DE102022107394A1

DE102022107394A1 - Sensorsystem, Sensoranordnung und Verfahren zur Verwendung des Sensorsystems

Info

Publication number: DE102022107394A1
Application number: DE102022107394.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Barbul; Matthias König
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2022-10-06
Also published as: US20220316958A1

Abstract

Die vorliegende Anwendung bezieht sich auf ein Sensorsystem, eine Sensoranordnung, die das Sensorsystem umfasst, und ein Verfahren zur Verwendung des Sensorsystems. Das Sensorsystem umfasst einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor. Der erste Sensor hat einen ersten Thermistor zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses und ein erstes Mittel zum Beheizen des ersten Thermistors. In ähnlicher Weise verfügt der zweite Sensor über einen zweiten Thermistor zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses und ein zweites Mittel zum Beheizen des zweiten Thermistors. Bei dieser Anordnung hat der Wärmeleitpfad zwischen dem ersten Mittel zum Beheizen und dem ersten Thermistor eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Wärmeleitpfad zwischen dem zweiten Mittel zum Beheizen und dem zweiten Thermistor.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Sensorsystem, ein Sensorarray mit dem Sensorsystem und ein Verfahren zur Verwendung des Sensorsystems.
Die Erfassung einzelner Gaskonzentrationen in Gasgemischen ist für viele technische Anwendungen erforderlich, beispielsweise für die Abgasüberwachung oder die Überwachung einer Arbeitsumgebung und ähnliche Anwendungen.
US 2019/35607 A1 beschreibt Gassensoraufbauten, die auf der Messung der Gaskonzentration über die Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Atmosphäre durch einen Thermistor oder über die Reaktionswärme, die durch eine Reaktion eines reaktiven Gases an einem Katalysator entsteht, beruhen.
Es besteht ein ständiger Bedarf, die Empfindlichkeit solcher Sensoren zu erhöhen. Außerdem ist es wünschenswert, dass unter Beibehaltung einer bestimmten Empfindlichkeit eine verbesserte Reaktionszeit eines Sensors ermöglicht wird.
Ausführungsformen der Beschreibung und insbesondere das Sensorsystem nach Anspruch 1 lösen zumindest einen Teil dieser Probleme. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Sensorsystem bereitgestellt. Das Sensorsystem umfasst zwei Sensoren, also einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor. Der erste Sensor weist einen ersten Thermistor zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses und ein erstes Mittel zum Beheizen des ersten Thermistors auf. In ähnlicher Weise verfügt der zweite Sensor über einen zweiten Thermistor zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses und ein zweites Mittel zum Beheizen des zweiten Thermistors. Bei dieser Anordnung hat der Wärmeleitpfad zwischen dem ersten Mittel zum Beheizen und dem ersten Thermistor eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Wärmeleitpfad zwischen dem zweiten Mittel zum Beheizen und dem zweiten Thermistor.
Bei dieser Anordnung können Mittel zum Beheizen beliebige Mittel sein, die in der Lage sind, den jeweiligen Thermistor zu beheizen. Bei den Mitteln zum Beheizen kann es sich beispielsweise um Mittel zur Widerstandsheizung handeln, wie ein Heizmäander, der eine mäanderartige Form hat und auf einem Substrat angebracht sein kann. Ein solches Substrat kann ein gemeinsames Substrat für beide Sensoren sein, es kann sich aber auch um zwei separate Substrate innerhalb des Sensorsystems handeln.
In dem oben genannten Sensorsystem hat der Wärmeleitpfad für den ersten Thermistor, d. h. der Pfad, über den die Wärme zwischen dem ersten Mittel zum Beheizen und dem ersten Thermistor geleitet wird, eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Wärmeleitpfad für den zweiten Thermistor. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass die beiden Sensoren unterschiedlich auf eine Änderung der Umgebungsatmosphäre reagieren. Eine solche Änderung kann eine Änderung der Gaszusammensetzung der Atmosphäre sein. Dadurch kann sich der Wärmefluss vom Thermistor zur Atmosphäre ändern, was die Temperatur des Thermistors beeinflusst. Die Erfinder haben beispielsweise festgestellt, dass die Temperaturänderung des ersten Thermistors, die durch eine Änderung der Gaszusammensetzung hervorgerufen wird, geringer ist als die des zweiten Thermistors. Die Erfinder gehen davon aus, dass die höhere Wärmeleitfähigkeit eine direktere thermische Ankopplung des ersten Thermistors an das erste Mittel zum Beheizen ermöglicht als die des zweiten Thermistors an das zweite Mittel zum Beheizen. Wie weiter unten gezeigt wird, kann dieser Effekt bevorzugt dann zum Tragen kommen, wenn der erste und der zweite Sensor bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden, insbesondere dann, wenn der zweite Sensor bei einer höheren Temperatur betrieben wird als ein erster Sensor.
Dies kann die Empfindlichkeit des Sensorsystems erhöhen. Des Weiteren kann ein Vorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren erzielt werden, bei denen der Wärmeleitpfad für einen ersten und einen zweiten Sensor typischerweise gleich oder im Wesentlichen gleich ist.
Im Allgemeinen kann dieses Prinzip auf den Nachweis jedes Gases angewendet werden, das den Wärmetransport eines Thermistors beeinflusst. Dies kann bei inerten Gasen durch eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit ausgelöst durch eine Änderung der Gaszusammensetzung geschehen. Bei einem reaktiven Gas kann ein Unterschied im Wärmetransport von oder zu den Thermistoren durch eine chemische Reaktion an einem Katalysator auf dem Thermistor hervorgerufen werden. Der erfindungsgemäße Thermistor kann z. B. für den Nachweis von CO₂ als Detektant eingesetzt werden. Beispiele für reaktive Gase können CO oder Kohlenhydrate sein.
Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmeleitpfad zwischen dem ersten Mittel zum Beheizen und dem ersten Thermistor den ersten Thermistor selbst. In ähnlicher Weise umfasst der Wärmeleitpfad zwischen dem zweiten Mittel zum Beheizen und dem zweiten Thermistor den zweiten Thermistor selbst. In diesem Fall hat der erste Thermistor eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der zweite Thermistor. Gemäß diesem Aspekt ist es möglich, die Thermistoren unterschiedlich zu gestalten, um Thermistoren mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit zu schaffen. Dies kann beispielsweise durch das gewählte Thermistormaterial oder durch die Zusammensetzung des Materials oder alternativ durch die Struktur des Materials, wie die Kristallinität des Thermistormaterials, erfolgen. Die Erfinder haben festgestellt, dass ein Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit der beiden Thermistoren den oben beschriebenen Effekt bewirken kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Sensorsystem, wie es oben beschrieben ist, eine erste Zwischenschicht und eine zweite Zwischenschicht umfassen. Die erste Zwischenschicht ist im Wärmeleitpfad zwischen dem ersten Mittel zum Beheizen und dem ersten Thermistor im ersten Sensor angeordnet. Analog dazu ist die zweite Zwischenschicht im Wärmeleitpfad zwischen dem zweiten Mittel zum Beheizen und dem zweiten Thermistor im zweiten Sensor angeordnet.
Im allgemeinsten Fall ist es möglich, dass die beiden Zwischenschichten hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit gleich oder ähnlich sind. In diesem Fall kann z. B. der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpfade über die Thermistormaterialien bereitgestellt werden.
Es ist jedoch besonders bevorzugt, dass die erste Zwischenschicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die zweite Zwischenschicht. Um den Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, ist es besonders bevorzugt, dass sowohl die Thermistoren als auch die Zwischenschichten dazu beitragen, unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten im Wärmeleitpfad des ersten und des zweiten Sensors zu bewirken.
In einer alternativen Ausführungsform können die Thermistoren identisch sein, und der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit wird über die Zwischenschichten bereitgestellt. Dies kann Vorteile bei der Konstruktion der Sensorsysteme haben, da die Steuerung der Wärmeleitfähigkeit durch die Gestaltung der Zwischenschichten erreicht wird, während die Messfunktion durch die Thermistoren bereitgestellt wird. Diese Trennung der Funktionen kann eine einfachere Herstellung ermöglichen und erlaubt eine unabhängige Verwendung des Thermistormaterials, das unabhängig auf eine erhöhte Empfindlichkeit optimiert werden kann.
Nach einem anderen Aspekt können die erste Zwischenschicht und die zweite Zwischenschicht ein chemisch ähnliches Material aufweisen oder aus einem solchen bestehen. Chemisch ähnliches Material kann zwei Oxidmaterialien desselben Metalls bedeuten. Das Oxid kann zum Beispiel Siliziumoxid sein. Gemäß diesem Aspekt kann die erste Zwischenschicht einen höheren Kristallinitätsgrad aufweisen oder Kristallite mit einer größeren durchschnittlichen Größe als die zweite Zwischenschicht enthalten. Auch kann die zweite Zwischenschicht amorpher sein als die erste Zwischenschicht.
Durch größere Kristallite oder einen höheren Kristallinitätsgrad im Allgemeinen kann die Wärmeleitfähigkeit bei vielen oder den meisten Materialien im Vergleich zu einem hochdispersen Material mit kleinen Kristalliten oder einem amorphen Material erheblich verbessert werden. Im Falle von Siliziumoxid als Material für die Zwischenschichten kann die zweite Zwischenschicht aus amorphem oder glasartigem Siliziumoxid bestehen, während die erste Zwischenschicht aus polykristallinem Siliziumoxid mit größeren Kristalliten bestehen kann. Siliziumoxidmaterialien lassen sich leicht auf Siliziumwafersubstraten herstellen und sind daher für die Bildung der Zwischenschicht vorteilhaft.
Alternativ oder zusätzlich zu dem oben genannten kann die Wärmeleitfähigkeit auch auf chemischem Wege, beispielsweise durch Dotierung, eingestellt werden.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt können die Mittel zum Beheizen sowohl der ersten als auch der zweiten Zwischenschicht eine Anordnung von einem oder mehreren mäanderförmig gewickelten Leitern innerhalb einer Raumebene sein. Dies bedeutet, dass ein Heizmäander als erstes und/oder zweites Mittels zum Beheizen ausgebildet sein kann.
Das Sensorsystem kann vorzugsweise eine Energiequelle zum Erhitzen des ersten Mittels zum Beheizen umfassen. Ferner kann es eine Elektronik umfassen, die die Beheizung regelt.
Weiterhin sind in dem Sensorsystem vorzugsweise Kontakte und eine Elektronik zum Auslesen des ersten und des zweiten Thermistors vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt, der oben bereits teilweise angesprochen wurde, sind die Mittel zum Beheizen, die auch eine Stromversorgung für die ersten Mittel zum Beheizen umfassen, und die zweiten Mittel zum Beheizen zusammen mit einer Stromversorgung für die zweiten Mittel zum Beheizen dazu ausgebildet, den ersten Thermistor und den zweiten Thermistor auf unterschiedliche Temperaturen zu bringen. Dies kann bedeuten, dass während des Betriebs des Sensorsystems das erste Mittel zum Beheizen in der Lage ist, dem ersten Thermistor eine andere Temperatur zuzuführen als das zweite Mittel zum Beheizen dem zweiten Thermistor.
In einer typischen Messkonfiguration fungiert beispielsweise einer der beiden Thermistoren als Messsensor und der andere als Referenzsensor. Der zweite Thermistor kann zum Beispiel auf eine höhere Temperatur als der erste Thermistor aufgeheizt werden. In einer solchen Konfiguration kann der zweite Sensor als Messsensor fungieren, wobei der zweite Thermistor bei einer Änderung der Atmosphärenzusammensetzung eine höhere Temperaturänderung des Thermistors erfährt als der erste Thermistor. Dementsprechend kann der erste Sensor eine nur geringfügig veränderte Basislinie liefern, während der zweite Sensor bei einer Änderung der Gaszusammensetzung ein empfindliches und intensives Messsignal liefern kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt haben die Erfinder herausgefunden, dass vorzugsweise die erste Zwischenschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 5 W/(m·K) oder mehr und die zweite Zwischenschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 1,4 W/(m·K) oder weniger aufweist.
In diesem Fall besteht die erste Zwischenschicht beispielsweise aus kristallinerem Siliziumoxidmaterial, während die zweite Zwischenschicht aus amorphem oder polykristallinem Siliziumoxidmaterial wie einer thermischen Siliziumoxidschicht hergestellt werden kann. Die thermische Siliziumoxidschicht hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1,4 W/(m-K).
Vorzugsweise ist der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit noch größer. Es ist bevorzugt, dass die zweite Zwischenschicht eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit von 1,4 W/(m·K) oder weniger aufweist, da thermisches Siliziumoxid leicht auf einem Siliziumwafer hergestellt werden kann. Es ist jedoch bevorzugt, dass eine Wärmeleitfähigkeit von 10 W/(m·K) oder mehr, von 20 W/(m·K) oder mehr oder von 50 W/(m·K) oder mehr erreicht wird, z.B. durch Erhöhung der Kristallinität der ersten Zwischenschicht. Die Erfinder haben insbesondere bei einer Ausführungsform mit einer ersten Zwischenschicht und einer zweiten Zwischenschicht festgestellt, dass die Empfindlichkeit umso mehr verbessert werden kann, je höher die Wärmeleitfähigkeit der ersten Zwischenschicht ist.
Darüber hinaus wird ein alternatives Sensorsystem bereitgestellt, dessen Merkmale mit den oben erwähnten Merkmalen kombiniert werden können oder auch nicht. Dieses Sensorsystem umfasst einen ersten Sensor mit einem ersten Thermistor zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses und ein erstes Mittel zum Beheizen des ersten Thermistors. Eine erste Zwischenschicht ist zwischen dem ersten Thermistor und dem ersten Mittel zum Beheizen angeordnet. Ein ähnlicher Aufbau ist in dem Sensorsystem für den zweiten Sensor vorhanden, der einen zweiten Thermistor zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses und ein zweites Mittel zum Beheizen des zweiten Thermistors sowie eine zweite Zwischenschicht zwischen dem zweiten Thermistor und dem zweiten Mittel zum Beheizen aufweist. In der zweiten Anordnung haben sowohl die erste als auch die zweite Zwischenschicht eine Wärmeleitfähigkeit von über 1,4 W/(m·K).
Dieser Aspekt kann noch weiter verallgemeinert werden, da es bevorzugt ist, dass beide Zwischenschichten eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als in Sensoren des Standes der Technik, wie beispielsweise in der oben erwähnten US-Patentanmeldung US 2019/35607 A1 . Eine Wärmeleitfähigkeit von 1,4 W/(m·K) oder mehr ist ein Beispiel, bei dem die Zwischenschicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die technisch üblichen Zwischenschichten oder Isolationsschichten.
In der Fachwelt wird seit langem davon ausgegangen, dass beide Zwischenschichten hoch wärmeisolierend sein sollten, d. h. eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen sollten, um eine Temperaturänderung in der Thermistorschicht zu verstärken und so die Empfindlichkeit zu verbessern.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch festgestellt, dass der Stand der Technik bei Thermistoren höhere Wärmeleitfähigkeiten zulässt, ohne dass sich die Empfindlichkeit in unannehmbarer Weise verschlechtert, was jedoch zu einer deutlichen Verbesserung der Ansprechzeit eines Thermistors führen kann.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass zum Beispiel ein stationärer Zustand für einen Thermistor schneller erreicht wird, wenn die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Mittel zum Beheizen und dem Thermistor hoch ist. Dies bedeutet, dass nach einer ersten Änderung der Messumgebung, z. B. einer Änderung der Konzentration des Detektionsmittels, ein stationärer Zustand schneller erreicht wird, wenn die Wärmeleitfähigkeit einer Zwischenschicht hoch ist. Dies bedeutet, dass der Sensor in der Lage ist, eine zweite Änderung schneller zu erkennen und entsprechend in der Lage ist, zwei aufeinander folgende Änderungen besser voneinander zu unterscheiden als ein Sensorsystem mit thermisch isolierenden Zwischenschichten.
Dieser alternative Aspekt kann vorzugsweise mit dem anderen oben beschriebenen Aspekt kombiniert werden, da der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Wärmeleitpfad im ersten und zweiten Sensor eine zusätzliche Empfindlichkeit bietet, die dazu genutzt werden kann, einen Empfindlichkeitsverlust bei einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit beider Zwischenschichten zumindest teilweise zu kompensieren. Dementsprechend wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Wärmeleitfähigkeit beider Zwischenschichten höher als 1,4 W/(m·K) ist und zusätzlich die erste Zwischenschicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die zweite Zwischenschicht aufweist.
Vorzugsweise haben die erste und die zweite Zwischenschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W/(m·K) oder mehr. Noch bevorzugter ist es, dass sie eine Wärmeleitfähigkeit von 5 W/(m·K) oder mehr, von 10 W/(m·K) oder mehr oder sogar von 50 W/(m·K) oder mehr haben. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto höher kann die Ansprechzeit des Sensorsystems sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Sensorarray bereitgestellt, das mindestens zwei der oben beschriebenen Sensorsysteme umfasst. In einem solchen Array können die verschiedenen Sensorsysteme so konfiguriert sein, dass sie unterschiedliche Detektanten erkennen. Dementsprechend können mehrere der Sensorsysteme in Kombination mit einer Elektronik die Verfolgung mehrerer Gase in einem Gemisch ermöglichen, beispielsweise in einer Fingerabdruck-ähnlichen Art und Weise, die optional einen Vergleich mit einer vorab aufgezeichneten Kalibrierungsdatenbank beinhaltet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Verwendung eines Sensorsystems gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt, wobei der erste und der zweite Sensor auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt werden und wobei einer der Sensoren als Messsensor und der andere als Referenzsensor fungiert. Es ist nicht beschränkt, ob der erste oder der zweite Sensor ein Referenz- oder Erfassungssensor ist. Diese Wahl kann davon abhängen, welche Art von Gas detektiert werden soll oder, allgemeiner ausgedrückt, welche Art von Veränderung aufgezeichnet werden soll. Sie kann davon abhängen, ob die erfasste Veränderung eher den Wärmefluss vom Sensor erhöht oder ob sie einen Wärmefluss zum Sensor erzeugt oder den Wärmefluss vom Sensor verringert.
Dabei wird das Sensorsystem einer Gasatmosphäre ausgesetzt, die einen Detektant enthält, und daraufhin wird eine Differenz in der Temperaturänderung zwischen dem Messsensor und dem Referenzsensor im Vergleich zu einer stationären (engl. steady state) Reaktion beider Sensoren in einer Referenzgasatmosphäre ohne Detektionsmittel gemessen, oder ein Vergleich beider Sensorsignale ist indikativ für die Änderung in der Gasatmosphäre. Alternativ kann die Referenzgasatmosphäre auch ein Detektionsmittel in konstanter Konzentration enthalten, und es kann eine Änderung der Detektionskonzentration vorliegen, die z. B. eine Zunahme oder eine Abnahme ist.
Wie oben erläutert, ist es in vielen Fällen, wie z.B. bei der Detektion von CO2, bevorzugt, dass der zweite Sensor der Messsensor und der erste Sensor der Referenzsensor ist. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass der zweite Sensor auf eine höhere Temperatur als der erste Sensor erhitzt wird. Zum Beispiel kann der erste Sensor auf eine Temperatur zwischen 100°C und 200°C erhitzt werden. Der zweite Sensor kann auf eine Temperatur von mehr als 200°C erhitzt werden, z. B. auf eine Temperatur zwischen 250°C und 350°C. Zum Beispiel kann der erste Sensor auf eine Temperatur von 150°C und der zweite Sensor auf eine Temperatur von 300°C erhitzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf schematische Figuren und experimentelle Daten näher beschrieben. Bei den schematischen Darstellungen ist zu beachten, dass die Bauteile nicht maßstabsgetreu, sondern nur schematisch dargestellt sind. Dementsprechend können die Bauteile in ihrer Größe, ihren Längen oder Längenverhältnissen verzerrt dargestellt sein. Dementsprechend dürfen die Längen oder Längenverhältnisse nicht aus den schematischen Zeichnungen entnommen werden.

1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
2 zeigt rechnerisch simulierte Daten der Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen CO₂-Gaskonzentrationen in einer Testatmosphäre in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit bei 300°C Heiztemperatur.
3 zeigt die rechnerisch simulierten Daten der Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen CO₂-Gaskonzentrationen in einer Testatmosphäre in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit bei 150°C Heiztemperatur.
4 zeigt die rechnerisch simulierten Daten der Empfindlichkeit der CO₂-Gasdetektion für Thermistoren, die auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt werden, in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit.

1 zeigt eine erste Darstellung eines Sensorsystems 1. Das Sensorsystem 1 umfasst zwei Sensoren, einen ersten Sensor 1 und einen zweiten Sensor 9. Der erste Sensor 1 umfasst einen ersten Thermistor 2, der mit Kontakten 3 des ersten Thermistors 2 zum Auslesen des ersten Sensors verbunden ist.
Darüber hinaus umfasst der erste Sensor 1 eine erste Heizmäanderschicht 6 als erstes Mittel zum Beheizen. Die erste Heizmäanderschicht 6 ist auf einem ersten Substrat 8 angeordnet. Das erste Substrat 8 kann eine weitere Isolierschicht umfassen, die zwischen dem Volumenmaterial (engl. Bulkmaterial) des Substrats und der Heizmäanderschicht 6 angeordnet ist (nicht abgebildet). Darüber hinaus umfasst die erste Heizmäanderschicht 6 zwei Außenkontakte 7, über die die erste Heizmäanderschicht 6 elektrisch kontaktiert und mit Strom versorgt werden kann. Zwischen der ersten Heizmäanderschicht 6 und dem ersten Thermistor 2 ist die erste Zwischenschicht 4 angeordnet.
Der zweite Sensor 9 umfasst ein zweites Substrat 16, das als gemeinsames Substrat mit dem ersten Substrat 8 dargestellt ist. Alternativ können die Substrate auch getrennte Substrate sein. Ansonsten ist der Aufbau des zweiten Sensors 9 ähnlich dem des ersten Sensors 1. Auf einer zweiten Zwischenschicht 12 ist ein zweiter Thermistor 10 angeordnet, der durch die Kontakte 11 des zweiten Thermistors 10 elektrisch kontaktiert wird. Unterhalb der zweiten Zwischenschicht 12 ist eine zweite Heizmäanderschicht 14 als zweites Mittel zum Beheizen vorgesehen. Die zweite Heizmäanderschicht 14 ist auf dem zweiten Substrat 16 angeordnet. Die zweite Heizmäanderschicht 14 umfasst auch Mittel zur Kontaktierung (externe Kontakte 15), um die zweite Heizmäanderschicht 14 mit Strom zu versorgen.
Bei den Substraten 8 oder 16 kann es sich um jedes geeignete Substrat handeln, z. B. um ein Siliziumsubstrat wie einen Siliziumwafer.
Die Heizmäanderschichten 6 bzw. 14 sind in der Lage, Wärme an den jeweiligen Thermistor 2 bzw. 10 zu liefern. Die Wärme wird von der jeweiligen Heizmäanderschichten 6 bzw. 14 durch die jeweilige Zwischenschicht 4 bzw. 12 zu dem jeweiligen Thermistor 2 bzw. 10 geleitet. Dies kann als der Wärmeleitpfad in dem jeweiligen Sensor identifiziert werden.
Bei den Thermistoren 2 oder 10 handelt es sich um NTC-Thermistoren, die jedoch in Variationen dieser Ausführungsform aus jedem geeigneten Thermistormaterial, wie z. B. einem PTC-Thermistor, bestehen können.
Die erste Zwischenschicht 4 und die zweite Zwischenschicht 12 bestehen aus Siliziumoxid als Hauptmaterial, doch können Variationen dieser Ausführungsform jedes technisch geeignete Material für eine Zwischenschicht enthalten.
Die erste Zwischenschicht 4 hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die zweite Zwischenschicht 12. Dadurch hat der Wärmeleitpfad zwischen der ersten Heizmäanderschicht 6 und dem ersten Thermistor eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der andere Wärmeleitpfad zwischen der zweiten Heizmäanderschicht 14 und dem zweiten Thermistor 10. Insbesondere kann die zweite Zwischenschicht 12 aus polykristallinem Siliziumoxidmaterial mit feineren Kristalliten als die erste Schicht bestehen. Auch kann die zweite Zwischenschicht 12 mehr amorphes Siliziumoxidmaterial enthalten als die erste Zwischenschicht 4. Dementsprechend hat die erste Zwischenschicht 4 vorzugsweise einen höheren Kristallinitätsgrad oder im Durchschnitt größere Kristallitgrößen als die zweite Zwischenschicht 12. Auf diese Weise ist die Wärmeleitfähigkeit der ersten Zwischenschicht höher als die der zweiten Zwischenschicht. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Zwischenschicht 12 1,4 W/(m·K) oder weniger betragen, während die erste Zwischenschicht 4 eine Wärmeleitfähigkeit von über 1,4 W/(m·K) aufweist. Besonders bevorzugt hat die erste Zwischenschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 5 W/(m·K) oder mehr.
Darüber hinaus kann optional auch das Thermistormaterial des ersten Thermistors 2 eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als das Thermistormaterial des zweiten Thermistors 10, wodurch die Wärmeleitfähigkeit weiter erhöht werden kann.
In einer Anwendung ist es bevorzugt, dass der zweite Sensor 9 als Messsensor verwendet wird, während der erste Sensor 1 als Referenzsensor verwendet wird. Ist die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitpfades des zweiten Sensors 9 kleiner als die des ersten Sensors 1, so wird der zweite Sensor 9 von einer Änderung der zu detektierenden Umgebung stärker beeinflusst als der erste Sensor 1.
Die 2 und 3 zeigen computer-berechnete Diagramme für die an einem Thermistor gemessene Temperaturdifferenz bei zwei verschiedenen atmosphärischen CO₂-Konzentrationen, nämlich 9000 ppm und 1000 ppm an CO₂, in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit einer Isolierschicht. 2 bezieht sich auf eine erhöhte Temperatur von 300 K, die vorteilhafterweise als Betriebstemperatur des Messsensors verwendet wird. In 3 ist das Diagramm für die Temperatur von 150°C dargestellt, die vorteilhaft als Betriebstemperatur für einen Referenzsensor verwendet wird.
In beiden Fällen zeigen die einzelnen Graphen, dass bei niedriger Wärmeleitfähigkeit von unter 5 W/(m·K) die Temperaturdifferenz des Thermistors am höchsten ist, während bei der maximal berechneten Wärmeleitfähigkeit von 20 W/(m·K) die Temperaturdifferenz am geringsten ist.
Bei einem Sensorsystem nach dem Stand der Technik würde man für beide Zwischenschichten die gleiche Wärmeleitfähigkeit wählen. Nimmt man an, dass in einem solchen Fall beide Zwischenschichten die gleiche Wärmeleitfähigkeit von 5 W/(m·K) haben, so ergibt sich beim Vergleich der 2 und 3 ein Unterschied im Ansprechverhalten der jeweiligen bei 300 bzw. 150 °C betriebenen Sensoren von etwa 0,1 K.
Dieser Unterschied kann jedoch noch größer werden, wenn der auf 300 °C aufgeheizte Messsensor eine niedrige Wärmeleitfähigkeit wie unter 5 W/(m·K) oder sogar noch niedriger, z. B. so niedrig, wie 1,5 W/(m·K), aufweist, während der auf 150°C aufgeheizte Referenzfühler eine hohe Wärmeleitfähigkeit, z. B. über 5 W/(m-K), 10 W/(m-K), 15 W/(m·K) oder 20 W/(m·K), aufweist. Die genauen Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit lassen sich durch den Vergleich der beiden Kurven in den 2 und 3 direkt ermitteln. Wie aus den Diagrammen ebenfalls ersichtlich ist, kann jedoch bereits der geringste Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit zu einer graduellen Vergrößerung des Unterschieds zwischen Mess- und Referenzsensor führen. Wenn beispielsweise der Messsensor (zweiter Sensor) bei 300 °C betrieben wird und die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Zwischenschicht im Bereich von 3 W/(m·K) liegt, während der Referenzsensor (erster Sensor) bei 150°C betrieben wird und die Wärmeleitfähigkeit der ersten Zwischenschicht 20 W/(m·K) beträgt, kann ein Unterschied in der erfassten Temperaturdifferenz von nahezu 0,16 K zwischen beiden Sensoren erzielt werden. Dementsprechend kann das Messsignal im Vergleich zum obigen Vergleich um etwa 40 % verbessert werden.
In 4 ist eine ähnliche Darstellung für die Simulation der Wärmeleitfähigkeit des Thermistormaterials für einen Sensor bei 150°C (untere acht Punkte) gegen die Wärmeleitfähigkeit bei 300°C (obere acht Punkte) gezeigt. Es zeigt sich, dass die Empfindlichkeit, gemessen in K/ppm des detektierten Gases (CO₂) , für den Messsensor (betrieben bei 300°C) mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit des Thermistormaterials abnimmt. Bei 150°C bleibt die Empfindlichkeit jedoch bis etwa 12,5 W/(m·K) im Wesentlichen gleich, aber bei 15 W/(m·K) wird ein Sprung in der Empfindlichkeit für den bei 150°C betriebenen Referenzsensor beobachtet. Damit ist auch hier bewiesen, dass es vorteilhaft ist, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit für das zweite Thermistormaterial, aber eine hohe Wärmeleitfähigkeit für das erste Thermistormaterial zu haben.
Es ist vorteilhaft, die in den 2 und 3 sowie in 4 beschriebenen Ergebnisse zu kombinieren.
In einer alternativen Ausführungsform, die nicht gesondert dargestellt ist, die aber den gleichen Schichtaufbau wie für 1 beschrieben aufweisen kann, haben sowohl die erste Zwischenschicht 4 als auch die zweite Zwischenschicht 12 eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1,5 W/(m·K), wie beispielsweise 2 W/(m·K) oder noch bevorzugter 5 W/(m·K) oder höher. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit die Ansprechzeit des Sensors erhöht wird. Insbesondere wird bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit ein stationärer Zustand viel schneller erreicht. Dementsprechend kann der Sensor zusätzliche Änderungen der Gaszusammensetzung viel schneller erkennen.
Wenn der Thermistor empfindlich genug ist, ist es möglich, dass beide Zwischenschichten die gleiche hohe Wärmeleitfähigkeit haben. Wie oben beschrieben, ist jedoch das Vorhandensein unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten zu bevorzugen, wodurch ein Empfindlichkeitsverlust aufgrund einer insgesamt erhöhten Wärmeleitfähigkeit für beide Sensoren teilweise kompensiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: erster Sensor
2: erster Thermistor
3: Kontakte des ersten Thermistors
4: erste Zwischenschicht
6: erste Heizmäanderschicht
7: Außenkontakte der ersten Heizmäanderschicht
8: erstes Substrat
9: zweiter Sensor
10: zweiter Thermistor
11: Kontakte des zweiten Thermistors
12: zweite Zwischenschicht
14: zweite Heizmäanderschicht
15: Außenkontakte der zweiten Heizmäanderschicht
16: erstes Substrat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2019/35607 A1 [0003, 0028]

Claims

Sensorsystem umfassend einen ersten Sensor (1), der einen ersten Thermistor (2) zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses und ein erstes Mittel zum Beheizen des ersten Thermistors (2) umfasst, einen zweiten Sensor (9), der einen zweiten Thermistor (10) zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses und ein zweites Mittel zum Beheizen des zweiten Thermistors (10) umfasst, wobei der Wärmeleitpfad zwischen dem ersten Mittel zum Beheizen und dem ersten Thermistor (2) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Wärmeleitpfad zwischen dem zweiten Mittel zum Beheizen und dem zweiten Thermistor (10) .
Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmeleitpfad zwischen dem ersten Mittel zum Beheizen und dem ersten Thermistor (2) den ersten Thermistor (2) selbst umfasst und der Wärmeleitpfad zwischen dem zweiten Mittel zum Beheizen und dem zweiten Thermistor (10) den zweiten Thermistor (10) selbst umfasst, wobei der erste Thermistor (2) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der zweite Thermistor (10) aufweist.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmeleitpfad zwischen dem ersten Mittel zum Beheizen und dem ersten Thermistor (2) eine erste Zwischenschicht (4) umfasst, die zwischen dem ersten Mittel zum Beheizen und dem ersten Thermistor (2) angeordnet ist, und wobei der Wärmeleitpfad zwischen dem zweiten Mittel zum Beheizen und dem zweiten Thermistor (10) eine zweite Zwischenschicht (12) umfasst, die zwischen dem Mittel zum Beheizen und dem zweiten Thermistor (10) angeordnet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 3, wobei die erste Zwischenschicht (4) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die zweite Zwischenschicht (12).
Sensorsystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Zwischenschicht (4) und die zweite Zwischenschicht (12) ein chemisch ähnliches Material umfassen, und wobei die erste Zwischenschicht (4) einen höheren Kristallinitätsgrad aufweist und/oder Kristallite mit einer größeren durchschnittlichen Größe umfasst als die zweite Zwischenschicht (12).
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste und die zweite Zwischenschicht (12) aus einem Siliziumoxidmaterial bestehen.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mittel zum Beheizen eine Anordnung aus einem oder mehreren innerhalb einer räumlichen Ebene mäanderförmig gewickelten Leitern sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Mittel zum Beheizen zusammen mit einer Stromversorgung für das erste Mittel zum Beheizen und das zweite Mittel zum Beheizen zusammen mit einer Stromversorgung für das zweite Mittel zum Beheizen so konfiguriert sind, dass sie unter konstanten Bedingungen oder stationären Bedingungen dem ersten Thermistor (2) und dem zweiten Thermistor (10) unterschiedliche Temperaturen zuführen.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die erste Zwischenschicht (4) eine Wärmeleitfähigkeit von 5 W/(m·K) oder mehr aufweist und die zweite Zwischenschicht (12) eine Wärmeleitfähigkeit von 1,4 W/(m·K) oder weniger aufweist.
Sensorsystem umfassend einen ersten Sensor (1), der einen ersten Thermistor (2) zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses, ein erstes Mittel zum Beheizen des ersten Thermistors (2) und eine erste Zwischenschicht (4) zwischen dem ersten Thermistor (2) und dem ersten Mittel zum Beheizen umfasst, einen zweiten Sensor (9), der einen zweiten Thermistor (10) zum Erfassen einer Änderung des Wärmeflusses, ein zweites Mittel zum Beheizen des zweiten Thermistors (10) und eine zweite Zwischenschicht (12) zwischen dem zweiten Thermistor (10) und dem zweiten Mittel zum Beheizen umfasst, wobei die erste Zwischenschicht (4) und die zweite Zwischenschicht (12) eine Wärmeleitfähigkeit von über 1,4 W/(m·K) aufweisen.
Sensorsystem nach Anspruch 10, wobei die Wärmeleitfähigkeit der beiden Zwischenschichten höher als 2 W/(m-K) ist.
Sensorsystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Wärmeleitfähigkeit der ersten Zwischenschicht (4) und der zweiten Zwischenschicht (12) die gleiche ist.
Sensoranordnung mit mindestens zwei Sensorsystemen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die so konfiguriert sind, dass sie unterschiedliche Detektionsmittel erkennen.
Verfahren zur Verwendung eines Sensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste Sensor (1) und der zweite Sensor (9) auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt werden, und wobei einer der Sensoren als Messsensor und der andere Sensor als Referenzsensor fungiert, und wobei das Sensorsystem einer Gasatmosphäre ausgesetzt wird, die einen Detektanten enthält, wobei eine Differenz in der Temperaturänderung zwischen dem Messsensor und dem Referenzsensor gemessen wird, wenn das Verhalten mit einer stationären Reaktion beider Sensoren in einer Referenzgasatmosphäre, welche frei vom Detektanten ist, verglichen wird.