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Die
Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Detektion eines Gases mit
den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 aus.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der Praxis bekannt und kann beispielsweise
als Kohlendioxidsensor zur Messung von Kohlendioxidkonzentrationen
eines Gases genutzt werden.
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Ein
bekannter Kohlendioxidsensor umfasst eine Infrarotstrahlungsquelle,
eine mit einem Prüfgas beaufschlagte
Absorptionskammer, einen Monochromator, der für eine charakteristische Wellenlänge durchlässig ist,
sowie einen Detektor zur Detektion von Infrarotstrahlung. Die charakteristische
Wellenlänge
ist so gewählt,
dass Strahlung dieser Wel lenlänge
von Kohlendioxid besonders stark absorbiert wird. Sie liegt beispielsweise
bei 4,3 μm.
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Ferner
ist aus der Praxis ein Kohlendioxidsensor bekannt, der neben einer
Infrarotstrahlungsquelle und einer Absorptionskammer zwei Monochromatoren
und zwei Detektoren zur Detektion von Infrarotstrahlung umfasst,
wobei die Absorptionskammer mit Infrarotstrahlung beaufschlagbar
ist. Einer der Monochromatoren ist durchlässig für eine von Kohlendioxid besonders
stark absorbierte Wellenlänge,
beispielsweise für
eine Wellenlänge
von 4,3 μm. Der
andere Monochromator ist durchlässig
für eine Referenzwellenlänge, die
von Kohlendioxid nicht oder nur kaum absorbiert wird. Diese Wellenlänge beträgt beispielsweise
4,0 μm.
Aus der Differenz der an den beiden Detektoren gewonnenen Messsignale kann
auf die Kohlendioxidkonzentration des in der Absorptionskammer enthaltenen
Gases geschlossen werden.
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Eine
Vorrichtung zur Detektion eines Gases unter Ausnutzung der Absorption
von Infrarotstrahlung ist auch aus der
US 5,357,113 bekannt. Diese Vorrichtung
umfasst eine Absorptionskammer, die mit einem Prüfgas beaufschlagt ist. Die
Absorptionskammer ist zum einen mit einer Infrarotstrahlungsquelle
und zum anderen mit einem Detektor zur Detektion von Infrarotstrahlung
verbunden. Mittels des Detektors ist die Messung der Infrarotstrahlung
einer spezifischen Wellenlänge
möglich,
so dass auf das Absorptionsverhalten des Prüfgases geschlossen kann.
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Des
Weiteren ist aus der
US 5,286,976 ein Bolometer
bekannt, das auf der Basis von Vanadiumoxiden hergestellt ist. Vanadiumoxide
weisen neben einer hohen Temperaturabhängigkeit ihres elektrischen
Widerstands ein hohes Absorptionsvermögen hinsichtlich Infrarotstrahlung
auf.
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Aus
der
US 6,489,613 B1 ist
ein Bolometer bekannt, das ebenfalls die starke Temperaturabhängigkeit
des elektrischen Widerstands von Vanadiumoxiden sowie deren hohes
Absorptionsvermögen
hinsichtlich Infrarotstrahlung ausnutzt. Hierbei ist das Vanadiumoxid
in Dünnschichttechnologie
auf ein Substrat aufgebracht, das eine Kavität begrenzt. Die Kavität ist insbesondere
nach einem aus dem Bereich der Siliziummikromechanik bekannten Verfahren
gefertigt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Detektion eines Gases mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1, bei der der Detektor mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand
umfasst, der Bestandteil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung
ist, hat den Vorteil, dass mittels einer einfachen Schaltung, d.
h. einer Schaltung mit vier Widerständen, über die Auswertung der gewonnen
Messsignale auf die Absorption von Strahlung einer bestimmten Wellenlänge, nämlich der
Wellenlänge,
für die
der Monochromator durchlässig
ist, und damit auf das Vorhandensein des zu detektierenden Gases
in der Absorptionskammer geschlossen werden kann. Das zu detektierende
Gas absorbiert Strahlung der Wellenlänge, für die der Monochromator durchlässig ist,
besonders stark, so dass die Menge an Infrarotstrahlung, die auf
den temperaturabhängigen
Widerstand trifft und des sen Temperatur beeinflusst bzw. bestimmt,
eine Funktion der Konzentration des zu detektierenden Gases in der
Absorptionskammer ist.
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Grundsätzlich ist
die Vorrichtung nach der Erfindung zur Detektion beliebiger Gase
geeignet, die hinsichtlich Infrarotstrahlung einer bestimmten Wellenlänge ein
ausgeprägtes
Absorptionsverhalten aufweisen. Die Vorrichtung ist aber insbesondere
zur Detektion von Kohlendioxid CO2 geeignet,
das beispielsweise ein ausgeprägtes
Absorptionsverhalten für
Infrarotstrahlung einer Wellenlänge
von 4,3 μm aufweist.
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In
ihrer einfachsten Ausführung
weist die Vorrichtung nach der Erfindung nur einen temperaturabhängigen Widerstand
auf. Vorteilhaft ist die Wheatstone'sche Brückenschaltung aber derart ausgeführt, dass
sie vier temperaturabhängige
Widerstände
umfasst, von denen zwei hinter einem ersten Monochromator angeordnet
sind, der durchlässig
ist für
Strahlung einer ersten Wellenlänge,
die von dem Gas stark absorbiert wird, und von denen die beiden anderen
hinter einem zweiten Monochromator angeordnet sind, der für Strahlung
einer zweiten Wellenlänge,
die von dem Gas schwach absorbiert wird, durchlässig ist. Diese Messanordnung,
die einen geringeren Messaufwand erforderlich macht, liefert ein größeres Messsignal
als eine Messanordnung mit nur einem temperaturabhängigen Widerstand,
so dass schon geringe Konzentrationen des zu detektierenden Gases
gemessen werden können.
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Die
Wheatstone'sche
Brückenschaltung
ermöglicht
es, Differenzsignale zwischen Widerständen auch bei großen Änderungen
des Gesamtwiderstands der Schaltung zu ermitteln. Dies bedeutet
insbesondere, dass Widerstandsänderungen
aufgrund von Temperaturänderungen
der gesamten Brückenschaltung,
beispielsweise durch Änderung
der Umgebungstemperatur, kompensiert werden können. Dies bedeutet auch, dass
bei der Vorrichtung nach der Erfindung auf eine Temperaturmessung
und eine zusätzliche
Kompensation von Umgebungstemperaturänderungen verzichtet werden
kann. Vielmehr wird durch Kombination der Wheatstone'schen Brückenschaltung
mit zwei Monochromatoren, von denen einer für eine Wellenlänge, die
von dem betreffenden Gas stark absorbiert wird, und der andere für eine Wellenlänge, die
von dem betreffenden Gas schwach absorbiert wird, durchlässig ist,
gewährleistet,
dass das Brückensignal
direkt proportional zu der Konzentration des betreffenden Gases
in der Absorptionskammer ist. Temperaturschwankungen und Schwankungen
der Intensität
der Infrarotstrahlungsquelle werden durch Einsatz der Brückenschaltung automatisch
kompensiert.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist der mindestens eine temperaturabhängige Widerstand aus einem Vanadiumoxid
VOx(x = 1 bis 2,5) gebildet. Vanadiumoxide
haben einen elektrischen Widerstand, der eine starke Temperaturabhängigkeit
aufweist. Typischerweise liegt die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands
von Vanadiumoxiden zwischen 2 %/°C
und 4 %/°C.
Der spezifische Widerstand von Vanadiumoxiden liegt in der Größenordnung
zwischen 1 Ω·cm und
5 Ω·cm.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist der mindestens eine temperaturabhängige Widerstand in Dünnschichttechnologie
hergestellt und auf einem Substrat aus einem im Wesentlichen isolierenden
Material, insbesondere aus Silizium, angeordnet. Der mindestens
eine temperaturabhängige
Widerstand, der beispielsweise aus einem Vanadiumoxid besteht, kann dann
nach einem Sputter-Verfahren,
einem Ionenstrahl-Sputter-Verfahren oder einem anderen Dünnschicht-Verfahren
auf das Substrat aufgebracht sein. Durch Variation der Stöchiometrie
und der Dotierung des aufgesputterten Materials kann der Temperaturkoeffizient
und insbesondere der Temperaturbereich eingestellt werden, in dem
die Vorrichtung betrieben werden soll und in dem eine hohe Temperaturabhängigkeit
des elektrischen Widerstands vorliegt.
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Um
eine hinreichende Absorption der Strahlung an dem mindestens einen
temperaturabhängigen
Widerstand zu erreichen, sollte die Schichtdicke des vorzugsweise
in Dünnschichttechnologie
hergestellten Widerstands in dem Bereich zwischen etwa 100 nm und
1000 nm liegen. Durch das Verhältnis von
Länge zu
Breite der Widerstandsstrecken kann der Widerstand auf das gewünschte Maß eingestellt werden.
Ein günstiges
Signal/Rausch-Verhältnis kann
bei einem Widerstand zwischen 5 kΩ und 100 kΩ erreicht werden, der bei einem
aus einem Vanadiumoxid gefertigten Widerstand durch ein Verhältnis von
Länge zu
Breite von 0,02 bis 5 erreicht wird, wobei die Längsrichtung parallel zur Stromrichtung
ausgerichtet ist.
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Bei
einem nicht linearen Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand
und der Temperatur, wie es bei Vanadiumoxiden in der Regel der Fall
ist, ist zur Bestimmung eines Absolutwerts der Konzentration des
zu detektierenden Gases eine zusätzliche
Temperaturmessung erforderlich. Diese Temperaturmessung kann beispielsweise
durch Ermittlung des Gesamtwiderstands der Wheatstone'schen Brückschaltung
erfolgen.
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Die
Empfindlichkeit des temperaturabhängigen Widerstands kann erhöht werden,
wenn er auf einem sehr dünnen
Substrat angeordnet ist. Dadurch kann bereits durch einen sehr kleinen
Energieeintrag durch die auftreffende Infrarotstrahlung eine messbare
Temperaturänderung
des Widerstands ausgelöst werden.
Bei einer Wheatstone'schen
Brückenschaltung
mit vier temperaturabhängigen
Widerständen
ist es zweckmäßig, dass
diese vier Widerstände
in vier Bereichen des Substrats angeordnet sind, die rückseitig
mit einer Ausnehmung bzw. eine Kaverne versehen sind, so dass hier
Dünnstellen
des Substrats vorliegen.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Empfindlichkeit der Messanordnung ist es vorteilhaft, den mindestens
einen temperaturabhängigen
Widerstand in einem Bereich des Substrats anzuordnen, der von mindestens
einer schlitzartigen, das Substrat zumindest teilweise durchgreifenden
Aussparung begrenzt ist, so dass eine weitgehende thermische Entkopplung des
Widerstandsbereichs zu dem restlichen Substratkörper erfolgt. Der temperaturabhängige Widerstand
kann dann insbesondere in einem verdünnten Bereich des Substrats
angeordnet sein, der über zwei
schmale Stege mit dem angrenzenden Substratkörper verbunden ist.
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Die
Herstellung der Wheatstone'schen
Brückenschaltung
kann beispielsweise nach einem aus der Siliziummikromechanik bekannten
Verfahren erfolgen. Bei diesem Verfahren werden entweder die Ausnehmungen
bzw. Kavernen und/oder die nur durch zwei dünne Stege mit dem Substratkörper verbundenen
Bereiche für
die temperaturabhängigen Widerstände nach
einem an einem Siliziumwafer durchgeführten Fotolithografieverfahren
erzeugt, wobei der Siliziumwafer zusätzlich geätzt wird. Anschließend kann
auf der planen Seite des Wafers in beliebiger Reihenfolge eine Vanadiumoxidschicht
und eine zur Verschaltung der Widerstände erforderliche Metallschicht,
die beispielsweise aus Aluminium besteht, aufgebracht werden. Die
beiden aufgebrachten Schichten können
dann nach einem fotolithografischen Verfahren strukturiert werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Zwei
Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in der Beschreibung schematisch vereinfacht dargestellt und
werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Kohlendioxidsensors mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Detektor;
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2 eine
Draufsicht auf den Detektor des Sensor nach 1;
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3 einen
Schnitt des Detektors nach 2 entlang
der Linie III-III in 2 in einer perspektivischen
Darstellung;
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4 eine
Draufsicht auf ein Substrat eines alternativ ausgeführten Detektors;
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5 das
Substrat nach 4 mit darauf aufgebrachten Dünnschichtwiderständen; und
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6 einen
Schnitt des Detektors nach 5 entlang
der Linie VI-VI in 5.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
den 1 bis 3 ist ein Kohlendioxidsensor 10 dargestellt,
der zur Bestimmung einer Kohlendioxidkonzentration eines Prüfgases dient.
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Der
Kohlendioxidsensor 10 umfasst eine Absorptionskammer 11,
welche mit einem Einlass und einem Auslass für das Prüfgas versehen ist, eine Infrarotstrahlungsquelle 12,
zwei Monochromatoren 13 und 14 sowie einen Detektor 15 für Infrarotstrahlung.
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Der
Detektor 15, der in den 2 und 3 in
Verbindung mit den beiden Monochromatoren 13 und 14 detailliert
dargestellt ist, umfasst ein Substrat 16, das aus einem
Siliziumwafer gebildet ist. An seiner Oberseite ist das Substrat 16 flächig ausgebildet und
mit vier, nach einem Dünnschichtverfahren
aufgebrachten temperaturabhängigen
Widerständen 17, 18, 19 und 20 versehen,
die aus einem Vanadiumoxid gebildet sind. Zur Herstellung der Widerstände 17 bis 20 wird
das Vanadiumoxid flächig
auf das Substrat 16 aufgesputtert und anschließend nach
einem fotolithografischen Verfahren strukturiert.
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Die
vier temperaturabhängigen
Widerstände 17, 18, 19 und 20 sind über aus
Aluminium gebildete Leiterbahnen 21, 22, 23 und 24 zu
einer Wheatstone'schen
Brücke
verschaltet, wobei die Widerstände 17 und 20 dem
einen Brückenzweig
und die Widerstände 18 und 19 dem
anderen Brückenzweig
zugeordnet sind. Eine Messung des Widerstands der Wheatstone'schen Brückenschaltung
bzw. einer Änderung
der Leitfähigkeiten
der Widerstände 17, 18, 19 und 20 erfolgt über aus
Aluminium gebildete Kontaktflächen 25, 26, 27 und 28,
wobei die Kontaktfläche 25 der
Leiterbahn 22, die Kontaktfläche 26 der Leiterbahn 23,
die Kontaktfläche 27 der
Leiterbahn 21 und die Kontaktfläche 28 der Leiterbahn 24 zugeordnet
ist. Die Leiterbahnen 21, 22, 23 und 24 und
die Kontaktflächen 25, 26, 27 und 28 sind
ebenfalls nach einem Dünnschicht-Verfahren auf das
Substrat 16 aufgebracht und nach einem fotolithografischen
Verfahren strukturiert, d.h. in die dargestellte Form gebracht.
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Das
Substrat 16 hat des Weiteren an der Rückseite in den unter den Widerständen 17, 18, 19 und 20 angeordneten
Bereichen vier Ausnehmungen bzw. Kavernen, von denen in den 1 und 3 stellvertretend
für die
anderen die unter halb der Widerstände 17 und 18 angeordneten
Kavernen 29 und 30 dargestellt sind.
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Die
Monochromatoren 13 und 14 sind so angeordnet,
dass der Monochromator 13 über den temperaturabhängigen Widerständen 18 und 20 und
der Monochromator 14 über
den temperaturabhängigen Widerständen 17 und 19 angeordnet
ist. Der Monochromator 13 ist selektiv durchlässig für Strahlung
einer Wellenlänge
von 4,3 μm.
Strahlung dieser Wellenlänge
wird von Kohlendioxid stark absorbiert. Der Monochromator 14 ist
selektiv durchlässig
für Strahlung
einer Wellenlänge
von 4,0 μm.
Strahlung dieser Wellenlänge
wird von Kohlendioxid schwach absorbiert. Der Monochromator 14 stellt
einen Referenzmonochromator dar.
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An
der in 2 dargestellten Wheatstone'schen Brückenschaltung entsteht dann
eine Brückenspannung,
wenn eine Differenz zwischen den Widerständen 17 und 19,
die hinter dem Referenzmonochromator 14 liegen, und den
Widerständen 18 und 20,
die hinter dem Monochromator 13 liegen, auftritt.
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Bei
einer Änderung
der Kohlendioxidkonzentration des in der Absorptionskammer 11 enthaltenen Prüfgases ändert sich
die Menge an Strahlung einer Wellenlänge von 4,3 μm, die von
dem Kohlendioxid absorbiert wird, so dass sich auch eine Änderung
der durch den Monochromator 13 hindurch tretenden Strahlungsmenge
einstellt, wodurch sich die Temperatur der temperaturabhängigen Widerstände 18 und 20 ändert. Dadurch ändert sich
die Leitfähigkeit
der Widerstände 18 und 20.
Aus dieser Änderung
kann wiederum auf eine Änderung
der Konzentration an Kohlendioxid in der Absorptionskammer 11 geschlossen
werden. Die durch den Referenzmonochromator 14 hindurch
tretende Strahlung einer Wellenlänge von
etwa 4,0 μm
bleibt bei einer Änderung
der Kohlendioxidkonzentration in der Absorptionskammer 11 gleich.
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In
den 4 bis 6 ist eine zweite Ausführungsform
eines Detektors 15' eines
Kohlendioxidsensors der in 1 näher dargestellten
Art gezeigt.
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Der
Detektor 15' entspricht
im Wesentlichen dem insbesondere in den 2 und 3 dargestellten
Detektor, unterscheidet sich von diesem aber dadurch, dass er ein
Substrat 16' aufweist,
an welchem Widerstandsbereiche 41, 42, 43 und 44 ausgebildet
sind, in welchen die Widerstände 17, 18, 19 und 20 aufgebracht
sind und die jeweils von zwei Schlitzen 45A, 45B, 45C, 45D und 46A, 46B, 46C, 46D begrenzt
sind, die jeweils einen im Wesentlichen rechtwinkligen bzw. L-förmigen Grundriss haben, so dass
die Widerstandsbereiche 41 bis 44 jeweils nur über zwei
schmale Stege 47A, 47B, 47C, 47D und 48A, 48B, 48C, 48D mit
dem restlichen Substratkörper
verbunden sind. Die Leiterbahnen 21, 22, 23 und 24 laufen
zur Verbindung mit den Widerständen 17, 18, 19 und 20 über die
jeweiligen Stege 47A, 47B, 47C, 47D, 48A, 48B, 48C bzw. 48D.
Die Schlitze 45A, 45B, 45C, 45D, 46A, 46B, 46C und 46D münden an
der Unterseite des Substrats 16' jeweils in eine Kaverne.
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Die
Kavernen, von denen in 6 stellvertretend für die anderen
zwei Kavernen 29 und 30 dargestellt sind, sind
jeweils an der Rückseite
des Substrats 16' unterhalb
der Wi derstandsbereiche 41 bis 44 ausgebildet.
Im übrigen
entsprechen die Ausbildung und die Funktion des in den 4 bis 6 dargestellten
Detektors 15' der
Ausbildung und der Funktion des in den 2 und 3 dargestellten Detektors.