EP3132256A1 - Vorrichtung zum erfassen eines parameters eines gases, verfahren zum betreiben einer derartigen vorrichtung und messsystem zum bestimmen eines parameters eines gases - Google Patents

Vorrichtung zum erfassen eines parameters eines gases, verfahren zum betreiben einer derartigen vorrichtung und messsystem zum bestimmen eines parameters eines gases

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EP3132256A1
EP3132256A1 EP15715256.2A EP15715256A EP3132256A1 EP 3132256 A1 EP3132256 A1 EP 3132256A1 EP 15715256 A EP15715256 A EP 15715256A EP 3132256 A1 EP3132256 A1 EP 3132256A1
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EP
European Patent Office
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layer
membrane
gas
cavity
pressure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15715256.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Krauss
Christoph Schelling
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/10—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by pressure-sensitive members of the piezoelectric type
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • Device for detecting a parameter of a gas Device for detecting a parameter of a gas, method for operating such a device and measuring system for determining a parameter of a gas
  • the present invention relates to a device for detecting a parameter of a gas, to a measuring system for determining a parameter of a gas, to a method for operating a device for detecting a parameter of a gas, to a corresponding device and to a corresponding computer program.
  • Exhaust gas sensors for the detection of oxygen or nitrogen oxides are currently produced almost exclusively in ceramic technology or LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, low-temperature incineration ceramics).
  • Active layers which are used as ionic conductor, are usually made of yttria stabilized zirconia (YSZ) and are combined with other layers, eg. Example, alumina-based insulating layers or conductive layers, for. B. of Pt, which is structured and burned on metal paste pressure.
  • pressure sensors are known, which can measure small differential pressures or absolute pressures via a deformable membrane with very high resolution, wherein in the absolute pressure measurement with a gas-tight cavity a constant amount of gas trapped is used.
  • Known processes for the production of cavities which would be suitable, inter alia, for use in the sensors are, for.
  • DE 102004036032 A1 discloses a method for producing a
  • a membrane above a region in the semiconductor substrate is formed with a first doping and by means of a second epitaxial layer, which is applied to the semiconductor substrate, a structured stabilizing element is attached to the semiconductor substrate ,
  • Apparatus for detecting a parameter of a gas a measuring system for determining a parameter of a gas, a method for operating a device for detecting a parameter of a gas, furthermore a device using this method, and finally a
  • An apparatus for detecting a parameter of a gas having a cavity for receiving the gas comprises two layers of an electrically conductive
  • Pressure sensing element a combined sensor consisting of a pressure sensor and a gas sensor based on an electrical voltage between the layers of the electrically conductive material can be realized.
  • a constructed according to the concept presented here sensor device allows an improvement of the detection of gases by means of
  • ion-conducting materials are directly and indirectly measurable, so z.
  • oxygen or noxious gases such as nitrogen oxides, in particular in the exhaust gas z.
  • a little effort-requiring measuring mode that integrates over time can be realized. This can take into account applicable emission standards which, instead of detecting momentary concentrations, incorporate integrated values, e.g. B. the
  • the proposed concept also allows for a reduction of
  • Power consumption and the heating of the sensors for example, by bringing in the operation of the device, only the ion-conducting layers and not the sensors as a composite on a heater to operating temperature.
  • a location of the sensors can be chosen freely, for example, with a long distance from unfavorable for a housing of the device, high exhaust gas temperatures of a
  • a device for detecting a parameter of a gas having the following features: at least one cavity for receiving the gas from an external space; at least one membrane for separating the cavity from the outer space, a first side of the membrane facing the outer space having a first layer of electrically conductive material and a cavity facing, the first side opposite, second side of the membrane a second layer of an electrically conductive material and wherein at least a portion of the membrane comprises an ion conducting material; and at least one pressure measuring element arranged on the membrane for detecting a gas pressure in the cavity.
  • the device may be a sensor device for determining a gas concentration, e.g. B. in the exhaust of a vehicle act.
  • one or more parameters of the gas can be detected, for example a size of a pumping current required for pumping the gas into the cavity and / or a gas pressure of the gas in the cavity.
  • the at least one cavity may be in the form of a well in a substrate for supporting individual ones
  • Elements of the device may be applied, for example, by an executed on a surface of the substrate etching.
  • the exterior space may refer to an environment outside the cavity.
  • the exterior space may extend between the membrane and a housing of the device or beyond. In the outer space can prevail an ambient pressure.
  • the diaphragm may be made of a material that permits elastic deformation and may be configured to form a bulge in the direction of the outside space in response to a gas pressure inside the cavity.
  • the membrane may be formed by means of the ion-conducting material to allow diffusion of the gas between the outer space and the cavity.
  • the first and second layers of an electrically conductive material may be metal layers, to which an electrical potential can be applied via electrical contact terminals arranged on them and / or at which an electrical potential can be tapped off via the contact terminals.
  • the pressure measuring element may, for example, be arranged and formed on the side of the membrane facing the outer space in order to detect the gas pressure piezoelectrically or piezoresistively. For example, it may be at the
  • Pressure measuring element act around a strain gauge or the
  • Pressure measuring element may have a strain gauge.
  • the first layer of an electrically conductive material, the membrane and the second layer of an electrically conductive material may be formed to the gas at an applied voltage between the first layer and the second layer to pump through the membrane.
  • the first layer of an electrically conductive material, the membrane and the second layer of an electrically conductive material may be formed to generate an electrical voltage between the first layer and the second layer upon diffusion of the gas through the membrane. So can easily by means of a
  • the first layer of an electrically conductive material and / or the second layer of an electrically conductive material may comprise a gas-permeable noble metal.
  • a gas permeability of the membrane or the ion-conducting portion of the membrane can be advantageously obtained.
  • the first layer of an electrically conductive material and / or the second layer of an electrically conductive material may have a first electrical contact connection and a second electrical contact connection and be designed to be electrically conductive between the first electrical contact connection and the first second electrical contact terminal to heat at least a portion of the membrane.
  • a required for the heating of the membrane heat can be generated by applying different electrical potentials to the first and second electrical contact connection in a simple manner. So can be dispensed with a heating element in the device and thus costs and space can be saved.
  • the pressure measuring element can be arranged outside the portion of the membrane to be heated.
  • a measuring functionality of the pressure measuring element is not damaged by temperature fluctuations or the pressure measuring element
  • the first layer of an electrically conductive material and / or the second layer of an electrically conductive material may be formed meander-shaped, for example, a plane substantially parallel to the first and second sides of the membrane
  • the position of an electrically conductive material, which is used for heating the portion of the membrane have the meandering course. So can be provided in a simple and robust way for optimal heating of the membrane, a prolonged heating.
  • a non-gas-permeable material for the layers of an electrically conductive
  • the device may include a stop member for limiting deflection of the diaphragm.
  • the stop element may in particular be arranged on a bottom of the cavity.
  • the device may have at least one second pressure measuring element.
  • the second pressure measuring element may be arranged at a position deviating from a position of the pressure measuring element further position on the membrane.
  • a detection direction of the pressure measuring element may differ from a detection direction of the further pressure measuring element.
  • the detection direction may be a direction in which the pressure-measuring element undergoes a physical and / or chemical change in picking up a measured variable. If the pressure measuring element is designed, for example, as a strain gauge, the detection direction of a strain direction of
  • Embodiment allows an even more accurate determination of the gas pressure.
  • the device may comprise at least one further cavity for receiving the gas from an outer space, at least one further membrane for separating the further cavity from the one External space and at least one further arranged on the membrane
  • a first side of the further membrane facing the outer space may have a further first layer of an electrically conductive material and a further second layer of an electrically conductive material facing the further cavity facing the first side, second side of the further membrane. At least a portion of the further membrane may comprise the ion conducting material.
  • two or more sensor elements can be integrated on the device. By the sensor elements can be used independently for the measuring process, can easily a
  • a time-integrating mode for detecting the gas can be realized.
  • a measuring system for determining a parameter of a gas is also presented, wherein the measuring system has the following features: the device according to one of the above explained
  • Embodiments and an evaluation device, wherein the evaluation device is coupled to the first layer of an electrically conductive material and / or the second layer of an electrically conductive material and / or the pressure measuring element and is designed to be based on at least one electrical potential of the first layer and / or second position and / or based on the detected by the pressure measuring element gas pressure in the cavity to determine the parameter of the gas.
  • the evaluation device may be configured to determine the gas alternately or simultaneously based on the electrical potential and based on the gas pressure.
  • the evaluation device can be designed to determine the determination of the time-integral measurement Gas over a predetermined period, such as a ride of a vehicle repeatedly perform.
  • a method for operating a device for detecting a parameter of a gas wherein the device has at least one cavity for receiving the gas from an outer space, at least one membrane for separating the cavity from the outer space, wherein a first side of the membrane facing the outer space a first layer of an electrically conductive material and a cavity facing, the first side opposite, second side of the membrane has a second layer of an electrically conductive material and at least a portion of the membrane has an ion-conducting material, and at least one arranged on the diaphragm pressure measuring element for detecting a gas pressure in the cavity, and wherein the method comprises the following steps:
  • the electrical quantity if it is detected at the first layer and / or the second layer, may be, for example, an electric current intensity of a pumping current for pumping the gas through the membrane. If the electrical variable is detected by the pressure measuring element, this may be an electrical voltage based on an elastic deformation of the pressure measuring element.
  • the method may further comprise a step of re-applying the voltage between the first layer and the second layer to pump the gas out of the cavity through the membrane into the exterior space and, correspondingly, a step of re-detecting the electrical quantity at least at the first layer and / or the second layer and / or on the pressure sensing element to recapture the parameter of the gas.
  • the method of operating the device may be implemented as a pulse width modulation method, wherein the step of applying the electrical voltage between the first layer and the second layer alternately with a step of applying an electrical voltage across the first layer or the second layer for heating the
  • Section of the membrane is executed.
  • an advantageous combined heating of the membrane and determination of the measured value of the gas can be carried out by means of one and the same device element.
  • the approach presented here also provides a device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • a computer program product or computer program with program code which is stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical disk Memory may be stored and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • FIG. 1 shows a cross section of an apparatus for detecting a parameter of a gas, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of an apparatus for detecting a parameter of a gas according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram of a measuring system for determining a
  • FIG. 4 is a flowchart of a method for operating a device for detecting a parameter of a gas, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross-section of an apparatus 100 for detecting a parameter of a gas, according to an embodiment of the present invention.
  • the device 100 may be installed in a vehicle and configured to provide a concentration of
  • the device 100 may also be referred to as a sensor device or a sensor.
  • the Device 100 has a substrate 102 in which a chamber or cavity 104 is applied.
  • the cavity 104 is covered by a membrane 106.
  • the membrane 106 separates the cavity 104 from an exterior space 108.
  • a first side 110 of the membrane 106 faces the exterior space 108, and a second side 112 of the membrane 106 opposite the first side 110 faces the cavity 104.
  • the first side 110 of the membrane 106 has a first layer 114 of an electrically conductive material, and the second side 112 of the membrane 106 has a second layer 116 of an electrically conductive material.
  • a pressure measuring element 118 Spaced from the first layer 114 of an electrically conductive material is a pressure measuring element 118 for detecting a gas pressure in the cavity 104 on the first side 110 of the membrane 106.
  • the pressure measuring element 118 thus forms a pressure sensor element of the device 100.
  • the substrate 102 is formed of silicon. Alternatively, other materials suitable for MEMS technologies may be used.
  • the substrate 102 u. a. as a carrier, in particular for the membrane 106 and the pressure measuring element 118.
  • the pressure measuring element 118 here not shown here-also needed for a pressure measurement
  • a temperature sensor e.g. a thermosensor
  • thermoelectric elements As a temperature sensor but also other elements of the sensor can be used, e.g. the resistance of a heater or a position 114 or 116 designed as a heater
  • the cavity 104 has been machined out of a surface or main side 120 of the substrate 102, for example by means of an etching process.
  • a region of the surface 120 of the substrate 102 surrounding the cavity 104 is covered by an insulating layer 122.
  • the cavity 104 is formed as a cuboidal trough having a flat rectangular bottom 124 and a wall 126 perpendicular to the bottom 124.
  • the cavity 104 is formed flat in that dimensions of the bottom 124 exceed a height of the wall 126.
  • the chamber 104 is made as flat as possible to
  • the minimum size of the chamber or cavity 104 may further be determined by reliability aspects, for example, a required minimum size for a pumping element to ensure a function even with deposits.
  • the membrane 106 has a rectangular shape corresponding to the bottom 124 of the cavity 104, dimensions of the membrane 106 being greater than the dimensions of the bottom 124 of the cavity 104. As the illustration in FIG.
  • a circumferential edge region of the membrane 106 is fixed to the insulating layer 122 of the substrate 102 on an edge region of the substrate 102 which surrounds the cavity 104 and thus separates the cavity 104 from the outer space 108.
  • the membrane 106 is formed from an elastic material and can in response to a prevailing in the cavity 104 relative to the outer space 108 pressure in the direction of the cavity 104 and in the direction of
  • Exterior 108 arches. To permit transport of the gas through the membrane 106, at least a portion of the membrane 106 has
  • the layers 114, 116 are positioned congruently centered on the respective sides 110, 112 of the membrane 106 parallel to a plane in which the membrane 106 extends.
  • the layers 114, 116 have in the plane of the membrane 106 smaller dimensions than the membrane 106 us in particular as the cavity 104 and are thus spaced from the substrate 102.
  • Embodiments also other metals and / or gas-permeable substances and non-metals for the layers 114, 116 are used.
  • the first layer 114 and the second layer 116 of electrically conductive material are used as electrodes for generating a pumping current for pumping gas through the membrane 106 from the outer space 108 into the cavity 104 and / or the cavity 104 inserted into the outer space 108.
  • both layers 114, 116 each have at least one electrical contact connection 127.
  • the device 100 is formed using the layers 114, 116 in the above-mentioned embodiment to generate an electrical voltage between the first layer 114 and the second layer 116 upon diffusion of the gas through the membrane 106.
  • the pressure sensing element 118 is configured as a strain gauge and configured to provide an electrical voltage based on elastic deformation of the diaphragm 106 due to pump flow based gas transport into the cavity 104 or cavity 104 to create.
  • the embodiment of the device 100 shown in FIG. 1 has a stop element 128.
  • the stopper member 128 is shown in the illustration
  • Stop element 128 as the insulating layer 122 comprise an electrically insulating material.
  • the stopper member may be made conductive so that upon contact between the conductive layer 116 and the stopper member 128, e.g. the pumping process is interrupted.
  • the cavity can also be made so that during normal operation of the sensor there is a contact between 116 and 128 and that due to an impermissibly high internal pressure, a bulging of the membrane to a
  • the second or lower layer 116 of the electrically conductive material is meander-shaped in a plane parallel to the plane of the membrane 106 and is additionally used here as a heating element for heating one between the layers 114, 116 lying portion 130 of the membrane 106 is inserted.
  • this has a second electrical contact terminal 132.
  • the pressure measuring element 118 is disposed outside of the heated portion 130 of the membrane 106.
  • the exemplary sensor 100 shown in FIG. 1 comprises the membrane 106, which divides the interior or cavity 104 and, according to exemplary embodiments, further interior spaces 104 in the form of a closed or limited diffusion-open cavity and the exterior space 108, as well as the element 106
  • outside space 108 is arranged. At least the part 130 of the membrane 106 made of ion-conductive material is designed to be heated.
  • the strain gauge 118 is disposed outside the heated region 130 of the membrane 106.
  • the device 100 may also have further strain gauges 118, which may be arranged on the membrane 106 at further positions deviating from a position of the first strain gage 118.
  • the gas or a plurality of gases is defined from the outer space 108 in the interior or the cavity 104 of the sensor 100 is moved and / or vice versa.
  • This "pumping" of gas provides pressure differences between the inner space 104 and the outer space 108 provided by the pressure sensor 118 here in the form of
  • the cavity 104 is covered by the membrane 106.
  • Membrane 106 is detected by the measuring element 118 z. B. piezoelectric or piezoresistive detected.
  • the here central portion 130 of the membrane 106 is heated by the membrane heater here in the form of the lower electrode 116.
  • the two electrodes 114, 116 above and below the ion-conducting membrane 106 is by applying an electric current gas, in particular
  • the pressure changes, which can be measured by the bending of the membrane 106.
  • the lower electrode 116 has a meandering shape and is simultaneously used as a heater for the membrane 106. In this pumping of gas to the outside, a higher pumping current flow, so that a short regeneration time can be achieved until the start of a next measurement.
  • the pumping of the gas into the closed chamber 104 via the ion-conducting element 106 leads there to a pressure increase, over the
  • Pressure measuring element 118 is measured piezoelectric or piezoresistive. When measuring pumping current and pressure, the gas concentration is measured. In an advantageous mode of operation of the sensor 100, the gas is first pumped into the chamber 104 and then out of the chamber 104, and both processes are measured. This allows the function of the complete
  • Sensors 100 are monitored in the sense of a self-test.
  • the gas accumulates in the chamber 104 until with the pressure sensor 118, the amount of gas pumped into the chamber 104 can be determined with sufficient accuracy.
  • the gas in the interior 104 is then pumped outward again, this process with an integration of the pumping current, so the flow of pumped pump, provides additional information about the amount of gas previously accumulated in the chamber 104.
  • Sensor element 100 may be operated at ambient temperature or at a constant but only slightly above ambient temperature, e.g. B. on the heat dissipation from the heated membrane 106 or via a second heater.
  • the heating in the membrane 106 can also determine the presence of gas in the chamber 104 and possibly also on the basis of different behavior with temperature changes of its composition.
  • a pressure increase which can be measured with the sensor element 118.
  • a function check or integrity check of the sensor 100 can be carried out at the same time.
  • a defined increase in temperature must be at a defined, possibly previously determined via a calibration,
  • Heater for the membrane 106 used simultaneously as the lower electrode 116 This is here by the execution of the second electrically conductive layer 116 as a gas-permeable noble metal layer, for. B. of Pt or of a Pt-Rh alloy achieved.
  • the heatable second electrically conductive layer 116 is structured in a meandering shape and has the two electrical
  • connections 127, 132 can be used either for heating by connecting to the two terminals 127, 132 a
  • this metal layer 116 can be made very low, so that the applied Heating voltage is very small and compared to the counterelectrode formed here by the first electrically conductive layer 114 has a nearly constant potential. As a result, only slight charging or polarization effects are formed in the membrane 130 on the side 112, which leads to a smaller influence on the measuring accuracy.
  • Pulse width modulation method may be applied in the off-phase, a potential to the lower electrode 116 or a voltage applied to the lower electrode 116 potential can be measured.
  • all electrodes which are connected to the heated, ion-conducting layer 106 are switched to high impedance, in order to avoid charging or Polarrisations bine through potential differences to the heater 116 down.
  • the second electrically conductive layer 116 may be used exclusively as an electrode and a separate heater for heating the membrane 106 may be installed.
  • Fig. 2 shows a plan view of another embodiment of the
  • Device 100 for detecting a parameter of a gas As the
  • the substrate 102 of the exemplary embodiment shown in FIG. 2 has four cavities 104 which are formed in the substrate 102 in a square and uniformly spaced from one another. Each of the four cavities 104 is in turn covered by a first electrically conductive layer 114 and a second electrically conductive layer 116 having at least partially ion-conducting membrane 106.
  • a construction of each portion 104 of the device 100 having a cavity corresponds to that of the single-cavity embodiment shown in FIG. 1 and also comprises the same elements, with the difference that in the exemplary sensor 100 shown in FIG Assigned plurality of four here again designed as strain gauges pressure measuring elements 118.
  • Each of the four regions 104 of the device 100 having a cavity 104 forms, as it were, one of four identical sensor elements 200 of the sensor 100. As shown in Fig. 2, for each cavity 104 having portion of the sensor 100 centered on each of the four sides of the rectangular cavity 104 each have a pressure sensing element 118 at a junction between the membrane 106 and the insulating layer 122 of the substrate 102 and spaced from the respective electrically conductive layer 114.
  • strain gauges 118 arranged on opposite sides of the cavity 104 each have a common detection direction 202 marked by a directional arrow, which is transverse to a further common detection direction 204 of the other two on opposite sides of the cavity 104 marked by a directional arrow arranged strain gauge 118 extends.
  • the sensor 100 is suitable for use for the compensation of pressure fluctuations and for integrating measurements. This is realized by, for example, a first of
  • Sensor elements 200 z. B. measures only the ambient pressure, a second or a second and third of the sensor elements 200 offset by pumping time, but overlapping, measures the gas concentration or measure and a fourth of the sensor elements 200 is pumped empty. Ideally, the function of the sensor elements 200 will rotate after a certain time. In case of failure of one of the elements 200 can advantageously be further evaluated in an emergency operation.
  • one of the four sensor elements 200 or another sensor element can be used as a reference pressure sensor without pumping function. It can also have multiple or all of the sensor elements 200 have the same functionality in time-shifted operation, wherein z. B. a first of the sensor elements 200 gas in its chamber 104 pumps, a second of the sensor elements 200 is pumped empty in this time and a third of the sensor elements 200 as
  • Reference element for the fluctuating pressure in the outer space 108 is used.
  • - measuring elements at least the temperature and also an exhaust gas mass flow can be measured in order to be able to infer the actual flow mass of the exhaust gas and thus the gas concentration.
  • a pumping method for pumping gas through the membranes 106 and a pressure measuring method by means of the pressure measuring elements 118 can be increased. Due to the redundancy of the sensor elements 200 increases the reliability of the example used in the onboard diagnostics of a vehicle sensor 100. To a further increase in accuracy can also at least temporarily and or during a calibration some elements in a same mode (eg pure pressure measurement or pumps up to a certain pressure) so as to each time calibration parameters for each
  • an evaluation unit can respond appropriately, for. to issue a warning.
  • FIG. 2 exemplified redundant design of the device 100 with a plurality of smaller chambers 104 and sensors 200 offers in addition to the above-mentioned advantage that the individual elements 200 are operated alternately in regular operation, the possibility for a functional test of the sensor 100 the To be able to operate sensor elements 200 temporarily simultaneously.
  • the function check can take place by comparing the measurement results of the individual sensors 200 after the simultaneous operation.
  • stop elements for restricting the movement of the membrane 106 are also arranged in the cavities 104 in the embodiment 100 of the device 100 shown in FIG not visible in the illustration in FIG. 2).
  • the measuring system 300 comprises an exemplary embodiment of the device 100 explained with reference to FIG. 1 as well as an evaluation device 302 coupled to the device 100 and is used in a vehicle 304 for determining a noxious gas concentration in an exhaust gas 306 of the vehicle 304.
  • the vehicle 304 may be a road-bound vehicle such as a passenger car or a truck.
  • a line system 308 of the vehicle 304 is a partial flow of the gas or
  • the evaluation device 302 is coupled to the first layer of an electrically conductive material and / or the second layer of an electrically conductive material and / or the pressure measuring element of the device 100 (not explicitly shown in the illustration in FIG. 3) and designed to determine the pollutant gas concentration in the exhaust gas 306 based on at least one electrical potential of the first layer and / or the second layer and / or based on the gas pressure detected in the cavity of the device 100 by the pressure measuring element.
  • the measuring system 300 can be located at any position in the
  • Vehicle 304 for example, also far away from an engine compartment 310 of the vehicle 304th
  • the device 100 illustrated in FIGS. 1 to 3 may be a miniaturized combined gas and gas turbine based on MEMS technology
  • Pressure sensor act A production of the sensor 100 presented here takes place according to embodiments via a modified
  • Pressure sensor manufacturing process In the sensor manufacturing can under
  • B. YSZ high temperature method can be used, for.
  • 4 shows a flowchart of one embodiment of a method 400 for operating a device for detecting a parameter of a gas. The method 400 may be carried out to operate a sensor as presented with reference to FIGS. 1 to 3 discussed above.
  • a step 402 an electrical voltage is applied between a first layer and a second layer of electrically conductive material of the sensor to move gas through an ion-conducting membrane arranged between the first and the second layer from an outer space into a cavity of the sensor arranged below the membrane to pump.
  • a step 404 an electrical variable is detected at the first layer and / or the second layer and / or at a pressure measuring element of the sensor arranged on the membrane in order to detect the parameter of the gas.
  • the voltage is again applied between the first layer and the second layer to pump the gas through the membrane from the cavity into the outer space. This is followed by a step 408 of re-detecting the electrical quantity at the first layer and / or the second layer and / or at the first layer
  • Pressure measuring element to recapture the parameter of the gas.
  • the method 400 may be implemented as a
  • Pulse width modulation method are executed.
  • the step 402 of the application of the electrical voltage or the step 406 of the renewed application of the electrical voltage alternately with a step of
  • Main application option is a lambda probe
  • an exemplary embodiment comprises an "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Erfassen eines Parameters eines Gases. Die Vorrichtung (100) umfasst zumindest eine Kavität (104) zum Aufnehmen des Gases aus einem Außenraum (108), zumindest eine Membran (106) zum Trennen der Kavität (104) gegenüber dem Außenraum (108), wobei eine dem Außenraum (108) zugewandte erste Seite (110) der Membran (106) eine erste Lage (114) eines elektrisch leitfähigen Materials aufweist und eine der Kavität (104) zugewandte, der ersten Seite (110) gegenüberliegende, zweite Seite (112) der Membran (106) eine zweite Lage (116) eines elektrisch leitfähigen Materials aufweist, und wobei zumindest ein Abschnitt der Membran (106) ein ionenleitendes Material aufweist, und zumindest ein an der Membran (106) angeordnetes Druckmesselement (118) zum Erfassen eines Gasdrucks in der Kavität (104).

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung und Messsystem zum Bestimmen eines Parameters eines Gases
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, auf ein Messsystem zum Bestimmen eines Parameters eines Gases, ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm. Abgassensoren für die Detektion von Sauerstoff oder Stickoxiden sind derzeit fast ausschließlich in keramischer Technologie bzw. LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, Niedertemperatur- Einbrand- Keramiken) hergestellt. Aktive Schichten, die als lonenleiter verwendet werden, sind dabei meist aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) hergestellt und werden kombiniert mit weiteren Schichten, z. B. Aluminiumoxid-basierten Isolationsschichten oder leitfähigen Schichten, z. B. aus Pt, das über Metallpastendruck strukturiert und eingebrannt wird.
Es bestehen auch Konzepte zum Aufbau von feststoffelektrolytbasierten mikromechanischen Sensoren, bei denen die elektrischen Ströme proportional zu den ionischen Strömen durch den Elektrolyt sind.
Des weiteren sind Drucksensoren bekannt, die über eine verformbare Membran mit sehr hoher Auflösung kleine Differenzdrücke bzw. auch Absolutdrücke messen können, wobei bei der Absolutdruckmessung eine gasdichte Kavität mit einer konstanten, eingeschlossenen Gasmenge verwendet wird. Bekannte Prozesse für die Herstellung von Kavitäten, die sich unter anderem für die Verwendung in den Sensoren eignen würden, sind z. B. ein APSM-Prozess oder Prozesse basierend auf SOI.
Die DE 102004036032 AI offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines
Halbleiterbauelements, bei dem mittels einer ersten Epitaxieschicht, die auf einem Halbleiterträger aufgebracht wird, eine Membran oberhalb eines Bereichs im Halbleiterträger mit einer ersten Dotierung erzeugt wird und mittels einer zweiten Epitaxieschicht, die auf dem Halbleiterträger aufgebracht wird, ein strukturiertes Stabilisierungselement an dem Halbleiterträger angebracht wird.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine
Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, ein Messsystem zum Bestimmen eines Parameters eines Gases, ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein
entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Eine Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases mit einer Kavität zum Aufnehmen des Gases umfasst zwei Lagen eines elektrisch leitfähigen
Materials auf gegenüberliegenden Seiten einer die Kavität abdeckenden ionenleitenden Membran sowie ein an der Membran angeordnetes
Druckmesselement. So kann ein kombinierter Sensor bestehend aus einem Drucksensor und einem auf einer elektrischen Spannung zwischen den Lagen des elektrisch leitfähigen Materials basierenden Gassensor realisiert werden.
Eine gemäß dem hier vorgestellten Konzept aufgebaute Sensorvorrichtung erlaubt eine Verbesserung des Nachweises von Gasen, die mittels
ionenleitenden Materialien direkt und indirekt messbar sind, also z. B. Sauerstoff oder Schadgase wie Stickoxide, insbesondere im Abgas z. B. eines Fahrzeugs. In einer Weiterführung des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann insbesondere anstelle einer momentanen Messung von kleinen Gaskonzentrationen ein wenig Aufwand erfordernder über die Zeit integrierender Messmodus realisiert werden. Damit kann geltenden Abgasnormen Rechnung getragen werden, die anstelle einer Erfassung momentaner Konzentrationen integrierte Werte, z. B. die
Erfassung über eine bestimmte Fahrstrecke, fordern. Auch können in einer gemäß dem hier vorgeschlagenen Konzept realisierten Sensorvorrichtung elektrische Ströme zwischen den elektrisch leitfähigen Lagen eingesetzt werden, die keine Verstärkung und/oder Abschirmung erforderlich machen. Damit kann der Aufwand einer nachgeschalteten Messung wirksam verringert werden.
Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht ferner eine Reduzierung der
Leistungsaufnahme und der Aufheizzeit der Sensoren, beispielsweise, indem im Betrieb der Vorrichtung lediglich die ionenleitenden Schichten und nicht die Sensoren als Verbund über einen Heizer auf Betriebstemperatur zu bringen sind.
Durch ein damit mögliches sehr schnelles Hochheizen kann ein Einbauort der Sensoren frei gewählt werden, beispielsweise mit weiter Entfernung von für ein Gehäuse der Vorrichtung ungünstigen, hohen Abgastemperaturen eines
Fahrzeugmotors. Als weiterer Vorteil erlaubt in einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Konzepts die Verwendung einer der elektrisch leitfähigen
Lagen am ionenleitenden Element als Elektrode und als Heizerstruktur einen deutlich vereinfachten Aufbau mit geringeren Kosten und erhöhter
Zuverlässigkeit. Es wird eine Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: zumindest eine Kavität zum Aufnehmen des Gases aus einem Außenraum; zumindest eine Membran zum Trennen der Kavität gegenüber dem Außenraum, wobei eine dem Außenraum zugewandte erste Seite der Membran eine erste Lage eines elektrisch leitfähigen Materials aufweist und eine der Kavität zugewandte, der ersten Seite gegenüberliegende, zweite Seite der Membran eine zweite Lage eines elektrisch leitfähigen Materials aufweist, und wobei zumindest ein Abschnitt der Membran ein ionenleitendes Material aufweist; und zumindest ein an der Membran angeordnetes Druckmesselement zum Erfassen eines Gasdrucks in der Kavität. Bei der Vorrichtung kann es sich um eine Sensorvorrichtung zum Bestimmen einer Gaskonzentration, z. B. im Abgas eines Fahrzeugs, handeln. Dazu können ein oder mehrere Parameter des Gases erfasst werden, beispielsweise eine Größe eines zum Pumpen des Gases in die Kavität erforderlichen Pumpstroms und/oder ein Gasdruck des in der Kavität befindlichen Gases. Die zumindest eine Kavität kann in Form einer Wanne in einem Substrat zum Tragen einzelner
Elemente der Vorrichtung angelegt sein, beispielsweise durch einen an einer Oberfläche des Substrats ausgeführten Ätzvorgang. Der Außenraum kann ein außerhalb der Kavität liegendes Umfeld bezeichnen. Der Außenraum kann sich zwischen der Membran und einem Gehäuse der Vorrichtung oder darüber hinaus erstrecken. In dem Außenraum kann ein Umgebungsdruck herrschen. Die
Membran kann aus einem Material, das eine elastische Verformung erlaubt hergestellt und ausgebildet sein, um ansprechend auf einen Gasdruck im Inneren der Kavität eine Wölbung in Richtung des Außenraums auszubilden.
Insbesondere kann die Membran mittels des ionenleitenden Materials ausgebildet sein, um eine Diffusion des Gases zwischen dem Außenraum und der Kavität zuzulassen. Bei der ersten und zweiten Lage eines elektrisch leitfähigen Materials kann es sich um Metallschichten handeln, an die über an ihnen angeordnete elektrische Kontaktanschlüsse ein elektrisches Potenzial angelegt werden kann und/oder an denen über die Kontaktanschlüsse ein elektrisches Potenzial abgegriffen werden kann. Das Druckmesselement kann beispielsweise an der dem Außenraum zugewandten Seite der Membran angeordnet und ausgebildet sein, um den Gasdruck piezoelektrisch oder piezoresistiv zu erfassen. Beispielsweise kann es sich bei dem
Druckmesselement um einen Dehnmessstreifen handeln oder das
Druckmesselement kann einen Dehnmessstreifen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung können die erste Lage eines elektrisch leitfähigen Materials, die Membran und die zweite Lage eines elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet sein, um bei einer zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage anliegenden elektrischen Spannung das Gas durch die Membran zu pumpen. Alternativ oder zusätzlich können die erste Lage eines elektrisch leitfähigen Materials, die Membran und die zweite Lage eines elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet sein, um bei einer Diffusion des Gases durch die Membran eine elektrische Spannung zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage zu erzeugen. So kann ohne Weiteres mittels einer
Erfassung eines Pumpstroms zum Pumpen des Gases aus dem Außenraum in die Kavität und/oder aus der Kavität in den Außenraum und alternativ oder zusätzlich mittels eines Abgreifens einer auf der Diffusion des Gases
basierenden elektrischen Spannung auf eine Zusammensetzung des Gases geschlossen werden.
Insbesondere kann die erste Lage eines elektrisch leitfähigen Materials und/oder die zweite Lage eines elektrisch leitfähigen Materials ein gasdurchlässiges Edelmetall aufweisen. So kann eine Gasdurchlässigkeit der Membran bzw. des ionenleitenden Abschnitts der Membran vorteilhaft erhalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Lage eines elektrisch leitfähigen Materials und/oder die zweite Lage eines elektrisch leitfähigen Materials einen ersten elektrischen Kontaktanschluss und einen zweiten elektrischen Kontaktanschluss aufweisen und entsprechend ausgebildet sein, um basierend auf einem elektrischen Stromfluss zwischen dem ersten elektrischen Kontaktanschluss und dem zweiten elektrischen Kontaktanschluss zumindest einen Abschnitt der Membran zu beheizen. Eine für die Beheizung der Membran erforderliche Wärme kann durch ein Anlegen unterschiedlicher elektrischer Potenziale an den ersten und zweiten elektrischen Kontaktanschluss auf einfache Weise erzeugt werden. So kann auf ein Heizelement in der Vorrichtung verzichtet und damit Kosten und Bauraum gespart werden.
Insbesondere kann das Druckmesselement außerhalb des zu beheizenden Abschnitts der Membran angeordnet sein. So kann ohne Weiteres gewährleistet werden, dass eine Messfunktionalität des Druckmesselements nicht durch Temperaturschwankungen oder das Druckmesselement schädigende
Temperaturen beeinträchtigt werden kann. Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die erste Lage eines elektrisch leitfähigen Materials und/oder die zweite Lage eines elektrisch leitfähigen Materials mäanderförmig ausgebildet sein, beispielsweise einer zu der ersten und zweiten Seite der Membran im Wesentlichen parallelen Ebene
mäanderförmig verlaufen. Insbesondere kann die Lage eines elektrisch leitfähigen Materials, die für die Beheizung des Abschnitts der Membran eingesetzt wird, den mäanderförmigen Verlauf aufweisen. So kann auf einfache und robuste Weise zur optimalen Beheizung der Membran eine verlängerte Aufheizstrecke bereitgestellt werden. Zudem können bei einer Verwendung eines nicht gasdurchlässigen Materials für die Lagen eines elektrisch leitenden
Materials freiliegende Bereiche für einen Gasdurchtritt geschaffen werden.
Die Vorrichtung kann ein Anschlagelement zum Begrenzen einer Auslenkung der Membran aufweisen. Das Anschlagelement kann insbesondere auf einem Boden der Kavität angeordnet sein. Mit dieser Ausführungsform kann auf einfache und kostengünstige Weise eine Beschädigung der Membran vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung zumindest ein zweites Druckmesselement aufweisen. Das zweite Druckmesselement kann an einer von einer Position des Druckmesselements abweichenden weiteren Position an der Membran angeordnet sein. So kann durch die Erfassung des Gasdrucks an unterschiedlichen Positionen der Membran der in der Kavität herrschende Gasdruck noch genauer bestimmt werden. Insbesondere kann eine Erfassungsrichtung des Druckmesselements sich von einer Erfassungsrichtung des weiteren Druckmesselements unterscheiden. Bei der Erfassungsrichtung kann es sich um eine Richtung handeln, in der das Druckmesselement im Aufnehmen einer Messgröße eine physikalische und/oder chemische Änderung erfährt. Ist das Druckmesselement beispielsweise als ein Dehnmessstreifen ausgeführt, kann die Erfassungsrichtung einer Dehnungsrichtung des
Dehnmessstreifens entsprechen. Diese spezielle Weiterbildung dieser
Ausführungsform ermöglicht eine noch genauere Bestimmung des Gasdrucks.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die Vorrichtung zumindest eine weitere Kavität zum Aufnehmen des Gases aus einem Außenraum, zumindest eine weitere Membran zum Trennen der weiteren Kavität gegenüber dem Außenraum und zumindest ein weiteres an der Membran angeordnetes
Druckmesselement zum Erfassen eines Gasdrucks in der weiteren Kavität aufweisen. Dabei kann eine dem Außenraum zugewandte erste Seite der weiteren Membran eine weitere erste Lage eines elektrisch leitfähigen Materials aufweisen und eine der weiteren Kavität zugewandte, der ersten Seite gegenüberliegende, zweite Seite der weiteren Membran eine weitere zweite Lage eines elektrisch leitfähigen Materials aufweisen. Zumindest ein Abschnitt der weiteren Membran kann das ionenleitende Material aufweisen. Mit dieser Ausführungsform können zwei oder mehr Sensorelemente auf der Vorrichtung integriert werden. Indem die Sensorelemente unabhängig voneinander für den Messvorgang eingesetzt werden können, kann auf einfache Weise eine
Funktionsprüfung der einzelnen Sensorelemente durchgeführt werden.
Insbesondere ist auch durch einen zeitlich versetzten und/oder rotierenden Einsatz der einzelnen Sensorelemente ein über die Zeit integrierender Modus zum Erfassen des Gases realisierbar.
Es wird außerdem ein Messsystem zum Bestimmen eines Parameters eines Gases vorgestellt, wobei das Messsystem die folgenden Merkmale aufweist: die Vorrichtung gemäß einer der im Vorangegangenen erläuterten
Ausführungsformen; und eine Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung mit der ersten Lage eines elektrisch leitfähigen Materials und/oder der zweiten Lage eines elektrisch leitfähigen Materials und/oder dem Druckmesselement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um basierend auf zumindest einem elektrischen Potenzial der ersten Lage und/oder der zweiten Lage und/oder basierend auf dem von dem Druckmesselement erfassten Gasdruck in der Kavität den Parameter des Gases zu bestimmen.
Die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, um das Gas abwechselnd oder zeitgleich basierend auf dem elektrischen Potenzial und basierend auf dem Gasdruck zu bestimmen. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, um für eine zeitlich integrierende Messung die Bestimmung des Gases über einen vorbestimmten Zeitraum, beispielsweise eine Fahrt eines Fahrzeugs, wiederholt durchzuführen.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases vorgestellt, wobei die Vorrichtung zumindest eine Kavität zum Aufnehmen des Gases aus einem Außenraum, zumindest eine Membran zum Trennen der Kavität gegenüber dem Außenraum, wobei eine dem Außenraum zugewandte erste Seite der Membran eine erste Lage eines elektrisch leitfähigen Materials aufweist und eine der Kavität zugewandte, der ersten Seite gegenüberliegende, zweite Seite der Membran eine zweite Lage eines elektrisch leitfähigen Materials aufweist und zumindest ein Abschnitt der Membran ein ionenleitendes Material aufweist, und zumindest ein an der Membran angeordnetes Druckmesselement zum Erfassen eines Gasdrucks in der Kavität aufweist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage, um das Gas durch die Membran von dem Außenraum in die Kavität zu pumpen; und
Erfassen einer elektrischen Größe zumindest an der ersten Lage und/oder der zweiten Lage und/oder an dem Druckmesselement, um den Parameter des Gases zu erfassen.
Bei der elektrischen Größe, wird sie an der ersten Lage und/oder der zweiten Lage erfasst, kann es sich beispielsweise um eine elektrische Stromstärke eines Pumpstroms zum Pumpen des Gases durch die Membran handeln. Wird die elektrische Größe dem Druckmesselement erfasst, kann es sich bei dieser um eine aus einer elastischen Verformung des Druckmesselements basierenden elektrischen Spannung handeln.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren ferner einen Schritt des erneuten Anlegens der elektrischen Spannung zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage aufweisen, um das Gas durch die Membran aus der Kavität in den Außenraum zu pumpen, und entsprechend einen Schritt des erneuten Erfassens der elektrischen Größe zumindest an der ersten Lage und/oder der zweiten Lage und/oder an dem Druckmesselement aufweisen, um den Parameter des Gases erneut zu erfassen. Diese Ausführungsform ermöglicht auf einfache,
kostengünstige und flexible Weise eine über die Zeit integrierende Bestimmung des Gases bzw. einer Gaszusammensetzung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung als ein Pulsweitenmodulationsverfahren ausgeführt wird, wobei der Schritt des Anlegens der elektrischen Spannung zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage abwechselnd mit einem Schritt des Anlegens einer elektrischen Spannung über die erste Lage oder die zweite Lage zum Beheizen des
Abschnitts der Membran ausgeführt wird. So kann mittels des Verfahrens eine vorteilhafte kombinierte Beheizung der Membran und Messwertbestimmung des Gases mittels ein und desselben Vorrichtungselements durchgeführt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Messsystems zum Bestimmen eines
Parameters eines Gases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt in einer Prinzipdarstellung einen Querschnitt einer Vorrichtung 100 zum Erfassen eines Parameters eines Gases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise in einem Fahrzeug installiert und ausgebildet sein, um eine Konzentration von
Schadgasen im Abgas des Fahrzeugs zu erfassen. Damit kann die Vorrichtung 100 auch als eine Sensorvorrichtung bzw. ein Sensor bezeichnet werden. Die Vorrichtung 100 weist ein Substrat 102 auf, in dem eine Kammer bzw. Kavität 104 angelegt ist. Die Kavität 104 wird von einer Membran 106 abgedeckt. Damit trennt die Membran 106 die Kavität 104 von einem Außenraum 108. Eine erste Seite 110 der Membran 106 ist dem Außenraum 108 zugewandt, und eine der ersten Seite 110 gegenüberliegende, zweite Seite 112 der Membran 106 ist der Kavität 104 zugewandt. Die erste Seite 110 der Membran 106 weist eine erste Lage 114 eines elektrisch leitfähigen Materials auf, und die zweite Seite 112 der Membran 106 weist eine zweite Lage 116 eines elektrisch leitfähigen Materials auf. Beabstandet von der ersten Lage 114 eines elektrisch leitfähigen Materials ist ein Druckmesselement 118 zum Erfassen eines Gasdrucks in der Kavität 104 auf der ersten Seite 110 der Membran 106 angeordnet. Das Druckmesselement 118 bildet damit ein Drucksensorelement der Vorrichtung 100.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 ist das Substrat 102 aus Silizium gebildet. Es können alternativ auch andere für MEMS- Technologien geeignete Materialien verwendet werden. Neben der Bereitstellung der Kavität 104 dient das Substrat 102 u. a. als Träger insbesondere für die Membran 106 und das Druckmesselement 118. Das Druckmesselement 118 kann -hier nicht gezeigt- auch weitere für eine Druckmessung benötigte
Elemente beinhalten, z.B. einen Temperatursensor oder
temperaturkompensierende Elemente. Als Temperatursensor können aber auch weitere Elemente des Sensors genutzt werden, z.B. der Widerstand eines Heizers oder einer als Heizer ausgebildeten Lage 114 oder 116. Wie die
Darstellung in Fig. 1 zeigt, wurde die Kavität 104 aus einer Oberfläche bzw. Hauptseite 120 des Substrats 102 herausgearbeitet, beispielsweise mittels eines Ätzprozesses. Ein die Kavität 104 umgebender Bereich der Oberfläche 120 des Substrats 102 ist von einer Isolationsschicht 122 abgedeckt. Wie der Querschnitt der Vorrichtung 100 in Fig. 1 zeigt, ist die Kavität 104 als eine quaderförmige Wanne mit planem rechteckigem Boden 124 und einer rechtwinklig zu dem Boden 124 verlaufenden Wandung 126 ausgebildet. Die Kavität 104 ist flach ausgeformt, indem Abmessungen des Bodens 124 eine Höhe der Wandung 126 übersteigen.
Idealerweise ist die Kammer 104 so flach wie möglich ausgeführt, um
geringem Volumen gleichzeitig eine große Fläche der Membran 106 beaufschlagen zu können. Damit können bereits geringe Mengen von gepumptem Gas hohe Druckänderungen erzielen. Die Höhe der Kammerwand 126 ist allerdings nach unten begrenzt, da mit zu geringem Abstand der geheizten Membran 106 zum Kammerboden 124 hier auch eine
Wärmeübertragung stattfinden würde. Da das Verhältnis von Fläche zu Volumen der Kammer 106 sich nur über die Höhe der Kammer 104 bestimmt, kann eine Miniaturisierung der Kammer 104 und eine Anpassung an geometrische
Erfordernisse des Drucksensors 118 erfolgen. Die Mindestgröße der Kammer bzw. Kavität 104 kann des weiteren über Zuverlässigkeitsaspekte festgelegt werden, beispielsweise eine erforderliche Mindestgröße für ein Pumpelement, um eine Funktion auch bei Ablagerungen sicherzustellen.
Die Membran 106 weist eine dem Boden 124 der Kavität 104 entsprechende Rechteckform auf, wobei Abmessungen der Membran 106 größer als die Abmessungen des Bodens 124 der Kavität 104 sind. Wie die Darstellung in Fig.
1 zeigt, ist ein umlaufender Randbereich der Membran 106 auf einem die Kavität 104 umlaufenden Randbereich des Substrats 102 an der Isolationsschicht 122 des Substrats 102 fixiert und trennt so die Kavität 104 von dem Außenraum 108. Die Membran 106 ist aus einem elastischen Material gebildet und kann sich ansprechend auf einen in der Kavität 104 gegenüber dem Außenraum 108 herrschenden Druck in Richtung der Kavität 104 und in Richtung des
Außenraums 108 wölben. Zum Zulassen eines Transports des Gases durch die Membran 106 weist zumindest ein Abschnitt der Membran 106 ein
ionenleitendes Material auf. Die Lagen 114, 116 sind deckungsgleich mittig an den jeweiligen Seiten 110, 112 der Membran 106 parallel zu einer Ebene, in der sich die Membran 106 erstreckt, positioniert. Die Lagen 114, 116 weisen in der Ebene der Membran 106 geringere Abmessungen als die Membran 106 uns insbesondere als die Kavität 104 auf und sind damit von dem Substrat 102 beabstandet.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste Lage 114 und die zweite Lage 116 eines elektrisch leitfähigen Materials aus einem
gasdurchlässigen Edelmetall gebildet. Dies ist für die Funktion der Vorrichtung 100 jedoch nicht zwingend erforderlich. Es können gemäß
Ausführungsbeispielen auch andere Metalle und/oder gasdurchlässige Stoffe sowie Nichtmetalle für die Lagen 114, 116 verwendet werden. Bei der in Fig. 1 gezeigten beispielhaften Vorrichtung 100 werden die erste Lage 114 und die zweite Lage 116 eines elektrisch leitfähigen Materials als Elektroden zum Erzeugen eines Pumpstroms zum Pumpen von Gas durch die Membran 106 aus dem Außenraum 108 in die Kavität 104 und/oder aus der Kavität 104 in den Außenraum 108 eingesetzt. Für ein Anlegen eines elektrischen Potenzials an die erste Lage 114 und die zweite Lage 116 weisen beide Lagen 114, 116 je zumindest einen elektrischen Kontaktanschluss 127 auf. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 100 unter Einsatz der Lagen 114, 116 in der o. g. Ausführung ausgebildet, um bei einer Diffusion des Gases durch die Membran 106 eine elektrische Spannung zwischen der ersten Lage 114 und der zweiten Lage 116 zu erzeugen.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 ist das Druckmesselement 118 als ein Dehnmessstreifen ausgeführt und ausgebildet, um basierend auf einer elastischen Verformung der Membran 106 infolge eines auf dem Pumpstrom basierenden Gastransports in die Kavität 104 oder aus der Kavität 104 eine elektrische Spannung zu erzeugen. Zum Begrenzen einer Auslenkung der Membran 106 in Richtung der Kavität 104 weist das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 ein Anschlagelement 128 auf. Das Anschlagelement 128 ist bei dem in der Darstellung gezeigten
Ausführungsbeispiel in Form einer sich in Richtung der Membran 106
erstreckenden Säule mittig auf dem Boden 124 der Kavität 104 angeordnet. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen der die - in der Darstellung - untere Elektrode bildenden zweiten Lage 116 und dem Substrat 102 kann das
Anschlagelement 128 wie die Isolationsschicht 122 ein elektrisch isolierendes Material aufweisen. Alternativ kann das Anschlagelement auf leitfähig ausgeführt werden, so dass bei einem Kontakt zwischen der leitfähigen Schicht 116 und dem Anschlagelement 128 z.B. der Pumpvorgang unterbrochen wird. Alternativ kann die Kavität auch so hergestellt werden, dass im normalen Betrieb des Sensors ein Kontakt zwischen 116 und 128 vorliegt und dass aufgrund eines unzulässig hohen Innendrucks ein Aufwölben der Membran zu einer
detektierbaren Unterbrechung führt. Durch eine Korrelation der Signale des oder der Druckmesselemente und des Kontaktes mit einem elektrisch leitfähigen Anschlagelementes kann auch eine Funktionsdetektion oder eine Kalibrierung der Druckmesselemente stattfinden.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 ist die zweite bzw. untere Lage 116 des elektrisch leitfähigen Materials in einer zu der Ebene der Membran 106 parallelen Ebene mäanderförmig ausgebildet und wird hier zusätzlich als ein Heizelement zum Beheizen eines zwischen den Lagen 114, 116 liegenden Abschnitts 130 der Membran 106 eingesetzt. Zum Erzeugen eines für die Heizfunktion erforderlichen elektrischen Stromflusses durch die zweite Lage 116 weist diese einen zweiten elektrischen Kontaktanschluss 132 auf. Wie die Darstellung in Fig. 1 zeigt, ist das Druckmesselement 118 außerhalb des zu beheizenden Abschnitts 130 der Membran 106 angeordnet.
Der in Fig. 1 gezeigte beispielhafte Sensor 100 umfasst die Membran 106, die den Innenraum bzw. die Kavität 104 und gemäß Ausführungsbeispielen weitere Innenräume 104 in Form einer geschlossenen oder begrenzt diffusionsoffenen Kavität und den Außenraum 108 abteilt, sowie das Element 106 aus
ionenleitendem Material, das zwischen dem Innenraum 104 und dem
Außenraum 108 angeordnet ist. Mindestens der Teil 130 der Membran 106 aus ionenleitfähigem Material ist geheizt ausgeführt. Der Dehnmessstreifen 118 ist außerhalb des beheizten Bereiches 130 der Membran 106 angeordnet. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 100 noch weitere Dehnmessstreifen 118 aufweisen, die an von einer Position des ersten Dehnmessstreifens 118 abweichenden weiteren Positionen an der Membran 106 angeordnet sein können.
Über das ionenleitende Element in Form der Membran 106 wird das Gas bzw. eine Mehrzahl von Gasen definiert aus dem Außenraum 108 in den Innenraum bzw. die Kavität 104 des Sensors 100 bewegt und/oder umgekehrt. Dieses „Pumpen" von Gas liefert Druckunterschiede zwischen dem Innenraum 104 und dem Außenraum 108, die von dem Drucksensor 118 hier in Form des
Dehnmessstreifens erfasst werden. Bei Erfassung des Pumpstroms und/oder des Druckes lässt sich die Gaskonzentration errechnen. Werden beide
Parameter gleichzeitig erfasst, wird die Funktionalität und Genauigkeit der Vorrichtung 100 vorteilhaft erweitert bzw. im Sinne eines eingebauten Selbsttests vorteilhaft überprüft.
Im in Fig. 1 gezeigten Querschnitt eines beispielhaften Aufbaus des Sensors 100 ist die Kavität 104 durch die Membran 106 abgedeckt. Die Verbiegung der
Membran 106 wird durch das Messelement 118 z. B. piezoelektrisch oder piezoresistiv erfasst. Der hier mittige Abschnitt 130 der Membran 106 wird durch den Membranheizer hier in Form der unteren Elektrode 116 geheizt. Durch die zwei Elektroden 114, 116 oberhalb und unterhalb der ionenleitenden Membran 106 wird durch Anlegen eines elektrischen Stromes Gas, insbesondere
Sauerstoff in und aus der Kavität 104 gepumpt. Dabei ändert sich der Druck, was durch die Verbiegung der Membran 106 gemessen werden kann. Im in Fig. 1 beispielhaft gezeigten Aufbau der Vorrichtung bzw. des Sensors 100 ist die untere Elektrode 116 mäanderförmig ausgeführt und wird gleichzeitig als Heizer für die Membran 106 verwendet. Bei diesem Pumpen von Gas nach außen kann ein höherer Pumpstrom fließen, so dass eine kurze Regenerationszeit bis zum Beginn einer nächsten Messung erreicht werden kann.
Das Pumpen des Gases in die abgeschlossene Kammer 104 über das ionenleitende Element 106 führt dort zu einer Druckerhöhung, die über das
Druckmesselement 118 piezoelektrisch oder piezoresistiv gemessen wird. Bei der Erfassung von Pumpstrom und Druck wird die Gaskonzentration gemessen. In einem vorteilhaften Betriebsmodus des Sensors 100 wird das Gas zuerst in die Kammer 104 und anschließend aus der Kammer 104 heraus gepumpt, und beide Vorgänge werden gemessen. Dadurch kann die Funktion des kompletten
Sensors 100 im Sinne eines Selbsttests überwacht werden. Alternativ kann auch über einen längeren, zeitlich genau definierten oder gemessenen Zeitraum, Gas, das nur mit geringer Konzentration im Außenraum 108 vorliegt, mit kleinem nur schwer messbarem Strom in die Kavität 104 gepumpt werden. Dabei sammelt sich das Gas in der Kammer 104, bis mit dem Drucksensor 118 die Menge des in die Kammer 104 gepumpten Gases mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann. Vor einem erneuten Messvorgang wird dann das im Innenraum 104 befindliche Gas wieder nach außen gepumpt, wobei dieser Vorgang bei einer Integration des Pumpstroms, also der geflossenen Pumpladung, zusätzliche Informationen über die zuvor in der Kammer 104 angesammelte Gasmenge liefert.
Bei dem hierin vorgeschlagenen Konzept eines Abgassensors muss nur das ionenleitende Material auf eine hohe Temperatur gebracht werden. Da hier die ionenleitenden Eigenschaften nur auf der Membran 106 oder Teilen davon benötigt werden, kann eine sehr leistungssparende Heizung realisiert werden. Bei dem so nur teilgeheizten Sensor 100 bzw. der teilgeheizten Dünnschicht- Membran 106 ist die Leistungsaufnahme insbesondere im Vergleich zu konventionellen, keramischen Abgassensoren drastisch niedriger. Das restliche
Sensorelement 100 kann bei Umgebungstemperatur oder bei einer konstanten, aber nur leicht über der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur betrieben werden, z. B. über die Wärmeabführung aus der geheizten Membran 106 oder über eine zweite Heizung. Durch die Heizung in der Membran 106 lässt sich außerdem die Anwesenheit von Gas in der Kammer 104 und gegebenenfalls auch anhand unterschiedlichen Verhaltens bei Temperaturänderungen dessen Zusammensetzung bestimmen. Bei Anwesenheit von Gas in der Kammer 104 erfolgt bei Heizung durch die Membran 106 eine Druckerhöhung, die mit dem Sensorelement 118 gemessen werden kann. Durch die Heizung kann damit gleichzeitig eine Funktionskontrolle bzw. Integritätskontrolle des Sensors 100 durchgeführt werden. Eine definierte Temperaturerhöhung muss dabei zu einer definierten, gegebenenfalls vorher über eine Kalibrierung festgelegten,
Druckerhöhung führen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 wird der
Heizer für die Membran 106 gleichzeitig als die untere Elektrode 116 verwendet. Dies wird hier durch die Ausführung der zweiten elektrisch leitfähigen Lage 116 als eine gasdurchlässige Edelmetalllage, z. B. aus Pt oder aus einer Pt-Rh- Legierung, erreicht. Die heizfähige zweite elektrisch leitfähige Lage 116 ist in einer mäandrierenden Form strukturiert und weist die zwei elektrischen
Anschlüsse 127, 132 auf. Damit kann die Lage 116 entweder für die Beheizung verwendet werden, indem an die beiden Anschlüsse 127, 132 ein
unterschiedliches Potenzial angelegt wird, oder als Elektrode, indem an beide Anschlüsse 127, 132 das gleiche Potenzial angelegt wird. Für Pumpzwecke kann diese Metalllage 116 sehr niederohmig gestaltet werden, sodass die angelegte Heizspannung nur sehr klein ist und im Vergleich zur hier durch die erste elektrisch leitfähige Lage 114 gebildete Gegenelektrode ein nahezu konstantes Potenzial aufweist. Dadurch bilden sich in der Membran 130 auf der Seite 112 nur geringe Aufladungs- oder Polarisationseffekte, was zu einer geringeren Beeinflussung der Messgenauigkeit führt.
Im Betriebsmodus einer Beheizung der Membran 106 durch ein
Pulsweitenmodulationsverfahren kann in der Aus-Phase ein Potenzial an die untere Elektrode 116 angelegt werden oder ein an der unteren Elektrode 116 anliegendes Potenzial gemessen werden. Vorteilhafterweise werden während der Spannungsbeaufschlagung des Heizers 116 alle Elektroden, die mit der beheizten, ionenleitenden Schicht 106 verbunden sind, hochohmig geschaltet, um Aufladungs- oder Poalrisationseffekte durch Potenzialunterschiede zum Heizer 116 hin zu vermeiden.
Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann die zweite elektrisch leitfähige Lage 116 ausschließlich als Elektrode eingesetzt werden und ein separater Heizer zum Beheizen der Membran 106 installiert sein.
Fig. 2 zeigt anhand einer Aufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung 100 zum Erfassen eines Parameters eines Gases. Wie die
Darstellung zeigt, weist das Substrat 102 der in Fig. 2 gezeigten beispielhaften Ausführung vier Kavitäten 104 auf, die im Quadrat und gleichmäßig voneinander beabstandet in dem Substrat 102 ausgebildet sind. Jede der vier Kavitäten 104 ist wiederum von einer eine erste elektrisch leitfähige Schicht 114 und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 116 aufweisenden zumindest abschnittsweise ionenleitenden Membran 106 abgedeckt. Ein Aufbau jedes eine Kavität 104 aufweisenden Abschnitts der Vorrichtung 100 entspricht dem des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels mit nur einer Kavität und umfasst auch die gleichen Elemente, mit dem Unterschied, dass bei dem in Fig. 2 gezeigten exemplarischen Sensor 100 jeder Kavität 104 eine Mehrzahl von vier hier wieder als Dehnmessstreifen ausgeführten Druckmesselementen 118 zugeordnet ist. Jeder der vier eine Kavität 104 aufweisenden Bereiche der Vorrichtung 100 bildet gleichsam eines von vier identischen Sensorelementen 200 des Sensors 100. Wie die Darstellung in Fig. 2 zeigt, ist für jeden eine Kavität 104 aufweisenden Bereich des Sensors 100 mittig an jeder der vier Seiten der rechteckigen Kavität 104 je ein Druckmesselement 118 an einem Übergang zwischen der Membran 106 und der Isolationsschicht 122 des Substrats 102 und beabstandet von der jeweiligen elektrisch leitfähigen Schicht 114 angeordnet. Entsprechend dieser Anordnung weisen jeweils zwei an gegenüberliegenden Seiten der Kavität 104 angeordnete Dehnmessstreifen 118 eine mittels eines Richtungspfeils in der Darstellung gekennzeichnete gemeinsame Erfassungsrichtung 202 auf, die quer zu einer mittels eines Richtungspfeils gekennzeichneten weiteren gemeinsamen Erfassungsrichtung 204 der jeweils anderen zwei an gegenüberliegenden Seiten der Kavität 104 angeordneten Dehnmessstreifen 118 verläuft.
Der Sensor 100, wie er beispielhaft in Fig. 2 gezeigt ist, eignet sich für einen Einsatz zur Kompensation von Druckschwankungen und für integrierende Messungen. Dies wird realisiert, indem beispielsweise ein erstes der
Sensorelemente 200 z. B. ausschließlich den Umgebungsdruck misst, ein zweites oder ein zweites und drittes der Sensorelemente 200 durch Pumpen zeitlich versetzt, aber überlappend, die Gaskonzentration misst bzw. messen und ein viertes der Sensorelemente 200 leergepumpt wird. Idealerweise rotiert die Funktion der Sensorelemente 200 nach einer bestimmten Zeit. Bei einem Ausfall eines der Elemente 200 kann vorteilhafterweise in einem Notbetrieb immer noch weitergemessen werden.
Um die Genauigkeit zu erhöhen, und um Schwankungen im Druck des
Außenraums 108 kompensieren zu können, kann gemäß Ausführungsbeispielen eines der vier Sensorelemente 200 oder ein weiteres Sensorelement als ein Referenzdrucksensor ohne Pumpfunktion verwendet werden. Es können auch mehrere oder alle der Sensorelemente 200 eine gleiche Funktionalität im zeitversetzten Betrieb aufweisen, wobei z. B. ein erstes der Sensorelemente 200 Gas in seine Kammer 104 pumpt, ein zweites der Sensorelemente 200 in dieser Zeit leergepumpt wird und ein drittes der Sensorelemente 200 als
Referenzelement für den schwankenden Druck im Außenraum 108 verwendet wird. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann mittels weiteren - in den Figuren nicht gezeigten - Messelementen mindestens die Temperatur und auch ein Abgasmassenfluss gemessen werden, um auf die tatsächliche Flussmasse des Abgases und damit die Gaskonzentration schließen zu können.
Durch die in Fig. 2 exemplarisch vorgestellte Kombination mehrerer einzelner Sensoren bzw. Sensorelemente 200 in der Vorrichtung 100 kann die Genauigkeit einer Messung durch gegenseitigen Abgleich der Einzelelemente 200 z. B. über ein Pumpverfahren zum Pumpen von Gas durch die Membranen 106 und ein Druckmessverfahren mittels der Druckmesselemente 118 gesteigert werden. Durch die Redundanz der Sensorelemente 200 steigt die Ausfallssicherheit des beispielsweise in der Onboard- Diagnostik eines Fahrzeugs eingesetzten Sensors 100. Zu einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit können dabei auch zumindest zeitweise und oder während einer Kalibration einige Elemente in einer gleichen Betriebsart (z.B. reine Druckmessung oder Pumpen bis zu einem bestimmten Druck) verwendet werden, um so jeweils Kalibrationsparameter für jede
Betriebsart und für jedes Sensorelement relativ zu den anderen Elementen zu bestimmen und in einem Speicher einer Auswerteeinrichtung 302 (siehe Fig. 3) abzulegen. Bei einem späteren Einsatz können zur Kontrolle der
Funktionsfähigkeit wiederum Abweichungen der Sensorelemente zueinander festgestellt werden und bei einem unzulässigen Ausmaß der Abweichungen kann eine Auswerteeinheit geeignet reagieren, z.B. eine Warnung ausgeben.
Die in Fig. 2 beispielhafte vorgestellte redundante Ausführung der Vorrichtung 100 mit mehreren kleineren Kammern 104 bzw. Sensoren 200 bietet neben dem oben erläuterten Vorteil, dass die einzelnen Elemente 200 im regulären Betrieb abwechselnd betrieben werden, die Möglichkeit, für eine Funktionsprüfung des Sensors 100 die Sensorelemente 200 temporär auch gleichzeitig betreiben zu können. Die Funktionskontrolle kann stattfinden, indem nach dem gleichzeitigen Betrieb die Messergebnisse der einzelnen Sensoren 200 miteinander verglichen werden. Um auch bei sehr geringem Innendruck eines oder aller Sensorelemente 200 nach Leerpumpen eine mechanische Belastung der Membran 106 zu verringern, sind auch bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 in den Kavitäten 104 Anschlagelemente zur Beschränkung der Bewegung der Membran 106 angeordnet (in der Darstellung in Fig. 2 nicht zu sehen). Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines beispielhaften Messsystems 300 zum Bestimmen eines Parameters eines Gases. Das Messsystem 300 umfasst ein Ausführungsbeispiel der anhand der Fig. 1 erläuterten Vorrichtung 100 sowie eine mit der Vorrichtung 100 gekoppelte Auswerteeinrichtung 302 und kommt in einem Fahrzeug 304 zum Bestimmen einer Schadgaskonzentration in einem Abgas 306 des Fahrzeugs 304 zum Einsatz.
Bei dem Fahrzeug 304 kann es sich um ein straßengebundenes Fahrzeug wie einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen handeln. Über ein Leitungssystem 308 des Fahrzeugs 304 wird ein Teilstrom des Gases bzw.
Abgases 306 abgezweigt und zu dem Messsystem 300 geleitet, um den Sensor 100 mit dem Gas 306 zu beaufschlagen. Die Auswerteeinrichtung 302 ist je nach Ausführung des Messsystems 300 mit der ersten Lage eines elektrisch leitfähigen Materials und/oder der zweiten Lage eines elektrisch leitfähigen Materials und/oder dem Druckmesselement der Vorrichtung 100 gekoppelt (in der Darstellung in Fig. 3 nicht explizit gezeigt) und ausgebildet, um basierend auf zumindest einem elektrischen Potenzial der ersten Lage und/oder der zweiten Lage und/oder basierend auf dem von dem Druckmesselement erfassten Gasdruck in der Kavität der Vorrichtung 100 die Schadgaskonzentration im Abgas 306 zu bestimmen. Das Messsystem 300 kann an beliebiger Position im
Fahrzeug 304 angeordnet sein, beispielsweise auch weit entfernt von einem Motorraum 310 des Fahrzeugs 304.
Bei der in den Figuren 1 bis 3 illustrierten Vorrichtung 100 kann es sich um einen auf der MEMS-Technologie basierenden miniaturisierten kombinierten Gas- und
Drucksensor handeln. Eine Herstellung des hierin vorgestellten Sensors 100 erfolgt gemäß Ausführungsbeispielen über einen modifizierten
Drucksensorherstellungsprozess. Bei der Sensorherstellung kann unter
Verwendung eines APSM-Prozesses die Freistellung der aus porösem Material gebildeten Kavität 104 bereits beim Aufbringen des ionenleitenden Materials 106 und eines nachfolgenden Temperns erfolgen, insbesondere wenn für das Aufbringen oder das Tempern des ionenleitenden Materials 106 wie z. B. YSZ Verfahren mit hoher Temperatur eingesetzt werden, z. B. Pulsed-Laser- Deposition mit Abscheidetemperaturen von z.B. 800 °C oder nachfolgende Temperschritte mit ähnlichen oder noch höheren Temperaturen. Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zum Betreiben einer Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases. Das Verfahren 400 kann zum Betreiben eines Sensors, wie er anhand der im Vorhergehenden erläuterten Figuren 1 bis 3 vorgestellt wurde, ausgeführt werden.
In einem Schritt 402 wird eine elektrische Spannung zwischen einer ersten Lage und einer zweiten Lage eines elektrisch leitfähigen Materials des Sensors angelegt, um Gas durch eine zwischen der ersten und der zweiten Lage angeordnete ionenleitende Membran von einem Außenraum in eine unterhalb der Membran angeordnete Kavität des Sensors zu pumpen. In einem Schritt 404 wird an der ersten Lage und/oder der zweiten Lage und/oder an einem an der Membran angeordneten Druckmesselement des Sensors eine elektrische Größe erfasst, um den Parameter des Gases zu erfassen. In einem Schritt 406 wird die elektrische Spannung erneut zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage angelegt, um das Gas durch die Membran aus der Kavität in den Außenraum zu pumpen. Es folgt ein Schritt 408 des erneuten Erfassens der elektrischen Größe an der ersten Lage und/oder der zweiten Lage und/oder an dem
Druckmesselement, um den Parameter des Gases erneut zu erfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren 400 als ein
Pulsweitenmodulationsverfahren ausgeführt werden. Dabei kann der Schritt 402 des Anlegens der elektrischen Spannung bzw. der Schritt 406 des erneuten Anlegens der elektrischen Spannung abwechselnd mit einem Schritt des
Anlegens einer elektrischen Spannung über die erste Lage oder die zweite Lage zum Beheizen der Membran ausgeführt werden.
Eine gemäß dem hier vorgestellten Konzept aufgebaute auf ionenleitendem Material basierende Drucksensor-Sensor- Kombination eignet sich für eine
Verwendung als chemischer Gassensor, insbesondere als Abgassensor für Kraftfahrzeuge, und für stationäre Anwendungen. Eine
Hauptanwendungsmöglichkeit bietet ein Einsatz als Lambdasonde,
gegebenenfalls mit alternativem Aufbau auch für eine Erfassung von weiteren Abgaskomponenten wie Stickoxiden. Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (100) zum Erfassen eines Parameters eines Gases (306), wobei die Vorrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: zumindest eine Kavität (104) zum Aufnehmen des Gases (306) aus einem Außenraum (108); zumindest eine Membran (106) zum Trennen der Kavität (104) gegenüber dem Außenraum (108), wobei eine dem Außenraum (108) zugewandte erste Seite (110) der Membran (106) eine erste Lage (114) eines elektrisch leitfähigen Materials aufweist und eine der Kavität (104) zugewandte, der ersten Seite (110) gegenüberliegende, zweite Seite (112) der Membran (106) eine zweite Lage (116) eines elektrisch leitfähigen Materials aufweist, und wobei zumindest ein Abschnitt der Membran (106) ein ionenleitendes Material aufweist; und zumindest ein an oder in der Membran (106) angeordnetes
Druckmesselement (118) zum Erfassen eines Gasdrucks in der Kavität (104), insbesondere wobei das Druckmesselement (118) auch eine Temperaturmesseinrichtung beinhalten kann.
2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (114), die Membran (106) und die zweite Lage (116) ausgebildet sind, um bei einer zwischen der ersten Lage (114) und der zweiten Lage (116) anliegenden elektrischen Spannung das Gas (306) durch die Membran (106) zu pumpen und/oder ausgebildet sind, um bei einer Diffusion des Gases (306) durch die Membran (106) eine elektrische Spannung zwischen der ersten Lage (114) und der zweiten Lage (116) zu erzeugen. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (114) und/oder die zweite Lage (116) einen ersten elektrischen Kontaktanschluss (127) und einen zweiten elektrischen Kontaktanschluss (132) aufweist und ausgebildet ist, um basierend auf einem elektrischen Stromfluss zwischen dem ersten elektrischen Kontaktanschluss (127) und dem zweiten elektrischen Kontaktanschluss (132) zumindest einen Abschnitt (130) der Membran (106) zu beheizen.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmesselement (118) außerhalb des zu beheizenden Abschnitts (130) der Membran (106) angeordnet ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (114) und/oder die zweite Lage (116) mäanderförmig angeordnet ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) ein
Anschlagelement (128) zum Begrenzen einer Auslenkung der Membran (106) aufweist, insbesondere wobei das Anschlagelement (128) auf einem Boden (124) der Kavität (104) angeordnet ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) zumindest ein zweites Druckmesselement (118) aufweist, das an einer von einer Position des Druckmesselements (118) abweichenden weiteren Position an der Membran (106) angeordnet ist, insbesondere wobei eine Erfassungsrichtung des Druckmesselements (118) sich von einer Erfassungsrichtung des weiteren Druckmesselements (118)
unterscheidet.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) zumindest eine weitere Kavität (104) zum Aufnehmen des Gases (306) aus dem Außenraum (108), zumindest eine weitere Membran (106) zum Trennen der weiteren Kavität (104) gegenüber dem Außenraum (108) und zumindest ein weiteres an der Membran (106) angeordnetes
Druckmesselement (118) zum Erfassen eines Gasdrucks in der weiteren Kavität (104) aufweist, wobei eine dem Außenraum (108) zugewandte erste Seite der weiteren Membran (106) eine weitere erste Lage (114) aufweist und eine der weiteren Kavität (104) zugewandte, der ersten Seite gegenüberliegende, zweite Seite der weiteren Membran (106) eine weitere zweite Lage aufweist, und wobei zumindest ein Abschnitt der weiteren Membran (106) das ionenleitende Material aufweist.
Messsystem (300) zum Bestimmen eines Parameters eines Gases (306), wobei das Messsystem (300) die folgenden Merkmale aufweist: die Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und eine Auswerteeinrichtung (302), wobei die Auswerteeinrichtung (302) mit der ersten Lage (114) und/oder der zweiten Lage (116) und/oder dem Druckmesselement (118) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um basierend auf zumindest einem elektrischen Potenzial der ersten Lage (114) und/oder der zweiten Lage (116) und/oder basierend auf dem von dem Druckmesselement (118) erfassten Gasdruck in der Kavität (104) den Parameter des Gases (306) zu bestimmen.
Verfahren (400) zum Betreiben einer Vorrichtung (100) zum Erfassen eines Parameters eines Gases (306), wobei die Vorrichtung (100) zumindest eine Kavität (104) zum Aufnehmen des Gases (306) aus einem Außenraum (108), zumindest eine Membran (106) zum Trennen der Kavität (104) gegenüber dem Außenraum (108), wobei eine dem Außenraum (108) zugewandte erste Seite (110) der Membran (106) eine erste Lage (114) aufweist und eine der Kavität (104) zugewandte, der ersten Seite (110) gegenüberliegende, zweite Seite (112) der Membran (106) eine zweite Lage (116) aufweist und zumindest ein Abschnitt der Membran (106) ein ionenleitendes Material aufweist, und zumindest ein an der Membran (106) angeordnetes Druckmesselement (118) zum Erfassen eines Gasdrucks in der Kavität (104) aufweist, und wobei das Verfahren (400) die folgenden Schritte aufweist:
Anlegen (402) einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Lage (114) und der zweiten Lage (116), um das Gas (306) durch die
Membran (106) von dem Außenraum (108) in die Kavität (104) zu pumpen; und
Erfassen (404) einer elektrischen Größe zumindest an der ersten Lage (114) und/oder der zweiten Lage (116) und/oder an dem
Druckmesselement (118), um den Parameter des Gases (306) zu erfassen.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (400) ferner einen Schritt des erneuten Anlegens (406) der elektrischen Spannung zwischen der ersten Lage (114) und der zweiten Lage (116) aufweist, um das Gas (306) durch die Membran (106) aus der Kavität (104) in den Außenraum (108) zu pumpen, und einen Schritt des erneuten Erfassens (408) der elektrischen Größe zumindest an der ersten Lage (114) und/oder der zweiten Lage (116) und/oder an dem Druckmesselement (118) aufweist, um den Parameter des Gases (306) erneut zu erfassen.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verfahren (400) zum Betreiben der Vorrichtung (100) als ein Pulsweitenmodulationsverfahren ausgeführt wird, wobei der Schritt des Anlegens (400) der elektrischen Spannung zwischen der ersten Lage (114) und der zweiten Lage (116)
abwechselnd mit einem Schritt des Anlegens einer elektrischen
Spannung über die erste Lage (114) oder die zweite Lage (116) zum Beheizen des Abschnitts (130) der Membran (106) ausgeführt wird.
Vorrichtung (100), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (400) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche durchzuführen. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (400) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.
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