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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung eines Gases mittels einer Wärmeleitfähigkeitsmessung sowie ein Herstellungsverfahren und ein Betriebsverfahren für einen derartigen Gassensor.
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Stand der Technik
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Zum Nachweis von Gasen stehen verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen physikalischen und/oder chemischen Erfassungsmethoden zur Verfügung. So können mittels Metalloxid-Leitfähigkeitssensoren, ChemFET-Sensoren oder optischer Sensoren sowohl Konzentrationen als auch die Anwesenheit bestimmter Gase oder Gasteile erfasst werden.
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Zur Erfassung von leichten Gasen wie Wasserstoff und Helium eignen sich ebenfalls Wärmeleitfähigkeitssensoren, da sich deren Wärmeleitfähigkeit aufgrund des geringeren molekularen Gewichts stark von anderen Gasen in der Luft unterscheiden.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll ein vereinfachter Aufbau eines Gassensors beschrieben werden, bei dem gezielt lediglich die notwendigen Erfassungsmittel zum Nachweis der Gaszusammensetzung verwendet werden soll.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor zur Erfassung einer physikalischen und/oder chemischen Größe eines Analysegases sowie ein entsprechendes Herstellungs- und Betriebsverfahren beansprucht. Dabei wird bei dem Gassensor das Prinzip einer Wärmeleitfähigkeitsmessung mittels einer heizbaren Sensorstruktur verwendet, welches aus einer Doppelmäanderstruktur mit zwei Widerstandsleitungen als Teil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung auf einer Membran eines Substrats besteht. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass die beiden Widerstandsleitungen in entgegen gesetzter Richtung in Abhängigkeit der erfassten Temperatur bestromt werden. Die physikalische und/oder chemische Größe des Analysegases wird anschließend in Abhängigkeit der an der Doppelmäanderstruktur erfassten Spannungen bestimmt.
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Durch die gegensätzliche Bestromung der Doppelmäanderstruktur wird das Ausgangssignal gegenüber einer einfachen Mäanderstruktur verdoppelt, so dass die benötigte Fläche für das eigentliche Sensorelement geringer ausfallen kann.
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In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass unterhalb der Membran eine Kaverne in dem Substrat erzeugt wird. Indem die Membran für das zu analysierende Analysegas oder zumindest für den zu analysierenden Teil des Analysegases durchlässig ist, lässt sich ein Hohlraum definieren, in dem sich gezielt das zu analysierende Gas eindiffundiert.
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Eine Weiterbildung der Erfindung enthält zusätzlich zur ersten Doppelmäanderstruktur eine zweite Doppelmäanderstruktur auf einer von der ersten Membran getrennten zweiten Membran. Dabei ist vorgesehen, dass die zweite Doppelmäanderstruktur einen anderen Widerstandswert als die erste Doppelmäanderstruktur hat, vorzugsweise einen größeren. Mit der Verwendung beispielsweise der gleichen Stromstärke für die Bestromung beider Doppelmäanderstrukturen lassen sich unterschiedliche Temperaturen realisieren, wodurch sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeabgabe an das Gas eine Nichtlinearität des Gases erfassen lässt.
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Optional ist auch möglich eine Doppelreferenzmäanderstruktur zu wenigstens einer der Doppelmäanderstruktur hinzuschalten. Hierzu wird die Doppelreferenzmäanderstruktur abseits der Doppelmäanderstruktur ebenfalls auf das Substrat aufgebracht und mit dieser in Reihe geschalten. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Doppelreferenzmäanderstruktur nicht auf einer Membran aufgebracht ist.
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Zur Stressentkopplung kann die Membran und/oder die Kaverne in einer Struktur des Substrats erzeugt werden, welche vom restlichen Substrat beziehungsweise von einem Rahmen des Substrats entkoppelt ist. Diese Entkopplung kann beispielsweise mittels einer Brücke erfolgen, die aus dem Substrat herausstrukturiert worden ist. Dabei kann die Brücke in lateraler Richtung eine gestufte Ausgestaltung aufweisen, so dass laterale Spannungen (zum Beispiel aufgrund mechanischer Verbiegungen oder unterschiedlicher thermischer Eigenschaften der Bestandteile) vom Rahmen nicht auf die entkoppelte Struktur übertragen werden. Über die Brücken können zudem die elektrischen Zuleitungen für die Widerstandsleitungen geführt werden.
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Um das Sensorelement beziehungsweise die Sensorstruktur bestehend aus Membran und Doppelmäanderstruktur oder insgesamt die entkoppelte Struktur gegenüber der Umgebung abzuschotten, kann zusätzlich ein Kappenelement vorgesehen sein, welches vorzugsweise auf dem Rahmen aufgebracht ist.
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Optional kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, der die Temperatur des Substrats, der Membran und/oder des Analysegases erfasst. Die so erfasste Temperaturgröße kann ebenfalls bei der Bestimmung der physikalischen und/oder chemischen Größe berücksichtigt werden, zum Beispiel indem der Einfluss der Substrattemperatur bei der Bestimmung kompensiert wird.
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Mit dem Gassensor beziehungsweise dem Auswerteverfahren lässt sich die Gaszusammensetzung des Analysegases, ein bestimmten Bestandteil des Gases oder generell die Wärmeleitfähigkeit des Analysesgases bestimmen. Dabei lassen sich insbesondere leichte Gase wir Wasserstoff oder Helium bestimmen.
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Über eine zusätzliche Auswerte- und oder Steuereinheit kann der Gassensor gesteuert werden, die Sensorsignale plausibilisiert werden (zum Beispiel auf Toleranzen hin geprüft werden) sowie generell eine Signalaufbereitung erfolgen. Optional können statt den auf dem Sensorelement vorgesehenen Temperatursensor auch externe Temperatursignale zur Auswertung verwendet werden.
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Der vorstehend ausgeführte Gassensor kann bei allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine Wasserstofferkennung vorgesehen ist, insbesondere bei einem Betrieb der Anwendung mit einem Wasserstoff-Generator/einer Brennstoffzelle. Denkbar ist dabei der Einsatz bei Automobilanwendungen, bei Zweirädern, wie zum Beispiel Motorrad-, Fahrrad- oder Roller-Applikationen aber auch bei Dreirädern wir zum Beispiel einem TukTuk eingesetzt werden. Darüber hinaus kann der Gassensor im Avionik-Bereich, bei Anwendungen für Haus und Garten sowie in Consumer-Applikationen eingesetzt werden. Hierbei kann der Gassensor in Smartphones, Tablet, Wearables, Hearables, Drohnen, Spielzeugen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind zahlreiche Ausgestaltungen, Änderungen, Modifikationen, Abweichungen, Variationen und Ausführungsformen möglich, die alle in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Figurenliste
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- In der 1 wird schematisch ein erster Aufbau eines erfindungsgemäßen Gassensors in Form eines Querschnitts gezeigt. Ein alternativer Aufbau ist in 2 dargestellt. Die 3 zeigt eine Aufsicht auf den Gassensor. Mit der 4 wird ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine Doppelreferenzmäanderstruktur vorgesehen ist. In der 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine zweite Doppelmäanderstruktur vorgesehen ist. Das Flussdiagramm der 6 zeigt eine mögliches Herstellungsverfahr sowie 7 eine Skizze eines Zwischenschritts eines alternatives Herstellungsverfahrens. Die 8 stellt schematisch eine Auswertung des Gassensors dar.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Bei der Ausgestaltung des beanspruchten Gassensors gibt es verschiedene Varianten, die in beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt sind. Beiden Ausführungen ist gemein, dass eine zentrale Struktur 130 beziehungsweise 135 aus einem Substrat 100 beziehungsweise 200 herausstrukturiert worden ist. Bei der Verwendung eines Halbleitersubstrats 100 beziehungsweise 200 erfolgt dabei sowohl das Strukturieren als auch die Erzeugung der anderen Elemente/Komponenten des Gassensors mittels gängiger mikromechanischer Verfahren wie beispielsweise Trenchätzen, Opferschichtätzen sowie Epitaxiemethoden.
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Die Ausführung gemäß der 1 stellt einen Querschnitt durch den Gassensor gemäß der Linie AA der Aufsichtsdarstellung der 3 dar und beinhaltet ein Halbleitersubstrat 100, in welchem eine Ausnehmung 150 erzeugt worden ist, die durch das ganze Substrat 100 hindurch verläuft. Innerhalb der Ausnehmung 150 wurde eine zentrale Struktur 130 stehen gelassen, in der sowohl eine Kaverne 120 mit einer darüber befindlichen Membran 110 erzeugt worden ist. Die Membran 110 kann dabei derart ausgestaltet sein, dass sie für das zu erfassende Gas durchlässig ist. Auf der Membran 110 und gegebenenfalls abseits der Membran 110 auf der Oberseite der Struktur 130 vorgesehenen Widerstandsleitungen werden anschließend erzeugt (siehe hierzu die nachfolgende Beschreibung unter anderem zu den 3 bis 5). Zur mechanischen Anbindung, aber auch gleichzeitig zur Stress- und Schwingungsentkopplung ist eine Brücke 140 vorgesehen, die die Struktur 130 mit dem Rand des Substrats 100 verbindet. Wie aus der Aufsicht in 3 ersichtlich ist, weist diese Brücke 140 eine stufenförmige Form auf, so dass laterale Spannungen, die sich aufgrund von thermischen oder mechanischen Effekten auf dem Substrat 100 ergeben, nicht auf das eigentliche Sensorelement auf der Struktur 130 übertragen werden. Statt einer gestuften Form kann die Brücke 140 auch eine geschwungene Form aufweisen. In der 3 wird die Anbindung der Struktur 130 lediglich über eine einseitige Anbindung an den Rahmen 100 realisiert. Alternativ kann auch eine zwei- oder dreiseitige Anbindung erfolgen, insbesondere in symmetrisierter Form. Über diese Brücke 140 können neben der mechanischen Halterung der Struktur 130 auch die elektrischen Zuleitungen für die Widerstandsleitungen geführt werden. Die Brücke 140 weist in dem Beispiel der 1 eine gleiche oder ähnliche vertikale Ausdehnung wie die Struktur 130 auf. Dies hat den Vorteil, dass die Brücke 140 stabil genug zur Halterung der freigestellten Struktur 130 ist und gleichzeitig genug Masse aufweist, um laterale Schwingungen oder Spannungen aufzufangen. Optional kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die vertikale Ausdehnung der Brücke 140 geringer oder größer als diejenige Ausdehnung der Struktur 130 ist.
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In der 1 wird zusätzlich schematisch der weitere Aufbau des Gassensors beschrieben. Hierbei wird das fertig prozessierte Substrat 100 auf einen Trägerelement 170 aufgebracht. Das beabstandete Aufbringen zur Sicherung eines Abstands der Struktur 130 vom Trägerelement 170 erfolgt dabei beispielsweise über Sealglas 160. Optional kann hier auch eine Kontaktierung zwischen dem Substrat 100 und dem Trägerelement 170 erfolgen, so dass die elektrischen Zuleitungen für die Widerstandsleitungen weitergeführt werden können. Oberhalb des Substrats 100 ist im Beispiel der 1 eine Kappe 180 dargestellt, die sowohl zum Schutz für das Sensorelement als auch für die Zuführung des Gases verwendet werden kann. Hierzu ist die Kappe vorzugsweise ebenfalls aus einem Halbleitersubstrat herausstrukturiert und über eine entsprechende Verbindung 195 mit dem Rand des Substrats 100 insbesondere druckdicht verbunden. Die Kappe weist dabei oberhalb des eigentlichen Sensorelements der Struktur 130 eine mit einer Ausnehmung versehene weitere Kappenstruktur 185 auf, die von der Struktur 130 und insbesondere von der Doppelmäanderstruktur mit einem Abstand von 1 bis 10 µm beabstandet ist, so dass das Analysegas von der seitlich, oberhalb der Ausnehmung 150 befindlichen Zuführungsöffnung 155 in der Kappe an die Sensorstruktur gelangen kann. Vorteilhafterweise weist die weitere Kappenstruktur 185 zusätzlich eine weitere Ausnehmung oberhalb der Membran 110 auf, um ein weiteres Gasvolumen in der Nähe der Sensorstruktur beziehungsweise der Doppelmäanderstruktur zur Verfügung zu stellen. Um das Eindringen von Partikel oder anderen schädigenden Stoffen zu verhindern, kann oberhalb der Zuführungsöffnung 155 in der Kappe 180 ein gitterförmiges Gebilde 190 angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß der 9 überspannt die Zuführungsöffnung 155 in der Kappe 180 oberhalb Struktur 130 die gesamte Ausnehmung 150. Um eine Zuführung oder Eindiffundierung des Analysesgases in den Raum der Zuführungsöffnung 155 zu ermöglichen, weist die obere Abdeckung 186 der Kappe 180 eine Öffnung 191 auf
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Die Ausführungsform des Gassensors mit einem Substrat 200 nach 2 unterscheidet sich zu dem der 1 darin, dass die Ausnehmung 150 nicht vollständig durch das Substrat 200 hindurch geführt wird. Stattdessen wird mit der Ausnehmung 150 von der Vorderseite 10 des Substrats eine Wanne geschaffen, in der die entkoppelte Struktur 130 sowie die Brücke 140 angeordnet ist. Zur Erzeugung dieser Wanne können von der Rückseite 20 des Substrats 200 Zugangslöcher 210 vorgesehen sein, die die Erzeugung ders unteren Bereichs der Ausnehmung 150 mittels eines Cloudtrenchverfahrens unterstützt (siehe hierzu die Beschreibung zur 7). Darüber hinaus kann ebenfalls wie vorstehend zur 1 beschrieben, eine Kappe aufgebracht werden. Optional kann hierbei das Substrat 200 direkt für die Weiterverarbeitung genutzt werden oder ebenfalls auf ein Trägerelement 170 aufgebracht werden.
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Anhand der 4 soll im Folgenden die Ausgestaltung der Erfindung konkretisiert werden. Dargestellt ist hierbei die entkoppelte Struktur 130 beziehungsweise 135 mit der in lateraler Richtung gestuften Brücke 140 in der Aufsicht. In einer ersten Varianten ist für die Wärmeleitfähigkeitsmessung die erste Doppelmäanderstruktur 400 in Form einer Wheatstonesche Halbbrücke auf der ersten Membran 110 aus zwei Widerstandsleitungen 440 und 450 dargestellt. Die Widerstandsleitungen der Doppelmäanderstruktur 400 sind dabei derart ausgestaltet, dass sie als Heizelement dienen. Zur Erfassung der Wärmeableitung durch das Analysegas beziehungsweise deren Bestandteile werden die beiden Widerstandsleitungen 440 und 450 in entgegengesetzter Richtung bestromt. Das um die Doppelmäanderstruktur 400 herum befindliche Analysegas, insbesondere das durch die gasdurchlässige Membran 110 in der Kaverne angesammelte Analysegas, kann anschließend die abgegebene Wärme aufnehmen, wodurch sich das Messsignal, das heißt die Spannungen an der Doppelmäanderstruktur 400 ändert. In Abhängigkeit der so erfassten Spannungen kann schließlich die Gaszusammensetzung des Analysegases bestimmt werden. Das ist möglich durch die Kenntnis und Auswertung der nichtlinearen thermischen Leitfähigkeiten der Gase über Temperatur. Dazu muss die Mäander abwechselnd mit mindestens zwei Speisespannungen betrieben werden.
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Optional kann neben der ersten Membran 110 ein Temperatursensor 420 vorgesehen sein, welcher eine Temperaturgröße liefert, die die Temperatur des Substrats, der Membran 100, der Struktur 130 und/oder des Analysegases repräsentiert. Mit dieser Temperaturgröße kann der externe Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Gases kompensiert werden.
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In einer optionalen weiteren Ausführung wird die Wärmeleitfähigkeitsmessung mittels einer Wheatstonsche Vollbrücke durchgeführt. Hierzu ist neben der vorstehend ausgeführten ersten Doppelmäanderstruktur 400 eine erste Referenzdoppelmäanderstruktur 410 neben der ersten Membran 110 auf der Struktur 130 vorgesehen. Beide Doppelmäanderstrukturen 400 und 410 sind dabei in Reihe geschalten, wobei zusätzliche Mittenabgriffe zwischen den (Doppel-) Mäanderstrukturen zur Erfassung der Messsignale, insbesondere der einzelnen Spannungen in den entsprechenden (Mess-)Bereichen) vorgesehen sind.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, zwei Doppelmäanderstrukturen 500 und 510 zur Erfassung der Wärmeleitfähigkeit des Analysegases einzusetzen, wie es in 5 gezeigt wird. Hierbei besteht die zweite Doppelmäanderstruktur 510 ebenfalls aus zwei Widerstandsleitungen, die auf einer separaten zweiten Membran 520 aufgebracht sind. Der Unterschied zur ersten Doppelmäanderstrukturen 500 besteht jedoch darin, dass sich die Widerstände der Widerstandsleitungen der Doppelmäanderstrukturen 500 und 510 unterscheiden, so dass sich bei einer ebenfalls entgegengesetzten Bestromung der beiden Widerstandsleitungen mit der gleichen Stromstärke eine unterschiedliche Temperatur einstellt. Vorteilhafterweise wird dabei die zweite Doppelmäanderstrukturen 510 mit einem Widerstand hergestellt, der größer als der Widerstand der ersten Doppelmäanderstrukturen 500 ist. Optional kann auch in dieser Ausgestaltung ein Temperatursensor 505 beziehungsweise jeder Doppelmäanderstrukturen jeweils ein Temperatursensor 505 und 515 zugeordnet werden. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann ebenfalls jeder der Doppelmäanderstrukturen 500 und 510 eine eigene Doppelreferenzmäanderstruktur zugeschaltet werden (siehe vergleichbar 4).
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Anhand des Flussdiagramms der 6 wird nachfolgend ein mögliches Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Gassensors anhand mikromechanischer Verfahrensschritte beschrieben. In einem ersten Schritt 610 wird auf einem Substrat eine Membran oberhalb einer Kaverne gebildet. Dabei kann die Membran als Teil des Substrats durch eine Unterätzung aber auch durch die Verwendung eines Opferschichtätzschritt mit einer Epitaxieschicht gebildet werden. Anschließend werden in einem Schritt 620 Widerstandsleitungen sowie deren Zuleitungen auf dem Substrat und insbesondere eine Doppelmäanderstruktur auf der Membran erzeugt. Diese Doppelmäanderstruktur wird dabei im Besonderen derart ausgestaltet, dass sie ein Heizelement darstellt, um das Analysegas zu erwärmen. Im nächsten Schritt 630 wird die Struktur 130/135, die die Membran und die Doppelmäanderstruktur enthält, freigestellt sowie die Brücke als Anbindung an den Rahmen strukturiert. Optional kann in einem folgenden Schritt 640 das Sensorelement vereinzelt werden und in einem weiteren Schritt 650 auf einem Trägerelement aufgebracht werden. Weiterhin optional kann separat eine Kappe gemäß der Ausführung in 1 gefertigt werden, die auf das Substrat aufgebracht wird.
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In der 7 wird mit Hilfe der Abbildung eines Zwischenschritts ein weiteres Herstellungsverfahren beschrieben, welches der Ausführung gemäß der 2 entspricht. In dem Substrat 200 wird mittels Ätzzugängen 210 von der Rückseite 20 ein unterer Hohlraum 770 erzeugt. Anschließend werden die Ätzzugänge mittels einer Versiegelung zum Beispiel einer Versiegelungsschicht 760 von der Rückseite 20 verschlossen. Optional kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass der Hohlraum 770 in einer Tiefe 750 von 20 µm ausgehend von der Rückseite des Substrats 200 beziehungsweise der Versiegelungsschicht 760 gebildet wird. Zur Einstellung der gewünschten Dicke des Sensorelements kann das Substrat in einem nächsten Schritt auf eine gewünschte Zieldicke 740 von 380 bis 725 µm abgedünnt werden. Zur Erzeugung der Membran 110 wird zunächst eine Opferschicht 700 mit einer Dicke von 1 bis 50 µm auf das Substrat 200 aufgebracht. Anschließend wird eine Trägerschicht 710 zur Bildung der Membran 110 auf die Opferschicht abgeschieden. Auf diese Trägerschicht 710 mit einer Dicke von 0,2 bis 5 µm können anschließend die Widerstandsleitungen, die Doppelmäanderstruktur und/oder die Zuleitungen für die Widerstandsleitungen abgeschieden werden. Alternativ können diese Elemente auch direkt aus der Trägerschicht 710 herausstrukturiert werden oder auf dem Substrat erzeugt werden. Zur Bildung der Kaverne 120 wird die Membran 110 gezielt unterätzt, indem das entsprechende Opfermaterial der Opferschicht 700 in diesem Bereich herausgelöst wird. Abschließend wird von der Vorderseite 10 des Substrats 200 die Sensorstruktur 135, bestehend aus der Membran 110, der Kaverne 120 und der Doppelmäanderstruktur sowie der Brücke 140 aus dem Substrat mittels geeigneter Ätzverfahren freigestellt. Durch diese Ätzlöcher 730 wird in Verbindung mit dem Hohlraum 770 eine Ausnehmung 150 erzeugt, die die freigestellte Struktur 135 umgibt und vom Rahmen des Substrats 200 entkoppelt.
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In der 8 ist beispielhaft eine Auswerteeinheit 800 dargestellt, wie sie im erfindungsgemäßen Gassensor verwendet werden kann. Dabei weist die Auswerteeinheit 800 einen Speicher 810 auf, in dem beispielweise Umrechnungsfaktoren, Datenbanken oder Zwischenwerte gespeichert sein können. Mittels eines Auswerteverfahrens erfasst die Auswerteeinheit 800 die Spannungen der Wheatstoneschen Brücke beziehungsweise des Doppelmäaanders, um daraus die Wärmeleitfähigkeit des Analysegases oder die Anwesenheit einer bestimmten Konzentration eines Bestandteils des Analysegases zu bestimmen. Dieser so bestimmte physikalische und/oder chemische Wert beziehungsweise diese Informationsgröße kann an eine externe Einheit 840 zur weiteren Verarbeitung weitergegeben werden. Optional kann die Auswerteeinheit 800 auch eine Temperaturgröße mittels eines Temperatursensors 830 erfassen, die die Temperatur des Substrats, der Membran und/oder des Analysegases repräsentiert. Diese Temperatur kann im Weiteren bei der Bestimmung der physikalischen und/oder chemischen Größe des Analysegases verwendet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann vielmehr auf verschiedenste Anwendungen verwendet werden. Über eine Recheneinheit im Sensor können der Betrieb des H2-sensors gesteuert werden (zum Beispiel Stromsparmodus, Messbereiche), Sensorsignale plausibilisiert und auf zum Beispiel Toleranzen geprüft werden (zum Beispiel für sensorinterne Überwachungen), eine Signalaufbereitung erfolgen (zum Beispiel Berechnung der Lage oder Orientierung, Filtern der Daten), Kommunikationsprotokolle ausgewählt werden. Verschiedenste auch selbstlernende Kl basierte Algorithmen können in der Recheneinheit für die Auswertung und Signalaufbereitung der Daten, der Temperatursensoren sowie auch externer Sensordaten zum Einsatz kommen.
