DE102022211375A1 - Sensor arrangement for measuring a hydrogen concentration - Google Patents

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Christoph Schelling
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Abstract

Offenbart ist eine Sensoranordnung, insbesondere in Form eines mikro-elektromechanischen Systems, aufweisend: ein Substrat, in welches eine erste Kavität und eine zweite Kavität eingebracht sind, eine erste Membran, welche die erste Kavität hermetisch dicht gegenüber einer Umgebung abschließt und eine zweite Membran, welche die zweite Kavität hermetisch dicht gegenüber der Umgebung abschließt, wobei die erste Kavität und die zweite Kavität durch mindestens einen Verbindungskanal fluidführend miteinander verbunden sind, weiter aufweisend eine mit der Umgebung wechselwirkende erste Beschichtung, welche auf einer Vorderseite der zweiten Membran angeordnet ist, und aufweisend mindestens eine erste mit der ersten Membran verbundene, bewegliche Elektrode und mindestens eine erste, nicht mit der ersten Membran verbundene, unbewegliche Elektrode, und mindestens eine zweite, mit der zweiten Membran verbundene, bewegliche Elektrode und mindestens eine zweite, nicht mit der zweiten Membran verbundene, unbewegliche Elektrode.A sensor arrangement is disclosed, in particular in the form of a micro-electromechanical system, comprising: a substrate into which a first cavity and a second cavity are introduced, a first membrane which hermetically seals the first cavity against the environment, and a second membrane which hermetically seals the second cavity against the environment, wherein the first cavity and the second cavity are connected to one another in a fluid-conducting manner by at least one connecting channel, further comprising a first coating which interacts with the environment and is arranged on a front side of the second membrane, and comprising at least one first movable electrode connected to the first membrane and at least one first immovable electrode not connected to the first membrane, and at least one second movable electrode connected to the second membrane and at least one second immovable electrode not connected to the second membrane.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere in Form eines mikroelektro-mechanischen Systems, die ein Substrat, in welches eine erste Kavität und eine zweite Kavität eingebracht sind, aufweist.The invention relates to a sensor arrangement, in particular in the form of a microelectro-mechanical system, which has a substrate into which a first cavity and a second cavity are introduced.

Stand der TechnikState of the art

Mit der zunehmenden Verbreitung von Wasserstoff-basierten Systemen, wie beispielsweise Wasserstoff Brennstoff-Zellen, nimmt auch der Bedarf an Sensoren zur Überwachung derartiger Systeme zu. Insbesondere müssen Sensoren vorgesehen sein, die ein Wasserstoff-Leck rechtzeitig erkennen, um die Entstehung von Knallgas in der Umgebung der Systeme zu vermeiden bzw. davor warnen zu können. Es besteht somit ein Bedarf an zuverlässigen und schnellen Sensoren zur Wasserstoffdetektion, die eine Wasserstoffkonzentration in der Luft oder einem anderen Medium messen können.With the increasing use of hydrogen-based systems, such as hydrogen fuel cells, the need for sensors to monitor such systems is also increasing. In particular, sensors must be provided that detect a hydrogen leak in good time in order to prevent the formation of oxyhydrogen in the vicinity of the systems or to be able to warn against it. There is therefore a need for reliable and fast sensors for hydrogen detection that can measure a hydrogen concentration in the air or another medium.

Es sind bereits Sensoren bekannt, die basierend auf unterschiedlichen Mess-Prinzipien eine Wasserstoffkonzentration messen können. Beispielsweise sind elektrochemische Zellen, Pellistoren, Metalloxid-Gassensoren und thermische Leitfähigkeitssensoren bekannt. Darüber hinaus sind Sensoren bekannt, die physikalischen Eigenschaften von Palladium oder Palladium-Legierungen bei Einlagerung von Wasserstoff registrieren können.Sensors are already known that can measure hydrogen concentration based on different measuring principles. For example, electrochemical cells, pellistors, metal oxide gas sensors and thermal conductivity sensors are known. In addition, sensors are known that can register the physical properties of palladium or palladium alloys when hydrogen is stored.

Die derzeit bekannten Sensoren weisen jedoch Nachteile hinsichtlich der Empfindlichkeit, der Querempfindlichkeit zu anderen Gasen, des dynamischen Messbereichs, der Reaktionszeit, der Kosten, der Spezifizität, der Medienrobustheit oder der Lebensdauer auf.However, the currently known sensors have disadvantages in terms of sensitivity, cross-sensitivity to other gases, dynamic measuring range, response time, cost, specificity, media robustness or lifetime.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine Sensoranordnung vorzuschlagen, die eine robuste und schnelle Detektion einer Wasserstoffkonzentration ermöglicht und kosteneffizient herstellbar ist.The object underlying the invention can be seen in proposing a sensor arrangement which enables a robust and rapid detection of a hydrogen concentration and can be produced cost-efficiently.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by means of the respective subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of respective dependent subclaims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Sensoranordnung bereitgestellt. Die Sensoranordnung kann beispielsweise in Form eines mikro-elektromechanischen Systems (MEMS) ausgestaltet sein.According to one aspect of the invention, a sensor arrangement is provided. The sensor arrangement can be designed, for example, in the form of a micro-electromechanical system (MEMS).

Die Sensoranordnung weist ein Substrat auf, in welches eine erste Kavität und eine zweite Kavität eingebracht sind. Des Weiteren sind eine erste Membran, welche die erste Kavität hermetisch dicht gegenüber einer Umgebung abschließt und eine zweite Membran, welche die zweite Kavität hermetisch dicht gegenüber der Umgebung abschließt, vorgesehen. Die erste Kavität und die zweite Kavität können weiter durch mindestens einen Verbindungskanal fluidführend miteinander verbunden.The sensor arrangement has a substrate into which a first cavity and a second cavity are introduced. Furthermore, a first membrane, which hermetically seals the first cavity against the environment, and a second membrane, which hermetically seals the second cavity against the environment, are provided. The first cavity and the second cavity can further be connected to one another in a fluid-conducting manner by at least one connecting channel.

Darüber hinaus weist die Sensoranordnung eine mit der Umgebung wechselwirkende erste Beschichtung auf, welche beispielsweise auf einer der zweiten Kavität abgewandten Seite der zweiten Membran angeordnet ist.In addition, the sensor arrangement has a first coating that interacts with the environment and is arranged, for example, on a side of the second membrane facing away from the second cavity.

Weiterhin sind mindestens eine erste mit der ersten Membran mechanisch und optional elektrisch verbundene, bewegliche Elektrode und mindestens eine erste, mechanisch und optional elektrisch nicht mit der ersten Membran verbundene, unbewegliche Elektrode, und mindestens eine zweite, mit der zweiten Membran mechanisch und optional elektrisch verbundene, bewegliche Elektrode und mindestens eine zweite, mechanisch und optional elektrisch nicht mit der zweiten Membran verbundene, unbewegliche Elektrode, vorgesehen.Furthermore, at least one first movable electrode mechanically and optionally electrically connected to the first membrane and at least one first immovable electrode mechanically and optionally electrically not connected to the first membrane, and at least one second movable electrode mechanically and optionally electrically connected to the second membrane and at least one second immovable electrode mechanically and optionally electrically not connected to the second membrane are provided.

Beispielsweise können die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden in einem initialen bzw. kräftefreien Zustand jeweils den gleichen Abstand voneinander aufweisen. Die Sensoranordnung kann in Form eines kapazitiven MEMS-Drucksensors ausgestaltet sein.For example, the first electrodes and the second electrodes can each have the same distance from each other in an initial or force-free state. The sensor arrangement can be designed in the form of a capacitive MEMS pressure sensor.

Die Sensoranordnung besteht somit aus zumindest zwei unabhängigen druckempfindlichen Membranen, die jeweils eine Kaverne bzw. eine Kavität überspannen und diese gegenüber einer Umgebung der Sensoranordnung hermetisch abdichten. Die zumindest zwei Kavitäten können durch mindestens einen Verbindungskanal fluidführend miteinander verbunden sein, sodass sich ein identischer Referenzinnendruck in den mindestens zwei Kavitäten über den Verbindungskanal einstellen kann.The sensor arrangement thus consists of at least two independent pressure-sensitive membranes, each of which spans a cavern or cavity and hermetically seals it from the environment of the sensor arrangement. The at least two cavities can be connected to one another in a fluid-conducting manner by at least one connecting channel, so that an identical reference internal pressure can be established in the at least two cavities via the connecting channel.

Eine Änderung des Umgebungsdrucks resultiert in einer Änderung der Auslenkung bzw. Durchbiegung der ersten Membran und der zweiten Membran. Befindet sich beispielweise auf der gegenüber der zweiten Kavität abgewandten Seite der zweiten Membran eine Beschichtung, so kann durch diese eine zusätzliche Beeinflussung der Durchbiegung der zweiten Membran erfolgen. Durch Vergleich der Durchbiegung von erster Membran und zweiter Membran, kann der gegenüber einem anliegenden Umgebungsdruck unabhängige Beitrag der Beschichtung zur Auslenkung/Durchbiegung der zweiten Membran gemessen werden.A change in the ambient pressure results in a change in the deflection or bending of the first membrane and the second membrane. If, for example, there is a coating on the side of the second membrane facing away from the second cavity, this can have an additional influence on the deflection of the second membrane. By comparing the deflection of the first membrane and the second membrane, the contribution of the deflection, which is independent of the ambient pressure, can be determined. Coating to the deflection/deflection of the second membrane can be measured.

Die Änderung der Membrandurchbiegung resultiert vorzugsweise in einer Änderung einer Messkapazität, die durch Elektroden gebildet wird. Im Bereich jeder Membran wird eine Kondensatorstruktur durch die Anordnung der Elektroden ausgebildet, wobei jeweils eine bewegliche Elektrode und jeweils eine, relativ zur Membran, stationäre bzw. unbewegliche Elektrode vorgesehen ist, um eine erste Messkapazität im Bereich der ersten Kavität und eine zweite Messkapazität im Bereich der zweiten Kavität auszubilden.The change in the membrane deflection preferably results in a change in a measuring capacitance that is formed by electrodes. In the area of each membrane, a capacitor structure is formed by the arrangement of the electrodes, with one movable electrode and one stationary or immovable electrode relative to the membrane being provided in order to form a first measuring capacitance in the area of the first cavity and a second measuring capacitance in the area of the second cavity.

Die Empfindlichkeit der Sensoranordnung auf Wasserstoff wird dadurch erreicht, dass die zweite Membran eine erste Beschichtung aufweist, welche sensitiv hinsichtlich des Wasserstoffs ist. Dabei kann die erste Beschichtung Palladium oder eine Palladium-haltige Legierung aufweisen und beispielsweise in Form einer metallischen Dünnschichtbeschichtung ausgeführt sein. Die erste Membran bleibt hierbei ohne eine Wasserstoff-aktive bzw. -sensitive Beschichtung. Bei einer Einlagerung von Wasserstoff in die erste Beschichtung ändert sich durch die Volumenzunahme bzw. Längenausdehnung der ersten Beschichtung die Auslenkung/Durchbiegung der zweiten Membran, wodurch die durch das zweite Elektrodenpaar ausgebildete, zweite Messkapazität verändert wird. Mit zunehmender Aufnahme von Wasserstoffmolekülen verursacht die erste Beschichtung somit einen steigenden Beitrag zur Durchbiegung der zweiten Membran.The sensitivity of the sensor arrangement to hydrogen is achieved by the second membrane having a first coating which is sensitive to hydrogen. The first coating can comprise palladium or a palladium-containing alloy and can be designed, for example, in the form of a metallic thin-film coating. The first membrane remains without a hydrogen-active or hydrogen-sensitive coating. When hydrogen is stored in the first coating, the deflection/bending of the second membrane changes due to the increase in volume or length of the first coating, which changes the second measuring capacitance formed by the second pair of electrodes. As the absorption of hydrogen molecules increases, the first coating therefore causes an increasing contribution to the deflection of the second membrane.

Insbesondere kann innerhalb eines Betriebsbereichs der Sensoranordnung von einer Proportionalität zwischen der eingelagerten bzw. absorbierten Menge von Wasserstoffmolekülen und der Auslenkung bzw. Durchbiegung der Membran ausgegangen werden. Die Auslenkung oder Durchbiegung der zweiten Membran führt beispielsweise je nach Ausführung und Anordnung des zweiten Elektrodenpaars zu einer Vergrößerung des Abstands oder einer Verkleinerung des Abstands zwischen der zweiten unbeweglichen Elektrode und der zweiten beweglichen Elektrode.In particular, within an operating range of the sensor arrangement, a proportionality can be assumed between the stored or absorbed amount of hydrogen molecules and the deflection or bending of the membrane. The deflection or bending of the second membrane leads, for example, depending on the design and arrangement of the second electrode pair, to an increase in the distance or a reduction in the distance between the second immovable electrode and the second movable electrode.

Die erste Beschichtung kann massiv oder porös ausgebildet sein und aus einem elektrisch leitenden und/oder nichtleitendem und/oder halbleitendem Material oder Materialgemisch und/oder aus einer Legierung und/oder aus Nanoröhren bestehen und mittels bekannter Strukturierungsverfahren aus der Halbleitertechnik, wie beispielsweiseverwenden einer Lackmaske und nachfolgendem Ätzschritt strukturiert werden oder durch Verwenden beispielsweise einer Schattenmaske lokal aufgebracht werden.The first coating can be solid or porous and consist of an electrically conductive and/or non-conductive and/or semiconductive material or material mixture and/or of an alloy and/or of nanotubes and can be structured by means of known structuring methods from semiconductor technology, such as using a resist mask and a subsequent etching step, or can be applied locally by using, for example, a shadow mask.

Durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann ein schneller, empfindlicher, robuster und kostengünstiger Wasserstoff-Sensor für die Messung der Wasserstoff-Konzentration in Luft bereitgestellt werden. Die Sensoranordnung ist vorteilhafterweise medienrobust, beispielsweise gegenüber korrosiven Medien, und robust hinsichtlich Vereisung.The sensor arrangement according to the invention can provide a fast, sensitive, robust and cost-effective hydrogen sensor for measuring the hydrogen concentration in air. The sensor arrangement is advantageously media-robust, for example against corrosive media, and robust with regard to icing.

Der zumindest zweiteilige Aufbau der Sensoranordnung mit zumindest zwei Membranen erlaubt eine differenzielle Messung. Somit ist eine besonders hohe Empfindlichkeit erzielbar, wobei störende Umgebungsfaktoren wie Druck, Temperatur und Feuchte kompensiert werden können.The at least two-part structure of the sensor arrangement with at least two membranes allows differential measurement. This enables a particularly high level of sensitivity to be achieved, whereby disruptive environmental factors such as pressure, temperature and humidity can be compensated.

Das kapazitive Mess-Prinzip ermöglicht weiterhin eine Reduzierung des Stromverbrauchs für den Betrieb der Sensoranordnung. Dadurch kann die Sensoranordnung auch in tragbaren Anwendungen eingesetzt werden, bei welchen eine längere Batterielebensdauer ermöglicht wird. Darüber hinaus kann die Sensoranordnung bei einem Einsatz mit höherer Abtastrate in Fahrzeugen im Stand-by-Modus betrieben werden. Gegenüber einem mikromechanischen Drucksensor mit einem piezoresistiven Mess-Prinzip besitzt das kapazitive Mess-Prinzip weiter den Vorteil, dass das Messsignal eine geringere thermische Abhängigkeit besitzt und eine inhomogene Temperaturverteilung über den Membranbereich sich deutlich weniger stark auf das Messsignal auswirkt. Zudem benötigt das kapazitive Messprinzip kein monokristallines Siliziumsubstratmaterial, was beispielsweise die Herstellung von OMM (oberflächenmikromechanischen) Drucksensoren mit polykristallinen Siliziummembranen erlaubt bzw. vereinfacht.The capacitive measuring principle also enables a reduction in the power consumption for operating the sensor arrangement. This means that the sensor arrangement can also be used in portable applications, where a longer battery life is possible. In addition, the sensor arrangement can be operated in standby mode when used in vehicles with a higher sampling rate. Compared to a micromechanical pressure sensor with a piezoresistive measuring principle, the capacitive measuring principle has the further advantage that the measuring signal has a lower thermal dependence and an inhomogeneous temperature distribution across the membrane area has a significantly lesser effect on the measuring signal. In addition, the capacitive measuring principle does not require monocrystalline silicon substrate material, which allows or simplifies the production of OMM (surface micromechanical) pressure sensors with polycrystalline silicon membranes, for example.

Da die Kavitäten hermetisch von der Umgebung der Sensoranordnung getrennt sind, kann zusätzlich zur Wasserstoff-Konzentration auch der Umgebungsdruck gemessen und ausgegeben werden. Hierzu kann im Vorfeld eine Eichung oder Kalibrierung bei zumindest einer der beiden Messkapazitäten der Sensoranordnung bei vordefinierten Umgebungsdrücken durchgeführt werden, um bei einem anschließenden Betrieb anhand der ermittelten Kapazität zwischen der zumindest einen ersten Elektrode und/oder der zumindest einen zweiten Elektrode auf den Umgebungsdruck schließen zu können.Since the cavities are hermetically separated from the environment of the sensor arrangement, the ambient pressure can also be measured and output in addition to the hydrogen concentration. For this purpose, a calibration can be carried out in advance at at least one of the two measuring capacitances of the sensor arrangement at predefined ambient pressures in order to be able to determine the ambient pressure during subsequent operation based on the determined capacitance between the at least one first electrode and/or the at least one second electrode.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste bewegliche Elektrode flexibel ausgestaltet und an einer zur ersten Kaverne gerichteten Seite der ersten Membran zumindest partiell befestigt bzw. angeordnet. Vorteilhafterweise ist die zweite bewegliche Elektrode flexibel ausgestaltet und an einer zur zweiten Kaverne gerichteten Seite der zweiten Membran zumindest partiell befestigt bzw. angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann eine lineare Änderung der Messkapazität in Abhängigkeit von der Auslenkung/Durchbiegung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran erzielt werden. Bei dieser Ausgestaltung können die beweglichen Elektroden derart ausgestaltet sein, dass zumindest bereichsweise eine Position der Elektroden innerhalb der Kavität verändert wird, wobei die Form und Positionsänderung der Elektroden der Form und der Positionsänderung der Membranen gleicht.According to one embodiment, the first movable electrode is designed to be flexible and is at least partially attached or arranged on a side of the first membrane facing the first cavity. Advantageously, the second movable electrode is designed to be flexible and is at least partially attached or arranged on a side of the second membrane facing the second cavity. net. This measure can achieve a linear change in the measuring capacitance depending on the deflection/deflection of the first membrane and/or the second membrane. In this embodiment, the movable electrodes can be designed in such a way that a position of the electrodes within the cavity is changed at least in some areas, the shape and position change of the electrodes being the same as the shape and position change of the membranes.

Eine derart ausgestaltete Sensoranordnung weist auf der zweiten Membran eine beidseitige Beschichtung auf, wobei auf einer zu der zweiten Kavität gerichteten Membranseite eine elektrisch leitfähige Beschichtung als die zweite bewegliche Elektrode ausgestaltet ist. Auf einer von der zweiten Kavität weg gerichteten Membranseite der zweiten Membran ist die erste Beschichtung aufgebracht, welche mit Wasserstoffatomen und/oder Wasserstoffmolekülen wechselwirken kann. Auf einer der ersten Kavität zugewandten Membranseite der ersten Membran kann alternativ oder zusätzlich die erste bewegliche Elektrode in Form einer Beschichtung der ersten Membran angeordnet sein.A sensor arrangement designed in this way has a coating on both sides of the second membrane, with an electrically conductive coating being designed as the second movable electrode on a membrane side facing the second cavity. The first coating, which can interact with hydrogen atoms and/or hydrogen molecules, is applied to a membrane side of the second membrane facing away from the second cavity. Alternatively or additionally, the first movable electrode can be arranged in the form of a coating of the first membrane on a membrane side of the first membrane facing the first cavity.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die erste bewegliche Elektrode starr ausgestaltet und durch zumindest einen ersten Verbindungssteg beabstandet an der, der ersten Kavität zugewandten, Membranseite befestigt. Dabei kann die erste bewegliche Elektrode im Volumen der ersten Kavität, beispielsweise mittig, mit der ersten Membran ausgelenkt werden. Die Form der ersten beweglichen Elektrode wird bei dieser Ausführungsform nicht verändert, sondern nur ihre Position innerhalb der ersten Kavität. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung die zweite bewegliche Elektrode starr ausgestaltet und durch zumindest einen zweiten Verbindungssteg beabstandet an der der zweiten Kavität zugewandten Membranseite der zweiten Membran befestigt.According to a further embodiment, the first movable electrode is rigid and is attached to the side of the membrane facing the first cavity at a distance by at least one first connecting web. The first movable electrode can be deflected in the volume of the first cavity, for example in the middle, with the first membrane. The shape of the first movable electrode is not changed in this embodiment, only its position within the first cavity. Alternatively or additionally, according to a further embodiment, the second movable electrode is rigid and is attached to the side of the membrane facing the second cavity at a distance by at least one second connecting web.

Durch Vorsehen von zumindest einem Verbindungssteg kann eine beweglich ausgestaltete Elektrode mit einen gewünschten Abstand zu einer Membran zumindest bereichsweise an der Membran befestigt werden und eine definierte Position der beweglichen Elektrode innerhalb der Kavitäten eingestellt werden.By providing at least one connecting web, a movable electrode can be attached to a membrane at least in part at a desired distance from the membrane and a defined position of the movable electrode can be set within the cavities.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind mindestens eine weitere erste unbewegliche Elektrode in der ersten Kavität und/oder mindestens eine weitere zweite unbewegliche Elektrode in der zweiten Kavität angeordnet. Vorteilhafterweist erstreckt sich der zumindest eine erste Verbindungssteg durch eine Öffnung in der mindestens einen weiteren ersten unbeweglichen Elektrode hindurch oder ist neben/außerhalb der mindestens einen weiteren ersten unbeweglichen Elektrode angeordnet. Nach einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der zumindest eine zweite Verbindungssteg durch eine Öffnung in der mindestens einen weiteren zweiten unbeweglichen Elektrode hindurch oder ist neben/außerhalb der mindestens einen weiteren zweiten unbeweglichen Elektrode angeordnet. Vorteilhafterweise sind die erste bewegliche Elektrode durch den zumindest einen ersten Verbindungssteg zwischen mindestens zwei ersten unbeweglichen Elektroden und die zumindest eine zweite bewegliche Elektrode durch den zweiten Verbindungssteg zwischen mindestens zwei zweiten unbeweglichen Elektroden beweglich positioniert. Durch diese Maßnahmen können die erste bewegliche Elektrode und/oder die zweite bewegliche Elektrode zwischen jeweils zwei unbeweglichen Elektroden angeordnet werden. Hierdurch können pro Kavität wenigstens zwei Messkapazitäten realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Messkapazität und eine Anregungskapazität realisiert werden, wobei die erste und/oder die zweite bewegliche Elektrode und die über einen Verbindungsteg mit der Elektrode verbundene Membran/Membranfläche durch die Anregungskapazität in eine Schwingung versetzbar ist, welche basierend auf einer Einwirkung von außen auf die Membran/Membranfläche, beispielsweise durch eine Absorption von Wasserstoff in der ersten Beschichtung, veränderbar ist. Diese Änderung der angeregten Schwingung kann als eine indirekte Messgröße für die Wasserstoffkonzentration fungieren/dienen/verwendet werden.According to a further embodiment, at least one further first immovable electrode is arranged in the first cavity and/or at least one further second immovable electrode is arranged in the second cavity. The at least one first connecting web advantageously extends through an opening in the at least one further first immovable electrode or is arranged next to/outside the at least one further first immovable electrode. According to a further embodiment, the at least one second connecting web extends through an opening in the at least one further second immovable electrode or is arranged next to/outside the at least one further second immovable electrode. The first movable electrode is advantageously positioned movably by the at least one first connecting web between at least two first immovable electrodes and the at least one second movable electrode is advantageously positioned movably by the second connecting web between at least two second immovable electrodes. These measures allow the first movable electrode and/or the second movable electrode to be arranged between two immovable electrodes each. This allows at least two measuring capacitances to be realized per cavity. Alternatively or additionally, a measuring capacitance and an excitation capacitance can be implemented, wherein the first and/or the second movable electrode and the membrane/membrane surface connected to the electrode via a connecting bridge can be set into oscillation by the excitation capacitance, which can be changed based on an external effect on the membrane/membrane surface, for example by an absorption of hydrogen in the first coating. This change in the excited oscillation can function/serve/be used as an indirect measurement variable for the hydrogen concentration.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die mindestens eine erste bewegliche Elektrode, die mindestens eine erste unbewegliche Elektrode, die mindestens eine zweite bewegliche Elektrode und die mindestens eine zweite unbewegliche Elektrode elektrisch mit einer Steuereinheit verbunden und dazu eingerichtet kapazitive Messungen in Abhängigkeit von einer Auslenkung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran durchzuführen. Je nach Ausgestaltung der Elektrodenanordnung und/oder der Steuereinheit kann die Sensoranordnung passiv und/oder aktiv betrieben werden. Ein passiver Betrieb der Sensoranordnung ermöglicht lediglich die Messung der Messkapazitäten. Bei einem aktiven Betrieb der Sensoranordnung können die erste Membran und/oder die zweite Membran durch Anlegen eines elektrischen Signals an die Anregungskapazität ausgelenkt werden bzw. in Schwingung gesetzt werden. Diese Schwingung bzw. Auslenkung kann dann wiederum über die Messkapazität gemessen werden.According to a further embodiment, the at least one first movable electrode, the at least one first immovable electrode, the at least one second movable electrode and the at least one second immovable electrode are electrically connected to a control unit and set up to carry out capacitive measurements depending on a deflection of the first membrane and/or the second membrane. Depending on the design of the electrode arrangement and/or the control unit, the sensor arrangement can be operated passively and/or actively. Passive operation of the sensor arrangement only enables the measurement of the measuring capacitances. When the sensor arrangement is actively operated, the first membrane and/or the second membrane can be deflected or set into vibration by applying an electrical signal to the excitation capacitance. This vibration or deflection can then in turn be measured via the measuring capacitance.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann während eines Messvorgangs festgelegt werden, welche Kondensatorstruktur als Anregungskapazität und/oder Messkapazität verwendet wird. Die Festlegung, welche Kondensatorstruktur welche Funktion besitzt, kann zudem während eines Messvorgangs mehrmals/mehrfach geändert werden. Bei Aufnahme von Wasserstoff in der ersten Beschichtung ändert sich die Eigenfrequenz der zweiten Membran. Durch die Möglichkeit, Signalverläufe und/oder Frequenzen exakt messen zu können, kann eine Sensoranordnung mit einer besonders hohen Empfindlichkeit und Messauflösung realisiert werden.According to a further embodiment, it can be determined during a measuring process which capacitor structure is used as excitation capacitance and/or measurement capacitance. The determination of which capacitor structure which Function can also be changed several times during a measurement process. When hydrogen is absorbed in the first coating, the natural frequency of the second membrane changes. The ability to measure signal curves and/or frequencies precisely means that a sensor arrangement with a particularly high sensitivity and measurement resolution can be realized.

In einer weiteren Variante des aktiven Messprinzips kann zumindest die Anregung der zweiten Membran mittels der Anregungskapazität oder der Messkapazität erfolgen. Nach einer initialen Impulsanregung kann eine Veränderung der Anstieg- und/oder Abklingkurve der Messkapazität gemessen werden, welche abhängig ist von einem anliegenden äußeren Druck und/oder beispielsweise von den physikalischen Veränderungen der ersten Beschichtung auf der zweiten Membran.In a further variant of the active measuring principle, at least the excitation of the second membrane can be carried out by means of the excitation capacitance or the measuring capacitance. After an initial pulse excitation, a change in the rise and/or decay curve of the measuring capacitance can be measured, which depends on an applied external pressure and/or, for example, on the physical changes in the first coating on the second membrane.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die erste Beschichtung als eine mit mindestens einem Gas, insbesondere Wasserstoff, wechselwirkende Beschichtung ausgestaltet. Die Sensoranordnung verwendet vorteilhafterweise mindestens zwei stress-empfindliche Membranen, um die Änderungen der mechanischen und optional elektrischen Eigenschaften von der ersten Beschichtung, beispielsweise in Form von Palladium bzw. Palladium-Legierungen, bei einer Einlagerung von Wasserstoff zu messen. Durch die verwendete MEMS-Technologie kann die Sensoranordnung besonders kosteneffizient in hohen Stückzahlen hergestellt werden.According to a further embodiment, the first coating is designed as a coating that interacts with at least one gas, in particular hydrogen. The sensor arrangement advantageously uses at least two stress-sensitive membranes to measure the changes in the mechanical and optionally electrical properties of the first coating, for example in the form of palladium or palladium alloys, when hydrogen is stored. The MEMS technology used allows the sensor arrangement to be manufactured in large quantities in a particularly cost-efficient manner.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Beschichtung zur Widerstandsmessung an mindestens zwei Positionen elektrisch kontaktierbar und/oder mindestens ein an mindestens zwei Positionen elektrisch kontaktierbarer Messstreifen ist aus einem Material der zweiten Beschichtung auf der Vorderseite der dritten Membran angeordnet. Hierdurch kann alternativ oder zusätzlich zu der Auslenkung der Membran und Ermittlung der Messkapazität als Messprinzip eine resistive Messmethode eingesetzt werden, die entlang des Messstreifens oder entlang der Beschichtung einen elektrischen Widerstand und/oder eine elektrische Widerstandsänderung als Basis für die Wasserstoffkonzentrationsmessung verwendet. Hierdurch kann eine höhere Empfindlichkeit und Robustheit bezüglich Quereinflüssen ermöglicht werden.According to a further embodiment, the second coating can be electrically contacted at at least two positions for resistance measurement and/or at least one measuring strip made of a material of the second coating that can be electrically contacted at at least two positions is arranged on the front side of the third membrane. As an alternative or in addition to the deflection of the membrane and determination of the measuring capacitance, a resistive measuring method can be used as the measuring principle, which uses an electrical resistance and/or an electrical resistance change along the measuring strip or along the coating as the basis for the hydrogen concentration measurement. This can enable greater sensitivity and robustness with regard to cross influences.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine dritte Kavität in das Substrat eingebracht. Die dritte Kavität ist durch eine dritte Membran gegenüber der Umgebung hermetisch dicht abgeschlossen. Bevorzugterweise ist die dritte Kavität durch mindestens einen Verbindungskanal mit der ersten Kavität und/oder mit der zweiten Kavität fluidführend verbunden. Eine, mit der Umgebung wechselwirkende, zweite Beschichtung ist auf einer Vorderseite der dritten Membran angeordnet. Die Vorderseite der Membranen ist hierbei als eine von der jeweiligen Kavität weg gerichtete Seite der Membranen definiert und zeigt somit in Richtung einer Umgebung der Sensoranordnung. Durch diese Maßnahme kann zusätzlich noch ein dritter Sensierbereich mit einer dritten Membran und einer zweiten Beschichtung realisiert werden.According to a further embodiment, a third cavity is introduced into the substrate. The third cavity is hermetically sealed from the environment by a third membrane. Preferably, the third cavity is connected to the first cavity and/or to the second cavity in a fluid-conducting manner by at least one connecting channel. A second coating that interacts with the environment is arranged on a front side of the third membrane. The front side of the membranes is defined as a side of the membranes directed away from the respective cavity and thus points towards the environment of the sensor arrangement. This measure also makes it possible to realize a third sensing area with a third membrane and a second coating.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Beschichtung als eine feuchtigkeitsempfindliche Beschichtung ausgestaltet. Die zweite Beschichtung kann beispielsweise als eine Polymer-basierte, feuchteempfindliche Beschichtung ausgestaltet sein, um zusätzlich einen integrierten Feuchtesensor zu realisieren. Hierdurch kann ergänzend eine Feuchtekompensation realisiert werden. Die fluidtechnisch untereinander verbundenen Kavitäten bleiben auch hier bestehen.According to a further embodiment, the second coating is designed as a moisture-sensitive coating. The second coating can be designed, for example, as a polymer-based, moisture-sensitive coating in order to additionally implement an integrated moisture sensor. This can also be used to implement moisture compensation. The cavities that are fluidically connected to one another remain in place here too.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind mindestens eine dritte, mit der dritten Membran mechanisch gekoppelte, bewegliche Elektrode und mindestens eine dritte, von der dritten Membran entkoppelte, unbewegliche Elektrode in der dritten Kavität angeordnet. Durch diese Maßnahme kann die Feuchtigkeitsmessung basierend auf der Auslenkung der dritten beweglichen Elektrode gegenüber der dritten unbeweglichen Elektrode realisiert werden. Je nach Ausgestaltung kann auch hier die dritte bewegliche Elektrode zwischen zwei unbeweglichen Elektroden schwingbar angeordnet sein.According to a further embodiment, at least one third movable electrode mechanically coupled to the third membrane and at least one third immovable electrode decoupled from the third membrane are arranged in the third cavity. This measure enables the moisture measurement to be carried out based on the deflection of the third movable electrode relative to the third immovable electrode. Depending on the design, the third movable electrode can also be arranged so that it can swing between two immovable electrodes.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verläuft der Messstreifen geradlinig oder mäanderförmig zumindest teilweise durch eine Fläche der zweiten Beschichtung hindurch oder ist zumindest teilweise neben der Fläche der zweiten Beschichtung angeordnet. Durch diese Maßnahme kann die Funktion der alternativen oder zusätzlichen Messmethode besonders kompakt umsetzbar sein und in die Sensoranordnung ohne zusätzlichen Platzbedarf integriert werden.According to a further embodiment, the measuring strip runs in a straight line or meandering shape at least partially through a surface of the second coating or is arranged at least partially next to the surface of the second coating. This measure allows the function of the alternative or additional measuring method to be implemented in a particularly compact manner and integrated into the sensor arrangement without requiring additional space.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die erste Beschichtung zur Widerstandsmessung an mindestens zwei Positionen elektrisch kontaktierbar und/oder mindestens ein an mindestens zwei Positionen elektrisch kontaktierbarer Messstreifen ist aus einem Material der ersten Beschichtung auf der Vorderseite der zweiten Membran angeordnet.According to a further embodiment, the first coating for resistance measurement can be electrically contacted at at least two positions and/or at least one measuring strip that can be electrically contacted at at least two positions is arranged on the front side of the second membrane and is made of a material of the first coating.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verläuft der Messstreifen geradlinig oder mäanderförmig zumindest teilweise durch eine Fläche der ersten Beschichtung hindurch oder ist zumindest teilweise neben der Fläche der ersten Beschichtung angeordnet.According to a further embodiment, the measuring strip runs in a straight line or meandering shape at least partially through a surface of the first coating or is arranged at least partially next to the surface of the first coating.

Das kapazitive Messsignal kann alternativ oder zusätzlich mit dem sich, aufgrund von Wasserstoffeinlagerungen, ändernden elektrischen Widerstand der ersten Beschichtung auf der zweiten Membran kombiniert werden. Zu diesem Zweck kann die erste Beschichtung auf der zweiten Membran zumindest über zwei Leiterbahnen kontaktiert und ggf. entsprechend strukturiert werden. Beispielsweise kann auch eine elektrische 4-Punktmessung des Widerstands an der ersten und/oder zweiten Beschichtung erfolgen, um unerwünschte Messeffekte durch Zuleitungen bzw. Messleitungen und elektrische Kontakt-/Kontaktierungsstrukturen vermeiden zu können.The capacitive measurement signal can alternatively or additionally be combined with the electrical resistance of the first coating on the second membrane, which changes due to hydrogen deposits. For this purpose, the first coating on the second membrane can be contacted via at least two conductor tracks and, if necessary, structured accordingly. For example, an electrical 4-point measurement of the resistance on the first and/or second coating can also be carried out in order to avoid undesirable measurement effects caused by supply lines or measuring lines and electrical contact/connection structures.

Beispielsweise kann zumindest eine zusätzliche Leiterbahn bzw. Messtreifen außerhalb der zweiten Membran vorgesehen sein. Hierdurch kann durch eine besonders vorteilhafte Analyse der beiden unterschiedlichen Messmethoden, über voneinander unabhängige Messsignale, zur Plausibilisierung der Messergebnisse herangezogen werden. Durch diese redundante Messung können Fehl-Messungen bzw. Einflüsse von Querempfindlichkeiten auf die Messung verhindert werden.For example, at least one additional conductor track or measuring strip can be provided outside the second membrane. This allows a particularly advantageous analysis of the two different measuring methods, using independent measuring signals, to be used to check the plausibility of the measurement results. This redundant measurement can prevent incorrect measurements or the influence of cross-sensitivities on the measurement.

Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoranordnung mindestens eine Temperaturmesseinrichtung und/oder mindestens eine Heizstruktur auf. Die Temperaturmesseinrichtung kann beispielsweise als eine Diode und/oder als ein Thermistor ausgestaltet sein. Durch die Kenntnis der Temperatur können Temperatureffekte auf die erst Beschichtung und/oder die zweite Beschichtung kompensiert werden. Durch die Verwendung von Heizstrukturen und das Beheizen der Membranen kann die Reaktionszeit der Sensoranordnung minimiert werden. Die mindestens eine Heizstruktur kann sich dabei auf der ersten und/oder zweiten Beschichtung, zwischen der ersten und/oder zweiten Beschichtung und der ersten und/oder dritten Membran und/oder auf der zweiten Membran und/oder an Wandungen der ersten, zweiten und/oder dritten Kavität/Kaverne befinden. Zusätzlich kann die Verwendung von einer oder mehreren Heizstrukturen eine Konditionierung und/oder eine Rekonditionierung und/oder eine Regenerierung der ersten Beschichtung und/oder der zweiten Beschichtung thermisch unterstützen oder ermöglichen.According to a further embodiment, the sensor arrangement has at least one temperature measuring device and/or at least one heating structure. The temperature measuring device can be designed, for example, as a diode and/or as a thermistor. By knowing the temperature, temperature effects on the first coating and/or the second coating can be compensated. By using heating structures and heating the membranes, the reaction time of the sensor arrangement can be minimized. The at least one heating structure can be located on the first and/or second coating, between the first and/or second coating and the first and/or third membrane and/or on the second membrane and/or on walls of the first, second and/or third cavity/cavern. In addition, the use of one or more heating structures can thermally support or enable conditioning and/or reconditioning and/or regeneration of the first coating and/or the second coating.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste bewegliche Elektrode, die zweite bewegliche Elektrode und/oder die dritte bewegliche Elektrode elektrisch leitend oder elektrisch isoliert mit der jeweiligen ersten Membran, zweiten Membran und/oder dritten Membran verbunden.In an advantageous embodiment, the first movable electrode, the second movable electrode and/or the third movable electrode are connected in an electrically conductive or electrically insulated manner to the respective first membrane, second membrane and/or third membrane.

Weiter kann innerhalb zumindest einer Kaverne auch zumindest eine Referenzkondensatorstruktur vorgesehen sein. Dies ermöglicht das elektrische Verschalten der einzelnen Sensierelemente in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung und somit das Erreichen einer höheren Messempfindlichkeit und/oder einer elektrischen und/oder mechanischen Kompensation/Korrektur des ermittelten Messsignals.Furthermore, at least one reference capacitor structure can be provided within at least one cavern. This enables the electrical connection of the individual sensing elements in a Wheatstone bridge circuit and thus the achievement of a higher measurement sensitivity and/or an electrical and/or mechanical compensation/correction of the determined measurement signal.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

  • 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Ruhezustand,
  • 2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer ausgelenkten zweiten Membran,
  • 3 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel im Ruhezustand,
  • 4 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer ausgelenkten zweiten Membran,
  • 5 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel im Ruhezustand,
  • 6 eine Draufsicht auf eine zweite Membran der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 7 eine Draufsicht auf eine zweite Membran der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
  • 8 eine Draufsicht auf eine zweite Membran der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
  • 9 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel im Ruhezustand und
  • 10 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel mit einer ausgelenkten dritten Membran.
In the following, preferred embodiments of the invention are explained in more detail using highly simplified schematic representations.
  • 1 a sectional view of a sensor arrangement according to the invention according to a first embodiment in the idle state,
  • 2 a sectional view of a sensor arrangement according to the invention according to the first embodiment with a deflected second membrane,
  • 3 a sectional view of a sensor arrangement according to the invention according to a second embodiment in the idle state,
  • 4 a sectional view of a sensor arrangement according to the invention according to the second embodiment with a deflected second membrane,
  • 5 a sectional view of a sensor arrangement according to the invention according to a third embodiment in the idle state,
  • 6 a plan view of a second membrane of the sensor arrangement according to the invention according to the first embodiment,
  • 7 a plan view of a second membrane of the sensor arrangement according to the invention according to a fourth embodiment,
  • 8th a plan view of a second membrane of the sensor arrangement according to the invention according to a fifth embodiment,
  • 9 a sectional view of a sensor arrangement according to the invention according to a sixth embodiment in the idle state and
  • 10 a sectional view of a sensor arrangement according to the invention according to the sixth embodiment with a deflected third membrane.

In der 1 ist eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Ruhezustand gezeigt. Als Ruhezustand wird der Zustand der Sensoranordnung 1 beschrieben/definiert, der nach Fertigstellung der zumindest einen Membranstruktur inklusive optionaler Beschichtung und/oder optionaler Konditionierung eingenommen wird. Die 1 wird in Verbindung mit 2 beschrieben, die eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer ausgelenkten zweiten Membran veranschaulicht.In the 1 is a sectional view of a sensor arrangement 1 according to the invention according to a first embodiment in the rest state. The rest state is described/defined as the state of the sensor arrangement 1 which is assumed after completion of the at least one membrane structure including optional coating and/or optional conditioning. The 1 is used in conjunction with 2 described that a Cross-sectional view of the sensor arrangement 1 according to the invention according to the first embodiment with a deflected second membrane.

Die Sensoranordnung 1 ist beispielhaft in Form eines mikro-elektromechanischen Systems (MEMS) ausgestaltet. Insbesondere kann die Sensoranordnung 1 als ein kapazitiver MEMS-Drucksensor ausgestaltet sein, mit welchem eine Wasserstoffkonzentration selektiv gemessen werden kann.The sensor arrangement 1 is designed, for example, in the form of a micro-electromechanical system (MEMS). In particular, the sensor arrangement 1 can be designed as a capacitive MEMS pressure sensor with which a hydrogen concentration can be selectively measured.

Die Sensoranordnung 1 weist ein Substrat 10 auf, in welches eine erste Kavität 11 und eine zweite Kavität 12 eingebracht sind. Des Weiteren sind eine erste Membran 21, welche die erste Kavität 11 hermetisch dicht gegenüber einer Umgebung U abschließt, und eine zweite Membran 22, welche die zweite Kavität 12 hermetisch gegenüber der Umgebung U abschließt vorgesehen.The sensor arrangement 1 has a substrate 10 into which a first cavity 11 and a second cavity 12 are introduced. Furthermore, a first membrane 21, which hermetically seals the first cavity 11 against an environment U, and a second membrane 22, which hermetically seals the second cavity 12 against the environment U, are provided.

Im Unterschied zu den dargestellten Ausführungsbeispielen werden im Stand der Technik vielfach Membranen mit einer Druckausgleichsöffnung eingesetzt, um unmittelbar ein vom Umgebungsdruck unabhängiges Signal zu erhalten. Nachteilig ist am Stand der Technik jedoch, dass Medien und Feuchtigkeit durch das Druckausgleichsloch in die darunterliegende Kavität eindringen können. Infolgedessen können sich die mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften der Membran im Stand der Technik verändern, was zu einer Kennliniendrift führen kann, oder bestimmte Einsatzbedingungen können in einer Vereisung resultieren, die die Membranintegrität beeinträchtigen kann.In contrast to the exemplary embodiments shown, membranes with a pressure equalization opening are often used in the prior art in order to immediately receive a signal that is independent of the ambient pressure. A disadvantage of the prior art, however, is that media and moisture can penetrate through the pressure equalization hole into the cavity below. As a result, the mechanical and/or electrical properties of the membrane in the prior art can change, which can lead to a characteristic curve drift, or certain operating conditions can result in icing, which can impair the membrane integrity.

Die erste Kavität 11 und die zweite Kavität 12 sind erfindungsgemäß durch mindestens einen Verbindungskanal 13 fluidführend miteinander verbunden. Hierdurch kann sich ein identischer Referenzinnendruck in den Kavitäten 11, 12 einstellen. Eine Änderung des Umgebungsdrucks der Umgebung U oder des in die Membranen 21, 22 eingebrachten Stresses führt zu einer Änderung der Durchbiegung der Membranen 21, 22.According to the invention, the first cavity 11 and the second cavity 12 are connected to one another in a fluid-conducting manner by at least one connecting channel 13. This allows an identical reference internal pressure to be established in the cavities 11, 12. A change in the ambient pressure of the environment U or in the stress introduced into the membranes 21, 22 leads to a change in the deflection of the membranes 21, 22.

Weiterhin weist die Sensoranordnung 1 eine mit der Umgebung U wechselwirkende erste Beschichtung 31 auf, welche auf einer von der zweiten Kavität 12 weg gerichteten Vorderseite 24 der zweiten Membran 22 angeordnet ist.Furthermore, the sensor arrangement 1 has a first coating 31 which interacts with the environment U and is arranged on a front side 24 of the second membrane 22 directed away from the second cavity 12.

Die erste Membran 21 weist eine zur Umgebung U und von der ersten Kavität 11 weg gerichtete erste Seite bzw. Vorderseite 23 auf und eine in Richtung der ersten Kavität 11 gerichtete zweite Seite bzw. Rückseite 25 auf. Analog hierzu weist die zweite Membran 22 eine zur Umgebung U und von der zweiten Kavität 12 weg gerichtete erste Seite bzw. Vorderseite 24 auf und eine in Richtung der zweiten Kavität 12 gerichtete zweite Seite bzw. Rückseite 26 auf.The first membrane 21 has a first side or front side 23 directed towards the environment U and away from the first cavity 11 and a second side or rear side 25 directed in the direction of the first cavity 11. Analogously, the second membrane 22 has a first side or front side 24 directed towards the environment U and away from the second cavity 12 and a second side or rear side 26 directed in the direction of the second cavity 12.

Weiterhin sind mindestens eine erste mit der ersten Membran 21 mechanisch und optional elektrisch verbundene, bewegliche Elektrode 41 und mindestens eine erste, mechanisch und optional elektrisch nicht mit der ersten Membran 21 verbundene, unbewegliche Elektrode 43, und mindestens eine zweite, mit der zweiten Membran 22 mechanisch und optional elektrisch verbundene, bewegliche Elektrode 42 und mindestens eine zweite, mechanisch und optional elektrisch nicht mit der zweiten Membran 22 verbundene, unbewegliche Elektrode 44, vorgesehen. Die beiden Membranen 21, 22 sind unabhängig voneinander druckempfindlich und überspannen hermetisch dicht jeweils eine Kavität bzw. Kaverne 11, 12 vollständig.Furthermore, at least one first movable electrode 41, which is mechanically and optionally electrically connected to the first membrane 21, and at least one first immovable electrode 43, which is mechanically and optionally electrically not connected to the first membrane 21, and at least one second movable electrode 42, which is mechanically and optionally electrically connected to the second membrane 22, and at least one second immovable electrode 44, which is mechanically and optionally electrically not connected to the second membrane 22, are provided. The two membranes 21, 22 are pressure-sensitive independently of one another and each completely span a cavity or cavern 11, 12 in a hermetically sealed manner.

Die Empfindlichkeit auf Wasserstoff wird dadurch erreicht, indem die erste Beschichtung 31 auf der zweiten Membran 22 Palladium bzw. eine Palladium-haltige Legierung aufweist. Die erste Membran 21 bleibt ohne eine aktive Beschichtung. Bei einer Absorption von Wasserstoff H2 durch die erste Beschichtung 31 ändert sich der Stresszustand der ersten Beschichtung 31 und verursacht eine Auslenkungsänderung bzw. Durchbiegungsänderung der zweiten Membran 22. Diese Veränderung der Auslenkung bzw. Durchbiegung der zweiten Membran 22 kann durch eine Änderung einer Kapazität oder eines Schwingungsverhaltens messtechnisch registriert werden.The sensitivity to hydrogen is achieved by the first coating 31 on the second membrane 22 containing palladium or a palladium-containing alloy. The first membrane 21 remains without an active coating. When hydrogen H 2 is absorbed by the first coating 31, the stress state of the first coating 31 changes and causes a change in the deflection or bending of the second membrane 22. This change in the deflection or bending of the second membrane 22 can be recorded by measurement by a change in a capacitance or an oscillation behavior.

Eine erste bewegliche Elektrode 41 ist flexibel ausgestaltet und auf der Rückseite 25 der ersten Membran 21 angeordnet. Eine zweite bewegliche Elektrode 42 ist ebenfalls flexibel ausgestaltet und auf der Rückseite 26 der zweiten Membran 22 angeordnet. Eine derart ausgestaltete Sensoranordnung 1 weist auf der zweiten Membran 22 eine beidseitige Beschichtung auf, wobei auf einer zu der zweiten Kavität 12 gerichteten Membranseite 26 eine elektrisch leitfähige Beschichtung als die zweite bewegliche Elektrode 42 angeordnet ist. Auf einer von der zweiten Kavität 12 weg gerichteten Membranseite 24 der zweiten Membran 22 ist die erste Beschichtung 31 aufgebracht, welche mit Wasserstoffatomen und/oder Wasserstoffmolekülen wechselwirken kann. Auf einer, der ersten Kavität 11 zugewandten, Membranseite bzw. Rückseite 25 der ersten Membran 21 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel die erste bewegliche Elektrode 41 in Form einer Beschichtung auf der ersten Membran 21 angeordnet.A first movable electrode 41 is designed to be flexible and is arranged on the rear side 25 of the first membrane 21. A second movable electrode 42 is also designed to be flexible and is arranged on the rear side 26 of the second membrane 22. A sensor arrangement 1 designed in this way has a coating on both sides of the second membrane 22, with an electrically conductive coating being arranged as the second movable electrode 42 on a membrane side 26 facing the second cavity 12. The first coating 31, which can interact with hydrogen atoms and/or hydrogen molecules, is applied to a membrane side 24 of the second membrane 22 facing away from the second cavity 12. In the exemplary embodiment shown, the first movable electrode 41 is arranged in the form of a coating on the first membrane 21 on a membrane side or rear side 25 of the first membrane 21 facing the first cavity 11.

Des Weiteren ist in der ersten Kavität 11 zusätzlich zu der ersten beweglichen Elektrode 41 eine erste unbewegliche Elektrode 43 angeordnet. Die erste unbewegliche Elektrode 43 ist von der ersten beweglichen Elektrode 41 beabstandet. Vorzugsweise sind die erste bewegliche Elektrode 41 und die erste unbewegliche Elektrode 43 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die erste unbewegliche Elektrode 43 ist relativ zur ersten beweglichen Elektrode 41 stationär bzw. unbeweglich ausgestaltet und ist beispielhaft an bzw. auf der zur ersten Membran 21 hin ausgerichteten Seite der ersten Kavität 11 angeordnet/vorgesehen.Furthermore, in the first cavity 11, in addition to the first movable electrode 41, a first immovable electrode 43 is arranged. The first immovable electrode 43 is separated from the first th movable electrode 41. Preferably, the first movable electrode 41 and the first immovable electrode 43 are arranged substantially parallel to one another. The first immovable electrode 43 is designed to be stationary or immovable relative to the first movable electrode 41 and is arranged/provided, for example, on the side of the first cavity 11 oriented towards the first membrane 21.

In einem initialen Zustand bzw. Ruhezustand der Sensoranordnung 1 ist in einer zweiten Kavität 12 zusätzlich zu der zweiten beweglichen Elektrode 42 eine zweite unbewegliche Elektrode 44 angeordnet, welche von der zweiten beweglichen Elektrode 42 beabstandet ist. Die zweite unbewegliche Elektrode 44 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel an bzw. auf der zur zweiten Membran 22 hin ausgerichteten Seite der zweiten Kavität 12 angeordnet/vorgesehen.In an initial state or rest state of the sensor arrangement 1, in addition to the second movable electrode 42, a second immovable electrode 44 is arranged in a second cavity 12, which is spaced apart from the second movable electrode 42. In the exemplary embodiment shown, the second immovable electrode 44 is arranged/provided on the side of the second cavity 12 oriented towards the second membrane 22.

Die jeweiligen beweglichen und unbeweglichen Elektroden 41, 42, 43, 44 sind mit einer Steuereinheit 50 elektrisch leitend verbunden, um eine Änderung von Messkapazitäten und/oder eine von Messkapazitäten abhängige Änderung von Messsignalverläufen, wie beispielsweise Frequenz bzw. Frequenzänderungen, Änderungen von Signalamplituden und/oder Änderungen von Anstiegsverhalten oder Dämpfungsverhalten zu ermitteln. Hierzu wird zwischen der ersten beweglichen Elektrode 41 und der ersten unbeweglichen Elektrode 42 eine erste Messkapazität und zwischen der zweiten beweglichen Elektrode 42 und der zweiten unbeweglichen Elektrode 44 eine zweite Messkapazität gebildet.The respective movable and immovable electrodes 41, 42, 43, 44 are electrically connected to a control unit 50 in order to determine a change in measuring capacitances and/or a change in measuring signal curves dependent on measuring capacitances, such as frequency or frequency changes, changes in signal amplitudes and/or changes in rise behavior or damping behavior. For this purpose, a first measuring capacitance is formed between the first movable electrode 41 and the first immovable electrode 42 and a second measuring capacitance is formed between the second movable electrode 42 and the second immovable electrode 44.

Der Übersicht halber sind die nicht bezifferten Verbindungsleitungen zwischen den Elektroden 41, 42, 43, 44 und der Steuereinheit 50 nur in der 1 gezeigt. Alle weiteren Ausführungsbeispiele der Erfindung können ebenfalls entsprechende Verbindungsleitungen und Anschlüsse für eine Steuereinheit 50 aufweisen, um direkt oder indirekt eine elektrische Verbindung zu den Elektroden 41, 42, 43, 44 aufzubauen. Die jeweiligen Verbindungsleitungen können durch das Substrat 10 hindurch und/oder auf dem Substrat 10 und/oder innerhalb eines Schichtsystem aus verschiedenen elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Schichten vorgesehen sein.For the sake of clarity, the unnumbered connecting lines between the electrodes 41, 42, 43, 44 and the control unit 50 are only shown in the 1 All other embodiments of the invention can also have corresponding connecting lines and connections for a control unit 50 in order to establish an electrical connection directly or indirectly to the electrodes 41, 42, 43, 44. The respective connecting lines can be provided through the substrate 10 and/or on the substrate 10 and/or within a layer system made up of various electrically conductive and electrically insulating layers.

In der 3 und der 4 sind weitere Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei veranschaulicht die 3 die Sensoranordnung 1 in einem Ruhezustand und die 4 die Sensoranordnung 1 in einem Zustand mit vorhandenen Wasserstoffmolekülen H2 in der Umgebung U der Sensoranordnung 1. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die erste bewegliche Elektrode 41 starr ausgestaltet und durch wenigstens einen ersten Verbindungssteg 45 von der Rückseite 25 der ersten Membran 21 beabstandet angeordnet. Dabei ist die erste bewegliche Elektrode 41 im Volumen der ersten Kavität 11, beispielsweise mittig, angeordnet. Der wenigstens eine erste Verbindungssteg 45 verbindet die erste bewegliche Elektrode 41 mechanisch und optional elektrisch mit der ersten Membran 21. In the 3 and the 4 are further sectional views of a sensor arrangement 1 according to the invention according to a second embodiment. The 3 the sensor arrangement 1 in a rest state and the 4 the sensor arrangement 1 in a state with existing hydrogen molecules H 2 in the environment U of the sensor arrangement 1. In contrast to the first embodiment, the first movable electrode 41 is designed to be rigid and is arranged at a distance from the rear side 25 of the first membrane 21 by at least one first connecting web 45. The first movable electrode 41 is arranged in the volume of the first cavity 11, for example in the middle. The at least one first connecting web 45 connects the first movable electrode 41 mechanically and optionally electrically to the first membrane 21.

Aufgrund der mechanischen und der optionalen elektrischen Verbindung der ersten beweglichen Elektrode 41 mit der ersten Membran 21 führt eine Auslenkung/Durchbiegung der ersten Membran 21 zu einer Positionsänderung/Lageänderung der ersten beweglichen Elektrode 41 innerhalb der ersten Kavität 11. Über die Lage innerhalb des ersten Membranbereichs 21 und die Formgebung des wenigsten einen ersten Verbindungsstegs 45 kann erreicht werden, dass eine Deformation der ersten Membran 21 zu keiner oder nur zu einer geringen Formänderung/Verbiegung der ersten beweglichen Elektrode 41 führt/beiträgt.Due to the mechanical and optional electrical connection of the first movable electrode 41 to the first membrane 21, a deflection/deflection of the first membrane 21 leads to a change in position/location of the first movable electrode 41 within the first cavity 11. The position within the first membrane region 21 and the shape of the at least one first connecting web 45 can ensure that a deformation of the first membrane 21 leads/contributes to no or only a slight change in shape/deflection of the first movable electrode 41.

Die Form der ersten beweglichen Elektrode 41 wird bei dieser Ausführungsform nicht verändern, sondern nur ihre Position innerhalb der ersten Kavität 11. Dieses Verhalten kann vorteilhaft zur Erzeugung einer linearen Sensorkennlinie benutzt werden. Zusätzlich hierzu ist die zweite bewegliche Elektrode 22 ebenfalls starr ausgestaltet und durch wenigstens einen zweiten Verbindungssteg 46 von der Rückseite 26 der zweiten Membran 22 beabstandet angeordnet. Der wenigstens eine zweite Verbindungssteg 46 verbindet in gleicher Weise die zweite bewegliche Elektrode 42 mechanisch und optional elektrisch mit der zweiten Membran 22. Abhängig von der geometrischen Anordnung und Auslegung des wenigstens einen zweiten Verbindungsstegs 46 führt eine Deformation der zweiten Membran 22 zu keiner oder nur zu einer geringen Formänderung/Verbiegung der zweiten beweglichen Elektrode 42. Das Vermeiden einer Formänderung/Verbiegung der beweglichen zweiten Elektrode 42 ermöglicht das Erzeugen einer linearen Sensorkennlinie.The shape of the first movable electrode 41 will not change in this embodiment, only its position within the first cavity 11. This behavior can advantageously be used to generate a linear sensor characteristic curve. In addition to this, the second movable electrode 22 is also designed to be rigid and is arranged at a distance from the rear side 26 of the second membrane 22 by at least one second connecting web 46. The at least one second connecting web 46 connects the second movable electrode 42 mechanically and optionally electrically to the second membrane 22 in the same way. Depending on the geometric arrangement and design of the at least one second connecting web 46, a deformation of the second membrane 22 leads to no or only a slight change in shape/bending of the second movable electrode 42. Avoiding a change in shape/bending of the movable second electrode 42 makes it possible to generate a linear sensor characteristic curve.

Die Verbindungsstege 45, 46 können die Elektroden 41, 42 auf einen gewünschten Abstand zu den Membranen 21, 22 bringen und somit eine konkrete Position der beweglichen Elektroden 41, 42 innerhalb der Kavitäten 11, 12 definieren. Über die Verbindungsstege 45, 46 können weiter der Abstand der Elektrode 41 und der Elektrode 43 und/oder der Abstand der Elektrode 42 und der Elektrode 44 im Ruhezustand definiert werden.The connecting webs 45, 46 can bring the electrodes 41, 42 to a desired distance from the membranes 21, 22 and thus define a specific position of the movable electrodes 41, 42 within the cavities 11, 12. The connecting webs 45, 46 can also be used to define the distance between the electrode 41 and the electrode 43 and/or the distance between the electrode 42 and the electrode 44 in the resting state.

Die 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel im Ruhezustand. Die Sensoranordnung 1 gemäß der dritten Ausführungsform bildet eine Weiterbildung der Sensoranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aus. Hierbei sind mindestens eine weitere erste unbewegliche Elektrode 47 in der ersten Kavität 11 und/oder mindestens eine weitere zweite unbewegliche Elektrode 48 in der zweiten Kavität 12 angeordnet. Der erste Verbindungssteg 45 erstreckt sich durch eine Öffnung in der mindestens einen weiteren ersten unbeweglichen Elektrode 47 hindurch. Entsprechend hierzu erstreckt sich der zweite Verbindungssteg 46 durch eine Öffnung in der mindestens einen weiteren zweiten unbeweglichen Elektrode 48 hindurch.The 5 shows a sectional view of a sensor arrangement 1 according to the invention according to a third embodiment in the idle state. The sensor arrangement 1 according to the third embodiment This embodiment forms a further development of the sensor arrangement 1 according to the second embodiment. In this case, at least one further first immovable electrode 47 is arranged in the first cavity 11 and/or at least one further second immovable electrode 48 is arranged in the second cavity 12. The first connecting web 45 extends through an opening in the at least one further first immovable electrode 47. Correspondingly, the second connecting web 46 extends through an opening in the at least one further second immovable electrode 48.

Die erste bewegliche Elektrode 41 ist durch den mindestens einen ersten Verbindungssteg 45 zwischen mindestens zwei ersten unbeweglichen Elektroden 43, 47 und die zweite bewegliche Elektrode 42 ist durch den mindestens einen zweiten Verbindungssteg 46 zwischen mindestens zwei zweiten unbeweglichen Elektroden 44, 48 beweglich positioniert. Hierdurch sind die beweglichen Elektroden 41, 42 zwischen jeweils zwei unbeweglichen Elektroden 43, 47 und 44, 48 angeordnet. Somit können pro Kavität 11, 12 zwei Messkapazitäten CM1, CM2 realisiert werden. Diese Messkapazitäten sind beispielhaft in der 5 illustriert.The first movable electrode 41 is movably positioned by the at least one first connecting web 45 between at least two first immovable electrodes 43, 47 and the second movable electrode 42 is movably positioned by the at least one second connecting web 46 between at least two second immovable electrodes 44, 48. As a result, the movable electrodes 41, 42 are arranged between two immovable electrodes 43, 47 and 44, 48. Thus, two measuring capacitances C M1 , C M2 can be realized per cavity 11, 12. These measuring capacitances are shown by way of example in the 5 illustrated.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Messkapazität CM und eine Anregungskapazität CA realisiert werden, wobei die erste und/oder die zweite bewegliche Elektrode und die jeweils mit der Elektrode verbundene erste und/oder zweite Membran durch die Anregungskapazität in eine Schwingung versetzbar ist, welche basierend auf einer Einwirkung von außen, beispielsweise durch eine Absorption von Wasserstoff in der ersten Beschichtung, verändert wird. Mit Hilfe der Steuereinheit 50 kann gesteuert werden, welche Kapazität während einer Messung als Messkapazität CM und welche Kapazität als Anregungskapazität CA benutzt wird und wie oft ein Wechsel zwischen der Ansteuerung als Messkapazität CM und der Ansteuerung als Anregungskapazität CA erfolgt.Alternatively or additionally, a measuring capacitance C M and an excitation capacitance C A can be implemented, wherein the first and/or the second movable electrode and the first and/or second membrane connected to the electrode can be set into oscillation by the excitation capacitance, which is changed based on an external influence, for example by an absorption of hydrogen in the first coating. With the help of the control unit 50, it can be controlled which capacitance is used as the measuring capacitance C M and which capacitance is used as the excitation capacitance C A during a measurement and how often a change between the control as the measuring capacitance C M and the control as the excitation capacitance C A takes place.

In der 6, der 7 und der 8 sind beispielhaft unterschiedliche Draufsichten auf eine zweite Membran 22 der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gezeigt. Dabei ist die zweite Membran 22 von der Vorderseite 24 sichtbar und weist einen quadratischen Querschnitt auf. Auf der Vorderseite 24 der zweiten Membran 22 ist die erste Beschichtung 31 aufgebracht. In der 6 ist die zweite Membran 22 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die erste Beschichtung 31 kann hierbei die komplette zweite Membran 22 bedecken oder lediglich einen Teil der zweiten Membran 22 bedecken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bedeckt die erste Beschichtung 31 einen kreisförmigen Abschnitt der zweiten Membran 22.In the 6 , the 7 and the 8th different top views of a second membrane 22 of the sensor arrangement 1 according to the invention are shown by way of example. The second membrane 22 is visible from the front side 24 and has a square cross section. The first coating 31 is applied to the front side 24 of the second membrane 22. In the 6 the second membrane 22 is shown according to the first embodiment. The first coating 31 can cover the entire second membrane 22 or only a part of the second membrane 22. In the embodiment shown, the first coating 31 covers a circular section of the second membrane 22.

Mit Hilfe von mindestens zwei elektrischen Anschlüssen 51 bzw. sogenannten Kontaktpads kann der elektrische Widerstand der ersten Beschichtung 31 gemessen werden. Die Anschlüsse 51 sind beispielsweise ebenfalls an die Steuereinheit 50 angeschlossen. Besitzt die Beschichtung 31 einen kleinen spezifischen elektrischen Widerstand kann durch Verwendung von 4 elektrischen Anschlüssen 51 eine 4-Punkt Messung realisiert werden und eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden.The electrical resistance of the first coating 31 can be measured using at least two electrical connections 51 or so-called contact pads. The connections 51 are also connected to the control unit 50, for example. If the coating 31 has a small specific electrical resistance, a 4-point measurement can be realized by using 4 electrical connections 51 and a higher measurement accuracy can be achieved.

Die 7 zeigt in einem vierten Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 1 eine alternative Möglichkeit den elektrischen Widerstand der ersten Beschichtung 31 zu messen. Hierbei ist ein elektrisch kontaktierbarer Messstreifen 52 aus dem Material der ersten Beschichtung 31 auf der Vorderseite 24 der zweiten Membran 22 angeordnet, welcher beispielsweise mäanderförmig durch die Fläche der ersten Beschichtung 31 hindurch verläuft. Die Form des Messstreifens 52 ist jedoch nicht auf eine mäanderförmige Form beschränkt und kann beliebig ausgeführt sein. Alternativ kann die erste Beschichtung 31 außerhalb des Messstreifens 52 teilweise oder vollständig entfernt sein.The 7 shows in a fourth embodiment of the sensor arrangement 1 an alternative possibility for measuring the electrical resistance of the first coating 31. In this case, an electrically contactable measuring strip 52 made of the material of the first coating 31 is arranged on the front side 24 of the second membrane 22, which runs, for example, in a meandering shape through the surface of the first coating 31. The shape of the measuring strip 52 is not limited to a meandering shape, however, and can be designed as desired. Alternatively, the first coating 31 outside the measuring strip 52 can be partially or completely removed.

Im Unterschied zu der 7, zeigt die 8 eine Draufsicht auf die zweite Membran 22 einer Sensoranordnung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, bei dem ein elektrisch kontaktierbarer Messstreifen 53 aus dem Material der ersten Beschichtung 31 auf der Vorderseite 24 der zweiten Membran 22 angeordnet ist. Der Messtreifen 53 weist beispielsweise eine Linienform auf und ist zumindest bereichsweise außerhalb der Fläche der ersten Beschichtung 31 angeordnet. Der Messstreifen 52 kann dabei zumindest bereichsweise der umlaufenden Kontur der ersten Beschichtung 31 folgend in einem definierten Abstand zu der umlaufenden Kontur der ersten Beschichtung 31 vorgesehen sein und/oder zumindest bereichsweise der umlaufenden Kontur der zweiten Membran 22 folgend in einem definierten Abstand zu der umlaufenden Kontur der zweiten Membran 22 vorgesehen sein. Alternative kann der Messstreifen 52 eine beliebige Form und Länge aufweisen und außerhalb der umlaufenden Kontur der zweiten Membran 22 vorgesehen sein und optional zumindest Bereichsweise sich bis in den Bereich der Membran 22 hinein erstrecken.In contrast to the 7 , show the 8th a plan view of the second membrane 22 of a sensor arrangement 1 according to a fifth exemplary embodiment, in which an electrically contactable measuring strip 53 made of the material of the first coating 31 is arranged on the front side 24 of the second membrane 22. The measuring strip 53 has, for example, a linear shape and is arranged at least in regions outside the surface of the first coating 31. The measuring strip 52 can be provided at least in regions following the circumferential contour of the first coating 31 at a defined distance from the circumferential contour of the first coating 31 and/or at least in regions following the circumferential contour of the second membrane 22 at a defined distance from the circumferential contour of the second membrane 22. Alternatively, the measuring strip 52 can have any shape and length and be provided outside the circumferential contour of the second membrane 22 and optionally extend at least in regions into the region of the membrane 22.

Die jeweiligen Messstreifen 52, 53 können durch die Kontaktpads bzw. elektrische Anschlüsse 51 von der Steuereinheit 50 kontaktiert werden.The respective measuring strips 52, 53 can be contacted by the control unit 50 via the contact pads or electrical connections 51.

In den gezeigten Figuren ist die beispielhaft beschriebene wasserstoffsensitive Palladiumlegierung, die die erste Beschichtung ausbilden kann, nur innerhalb des Membranbereichs angeordnet/vorgesehen. Dies ist nicht zwingend notwendig. Alternativ oder zusätzlich kann sich die erste Beschichtung, zumindest partiell, auch bis über den Membranbereich hinaus erstrecken.In the figures shown, the hydrogen-sensitive palladium alloy described as an example, which can form the first coating, is only arranged/provided within the membrane area. This is not absolutely necessary. Alterna Optionally or additionally, the first coating may extend, at least partially, beyond the membrane area.

In der 9 ist eine weitere Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel im Ruhezustand gezeigt. Die 10 zeigt die Sensoranordnung 1 in 9, wenn Luftfeuchtigkeit in der Umgebung U der Sensoranordnung 1 vorhanden ist.In the 9 is a further sectional view of a sensor arrangement 1 according to the invention according to a sixth embodiment in the idle state. The 10 shows the sensor arrangement 1 in 9 if humidity is present in the environment U of the sensor arrangement 1.

Im Unterschied hierzu bzw. zusätzlich ist eine dritte Kavität 14 in das Substrat 10 eingebracht. Die dritte Kavität 14 ist durch eine dritte Membran 27 gegenüber der Umgebung U hermetisch dicht abgeschlossen. Weiterhin ist die dritte Kavität 14 durch mindestens einen Verbindungskanal 13 mit der ersten Kavität 11 und mit der zweiten Kavität 12 fluidführend verbunden. Dabei können die jeweiligen Kavitäten 11, 12, 14 in einer Reihe oder in einer Dreiecksanordnung zueinander angeordnet sein. Analog hierzu können die Verbindungskanäle 13 alle Kavitäten 11, 12, 14 in einer Reihe bzw. nacheinander fluidleitend verbunden sein. Alternativ können alle Kavitäten 11, 12, 14 über separate Verbindungskanäle 13 miteinander verbunden sein.In contrast to this or in addition, a third cavity 14 is introduced into the substrate 10. The third cavity 14 is hermetically sealed from the environment U by a third membrane 27. Furthermore, the third cavity 14 is connected to the first cavity 11 and to the second cavity 12 in a fluid-conducting manner by at least one connecting channel 13. The respective cavities 11, 12, 14 can be arranged in a row or in a triangular arrangement. Analogously, the connecting channels 13 can connect all cavities 11, 12, 14 in a row or one after the other in a fluid-conducting manner. Alternatively, all cavities 11, 12, 14 can be connected to one another via separate connecting channels 13.

Darüber hinaus ist eine, mit der Umgebung U wechselwirkende, zweite Beschichtung 32 auf einer Vorderseite der dritten Membran 27 angeordnet. Durch diese Maßnahme kann zusätzlich ein dritter Sensierbereich realisiert werden. Die zweite Beschichtung 32 ist als eine Polymer-basierte, feuchteempfindliche Beschichtung ausgestaltet, um zusätzlich einen integrierten Feuchtesensor zu realisieren. Hierdurch kann ergänzend eine Feuchtekompensation realisiert werden.In addition, a second coating 32, which interacts with the environment U, is arranged on a front side of the third membrane 27. This measure also makes it possible to create a third sensing area. The second coating 32 is designed as a polymer-based, moisture-sensitive coating in order to additionally create an integrated moisture sensor. This also makes it possible to realize moisture compensation.

Die dritte Kavität 14 kann hierbei ebenfalls eine dritte bewegliche Elektrode 40 und eine dritte unbewegliche Elektrode 49 aufweisen, die elektrisch mit der Steuereinheit 50 verbunden sind, um eine Messkapazität und eine Messkapazitätsänderung im Betrieb der Sensoranordnung ermitteln zu können.The third cavity 14 can also have a third movable electrode 40 and a third immovable electrode 49, which are electrically connected to the control unit 50 in order to be able to determine a measuring capacitance and a change in measuring capacitance during operation of the sensor arrangement.

Die 10 veranschaulicht die Sensoranordnung 1 aus 9, wenn in der Umgebung U der Sensoranordnung 1 Luftfeuchtigkeit in Form von H2O Molekülen vorhanden ist. Die Messung der Luftfeuchtigkeit in der Umgebung U der Sensoranordnung 1 kann vorteilhafterweise parallel zu der bereits beschriebenen Messung einer Konzentration von Wasserstoffmolekülen H2 in der Umgebung U der Sensoranordnung 1 erfolgen.The 10 illustrates the sensor arrangement 1 from 9 , if air humidity in the form of H 2 O molecules is present in the environment U of the sensor arrangement 1. The measurement of the air humidity in the environment U of the sensor arrangement 1 can advantageously be carried out in parallel to the already described measurement of a concentration of hydrogen molecules H 2 in the environment U of the sensor arrangement 1.

Optional kann die Sensoranordnung 1 mindestens eine Temperaturmesseinrichtung 54, beispielsweise in Form eines Thermistors und/oder mindestens eine Heizstruktur 55 aufweisen. Die Heizstruktur 55 kann mindestens eine Membran 21, 22, 27 erwärmen, um beispielsweise eine schnellere Reaktionszeit zu ermöglichen.Optionally, the sensor arrangement 1 can have at least one temperature measuring device 54, for example in the form of a thermistor and/or at least one heating structure 55. The heating structure 55 can heat at least one membrane 21, 22, 27 in order to enable a faster response time, for example.

Die jeweiligen Membranen 21, 22, 27 sind zwar der Einfachheit halber in den Figuren identisch hinsichtlich ihren Abmessungen und Membrandicken dargestellt. Die Membranen 21, 22, 27 können jedoch voneinander abweichende Abmessungen, Membrandicken, Formen und Materialeigenschaften aufweisen.For the sake of simplicity, the respective membranes 21, 22, 27 are shown in the figures as being identical in terms of their dimensions and membrane thicknesses. However, the membranes 21, 22, 27 can have different dimensions, membrane thicknesses, shapes and material properties.

Claims (16)

Sensoranordnung (1), insbesondere in Form eines mikro-elektromechanischen Systems, aufweisend: ein Substrat (10), eine erste Kavität (11) und eine zweite Kavität (12) eine erste Membran (21), welche die erste Kavität (11) hermetisch dicht gegenüber einer Umgebung (U) abschließt und eine zweite Membran (22), welche die zweite Kavität (12) hermetisch dicht gegenüber der Umgebung (U) abschließt, wobei die erste Kavität (11) und die zweite Kavität (12) durch mindestens einen Verbindungskanal (13) fluidführend miteinander verbunden sind, eine mit der Umgebung (U) wechselwirkende erste Beschichtung (31), welche auf einer Vorderseite (24) der zweiten Membran (22) angeordnet ist, und mindestens eine erste mit der ersten Membran (21) verbundene, bewegliche Elektrode (41) und mindestens eine erste, nicht mit der ersten Membran (11) verbundene, unbewegliche Elektrode (43), und mindestens eine zweite, mit der zweiten Membran (22) verbundene, bewegliche Elektrode (42) und mindestens eine zweite, nicht mit der zweiten Membran (22) verbundene, unbewegliche Elektrode (44).Sensor arrangement (1), in particular in the form of a micro-electromechanical system, comprising: a substrate (10), a first cavity (11) and a second cavity (12) a first membrane (21) which hermetically seals the first cavity (11) against an environment (U) and a second membrane (22) which hermetically seals the second cavity (12) against the environment (U), wherein the first cavity (11) and the second cavity (12) are connected to one another in a fluid-conducting manner by at least one connecting channel (13), a first coating (31) which interacts with the environment (U) and is arranged on a front side (24) of the second membrane (22), and at least one first movable electrode (41) connected to the first membrane (21) and at least one first immovable electrode (43) not connected to the first membrane (11), and at least one second electrode (43) connected to the second membrane (22) connected, movable electrode (42) and at least a second, immovable electrode (44) not connected to the second membrane (22). Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die erste bewegliche Elektrode (42) flexibel ausgestaltet und auf einer Rückseite (25) der ersten Membran (21) angeordnet ist, wobei die zweite bewegliche Elektrode (42) flexibel ausgestaltet und auf einer Rückseite (26) der zweiten Membran (22) angeordnet ist.Sensor arrangement according to Claim 1 , wherein the first movable electrode (42) is designed to be flexible and is arranged on a rear side (25) of the first membrane (21), wherein the second movable electrode (42) is designed to be flexible and is arranged on a rear side (26) of the second membrane (22). Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die erste bewegliche Elektrode (41) starr ausgestaltet ist und durch einen ersten Verbindungssteg (45) von der Rückseite (25) der ersten Membran (21) beabstandet angeordnet ist, wobei die zweite bewegliche Elektrode (42) starr ausgestaltet ist und durch einen zweiten Verbindungssteg (46) von der Rückseite (26) der zweiten Membran (22) beabstandet angeordnet ist.Sensor arrangement according to Claim 1 , wherein the first movable electrode (41) is rigid and is arranged at a distance from the rear side (25) of the first membrane (21) by a first connecting web (45), wherein the second movable electrode (42) is rigid and is arranged at a distance from the rear side (26) of the second membrane (22) by a second connecting web (46). Sensoranordnung nach Anspruch 3, wobei mindestens eine weitere erste unbewegliche Elektrode (47) in der ersten Kavität (11) und/oder mindestens eine weitere zweite unbewegliche Elektrode (48) in der zweiten Kavität (12) angeordnet ist, wobei sich der erste Verbindungssteg (45) durch eine Öffnung in der mindestens einen weiteren ersten unbeweglichen Elektrode (47) hindurch erstreckt oder neben der mindestens einen weiteren ersten unbeweglichen Elektrode (47) angeordnet ist.Sensor arrangement according to Claim 3 , wherein at least one further first immovable electrode (47) in the first cavity (11) and/or at least at least one further second immovable electrode (48) is arranged in the second cavity (12), wherein the first connecting web (45) extends through an opening in the at least one further first immovable electrode (47) or is arranged next to the at least one further first immovable electrode (47). Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei sich der zweite Verbindungssteg (46) durch eine Öffnung in der mindestens einen weiteren zweiten unbeweglichen Elektrode (48) hindurch erstreckt oder neben der mindestens einen weiteren zweiten unbeweglichen Elektrode (48) angeordnet ist, wobei die erste bewegliche Elektrode (41) durch den ersten Verbindungssteg (45) zwischen mindestens zwei ersten unbeweglichen Elektroden (43, 47) und die zweite bewegliche Elektrode (42) durch den zweiten Verbindungssteg (46) zwischen mindestens zwei zweiten unbeweglichen Elektroden (44, 48) beweglich positioniert ist.Sensor arrangement according to Claim 3 or 4 , wherein the second connecting web (46) extends through an opening in the at least one further second immovable electrode (48) or is arranged next to the at least one further second immovable electrode (48), wherein the first movable electrode (41) is movably positioned by the first connecting web (45) between at least two first immovable electrodes (43, 47) and the second movable electrode (42) is movably positioned by the second connecting web (46) between at least two second immovable electrodes (44, 48). Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine erste bewegliche Elektrode (41), die mindestens eine erste unbewegliche Elektrode (43), die mindestens eine zweite bewegliche Elektrode (42) und die mindestens eine zweite unbewegliche Elektrode (44) elektrisch mit einer Steuereinheit (50) verbunden sind und dazu eingerichtet sind, durch kapazitive Messungen die Auslenkung der ersten Membran (21) und/oder der zweiten Membran (22) zu erfassen.Sensor arrangement according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the at least one first movable electrode (41), the at least one first immovable electrode (43), the at least one second movable electrode (42) and the at least one second immovable electrode (44) are electrically connected to a control unit (50) and are configured to detect the deflection of the first membrane (21) and/or the second membrane (22) by capacitive measurements. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Beschichtung (31) als eine mit mindestens einem Gas, insbesondere Wasserstoff, wechselwirkende Beschichtung ausgestaltet ist.Sensor arrangement according to one of the Claims 1 until 6 , wherein the first coating (31) is designed as a coating that interacts with at least one gas, in particular hydrogen. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine dritte Kavität (14) in das Substrat (10) eingebracht ist, wobei die dritte Kavität (14) durch eine dritte Membran (27) gegenüber der Umgebung (U) hermetisch dicht abgeschlossen ist, wobei die dritte Kavität (14) durch mindestens einen Verbindungskanal (13) mit der ersten Kavität (11) und/oder mit der zweiten Kavität (12) fluidführend verbunden ist, und wobei eine, mit der Umgebung (U) wechselwirkende, zweite Beschichtung (32) auf einer Vorderseite der dritten Membran (27) angeordnet ist.Sensor arrangement according to one of the Claims 1 until 7 , wherein a third cavity (14) is introduced into the substrate (10), wherein the third cavity (14) is hermetically sealed from the environment (U) by a third membrane (27), wherein the third cavity (14) is fluid-conductingly connected to the first cavity (11) and/or to the second cavity (12) by at least one connecting channel (13), and wherein a second coating (32) interacting with the environment (U) is arranged on a front side of the third membrane (27). Sensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die zweite Beschichtung (32) als eine feuchtigkeitsempfindliche Beschichtung ausgestaltet ist.Sensor arrangement according to Claim 8 , wherein the second coating (32) is designed as a moisture-sensitive coating. Sensoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens eine dritte, mit der dritten Membran (27) mechanisch gekoppelte, bewegliche Elektrode (40) und mindestens eine dritte, von der dritten Membran (27) entkoppelte, unbewegliche Elektrode (49) in der dritten Kavität (14) angeordnet sind.Sensor arrangement according to Claim 8 or 9 , wherein at least one third movable electrode (40) mechanically coupled to the third membrane (27) and at least one third immovable electrode (49) decoupled from the third membrane (27) are arranged in the third cavity (14). Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die erste bewegliche Elektrode (41), die zweite bewegliche Elektrode (42) und/oder die dritte bewegliche Elektrode (40) elektrisch leitend oder elektrisch isoliert mit der jeweiligen ersten Membran (21), zweiten Membran (22) und/oder dritten Membran (27) verbunden sind.Sensor arrangement according to one of the Claims 8 until 10 , wherein the first movable electrode (41), the second movable electrode (42) and/or the third movable electrode (40) are electrically conductively or electrically insulated from the respective first membrane (21), second membrane (22) and/or third membrane (27). Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die zweite Beschichtung (32) zur Widerstandsmessung an mindestens zwei Positionen elektrisch kontaktierbar ist und/oder mindestens ein an mindestens zwei Positionen elektrisch kontaktierbarer Messstreifen (52, 53) aus einem Material der zweiten Beschichtung auf der Vorderseite der dritten Membran angeordnet ist.Sensor arrangement according to one of the Claims 8 until 11 , wherein the second coating (32) for resistance measurement is electrically contactable at at least two positions and/or at least one measuring strip (52, 53) made of a material of the second coating, which can be electrically contacted at at least two positions, is arranged on the front side of the third membrane. Sensoranordnung nach Anspruch 12, wobei der Messstreifen (52) geradlinig oder mäanderförmig durch eine Fläche der zweiten Beschichtung (32) hindurch verläuft und/oder der Messstreifen (53) außerhalb der Fläche der zweiten Beschichtung (32) angeordnet ist.Sensor arrangement according to Claim 12 , wherein the measuring strip (52) runs straight or meandering through a surface of the second coating (32) and/or the measuring strip (53) is arranged outside the surface of the second coating (32). Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die erste Beschichtung (31) zur Widerstandsmessung an mindestens zwei Positionen (51) elektrisch kontaktierbar ist und/oder mindestens ein an mindestens zwei Positionen elektrisch kontaktierbarer Messstreifen (52, 53) aus einem Material der ersten Beschichtung (31) auf der Vorderseite (24) der zweiten Membran (22) angeordnet ist.Sensor arrangement according to one of the Claims 1 until 13 , wherein the first coating (31) for resistance measurement can be electrically contacted at at least two positions (51) and/or at least one measuring strip (52, 53) made of a material of the first coating (31) which can be electrically contacted at at least two positions is arranged on the front side (24) of the second membrane (22). Sensoranordnung nach Anspruch 14, wobei der Messstreifen (52) geradlinig oder mäanderförmig durch eine Fläche der ersten Beschichtung (31) hindurch verläuft und/oder der Messstreifen (53) neben der Fläche der ersten Beschichtung (31) angeordnet ist.Sensor arrangement according to Claim 14 , wherein the measuring strip (52) runs straight or meandering through a surface of the first coating (31) and/or the measuring strip (53) is arranged next to the surface of the first coating (31). Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Sensoranordnung (1) mindestens eine Temperaturmesseinrichtung (54) und/oder mindestens eine Heizstruktur (55) aufweist.Sensor arrangement according to one of the Claims 1 until 15 , wherein the sensor arrangement (1) has at least one temperature measuring device (54) and/or at least one heating structure (55).
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