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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Gassensor, und die Verwendung desselben zur Detektion von Gasen, insbesondere von Wasserstoff.
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HINTERGRUND
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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.
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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.
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Aus diesen und anderen Gründen besteht die Notwendigkeit der vorliegenden Offenbarung.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Gassensor, umfassend eine Membran, eine erste Platte, die auf einer ersten Seite der Membran angeordnet ist und Durchgangsöffnungen für den Durchtritt eines Gases aufweist, eine zweite Platte, die auf einer zweiten der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Membran angeordnet ist, und ein elektronischer Schaltkreis, welcher mit der Membran, der ersten Platte und der zweiten Platte verbunden ist und durch welchen die Membran veranlasst wird, Ultraschallstrahlung auszusenden und der dafür ausgelegt ist, eine Resonanzfrequenz der Ultraschallstrahlung zu ermitteln.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Verwendung eines Gassensors nach dem ersten Aspekt zur Detektion eines Gases, insbesondere von Wasserstoff.
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Figurenliste
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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 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Gassensors gemäß dem ersten Aspekt, bei welchem innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses ein Sensorelement und ein Chip mit einem elektronischen Schaltkreis untergebracht sind.
- 2 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Gassensors, bei welchem ein Ausgangssignal des Sensorelements in dem elektronischen Schaltkreis um 180° phasenverschoben wird und das phasenverschobene Signal erneut der ersten Platte zugeführt wird.
- 3 zeigt eine beispielhafte Resonanzkurve eines Gassensors gemäß dem ersten Aspekt.
- 4 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor, bei welchem der elektronische Schaltkreis der ersten Platte ein elektrisches Signal in Form eines Stufen- oder Rechtecksignals zuführt und das Ausgangssignal einer Fast-Fourier-Transform-Einheit zugeführt wird.
- 5 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor, bei welchem der elektronische Schaltkreis der ersten Platte ein elektrisches Signal zuführt, welches eine sich zeitlich ändernde Frequenz aufweist und das Ausgangssignal einem Analysator zur Ermittlung der Frequenz mit dem maximalen Ausgangssignal zugeführt wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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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. Es ist zu verstehen, dass auch andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung überschritten wird. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht einschränkend zu verstehen, und der Umfang der vorliegenden Offenbarung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Es ist zu beachten, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
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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.
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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.
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1 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Gassensors gemäß dem ersten Aspekt, bei welchem innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses ein Sensorelement und ein Halbleiterchip mit einem elektronischen Schaltkreis untergebracht sind.
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Der Gassensor 100 gemäß 1 weist ein Sensorelement 10 und einen Halbleiterchip 20 auf, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 30 untergebracht sind. Das Gehäuse 30 weist ein Substrat 31 und einen Gehäusedeckel 32 auf, wobei das Sensorelement 10 und der Halbleiterchip 20 auf dem Substrat 31 aufgebracht sind. Das Substrat 31 weist eine Einlassöffnung 31.1 für den Durchtritt eines zu detektierenden Gases auf. Oberhalb dieser Öffnung ist das Sensorelement 10 angeordnet.
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Das Sensorelement 10 enthält eine Membran 1, eine erste Platte 2, die auf einer ersten Seite der Membran 1 angeordnet ist und Durchgangsöffnungen für den Durchtritt eines Gases aufweist, und ferner eine zweite Platte 3, die auf einer zweiten der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Membran 1 angeordnet ist. Die erste Platte 2 ist der Einlassöffnung 31.1 des Substrats 31 zugewandt, während die zweite Platte 3 der Einlassöffnung 31.1 des Substrats 31 abgewandt und dem horizontalen Abschnitt des Gehäusedeckels zugewandt ist.
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Das Sensorelement 10 ist insbesondere als MEMS-Bauelement aufgebaut, bei welchem die Membran 1, die erste Platte 2 und die zweite Platte 3 auf Si-Basis hergestellt sind und zwischen Seitenwänden 4 befestigt sind, welche gleichfalls auf Si-Basis hergestellt sind.
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Der Halbleiterchip 20 ist durch einen oder mehrere Bonddrähte mit dem Sensorelement 10 verbunden und dient sowohl der Ansteuerung des Sensorelements 10 als auch der Auswertung der durch das Sensorelement 10 gelieferten Signale. Im Wesentlichen enthält der Halbleiterchip 10 einen elektronischen Schaltkreis, welcher mit der Membran 1, der ersten Platte 2 und der zweiten Platte 3 verbunden ist und durch welchen die Membran 1 veranlasst wird, Ultraschallstrahlung auszusenden. Die ausgesendete Ultraschallstrahlung wird an der ersten Platte 2 und der zweiten Platte 3 teilweise reflektiert und teilweise transmittiert. Daraus ergeben sich die drei mit Pfeilen angedeuteten Resonatoren, wobei die zwei oberen Resonatoren geschlossene Resonatoren sind, die jeweils zwischen zwei sich gegenüberstehenden reflektierenden Wänden gebildet sind. Der untere Resonator zwischen der Membran 1 und der Einlassöffnung 31.1 des Substrats 31 bildet einseitig offenen Helmholtz-Resonator.
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Das solchermaßen gebildete Resonatorsystem weist ein oder mehrere distinkte Resonanzfrequenzen auf. Der in dem Halbleiterchip 20 enthaltene elektronische Schaltkreis ist dafür ausgelegt, eine Resonanzfrequenz der Ultraschallstrahlung zu ermitteln. Wasserstoff weist eine 8-mal höhere Schallgeschwindigkeit als Luft auf. Mit der Anwesenheit von Wasserstoff im Gassensor verschiebt sich somit auch die Resonanzfrequenz, wobei die Stärke der Verschiebung ein Maß für die Wasserstoffkonzentration ist.
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Wie im Folgenden beschrieben wird, gibt es mehrere Möglichkeiten, dieses System zu nutzen, um die Verschiebung der Resonanzfrequenz aufgrund einer Änderung der H2-Konzentration zu bestimmen.
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2 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Gassensors, bei welchem ein Ausgangssignal des Sensorelements in dem elektronischen Schaltkreis um 180° phasenverschoben wird und das phasenverschobene Signal erneut der ersten Platte zugeführt wird.
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Der Gassensor 200 gemäß 2 weist im Prinzip den gleichen Aufbau wie der Gassensor 100 der 1 auf, so dass die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden. Der Gassensor 200 kann ebenso einen Halbleiterchip (nicht gezeigt) aufweisen, der einen elektronischen Schaltkreis 5 aufweist. Der elektronische Schaltkreis 5 bildet einen Resonator mit geschlossenem Regelkreis, bei welchem das Ausgangssignal dem Sensorelement 10 entnommen wird, um 180° gedreht, verstärkt und in den Mikrofoneingang zurückgespeist wird. Dies erzeugt ein selbstsperrendes System, das immer auf der Resonanzspitze schwingt.
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In der 3 ist eine beispielhafte Resonanzkurve eines Gassensors gezeigt. Die mit einer gestrichelten Linie eingezeichnete Resonanzspitze liegt bei ca. 37,2 kHz. Auf diese Resonanzspitze wird sich der geschlossene Regelkreis des elektronischen Schaltkreises 5 einschwingen.
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Im Einzelnen weist der elektronische Schaltkreis 5 eine Spannungsversorgung 5.1 auf, welche mit der Membran 1 verbunden ist und mittels der eine Spannung im Bereich 5 bis 10 V an die Membran 1 angelegt wird. Das Ausgangssignal wird der zweiten Platte 3 entnommen und einem Verstärker 5.2 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird einem analogen Filter 5.3 zugeführt, welches beispielsweise ein Tiefpassfilter sein kann. Dessen Ausgangssignal wird schließlich einem 180°-Phasendreher 5.4 zugeführt, dessen Ausgangssignal wiederum dem Sensorelement zurückgespeist wird, in dem es der ersten Platte 2 zugeführt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Spannungsversorgung 5.1 und der Verstärker 5.2 und gegebenenfalls auch der analoge Filter 5.3 und der Phasendreher 5.4 in einem anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) enthalten sind.
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4 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor, bei welchem der elektronische Schaltkreis der ersten Platte ein elektrisches Signal in Form eines Stufen- oder Rechtecksignals zuführt und das Ausgangssignal einer Fast-Fourier-Transform-Einheit zugeführt wird.
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Der Gassensor 300 gemäß 4 weist im Prinzip den gleichen Aufbau wie der Gassensor 100 der 1 auf, so dass die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden.
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Im Einzelnen weist der elektronische Schaltkreis 15 eine Spannungsversorgung 15.1 auf, welche mit der Membran 1 verbunden ist und mittels der eine Spannung im Bereich 5 bis 10 V an die Membran 1 angelegt wird. Der ersten Platte 2 wird ein durch einen Pulsgenerator erzeugtes elektrisches Signal in Form eines Stufen- oder Rechtecksignals zugeführt. Das Ausgangssignal wird der zweiten Platte 3 entnommen und einem Verstärker 15.2 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird einer Fast-Fourier-Transform-(FFT-)Einheit 15.3 zugeführt.
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Das elektrische Stufen- oder Rechtecksignal wird seitens der ersten Platte 2 in Richtung der Membran 1 ausgesandt und regt diese zur entsprechenden Aussendung von Ultraschallstrahlung an. Der Zeitverlauf des Anstiegs bzw. gegebenenfalls Abfalls des Signals ist so gewählt dass er ein Frequenzspektrum aufweist, welches das in der 3 gezeigte Resonanzspektrum des Sensorelements umfasst. Die Fast-Fourier-Analyse liefert die in der 3 gezeigte Resonanzkurve, aus der das Maximum bei 37,2 kHz ermittelt werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Spannungsversorgung 15.1 und der Verstärker 15.2 und gegebenenfalls auch die FFT-Einheit 15.3 und der Pulsgenerator in einem anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) enthalten sind.
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5 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor, bei welchem der elektronische Schaltkreis der ersten Platte ein elektrisches Signal zuführt, welches eine sich zeitlich ändernde Frequenz aufweist und das Ausgangssignal einem Analysator zur Ermittlung der Frequenz mit dem maximalen Ausgangssignal zugeführt wird.
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Im Einzelnen weist der elektronische Schaltkreis 25 eine Spannungsversorgung 25.1 auf, welche mit der Membran 1 verbunden ist und mittels der eine Spannung im Bereich 5 bis 10 V an die Membran 1 angelegt wird. Der ersten Platte 2 wird mittels eines Analysators 25.3 ein elektrisches Signal in Form einer sich zeitlich ändernden Frequenz zugeführt. Dieses sich zeitlich ändernde elektrische Signal wird seitens der ersten Platte 2 in Richtung der Membran 1 ausgesandt und regt diese zur entsprechenden Aussendung von Ultraschallstrahlung an. Das Ausgangssignal wird der zweiten Platte 3 entnommen und einem Verstärker 25.2 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird wiederum dem Analysator 25.3 zugeführt. Der Analysator 25.3 liefert die in der 3 gezeigte Resonanzkurve, aus der das Maximum bei 37,2 kHz ermittelt werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Spannungsversorgung 25.1 und der Verstärker 25.2 und gegebenenfalls auch der Analysator 25.3 in einem anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) enthalten sind.
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Der Gassensor kann darüber hinaus einen Temperatursensor und eine mit dem Temperatursensor verbundene Kompensationsschaltung aufweisen, welche konfiguriert ist, eine Temperaturdrift zu kompensieren.
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Des Weiteren kann der Gassensor eine Barriereschicht gegen Schmutz oder Wasserdampf aufweisen, welche an der Gaseingangsöffnung des Gassensors angeordnet ist.
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Vor Inbetriebnahme des Gassensors zur Detektion von Wasserstoff ist die Resonanzkurve an Luft unter atmosphärischen Bedingungen aufzunehmen und daraus das Resonanzmaximum zu ermitteln. Anschließend ist der Gassensor geeignet zu kalibrieren, indem unter Einstellung verschiedener Wasserstoffkonzentrationen die jeweiligen Verschiebungen des Resonanzmaximums ermittelt wird.
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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.
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BEISPIELE
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Im Folgenden werden Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Offenbarung anhand von Beispielen erläutert.
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Beispiel 1 ist ein Gassensor, umfassend eine Membran, eine erste Platte, die auf einer ersten Seite der Membran angeordnet ist und Durchgangsöffnungen für den Durchtritt eines Gases aufweist, eine zweite Platte, die auf einer zweiten der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Membran angeordnet ist, und einen elektronischen Schaltkreis, welcher mit der Membran, der ersten Platte und der zweiten Platte verbunden ist und durch welchen die Membran veranlasst wird, Ultraschallstrahlung auszusenden, und der dafür ausgelegt ist, eine Resonanzfrequenz der Ultraschallstrahlung zu ermitteln.
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Beispiel 2 ist ein Gassensor nach Beispiel 1, bei welchem der elektronische Schaltkreis eine Spannungsversorgung aufweist, welche mit der Membran verbunden ist.
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Beispiel 3 ist ein Gassensor nach Beispiel 2, bei welchem der elektronische Schaltkreis der ersten Platte ein elektrisches Signal zuführt und der zweiten Platte ein Ausgangssignal entnimmt.
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Beispiel 4 ist ein Gassensor nach Beispiel 3, bei welchem das Ausgangssignal in dem elektronischen Schaltkreis um 180° phasenverschoben wird und das phasenverschobene Signal erneut der ersten Platte zugeführt wird.
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Beispiel 5 ist ein Gassensor nach Beispiel 4, bei welchem das Ausgangssignal in dem elektronischen Schaltkreis vor der 180° Phasenverschiebung einem analogen Filter zugeführt wird.
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Beispiel 6 ist ein Gassensor nach Beispiel 3, bei welchem der elektronische Schaltkreis der ersten Platte ein elektrisches Signal in Form eines Stufen- oder Rechtecksignals zuführt und das Ausgangssignal einer Fast-Fourier-Transform-Einheit zugeführt wird.
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Beispiel 7 ist ein Gassensor nach Beispiel 3, bei welchem der elektronische Schaltkreis der ersten Platte ein elektrisches Signal zuführt, welches eine sich zeitlich ändernde Frequenz aufweist und das Ausgangssignal einem Analysator zur Ermittlung der Frequenz mit dem maximalen Ausgangssignal zugeführt wird.
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Beispiel 8 ist ein Gassensor nach einem der vorherigen Beispiele, ferner umfassend einen Temperatursensor und eine mit dem Temperatursensor verbundene Kompensationsschaltung, welche konfiguriert ist, eine Temperaturdrift zu kompensieren.
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Beispiel 9 ist ein Gassensor nach einem der vorherigen Beispiele, ferner umfassend eine Barriereschicht gegen Schmutz oder Wasserdampf, welche an einer Gaseingangsöffnung des Gassensors angeordnet ist.
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Beispiel 10 ist ein Gassensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem der elektronische Schaltkreis ferner dafür ausgelegt ist, aus der ermittelten Resonanzfrequenz die Konzentration von Wasserstoff zu ermitteln.
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Beispiel 11 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der vorhergehenden Beispiele zur Detektion von Wasserstoff.
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Beispiel 12 ist eine Verwendung eines Gassensors nach Beispiel 11 bei einem Behälter oder bei Leitungen, in welchen gasförmiger Wasserstoff aufbewahrt oder transportiert wird.
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Beispiel 13 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der Beispiele 1 bis 10 bei einer Brennstoffzelle.
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Beispiel 14 ist eine Verwendung eines Gassensors nach Beispiel 13, wobei der Gassensor an einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung der Brennstoffzelle angebracht ist.
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Obwohl hier spezifische Ausführungsformen illustriert und beschrieben wurden, werden diejenigen, die sich in der Kunst gewöhnlich auskennen, es zu schätzen wissen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen können die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung überschritten wird. Dieser Antrag soll alle Anpassungen oder Variationen der hier besprochenen spezifischen Ausführungsformen abdecken. Es ist daher beabsichtigt, dass diese Offenbarung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt wird.
