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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die Methode der Wärmeleitfähigkeitsmessung für die Gasanalyse ist ein bekanntes Verfahren. Hierbei können beispielsweise quantitative Analysen zweikomponentiger Gasgemische durchgeführt werden, deren Komponenten bekannt sind. Um die Wärmeleitfähigkeit von Gasen zu bestimmen, benutzt man im allgemeinen einen beheizten Körper, dessen Wärmeverluste zum größten Teil durch Wärmeableitung durch das umgebende Gas bestimmt sind. Damit wird die Heizleistung P, die notwendig ist, um den Körper auf eine bestimmte Temperatur mit einer Temperaturdifferenz gegenüber der Umgebungstemperatur zu bringen, zu einem direkten Maß der Wärmeleitfähigkeit des den Körper umgebenden Gases.
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Dielektrische Membranen, die durch Silizium-Mikromechanik-Prozesse erzeugt werden, können vorteilhaft als Grundlage für Heizwiderstände dienen, da sie eine geringe Ansprechzeit, eine geringe Größe und eine mittels Batch-Prozessen durchführbare Herstellbarkeit aufweisen.
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Als Messsignal eines Wärmeleitfähigkeitssensors wird im allgemeinen entweder die Änderung des Heizerwiderstandes unter dem Einfluss von Gasen unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit ausgewertet, wobei die Heizleistung konstant gehalten wird, oder der Heizerwiderstand wird auf einen konstanten Wert, d. h. eine konstante Temperatur, geregelt und als das Messsignal die dazu benötigte Leistung ausgewertet.
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Aus der Schrift
WO 01/18500 A1 ist ein Massenflusssensor bekannt, bei dem ein Gasstrom mit einem Heizelement erwärmt wird und aus der Temperaturdifferenz zweier Thermoelemente der Massenfluss bestimmt wird.
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Aus der Schrift
US 6,169,965 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung verschiedener Eigenschaften von Flüssigkeiten mittels wenigstens einem Heizelement und/oder einem Sensorelement bekannt.
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Aus der Schrift
US 5,652,443 A ist ein Sensor mit einem ein Heizelement aufweisendes Brückenelement bekannt, bei dem sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen ändert. Somit kann der Sensor als Massenflusssensor, Feuchtesensor oder Gassensor eingesetzt werden.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass das Sensorsignal in stärkerem Maße nur von der Wärmeleitfähigkeit des den beheizten Körper umgebenden Gases abhängt. Allgemeiner gesprochen besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass das Sensorsignal im Wesentlichen nur von dem Wärmeübergang zwischen dem beheizten Körper zu dem umgebenden Gas abhängt. Ein Problem bei der Auswertung von Sensoren gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass das Sensorsignal der bekannten Wärmeleitfähigkeitssensoren nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit des den beheizten Körper umgebenden Gases, sondern auch von der Wärmeableitung über die Halterungen des beheizten Körpers und von der Strahlung abhängt. Für einen Wärmeleitfähigkeitssensor mit dielektrischer Membran ist dieser Sachverhalt in 1 dargestellt. Die Heizleistung P, die benötigt wird, um den beheizten Körper auf eine Übertemperatur von ΔT zu heizen, lässt sich vereinfacht schreiben als P = GGas·λGas·ΔT + GMembran· λMembran·ΔT + Δx
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Hierbei bezeichnen λGas und λMembran die Wärmeleitfähigkeiten des Gases bzw. der Membran. GGas und GMembran bezeichnen die dazu gehörigen Geometriefaktoren und Δx bezeichnet die Wärmeverluste aufgrund von Konvektion und Strahlung, die meist vernachlässigt werden können. Diese Formel bringt deutlich zum Ausdruck, dass eine absolute Messung der Wärmeleitfähigkeit nur dann möglich ist, wenn
- – die Wärmeverluste, die nicht durch Wärmeleitung durch das umgebende Gas hervorgerufen sind, bekannt sind oder zu einem vernachlässigbaren Anteil reduziert werden können und
- – der Geometriefaktor GGas bekannt ist.
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Bei den bekannten Wärmeleitfähigkeitssensoren des Standes der Technik sind diese Bedingungen jedoch nicht erfüllt, weil beispielsweise die Wärmeverluste, die nicht durch die Wärmeleitung an das umgebende Gas hervorgerufen sind, mit der Wärmeabgabe an das Gas vermischt werden. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt dann, ein geeignetes robustes Sensorelement vorzuschlagen, mit dessen Hilfe eine schnelle Absolutmessung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases möglich ist. Weiterhin ist von Vorteil, dass unabhängig von der Wärmneleitfähigkeit eines Gases ganz generell mittels des endungsgemäßen Sensors bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens die Absolutmessung generell eines Wärmeübertrags zwischen einer Wärmequelle und einem diese Wärmequelle umgebenden Medium möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß durch die Auswertung eines Differenzsignals von zwei parallel betriebenen Wärmequellen und entsprechenden Medien möglich, wobei das Differenzsignal nicht von der Wärmeableitung durch die Membran abhängt, sondern nur von der Wärmeableitung zum umgebenden Gas, der Übertemperatur und dem Geometriefaktor GGas des Gases. Ein solcher Sensoraufbau erfüllt beide obengenannten Bedingungen und ist für die Absolutmessung der Wärmeleitfähigkeit und genereller eines Wärmeübertrags zwischen Wärmequelle und Medium geeignet.
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Weiterhin ist die Verwendung von zwei Wärmequellen und entsprechenden Medien gegenüber der Verwendung von nur einem Sensorelement vorteilhaft, weil durch die Verwendung zweier Sensorelemente sich eine robustere Bauform als für bislang bekannte mikromechanische Sensoren verwenden lässt, da bei den bekannten Sensorelementen die Notwendigkeit bestand, die Wärmeableitung über die Halterungen möglichst gering zu dimensionieren. Daher wurden diese Halterungen meist sehr dünn und lang und damit wenig robust ausgeführt. Da die Größe der Wärmeableitung über die Halterungen bzw. über die Befestigungsmittel bei Differenzmessungen keinen negativen Einfluss auf das Sensorsignal hat, ist es erfindungsgemäß möglich, eine robustere Bauform der Sensorelemente zu wählen, ohne Nachteile bei der Messgenauigkeit befürchten zu müssen. Weiterhin ist erfindungsgemäß von Vorteil, dass Prozessschwankungen, die zur Variation der Dicke der Halterungen bzw. der Befestigungsmittel und damit zur Variation ihrer Wärmeleitfähigkeit führen, bei dem erfindungsgemäßen Sensor viel weniger ins Gewicht fallen. Bei der Verwendung lediglich eines einzelnen Sensorelementes muss darüber hinaus die Wärmeableitung über die Halterungen kontrolliert und abgeglichen werden, was bei dem erfindungsgemäßen Sensor nicht notwendig ist. Dies führt bei den Sensoren gemäß dem Stand der Technik zu erhöhten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Herstellung, beispielsweise was die Dicke der Membranen und Halterungsmaterialien angeht und was deren thermische Eigenschaften angeht. Diese Parameter müssen bei der Herstellung solcher mikromechanischer Strukturen gut kontrollierbar und einstellbar sein, was die Anforderungen an den Produktionsprozess erhöht und diesen verteuert. All dies ist bei einem erfindungsgemäßen Sensor unkritischer und damit kostengünstiger lösbar. Insbesondere bei der gemeinsamen Herstellung von zwei Sensorelementen in einem Batch-Prozess führen Prozessschwankungen aufgrund der Differenzbildung zu keiner Änderung im Ausgangssignal. Die gleiche Überlegung hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors und des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich hinsichtlich der Lebensdauer des Sensors anstellen, insbesondere wenn sich das Halterungsmaterial für die Wärmequelle über die Lebensdauer verändert. Bei der Benutzung eines einzigen Sensorelementes gemäß dem Stand der Technik kann beispielsweise eine Verschmutzung der Halterungen zu einer veränderten Wärmeableitung über die Halterungen führen, was letztlich zu einer Verfälschung des Sensorsignals führt, während bei der erfindungsgemäßen Verwendung zweier Sensorelemente, die den gleichen Bedingungen und somit Alterungserscheinungen ausgesetzt sind, keine Verfälschung des Ausgangssignals auftritt. Weiterhin ist erfindungsgemäß von Vorteil, dass bei der Verwendung von zwei Sensorelementen Sicherheitsanwendungen möglich sind. Beispielhaft sei hier die Wasserstoffdetektion im Sinne von Redundanzüberlegungen genannt. Beispielsweise ist ein Sensorsystem erfindungsgemäß möglich, welches die beiden Signale der Sensorelemente sowohl getrennt als auch als Differenzsignal oder Summensignal auswertet und hieraus schließt, ob beide Sensorelemente noch funktionsfähig sind oder nicht. Vorteilhaft ist dies beispielsweise für Wärmeleitfähigkeitssensoren, die in Zukunft in großen Stückzahlen für den Einsatz in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen benötigt werden. Wasserstoff hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Luft und lässt sich somit mit einem Wämeleitfähigkeitssensor gut detektieren. Da der Umgang mit Wasserstoff Gefahren in sich birgt, ist eine Detektion von Wasserstoff mit einer Selbsttestmöglichkeit bei einem erfindungsgemäßen Sensor sicherer als ohne die Selbsttestmöglichkeit.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgefürten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Sensors bzw. des Verfahrens möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die zweite Wärmekopplung und die vierte Wärmekopplung im Wesentlichen gleich vorgesehen sind. Dann heben sich bei der Differenzbildung der Ausgangssignale der beiden Sensorelemente die Anteile des Wärmeübertrags, die über die Halterungen bzw. die Befestigungsmittel fließen, gerade heraus.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass die erste Wärmequelle und die ersten Befestigungsmittel in einem ersten Substrat monolithisch integriert, insbesondere in Mikromechanik-Technologie hergestellt, vorgesehen sind und dass die zweite Wärmequelle und die zweiten Befestigungsmittel in einem zweiten Substrat monolithisch integriert, insbesondere in Mikromechanik-Technologie hergestellt, vorgesehen sind. Hierdurch ist es möglich, den erfindungsgemäßen Sensor besonders kostengünstig und mit einer besonders geringen Drift hinsichtlich seiner Lebensdauer vorzusehen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das erste Substrat und das zweite Substrat monolithisch integriert vorgesehen sind. Hierdurch ergeben sich wiederum Kosteneinsparungsmöglichkeiten und eine Verbesserung der Langzeitstabilität des erfindungsgemäßen Sensors.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass als erste Befestigungsmittel und als zweite Befestigungsmittel Balken vorgesehen sind. Hierdurch wird der Anteil der über die Befestigungsmittel übertragenen Wärmemenge besonders stark reduziert.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass die Balken aus vergleichsweise gering wärmeleitfähigem Material vorgesehen sind. Dies verringert weiter die über die Befestigungsmittel übertragene Wärmemenge.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung der verschiedenen Wärmeverluste eines in Mikromechanik dargestellten Sensors nach dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Darstellung einer aufgehhängten Membran,
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3 eine Alternative für die Realisierung einer Vertiefung und
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4 eine mögliche Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Sensors.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist am Beispiel eines Sensors gemäß dem Stand der Technik eine schematische Darstellung der verschiedenen Wärmeverluste eines in Mikromechanik dargestellten Sensors gezeigt. Eine Membran 130 ist auf einem Substrat 120 ausgebildet, wobei sich im Bereich der Membran 130 ein Heizer 140 befindet. Der gesamte Sensor ist mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet. Ausgehend von dem Heizer 140 ist in 1 als erster möglicher Pfad von Wärmeverlusten der mit dem Bezugszeichen 510 versehene Wärmeverlust entlang der Membran 130 dargestellt. Weiterhin ist der mit dem Bezugszeichen 520 bezeichnete Wärmeverlust in Form von Abstrahlung, der mit dem Bezugszeichen 530 versehene Wärmeverlust als Folge von Konvektion und der mit dem Bezugszeichen 540 versehene Wärmeverlust in Form von Wärmeleitung zwischen dem Heizer 140 und dem umgebenden Gas dargestellt. Die Wäremeverluste 510, 520, 530, 540 sind in 1 als Pfeile ausgehend von dem Heizer 140 dargestellt, wobei jedoch beispielsweise die Abstrahlung 520 nicht ausschließlich in die Richtung des Pfeils mit dem Bezugszeichen 520 zu denken ist, sondern in einer physikalisch sinnvollen Weise.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer aufgehängten Membran dargestellt. Der Sensor selbst ist mit dem Bezugszeichen 10 versehen und umfasst auf einem Substrat 20 eine Membranschicht 34, wobei innerhalb der Membranschicht 34 die aufgehängte Membran 36 vorgesehen ist und Befestigungsmittel 35 vorgesehen sind, die einen mit dem Bezugszeichen 36 versehenen aufgehängten Teil der Membranschicht 34 fixieren bzw. halten. Unterhalb der aufgehängten Membran 36 befindet sich ein aus dem Substrat 20 herausgenommener Bereich 25. Im oberen Bereich der 2 ist der erfindungsgemäße Sensor 10 in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A dargestellt und im unteren Teil der 2 ist eine Draufsicht auf den Sensor 10 dargestellt. Hierbei sind die als Aufhängung für den aufgehängten Membranbereich 36 dienenden Balken 35 als Befestigungsmittel für den aufgehängten Membranbereich 36 vorgesehen und ausgehend von einem mit dem Bezugszeichen 33 bezeichneten Rahmen, der erfindungsgemäß insbesondere als Teil der Membranschicht 34 vorgesehen ist, mit dem aufgehängten Membranbereich 36 verbunden. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, den Rahmen 33 im Wesentlichen quadratisch vorzusehen, den aufgehängten Membranbereich 36 ebenfalls im Wesentlichen quadratisch vorzusehen, den Rahmen 33 und den aufgehängten Membranbereich 36 derart gegeneinander auszurichten, dass deren Kanten im Wesentlichen parallel bzw. orthogonal zueinander stehen (d. h. nicht verdreht) und vier Balken 35 von jeweils einer inneren Ecke des Rahmens 33 zur nächstgelegenen äußeren Ecke des aufgehängten Membranbereichs 36 vorzusehen. Alternativ ist erfindungsgemäß selbstverständlich auch vorgesehen, entweder den Rahmenbereich 33 oder den aufgehängten Membranbereich 36 oder beide im Wesentlichen rund vorzusehen, oder den Rahmenbereich 33 und den aufgehängten Membranbereich 36 zwar im Wesentlichen quadratisch, jedoch gegeneinander verdreht vorzusehen und die Balken 35 nicht von den Ecken, sondern beispielsweise der Mitte der Kanten des Membranbereichs 36 und/oder des Rahmens 33 ausgehen zu lassen. Die Ausnehmung 25 unterhalb des aufgehängten Membranbereichs 36 ist erfindungsgemäß beispielsweise mittels anisotropem Ätzen oder mittels Opferschichtätzen hergestellt. Die in der 2 im oberen Teil dargestellte Ausnehmung 25 ist mittels anisotropem Ätzen vorgesehen und die in 3 dargestellte Ausnehmung 25 ist mittels Opferschichtätzen vorgesehen.
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In 3 ist wie im oberen Bereich der 2 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Sensor 10 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen aus der 2 gleichen Komponenten des erfindungsgemäßen Sensors 10 entsprechen.
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Sowohl in 2 als auch in 3 ist ein Heizer 40 vorgesehen, der im aufgehängten Membranbereich 36 lokalisiert ist. Es ist erfidungsgemäß vorgesehen, den erfindungsgemäßen Sensor 10 und hier insbesondere die Membranschicht 34 bzw. den aufgehängten Membranbereich 36 in Bulk-Mikromechanik herzustellen. Alternativ ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Membranschicht 34 und die Ausnehmung 25 in Oberflächen-Mikromechanik vorzusehen.
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Unabhängig von der Herstellungstechnologie und den geometrischen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors 10 wird im Folgenden dessen Funktionalität beschrieben:
Die aufgehängte Membran 36 wird mittels des Heizers 40 beheizt. Hierdurch entsteht eine Übertemperatur gegenüber der Umgebung. Die Übertemperatur wird im Folgenden auch mit ΔT bezeichnet. Um eine konstante Übertemperatur zwischen beheizter Membran, d. h. der aufgehängten Membran 36, und der Umgebung zu erhalten, verwendet man als Membranmaterial erfindungsgemäß insbesondere einen guten Wärmeleiter, wie beispielsweise Silizium. Für die Befestigungsmittel des aufgehängten Membranbereichs 36, die erfindungsgemäß insbesondere in Form von Balken 35 vorgesehen sind, wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeleitfähigkeit der aufgehängten Membran 36 gewählt. Dadurch wird verhindert, dass sich über dem aufgehängten Membranbereich 36 ein Temperaturprofil ausbildet, das die genaue Ermittlung der eingestellten Übertemperatur erschweren würde. Die Heizung und die Temperaturmessung auf dem aufgehängten Membranbereich 36 lässt sich dabei z. B. mit Hilfe von in Platin strukturierten Widerständen realisieren. Werden nun erfindungsgemäß zwei solcher Sensoren verwendet, die sich lediglich in der Größe der beheizten Fläche, d. h. in der Größe des aufgehängten Membranbereichs 36, unterscheiden und werden diese beiden erfindungsgemäßen Sensoren derart verschaltet, dass sie beispielsweise in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung Verwendung finden, so erhält man ein Ausgangssignal, welches nur durch die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases bestimmt ist. Dies ist in 4 angedeutet.
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4 zeigt auf der linken Seite einen ersten erfindungsgemäßen Sensor 10a und auf der rechten Seite einen erfindungsgemäßen Sensor 10b, wobei beide Sensoren 10a, 10b in Draufsicht dargestellt sind und zusammen eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 11 bilden. Somit ist in 4 für beide Sensoren 10a, 10b der Rahmenbereich 33, die Balken 35a, 35b, der aufgehängte Membranbereich 36a, 36b, der Heizer 40a, 40b und der ausgenommene Bereich 25 des Substrats 20 dargestellt. Weiterhin ist in 4 für beide Sensoren 10a, 10b die Länge jeweils eines der als Befestigungsmittel 35a, 35b dienenden Balken 35a, 35b mit einem Doppelpfeil 37 bezeichnet. Der erste Sensor 10a, auf der linken Seite der 4 abgebildet, umfasst seinen als ersten Heizer 40a bezeichneten Heizer 40a und die Balken 35a als erste Befestigungsmittel 35a. Als erste Wärmequelle 36a wird der erste Heizer 40a und der erste Membranbereich 36a bezeichnet. Das in 4 nicht mit einem Bezugszeichen bezeichnete Gas, an welches über den ersten Heizer 40a und den aufgehängten ersten Membranbereich 36a Wärme abgegeben wird, befindet sich sowohl oberhalb des aufgehängten ersten Membranbereichs 36a bzw. des ersten Heizers 40a als auch unterhalb des aufgehängten ersten Membranbereichs 36a in der Kaverne 25 bzw. in dem ausgenommenen Bereich 25 des Substrats 20 für den ersten Sensor 10a. Dieses Gas, welches sich im ersten Sensor 10a (auf der linken Seite der 4) befindet, wird im Folgenden auch als erstes Medium bezeichnet.
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Auf der rechten Seite der 4 ist ein zweiter Sensor 10b dargestellt, wobei beim zweiten Sensor 10b ebenfalls ein als zweiter Heizer 40b bezeichneter Heizer 40b auf einem aufgehängten zweiten Membranbereich 36b dargestellt ist, welcher mittels als zweite Befestigungsmittel 35b dienende Balken 35b an einem Rahmen 33 des zweiten Sensors 10b befestigt ist. Die Fläche des aufgehängten zweiten Membranbereichs 36b ist beim zweiten Sensor 10b geringer als beim ersten Sensor 10a. Die Balken 35b des zweiten Sensors 10b sind jedoch erfindungsgemäß insbesondere gleich lang wie beim ersten Sensor 10a, was sich aus der dargestellten und mit dem Bezugszeichen 37 versehenen Länge ergibt. Aufgrund der kleineren Fläche des aufgehängten Membranbereichs 36b beim zweiten Sensor 10b ist erfindungsgemäß in der Regel auch der ausgenommene Bereich 25 bzw. die Kaverne 25 und der Rahmenbereich 33 des zweiten Sensors 10b kleiner ausgebildet. Die Länge der Balken 35a, 35b des ersten und zweiten Sensors 10a, 10b müssen jedoch nicht notwendigerweise die gleiche Länge aufweisen. Wichtig ist, dass das Verhältnis der Balkenlänge zum Balkenquerschnitt beider Sensoren identisch ist. Fertigungstechnisch ist es jedoch die sichere Herstellung gleicher Längen am einfachsten bzw. am stabilsten hinsichtlich Prozessschwankungen. Der zweite Heizer 40b beim zweiten Sensor 10b wird im Folgenden zusammen mit dem zweiten Membranbereich 36b auch als die zweite Wärmequelle 36b bezeichnet. Weiterhin wird als zweites Medium das den aufgehängten Membranbereich 36b des zweiten Sensors 10b umgebende Gas bezeichnet.
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Der aufgehängte Membranbereich 36a des ersten Sensors 10a koppelt als Teil der ersten Wärmequelle 36a thermisch an das erste Medium mit einer ersten Wärmekopplung und koppelt thermisch mittels einer zweiten Wärmekopplung an die als erste Befestigungsmittel 35a bezeichneten Balken 35a an. Der auf der rechten Seite der 4 dargestellte aufgehängte zweite Membranbereich 36b koppelt als Teil der zweiten Wärmequelle 36b mit einer dritten Wärmekopplung thermisch an das zweite Medium und mittels einer vierten Wärmekopplung thermisch an seine als zweite Befestigungsmittel bezeichneten Balken 35b an. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die erste und die dritte Wärmekopplung, d. h. die Wärmekopplung zwischen dem aufgehängten ersten Membranbereich 30a des ersten Sensors 10a zum ersten Medium und die Wärmekopplung zwischen dem zweiten aufgehängten Membranbereich 36b des zweiten Sensors 10b zum zweiten Medium unterscheidet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass sich die Flächen der aufgehängten Membranbereiche 36a, 36b bzw. auch die jeweilige Flächen der Heizer 40a, 40b beim ersten Sensor 10a und beim zweiten Sensor 10b unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich groß, ausgeprägt sind. Bei einem Vergleich der den beiden Sensoren 10a, 10b zugeführten Wärmeleistungen bei ansonsten gleichen Temperatur- und Stoffbedingungen, d. h. Stoffzusammensetzungen, des ersten Mediums und des zweiten Mediums kann dadurch auf die Wärmeleitfähigkeit des das erste und zweite Medium bildende Medium geschlossen werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die zweite Wärmekopplung, d. h. die Wärmekopplung zwischen dem aufgehängten ersten Membranbereich 36a und den ersten Balken 35a gegenüber der vierten Wärmekopplung, d. h. der Wärmekopplung zwischen dem aufgehängten zweiten Membranbereich 36b des zweiten Sensors 10b und den zweiten Balken 35b möglichst gleich vorgesehen sind. Dann kann durch ein Differenzsignal aus der Zusammenschaltung des ersten Sensors 10a und des zweiten Sensors 10b eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 11 hergestellt werden, wobei sich der Wärmeübergang von dem aufgehängten Membranbereich 36a, 36b zu den Balken 35a, 35b zwischen dem ersten Sensor 10a und dem zweiten Sensor 10b gerade weghebt. Wichtig ist hierbei, dass beide Sensoren 35a, 35b bei der gleichen Übertemperatur betrieben werden. Ansonsten ist die Wärmeableitung über die Membranaufhängungen nicht identisch. Erfindungsgemäß heben sich alle Wärmeverluste, die nicht durch die Wärmeableitung durch das Gas verursacht sind, gegenseitig auf.
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Erfidungsgemäß ist es auch vorgesehen, bei der monolithischen Integration des ersten Sensors 10a und des zweiten Sensors 10b in demselben Substrat den ersten bzw. zweiten Membranbereich 36a, 36b in einer einzigen Membranschicht 34, wie in 2 und 3 in Schnittdarstellung dargestellt, vorzusehen.
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Ein Beispiel für eine solche Zusammenschaltung ist die Verschaltung des ersten Sensors 10a und des zweiten Sensors 10b in einer Wheatstone'schen Brücke, sodass das Ausgangssignal nur durch die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases bestimmt ist, wobei das umgebende Gas im Bereich des ersten Sensors 10a als das erste Medium bezeichnet wird und im Bereich des zweiten Sensors 10b als das zweite Medium bezeichnet wird, chemisch und physikalisch das erste Medium und das zweite Medium jedoch als gleich aufzufassen sind.
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Durch das erfindungsgemäße Auswerten von zwei erfindungsgemäßen Sensoren 10a, 10b gleichzeitig ergibt sich erfindungsgemäß der Vorteil einer schnellen Ansprechzeit der Sensoranordnung im Bereich von Millisekunden und einer geringen Heizleistung von einigen Milliwatt, die für die Ausbildung der Temperaturdifferenz notwendig ist. Weiterhin ist es erfidungsgemäß möglich, die Auswerteelektronik im Sensorchip direkt zu integrieren und den ersten Sensor 10a und den zweiten Sensor 10b gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat 20 zu integrieren.
