DE4201216C1 - Oxygen@ sensor for gas mixt. - measures difference in flow speed in two stream channels etched into wafer substrate by two thermo anemometers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 genannten Art.

Derartige Sensoren, die zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts eines Gasgemisches dienen, sind seit langem bekannt. Die wesentlichen Meßmethoden sind elektrochemische Verfahren, Verfahren mit Festkörper-Ionenleitern und paramagnetische Verfahren.

Sauerstoff ist paramagnetisch und besitzt eine außergewöhn­ lich hohe magnetische Suszeptibilität. Paramagnetische Stoffe (O₂, NO, NO₂) zeichnen sich dadurch aus, daß sie in ein inhomogenes Magnetfeld hineingezogen werden, während diamagnetische Stoffe (H₂, NH₄, Cl₂) aus diesem herausgedrängt werden. Dieser Unterschied wird bei der paramagnetischen Sauerstoffmessung ausgenützt. Bisherige Vorrichtungen dieser Art (Firmenprospekt der Panametrics GmbH Analysen und Prüftechnik, Hofheim: Modell TMO2 Sauerstoff­ analysator März 1990; Buch "Chemische Sensoren Funktion, Bauformen, Anwendungen", Autor: Friedrich Ohme, Vieweg-Verlag, Braunschweig, 1991) messen den Strömungsun­ terschied, der durch ein Magnetfeld in einem System von Glaskapillaren erzeugt wird. Wesentliche Nachteile dieser Meßvorrichtungen sind zum einen die Größe des Aufbaus, die hohen Kosten des Glasgeräts und zum andern die hohen Ener­ gieaufwendungskosten für das relativ große Magnetfeld.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts eines Gasge­ misches zu schaffen mit einem möglichst kleinen Aufbau, mit hoher Empfindlichkeit, mit hoher Zuverlässigkeit bei mini­ malem Kostenaufwand.

Gelöst wird diese Aufgabe bei dem im Oberbegriff des An­ spruchs 1 angegebenen Sauerstoffsensor mit den im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs genannten Mitteln.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Verwendung von Herstellungsmethoden, wie sie in der Mikrome­ chanik und Mikroelektronik bekannt sind. Dadurch werden die Herstellungskosten erheblich verringert und eine hohe Mi­ niaturisierung ist möglich.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeben.

Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels, das in Zeichnungen schematisch darge­ stellt ist, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Aufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung,

Fig. 2 mehrere Trenndüsen in Kaskadenanordnung für die erfindungsgemäße Vorrichtung und

Fig. 3 Aufsicht eines Polblechs für die erfindungs­ gemäße Vorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Aufsicht einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung zu sehen. Auf einem Substrat 20 (Wafer) befindet sich ein Gaseinlaß 1, der sich zu einem Strömungskanal 3 verengt. Am Anfang des Strömungskanales 3 befindet sich ein Regelventil 2; im Anschluß daran wird der Strömungskanal 3 von einer Oxidbrücke 12a überspannt. Diese Oxidbrücke 12a trägt ein Thermoanemometer 10. Weiter stromabwärts befinden sich im Strömungskanal 3 Stege, die als Strömungsgleichrich­ ter 6 ausgebildet sind. Nach dem Strömungsgleichrichter 6 verzweigt sich der Strömungskanal 3 in zwei symmetrische Strömungskanäle 4 und 5. Die beiden Strömungskanäle 4 und 5 werden von einer Oxidbrücke 12b überspannt. Diese Oxidbrücke 12b dient als Träger für die Thermoanemometer 11a und 11b. Im Bereich zwischen Verzweigung und Oxidbrücke 12b wird der Strömungskanal 5 von einem vertikalen Magnetfeld 30 durch­ setzt. Stromabwärts von der Oxidbrücke 12b münden die beiden Strömungskanäle 4 und 5 in einen gemeinsamen Gasauslaß 7.

Im weiteren soll das Herstellungsverfahren eines paramagne­ tischen Sensors gemäß der Erfindung näher beschrieben wer­ den. In ein Substrat (Wafer) aus Silicium werden mit Metho­ den der anisotropen Ätztechnik äußerst exakte Gräben, die als Strömungskanäle zur Gasführung dienen, eingearbeitet. Das Regelventil 2 kann beispielsweise von einem nicht darge­ stellten Piezokristall betätigt werden. Auf den Oberseiten der Oxidbrücken 12a, b werden Heizmäander aus Edelmetall in Dünnschichttechnik aufgebracht. Die Strömungsgleichrichter werden ebenfalls in Form geätzter Strukturen hergestellt. Das Substrat 20 wird von einem Deckel abgeschlossen, der entweder aus Glas oder einer ebenfalls mikromechanisch strukturierten Siliciumplatte besteht. Dieser Deckel ist in Fig. 1 nicht gezeigt.

Im folgenden ist das Funktionsprinzip des paramagnetischen Sensors gemäß der Erfindung näher erläutert. Das zu untersu­ chende Gasgemisch tritt durch den Gaseinlaß 1 ein. Mit Hilfe eines Regelventils 2 wird der Gasfluß im Strömungskanal 3 geregelt. Die Gasgeschwindigkeit im Strömungskanal 3 wird mit dem Thermoanemometer 10 gemessen. Der Heizmäander wird elektrisch erwärmt. Durch die Gasströmung erfolgt eine Kühlung des Heizmäanders. Der Widerstand des Heizmäanders ist temperaturabhängig. Die Gasgeschwindigkeit kann somit elektronisch vermittels des Widerstandes des Heizmäanders bestimmt werden. Der Strömungsgleichrichter 6 sorgt für eine wirbelfreie Strömung im Strömungskanal 3. Nach dem Strö­ mungsgleichrichter 6 verzweigt sich der Strömungskanal 3. Aufgrund des vertikalen Magnetfeldes 30 werden die Sauer­ stoffmoleküle bevorzugt in den Strömungskanal 5 gezogen. Dadurch erhöht sich auch die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal 5. Mit den Thermoanemometern 11a, b wird die Strömungsgeschwindigkeit in den beiden Strömungskanälen 4 und 5 bestimmt. Ein Maß für die Sauerstoffkonzentration des Gasgemisches ist der Strömungsgeschwindigkeitsunterschied in den Strömungskanälen 4 und 5. Je höher der Sauerstoffanteil ist, desto größer ist der Unterschied. Über die Widerstands­ differenz der beiden Thermoanemometer 11a und 11b, die elektronisch bestimmt wird, wird die Sauerstoffkonzentration gemessen. Am Ende des Strömungskanals 4 und 5 strömt das Gas in einen gemeinsamen Gasauslaß 7.

In Fig. 2 ist das Prinzip einer vorteilhaften Weiterent­ wicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Ein Gaseinlaß 1 verzweigt sich in zwei Strömungskanäle A und B, wobei der Strömungskanal B von einem Magnetfeld 30 durch­ setzt ist. Der Strömungskanal B verzweigt sich wieder in einen Strömungskanal A und B, wobei wieder der Strömungska­ nal B von einem Magnetfeld 30 durchsetzt wird. Insgesamt erfolgen fünf solcher Verzweigungen. Nach der fünften Ver­ zweigung ist am Ende des Strömungskanals B ein Sauerstoff­ sensor, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, angebracht. Alle mit B bezeichneten Kanäle sind jeweils von einem Magnetfeld 30 durchsetzt; alle mit A bezeichneten Kanäle sind mit dem Gasauslaß 7 verbunden.

Die Herstellung eines paramagnetischen Sensors gemäß der vorteilhaften Weiterentwicklung entsprechend Fig. 2 erfolgt mit Hilfe der anisotropen Ätztechnik aus einem Substrat (Wafer) aus Silizium.

Durch die Hintereinanderschaltung (Kaskadierung) mehrerer solcher Verzweigungen ergibt sich nach jeder Verzweigung jeweils im Teilkanal B eine Sauerstoffanreicherung. Eine solche Verzweigung mit einem inhomogenen Magnetfeld in einem der beiden Äste kann daher als "magnetische Trenndüse" bezeichnet werden. Im Prinzip können beliebig viele solcher Verzweigungen aufeinanderfolgen.

Durch den Anreicherungseffekt erhöht sich die Empfindlich­ keit des Sauerstoffsensors, der nach der fünften Verzweigung im Kanal B angeordnet ist, erheblich.

In Fig. 3 ist ein Polblech für die vorteilhafte Weiterent­ wicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend Fig. 2 zu sehen. Mit Hilfe dieses Polblechs wird das Magnetfeld 30 zu den entsprechenden Punkten nach den Verzweigungen geführt. An den verjüngten Enden des Polbleches ist das Magnetfeld 30 besonders stark.

Figurenlegende

 1 Gaseinlaß
 2 Regelventil
 3, 4, 5 Strömungskanäle
 6 Strömungsgleichrichter
 7 Gasauslaß
10 Thermoanemometer
11a, b Thermoanemometer
12a, b Oxidbrücken
20 Substrat
30 Magnetfeld
A Strömungskanal
B Strömungskanal

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts eines Gasgemisches, mit einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß, die durch Strömungskanäle zur Führung des Gasstromes miteinander verbunden sind, wobei mindestens ein Strö­ mungskanal sich stromabwärts in zwei Strömungskanäle verzweigt und einer der beiden Strömungskanäle von einem Magnetfeld durchsetzt ist, und Mittel zur Messung der Strömungsdifferenz in den beiden Strömungskanälen vor­ handen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungs­ kanäle (3, 4, 5) in einem Substrat (20) aus vorzugsweise Silizium mikromechanisch, vorzugsweise in anisotroper Ätztechnik erzeugt und mit einer auf dem Substrat auf­ liegenden Abdeckung begrenzt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung aus Glas besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung aus einer mikromechanisch strukturierten Siliziumplatte besteht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strömungskanäle (4 und 5) von einer Oxidbrücke (12b) überspannt sind, daß an der Oberseite dieser Oxidbrücke (12b) im Bereich der Strömungskanäle Heizmäander angebracht sind und daß elektronische Mittel vorhanden sind, den Widerstands­ unterschied der beiden Heizmäander und damit die unter­ schiedliche Gasgeschwindigkeit in den Strömungskanälen (4 und 5) zu bestimmen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Verzweigung Stege vorhanden sind, die als Strömungsgleichrichter (6) dienen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Verzweigung ein Regelventil (2) angebracht ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Brückenschaltung zur Messung der Widerstandsdifferenz der beiden Thermoanemometer (11a und 11b).

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gaseinlaß (1) und dem Strömungskanal (3) auf dem Substrat mindestens eine weitere Verzweigung in zwei Teilkanäle (A und B) vorhanden ist, derart, daß der Teilkanal (B) von einem Magnetfeld (30) durchsetzt ist, daß der Teilkanal (A) mit dem Gasauslaß (7) direkt verbunden ist und daß der Teilkanal (B) mit dem Strömungskanal (3) verbunden ist.