierigkeiten bei der Sicherheit und Handhabung auf, weshalb ein Sensor zum Erfassen von Wasserstoffleckagen entwickelt wurde und angewendet wird.
  • In einem Wasserstoff-Elektrofahrzeug ist ein Wasserstoffsensor in einem Vorratsbehälter in der Nähe von Verbindungsstellen (z. B. Fugenstellen, Lötstellen oder Gelenkstellen) eines Rohrleitungssystems und um einen Brennstoffzellenstapel herum installiert und überträgt einen erfassten Wasserstoffkonzentrationswert an ein Fahrzeugsteuersystem, so dass jedes Steuersystem sofort Maßnahmen zur Gewährleistung der Fahrzeugsicherheit unternimmt (z. B. unternehmen kann, wenn der erfasste Wasserstoffkonzentrationswert zu hoch ist).
  • Eine Wasserstofferfassungstechnik des Wasserstoffsensors ist unterteilt in Katalysator-, Wärmeleitungs-, Elektrochemische-, Widerstands-, Austrittsarbeits- (z. B. Auslösearbeits-), mechanische, optische und/oder akustische Typen, und für einen Lecksensor für ein Wasserstoff-Elektrofahrzeug sind Wasserstoffsystem-, Katalysator-, Wärmeleitungs-, Widerstands- und mechanische Wasserstofferfassungstechniken unter Berücksichtigung der gemessenen (z. B. bei Messung erwartbaren) Konzentrationen/Reaktionsgeschwindigkeiten/Haltbarkeiten geeignet.
  • Unter den Katalysator-Typen (z. B. den katalystischen Typen) misst der Wasserstoffsensor mit katalytischer Verbrennung den Widerstand des Heizgeräts (z. B. der Heizung oder Wärmevorrichtung) unter Verwendung der Wärme, die erzeugt wird, wenn Wasserstoffgas den Katalysator berührt und mit Sauerstoff reagiert, und eine Anwendung einer MEMS-Struktur zeigt eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit und eine hohe Gasselektivität (z. B. Gasmpfindlichkeit oder Gastrennschärfe), und wird folglich in, an und/oder auf Fahrzeugen angewendet.
  • In dem Wasserstoffsensor mit katalytischer Verbrennung kann jedoch gemäß einem Reaktionsprinzip Reaktionsfeuchtigkeit erzeugt werden, und somit kann ein Gefrieren auf einer Oberfläche einer Sensorvorrichtung (z. B. einer Erfassungs-, Detektions- oder Messvorrichtung) in einer rauen (z. B. kalten oder heißen) Fahrzeugumgebung (-40 ° C bis 105 ° C) auftreten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist eine zusätzliche Heizung vorgesehen, um ein solches Gefrieren (z. B. eine solche Frostschicht) zu beseitigen, und eine Wheatstone-Brückenschaltung ist konfiguriert, indem mit einem Sensorelement und einem Kompensationselement die Wasserstoffkonzentration zur (z. B. für die) Temperaturkompensation gemessen wird.
  • Wie in 1A und 1B dargestellt, sind in einem herkömmlichen Wasserstoffsensor mit katalytischer Verbrennung insgesamt vier Elemente enthalten, die jeweils ein Sensorelement 40 und ein Kompensationselement 50 einschließlich der externen Widerstände R1 und R2 bilden (z. B. umfassen oder aufweisen), so dass eine Kompensation (z. B. ein Ausgleich) aufgrund des hohen Chipflächenverbrauchs und der geringen Widerstandsdifferenz zwischen den Elementen schwierig ist. Zusätzlich hat jedes Element 40 vier Anschlüsse (z. B. Kontakte oder Stecker oder Steckverbindungen oder Klemmen), so dass es acht Anschlüsse für die beiden Elemente 40 und 50 gibt, die acht Drahtverbindungen (z. B. Draht- oder Kabelbonding oder -verbindungen oder - lötstellen oder -klebestellen) und nicht nur eine Messschaltung (z. B. einen Messschaltkreis) 20, sondern auch eine Heizungsansteuerschaltung (z. B. einen Heizungsansteuerschaltkreis) 30 benötigt, was einen großen Flächenverbrauch erfordert.
  • Die obigen Informationen, die in diesem Abschnitt des Hintergrunds (z. B. des technischen Hintergrunds) offenbart werden, dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
  • Erfindungserläuterung
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde in dem Bestreben gemacht bzw. Aufgabe der Erfindung ist, einen einzelnen MEMS-Wasserstoffsensor und ein System mit demselben bereitzustellen, der/das in der Lage ist, Kosten zu reduzieren und einen Widerstandsunterschied zwischen Elementen zu minimieren durch Integration einer Vereisungsschutzfunktion, einer Erfassungsfunktion (z. B. einer Messfunktion oder einer Abtastungsfunktion), und einer Kompensationsfunktion.
  • Die technischen Aufgaben (z. B. Ziele oder Vorteile) von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die oben erwähnten Aufgaben beschränkt, und andere nicht erwähnte technische Aufgaben können vom Fachmann aus der Beschreibung der Ansprüche (z. B. aus der Beschreibung und den Ansprüchen) klar verstanden werden.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen MEMS(z. B. micro electro-mechanical systems)-Wasserstoffsensor bereit, der Folgendes aufweist (z. B. umfasst):
    • ein Erfassungselement (z. B. ein Sensorelement), das zum Erfassen (z. B. messen) von Wasserstoffgas konfiguriert (z. B. ausgelegt oder ausgebildet) ist; ein Vereisungsschutzelement, das konfiguriert ist, um das Erfassungselement zu umgeben (z. B. zu umschließen); und ein Kompensationselement, das konfiguriert ist, den gleichen (z. B. denselben) Widerstand wie den des Erfassungselements aufzuweisen.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann der MEMS-Wasserstoffsensor ferner eine Katalysatorschicht enthalten (z. B. beinhalten), die an einem oberen Abschnitt des Erfassungselements gebildet ist, um mit dem Wasserstoffgas zu reagieren.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Erfassungselement in einer Mitte des MEMS-Wasserstoffsensors ausgebildet sein, und das Kompensationselement kann in einer ersten Richtung des Erfassungselements ausgebildet sein (z. B. das Kompensationselement kann beinhalten, in einer ersten Richtung des Erfassungselements ausgebildet zu sein).
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Vereisungsschutzelement aufweisen ein erstes Vereisungsschutzelement, das an gegenüberliegenden Seiten des Erfassungselements in einer zweiten Richtung ausgebildet ist, die die erste Richtung kreuzt (z. B. die zu der ersten Richtung ungefähr orthogonal oder orthogonal ist); und ein zweites Vereisungsschutzelement.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann der MEMS-Wasserstoffsensor ferner mehrere (z. B. eine Mehrzahl oder eine Vielzahl von) Elektrodenpads aufweisen, die jeweils (z.B. jeweils zugeordnet) an Enden des Erfassungselements, des Kompensationselements, des ersten Vereisungsschutzelements und des zweiten Vereisungsschutzelements vorgesehen sind.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann es als ein einzelnes Element ausgebildet sein, das alles von Erfassungselement, Kompensationselement, erstem Vereisungsschutzelement und zweitem Vereisungsschutzelement einer Wheatstone-Brückenschaltung (z. B. angeordnet in einer oder als eine Wheatstone-Brückenschaltung oder wheatstonesche Messbrücke) aufweist.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen MEMS-Wasserstoffsensor bereit, aufweisend: ein erstes Erfassungselement, das konfiguriert ist, um Wasserstoffgas zu erfassen; ein zweites Erfassungselement, das konfiguriert ist, um das Wasserstoffgas zu erfassen; und ein erstes und ein zweites Vereisungsschutzelement, die konfiguriert sind, um das erste Erfassungselement und das zweite Erfassungselement zu umgeben.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann das erste Vereisungsschutzelement auf einer linken Seite des ersten Erfassungselements und des zweiten Erfassungselements positioniert sein, und das zweite Vereisungsschutzelement kann auf einer rechten Seite des ersten Erfassungselements und des zweiten Erfassungselements positioniert sein.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann der MEMS-Wasserstoffsensor ferner eine Katalysatorschicht aufweisen, die über (z. B. oberhalb) dem ersten Erfassungselement und dem zweiten Erfassungselement gebildet ist.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform können Widerstandswerte des ersten Erfassungselements und des ersten Vereisungsschutzelements gleich sein, und Widerstandswerte des zweiten Erfassungselements und des zweiten Vereisungsschutzelements können gleich sein.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform nehmen die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Vereisungsschutzelements zu, wenn Wasserstoff erfasst wird.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein MEMS-Wasserstofferfassungsystem bereit, aufweisend: einen MEMS-Wasserstoffsensor, der konfiguriert ist, um ein erstes Erfassungselement zu enthalten (z. B. zu beinhalten), das konfiguriert ist, um Wasserstoffgas zu erfassen; ein zweites Erfassungselement, das konfiguriert ist, um das Wasserstoffgas zu erfassen; und ein erstes und ein zweites Vereisungsschutzelement zum Umgeben des ersten Erfassungselements und des zweiten Erfassungselements; einen Temperatursensor, der konfiguriert ist, um eine Außentemperatur zu erfassen; und eine Messschaltung (z. B. einen Messschaltkreis), die konfiguriert ist, um ein Ausgangssignal des Wasserstoffsensors zu kompensieren (z. B. auszugleichen) unter Verwendung eines Temperaturerfassungswerts des Temperatursensors.
  • Die vorliegende Technik (z. B. Erfindung oder Offenbarung) kann einen einzelnen MEMS-Wasserstoffsensor bereitstellen, der eine Vereisungsschutzfunktion, eine Erfassungsfunktion und eine Kompensationsfunktion integriert, um Kosten zu reduzieren und einen Unterschied im Widerstand zwischen Elementen zu minimieren.
  • Darüber hinaus können verschiedene Effekte bereitgestellt werden, die durch dieses Dokument direkt oder indirekt identifiziert werden können.
  • Figurenliste
  • Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen verwiesen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
    • 1A und 1B Ansichten veranschaulichen zum Beschreiben eines herkömmlichen MEMS-Wasserstoffsensors,
    • 2A eine schematische Ansicht eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
    • 2B ein Schaltbild (z. B. ein Schaltdiagramm) einer Wheatstone-Brücke gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
    • 3 eine schematische Ansicht zeigt, die eine Konfiguration eines Messsystems eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
    • 4 eine detaillierte Draufsicht zeigt auf einen MEMS-Wasserstoffsensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 5 eine Draufsicht zeigt zum Vergleichen eines Erfassungsbereichs eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 6A bis 6K ein Herstellungsverfahren eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen,
    • 7 eine Konfigurationsansicht eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
    • 8A eine Ansicht zeigt zum Beschreiben einer Schaltungskonfiguration (z. B. Schaltkreiskonfiguration) zur Wasserstoffmessung eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer anderen (z. B. noch einer anderen) Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 8B ein Flussdiagramm zeigt zum Beschreiben eines Erfassungsbereichs eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer anderen (z. B. noch einer anderen) beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
    • 9A bis 9C Ansichten veranschaulichen zum Beschreiben eines Effekts eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer anderen (z. B. noch einer anderen) beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Zeichnungen detailliert beschrieben. Es ist zu beachten, dass beim Hinzufügen von Referenznummern zu Bestandteilen jeder Zeichnung dieselben Bestandteile soweit möglich dieselben Referenznummern haben, obwohl sie in verschiedenen Zeichnungen angegeben sind. Zusätzlich werden, wenn bei der Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde, dass detaillierte Beschreibungen verwandter wohlbekannter Konfigurationen oder Funktionen das Verständnis der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stören, die detaillierten Beschreibungen davon (z. B. der wohlbekannten Konfigurationen) weggelassen.
  • Bei der Beschreibung von Bestandteilen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Begriffe wie erster, zweiter, A, B, (a) und (b) verwendet werden. Diese Begriffe dienen nur zur Unterscheidung der Bestandteile (z. B. der einzelnen Elemente) von anderen Bestandteilen, und die Art, Reihenfolge oder Ordnung der Bestandteile ist nicht durch die Begriffe beschränkt. Darüber hinaus haben alle hier verwendeten Begriffe, einschließlich technisch-wissenschaftlicher Begriffe, die gleichen Bedeutungen wie diejenigen, die allgemein von denen, die auf dem technischen Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, sachkundig oder qualifiziert sind (Fachleute), verstanden werden, sofern sie (z. B. die Begriffe in dieser Anmeldung) nicht anders definiert sind. Begriffe, die in einem allgemein verwendeten Wörterbuch definiert sind, sollen so ausgelegt werden, dass sie Bedeutungen haben, die mit denen im Kontext einer verwandten Technik übereinstimmen, und dürfen nicht so ausgelegt werden, dass sie idealisierte oder übermäßig formale Bedeutungen haben, es sei denn, sie sind in der vorliegenden Spezifikation klar definiert.
  • Ein MEMS(micro electro-mechanical systems, z. B. Mikroelektromechaniksystem)-Sensor wird als Werkzeug zur Überwachung, zur Erfassung und zum Monitoring einer externen Umgebung durch physikalische, chemische und biologische Erfassung unter Verwendung eines ultrakompakten hochempfindlichen Sensors verwendet. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbaren den MEMS-Wasserstoffsensor und insbesondere einen Wasserstoffsensor mit katalytischer Verbrennung.
  • Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2A bis 9C im Detail beschrieben werden.
  • 2A zeigt eine schematische Ansicht eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 1A gezeigt, wurden bei der konventionellen Vorgehensweise zwei externe Widerstände und zwei Wasserstoffsensoren unabhängig voneinander auf einem Chip konfiguriert, und wie in 2A dargestellt, ist der MEMS-Wasserstoffsensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, dass er vier Elemente als ein einzelnes Element enthält. Das heißt, gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann der MEMS-Wasserstoffsensor den Chipflächenverbrauch reduzieren durch Integrieren eines Erfassungselements, eines Kompensationselements und eines Vereisungsschutzelements in einem einzelnen Element und kann der MEMS-Wasserstoffsensor die Kosten reduzieren durch Integrieren einer Erfassungsfunktion, eine Kompensationsfunktion und eine Vereisungsschutzfunktion mittels einer Änderung einer Elektrodenmusterform ohne einen zusätzlichen Prozess für die Herstellung einer einzelnen Vorrichtung (z. B. einer Einzelkomponente). Zusätzlich kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der MEMS-Wasserstoffsensor eine Änderung minimieren, die durch eine Widerstandsdifferenz zwischen Elementen verursacht wird, indem das Auftreten der Widerstandsdifferenz verhindert wird.
  • 2B zeigt ein Schaltbild einer Wheatstone-Brücke gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der MEMS-Wasserstoffsensor bildet die Wheatstone-Brücke aus unter Verwendung eines Erfassungselements mit einem Oxidationskatalysator, der auf einer Metalldrahtspule (z. B. einer Metalldrahtwicklung) aufgebracht ist, und eines Kompensationselements, auf das kein Oxidationskatalysator aufgebracht ist. In 2B können die Widerstände R1, R2, R3 und R4 als bzw. jeweils als ein einzelnes Element konfiguriert sein, wie in 2A dargestellt.
  • 3 zeigt eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration eines Messsystems eines MEMS-Wasserstoffsensors 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Messschaltung 200 ist als einzelnes Element mit den Anschlüssen 1, 2, 3 und 4 des MEMS-Wasserstoffsensors 100 verbunden, und zwischen dem ersten Anschluss 1 und dem vierten Anschluss 4 wird eine Spannung angelegt und zwischen dem zweiten Anschluss 2 und dritten Anschluss 3 wird eine Ausgangsspannung ausgegeben. Eine Widerstandsänderung der Erfassungsvorrichtung in Abhängigkeit von einer Änderung einer Wasserstoffkonzentration kann durch eine Änderung der Ausgangsspannung einer Wheatstone-Brückenschaltung in der Vorrichtung gemessen werden.
  • Die Messschaltung 200 kann eine Ausgangsspannung des MEMS-Wasserstoffsensors 100 messen, um zu bestimmen, ob ein Wasserstoffleck existiert. Die Messschaltung 200 kann elektrisch mit dem Wasserstoffsensor 100 verbunden sein und kann eine elektrische Schaltung sein, die einen Softwarebefehl ausführt, wodurch verschiedene später beschriebene Datenverarbeitungen und Berechnungen durchgeführt werden. Die Messschaltung 200 kann beispielsweise eine Zentraleinheit (CPU, z. B. ein Prozessor, Hauptprozessor, Rechner, Zentralrechner), eine elektronische Steuereinheit (ECU), eine Mikrosteuereinheit (MCU) oder andere im Fahrzeug montierte Untersteuerungen (z. B. ein Subcontroller) sein.
  • Gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann die Messschaltung 200, die wie oben betrieben wird, in einer Form einer unabhängigen Hardwarevorrichtung implementiert sein, die einen Speicher und einen Prozessor enthält, der jede Operation verarbeitet, und kann in einer Form angesteuert werden, die in anderer Hardwaregeräten enthalten ist wie einem Mikroprozessor oder einem Allzweckcomputersystem.
  • 4 zeigt eine detaillierte Konfigurationsansicht eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Der MEMS-Wasserstoffsensor 100 ist ausgebildet, um Vereisungsschutzvorrichtungen R1 und R2, eine Erfassungsvorrichtung R3 und eine Kompensationsvorrichtung R4 aufzuweisen/zu enthalten, und umfasst Elektrodenpads (z. B. Elektrodenbeläge oder Elektrodenklötze oder Elektrodenfelder), von denen jedes ein Ende aufweist, welche Enden jeweils zugeordnet mit einem Spannungseingangsanschluss Vin, mit Spannungsausgangsanschlüssen Va bzw. Vb und mit einem Erdungsspannungsanschluss GND verbunden sind. Das heißt, die Elektrodenpads sind jeweils symmetrisch an dem äußeren Umfang des MEMS-Wasserstoffsensors vorgesehen, um eine elektrische Verbindung herzustellen, so dass eine Spannung an den MEMS-Wasserstoffsensor angelegt wird. Das heißt, jedes der vier Widerstandselemente R1, R2, R3 und R4 zum Bilden der Wheatstone-Brückenschaltung in 2B kann durch Verwendung von Funktionen wie Vereisungsschutz, Erfassung und Kompensation getrennt (z. B. mit unterschiedlicher Funktion verwendet/realisiert) werden, um eine Funktion zum Verhindern des Einfrierens des Wasserstoffsensors bei katalytischer Verbrennung bei niedriger Temperatur auszuführen.
  • In diesem Fall ist das Erfassungselement R3 in einer Mitte des MEMS-Wasserstoffsensors angeordnet, das Kompensationselement R4 ist in einer ersten Richtung (z. B. niedriger/unterhalb/unten, insbesondere bezogen auf 2B) der Erfassungsvorrichtung angeordnet und die Vereisungsschutzelemente R1 und R2 sind ausgebildet an gegenüberliegenden Seiten des Erfassungselements R3 in einer zweiten Richtung (z. B. links und rechts), die eine Richtung ist, die die erste Richtung kreuzt. (Tabelle 1)
    Beispiel für Wasserstofferfassung und Temperaturkompensation mit einem einzelnen Chip
    Temp. Wasserstoff R1 R2 R3 R4 Vab Widerstandswert
    Raumtemp. Aus 90Ω 90Ω 120Ω 120Ω oV -
    Externe Temp.erhöhung Aus 100Ω 100Ω 140Ω 140Ω oV R1- bis R4-Anstieg durch Vergrößerung der externen Temperatur
    Raumtemp. An 90Ω 90Ω 130Ω 120Ω 0.02*Vab R3-Anstieg durch die Wasserstoff-reaktion
    Externe Temp.erhöhung An 100Ω 100Ω 152Ω 140Ω 0.02*Vab Vergrößerung der externen Temp.: R1 bis R4 Wasserstoffreaktion: R3-Anstieg
  • Tabelle 1 zeigt Beispiele für die Wasserstoffmessung und -kompensation unter Verwendung eines einzelnen Elements.
  • Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die Widerstandswerte der jeweiligen Widerstandselemente R1, R2, R3 und R4 alle ansteigen, wenn eine Außentemperatur (z. B. eine externe Temperatur) ansteigt.
  • Es ist ersichtlich, dass ein Widerstandswert von R3 aufgrund einer Wasserstoffreaktion ansteigt, wenn Wasserstoff bei Raumtemperatur eingeschaltet ist.
  • Es ist ersichtlich, dass, wenn die Außentemperatur ansteigt und Wasserstoff in einem An-Zustand ist, jedes der Widerstandselemente R1, R2, R3 und R4 ansteigt und der Widerstandswert von R3 durch die Wasserstoffreaktion weiter ansteigt.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in dem MEMS-Wasserstoffsensor die Elemente R1 und R2 so ausgebildet, dass sie links und rechts eine Kreisform in einer Form aufweisen, die das Erfassungselement R3 zum Erfassen von Wasserstoff umgibt, und das Kompensationselement R4 mit einem gleichen Widerstandswert wie der des Erfassungselements R3 ist an einem unteren Abschnitt (z. B. unterhalb) des Erfassungselements R3 ausgebildet.
  • Da in der Wheatstone-Brückenschaltung von 2B, wenn die Widerstandswerte der Widerstandselemente R1 und R3 gleich sind und die Widerstandswerte der Widerstandselemente R2 und R4 gleich sind, keine Spannungsdifferenz auftritt, ist somit Vab = 0. Danach, wenn Wasserstoff in dem Erfassungselement R3 erfasst wird, wird eine Reaktionswärme durch eine Reaktion von Wasserstoffgas in einer Katalysatorschicht erzeugt, so dass der Widerstandswert des Widerstandselements R2 zunimmt, was zu einer Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen Va und Vb führt. Dementsprechend misst die Messschaltung 200 die Spannungsdifferenz, um zu ermitteln, ob Wasserstoff austritt.
  • 5 zeigt eine Draufsicht zum Vergleichen eines Erfassungsbereichs eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Unter Bezugnahme auf eine Ansicht 501 von 5 umfasst ein herkömmliches Erfassungselement eine Katalysatorschicht 41, eine Vereisungsschutzheizung 42 und eine katalytisch aktive Heizung 43 und erfordert ein Kompensationselement, das die Vereisungsschutzheizung 42 und die katalytisch aktive Heizung 43 ohne die Katalysatorschicht enthält.
  • Eine Ansicht 502 zeigt, dass gemäß einer Struktur, in der das Erfassungselement und das Kompensationselement einfach integriert sind, eine erste Seite als Erfassungselement und eine zweite Seite als Kompensationselement angesteuert werden, und somit kann ein Erfassungsbereich verengt sein durch Ausführen einer Erfassungsfunktion nur an beispielsweise einem linken Teil davon, der dem Erfassungselement entspricht.
  • Eine Ansicht 503 zeigt den MEMS-Wasserstoffsensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und es ist ersichtlich, dass der Erfassungsbereich des Erfassungselements so breit wie zuvor ist. Das heißt, in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, selbst wenn das Erfassungselement und das Kompensationselement integriert sind, wie zuvor ein großer Erfassungsbereich gesichert/realisiert werden.
  • Nachfolgend wird ein Sensorherstellungsverfahren eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf 6A bis 6K beschrieben. 6A bis 6K zeigen einen Herstellungsprozess eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Zunächst werden, wie in 6A gezeigt, erste Siliziumoxid (SiO2) -Filme 602 und 603 auf einer oberen und einer unteren Fläche eines Silizium (Si) -Substrats 601 gebildet, um eine vorbestimmte Dicke zu haben, indem ein Trockenoxidationsverfahren verwendet wird in einem Zustand mit einer Dicke in einem vorbestimmten Bereich mittels eines rückseitigen Polierprozesses (z. B. mit einer mittels eines rückseitigen Polierprozesses erzeugten Dicke einer vorbestimmten Größe).
  • Anschließend werden, wie in 6B gezeigt, erste Siliziumnitrid (Si3N4) -Filme 604 und 605 gebildet auf einem oberen Abschnitt des ersten Siliziumoxidfilms 602, der auf der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 601 gebildet ist, und auf einem unterer Abschnitt des ersten Siliziumoxidfilms 603, der auf der unteren Fläche des Siliziumsubstrats 601 gebildet ist, um eine vorbestimmte Dicke zu haben.
  • Als nächstes wird, wie in 6C gezeigt, ein Metallmaterial zum Bilden einer Elektrodenschicht 606 auf dem ersten Siliziumnitrid (Si3N4) -Film 604 über oder auf dem Siliziumsubstrat 601 abgeschieden (z. B. abgelagert oder deponiert). In diesem Fall kann das Metallmaterial Molybdän sein.
  • Anschließend kann, wie in 6D gezeigt, die Elektrodenschicht 606 so strukturiert sein, dass sie das gleiche Muster wie die Draufsicht aus 4 aufweist.
  • Anschließend wird, wie in 6E gezeigt, ein zweiter Siliziumoxidfilm 608 auf der strukturierten (z. B. mit einem Muster versehenen) Elektrodenschicht 607 ausgebildet, und wird ein zweiter Siliziumoxidfilm 609 ausgebildet unter dem ersten Siliziumnitrid-Film (Si3N4) 604 und dem ersten Siliziumoxidfilm 603, der auf der unteren Fäche des Siliziumsubstrat 601 ausgebildet ist, um eine vorbestimmte Dicke zu haben.
  • Als nächstes werden, wie in 6F gezeigt, zweite Siliziumnitrid (Si3N4) -Filme 610 und 611 ausgebildet an einem oberen Abschnitt des zweiten Siliziumoxidfilms 608 und an einem unteren Abschnitt des zweiten Siliziumoxidfilms 609, um eine vorbestimmte Dicke zu haben.
  • Danach wird, wie in 6G gezeigt, die Strukturierung zum Bilden einer Membranstruktur durch Rückätzen (z. B. Ätzen einer Rückseite) durchgeführt. Das heißt, die Löcher 612 und 613 werden durch Ätzen entgegengesetzter Enden eines Abschnitts gebildet, in dem eine Membranstruktur in einer Struktur über dem Siliziumsubstrat 601 gebildet werden soll.
  • Anschließend wird, wie in 6H gezeigt, ein Abschnitt der Elektrodenschicht 607 freigelegt, indem ein Ätzprozess zum Bilden eines Elektrodenpads auf der Struktur über dem Siliziumsubstrat 601 durchgeführt wird, um ein Loch 614 zu bilden.
  • Wie in 6I gezeigt, wird das Elektrodenpad 615 gebildet, indem ein Metallmaterial bis zu einer vorbestimmten Dicke in dem Loch 614 zum Bilden des Elektrodenpads abgeschieden wird.
  • Wie in 6I gezeigt, werden das Siliziumsubstrat 601, der erste Siliziumoxidfilm 602 auf der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 601 und die Strukturen 602, 605, 609, 611 auf der unteren Fläche des Siliziumsubstrats 601 unter Verwendung eines Trockenverfahrens geätzt, um eine Membran 616 zu bilden.
  • Wie in 6H gezeigt, wird eine Katalysatorschicht 617 gebildet, indem Platin (Pt) für eine Katalysatorfunktion (z. B. als Katalysator) an einem oberen Abschnitt des zweiten Siliziumnitrid (Si3N4) -Films 610 abgeschieden wird.
  • 7 zeigt eine Konfigurationsansicht eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bezugnehmend auf 7 kann der MEMS-Wasserstoffsensor gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei Vereisungsschutzelemente R1 und R4 und zwei Erfassungselemente R2 und R3 anstelle des Kompensationselements enthalten. In diesem Fall sind die Widerstandswerte des Vereisungsschutzelements R1 und des Erfassungselements R3 gleich und die Widerstandswerte des Vereisungsschutzelements R4 und des Erfassungselements R2 sind gleich. Wenn danach eine Reaktionswärme durch Wasserstoffgas erzeugt wird, erhöhen sich die Widerstandswerte der Vereisungsschutzelemente R1 und R4, so dass die Ausgangsspannung Vab zweimal ansteigt.
  • 8A zeigt eine Ansicht zum Beschreiben einer Schaltungskonfiguration zur Wasserstoffmessung eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer anderen (z. B. noch einer anderen) Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bezugnehmend auf 8A können stattdessen eine Messschaltung 500 und ein Temperatursensor 600 zur Temperaturkompensation verwendet werden, da der MEMS-Wasserstoffsensor gemäß der anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kein Kompensationselement enthält.
  • 8B zeigt ein Flussdiagramm zur Beschreibung eines Erfassungsbereichs eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer anderen (z. B. noch einer anderen) beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 9A bis 9C veranschaulichen Ansichten zum Beschreiben eines Effekts eines MEMS-Wasserstoffsensors gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bezugnehmend auf 8B kann in dem MEMS-Wasserstoffsensor gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Erfassungsbereich zunehmen, wenn eine Anzahl der Erfassungselemente R2 und R3 zunimmt.
  • Bezugnehmend auf 9A, wenn die Anzahl der Erfassungselemente eins oder zwei beträgt, wird die Änderung der Ausgangsspannung angezeigt, und wenn die Anzahl der Erfassungselemente zwei beträgt, wie bei dem MEMS-Wasserstoffsensor gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus 7, ist ersichtlich, dass die Änderung der Ausgangsspannung im Vergleich zu dem Fall mit einem Erfassungselement größer ist.
  • Das heißt, im Fall von zwei Erfassungselementen enthält ein Ausgangssignal einen Widerstandsänderungswert, der durch eine Außentemperatur verursacht wird, und einen durch Wasserstoff verursachten Widerstandsänderungswert. Dementsprechend kann die Messschaltung 500, um die durch die Außentemperatur verursachte Widerstandsänderung zu kompensieren, ein Ausgangssignal eines Wasserstoffsensors in einer Sensorbetriebstemperaturumgebung messen und kann das Ausgangssignal durch Verwendung eines durch den Temperatursensor 600 gemessenen Temperaturerfassungswerts kompensieren.
  • Das heißt, die Messschaltung 500 kann den Widerstandswert des Erfassungselements für jede Temperaturbedingung abbilden (z. B. kartieren) und dann einen Wert ausgeben, der durch Subtrahieren eines vom Temperatursensor gemessenen Werts (z. B. durch externe Temperatur verursachte Widerstandsänderung) von den Ausgangswerten der beiden Erfassungselemente (Widerstandsänderungswert verursacht durch Wasserstoff + Widerstandsänderungswert verursacht durch Außentemperatur) als Sensorausgangssignal erhalten wurde.
  • In 9B wird angezeigt (z. B. ist sichtbar), dass die Ausgangsspannung mit zunehmender Reaktionswärme ansteigt, und in 9C wird angezeigt (z. B. ist sichtbar) eine Temperaturverteilung aufgrund der Reaktionswärme. Das heißt, als Ergebnis der Analyse der Änderung der Ausgangsspannung Vab in Abhängigkeit von einer Zunahme einer Reaktionswärme, die durch eine Wasserstoffreaktion in der Katalysatorschicht verursacht wird, wenn die Reaktionswärme zunimmt, kann sich der Widerstandswert des Erfassungselements erhöhen, und somit kann die Wasserstoffkonzentration vorhergesagt werden, indem eine Änderung in einer linearen Ausgangsspannung überwacht wird.
  • Wie oben beschrieben, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Kosten senken und den Widerstandsunterschied zwischen Elementen durch die Konfiguration der Einzelelement-Wheatstone-Brückenschaltung minimieren, und können den Einzelelement-MEMS-Wasserstoffsensor herstellen, ohne die Kosten zu erhöhen, durch Vergrößern des Erfassungsbereichs mittels Ändern eines Musters ohne zusätzliche Prozesse (z. B. Herstellungsprozesse).
  • Die obige Beschreibung veranschaulicht lediglich die technische Idee von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und Fachleute, auf deren Fachgebiet sich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, können verschiedene Modifikationen und Variationen vornehmen, ohne von den wesentlichen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Daher sollen die in der vorliegenden Erfindung offenbarten beispielhaften Ausführungsformen die technischen Ideen der vorliegenden Erfindung nicht einschränken, sondern sie erklären, und der Umfang der technischen Ideen der vorliegenden Erfindung ist nicht durch diese beispielhaften Ausführungsformen beschränkt. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte durch die (z. B. anhand der) nachstehenden Ansprüche interpretiert werden (z. B. definiert sein), und alle technischen Ideen innerhalb des äquivalenten Bereichs sollten so interpretiert werden, dass sie in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
  • Bezugszeichenliste
    • 200
    MESSSCHALTUNG
    500
    MESSSCHALTUNG
    600
    TEMPERATURSENSOR

Claims (20)

  1. Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Wasserstoffsensor (100), aufweisend: ein Erfassungselement (R3), das zum Erfassen von Wasserstoffgas konfiguriert ist; ein Vereisungsschutzelement (R1, R2), das das Erfassungselement (R3) umgibt; und ein Kompensationselement (R4), das konfiguriert ist, um den gleichen Widerstand wie das Erfassungselement (R3) aufzuweisen.
  2. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Katalysatorschicht (617), die auf einem oberen Abschnitt des Erfassungselements (R3) positioniert und konfiguriert ist, um mit dem Wasserstoffgas zu reagieren.
  3. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach Anspruch 2, wobei: die Katalysatorschicht (617) Platin ist.
  4. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Erfassungselement (R3) in einer Mitte des MEMS-Wasserstoffsensors (100) positioniert ist und das Kompensationselement (R4) in einer ersten Richtung des Erfassungselements (R3) positioniert ist.
  5. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach Anspruch 4, wobei das Vereisungsschutzelement (R1, R2) aufweist: ein erstes Vereisungsschutzelement (R1), das an gegenüberliegenden Seiten des Erfassungselements (R2) in einer zweiten Richtung positioniert ist, die die erste Richtung kreuzt; und ein zweites Vereisungsschutzelement (R2).
  6. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach Anspruch 5, ferner aufweisend: eine Vielzahl von Elektrodenpads (615), die jeweils an den Enden des Erfassungselements (R3), des Kompensationselements (R4), des ersten Vereisungsschutzelements (R1) und des zweiten Vereisungsschutzelements (R2) positioniert sind.
  7. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: der MEMS-Wasserstoffsensor (100) als ein einzelnes Element ausgebildet ist.
  8. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6 oder nach Anspruch 7 in seinem Rückbezug auf Anspruch 5, wobei: das Erfassungselement (R3), das Kompensationselement (R4), das erste Vereisungsschutzelement (R1) und das zweite Vereisungsschutzelement (R2) vier Widerstände einer Wheatstone-Brückenschaltung sind.
  9. Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Wasserstoffsensor (100), aufweisend: ein erstes Erfassungselement (R2), das zum Erfassen von Wasserstoffgas konfiguriert ist; ein zweites Erfassungselement (R3), das zum Erfassen des Wasserstoffgases konfiguriert ist; und ein erstes und ein zweites Vereisungsschutzelement (R1, R4), die das erste Erfassungselement und das zweite Erfassungselement umgeben.
  10. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach Anspruch 9, wobei: das erste Vereisungsschutzelement (R1) an einer Seite des ersten und des zweiten Erfassungselements (R2, R3) positioniert ist; und das zweite Vereisungsschutzelement (R4) auf einer gegenüberliegenden Seite des ersten und zweiten Erfassungselements (R2, R3) positioniert ist.
  11. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach Anspruch 9 oder 10, ferner aufweisend: eine Katalysatorschicht (617), die über dem ersten und dem zweiten Erfassungselement (R2, R3) positioniert ist.
  12. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach Anspruch 11, wobei: die Katalysatorschicht (617) Platin ist.
  13. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach Anspruch 10 oder nach Anspruch 11 oder 12 in ihrem Rückbezug auf Anspruch 10, wobei: die Widerstandswerte des ersten Erfassungselements (R2) und des ersten Vereisungsschutzelements (R1) gleich sind; und die Widerstandswerte des zweiten Erfassungselements (R3) und des zweiten Vereisungsschutzelements (R4) gleich sind.
  14. MEMS-Wasserstoffsensor (100) nach Anspruch 13, wobei: die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Vereisungsschutzelements (R1, R4) konfiguriert sind, um sich als Reaktion auf die Erfassung von Wasserstoffgas zu erhöhen.
  15. Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Wasserstofferfassungssystem, aufweisend: einen MEMS-Wasserstoffsensor (100), aufweisend: ein erstes Erfassungselement (R2), das zum Erfassen von Wasserstoffgas konfiguriert ist; ein zweites Erfassungselement (R3), das zum Erfassen des Wasserstoffgases konfiguriert ist; und ein erstes und ein zweites Vereisungsschutzelement (R1, R4), die das erste Erfassungselement (R2) und das zweite Erfassungselement (R3) umgeben; einen Temperatursensor (600), der konfiguriert ist, um eine Außentemperatur zu erfassen; und eine Messschaltung (500), die konfiguriert ist, um ein Ausgangssignal des MEMS-Wasserstoffsensors (100) unter Verwendung eines Temperaturerfassungswerts von dem Temperatursensor (500) zu kompensieren.
  16. MEMS-Wasserstoffserfassungssystem (100) nach Anspruch 15, wobei: das erste Vereisungsschutzelement (R1) an einer Seite des ersten und des zweiten Erfassungselements (R2, R3) positioniert ist; und das zweite Vereisungsschutzelement (R4) auf einer gegenüberliegenden Seite des ersten und des zweiten Erfassungselements (R2, R3) positioniert ist.
  17. MEMS-Wasserstofferfassungssystem (100) nach Anspruch 15 oder 16, wobei der MEMS-Wasserstoffsensor (100) ferner aufweist: eine Katalysatorschicht (617), die über dem ersten und zweiten Erfassungselement (R2, R3) positioniert ist.
  18. MEMS-Wasserstoffsensorsystem (100) nach Anspruch 17, wobei: die Katalysatorschicht (617) Platin ist.
  19. MEMS-Wasserstoffsensorsystem (100) nach Anspruch 16 oder nach Anspruch 17 oder 18 in ihrem Rückbezug auf Anspruch 16, wobei: die Widerstandswerte des ersten Erfassungselements (R2) und des ersten Vereisungsschutzelements (R1) gleich sind; und die Widerstandswerte des zweiten Erfassungselements (R3) und des zweiten Vereisungsschutzelements (R4) gleich sind.
  20. MEMS-Wasserstoffsensorsystem (100) nach Anspruch 19, wobei: die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Vereisungsschutzelements (R1, R4) konfiguriert sind, um sich als Reaktion auf das erfasste Wasserstoffgas zu erhöhen.
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