WO2019048202A1 - Gassensor zum messen einer konzentration eines analysegases - Google Patents

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membrane
gas sensor
base substrate
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Renate Mueller
Tobias Sebastian Frey
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a gas sensor for measuring a concentration of an analysis gas based on a thermal conductivity principle, comprising at least one analysis heating element arranged on a first membrane
  • reference heating element for heating a reference gas, with at least one evaluation for measuring a caused by the analysis gas resistance change of the analysis heating relative to an electrical resistance of the reference heating element.
  • the gas or gas mixture to be measured directly influences the conductivity of a gas-sensitive sensor element. This resistance change serves as a measure of a concentration of the gas or gas mixture.
  • Sensor element may in this case be a sensor layer or a heating element.
  • one or more heating elements in the form of platinum heaters can be arranged on a membrane. These heating elements can be operated with constant current or constant power and be warmer than an ambient temperature.
  • Ambient temperature depends, for example, by means of another temperature sensor, the ambient temperature can be measured.
  • the resistance of the heating element changes due to the temperature coefficient of the material of the heating element with a change in the ambient temperature or due to the different operating voltages.
  • suitable evaluation algorithms for example, hydrogen can be distinguished from atmospheric moisture.
  • Humidity and different operating voltage are taken into account. This can be done in a complex transmitter and in a larger
  • the problem underlying the invention can be seen in proposing a compact gas sensor which can perform precise concentration measurements of at least one gas independently of external conditions or aging effects.
  • a gas sensor for measuring a concentration of an analysis gas based on a thermal conductivity principle.
  • the gas sensor has at least one on a first Membrane arranged analysis heating element for heating the analysis gas.
  • a reference heating element for heating a reference gas is arranged on a second membrane.
  • An evaluation unit serves to measure a change in resistance of the analyzer gas caused by the analysis gas
  • the first membrane and the second membrane are arranged adjacent to one another in a sensor substrate, wherein a measuring volume can be formed between the first membrane and the base substrate by a base substrate arranged on the sensor substrate and a reference volume between the second membrane and the base substrate.
  • a bottom surface of the socket substrate may be used as a mating surface or as a substrate for other functionalities.
  • the sensor substrate can be made of a doped or undoped semiconductor, such as
  • Silicon, a glass, a plastic or a ceramic exist.
  • the measuring volume and / or the reference volume are formed at least partially within the sensor substrate and / or at least partially within the base substrate.
  • Sensor substrate are introduced by material removal and with a
  • Socket substrate are closed at least partially.
  • the reference volume and / or the measurement volume may protrude into the base substrate at least in regions.
  • the reference volume is an open or a closed volume.
  • Reference volume to be fluidly connected through an opening in the second membrane with an adjacent environment.
  • the reference volume may be closed and have a defined reference gas.
  • the analysis gas can be introduced into the measurement volume through at least one opening in the base substrate.
  • the analysis gas can be introduced via a bore in the measurement volume.
  • the openings may be formed by, for example, etching processes, trench processes, lasers, milling or drilling in the
  • the at least one opening can in this case be structured and shaped in a flow-optimized manner.
  • the at least one opening may be formed such that the at least one
  • Opening forms a particle, moisture and water protection for the measuring volume.
  • a water-repellent coating of the at least one opening can reduce the adhesion of ambient moisture.
  • the at least one opening can be dimensioned and shaped such that a gas flow through the at least one opening is laminar. This allows reproducible, defined boundary condition for the heat equation or heat sink of the heating elements of the gas sensor can be realized. Furthermore, this can increase the comparability and reproducibility of the measurement results.
  • At least one heating element can be applied in or on the base wafer.
  • the base substrate can be additionally functionalized. For example, additional heating elements or heater tracks for heating the
  • Reference volume and / or the measuring volume can be used.
  • the gas sensor can be brought to an operating temperature faster or de-iced. Furthermore, by an additional heating
  • a sintered heating coil or a thick-film printed heating coil for high power can be used for a ceramic substrate.
  • additional heating elements and the reference volume and the measuring volume can be kept at a same temperature and thus the comparability can be increased.
  • a silicon or glass substrate with a platinum resistance heating element may be used.
  • doped semiconductors such as silicon carbonate can be used with a resistance heating element of tungsten, silver, gold, copper or aluminum.
  • At least one gas filter is arranged in the measuring volume.
  • the measuring volume can be coated with a functional layer.
  • the functional layer can be
  • interfering or a measurement falsifying components can be filtered out in the analysis gas.
  • At least one gas filter is arranged on one side on the base substrate.
  • a specially functionalized layer can be applied to filter certain types of gas.
  • unwanted gases can react at a getter layer and be introduced, for example, into a solid state structure.
  • the gas filter can span or cover the at least one opening of the measuring volume
  • the base substrate can be connected to the sensor substrate via a joining means.
  • the base substrate can be arranged, for example, by a glass frit bond, an anodic bond, a eutectic bond, or by a solder connection as well as a bond to the sensor substrate.
  • the socket substrate can thus be connected to the sensor substrate by a variety of possible methods.
  • the gas sensor According to a further embodiment of the gas sensor, the
  • Base substrate on one side a joining surface for receiving a bond or a sealant. Due to the reduced dimensions of the gas sensor and the high plane parallelism of the substrates, a lower side of the base substrate can be used as the joining surface. In particular, the base substrate can be glued or sealed for effective sealing against atmospheric moisture and other environmental influences.
  • Cap substrate arranged.
  • an additional cap substrate may be arranged on the sensor substrate.
  • the cap substrate can already be arranged in advance on the sensor substrate in order to provide a stable basis for further processing steps for producing the gas sensor.
  • the cap substrate has recesses in the region of the first membrane and the second membrane.
  • the recesses may have been introduced into the cap substrate by material removal just like the reference volume and the measuring volume.
  • at least part of the evaluation electronics is arranged on or in the cap substrate.
  • the cap substrate may be used to receive electrical traces and electrical components. As a result, the gas sensor can be made very compact. In particular, this can be an external
  • Evaluation electronics omitted.
  • silicon vias, wire bonds, and trench trenches may be included in the
  • Cap substrate and the sensor substrate for forming the transmitter are introduced. Furthermore, an additional heating element can also be introduced into or onto the cap substrate. Alternatively or additionally, an evaluation electronics can be arranged at least partially in or on the base substrate.
  • the cap substrate has at least one connection opening to the reference volume.
  • the reference volume can be designed to be open in order to be able to carry out pressure equalization with an environment of the gas sensor.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a gas sensor according to a first embodiment
  • Fig. 2 is a schematic representation of a gas sensor according to a second embodiment
  • Fig. 3 is a schematic representation of a gas sensor according to a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a gas sensor 1 according to a first embodiment.
  • the gas sensor 1 has a first membrane 2 and a second membrane 4.
  • On the first membrane 2 is a
  • the first membrane 2 and the second membrane 4 are formed by material removal of the sensor substrate 6.
  • a base substrate 8 is attached via a joining means 10.
  • a measuring volume 12 is enclosed. Via an opening 14, an analysis gas can be conducted into the measurement volume 12 and analyzed.
  • Reference volume 16 formed. There is a fluid-conducting connection between the reference volume 16 and an environment of the gas sensor 1 via an opening 18 in the second membrane 4
  • a cap substrate 20 is arranged on an upper side of the sensor substrate 6.
  • Cap substrate 20 has in the region of the first membrane 2 and the second membrane 4 recesses.
  • a sealing means 22 for sealing the opening 14 from the environment of the
  • Heating element 24 for heating the reference volume 16 and the
  • Measuring volume 12 integrated.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a gas sensor 1 according to a second exemplary embodiment.
  • the underside of the base substrate 8 is coated with a gas filter 26.
  • the gas filter 26 conceals the supply line 14 of a gas to be analyzed into the measurement volume 12. In this way, for example, penetration of water vapor into the measurement volume 12 can be prevented.
  • the supply line 14 is designed according to the embodiment in the form of four mutually parallel openings.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a gas sensor 1 according to a third embodiment.
  • the gas sensor 1 according to the third embodiment In contrast to the gas sensor 1 according to According to the first embodiment and the gas sensor 1 according to the second embodiment, the gas sensor 1 according to the third embodiment
  • a closed reference volume 16 In the reference volume 16, a reference gas is included, which can be used for comparison in a measurement of an analysis gas in the measurement volume 12.
  • the reference volume 16 is closed by the cap substrate 20 here.
  • the cap substrate 20 has, according to the exemplary embodiment, an electronic circuit 28 arranged on the cap substrate 20. A part of the electronic circuit 28 is integrated in the cap substrate 20. In this case, the electronic circuit 28 forms evaluation electronics 28.
  • the evaluation electronics 28 acts on the reference heating element arranged on the second membrane 4 and on the first membrane 2
  • the heat of the analysis heating element can be removed, for example, faster, so that a heat output must be increased by the evaluation electronics 28 in order to maintain the defined temperature can.
  • a concentration of a gas to be measured in the measuring volume 12 can be determined.

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Abstract

Offenbart ist ein Gassensor zum Messen einer Konzentration eines Analysegases basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip, mit mindestens einem auf einer ersten Membran angeordneten Analyseheizelement zum Erwärmen des Analysegases, mit einem auf einer zweiten Membran angeordneten Referenzheizelement zum Erwärmen eines Referenzgases, mit mindestens einer Auswerteelektronik zum Messen einer durch das Analysegas verursachten Widerstandsänderung des Analyseheizelementes relativ zu einem elektrischen Widerstand des Referenzheizelementes, wobei die erste Membran und die zweite Membran zueinander benachbart in einem Sensorsubstrat angeordnet sind und wobei durch ein einseitig an dem Sensorsubstrat angeordnetes Sockelsubstrat zwischen der ersten Membran und dem Sockelsubstrat ein Messvolumen und zwischen der zweiten Membran und dem Sockelsubstrat ein Referenzvolumen bildbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Gassensor zum Messen einer Konzentration eines Analvsegases
Die Erfindung betrifft einen Gassensor zum Messen einer Konzentration eines Analysegases basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip, mit mindestens einem auf einer ersten Membran angeordneten Analyseheizelement zum
Erwärmen des Analysegases, mit einem auf einer zweiten Membran
angeordneten Referenzheizelement zum Erwärmen eines Referenzgases, mit mindestens einer Auswerteelektronik zum Messen einer durch das Analysegas verursachten Widerstandsänderung des Analyseheizelementes relativ zu einem elektrischen Widerstand des Referenzheizelementes.
Stand der Technik
Bei Gassensoren, die nach resistiven Messprinzipien arbeiten, beeinflusst das zu messende Gas oder Gasgemisch direkt die Leitfähigkeit eines gasempfindlichen Sensorelementes. Diese Widerstandsänderung dient als Messgröße für eine Konzentration des Gases oder Gasgemisches. Das gasempfindliche
Sensorelement kann hierbei eine Sensorschicht oder ein Heizelement sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Heizelemente in Form von Platinheizern auf einer Membran angeordnet sein. Diese Heizelemente können mit konstantem Strom oder mit konstanter Leistung betrieben werden und wärmer als eine Umgebungstemperatur sein.
Es kann beispielsweise zur Messung einer Wasserstoffkonzentration die bessere thermische Leitfähigkeit von Wasserstoff von 181 C^W/cmK gegenüber der thermischen Leitfähigkeit von Luft von 26C^W/cmK ausgenutzt werden. Befindet sich in der Umgebung des Heizelementes Wasserstoff, so sinkt auf Grund der höheren thermischen Leitfähigkeit des Wasserstoffs und damit einhergehend einer größeren Wärmeableitung, die Temperatur des Heizelementes und somit reduziert sich dessen Widerstand. Diese Widerstandsänderung bzw. die zusätzliche Heizleistung, die aufgebracht werden muss, um das Heizelement auf konstanter Temperatur zu halten, ist proportional zur Konzentration des
Wasserstoffs. Da die thermische Wärmeleitfähigkeit von der
Umgebungstemperatur abhängt, kann beispielsweise mittels eines weiteren Temperatursensors die Umgebungstemperatur gemessen werden.
Des Weiteren ist bekannt, dass sich der Widerstand des Heizelementes auf Grund des Temperaturkoeffizienten des Materials des Heizelementes bei einer Änderung der Umgebungstemperatur oder auf Grund der unterschiedlichen Betriebsspannungen verändert. Mittels geeigneter Auswertealgorithmen kann beispielsweise Wasserstoff von Luftfeuchtigkeit unterschieden werden.
Damit ein Gassensor zuverlässig und präzise eine Konzentration eines Gases messen kann, muss eine Änderung des elektrischen Widerstandes des
Heizelementes bei Änderungen von der Umgebungstemperatur, der
Luftfeuchtigkeit und unterschiedlichen Betriebsspannung berücksichtigt werden. Dies kann in einer komplexen Auswerteelektronik und in einer größeren
Abmessung des Sensors resultieren.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann darin gesehen werden einen kompakten Gassensor vorzuschlagen, welcher unabhängig von äußeren Bedingungen oder Alterungseffekten präzise Konzentrationsmessungen mindestens eines Gases durchführen kann.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Gassensor zum Messen einer Konzentration eines Analysegases basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip bereitgestellt. Der Gassensor weist mindestens ein auf einer ersten Membran angeordnetes Analyseheizelement zum Erwärmen des Analysegases auf. Auf einer zweiten Membran ist ein Referenzheizelement zum Erwärmen eines Referenzgases angeordnet. Eine Auswerteelektronik dient zum Messen einer durch das Analysegas verursachten Widerstandsänderung des
Analyseheizelementes relativ zu einem elektrischen Widerstand des
Referenzheizelementes. Erfindungsgemäß sind die erste Membran und die zweite Membran zueinander benachbart in einem Sensorsubstrat angeordnet, wobei durch ein einseitig an dem Sensorsubstrat angeordnetes Sockelsubstrat zwischen der ersten Membran und dem Sockelsubstrat ein Messvolumen und zwischen der zweiten Membran und dem Sockelsubstrat ein Referenzvolumen bildbar ist.
Um eine Abmessung des Gassensors bzw. einer Chipfläche des Gassensors zu ermöglichen wird ein zusätzlicher Wafer bzw. ein Sockelsubstrat auf die
Unterseite des Sensorsubstrates angebracht, um so ein Referenzvolumen zu erzeugen, in dem sich keine oder nur eine definierte Menge an Wasserstoffgas oder Wasserdampf oder ein Referenzgas eingebracht ist. Durch die Verwendung des Gassensors als ein Doppelmembranchip mit verkapptem Referenzvolumen bezüglich des zu detektierenden Gases kann insbesondere die Abmessung des Gassensors reduziert werden. Eine Unterseite des Sockelsubstrats kann beispielsweise als eine Fügefläche oder als Substrat für weitere Funktionalitäten verwendet werden.
Durch die Verwendung eines Referenzvolumens, können fertigungstechnische Schwankungen im Widerstand ausgeglichen werden, da die Schwankungen gleichermaßen das Referenzvolumen und das Messvolumen betreffen. Dieser Zusammenhang kann insbesondere aus einer gemeinsamen und nahezu gleichzeitigen Herstellung beider Bestandteile des Gassensors resultieren.
Aufgrund der unmittelbaren Anordnung der ersten Membran zu der zweiten Membran sind auch die Heizelemente gleichermaßen von diesen Schwankungen betroffen. Des Weiteren können sich Temperaturänderungen und Änderungen weiterer Parameter, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit, unmittelbar auf beide Heizelemente beider Volumen auswirken, so dass Abweichungen in
Randbedingungen einer Referenzmessung und einer Analysemessung durch die Auswerteelektronik nicht berücksichtigt werden müssen. Das Sensorsubstrat kann aus einem dotierten oder undotierten Halbleiter, wie beispielsweise
Silizium, einem Glas, einem Kunststoff oder einer Keramik, bestehen.
Gemäß einer Ausführungsform des Gassensors sind das Messvolumen und/oder das Referenzvolumen zumindest bereichsweise innerhalb des Sensorsubstrats und/oder zumindest teilweise innerhalb des Sockelsubstrats gebildet.
Beispielsweise kann ein Referenzvolumen und ein Messvolumen in das
Sensorsubstrat durch Materialabtrag eingebracht werden und mit einem
Sockelsubstrat zumindest bereichsweise verschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Referenzvolumen und/oder das Messvolumen zumindest bereichsweise in das Sockelsubstrat hineinragen.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Gassensors ist das Referenzvolumen ein offenes oder ein geschlossenes Volumen. Beispielsweise kann das
Referenzvolumen durch eine Öffnung in der zweiten Membran mit einer benachbarten Umgebung fluidleitend verbunden sein. Alternativ kann das Referenzvolumen verschlossen sein und ein definiertes Referenzgas aufweisen. Hierdurch können Konzentrationsmessungen eines Analysegases präziser durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Gassensors ist das Analysegas durch mindestens eine Öffnung im Sockelsubstrat in das Messvolumen einbringbar. In einer einfachsten Ausführungsform kann das Analysegas über eine Bohrung in das Messvolumen eingebracht werden. Darüber hinaus können auch Ein- und Auslassöffnungen für einen kontinuierlichen Durchfluss eines
Analysegases verwendet werden. Die Öffnungen können beispielsweise durch Ätzprozesse, Trenchprozesse, Lasern, Fräsen oder Bohren in das
Sockelsubstrat eingebracht werden. Die mindestens eine Öffnung kann hierbei strukturiert und strömungsoptimiert geformt sein. Insbesondere kann die mindestens eine Öffnung derart ausgebildet sein, dass die mindestens eine
Öffnung einen Partikel-, Feuchte- und Wasserschutz für das Messvolumen bildet. Hierfür kann beispielsweise eine wasserabweisende Beschichtung der mindestens einen Öffnung das Anhaften von Umgebungsfeuchte mindern. Die mindestens eine Öffnung kann dabei derart dimensioniert und geformt sein, dass ein Gasfluss durch die mindestens eine Öffnung laminar ist. Hierdurch können reproduzierbare, definierte Randbedingung für die Wärmeleitungsgleichung bzw. Wärmesenke der Heizelemente des Gassensors realisiert werden. Des Weiteren kann hierdurch die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse erhöht werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Gassensors ist mindestens ein Heizelement in oder auf den Sockelwafer aufbringbar. Hierdurch kann das Sockelsubstrat zusätzlich funktionalisiert werden. Es können beispielsweise zusätzliche Heizelemente bzw. Heizerbahnen für eine Heizung des
Referenzvolumens und/oder des Messvolumens verwendet werden. Hierdurch kann der Gassensor schneller auf eine Betriebstemperatur gebracht werden, oder enteist werden. Des Weiteren kann durch eine zusätzliche Heizung
Kondensation von Luftfeuchtigkeit im Messvolumen verhindert werden. Bei einem keramischen Substrat kann eine gesinterte Heizwendel oder eine per Dickschichtverfahren gedruckte Heizwendel für hohe Leistungen verwendet werden. Durch zusätzliche Heizelemente können auch das Referenzvolumen und das Messvolumen auf einer gleichen Temperatur gehalten und somit die Vergleichbarkeit erhöht werden. Bei geringen Heizleistungen kann ein Siliziumoder ein Glassubstrat mit einem Platin-Widerstands-Heizelement verwendeten. Alternativ können auch dotierter Halbleiter wie beispielsweise Silizium-Carbonat mit einem Widerstands-Heizelement aus Wolfram, Silber, Gold, Kupfer oder Aluminium verwendet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Gassensors ist mindestens ein Gasfilter in dem Messvolumen angeordnet. Das Messvolumen kann mit einer funktionalen Schicht überzogen werden. Die funktionale Schicht kann
beispielsweise ein Gettermaterial sein, welches bestimmte unerwünschte Gase oder Partikel zumindest zeitweise binden kann. Hierdurch können störende bzw. eine Messung verfälschende Bestandteile im Analysegas herausgefiltert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Gassensors ist mindestens ein Gasfilter einseitig auf dem Sockelsubstrat angeordnet. Auf dem Sockelsubstrat kann eine speziell funktionalisierte Schicht aufgebracht werden, um bestimmte Gasarten zu filtern. Hierdurch kann verhindert werden, dass unerwünschte Gase durch die mindestens eine Öffnung in das Messvolumen und damit zu der ersten Membran gelangen können. Beispielsweise können an einer Getterschicht bestimmte Gase reagieren und beispielsweise in eine Festkörper-Struktur eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Gasfilter die mindestens eine Öffnung des Messvolumens überspannen bzw. verdecken, um
beispielsweise das Eindringen von Wasserdampf oder anderen unterwünschten Gasen oder Partikeln zu verhindern. Es kann hierdurch eine Trennung von Wasser und Wasserstoff sichergestellt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Gassensors ist das Sockelsubstrat über ein Fügemittel mit dem Sensorsubstrat verbindbar. Das Sockelsubstrat kann beispielsweise durch einen Glas-Frit-Bond, einen anodischen Bond, einen eutektischen Bond, oder durch eine Lotverbindung sowie eine Klebung an dem Sensorsubstrat angeordnet sein. Das Sockelsubstrat kann somit durch eine Vielzahl an möglichen Verfahren mit dem Sensorsubstrat verbunden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Gassensors weist das
Sockelsubstrat einseitig eine Fügefläche zum Aufnehmen einer Klebung oder eines Dichtmittels auf. Aufgrund der verringerten Maße des Gassensors und der hohen Planparallelität der Substrate kann eine Unterseite des Sockelsubstrates als Fügefläche verwendet werden. Insbesondere kann das Sockelsubstrat zum effektiven Abdichten gegen Luftfeuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse geklebt oder abgedichtet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Gassensors ist auf einer dem
Sockelsubstrat gegenüberliegenden Seite des Sensorsubstrats ein
Kappensubstrat angeordnet. Zum Erhöhen einer mechanischen Stabilität des Gassensors kann ein zusätzliches Kappensubstrat auf dem Sensorsubstrat angeordnet werden. Insbesondere kann das Kappensubstrat bereits im Vorfeld auf dem Sensorsubstrat angeordnet werden, um eine stabile Grundlage für weitere Verarbeitungsschritte zum Herstellen des Gassensors bereitzustellen. Vorzugsweise weist das Kappensubstrat im Bereich der ersten Membran und der zweiten Membran Aussparungen auf. Die Aussparungen können beispielsweise genauso wie das Referenzvolumen und das Messvolumen durch Materialabtrag in das Kappensubstrat eingebracht worden sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Gassensors ist zumindest ein Teil der Auswerteelektronik auf oder in dem Kappensubstrat angeordnet. Das Kappensubstrat kann dazu verwendet werden, elektrische Leiterbahnen und elektrischen Bauteile aufzunehmen. Hierdurch kann der Gassensor besonders kompakt ausgeführt werden. Insbesondere kann hierdurch eine externe
Auswerteelektronik entfallen. Es können beispielsweise Silizium- Durchkontaktierungen, Drahtbondungen und Trenchgräben in das
Kappensubstrat und das Sensorsubstrat zum Formen der Auswerteelektronik eingebracht werden. Des Weiteren kann ein zusätzliches Heizelement auch in oder auf das Kappensubstrat eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Auswerteelektronik zumindest teilweise im oder auf dem Sockelsubstrat angeordnet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Gassensors weist das Kappensubstrat mindestens eine Verbindungsöffnung zum Referenzvolumen auf. Hierdurch kann das Referenzvolumen offen ausgeführt sein, um einen Druckausgleich mit einer Umgebung des Gassensors durchführen zu können.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen
Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf. Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Gassensor 1 weist eine erste Membran 2 und eine zweite Membran 4 auf. Auf der ersten Membran 2 ist ein
Analyseheizelement angeordnet. Auf der zweiten Membran 4 ist ein
Referenzheizelement positioniert. Die erste Membran 2 und die zweite Membran 4 sind durch Materialabtrag des Sensorsubstrates 6 geformt. Auf einer Unterseite des Sensorsubstrates 6 ist ein Sockelsubstrat 8 über ein Fügemittel 10 befestigt. Zwischen der ersten Membran 2 dem Sockelsubstrat 8 wird ein Messvolumen 12 eingeschlossen. Über eine Öffnung 14 kann ein Analysegas in das Messvolumen 12 geleitet und analysiert werden.
Zwischen der zweiten Membran 4 und dem Sockelsubstrat 8 wird ein
Referenzvolumen 16 gebildet. Über eine Öffnung 18 in der zweiten Membran 4 besteht eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Referenzvolumen 16 und einer Umgebung des Gassensors 1. Hierdurch kann beispielsweise ein
Druckausgleich im Referenzvolumen 16 ermöglicht werden. Auf einer Oberseite des Sensorsubstrates 6 ist ein Kappensubstrat 20 angeordnet. Das
Kappensubstrat 20 weist im Bereich der ersten Membran 2 und der zweiten Membran 4 Ausnehmungen auf. Auf einer Unterseite des Sockelsubstrates 8 ist ein Dichtmittel 22 zum Abdichten der Öffnung 14 vor der Umgebung des
Gassensors 1 aufgebracht. In das Sockelsubstrat 8 ist ein zusätzliches
Heizelement 24 zum Beheizen des Referenzvolumens 16 und des
Messvolumens 12 integriert.
In der Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines Gassensors 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Im Unterschied zu dem Gassensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Unterseite des Sockelsubstrates 8 mit einem Gasfilter 26 überzogen. Der Gasfilter 26 verdeckt hierbei die Zuleitung 14 eines zu analysierenden Gases in das Messvolumen 12. Hierdurch kann beispielsweise ein Eindringen von Wasserdampf in das Messvolumen 12 verhindert werden. Die Zuleitung 14 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel in Form von vier parallel zueinander angeordneten Öffnungen gestaltet.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem Gassensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem Gassensor 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, weist der Gassensor 1 gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel ein verschlossenes Referenzvolumen 16 auf. In dem Referenzvolumen 16 ist ein Referenzgas eingeschlossen, welches zum Vergleich bei einer Messung eines Analysegases im Messvolumen 12 herangezogen werden kann. Das Referenzvolumen 16 wird hier durch das Kappensubstrat 20 verschlossen.
Das Kappensubstrat 20 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel eine auf dem Kappensubstrat 20 angeordnete elektronische Schaltung 28 auf. Ein Teil der elektronischen Schaltung 28 ist in das Kappensubstrat 20 integriert. Die elektronische Schaltung 28 bildet hierbei eine Auswerteelektronik 28. Die Auswerteelektronik 28 beaufschlagt das auf der zweiten Membran 4 angeordnete Referenzheizelement und das auf der ersten Membran 2 angeordnete
Analyseheizelement mit einer definierten Spannung und einem definierten Strom zum Einstellen einer definierten Temperatur.
Durch Einleiten eines Analysegases in das Messvolumen 12 kann die Wärme des Analyseheizelementes beispielsweise schneller abgeführt werden, so dass durch die Auswerteelektronik 28 eine Heizleistung erhöht werden muss, um die definierte Temperatur aufrechterhalten zu können. Anhand eines Vergleiches der benötigten Heizleistung des Referenzvolumens 16 und der Heizleistung des Messvolumens 12 kann eine Konzentration eines zu messenden Gases im Messvolumen 12 ermittelt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Gassensor (1 ) zum Messen einer Konzentration eines Analysegases
basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip, mit mindestens einem auf einer ersten Membran (2) angeordneten Analyseheizelement zum Erwärmen des Analysegases, mit einem auf einer zweiten Membran (4) angeordneten Referenzheizelement zum Erwärmen eines Referenzgases, mit mindestens einer Auswerteelektronik (28) zum Messen einer durch das Analysegas verursachten Widerstandsänderung des Analyseheizelementes relativ zu einem elektrischen Widerstand des Referenzheizelementes, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (2) und die zweite Membran (4) zueinander benachbart in einem Sensorsubstrat (6) angeordnet sind, wobei durch ein einseitig an dem Sensorsubstrat (6) angeordnetes Sockelsubstrat (8) zwischen der ersten Membran (2) und dem Sockelsubstrat (8) ein
Messvolumen (12) und zwischen der zweiten Membran (4) und dem
Sockelsubstrat (8) ein Referenzvolumen (16) bildbar ist, wobei das
Referenzvolumen (16) über eine Öffnung (18) in der zweiten Membran (4) mit einer benachbarten Umgebung fluidleitend verbunden ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1 , wobei das Messvolumen (12) und/oder das Referenzvolumen (16) zumindest bereichsweise innerhalb des
Sensorsubstrats (6) und/oder zumindest teilweise innerhalb des
Sockelsubstrates (8) gebildet ist.
3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Referenzvolumen (16) ein offenes oder ein geschlossenes Volumen ist.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Analysegas durch mindestens eine Öffnung (14) im Sockelsubstrat (8) in das Messvolumen (12) einbringbar ist.
5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens ein
Heizelement (24) in oder auf das Sockelsubstrat (8) aufbringbar ist.
6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens ein Gasfilter (26) in dem Messvolumen (12) angeordnet ist.
7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens ein
Gasfilter (26) einseitig auf dem Sockelsubstrat (8) angeordnet ist.
8. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sockelsubstrat (8) über ein Fügemittel (10) mit dem Sensorsubstrat (6) verbindbar ist
9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Sockelsubstrat (8) einseitig eine Fügefläche zum Aufnehmen einer Klebung oder eines
Dichtmittels (22) aufweist.
10. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei auf einer dem
Sockelsubstrat (8) gegenüberliegenden Seite des Sensorsubstrats (6) ein Kappensubstrat (20) angeordnet ist.
1 1 . Gassensor nach Anspruch 10, wobei zumindest ein Teil der
Auswerteelektronik (28) auf oder in dem Kappensubstrat (20) angeordnet ist.
12. Gassensor nach Anspruch 10 oder 1 1 , wobei das Kappensubstrat (20)
mindestens eine Verbindungsöffnung zum Referenzvolumen (18) aufweist.
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