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1. (WO2019048202) GASSENSOR ZUM MESSEN EINER KONZENTRATION EINES ANALYSEGASES
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

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.