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DE102014207480A1 - 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 Download PDF

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DE102014207480A1
DE102014207480A1 DE102014207480.0A DE102014207480A DE102014207480A1 DE 102014207480 A1 DE102014207480 A1 DE 102014207480A1 DE 102014207480 A DE102014207480 A DE 102014207480A DE 102014207480 A1 DE102014207480 A1 DE 102014207480A1
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DE
Germany
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layer
membrane
gas
cavity
measuring element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102014207480.0A
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English (en)
Inventor
Andreas Krauss
Christoph Schelling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to EP15715256.2A priority patent/EP3132256A1/de
Priority to PCT/EP2015/057716 priority patent/WO2015158599A1/de
Priority to CN201580019872.5A priority patent/CN106461492A/zh
Priority to JP2016563036A priority patent/JP2017514129A/ja
Priority to US15/304,165 priority patent/US20170038273A1/en
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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

  • 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 Ionenleiter 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 SOl.
  • Die DE 10 2004 036 032 A1 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:
  • 1 einen Querschnitt einer Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Aufsicht auf eine Vorrichtung zum Erfassen eines Parameters eines Gases, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ein Blockschaltbild eines Messsystems zum Bestimmen eines Parameters eines Gases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 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.
  • 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 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 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 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 bei 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 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 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 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 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 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 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 1 zeigt, ist das Druckmesselement 118 außerhalb des zu beheizenden Abschnitts 130 der Membran 106 angeordnet.
  • Der in 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 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 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 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.
  • 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 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 1 gezeigten Ausführungsbeispiels mit nur einer Kavität und umfasst auch die gleichen Elemente, mit dem Unterschied, dass bei dem in 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 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 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 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 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 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 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 in den Kavitäten 104 Anschlagelemente zur Beschränkung der Bewegung der Membran 106 angeordnet (in der Darstellung in 2 nicht zu sehen).
  • 3 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines beispielhaften Messsystems 300 zum Bestimmen eines Parameters eines Gases. Das Messsystem 300 umfasst ein Ausführungsbeispiel der anhand der 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 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 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.
  • 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 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004036032 A1 [0005]

Claims (15)

  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.
  3. 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.
  4. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmesselement (118) außerhalb des zu beheizenden Abschnitts (130) der Membran (106) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (114) und/oder die zweite Lage (116) mäanderförmig angeordnet ist.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. Vorrichtung (100), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (400) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche durchzuführen.
  14. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (400) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche durchzuführen.
  15. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.
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