JP4243540B2 - 加熱エレメントにより取り囲まれたセンサエレメントを備えたセンサ構成素子 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載のセンサ構成素子、及び請求項１２の上位概念部に記載のセンサ構成素子によりガスの伝導率を測定する方法に関する。

センサ構成素子は種々異なる技術分野で使用されており、特にガス分析のためのガスの熱伝導率を測定するために使用される。ガスの熱伝導率を測定するためには、加熱されたボディが使用され、このボディの熱損失の大部分は周囲のガスへの熱導出により測定されている。それ故、一定不変の温度に保持されるようにするために、加熱されたボディに必要な加熱出力は、周囲のガスの熱伝導率の直接の大きさである。

可能な加熱されるボディとしてとりわけ使用されるのは、加熱ワイヤ、フィルムに構造化された加熱抵抗器、及びミクロ構造化された誘電性のダイアフラムに設けられた加熱抵抗器である。シリコン−マイクロマシニング−プロセスにより形成される誘電性のダイアフラムは、迅速な反応時間に基づいてわずかなサイズを獲得し、バッチ処理可能性はさらに意義を増している。大きい個数の熱伝導率センサが、将来的には、例えば水素運転される車両において使用するために必要とされる。水素は、空気に比べて極めて高い熱伝導率を有しており、ひいては熱伝導率センサにより良好に検出され得る。

ガスの熱伝導率を測定するための測定信号としては、例えば、加熱抵抗器の変化が周囲のガスの熱伝導率の影響下で評価され、この場合に、加熱出力は一定不変に保持される。別の測定方法では、加熱抵抗器が一定不変の値すなわち一定不変の温度に制御され、信号としては、制御のために必要な出力が評価される。抵抗器変化の測定又は出力の制御値に基づいて、ガスの熱伝導率が計算される。

このようなセンサ構成素子を評価する場合の問題は、公知の熱伝導率センサのセンサ信号が、加熱されたボディを取り囲むガスの熱伝導率のみならず、加熱されるボディの保持部を介した熱放出及び熱放射にも関係していることにある。加熱されるボディの保持部を介した熱導出及び放射に基づいた、使用のために望ましくない熱損失は、良好に熱絶縁された材料、及び熱伝導率センサを運転する場合の温度の使用によって最小化される。

さらに、第２の加熱されるボディを設け、この第２の加熱されるボディが、第１の加熱されるボディと同一に構成されており、基準ガスにより負荷されているようにすることが公知である。両方の加熱されたボディの信号を比較することにより、例えば、ブリッジ型回路により熱伝導率センサの感度が改良され得る。このようなセンサ構成は、しばしば実験測定のために使用されるが、例えば自動車分野における使用のために必要とされるような、小さく、コンパクトで頑丈なセンサ構成素子のためには、手間がかかりすぎる。

そこで本発明の課題は、加熱されたボディの保持部を介した熱導出に対してより抵抗性のあるセンサ構成素子を提供することである。

本発明の課題は、請求項１の特徴部に記載のセンサ構成素子により解決される。本発明によるセンサ構成素子の主な利点は、加熱エレメントが設けられており、この加熱エレメントが、少なくとも部分的にセンサエレメントを取り囲んでいることにある。このような形で、センサエレメントは熱導出に対してより良好に保護される。これにより、センサエレメントは、例えばセンサ構成素子の保持部を介して行われる熱導出に対して、よりわずかに反応する。これにより、全体としてセンサ構成素子の感度は高められるので、基準測定は必要なくなる。

有利な実施例では、センサ構成素子が加熱エレメントを有しており、この加熱エレメントは、センサエレメントをほぼ完全に取り囲んでいる。このようにして、センサ構成素子の保持部を介した熱導出に対するセンサエレメントの断熱がほぼ保証される。これにより、保持部を介した熱導出からのセンサエレメントのほぼ完全な断熱が達成される。これにより、センサ構成素子の感度はさらに高められる。

センサ構成素子の有利な実施例は加熱エレメントを有しており、この加熱エレメントは、少なくとも２つの加熱構造部の形で形成されている。互いに独立した２つの加熱構造部を形成することにより、これらの２つの加熱構造部を互いに独立して加熱し、ひいては、場合によっては、２つの加熱構造部の非対称的な装置を、センサエレメントに関して異なった制御によって補償することが可能になる。これにより、特にセンサ構成素子の正確な校正を行い、これにより、加熱エレメントの製造時の不正確さが補償される。

有利には、それぞれの加熱構造部には温度センサが対応配置されており、これにより、それぞれの加熱構造部は独立して温度制御可能になっている。

センサエレメントの簡単な実施例は、センサエレメントを抵抗エレメントとして形成することにある。有利には、加熱エレメントはほぼ環状構造の形で形成されている。環状構造の形状は、加熱エレメントの簡単な構成形式を可能にし、この構成形式により、センサエレメントは加熱エレメントによりほぼ取り囲まれ得るようになっており、これにより、センサエレメントは熱導出に対して信頼性良く保護される。

別の有利な実施例では、加熱エレメントはほぼ長方形構造の形状を有している。加熱エレメントの長方形構造の形での構成は、技術的に簡単に形成可能である。

長方形構造部の有利な実施例では、それぞれ長方形構造部の半割部が加熱構造部である。この形式で、センサエレメントに対する対称的な配置に関して、幾何学的な不正確さが２つの加熱構造部を異なった形で制御することにより補償される。

センサ構成素子の特に簡単な構成が、加熱エレメントとセンサエレメントとを２つの異なった層に形成することにより達成される。これにより、例えばセンサ構成素子を製造する方法はより順応性を有するようになる。有利には、２つの層は、それぞれ加熱エレメントの材料若しくはセンサエレメントの材料に適合した１つの材料から製造することができる。さらに、これらの２つの層は、有利な実施例では互いに別々に製造することができ、引き続き、例えば接着法により互いに結合することができる。

有利には、センサ構成素子の支持体はダイアフラムとダイアフラム保持部とを有している。加熱エレメントとセンサエレメントとは、ダイアフラムに形成されている。ダイアフラム保持部は、例えば対応するケーシングでセンサ構成素子を保持するために働く。

本発明の課題は、特に請求項１２に記載の本発明による方法により解決される。本発明による方法は、互いに独立して制御可能な２つの加熱構造の装置により、例えば加熱構造の装置の不正確さを補償することができることにある。これにより、センサ構成素子の測定精度が改善される。

次に本発明を図面につき詳しく説明する。

図１Ａはセンサ構成素子１を示している。このセンサ構成素子１は、例えば、このセンサ構成素子１を取り囲むガスの熱伝導率を測定するために使用される。センサ構成素子１は、保持枠２と、この保持枠２に結合されたダイアフラム３とを有している。これらの保持枠２とダイアフラム３とは、有利にはマイクロマシニング製造法により加工可能な材料から成っている。有利には、シリコンが保持枠２を製造するために用いられ、誘電性の材料、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素がダイアフラム３を製造するために用いられる。このダイアフラム３には、加熱エレメント４が取り付けられている。この加熱エレメント４は、保持枠２の下側範囲に形成さた電気的な接続部６を有している。前記加熱エレメント４は、主に円環状構造部７から成っており、この円環状構造部７は、接続導体８を介して接続面６に電気的に接続されている。円環状構造部７は、完全に閉じられてはおらず、開口範囲２１を有しており、この開口範囲２１を介して、センサエレメント１０の第２の接続導体９が、保持枠２の下側範囲から円環状構造部７の中央に案内されている。センサエレメント１０は、第２の接続導体９を介して、保持枠２に形成された第２の接続面１１に接続されている。

センサエレメント１０は、図示の実施例では、第２の加熱エレメントの形で実施されている。有利には、このセンサエレメント１０はメアンダ構造部を有しており、このメアンダ構造部は、円環状構造部７のほぼ中央に配置されている。

円環状構造部７は、本発明の有利な実施形である。しかしながら、加熱エレメント４の形状は、円環状構造部７に限定されていない。加熱エレメント４の形状は、次の形で形成されている、すなわち、加熱エレメント４が前記センサエレメント１０を少なくとも部分的に取り囲んでおり、これにより、保持枠２に対して熱的に緩衝しているか、若しくは、有利には断熱しいる形で形成されている。加熱エレメント４の形状の機能は次のことにある、すなわち、センサエレメント１０を保持枠２に対して断熱し、ひいては保持枠２を介した熱放出による、センサエレメントの温度への影響をほぼ除外することにある。図示の形状の代わりに、加熱エレメント４は別のあらゆる形の環形状又は部分環形状を有していてもよい。

センサエレメント１０は、第２の加熱エレメントとして構成する代わりに、温度センサとして形成されていてもよい。しかしながら、とりわけ第２の加熱エレメントとしての構成では、センサエレメント１０の抵抗が円環状構造部７の内部の温度を検出するために評価され得る。

図１Ｂは、センサ構成素子１のＡ−Ａ線に沿った横断面図を示している。この場合、保持枠２の横断面形状及びダイアフラム３の横断面形状が明確に示されている。とりわけこの実施例では、センサエレメント１０と加熱エレメント４とは、唯一の層に配置されている。

用途に応じて、センサエレメント１０と加熱エレメント４とが、異なった層に形成されており、これらの層が、互いに重なり合って配置されていると有利であり得る。この場合、例えばセンサエレメント１０を形成するための層はより小さく選択し、例えば、円環状構造部７に対して中央に配置されていてよい。有利には、センサエレメント１０が形成された第２の層は、円環状構造部７をわずかだけ越えて外側へ延びている。これにより、センサエレメント１０が形成された第２の層と、保持枠２との間の付加的な断熱が得られる。

図１Ａ及び図１Ｂによるセンサ構成素子１は、有利には、ダイアフラム３に隣接するガスの熱伝導率を測定するために使用される。この熱伝導率を測定するためには、種々異なる測定法を使用することができる。

例えば、センサエレメント１０が第２の加熱エレメントとして形成されている場合には、このセンサエレメント１０を運転する加熱出力は次の形で調節される、すなわち、円環状構造部７の内部にこの円環状構造部７の範囲自体と同じ温度が形成される形で調節される。加熱エレメントが抵抗器の形で形成されている場合、この抵抗器は同時に温度センサとして働くことができる。特に付加的な温度センサ、例えばダイオードを使用することができ、これにより、円環状構造部７の下方で温度が測定される。

温度を一定不変に維持するために必要な出力に基づいて、ダイアフラム３に隣接するガスの熱伝導率を推定することができる。ガスがより大きい熱伝導率を有している場合には、センサエレメント１０を介して円環状構造部７と等しい温度を調節するために、より大きい加熱出力が必要であり、ガスがよりわずかな熱伝導率を有している場合には、円環状構造部７の内部に円環状構造部７の範囲と等しい温度を調節するためによりわずかな加熱出力があれば十分である。

対応する測定法が、例えばHartmann und Braun, Produktinformation, Leaflet for the TCS 208 F (3), 1999に記載されている。

例えば図１Ｃは、ダイアフラム３における温度分布を示しており、この場合、温度は保持枠２から出発して円環状構造部７まで急勾配に上昇しており、第２の加熱エレメントとして形成されているセンサエレメント１０の対応する制御により、円環状構造部７の内部ではほぼ一定不変になっている。円環状構造部７と保持枠２との間の範囲では、ダイアフラム３に隣接するガスの大きい熱伝導率と小さい伝導率との間でわずかな影響が測定される。大きい熱伝導率のための温度分布は、図１Ｃでは直線の形で示されており、小さい熱伝導率のための温度分布は点線の形で示されている。

図１Ｄは、本発明によるセンサ構成素子１の１構成形を示しており、この場合、加熱エレメント４とセンサエレメント１０とは異なる層に形成されている。第１の層１２が保持枠２に配置されており、第２の層１３が第１の層１２に配置されているところが示されている。第２の層１３は、ほぼ円環状構造部７により取り囲まれた面をほぼ覆っており、センサエレメント１２を有している。有利には、第１の層１２と第２の層１３とは、わずかな熱伝導率を有する等しい誘電性の材料から成っている。２つの層１２，１３の形成により、保持枠２の方向での熱流出からのセンサエレメント１０の付加的な断熱が得られる。とりわけ、加熱エレメント４とセンサエレメント１０とを収容するための分離された２つの層１２，１３による構成は次のような利点を有する、すなわち、加熱エレメント４のための製造法とセンサエレメント１０のための製造法とを別々に実施することができ、さらに、接続導体を加熱エレメント４の形状とは無関係に、ひいてはセンサエレメント１０の形状とは無関係に構成することができることである。

図２は、所定の測定方法による、図１Ａのセンサ構成素子１の使用時の熱分布を示す図であり、この場合、センサエレメント１０は温度センサとしてのみ形成されており、円環状構造部７の内部の温度はこのセンサエレメント１０により検出される。ダイアフラム３に隣接するガスの熱伝導率に関係して、種々異なった温度変化及び異なった温度が円環状構造部の内部で測定される。図２は、直線の形で大きい熱伝導率のためのダイアフラム３における温度変化を示している。ガスの小さい熱伝導率のための温度変化は、点線の形で示されている。センサエレメント１０は、この用途では、温度センサとしてのみ形成されているか、又はセンサエレメント１０は図１Ａの構成形に対応して付加的に加熱エレメントとして形成されているが、抵抗器の測定を介して温度センサとしてのみ使用される。図１Ｃ及び図２の温度分布による測定法では、加熱エレメント４はそれぞれ所定の温度Ｔｊに加熱され、加熱エレメント４を加熱するための出力は対応して後制御される。

図３は、別の測定法の温度変化を示しており、この場合、加熱エレメント４は、一定不変の出力で運転される。この測定法では、円環状構造部７のための温度値も、隣接するガスの熱伝導率に関係してずれる。大きい熱伝導率の場合には、直線の形で示されている温度分布がもたらされる。隣接するガスの小さい熱伝導率の場合には、点線の形で示されている温度分布がもたらされる。加熱エレメント４は一定不変の出力で加熱されるので、円環状構造部７の範囲の温度は変化する。この温度差はΔＴｒで示されている。円環状構造部７の内部でも、温度は熱伝導率に関係して種々異なる値を有している。この温度差は、円環状構造部７の中央にΔＴｍとして示されている。温度差に関係して、公知の方法によりガスの熱伝導率が計算され得る。

図４はセンサ構成素子１の別の実施例を示している。この実施例では、加熱エレメント４として、第１の加熱構造部１４及び第２の加熱構造部１５が形成されており、これらの第１の加熱構造部１４及び第２の加熱構造部１５は、それぞれ長方形面の周縁の半割部をほぼ取り囲んでいる。第１の加熱構造部１４と第２の加熱構造部１５とにより取り囲まれた長方形面はダイアフラム３の熱面１６であり、この熱面１６は、保持枠２に対して断熱されている。熱面１６の中央にはセンサエレメント１０が配置されており、このセンサエレメント１０は、本実施例では加熱センサコイルの形で実施されている。この加熱センサコイルは、２つの接続導体１９，２０を有しており、これらの接続導体１９，２０は、保持枠２の向かい合う側へ案内されている。

第１及び第２の加熱構造部１４，１５は、互いに鏡面対称に配置されており、同一に構成されている。第１の加熱構造部１４は、複数の導体区分を備えた導体構造部を有しており、この場合、長方形面の周縁の個々の側には互いに平行に配置された複数の導体区分が対応配置されている。これらの導体区分は、有利には直線的に形成されている。個々の導体区分は、唯一の導体の形に互いに結合されている。個々の導体区分は、互いに所定の間隔を有しており、長方形の側面に配置されている。この長方形の上側及び下側の側面は、それぞれ第１の導体区分及び第２の導体区分の半割部に区切られている。このような形で、ほぼ半割長方形のメアンダ構造部が形成されている。有利な実施例により、熱面１６と保持枠２との間には、複数の導体区分が配置されている。このような形式で、熱面１６と保持枠２とのより良好な断熱が可能となる。有利には、最も内側の導体区分と、この最も内側の導体区分に隣接する第２の導体区分との間には、第１の温度センサ１７が形成されており、この温度センサ１７は、ほぼ閉じられた導体の形式で、かつ第１の加熱エレメント１４の半割長方形のメアンダ構造の形に形成されている。第１の温度センサ１７は、保持枠２の下側の側縁へ案内されている。第１の加熱構造部１４の第１の縁部は、保持枠２の上側の側部へ案内されており、前記第１の加熱構造部１４の第２の縁部は、保持枠２の下側の側部に案内されている。

第２の加熱構造部１５は、第１の加熱構造部１４に対して鏡面対称に形成されており、同様に第１の温度センサ１７に対して鏡面対照的に配置された第２の温度センサ１８を有している。

図４は加熱エレメント４の有利な実施例を示しており、この場合、第１及び第２の加熱構造部１４，１５は、円環状構造の形で形成することもできる。第１の加熱構造部１４及び第２の加熱構造部１５の利点は、まず、導体区分の何重にも隣接した配置により、熱面１６と保持枠２との間のより良好な断熱が達成されることにあり、さらに、互いに独立して制御可能な２つの加熱構造部１４，１５の使用により、熱面１６の範囲で温度の対称的な分布が達成され得ることにある。例えば、第１及び第２の加熱構造部１４，１５が、センサエレメント１０の中央の位置に対して異なった間隔をもってダイアフラム３に取り付けられている場合、異なった出力制御により、幾何学的な配置における差異が再び補償され、これにより、センサエレメント１０は、全ての方向に関連して、ほぼ等しい温度分布にさらされているようになっている。

図５は、２つの加熱構造部を備えた環状の加熱エレメントを示しており、前記２つ加熱構造部は、互いに隣接して配置された複数の導体区分を有している。

センサエレメント１０は、図１の実施例に対応して、加熱及び／又は温度エレメントの形で、又は温度エレメントの形でのみ形成することができ、この温度エレメントにより、温度が測定されるようになっている。センサエレメント１０と、第１及び第２の加熱構造部１４，１５とを、図１の実施例に対応して異なった層に配置することも可能である。加熱エレメント４と加熱構造部１４，１５とは、例えばプリントされた回路基盤の形で実施される。

第１及び第２の加熱構造部１４，１５の異なった形で制御するためには、対応する制御装置が設けられており、この制御装置により、第１及び第２の加熱構造部１４，１５の出力は異なった形で制御可能になっている。このようにして、改良された測定条件が可能になる。

センサ構成素子の第１実施例を示す図である。

センサ構成素子の第２実施例を示す図である。

センサ構成素子の第３実施例を示す図である。

センサ構成素子の温度特性を概略的に示す図である。

センサ構成素子の第４実施例を示す図である。

Claims (10)

1. 支持体（２，３）を備えたセンサ構成素子（１）であって、前記支持体（２，３）に、加熱エレメント（４）とセンサエレメント（１０）とが取り付けられており、前記加熱エレメント（４）が、支持体（２，３）の温度を調節するために使用可能になっており、センサエレメント（１０）が、支持体（２，３）の温度を検出するために使用可能になっている形式のものにおいて、加熱エレメント（４）が、センサエレメント（１０）をほぼ完全に取り囲んでおり、加熱エレメント（４）が、２つの加熱構造部（１４，１５）の形で形成されていることを特徴とする、支持体（２，３）を備えたセンサ構成素子（１）。
2. ２つの加熱構造部（１４，１５）の出力が、別々に制御可能になっている、請求項１記載のセンサ構成素子。
3. それぞれの加熱構造部（１４，１５）に、温度センサ（１７，１８）が対応配置されている、請求項１又は２記載のセンサ構成素子。
4. センサエレメント（１０）が、加熱エレメントの形で形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ構成素子。
5. 加熱エレメント（４）が、少なくともほぼ部分環状構造の形で、有利には環状構造の形で形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ構成素子。
6. 加熱エレメント（４）が、ほぼ長方形構造の形で形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ構成素子。
7. 長方形構造部のそれぞれ１つの側が、加熱構造部（１４，１５）により形成されている、請求項６記載のセンサ構成素子。
8. 支持体が、２つの層（１２，１３）を有しており、第１の層（１２）に、加熱エレメント（１４）が配置されており、第２の層（１３）にセンサエレメント（１０）が配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ構成素子。
9. 支持体が、ダイアフラム（３）とダイアフラム保持部（２）とを有しており、加熱エレメント（４）とセンサエレメント（１０）とが、前記ダイアフラム（３）に配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ構成素子。
10. 請求項７に記載のセンサ構成素子によりガスの熱伝導率を測定する方法において、２つの加熱構造部（１４，１５）によって、所定の温度、又は前記加熱構造部（１４，１５）によって生ぜしめられる加熱出力を調節し、センサエレメント（１０）によって、温度若しくは、加熱構造部（１４，１５）に形成された温度を調節するために必要な、センサエレメント（１０）の加熱能力を検出し、前記温度若しくは加熱出力から、ガスの熱伝導率に関する評価を行い、２つの加熱構造部（１４，１５）の加熱出力を互いに独立して制御することを特徴とする、請求項７に記載のセンサ構成素子によりガスの熱伝導率を測定する方法。

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