DE102021112811B3 - Gassensor mit einem schwingelement, verfahren zu seiner herstellung und verwendung für die detektion von gasen - Google Patents

Gassensor mit einem schwingelement, verfahren zu seiner herstellung und verwendung für die detektion von gasen Download PDF

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Abstract

Ein Gassensor (10) umfasst ein Substrat (1), ein erstes halbleiterbasiertes Sensorelement (2) zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität eines Gases, welches über dem Substrat (1) angeordnet ist und ein Schwingelement (2A) aufweist, und einen Deckel (3), welcher über dem ersten Sensorelement (2) angeordnet ist, wobei das Substrat (1) und/oder der Deckel (3) eine Öffnung für den Durchtritt eines Gases zu dem ersten Sensorelement (2) aufweist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Gassensor, ein Verfahren zu seiner Herstellung und die Verwendung desselben zur Detektion von Gasen, insbesondere von Wasserstoff.
  • HINTERGRUND
  • Auf dem Gebiet der Elektromobilität gewinnt die Brennstoffzelle zunehmend an Bedeutung. Für ihren Betrieb kommt in erster Linie Wasserstoff zur Anwendung. Ein mit Wasserstoffgas (H2) betriebenes Brennstoffzellensystem weist neben einer Brennstoffzelle einen oder mehrere Wasserstoffspeicher auf. Derartige Wasserstoffspeicher können, beispielsweise bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug, als Zylinder ausgebildet sein, in denen der Wasserstoff unter einem erhöhten Druck von ca. 700 bar gespeichert ist. Sofern in dem Kraftfahrzeug mehrere derartige Wasserstoffspeicher angeordnet sind, kann eine Reichweite des Kraftfahrzeugs entsprechend ausgelegt werden.
  • Für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug kommt dem Sicherheitsaspekt eine besondere Bedeutung zu. Da gasförmiger Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft in einem weiten Zündbereich auch bei geringer Zündenergie exotherm reagiert (Knallgasreaktion), ist es extrem wichtig, das Vorhandensein von Wasserstoff außerhalb der Wasserstoffspeicher und der Brennstoffzelle, Zu- und Ableitungen sicher und zuverlässig zu detektieren. WO 2018 114 187 A1 zeigt einen Gasanalysator mit einem vibronischen Sensorelement für eine Messung der Dichte- und der Viskosität eines Gasgemischs. Das Sensorelement hat die Form eines Cantileverschwingers, der in einer über Fluidkanäle mit der Außenwelt verbundenen Oszillatorkavität angeordnet ist. DE 10 2007 031 128 A1 zeigt ein MEMS-Mikroviskosimeter mit einem frei tragenden beweglichen Aktuator mit Titannitrid. Eine Viskosität kann anhand einer messbaren Zeitspanne bestimmt werden, welche nach dem Einschalten des Oszillators für eine vorgegebene Frequenzverstimmung erforderlich ist. DE 10 2019 217 465 A1 zeigt ein Sensorelement insbesondere zur Erfassung eines Wasserstoffanteil in einem Messgas beispielsweise in Wasserstoff-Brennstoffzellen-Systemen. Das Sensorelement umfasst eine bewegliche Messmembran die zumindest teilweise aus Palladium hergestellt ist, an das sich Wasserstoff mit hoher Selektivität einlagert. Diese Einlagerung führt zu kompressiven Verspannungen und kann beispielsweise dynamisch durch eine Verschiebung einer Resonanzfrequenz detektiert werden. US 6 477 901 B1 zeigt Dichte- und Viskositätsmesser für ein Fluid basierend auf einem durchströmten U-Rohr, das vibriert. US 6 823 720 B1 zeigt einen Wippenresonator. Das Wippelement hat eine chemisch-sensitive Beschichtung. Beardslee, L.A., et al. „Thermally actuated silicon tuning fork resonators for sensing applications in air“ 2012 IEEE 25th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) zeigt Stimmgabel-Resonatoren die bei einer Resonanzfrequenz von 418 kHz betrieben werden. Die Stimmgabeln sind mit einer chemisch-sensitiven Beschichtung versehen.
  • Aus diesen und anderen Gründen besteht die Notwendigkeit der vorliegenden Offenbarung.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Gassensor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, umfassend ein Substrat, ein erstes halbleiterbasiertes Sensorelement zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität eines Gases, welches über dem Substrat angeordnet ist und ein Schwingelement aufweist, und ein zweites halbleiterbasiertes Sensorelement zur Bestimmung der Dichte des Gases, welches einen akustischen Resonator aufweist, bei welchem der akustische Resonator ein Helmholtz-Resonator ist.
    einen Deckel, welcher über dem ersten Sensorelement angeordnet ist, wobei das Substrat und/oder der Deckel eine Öffnung für den Durchtritt eines Gases zu dem ersten Sensorelement
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensors mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats;
    Abscheiden einer halbleiterbasierten Schicht auf dem Substrat;
    Herstellen eines ersten Sensorelements in der halbleiterbasierten Schicht, wobei ein Schwingelement geformt wird; Anbringen eines Deckels auf dem ersten Sensorelement, wobei das Substrat und/oder der Deckel eine Öffnung für den Durchtritt eines Gases zu dem ersten Sensorelement aufweist; Herstellen eines zweiten Sensorelements in der halbleiterbasierten Schicht, wobei ein akustischer Resonator in die halbleiterbasierte Schicht geformt wird, bei welchem der akustische Resonator ein Helmholtz-Resonator ist.
  • Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Verwendung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 eines Gassensors nach dem ersten Aspekt zur Detektion eines Gases, insbesondere von Wasserstoff.
  • Figurenliste
  • Ein Gassensor gemäß der Offenbarung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen. Gleiche Referenznummern bezeichnen entsprechende gleiche oder ähnliche Teile.
    • 1 enthält 1A und 1B und zeigt eine seitliche Querschnittsansicht (A) und Draufsicht (B) auf ein Ausführungsbeispiel eines Gassensors, welcher ein erstes Sensorelement mit einem Schwingelement und ein zweites Sensorelement mit einem akustischen Resonator aufweist.
    • 2 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines kombinierten Gassensors, welcher zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Gassensor ein weiteres halbleiterbasiertes Sensorelement zur Messung des Drucks des Gases aufweist.
    • 3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor, welcher in einem Package untergebracht ist.
    • 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Gassensors, welcher ein erstes Sensorelement mit einem Schwingelement aufweist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt werden, in denen die Offenbarung praktiziert werden kann. Dabei wird eine richtungsweisende Terminologie wie „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „führend“, „nachlaufend“ usw. in Bezug auf die Ausrichtung der zu beschreibenden Figur(en) verwendet. Da die Bestandteile von Ausführungsformen in verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsbezeichnung zur Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend.
  • Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht einschränkend zu verstehen, und der Umfang der vorliegenden Offenbarung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
  • Es ist zu beachten, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
  • Wie in dieser Beschreibung verwendet, bedeuten die Begriffe „geklebt“, „befestigt“, „verbunden“, „gekoppelt“ und/oder „elektrisch verbunden/elektrisch gekoppelt“ nicht, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander kontaktiert werden müssen; zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen können Zwischenelemente oder -schichten vorgesehen werden. Gemäß der Offenbarung können die oben genannten Begriffe jedoch optional auch die spezifische Bedeutung haben, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander kontaktiert werden, d. h. dass keine Zwischenelemente oder -schichten zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sind.
  • Ferner kann das Wort „über“, das in Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, die „über“ einer Oberfläche gebildet oder angeordnet ist, hierin bedeuten, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „indirekt“ auf der implizierten Oberfläche angeordnet (z. B. platziert, gebildet, abgeschieden usw.) wird, wobei ein oder mehrere zusätzliche Teile, Elemente oder Schichten zwischen der implizierten Oberfläche und dem Teil, dem Element oder der Materialschicht angeordnet werden. Das Wort „über“, das in Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, das/die „über“ einer Oberfläche gebildet oder angeordnet ist, kann jedoch optional auch die spezifische Bedeutung haben, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „direkt auf“, z.B. in direktem Kontakt mit der implizierten Oberfläche, angeordnet (z.B. platziert, geformt, abgeschieden usw.) wird.
  • 1 enthält 1A und 1B und zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
  • Der Gassensor 10 gemäß 1 umfasst ein Substrat 1, ein erstes halbleiterbasiertes Sensorelement 2 zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität eines Gases, wobei das erste halbleiterbasierte Sensorelement 2 über dem Substrat 1 angeordnet ist und ein Schwingelement 2A aufweist. Der Gassensor 10 enthält ferner einen Deckel 3, welcher über dem ersten Sensorelement 2 angeordnet ist, wobei das Substrat 1 und der Deckel 3 jeweils eine Öffnung 1A und 3A für den Durchtritt eines Gases zu dem ersten Sensorelement 2 aufweist. Das Substrat 1 und der Deckel 3 können aus dem gleichen Material oder aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Insbesondere können das Substrat 1 und der Deckel 3 auf Glasbasis, auf Halbleiterbasis (wie auf Siliziumbasis) oder auf Keramikbasis hergestellt sein.
  • Das Schwingelement 2A kann insbesondere als ein MEMS-Element und ferner insbesondere aus Silizium ausgebildet sein. In der 1 ist zu sehen, dass das Schwingelement 2A in der Form einer Stimmgabel ausgebildet ist. Es sind jedoch auch andere Formen des Schwingelements möglich wie zum Beispiel ein einzelner Balken. Entscheidend ist nur, dass das Schwingelement 2A eine Resonanzfrequenz aufweist, so dass die Eigenschaften des Gases durch eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und/oder die Aktivierung höherer Oszillationsmoden bestimmt werden können.
  • Gemäß Der Begriff „Resonanzfrequenz“ wird hier synonym zu den Begriffen „fundamentale Schwingungsfrequenz“ oder „Eigenfrequenz“ verwendet.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Gassensors 10 der 1 ist die Länge der Zinken der Stimmgabel 2A in einem Bereich von 0.5 mm bis 2 mm und die Breite in einem Bereich 50 µm bis 150 µm. Die Zinken können einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Gassensors 10 der 1 weist die Stimmgabel 2A eine Resonanzfrequenz größer als 100 kHz auf.
  • Beispielsweise kann die Stimmgabel 2A auf Silizium basieren oder daraus bestehen,
    eine Länge 1 von 1 mm,
    eine Breite a von 100 µm,
    einen Querschnitt A von 1,0 × 10-8 m2,
    ein Elastizitätsmodul E = 1,5 × 1011 N/m2,
    eine Dichte p = 2330 kg/m3, und
    ein Flächenträgheitsmoment/Querschnitt I/A = 8,33333 × 10-10 m2
    so dass sich daraus die Resonanzfrequenz f gemäß f = 1.875 2 / 2 π l 2 × E I / ρ A
    Figure DE102021112811B3_0001
    zu f = 129598 Hz
    Figure DE102021112811B3_0002
    ergibt.
  • Das zu detektierende und die Stimmgabel 2A umgebende Gas resultiert dann in einer Verschiebung der Resonanzfrequenz f oder zur Erzeugung höherer Oszillationsmoden. Es ist dabei nicht erforderlich, dass sowohl in dem Substrat 1 als auch in dem Deckel 3 Öffnungen 1A und 3A vorgesehen sind. Es genügt wenn lediglich in einem von beiden eine Öffnung für den Durchtritt des Gases enthalten ist, so dass das Gas zu der Stimmgabel 2A gelangen kann.
  • Der Gassensor 10 kann ferner ein zweites halbleiterbasiertes Sensorelement 4 aufweisen, welches einen akustischen Resonator 4A aufweist, welcher beispielsweise als ein Helmholtz-Resonator ausgebildet sein kann. Der akustische Resonator 4A kann wie die Stimmgabel 2A eine definierte Eigenfrequenz aufweisen. Auch diese Eigenfrequenz verschiebt sich bei Vorhandensein eines Gases im Resonator, wobei der Grad der Verschiebung von der Dichte des Gases abhängt.
  • Die Breite b des Resonators 4 kann in einem Bereich zwischen 2 mm und 6 mm liegen, während die Höhe h in einem Bereich zwischen 0.3 mm und 1 mm liegen kann.
  • Um zu vermeiden, dass es zu einer Kopplung oder Verriegelung der beiden Eigenfrequenzen kommt, kann vorgesehen sein, dass das erste Sensorelement 2 und/oder das zweite Sensorelement 4 derart hergestellt sind, dass eine Resonanzfrequenz des Schwingelements 2A um mehr als eine Größenordnung kleiner ist als eine Resonanzfrequenz des akustischen Resonators 4A. Das wäre beispielsweise dadurch gewährleistet dass die Resonanzfrequenz des zweiten Sensorelements 4 kleiner als 10 kHz ist, wenn gleichzeitig die Resonanzfrequenz des ersten Sensorelements 2 größer als 100 kHz ist.
  • Es sind jedoch auch Fälle denkbar, in denen es wünschenswert ist, dass beide Eigenfrequenzen einander ähnlich sind, die Oszillatoren also miteinander gekoppelt werden.
  • Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass wie dargestellt in 1A, das erste Sensorelement 2 und das zweite Sensorelement 4 in Teilschichten einer Halbleiterschicht geformt sind, welche zwischen dem Substrat 1 und dem Deckel 3 angeordnet ist. Diese Teilschichten können auf Silizium basieren oder aus Silizium bestehen und unmittelbar aneinander angrenzen. Die obere Teilschicht mit dem ersten Sensorelement 2 kann unmittelbar an den Deckel angrenzen und die untere Teilschicht mit dem zweiten Sensorelement 4 kann unmittelbar an das Substrat 1 angrenzen.
  • Im Übrigen können sowohl das Substrat 1 wie auch der Deckel 3 durch Bonding-Verfahren wie Waferbonding oder anodisches Bonden mit der jeweiligen Halbleiterschicht verbunden worden sein.
  • 2 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines kombinierten Gassensors, welcher zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Gassensor einen Drucksensor aufweist.
  • Dieser kombinierte Gassensor 100 enthält den schon in 1 beschriebenen Gassensor 10 und zusätzlich einen Drucksensor 20, welcher unmittelbar lateral angrenzend an den Gassensor 10 angeordnet sein kann. Der Drucksensor 20 kann in ähnlicher Weise aufgebaut sein wie der Gassensor 10. Insbesondere kann der Drucksensor 20 ein Substrat 21, einen Deckel 23, und erste und zweite Halbleiterschichten wie siliziumbasierte Schichten 22 und 24 aufweisen. Das Substrat 21 kann eine Öffnung 21.1 aufweisen, durch die Gas einströmen kann. Ebenso kann in der zweiten Halbleiterschicht 24 eine Öffnung 24.1 ausgebildet sein, durch die das Gas weiter zu der ersten Halbleiterschicht 22 strömen kann.
  • Der Drucksensor 20 kann auf an sich bekannte Weise aufgebaut sein. Insbesondere kann die erste Halbleiterschicht 22 ein Drucksensorelement 22.1 aufweisen, welches beispielsweise als eine Membran ausgebildet sein kann. Des Weiteren kann der Deckel 23 einen Hohlraum 23.1 aufweisen und die gasdruckabhängige Auslenkung der Membran 22.1 in den Hohlraum 23.1 kann auf verschiedenste Weise, etwa kapazitiv oder durch Änderung des Luftvolumens in dem Hohlraum 23.1, gemessen werden.
  • Der kombinierte Gassensor 100 kann sich insbesondere deshalb als vorteilhaft erweisen, weil die von dem Gassensor 10 gemessene Dichte und/oder Viskosität des Gases druckabhängig ist. Zwar könnte der Druck theoretisch auch durch einen separaten Drucksensor an anderer Stelle gemessen werden, aber der kombinierte Drucksensor 100 bietet die Möglichkeit den Druck in einem Abstand von beispielsweise nur wenigen Millimetern von dem Gassensor 10 zu messen, so dass lokale Druckunterschiede keine wesentliche Rolle mehr spielen sollten.
  • Der kombinierte Gassensor 100 kann ansonsten vorteilhaft in Form eines integrierten Prozesses hergestellt werden. Dieses beinhaltet die Bereitstellung eines die Substrate 1 und 21 integral enthaltenden Substrats, in welches in das Substrat 21 eine Öffnung und optional in das Substrat 1 eine Öffnung 1A geformt wird. Anschließend wird eine Halbleiterschicht auf das integrale Substrat aufgebracht und in die Halbleiterschicht werden die ersten und zweiten Sensorelemente 2 und 4 sowie die Öffnung 24.1 und das Sensorelement 22.1 geformt. Anschließend wird ein die Deckel 3 und 23 integral enthaltender Deckel auf die oberste Teilschicht der Halbleiterschicht aufgebracht, wobei in den Deckel 3 optional eine Öffnung 3A geformt wird.
  • Es kann gleichermaßen von Vorteil sein, auch noch einen vorzugsweise ebenfalls integralen Temperatursensor vorzusehen, da Dichte und/oder Viskosität des Gases auch temperaturabhängig sind.
  • Der vorgenannte Prozess wird weiterhin vorteilhafterweise in Form eines Batch-Prozesses durchgeführt, bei welchem eine Mehrzahl von kombinierten Gassensoren der 2 hergestellt werden können. Das Gleiche gilt auch für die Herstellung von Gassensoren der 1.
  • 3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor, welcher in einem Package untergebracht ist.
  • Das Gassensor-Package 200 der 3 weist insbesondere einen Gassensor 10 auf, wie er bereits in der 1 gezeigt und beschrieben wurde. Dieser Gassensor 10 wird auf der oberen Oberfläche des Deckels beidseits der Öffnung 3A mit den oberen planaren Enden zweier Leads eines Leadframes 210 beispielsweise durch eine Adhäsionsschicht 220 verbunden. Die zwei Leads des Leadframes 210 sind spiegelsymmetrisch nach unten gebogen bis hin zu unteren planaren Abschnitten. Die elektrische Kontaktierung erfolgt durch zwei Bonddrähte, die von mittleren Abschnitten der zwei Leads bis zu elektrischen Anschlusspads auf der unteren Oberfläche des Substrats 1 geführt sind. Dann wird eine Einkapselung 240 aus beispielsweise einem konventionellen Moldmaterial wie einem Epoxidharz aufgebracht.
  • Die Einkapselung 240 enthält im vorliegenden Fall eine obere Durchgangsöffnung 240A, welche oberhalb der Durchgangsöffnung des Deckels 3A angeordnet ist, und eine untere Durchgangsöffnung 240B, welche unterhalb der Durchgangsöffnung 1A des Substrats 1 angeordnet ist, so dass das zu detektierende Gas durch den Gassensor 10 hindurch strömen kann. Wie jedoch weiter oben ausgeführt wurde, kann der Gassensor 10 auch so ausgebildet sein, dass nur entweder im Substrat 1 oder im Deckel 3 eine Durchgangsöffnung vorhanden, so dass in diesem Fall auch in der Einkapselung nur genau eine entsprechende Durchgangsöffnung geformt werden muss.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Gassensors, welcher ein erstes Sensorelement mit einem Schwingelement aufweist.
  • Das Verfahren 300 zur Herstellung eines Gassensors, umfasst:
    • Bereitstellen eines Substrats (310);
    • Abscheiden einer halbleiterbasierten Schicht auf dem Substrat (320) ;
    • Herstellen eines ersten Sensorelements in der halbleiterbasierten Schicht, wobei ein Schwingelement geformt wird (330); Anbringen eines Deckels auf dem ersten Sensorelement, wobei das Substrat und/oder der Deckel eine Öffnung für den Durchtritt eines Gases zu dem ersten Sensorelement aufweist (340).
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Schwingelement die Form einer Stimmgabel oder eines einzelnen Balkens auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Herstellen eines zweiten Sensorelements in der halbleiterbasierten Schicht, wobei ein akustischer Resonator in die halbleiterbasierte Schicht geformt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Herstellen eines weiteren Sensorelements auf Halbleiterbasis lateral neben dem ersten Sensorelement und gegebenenfalls zweiten Sensorelement. Das weitere Sensorelement kann ein Drucksensor sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden das erste Sensorelement und/oder das gegebenenfalls zweite Sensorelement und/oder das gegebenenfalls weitere Sensorelement als MEMS-Bauelemente hergestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Anbringen des Deckels auf dem ersten Sensorelement durch Waferbonden oder anodisches Bonden.
  • Weitere Ausführungsformen des Verfahrens können durch Kombinationen mit Merkmalen gebildet werden, wie sie weiter oben im Zusammenhang mit dem Gassensor, dem kombinierten Gassensor oder dem Gassensor-Package beschrieben wurden.
  • Generell kann ein derartiger Gassensor zur Detektion verschiedener Gase, insbesondere jedoch von Wasserstoff verwendet werden. Die Sensoren können in oder an jeder Art von Behältern oder Leitungen angebracht werden, in welchen gasförmiger Wasserstoff aufbewahrt oder transportiert wird, um solchermaßen beispielsweise Leckdetektion durchzuführen. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist der einer Brennstoffzelle und hier insbesondere an einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung oder im Fahrgastraum eines mit einer Brennstoffzelle betriebenen Kraftfahrzeugs.
  • BEISPIELE
  • Im Folgenden werden Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Offenbarung anhand von Beispielen erläutert.
  • Beispiel 1 ist ein Gassensor, umfassend ein Substrat, ein erstes halbleiterbasiertes Sensorelement 2 zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität eines Gases, welches über dem Substrat 1 angeordnet ist und ein Schwingelement 2A aufweist, und einen Deckel 3, welcher über dem ersten Sensorelement 2 angeordnet ist, wobei das Substrat 1 und/oder der Deckel 3 eine Öffnung für den Durchtritt eines Gases zu dem ersten Sensorelement 2 aufweist.
  • Beispiel 2 ist ein Gassensor nach Beispiel 1, bei welchem das Schwingelement 2A die Form einer Stimmgabel oder eines einzelnen Balkens aufweist.
  • Beispiel 3 ist ein Gassensor nach Beispiel 1 oder 2, bei welchem das Schwingelement eine Resonanzfrequenz größer als 100 kHz aufweist.
  • Beispiel 4 ist ein Gassensor nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend ein zweites halbleiterbasiertes Sensorelement zur Bestimmung der Dichte des Gases, welches einen akustischen Resonator aufweist.
  • Beispiel 5 ist ein Gassensor nach Beispiel 4, bei welchem der akustische Resonator ein Helmholtz-Resonator ist.
  • Beispiel 6 ist ein Gassensor nach Beispiel 4 oder 5, bei welchem die Resonanzfrequenz des akustischen Resonators kleiner als 10 kHz ist.
  • Beispiel 7 ist ein Gassensor nach einem der Beispiele 4 bis 6, bei welchem das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement in Teilschichten einer Halbleiterschicht geformt sind, welche zwischen dem Substrat und dem Deckel angeordnet ist.
  • Beispiel 8 ist ein Gassensor nach einem der Beispiele 4 bis 7, bei welchem das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement derart hergestellt sind, dass eine Resonanzfrequenz des Schwingelements um mehr als eine Größenordnung kleiner ist als eine Resonanzfrequenz des akustischen Resonators.
  • Beispiel 9 ist ein Gassensor nach einem der vorherigen Beispiele, ferner umfassend ein weiteres halbleiterbasiertes Sensorelement zur Messung des Drucks des Gases, welches lateral neben dem ersten Sensorelement und gegebenenfalls zweiten Sensorelement angeordnet ist.
  • Beispiel 10 ist ein Gassensor nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei welchem das erste Sensorelement und/oder das gegebenenfalls zweite Sensorelement und/oder das gegebenenfalls weitere Sensorelement als MEMS-Bauelemente hergestellt sind.
  • Beispiel 11 ist ein Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Öffnung in dem Substrat und/oder dem Deckel ein Partikelfilter enthält.
  • Beispiel 12 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensors, wobei das Verfahren umfasst:
    • Bereitstellen eines Substrats;
    • Abscheiden einer halbleiterbasierten Schicht auf dem Substrat;
    • Herstellen eines ersten Sensorelements in der halbleiterbasierten Schicht, wobei ein Schwingelement geformt wird;
    • Anbringen eines Deckels auf dem ersten Sensorelement, wobei das Substrat und/oder der Deckel eine Öffnung für den Durchtritt eines Gases zu dem ersten Sensorelement aufweist.
  • Beispiel 13 ist ein Verfahren nach Beispiel 12, wobei das Schwingelement die Form einer Stimmgabel oder eines einzelnen Balkens aufweist.
  • Beispiel 14 ist ein Verfahren nach Beispiel 12 oder 13, wobei das Verfahren ferner umfasst:
    • Herstellen eines zweiten Sensorelements in der halbleiterbasierten Schicht, wobei ein akustischer Resonator in die halbleiterbasierte Schicht geformt wird.
  • Beispiel 15 ist ein Verfahren nach einem der Beispiels 12 bis 14, wobei das Verfahren ferner umfasst:
    • Herstellen eines weiteren Sensorelements auf Halbleiterbasis lateral neben dem ersten Sensorelement und gegebenenfalls zweiten Sensorelement.
  • Beispiel 16 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 12 bis 15, bei welchem das erste Sensorelement und/oder das gegebenenfalls zweite Sensorelement und/oder das gegebenenfalls weitere Sensorelement als MEMS-Bauelemente hergestellt werden.
  • Beispiel 17 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 12 bis 16, bei welchem das Anbringen des Deckels auf dem ersten Sensorelement durch Waferbonden oder anodisches Bonden erfolgt.
  • Beispiel 18 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der Beispiele 1 bis 11 zur Detektion von Wasserstoff.
  • Beispiel 19 ist eine Verwendung eines Gassensors nach Beispiel 18 bei einem Behälter oder bei Leitungen, in welchen gasförmiger Wasserstoff aufbewahrt oder transportiert wird.
  • Beispiel 20 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der Beispiele 1 bis 11 bei einer Brennstoffzelle.
  • Beispiel 21 ist eine Verwendung eines Gassensors nach Beispiel 20, wobei der Gassensor an einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung der Brennstoffzelle angebracht ist.
  • Beispiel 22 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 11 im Fahrgastraum eines mit einer Brennstoffzelle betriebenen Kraftfahrzeugs.
  • Beispiel 23 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Leckdetektion, insbesondere von Wasserstoff.

Claims (20)

  1. Gassensor (10), umfassend ein Substrat (1); ein erstes halbleiterbasiertes Sensorelement (2) zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität eines Gases, welches über dem Substrat (1) angeordnet ist und ein Schwingelement (2A) aufweist; und einen Deckel (3), welcher über dem ersten Sensorelement (2) angeordnet ist; wobei das Substrat (1) und/oder der Deckel (3) eine Öffnung (1A, 3A) für den Durchtritt eines Gases zu dem ersten Sensorelement (2) aufweist, ferner umfassend ein zweites halbleiterbasiertes Sensorelement (4) zur Bestimmung der Dichte des Gases, welches einen akustischen Resonator (4A) aufweist, bei welchem der akustische Resonator (4A) ein Helmholtz-Resonator ist.
  2. Gassensor (10) nach Anspruch 1, bei welchem das Schwingelement (2A) die Form einer Stimmgabel oder eines einzelnen Balkens aufweist.
  3. Gassensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Schwingelement (2A) eine Resonanzfrequenz größer als 100 kHz aufweist.
  4. Gassensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Resonanzfrequenz des akustischen Resonators kleiner als 10 kHz ist.
  5. Gassensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das erste Sensorelement (2) und das zweite Sensorelement (4) in Teilschichten einer Halbleiterschicht geformt sind, welche zwischen dem Substrat (1) und dem Deckel (3) angeordnet ist.
  6. Gassensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das erste Sensorelement (2) und/oder das zweite Sensorelement (4) derart hergestellt sind, dass eine Resonanzfrequenz des Schwingelements (2A) um mehr als eine Größenordnung kleiner ist als eine Resonanzfrequenz des akustischen Resonators (4A) .
  7. Gassensor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein weiteres halbleiterbasiertes Sensorelement zur Messung des Drucks des Gases, welches lateral neben dem ersten Sensorelement (2) und zweiten Sensorelement (4) angeordnet ist.
  8. Gassensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das erste Sensorelement (2) und/oder das zweite Sensorelement (4) und/oder das gegebenenfalls weitere Sensorelement als MEMS-Bauelemente hergestellt sind.
  9. Gassensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Öffnung in dem Substrat (1) und/oder dem Deckel (3) ein Partikelfilter enthält.
  10. Verfahren (300) zur Herstellung eines Gassensors, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats (310); Abscheiden einer halbleiterbasierten Schicht auf dem Substrat (320) ; Herstellen eines ersten Sensorelements in der halbleiterbasierten Schicht, wobei ein Schwingelement geformt wird (330); Anbringen eines Deckels auf dem ersten Sensorelement, wobei das Substrat und/oder der Deckel eine Öffnung für den Durchtritt eines Gases zu dem ersten Sensorelement aufweist (340), wobei das Verfahren ferner umfasst: Herstellen eines zweiten Sensorelements in der halbleiterbasierten Schicht, wobei ein akustischer Resonator in die halbleiterbasierte Schicht geformt wird, bei welchem der akustische Resonator ein Helmholtz-Resonator ist.
  11. Verfahren (300) nach Anspruch 10, wobei das Schwingelement die Form einer Stimmgabel oder eines einzelnen Balkens aufweist.
  12. Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 10 und 11, wobei das Verfahren ferner umfasst: Herstellen eines weiteren Sensorelements auf Halbleiterbasis lateral neben dem ersten Sensorelement und zweiten Sensorelement.
  13. Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welchem das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement und/oder das gegebenenfalls weitere Sensorelement als MEMS-Bauelemente hergestellt werden.
  14. Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welchem das Anbringen des Deckels auf dem ersten Sensorelement durch Waferbonden oder anodisches Bonden erfolgt.
  15. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Detektion von Wasserstoff.
  16. Verwendung eines Gassensors nach Anspruch 15 bei einem Behälter oder bei Leitungen, in welchen gasförmiger Wasserstoff aufbewahrt oder transportiert wird.
  17. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bei einer Brennstoffzelle.
  18. Verwendung eines Gassensors nach Anspruch 17, wobei der Gassensor an einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung der Brennstoffzelle angebracht ist.
  19. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 im Fahrgastraum eines mit einer Brennstoffzelle betriebenen Kraftfahrzeugs.
  20. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Leckdetektion, insbesondere von Wasserstoff.
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