DE10212167B4

DE10212167B4 - Thermoelektrischer Gas- und Strömungssensor, Verfahren mit einem derartigen Sensor und seine Verwendung

Info

Publication number: DE10212167B4
Application number: DE10212167A
Authority: DE
Inventors: Armin Dr. Lambrecht; Jürgen Dipl.-Ing. Wöllenstein
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: DE10212167A1

Abstract

Gas- und/oder Strömungssensor mit mindestens zwei auf einem Substrat (1) angeordneten Thermopaaren (6, 7) mit n-leitend und p-leitend dotierten Abschnitten (8, 9, 12, 13), von denen mindestens einer aus einem thermoelektrischen Oxid besteht,
wobei mindestens ein Abschnitt in mehreren definierten und voneinander getrennten Bereichen gassensitiv ausgebildet ist, und
wobei die Thermopaare einen über ein Heizelement erzeugbaren Temperaturgradienten und damit verbunden eine Thermospannung aufweisen,
sowie mit mindestens zwei zum Abgreifen der Spannung vorgesehenen Kontakten (2).

Description

Die Erfindung betrifft kostengünstige Sensoren für die Gas- und Strömungssensorik, die in der Produktions- und Prozessmesstechnik, im Automobilbereich, in der Sicherheitstechnik und in der Klima- und Umweltsensorik eingesetzt werden können.
Aus dem Stand der Technik ( DE 40 08 150 A1 ) ist ein Gassensor mit mindestens zwei auf einem Substrat angeordneten Thermopaaren mit n-leitend und p-leitend dotierten Abschnitten bekannt. Mindestens ein Abschnitt ist dabei zumindest bereichsweise gassensitiv ausgebildet. Der Thermopaare weisen einen über ein Heizelement erzeugbaren Temperaturgradienten und damit verbunden eine Thermospannung auf. Auch sind zwei zum Abgreifen der Spannung vorgesehene Kontakte vorhanden.
Aus dem Stand der Technik ( DE 198 53 595 C1 ) ist darüberhinaus ein Sensor oder Messwandler zur Gasdetektion bekannt, bei dem ein Funktionswerkstoff aus einem halbleitenden Metalloxid eingesetzt wird, dessen Thermokraft eine Funktion des Partialdrucks eines nachzuweisenden Gases ist.
Zudem kennt der Stand der Technik in DE 42 05 207 A1 ein Verfahren zur Gasströmungsmessung. Bei diesem Verfahren wird mittels eines Heizelementes in mindestens einem Thermopaar und einem als Referenz fungierenden Thermopaar eines Sensors ein Temperaturgradient erzeugt. Die jeweilige Thermospannung der mindestens zwei Thermopaare wird über mindestens zwei Kontakte abgegriffen.
Schließlich ist aus dem Stand der Technik ( DE 198 05 928 A1 ) ein Verfahren zur Bestimmung des Füllgrads oder der Güte eines mittels eines Speichermediums Gase speichernden Katalysators bekannt. Die Änderung mindestens einer physikalischen Eigenschaft des mit dem Speichervorgang sich verändernden Speichermediums wird gemessen. Anhand der Messergebnisse werden der Füllgrad und/oder die Güte bestimmt. Die Messung kann dabei mittels einer Thermokraftmessung durchgeführt werden, wobei ein Transducer, bestehend aus Heizung auf der Unterseite eines Substrats und Thermoelementen auf der Oberseite des Substrats eingesetzt werden kann.
Bisherige Halbleitergassensoren werden üblicherweise resistiv ausgelesen. Dieses passive Sensorprinzip erfordert zur Messung eine genaue Stromquelle. Die spezifischen Widerstände der Gassensormaterialien sind i. a. relativ hoch. Teilweise treten als mögliche Fehlerquelle bei Widerstandsmessung kontaktbedingte Nichtlininearitäten in den I/U-Kennlinien auf (Schottky-Kontakte).
Halbleitergassensoren werden in Dickschicht und Dünnschichttechnik hergestellt. Üblicherweise werden diese bei Temperaturen im Bereich von 200°C < T < 900°C betrieben.
Moderne Halbleitergassensoren werden häufig dünnschichttechnisch realisiert. Des weiteren werden mikrostrukturierte Substrate verwendet, um eine möglichst geringe elektrische Leistungsaufnahme zu erreichen. In eine geeignete Substratplattform sind bei diesen Anordnungen üblicherweise Heizer und Temperaturfühlerstrukturen integriert. Auf derartigen Plattformen werden dann mit Methoden der Dickschicht- und Dünnschichttechnik die sensitiven Metalloxidschichten, wie beispielsweise SnO₂ aufgebracht.
Mit Hilfe der mikrostrukturierten Substratplattform wird eine Konzentration der Wärmeentwicklung des Heizers auf die sensitive Fläche erreicht, während der Umgebungsbereich kalt bleiben kann. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, um die Nachweiselektronik auf dem kalten Substratteil unterzubringen. Die thermische Entkopplung erfolgt beispielsweise über dünne Membranen aus SiO₂/Si₃N₄ oder sogenannte Hotplate-Strukturen.
Demzufolge sind moderne Gassensoranordnungen bereits so aufgebaut, dass definierte Temperaturdifferenzen von 100 K oder mehr auf engen Abständen von ca. 100 μm vorliegen. Werden thermoelektrische Materialien im Bereich dieser Gradienten angebracht, können Thermospannungen gemessen werden. Durch Hintereinanderschalten einer Vielzahl von Thermoelementen sind Spannungen im Bereich von einigen V erreichbar. Geht man davon aus, dass das Material eine Thermokraft von ca. 100 μV/K besitzt, so erhält man bei einer Temperaturdifferenz von 100 K mit 100 Thermopaaren bereits 2 V Signalspannung.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Gas- und Strömungssensoren mit einer reduzierten Querempfindlichkeit und Gasartabhängigkeit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren bereitzustellen. Gleichzeitig sollten sich die Sensoren durch einen geringeren Aufwand hinsichtlich der Ansteuerelektronik auszeichnen, womit deutliche Kostenvorteile für die Fertigung verbunden sind.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Gas- und Strömungssensoren durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 3 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 10 bis 21 wird die erfindungsgemäße Verwendung der Sensoren beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Gas- und/oder Strömungssensor mit mindestens zwei auf einem Substrat angeordneten Thermopaaren mit n-leitend und p-leitend dotierten Abschnitten sowie mindestens zwei zum Abgreifen der Spannung vorgesehenen Kontakten bereitgestellt. Von den n- und p-leitend dotierten Abschnitten besteht mindestens einer aus einem thermoelektrischen Oxid. Gleichzeitig ist mindestens ein Abschnitt in mehreren definierten und voneinander getrennten Bereichen gassensitiv ausgebildet und die Thermopaare weisen einen über ein Heizelement erzeugbaren Temperaturgradienten und damit verbunden eine Thermospannung auf. Alternativ kann mindestens ein Abschnitt zumindest bereichsweise gassensitiv ausgebildet sein, wobei mindestens ein Thermopaar aus einem gassensitiven Material besteht und bereichsweise mit einer Beschichtung aus einem gasinsensitiven Material versehen ist, und die Thermopaare weisen einen über ein Heizelement erzeugbaren Temperaturgradienten und damit verbunden eine Thermospannung auf. Als dritte Alternative kann mindestens ein Abschnitt zumindest bereichsweise gassensitiv ausgebildet sein, wobei auf dem Substrat ein Thermopaar aus einem gassensitiven Material und ein Thermopaar aus einem gasinsensitiven Material sowie zwischen beiden ein Heizelement angeordnet sind, und die Thermopaare weisen einen über ein Heizelement erzeugbaren Temperaturgradienten und damit verbunden eine Thermospannung auf. Verbunden mit dem Temperaturgradienten weisen die Thermopaare somit eine Thermospannung auf, die über die beschriebenen Kontakte abgegriffen werden kann.
Im Gegensatz zu den bekannten Gassensoren aus halbleitenden Metalloxiden, bei denen Widerstandsänderungen aufgrund von Oberflächenreaktionen oder Volumenreaktionen mit Gasen gemessen werden, werden gemäß der vorliegenden Erfindung Gassensoren bzw. Strömungssensoren bereitgestellt, deren wesentliches Wirkprinzip auf der Änderung der Thermokraft beruht und die bezüglich dieses Prinzips sowohl bezüglich der Materialauswahl als auch bezüglich des Aufbaus optimiert sind. Als Meßignal wird daher die Thermospannung aufgrund eines vorgegebenen oder indirekt erzeugten Temperaturunterschiedes an den Kontakten abgegriffen und ausgewertet. Die Größe dieses Temperaturunterschiedes, d. h. im allgemeinen die Temperatur der am höchsten temperierten Stelle des Sensors, ist ein wichtiger Parameter, da die Chemiesorption stark temperaturabhängig ist. Sie kann daher durch den Sensoraufbau gezielt variiert werden. Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Sensoren ist somit der entlang eines Sensormaterialabschnittes vorliegende Temperaturgradient.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Gassensoren können Widerstandsmessungen im Mega-Ohm-Bereich wegen der Kontakt- und Substrateinflüsse systematische Fehler aufweisen und durch Kontaktveränderungen bei den hohen Einsatztemperaturen zusätzliche Driftkomponenten besitzen. Bei Messung der Thermokraft in einer geeigneten Anordnung, wie es erfindungsgemäß der Fall ist, werden dagegen Spannungen gemessen. Diese lassen sich deutlich einfacher und schneller auslesen sowie weiterverarbeiten. Dies ist besonders dann der Fall, wenn viele Thermoelemente durch eine entsprechende Mikrostrukturierung des Substrates hintereinander geschaltet werden können und so Spannungen im Volt-Bereich erzeugt werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Gassensoren weisen dagegen eine mehr oder weniger ausgeprägte Drift ihres Grundwiderstandes auf. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Sensorik ist die Spannung unabhängig vom Grundwiderstand, da die Spannung hochohmig gemessen werden kann. Für den Fall, dass eine geringe Drift der Thermokraft auftritt, kann diese auf entsprechende Weise kompensiert werden.
Mit der Erfindung können Gas- und Strömungssensoren mit deutlich besseren Eigenschaften als bisher realisiert werden. Insbesondere können Querempfindlichkeiten und Gasartabhängigkeiten bei den existierenden Gas- bzw. Strömungssensoren erfindungsgemäß reduziert werden. Ebenso wird der Aufwand für die Ansteuerelektronik reduziert, so dass sich deutliche Kostenvorteile ergeben.
Im Rahmen der vorstehend beschriebenen drei Alternativkonfigurationen können folgende vorteilhafte Varianten realisiert werden:
Mindestens ein Thermopaar kann aus einem gassensitiven Material bestehen und bereichsweise mit einer Membran aus einem gasinsensitiven Material als Deckschicht überlagert sein. Die Deckschicht kann aus einem temperaturbeständigen Lack, z. B. einer dünnen Beschichtung aus Materialien wie Al₂O₃ oder SiO₂ bestehen. Da die Gasreaktion extrem oberflächenabhängig sind, genügen hierzu bereits Schichtdicken von wenigen Nanometern.
Ebenso ist es möglich, dass mindestens ein Thermopaar aus einem gasinsensitiven Material besteht und bereichsweise mit einer Membran aus einem gassensitiven Material beschichtet ist.
Der gassensitive Bereich einer solchen Anordnung kann dabei nur einen kleinen Abschnitt entlang des Temperaturgradienten umfassen, d. h. einen über die Größe des Abschnitts definierten Temperaturbereich umfassen. Anordnungen mit mehreren unterschiedlichen sensitiven Abschnitten bei unterschiedlichen Temperaturen, z. B. in Form eines Arrays sind erfindungsgemäß ebenso möglich.
Als thermoelektrische Materialien können solche gewählt werden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Hierzu zählen beispielsweise Halbleiter- und Metalloxide wie SnO₂, WO₃, V₂O₅, Ga₂O₃ und Cr_2-xTi_xO₃ (CTO). Die Anforderungen an diese Materialien beruhen darauf, dass das Material sowohl gassensitiv als auch bezüglich der thermoelektrischen Effizienz bei hohen Temperaturen optimiert ist. Als typische thermoelektrische Materialien für den Einsatz bei hohen Temperaturen sind weiterhin die Oxide vom Typ NaCO₂O₄, CaCoO₃, Skutterudite wie z. B. CoSb₃, halbleitende Silicide wie FeSi₂ und Halbleiterlegierungen wie Si₃₀Ge₇₀.
Aus dem Stand der Technik ist die gezielte Optimierung der bekannten Gassensormaterialien bezüglich ihrer thermoelektrischen Eigenschaften und umgekehrt die Optimierung thermoelektrischer Materialien für die Anwendung in der Gassensorik bislang nicht bekannt. So ist es beispielsweise bei Mischoxiden wie CTO notwendig, dass diese eine hohe Dotierung aufweisen, um eine möglichst hohe thermoelektrische Effektivität
zu erreichen. Hierbei ist S die Thermokraft, σ die elektrische Leitfähigkeit und λ die thermische Leitfähigkeit. Als Dotierelemente kommen vorzugsweise Pb, Sr, Ba bzw. seltene Erden wie La, Gd zur Erzielung einer hohen thermoelektrischen Effektivität in Frage.
Vorzugsweise kann der Sensor in Dünnschichttechnologie aufgebaut sein und mindestens ein Thermopaar aufweisen, das aus mindestens zwei Lagen besteht. Dabei kann diese Mehrlagigkeit auch Schichtstapel aus extrem dünnen Einzellagen mit Schichtdicken < 1 μm umfassen. Als Materialien dieser Schichtstapel sind die bereits genannten Materialien verwendbar. Besonders aussichtsreich sind auch hier Verbindungen, die aufgrund des lagenförmigen Schichtaufbaus und durch Dotierung mit den oben bezeichneten Dotierelementen eine hohe thermoelektrische Effektivität Z besitzen und gleichzeitig gassensitiv sind. Da die Dünnschichtherstellung bevorzugt ist, lassen sich somit besonders gut Schichtstapel aus z. B. SnO₂ mit thermoelektrischen Materialien wie z. B. CaCoO₃ realisieren.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der n-leitende Abschnitt aus SnO₂ und der p-leitende Abschnitt aus Cr_2-xTiO₃ (CTO) besteht.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung sind die n- und p-leitend dotierten Abschnitte über eine Kontaktierung, die vorzugsweise aus Platin besteht, miteinander verbunden. Ebenso ist es aber auch möglich, dass direkte pn-Hetero-Strukturen ohne Kontaktmaterialien verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sensors ist als Heizelement ein Heizwiderstand zur Temperierung eines geheizten Bereiches auf dem Substrat angeordnet. Gleichzeitig wird das Substrat außerhalb des geheizten Bereiches zumindest bereichsweise, z. B. mittels einer Membran oder einer Beschichtung, thermisch isoliert.
Die Thermopaare können dabei sowohl einen Temperaturgradienten in der Substratebene aufweisen, d. h. in Richtung des zwischen dem Thermopaar angeordneten Heizwiderstandes, oder einen Temperaturgradienten senkrecht zur Substratebene.
In einer Variante des Sensors ist auf dem Substrat ein Thermoelement aus einem gassensitiven Material und ein Thermoelement aus einem gasinsensitiven Material angeordnet. Zwischen diesen beiden Thermoelementen befindet sich das Heizelement. Hierbei fungiert das Thermoelement aus dem gasinsensitiven Material als Referenz-Thermoelement, das zur gasunabhängigen Messung des Temperaturgradienten dient. Mit dem anderen Thermoelement wird hingegen die Gaskonzentration gemessen. Indem beide Thermoelemente gegeneinander geschaltet oder gleichzeitig ausgewertet werden, kann der Temperaturunterschied gemessen und das Meßsignal entsprechend normiert werden. Somit stellt diese Variante den reinen Gassensor dar. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeleitfähigkeit-Gassensoren kann somit das Problem umgangen werden, dass unterschiedliche Gasgemische zu gleichen Meßergebnissen führen. So kann eine Mischung von Helium mit Luft beispielsweise dieselbe Wärmeleitfähigkeit haben wie eine andere Mischung von Wasserstoff mit Luft. Die Unterscheidung Wasserstoff- oder Helium-Beimischung kann erfindungsgemäß durch die zusätzliche gassensitive Eigenschaft des Sensors ermöglicht werden, indem die Spannung des gassensitiven und des gasinsensitiven Thermoelements miteinander verglichen werden.
In einer weiteren Variante kann der erfindungsgemäße Sensor als Strömungssensor verwendet werden. Hierfür sind auf dem Substrat mindestens zwei gegenüberliegende Thermoelemente aus einem gassensitiven Material angeordnet, zwischen denen sich ein Heizelement befindet. Hierdurch ergibt sich bei definierter Heizleistung in der Mitte des Sensors ein symmetrischer Temperaturgradient zu beiden Seiten der Anordnung. Die links und rechts angeordneten Thermopaare können gegeneinander geschaltet werden, so dass sich bei ruhender Umgebungsluft ein Nullsignal ergibt. Bei Durchströmung reduziert sich die Temperaturdifferenz. Aus der so reduzierten Thermospannung kann dann der Durchfluss bestimmt werden. Zusätzlich werden die Temperaturgradienten auf der linken und rechten Seite des Heizelementes unsymmetrisch, was ein Differenzsignal der Thermopaare ergibt. Daraus kann auf die Richtung des Massenstroms geschlossen werden. Da die Wärmeleitfähigkeit materialabhängig ist, wird bei einem derartigen Strömungssensor der Meßwert stoffabhängig korrigiert.
Diese beiden Varianten können derart miteinander kombiniert werden, dass zum einen die Gaszusammensetzung, zum anderen der Strömungswert bestimmt werden kann.
Als weitere vorteilhafte Weiterbildung des Sensors, kann dieser als Thermogenerator ausgestaltet sein und an einen Energiepuffer sowie eine Einheit zur Datenübertragung angekoppelt sein. Erfolgt die Beheizung extern, d. h. das Heizelement ist nicht auf dem Sensor angeordnet, z. B. mittels einer Gasflamme oder einer katalytischen Verbrennung, ist es bei entsprechenden Temperaturgradienten möglich, die Thermopaare als Dünnschicht-Thermogenerator auszuführen und damit sowohl die Messung eines thermoelektrischen wie auch resistiven oxidischen Dünnschicht-Sensors zu ermöglichen. Gleichzeitig läßt sich hierbei eine kurzreichweitige Datenfernübertragung zur Übermittlung der Sensordaten realisieren. Die elektrische Leistung eines solchen Thermogenerators kann im 10 μW bis 1 mW-Bereich liegen. Für eine Datenfernübertragung sind kurzzeitig elektrische Leistungen im 1 bis 10 mW-Bereich notwendig, die beispielsweise mittels eines Energiepufferspeichers realisiert werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gegenstandes können die Thermopaare auch mit einer Katalysatorbeschichtung versehen sein. Bei Vorliegen von brennbaren Gasen tritt somit an der Stelle mit der Katalysatorbeschichtung eine Temperaturerhöhung gegenüber dem unbeschichteten Sensorteil auf die über eine Thermospannungsmessung bestimmt werden kann. Dieser Anordnung kann außerdem mit dem bereits dargestellten Anordnungen zur Strömungsmessung kombiniert werden.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Gasen mit dem zuvor beschriebenen Sensor bereitgestellt, bei dem die jeweilige Thermospannung der mindestens zwei Thermopaare über mindestens zwei Kontakte abgegriffen wird und diese über eine Kompensationsschaltung zu einem Differenzsignal umgesetzt wird.
In gleicher Weise wird ein Verfahren zur Strömungsmessung mit dem zuvor beschriebenen Sensor bereitgestellt.
Das Verfahren kann dabei bevorzugt im Thermopulsbetrieb durchgeführt werden. Beim sogenannten Thermopulsbetrieb werden Sensoren nicht stationär geheizt, sondern temperaturtransient betrieben und dabei der Widerstand des gassensitiven Halbleiters gemessen. Dieses Verfahren wird unter anderem dann verwendet, wenn der mittlere elektrische Leistungsbedarf reduziert werden soll. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik dar, da bei der Widerstandsmessung der Thermopulsbetrieb aufgrund der häufig hohen Widerstände langsamer als die Messung einer Spannung zu realisieren ist. Bei der Messung der Thermospannung ergibt zudem eine Wechselspannung, die auf relativ einfache Weise verstärkt und ausgewertet werden kann. Durch Spektralanalyse dieser wechselförmigen Thermospannung ist es möglich, verschiedene Gase anhand verschiedener Frequenzkomponenten zuzuordnen und damit eine Selektivitätssteigerung zu erreichen. Speziell die in Dünnschichttechnik realisierten Sensoren können aufgrund der geringen Wärmekapazitäten sehr schnell aufgeheizt und abgekühlt werden. Damit sind Wechselspannungen mit Frequenzen in Bruchteilen von 1 Hz bis 1 kHz realisierbar, die gut weiter verarbeitet werden können.
Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass durch das zusätzliche Abgreifen einer Spannung an mindestens einem weiteren Thermopaar eine gasspezifische Korrektur des Differenzsignals erfolgt. In gleicher Weise kann anstelle der Spannung auch der Widerstand gemessen werden.
Verwendung finden die erfindungsgemäßen Sensoren für die Bestimmung von Gasen, z. B. in Gasgemischen. Ebenso ist es möglich, die Sensoren zur Strömungsmessung von Gasen und Fluiden zu nutzen. Hauptanwendungsfelder sind dabei die Produktions- und Prozessmesstechnik, z. B. im Automobilbereich, aber auch die Sicherheitstechnik sowie die Klima- und Umweltsensorik.
Anhand der folgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die Ausführungsbeispiele zu beschränken.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines thermoelektrischen Gassensors;
2 zeigt beispielhafte gassensitive Bereiche eines Gas- oder Strömungssenors entlang eines Temperaturgradienten;
3 zeigt die Varianten für den Temperaturgradienten des Thermopaares in der Substratebene oder senkrecht zur Substratebene;
4 zeigt den schematischen Aufbau eines Strömungssensors mit Strömungsrichtungsdetektion;
5 zeigt den schematischen Aufbau eines Strömungssensors mit thermoelektricher Gasartkorrektur;
6 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors mit Energiespeicher zur Datenfernübertragung.
In 1 sind auf dem Substrat 1 zwei Thermoelemente angeordnet, das Meßthermoelement 7 und das Referenzthermoelement 6. Das Referenzthermoelement kann dabei sowohl gasinsensitiv sein oder mit einer gasinsensitiven Membran abgedeckt sein. Die jeweiligen p- und n-leitend dotierten Abschnitte der Thermopaare 8, 9, 12, 13 werden über weite Bereiche mittels einer Membranstruktur 4 gegenüber dem Substrat thermisch isoliert. Lediglich die beiden dem Heizwiderstand 11 zugewandten Bereiche sind in einem durch den Heizwiderstand 11 geheizten Bereich 5 angeordnet. Der Heizwiderstand wird über eine metallische Zuleitung 3 mit zwei Kontaktstellen 2 verbunden. In analoger Weise weisen die beiden Thermopaare zwei Kontaktstellen 2 zum Abgreifen der Spannung auf.
1b zeigt den Sensor in einer Schnittdarstellung.
In 1c ist die Temperaturverteilung des Sensors vom linken zum rechten Rand dargestellt. Durch Abgleichen der beiden Spannungen U_Gas und U_Ref kann der Temperaturunterschied zwischen beiden Thermopaaren gemessen werden und das Meßsignal auf das entsprechende Gas nominiert werden.
In 2b sind zwei Thermoelemente dargestellt, von denen das obere Thermoelement vollständig mit einer Abdeckschicht 14 aus zum Beispiel Al₂O₃ überlagert ist. Das untere Thermoelement weist ebenfalls eine Abdeckschicht 14 auf, diese besitzt jedoch zwei durchlässige Fenster 15, wodurch dieses Thermoelement gassensitiv ist. Die p- und n-leitend dotierten Abschnitte der Thermopaare 8, 9 sind über eine Kontaktstelle 10 miteinander verbunden. Gleichzeitig weist das Thermopaar einen in 2a beispielhaft dargestellten Temperaturgradienten auf.
In 2c ist eine weitere Variante mit verschiedenen gassensitiven Bereichen dargestellt, wobei bei den untereinander angeordneten Thermopaaren die durchlässigen Fenster 15 arrayartig entlang des Temperaturgradienten angeordnet sind.
In 2d wird im Schnitt dargestellt, wie alternativ ein gasinsensitives Material 12, 13 bereichsweise mit einem gassensitiven Material 16 beschichtet oder verbunden werden kann.
3 zeigt zwei mögliche Varianten für die Ausrichtung des Temperaturgradienten. So wird in 3a ein Thermopaar dargestellt, das einen lateralen Temperaturgradienten, d. h. in der Substratebene aufweist. In 3b ist ein Thermopaar dargestellt, das einen vertikalen Temperaturgradienten, d. h. senkrecht zur Substratebene, aufweist.
In 4a ist der schematische Aufbau eines Strömungssensors dargestellt. Dieser basiert auf einem Substrat 1, zwei Thermoelementen 6, 7 und einem Heizwiderstand 11. Sowohl die Thermoelemente als auch der Heizwiderstand sind über metallische Zuleitungen 3 mit metallischen Kontakten 2, sogenannten Bondpads, verbunden. Die Thermoelemente bestehen dabei aus mehreren p- und n-leitend dotierten Abschnitten 8, 9, die über eine Kontaktmetallisierung 10 miteinander verbunden sind.
In 4b ist der entsprechende Sensor in der Schnittdarstellung abgebildet. Die Fluidströmung erfolgt hierbei von der linken Seite.
Das Meßprinzip beruht nun darauf, dass zunächst eine Messung ohne Fluidströmung stattfindet. Dabei erhält man ein symmetrisches Temperaturprofil, wie es in 4c dargestellt ist, wobei die Temperaturdifferenzen ΔT₁° und ΔT₂° auf den beiden Flanken der Temperaturverteilung einander entsprechen. Setzt nun die Fluidströmung ein, so hat dies zur Folge, dass zum einen die Temperaturgradienten auf den beiden Flanken der Temperaturverteilung unsymmetrisch werden, wodurch ΔT₁° < ΔT₂° wird (siehe 4d). Indem nun die Thermopaare gegeneinander geschaltet werden, wird somit ein Differenzsignal gemessen, mit dem die Strömungsrichtung und der Fluß bestimmt werden kann.
In 5 ist ein Substrat 1 mit zwei darauf angeordneten Thermopaaren dargestellt. Das obere der beiden Thermopaare stellt dabei das Referenz-Thermopaar dar, das ganzflächig mit einer Abdeckung z. B. aus Al₂O₃ oder SiO₂ beschichtet ist. Beide Thermopaare sind dabei in einem Bereich 18 angeordnet, der eine mechanische Stützstruktur für die Thermopaare darstellt. Die Thermopaare enden in dem durch den Heizwiderstand 11 beheizten Bereich 5. Der Heizwiderstand ist wiederum über die Zuleitungen 3, die durch die mechanische Stützstruktur 18 verlaufen, mit den metallischen Kontakten 2 verbunden. Bei dem gleichzeitigen Vorliegen einer Gasempfindlichkeit des Thermopaarmaterials kommt es hier zu einer Veränderung des Durchfluß-Signals, das durch das Gegeneinanderschalten der Thermopaare entsteht. Aus dem Signalunterschied der beiden Thermopaare kann somit auf die Gaszusammensetzung geschlossen werden bzw. der Strömungswert gasspezifisch korrigiert werden.
Eine weiter Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist in 6 dargestellt. Hierbei ist auf dem Substrat 1 im oberen Bereich ein Thermogenerator dargestellt, bei dem die p- und n-leitend dotierten Abschnitte 8, 9 aus z. B. CaCuO₃ oder FeSi₂ bestehen und über metallische Kontaktbereiche 10 verbunden sind. Im unteren Bereich ist ein Meß-Thermopaar angeordnet, das aus metallischen Zuleitungen 3 und einem gassensitiven Metalloxid 25, z. B. SnO₂ oder Ga₂O₃ besteht. Diese Thermopaar ist mit einer Meßeinheit für Widerstands- oder Thermospannungsmessungen mit einem A/D-Wandler 21 verbunden. Gleichzeitig wird hieran ein Datenübertragungsmodul 23 angeschlossen, das zur Datenübertragung im Hochfrequenz- oder Niederfrequenzbereich 24 verwendet wird. Gleichzeitig dient eine Steuereinheit 22 zur Ansteuerung der Meßeinheit 21 und des Datenübertragungsmoduls 23. Der Thermogenerator wiederum ist mit einem Spannungsregler und Laderegler 19 verbunden, der mit einem Energiespeicher oder einer Pufferbatterie 20 verbunden ist. Die Steuerung dieser beiden Elemente erfolgt ebenfalls über die Steuereinheit 22. Bei Vorliegen eines sehr hohen Temperaturgradienten, wie es beispielsweise durch eine externe Beheizung des Sensors, z. B. durch ein Gas oder eine Flamme möglich ist, kann so auf weitere Hilfsenergien verzichtet werden und der Sensor inklusiv einer kurzreichweitigen Datenfernübertragung autark betrieben werden.

Claims

Gas- und/oder Strömungssensor mit mindestens zwei auf einem Substrat (1) angeordneten Thermopaaren (6, 7) mit n-leitend und p-leitend dotierten Abschnitten (8, 9, 12, 13), von denen mindestens einer aus einem thermoelektrischen Oxid besteht, wobei mindestens ein Abschnitt in mehreren definierten und voneinander getrennten Bereichen gassensitiv ausgebildet ist, und wobei die Thermopaare einen über ein Heizelement erzeugbaren Temperaturgradienten und damit verbunden eine Thermospannung aufweisen, sowie mit mindestens zwei zum Abgreifen der Spannung vorgesehenen Kontakten (2).
Gas- und/oder Strömungssensor mit mindestens zwei auf einem Substrat (1) angeordneten Thermopaaren (6, 7) mit n-leitend und p-leitend dotierten Abschnitten (8, 9, 12, 13), von denen mindestens einer aus einem thermoelektrischen Oxid besteht, wobei mindestens ein Abschnitt zumindest bereichsweise gassensitiv ausgebildet ist, wobei mindestens ein Thermopaar aus einem gassensitiven Material besteht und bereichsweise mit einer Beschichtung aus einem gasinsensitiven Material versehen ist und wobei die Thermopaare einen über ein Heizelement erzeugbaren Temperaturgradienten und damit verbunden eine Thermospannung aufweisen, sowie mit mindestens zwei zum Abgreifen der Spannung vorgesehenen Kontakten (2).
Gas- und/oder Strömungssensor mit mindestens zwei auf einem Substrat (1) angeordneten Thermopaaren (6, 7) mit n-leitend und p-leitend dotierten Abschnitten (8, 9, 12, 13), von denen mindestens einer aus einem thermoelektrischen Oxid besteht, wobei mindestens ein Abschnitt zumindest bereichsweise gassensitiv ausgebildet ist, wobei auf dem Substrat (1) ein Thermopaar (7) aus einem gassensitiven Material und ein Thermopaar (6) aus einem gasinsensitiven Material sowie zwischen beiden ein Heizelement (11) angeordnet sind, und wobei die Thermopaare einen über ein Heizelement erzeugbaren Temperaturgradienten und damit verbunden eine Thermospannung aufweisen, sowie mit mindestens zwei zum Abgreifen der Spannung vorgesehen Kontakten (2).
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Thermopaar aus einem gasinsensitiven Material besteht und bereichsweise mit einer Beschichtung aus einem gassensitiven Material versehen ist.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Oxide ausgewählt sind aus der Gruppe SnO₂, Co₃O₄, NiO, WO₃, V₂O₅, Ga₂O₃, Cr_2-xTi_xO₃, NaCo₂O₄, CaCoO₃, Skutterudite, halbleitende Silizide und Halbleiterlegierungen.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Oxide mit Pb, Sr, Ba oder seltenen Erden wie La, Gd dotiert sind.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in Dünnschichttechnologie aufgebaut ist und mindestens ein Thermopaar aus mindestens zwei Lagen, z. B. in Form eines Schichtstapels mit Schichtdicken kleiner 1 μm, besteht.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der n-leitende Abschnitt (8) aus SnO₂ und der p-leitende Abschnitt (9) aus Cr_2-xTi_xO₃ (CTO) besteht.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n-leitend und p-leitend dotierten Abschnitte (8, 9) über eine Kontaktierung (10) verbunden sind.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Heizelement ein Heizwiderstand (11) zur Temperierung eines geheizten Bereiches (5) auf dem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat außerhalb des geheizten Bereiches zumindest bereichsweise mittels einer Membran (4) thermisch isoliert ist.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermopaare einen Temperaturgradienten in der Substratebene aufweisen.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermopaare einen Temperaturgradienten senkrecht zur Substratebene aufweisen.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat mindestens zwei gegenüberliegende Thermoelemente (6, 7) aus einem gassensitiven Material und zwischen diesen ein Heizelement angeordnet sind.
Gas- und/oder Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Thermogenerator ausgestaltet ist und an einen Energiepuffer und eine Einheit zur Datenübertragung angekoppelt ist.
Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Gasen mit einem Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei mittels des Heizelementes (11) in einem ersten Thermopaar (6) und einem als Referenz fungierenden zweiten Thermopaar (7) ein Temperaturgradient erzeugt wird, und wobei die jeweilige Thermospannung dieser beiden Thermopaare (6, 7) über mindestens zwei Kontakte (2) abgegriffen und diese über eine Kompensationsschaltung zu einem Differenzsignal umgesetzt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Thermopulsbetrieb durchgeführt wird und eine Wechselspannung resultiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das zusätzliche Abgreifen einer Spannung an mindestens einem weiteren Thermopaar eine gasspezifische Korrektur des Differenzsignals erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das zusätzliche Abgreifen eines Widerstandes an mindestens einem weiteren Thermopaar eine gasspezifische Korrektur des Differenzsignals erfolgt.
Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 14, zur Bestimmung von Gasen, z. B. in Gasgemischen.
Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Strömungsmessung von Gasen und Fluiden.
Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 19 oder 20 in der Produktions- und Prozessmesstechnik, z. B. im Automobilbereich, in der Sicherheitstechnik sowie in der Klima- und Umweltsensorik.