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EP1430293A2 - Sensorbaustein mit einem sensorelement, das von einem heizelement umgeben ist - Google Patents

Sensorbaustein mit einem sensorelement, das von einem heizelement umgeben ist

Info

Publication number
EP1430293A2
EP1430293A2 EP02758160A EP02758160A EP1430293A2 EP 1430293 A2 EP1430293 A2 EP 1430293A2 EP 02758160 A EP02758160 A EP 02758160A EP 02758160 A EP02758160 A EP 02758160A EP 1430293 A2 EP1430293 A2 EP 1430293A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating
sensor
sensor module
temperature
heating element
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02758160A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Bauer
Isolde Simon
Michael Arndt
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
Publication of EP1430293A2 publication Critical patent/EP1430293A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested

Definitions

  • the invention relates to a sensor module according to the preamble of patent claim 1 and a method for measuring the conductivity of a gas with a sensor module according to the preamble of patent claim 12.
  • Sensor modules are used in various technical areas and are used in particular to measure the thermal conductivity of a gas for gas analysis.
  • a heated body is used, the heat losses are determined in large part by a heat dissipation to the surrounding gas. Consequently, the heating power required by the heated body to be kept at a constant temperature is a direct measure of the thermal conductivity of the surrounding gas.
  • Possible heating bodies include heater wires, heater resistors structured on foils and heater resistors on microstructured dielectric membranes.
  • the dielectric membranes that are produced by silicon micromechanical processes are becoming increasingly important due to their fast response time, small size and batch processability.
  • Large numbers of thermal conductivity sensors will be needed in the future, for example, for use in hydrogen-powered vehicles. Hydrogen has a very high thermal conductivity compared to air and can therefore be easily detected with a thermal conductivity sensor.
  • the change in the heater resistance under the influence of the thermal conductivity of the surrounding gas is evaluated as the measurement signal for determining the thermal conductivity of a gas, the heating power being kept constant becomes.
  • Another measurement method is that the heater resistance is regulated to a constant value, ie to a constant temperature, and the power required for this is evaluated as a signal.
  • the thermal conductivity of the gas can be calculated based on the measurement of the change in resistance or the controlled variable of the power.
  • the sensor signal of the known thermal conductivity sensors depends not only on the thermal conductivity of the gas surrounding the heated body, but also on the heat emission via the holder of the heated body and the heat radiation.
  • the heat losses that are undesirable for the application due to heat dissipation via the holder of the heated body and due to radiation are minimized by the use of thermally well-insulating materials and low temperatures at which the thermal conductivity sensors are operated.
  • a second heated body which is constructed identically to the first heated body and to which a reference gas is applied.
  • the sensitivity of the thermal conductivity sensor can be improved, for example with a bridge circuit.
  • Such a sensor structure is often used for laboratory measurements, but appears to be too complex for a small, compact and robust sensor module, as is required, for example, for use in the automotive sector.
  • the object of the invention is to provide a sensor module which is less sensitive to heat dissipation via the holders of the pickled body.
  • the object of the invention is achieved by a sensor module according to the features of claim 1.
  • An essential 'advantage of the sensor module according to the invention is that that a heating element is provided which at least partially surrounds the sensor element. In this way, the sensor element is better protected against heat dissipation. The sensor element is thus less sensitive to heat dissipation, which is carried out, for example, by holding the sensor module. The sensitivity of the sensor module is thus increased overall, so that a reference measurement is not necessary.
  • the sensor module has a heating element which almost completely surrounds the sensor element. In this way, an almost thermal insulation of the sensor element from heat dissipation via the holder of the sensor module is ensured. An almost complete decoupling of the sensor element from the heat dissipation via the holder is thus achieved. This further increases the sensitivity of the sensor module.
  • a preferred embodiment of the sensor module has a heating element which is designed in the form of at least two heating structures.
  • the formation of two independent heating structures makes it possible to heat the two heating structures independently of one another and thus, if necessary, to compensate for an asymmetrical arrangement of the two heating structures with respect to the sensor element by means of different actuation. It is thus possible, in particular, to carry out an exact calibration of the sensor module and thereby to compensate for inaccuracies in the initial setting of the heating element.
  • a temperature sensor is preferably assigned to each heating structure so that the temperature of each heating structure can be regulated independently.
  • a simple embodiment of the sensor element consists in the design of the sensor element as a resistance element.
  • the heating element is preferably essentially in the form of a ring structure.
  • the shape of a ring structure enables a simple embodiment of the heating element with which the sensor element can be largely surrounded by the heating element and thereby reliably protects the sensor element against heat dissipation.
  • the heating element essentially has the shape of a rectangular structure.
  • the formation of the heating element in a rectangular structure is technologically simple to represent.
  • one half of the rectangular structure is represented by a heating structure.
  • a geometric inaccuracy with respect to a symmetrical arrangement with respect to the sensor element can be compensated for by differently controlling the two heating structures.
  • a particularly simple construction of the sensor module is achieved in that the heating element and the sensor element are formed in two different layers.
  • the two layers can preferably each be produced from a material which is adapted to the material of the heating element or the material of the sensor element.
  • the two layers can be produced separately from one another and then connected to one another for example by a bonding process.
  • the carrier of the sensor module preferably has a membrane and a membrane holder.
  • the heating element and the sensor element are formed on the membrane.
  • the membrane holder is used to hold the sensor module, for example in a corresponding housing.
  • the object of the invention is also achieved by the inventive method according to claim 12.
  • the method according to the invention has the advantage that by arranging two heating structures that can be controlled independently of one another, for example, an inaccuracy in the arrangement of the heating structures can be compensated for. This improves the measuring accuracy of the sensor module.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a sensor module
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a sensor module
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a sensor module
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a temperature behavior of a sensor module
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of a sensor module.
  • the 1A shows a sensor module 1 which is used, for example, to measure the thermal conductivity of a gas surrounding the sensor module 1.
  • the sensor module 1 has a holding frame 2 and a membrane 3 connected to the holding frame 2.
  • the holding frame 2 and the membrane 3 are preferably made of a material that can be processed using micromechanical manufacturing methods. Silicon is preferably used to produce the holding frame 2 and a dielectric . Material such as silicon oxide, silicon nitride used to manufacture the membrane 3.
  • a heating element 4 is applied to the membrane 3.
  • the heating element 4 has electrical connections 6, which are formed in the lower region of the holding frame 2.
  • the heating element 4 essentially consists of a circular ring structure 7, which is electrically connected to the connection surfaces 6 via connection lines 8.
  • the circular ring structure 7 is not completely closed, but instead has an opening area 21, via which second connecting lines 9 of a sensor element 10 are guided from the lower area of the holding frame 2 into the center of the circular ring structure 7.
  • the sensor element 10 is connected via the second connection lines 9 to second connection surfaces 11 which are formed on the holding frame 2.
  • the sensor element 10 is implemented in the form of a second heating element.
  • the sensor element 10 preferably has a meandering structure which is arranged essentially around the center of the circular ring structure 7.
  • the circular ring structure 7 represents a preferred embodiment of the invention, but the shape of the heating element 4 is not limited to the circular ring structure 7.
  • the shape of the heating element 4 is to be designed in such a way that the heating element 4 at least partially delimits a sensor element 10 and thereby thermally dampens or preferably insulates it from the holding frame 2.
  • the function of the shape of the heating element 4 is to thermally decouple the sensor element 10 from the holding frame 2 and thus largely to rule out any influence on the temperature of the sensor element due to heat dissipation via the holding frame 2.
  • the heating element 4 can also have any other type of ring shape or partial ring shape.
  • sensor element 10 can also be designed as a temperature sensor. In addition, however, the resistance of the sensor element 10 can be evaluated as a second heating element for determining the temperature within the circular ring structure 7.
  • the sensor element 10 and the heating element 4 are arranged in a single layer.
  • the layer for the formation of the sensor element 10 can be selected to be smaller and, for example, arranged in the center of the circular ring structure 7.
  • the second layer, in which the sensor element 10 ′ is formed, preferably extends only a little beyond the circular ring structure 7. This achieves an additional decoupling between the second layer in which the sensor element 10 is formed and the holding frame 2.
  • the sensor module 1 according to FIGS. 1A and 1B is preferably used to determine the thermal conductivity of a gas adjacent to the membrane 3.
  • Various measuring methods can be used to determine the thermal conductivity:
  • the heating power with which the sensor element 10 is operated is set in such a way that the same temperature prevails within the circular ring structure 7 as in the area of the circular ring structure 7 itself.
  • the heating element is in shape of a resistor / then the resistor can simultaneously serve as a temperature sensor.
  • additional temperature sensors can eg diodes are used to maintain the temperature below the circular ring structure measuring 7 •.
  • the thermal conductivity of the gas adjacent to the membrane 3 can be concluded. If the gas has a greater thermal conductivity, a greater heating power is required in order to set the same temperature as on the circular ring structure 7 via the sensor element 10. If the gas has a lower thermal conductivity, a lower heating output is sufficient for the sensor element 1.0 in order to set the same temperature within the circular ring structure 7 as in the area of the circular ring structure 7.
  • IC shows, for example, the temperature distribution on the membrane 3, the temperature rising steeply starting from the holding frame 2 up to the circular ring structure 7 and essentially by regulating the sensor element 10, which is designed as a second heating element, within the circular ring structure 7 is constant.
  • a small effect is measured between a large thermal conductivity and a small thermal conductivity of the gas which is adjacent to the membrane 3.
  • the temperature distribution for a large thermal conductivity is shown in FIG. IC in the form of a solid line and the temperature distribution for a small thermal conductivity in the form of a dotted line.
  • FIG. ID shows an embodiment of the sensor module 1 according to the invention, in which the heating element 4 and the sensor element 10 are formed in different layers.
  • a first layer 12 is shown lying on the holding frame 2 and a second layer 13 lying on the first layer 12.
  • the second layer 13 essentially covers the area delimited by the circular ring structure 7 and has the sensor element 12.
  • the first and second layers 12, 13 are made of the same dielectric material that has low thermal conductivity. The formation of the two layers 12, 13 provides an additional decoupling of the sensor element 10 from a heat flow in the direction of the holding frame 2.
  • the training dung of two separate layers 12, 13 for receiving the heating element 4 and the sensor element 10 the advantage that the manufacturing process for the heating element 4 and the sensor element 10 can be carried out separately and also the connection lines regardless of the shape of the heating element 4 or can be formed from the shape of the sensor element 10.
  • FIG. 2 shows the representation of a heat distribution when using the sensor module 1 of FIG. 1A with a measuring method in which the sensor element 10 is designed only as a temperature sensor and the temperature within the circular ring structure 7 is detected with the sensor element 10.
  • Fig. 2 shows as a solid line, the temperature profile on the membrane 3 for a high thermal conductivity.
  • the temperature curve for a low thermal conductivity of the gas is shown in the form of a dotted line.
  • the sensor element 10 is either designed only as a temperature sensor or the sensor element 10 is additionally designed as a heating element in accordance with the embodiment of FIG. 1A, but is only used as a temperature sensor by measuring the resistance.
  • the heating element 4 is heated to a predetermined temperature Tj and the power for heating the heating element 4 is adjusted accordingly.
  • FIG. 3 shows the temperature profile of a further measuring method in which the heating element 4 is operated at constant power.
  • the temperature values also shift for the circular ring structure 7 as a function of the thermal conductivity of the adjacent gas.
  • a high thermal conductivity there is a temperature distribution, which is shown in the form of a solid line is drawing.
  • a low thermal conductivity of the adjacent gas there is a temperature distribution, which is shown in the form of a dotted line.
  • the heating element 4 with. constant power is heated, the temperature in the area of the ring structure 7 also changes. This temperature difference is shown by ⁇ Tr.
  • the temperature also has different values depending on the thermal conductivity. This temperature difference is shown in the middle of the circular ring structure 7 as ⁇ Tm.
  • the thermal conductivity by known methods. Capabilities of the gases can be calculated.
  • a first and a second heating structure 14, 15 are formed as the heating element 4, each of which essentially delimits one half of a border of a rectangular area.
  • the rectangular area delimited by the first and second heating structures 14, 15 represents a thermal area 16 of the membrane 3, which is thermally decoupled from the holding frame 2.
  • the sensor element 10 is arranged in the center of the thermal surface 16 and is implemented as a heating sensor coil in this exemplary embodiment.
  • the heating sensor coil has two connecting lines 19, 20 which are led to opposite sides of the holding frame 2.
  • the first and the second heating structure 14, 15 are arranged mirror-symmetrically to one another and are of identical design.
  • the first heating structure 14 has a line structure with a plurality of line sections, with individual sides of the border of the rectangular area being assigned a plurality of line sections arranged parallel to one another.
  • the line sections are preferably linear.
  • the individual line sections are connected to one another in the form of a single line.
  • the individual line sections are at a predetermined distance from one another and are .... arranged in side faces of a rectangle.
  • the upper and lower side surfaces of the ⁇ real corner are each bounded half by the first and the second line section. In this way, an essentially semi-rectangular meandering structure is formed.
  • a plurality of line sections are arranged between the thermal surface 16 and the holding frame 2. In this' way, better thermal isolation of the thermal surface 16 of the support frame 2 is possible.
  • a first temperature sensor 17 is formed between an innermost line portion and a position adjacent to the innermost line portion 'second L-egg line section which is formed substantially in the shape of a closed line, and in the form of semi-square-shaped meander pattern of the first heating structure fourteenth
  • the first temperature sensor 1 ' 7 is guided to the lower side edge of the holding frame 2.
  • a first end of the first heating structure 14 leads to the upper side part of the holding frame 2 and the second end of the first heating structure '14 leads to the lower side part of the holding frame 2.
  • the second heating structure 15 is mirror-symmetrical to the first heating structure 14 and "also has a second temperature sensor 18 arranged mirror-symmetrically to the first temperature sensor 17.
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of the heating element 4, the shape of the first and the second heating structure 14, 15 also being able to be designed in the form of a circular ring structure.
  • An advantage of the first and the second heating structure 14, 15 is, on the one hand, that better thermal decoupling between the thermal surface 16 and the holding frame 2 is achieved by the multiple juxtaposition of line sections, and also by the arrangement of two, independently of one another controllable heating structures 14, 15 a symmetrical distribution of the temperature in the area of the thermal surface 16 can be achieved.
  • Fig. 5 shows an annular heater with two heating structures which have a plurality of juxtaposed 'line sections.
  • sensor element 10 can be designed in the form of a heating and / or temperature element or only in the form of a temperature element with which the temperature is measured.
  • the arrangement of the sensor element 10 and the first and the second heating structure 14, 15 in different layers is also possible in accordance with the embodiment of FIG. 1.
  • the heating element 4 and the heating structures 14, 15 are implemented, for example, in the form of printed conductor tracks.
  • a corresponding control device is provided, with which the output of the first and the second heating structure 14, 15 can be set differently. In this way, improved 'measurement conditions are possible.

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Abstract

Es wird ein Sensorbaustein beschrieben, der eine Heizstruktur und ein Sensorelement aufweist. Die Heizstruktur umgibt das Sensorelement, so dass das Sensorelement weitgehend von einem Wärmeabfluss über einen Rahmen entkoppelt ist. Damit wird eine grössere Messgenauigkeit des Sensorbausteins erreicht. Insbesondere werden störende Einflüsse durch einen Temperaturabfluss über den Halterahmen vermieden.

Description

Beschreibung
Sensorbaustein mit einem Sensorelement, das von einem Heizelement umgeben ist
Die Erfindung betrifft einen Sensorbaustein gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Messen der Leitfähigkeit eines Gases mit einem Sensorbaustein gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
Sensorbausteine werden in verschiedenen technischen Bereichen eingesetzt und insbesondere zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases zur Gasanalyse verwendet. Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit eines' Gases wird ein beheizter Körper verwendet, dessen Wärmeverluste zum größten Teil durch eine Wärmeableitung an das umgebende Gas bestimmt sind. Folglich stellt die Heizleistung, die der beheizte Körper benötigt, um auf einer konstanten Temperatur gehalten zu werden, ein direktes Maß der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases dar.
Als mögliche beheizte Körper finden unter anderem Anwendung Heizerdrähte, auf Folien strukturierte Heizerwiderstände und Heizerwiderstände auf mikrostrukturierten dielektrischen Membranen. Die dielektrischen Membranen, die durch Silicium- Mikromechanik-Prozesse erzeugt werden, gewinnen aufgrund ihrer schnellen Ansprechzeit, geringen Größe und Batch-Prozes- sierbarkeit immer mehr an Bedeutung. Große Stückzahlen von Wärmeleitfähigkeitssensoren werden in Zukunft beispielsweise für den Einsatz in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen benötigt. Wasserstoff hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Luft und lässt sich somit mit einem Wärmeleitfähigkeitssensor gut detektieren.
Als Messsignal zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases wird beispielsweise die Änderung des Heizerwiderstandes unter dem Einfluss der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases ausgewertet, wobei die Heizleistung konstant gehalten wird. Ein anderes Messverfahren besteht darin, dass der Heizerwiderstand auf einem konstanten Wert, d.h. auf' einer konstanten Temperatur, geregelt und als Signal die dazu benötigte Leistung ausgewertet wird. Basierend auf der Messung der Widerstandsänderung oder der Regelgröße der Leistung kann die Wärmeleitfähigkeit des Gases berechnet werden.
Ein Problem bei der Auswertung solcher Sensorbausteine besteht allerdings darin, dass das Sensorsignal der bekannten Wärmeleitfähigkeitssensoren nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit des den beheizten Körper umgebenden Gases, sondern auch von der Wärmeabgabe über die Halterung des beheizten Körpers und der Wärmeabstrahlung abhängt. Die für die Anwendung unerwünschten Wärmeverluste aufgrund von Wärmeableitung über die Halterung des beheizten Körpers und durch Strahlung werden durch die Verwendung von thermisch gut isolierenden Materialien und niedrigen Temperaturen, bei denen die Wärmeleitfä- higkeitssensoren betrieben werden, minimiert.
Weiterhin ist es bekannt, einen zweiten beheizten Körper vorzusehen, der identisch zu dem ersten beheizten Körper aufgebaut ist und mit einem Referenzgas beaufschlagt ist. Durch den Vergleich der Signale der beiden beheizten Körper kann beispielsweise mit einer Brückenschaltung die Empfindlichkeit des Wärmeleitfähigkeitssensors verbessert werden. Ein solcher Sensoraufbau findet häufig für Labormessungen Verwendung, erscheint aber zu aufwendig für einen kleinen, kompakten und robusten Sensorbaustein-, wie er beispielsweise, für die Anwendung im Automobilbereich erforderlich ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensorbaustein bereitzustellen, der unempfindlicher gegen eine Wärmeableitung über die Halterungen des beizten Körpers ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Sensorbaustein gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein wesentlicher 'Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorbausteins besteht darin, dass ein Heizelement vorgesehen ist, das mindestens teilweise das Sensorelement umgibt. Auf diese Weise wird das Sensorelement besser gegen eine Wärmeableitung geschützt. Somit ist das Sensorelement weniger empfindlich gegenüber einer Wärmeableitung, die beispielsweise durch eine Halterung des Sensorbausteins erfolgt. Somit wird insgesamt die Empfindlichkeit des Sensorbausteins erhöht, so dass eine Referenzmessung nicht erforderlich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Sensorbaustein ein Heizelement auf, das das Sensorelement fast vollständig umgibt. Auf diese Weise wird eine nahezu thermische Isolierung des Sensorelementes gegenüber einer Wärmeableitung über die Halterung des Sensorbausteins gewährleistet. Damit wird eine fast vollständige Entkopplung des Sensorelementes von der Wärmeableitung über die Halterung erreicht. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Sensorbausteins weiter erhöht .
Eine bevorzugte Ausführungsform des Sensorbausteins weist ein Heizelement auf, das in Form von wenigstens zwei Heizstrukturen ausgebildet ist. Durch die Ausbildung von zwei unabhängigen HeizStrukturen ist es möglich, die zwei HeizStrukturen unabhängig voneinander zu beheizen und damit gegebenenfalls eine asymmetrische Anordnung der zwei Heizstrukturen in Bezug auf das Sensorelement durch eine unterschiedliche Ansteuerung auszugleichen. Somit ist es insbesondere möglich, eine genaue Kalibrierung des Sensorbausteins durchzuführen und dadurch Ungenauigkeiten bei der Erststellung des Heizelementes auszugleichen.
Vorzugsweise wird jeder Heizstruktur ein Temperatursensor zugeordnet, so dass jede Heizstruktur unabhängig in der Temperatur regelbar ist.
Eine einfache Ausführungsform des Sensorelementes besteht in der Ausbildung des Sensorelements als Widerstandselement. Vorzugsweise ist das Heizelement im Wesentlichen in Form einer Ringstruktur ausgebildet. Die Form einer Ringstruktur ermöglicht eine einfache Ausbildungsform des Heizelementes, mit der das Sensorelement weitgehend von dem Heizelement umgeben werden kann und dadurch das Sensorelement gegenüber einer Wärmeableitung zuverlässig geschützt wird. .
In' einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Heizelement im Wesentlichen die Form einer Rechteckstruktur auf. Die Ausbildung des Heizelementes in einer Rechteckstruktur ist technologisch einfach darzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Rechteckstruktur wird jeweils eine Hälfte der Rechteckstruktur durch eine Heizstruktur dargestellt. Auf diese Weise kann eine geometrische Ungenauigkeit in Bezug auf eine symmetrische Anordnung zu dem Sensorelement durch eine unterschiedliche Ansteuerung der zwei HeizStrukturen ausgeglichen werden.
Ein besonders einfacher Aufbau des Sensorbausteins wird dadurch erreicht, dass das Heizelement und das Sensorelement in zwei verschiedenen Schichten ausgebildet sind. Dadurch wird beispielsweise das Verfahren zur Herstellung des Sensorbausteins flexibler. Vorzugsweise können die zwei Schichten jeweils aus einem Material hergestellt werden, das auf das Material des Heizelementes bzw. das Material des Sensorelementes angepasst sind. Weiterhin können die zwei Schichten in einer bevorzugten Ausführungsform getrennt voneinander hergestellt werden und anschließend beispielsweise durch ein Bondverfahren miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise weist der Träger des Sensorbausteins eine Membran und einen Membranhalter auf. Das Heizelement und das Sensorelement sind auf der Membran ausgebildet. Der Membranhalter dient zum Haltern des Sensorbausteins beispielsweise in einem entsprechenden Gehäuse. Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Anspruch 12 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch die Anordnung zweier Heizstrukturen, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind, beispielsweise eine Ungenauigkeit in der Anordnung der Heizstrukturen ausgeglichen werden kann. Somit wird die Messgenauigkeit des Sensorbausteins verbessert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es" zeigen
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Sensorbausteins, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Sensorbausteins, Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines Sensorbausteins, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Temperaturverhal- tens eines Sensorbausteins und Fig. 5 eine vierte Ausführungsform eines Sensorbausteins.
Fig. 1A zeigt einen Senεorbaustein 1, der beispielsweise zum Messen der Wärmelei fähigkeit eines den Sensorbaustein 1 umgebenden Gases eingesetzt wird. Der Sensorbaustein 1 weist einen Halterahmen 2 und eine mit dem Halterahmen 2 verbundene Membran 3 auf . Der Halterahmen 2 und die Membran 3 sind vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das mit mikromechanischen Herstellungsverfahren bearbeitbar ist. Vorzugsweise wird Silicium zur Herstellung des Halterahmens 2 und ein dielektrisches. Material wie z.B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid zur Herstellung der Membran 3 verwendet. Auf der Membran 3 ist ein Heizelement 4 aufgebracht. Das Heizelement 4 weist elektrische Anschlüsse 6 auf, die im unteren Bereich des Halterahmens 2 ausgebildet- sind. Das Heizelement 4 besteht im Wesentlichen aus einer Kreisringstruktur 7, die über Anschlussleitungen 8 mit den Anschlussflächen 6 elektrisch verbunden ist. Die Kreisringstruktur 7 ist nicht vollständig geschlossen, sondern weist einen Öffnungsbereich 21 auf, über den zweite Anschlussleitungen 9 eines Sensorelementes 10 von dem unteren Bereich des Halterahmens 2 in die Mitte der Kreisringstruktur 7 geführt sind. Das Sensorelement 10 ist über die zweiten Anschlussleitungen 9 mit zweiten Anschlussflächen 11 verbunden, die am Halterahmen 2 ausgebildet sind.
Das Sensorelement 10 ist in dem dargestellten Ausführungsbei- spiel in Form eines zweiten Heizelementes realisiert. Vorzugsweise weist das Sensorelement 10 eine Mäanderstruktur auf, die im Wesentlichen um den Mittelpunkt der Kreisringstruktur 7 angeordnet ist.
Die Kreisringstruktur 7 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, wobei jedoch die Form des Heizelementes 4 nicht auf die Kreisringstrüktur 7 begrenzt ist. Die Form des Heizelementes 4 ist in der Weise auszubilden, dass das Heizelement 4 ein Sensorelement 10 wenigstens teilweise umgrenzt und dadurch thermisch gegenüber dem Halterahmen 2 dämpft bzw. vorzugsweise isoliert. Die Funktion der Form des Heizelementes 4 besteht darin, das Sensorelement 10 thermisch gegenüber dem Halterahmen 2 zu entkoppeln und somit einen Einfluss auf die Temperatur des Sensorelementes durch einen Wärmeabfluss über den Halterahmen 2 weitgehend auszuschlies- sen. Anstelle der dargestellten Form kann das Heizelement 4 auch jede andere Art von Ringform oder Teilringform aufweisen.
Das Sensorelement 10 kann anstelle der Ausbildung als zweites Heizelement auch als Temperatursensor ausgebildet sein. Zudem kann jedoch der Widerstand des Sensorelementes 10 in der Ausbildung als zweites Heizelement zur Ermittlung der Temperatur innerhalb der Kreisringstruktur 7 ausgewertet werden.
Fig. 1B zeigt einen Querschnitt A-A durch den Sensorbaustein 1. Dabei ist deutlich die Querschnittsform des Halterahmens 2 und die Querschnittsform der Membran 3 erkennbar. Zudem sind in diesem Ausführungsbeispiel das Sensorelement 10 und das Heizelement 4 in einer einzigen Schicht angeordnet. Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, dass das Sensorelement 10 und das Heizelement 4 in verschiedenen Schichten ausgebildet sind, die übereinander angeordnet sind. Dabei kann beispielsweise die Schicht für die Ausbildung des Sensorelementes 10 kleiner gewählt werden und beispielsweise mittig zur Kreisringstruktur 7 angeordnet werden. Vorzugsweise erstreckt sich die zweite Schicht, In der das Sensorelement 10 ' ausgebildet ist,- nur wenig über die Kreisringstruktur 7 hinaus. Dadurch wird eine zusätzliche Entkopplung zwischen der zweiten Schicht, in der das Sensorelement 10 ausgebildet ist, und dem Halterahmen 2 erreicht.
Der Sensorbaustein 1 gemäß den Figuren 1A und 1B wird vorzugsweise zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit eines an die Membran 3 angrenzenden Gases eingesetzt. Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit können verschiedene Messverfahren eingesetzt werden:
Ist beispielsweise das Sensorelement 10 als zweites Heizelement ausgebildet, so wird die Heizleistung, mit der das Sensorelement 10 betrieben wird, in der Weise eingestellt, dass innerhalb der Kreisringstruktur 7 die gleiche Temperatur herrscht wie im Bereich der Kreisringstruktur 7 selbst. Ist das Heizelement in Form eines Widerstands ausgebildet/ dann kann der Widerstand gleichzeitig als Temperatursensor dienen. Zudem können zusätzliche Temperaturfühler wie z.B. Dioden verwendet werden, um die Temperatur unterhalb der Kreisringstruktur 7 • zu messen.
Aufgrund der Leistung, die zum Konstanthalteri der Temperatur benötigt wird, kann auf die Wärmeleitfähigkeit des Gases geschlossen werden, das an die Membran 3 angrenzt. Weist das Gas eine größere Wärmeleitfähigkeit auf, so ist eine größere Heizleistung erforderlich, um über das Sensorelement 10 die gleiche Temperatur wie an der Kreisringstruktur 7 einzustellen. Weist das Gas eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf, so genügt eine geringere Heizleistung für das Sensorelement 1.0, um innerhalb der Kreisringstruktur 7 die gleiche Temperatur ein- ' zustellen wie im Bereich der Kreisringstruktur 7.
Entsprechende Messverfahren sind beispielsweise von Hartmann und Braun, Produktinformation, .Leaflet for the TCS 208. F (3),, 1999, beschrieben.
Fig. IC stellt beispielsweise die Temperaturverteilung auf der Membran 3 dar, wobei die Temperatur ausgehend von dem Halterahmen 2 steil bis zu der Kreisringstruktur 7 ansteigt und durch eine entsprechende Regelung des Sensorelementes 10, das als zweites Heizelement ausgebildet ist, innerhalb der Kreisringstruktur 7 im Wesentlichen konstant ist. Im Bereich zwischen der Kreisringstruktur 7 und dem Halterahmen 2 wird ein geringer Effekt zwischen einer großen Wärmeleitfähigkeit und einer kleinen Wärmeleitfähigkeit des Gases gemessen, das an die' Membran 3 angrenzt. Die Temperaturverteilung für eine große Wärmeleitfähigkeit ist in der Fig. IC in Form einer durchgezogenen Linie und die Temperaturverteilung für eine kleine Wärmeleitfähigkeit in. Form einer gepunkteten Linie dargestellt.
Fig. ID zeigt eine Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Sensorbausteins 1, bei der das Heizelement 4 und das Sensorelement 10 in verschiedenen Schichten ausgebildet sind. Es ist eine erste Schicht 12 aufliegend auf dem Halterahmen 2 und eine zweite Schicht 13 aufliegend auf der ersten Schicht 12 dargestellt. Die zweite Schicht 13 bedeckt im Wesentlichen die von der Kreisringstruktur 7 umgrenzte Fläche und weist das Sensorelement 12 auf. Vorzugsweise bestehen die erste und die zweite Schicht 12, 13.aus dem gleichen dielektrischen Material, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch die Ausbildung der zwei Schichten 12, 13 ist eine zusätzliche Entkopplung des Sensorelementes 10 von einem Wärmeabfluss in Richtung des Halterahmens 2 gegeben. Zudem bietet die Ausbil- dung von zwei getrennten -Schichten 12, 13 für die Aufnahme des Heizelementes 4 und des Sensorelementes 10 den Vorteil, dass die Herstellungsverfahren für das Heizelement 4 und das Sensorelement 10 getrennt durchgeführt werden kann und weiterhin die Anschlussleitungen unabhängig von der Form des Heizelementes 4 bzw. von der Form des Sensorelementes 10 ausgebildet werden können.
Fig. 2 zeigt die Darstellung einer Wärmeverteilung bei der Verwendung des Sensorbausteins 1 der Fig. 1A mit einem Mess- verfahren, bei dem das Sensorelement 10 nur als Temperatursensor ausgebildet ist und die Temperatur innerhalb der Kreisringstruktur 7 mit dem Sensorelement 10 erfasst wird. In Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Gases, das an die Membran 3 angrenzt, werden verschiedene Temperaturverläufe und verschiedene Temperaturen innerhalb der Kreisringstruktur 7 gemessen. Fig. 2 zeigt als durchgezogene Linie, den Temperaturverlauf auf der Membran 3 für eine große Wärmeleitfähigkeit. Der Temperaturverlauf für eine kleine Wärmeleitfähigkeit des Gases ist in Form einer gepunkteten Linie dargestellt. Das Sensorelement 10 ist in dieser Anwendung entweder nur als Temperatursensor ausgebildet oder das Sensorelement 10 ist zwar zusätzlich als- Heizelement entsprechend der Ausbildungsform der Fig. 1A ausgebildet, wird- jedoch über die Messung des Widerstandes nur als Temperatursensor verwendet. In den Messverfahren gemäß den Temperaturverteilungen der Fig. IC und der Fig. 2 wird das Heizelement 4 jeweils auf eine vorgegebene Temperatur Tj aufgeheizt und die Leistung zur Aufheizung des Heizelementes 4 entsprechend nachgeregelt.
Fig. 3 zeigt den Temperaturverlauf eines weiteren Messverfahrens, bei dem das Heizelement 4 mit konstanter Leistung betrieben wird. Bei diesem Messverfahren verschieben sich- die Temperaturwerte auch für die Kreisringstruktur 7 in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des angrenzenden Gases. Bei einer großen Wärmeleitfähigkeit ergibt sich eine Temperatur- Verteilung, die in Form einer durchgezogenen Linie einge- zeichnet ist. -Bei einer geringen Wärmeleitfähigkeit des angrenzenden Gases ergibt sich eine Temperaturverteilung, die in Form einer gepunkteten Linie dargestellt ist. Da das Heizelement 4 mit. -konstanter Leistung beheizt wird, verändert sich auch die Temperatur im Bereich der Ringstruktur 7. Diese Temperaturdifferenz ist mit ΔTr eingezeichnet. Innerhalb der Kreisringstruktur 7 weist auch die Temperatur abhängig von der Wärmeleitfähigkeit unterschiedliche Werte auf. Dieser Temperaturunterschied ist in der Mitte der Kreisringstruktur 7 als ΔTm eingezeichnet. In Abhängigkeit von den Temperaturunterschieden können" nach bekannten Verfahren die Wärmeleit-. fähigkeiten der Gase berechnet werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensorbausteins 1. In dieser Ausführungsform sind als Heizelement 4 eine erste und eine zweite Heizstruktur 14, 15 ausgebildet, die jeweils eine Hälfte einer Umrandung einer Rechteckfläche im Wesentlichen begrenzen. Die von der ersten und der zweiten Heizstruktur 14, 15 begrenzte Rechteckfläche stellt eine thermische' Fläche 16 der Membran 3 dar, die gegenüber dem Halterahmen 2 thermisch entkoppelt ist. Mittig in der thermischen Fläche 16 ist das Sensorelement 10 angeordnet, das in diesem Ausführungsbeispiel als Heizfühlerwendel realisiert ist. Die Heizfühlerwendel weist zwei Anschlussleitungen 19, 20 auf, die zu gegenüberliegenden Seiten des Halterahmens 2 geführt sind.
Die erste und die zweite Heizstruktur 14, 15 sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet und identisch ausgebildet. Die. erste Heizstruktur 14 weist eine Leitungsstruktur mit mehreren Leitungsabschnitten auf, wobei einzelne Seiten der Umrandung der Rechteckfläche mehrere parallel zueinander angeordnete Leitungsabschnitte zugeordnet sind. Die Leitungsabschnitte sind vorzugsweise geradlinig ausgebildet. Die einzelnen Leitungsabschnitte sind in Form einer einzigen Leitung miteinander verbunden. Die einzelnen Leitungsabschnitte weisen einen vorgegebenen Abstand .voneinander auf und sind .... in Seitenflächen eines Rechteckes angeordnet. Die obere und die untere Seitenfläche des ■ echteckes werden jeweils zur Hälfte von dem ersten und dem zweiten Leitungsabschnitt begrenzt. Auf diese Weise ist eine im Wesentlichen halbrecht- eckförmige Mäanderstruktur ausgebildet. Durch die bevorzugte Ausführungsform sind zwischen der thermischen Fläche 16 und dem Halterahmen 2 mehrere Leitungsabschnitte angeordnet. Auf diese' Weise ist eine bessere thermische Entkopplung der thermischen Fläche 16 von dem Halterahmen 2 möglich. Vorzugsweise ist zwischen einem innersten Leitungsabschnitt und einer an den innersten Leitungsabschnitt angrenzenden 'zweiten L-ei- tungsabschnitt ein erster Temperaturfühler 17 ausgebildet, der im Wesentlichen in Form einer geschlossenen Leitung und in Form der halbrechteckförmigen Mäanderstruktur der ersten Heizstruktur 14 ausgebildet ist. Der erste Temperaturfühler 1'7 ist an die untere Seitenkante des Halterahmens 2 geführt. Ein erstes Ende der ersten Heizstruktur 14 ist zum oberen Seitenteil des Halterahmens 2 und das zweite Ende der .ersten Heizstruktur '14 ist zum unteren Seitenteil des Halterahmens 2 geführt.
Die zweite Heizstruktur 15 ist spiegelsymmetrisch zur ersten Heizstruktur 14 ausgebildet und"weist ebenso einen spiegelsymmetrisch zum ersten Temperaturfühler 17 angeordneten zweiten Temperaturfühler 18 auf.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Heizelementes 4, wobei die Form der ersten und der zweiten Heizstruktur 14, 15 auch in Form einer Kreisringstruktur ausgebildet werden kann. Ein Vorteil der ersten und der zweiten Heizstruktur 14, 15, besteht zum einen darin, dass durch die mehrfache Nebeneinanderanordnung von Leitungsabschnitten eine bessere thermische Entkopplung zwischen der thermischen Fläche 16 und dem Halterahmen 2 erreicht wird, und dass zudem durch die Anordnung zweier, unabhängig voneinander regelbarer Heizstrukturen 14, 15 eine symmetrische Verteilung der Temperatur im Bereich der thermischen Fläche 16 erreicht werden kann. Wer- den beispielsweise die erste und die zweite Heizstruktur 14, 15 mit unterschiedlichen Abständen zur mittigen Position des Sensorelementes .10 auf der Membran 3 aufgebracht, so- kann durch eine unterschiedliche Leistungssteuerung diese Abweichung in der geometrischen Anordnung wieder ausgeglichen werden, so dass das Sensorelement 10 eine bezüglich aller Richtungen im -Wesentlichen der gleichen Temperaturverteilung ausgesetzt ist.
Fig. 5 zeigt ein ringförmiges Heizelement mit zwei Heizstrukturen, die mehrere nebeneinander angeordnete 'Leitungsabschnitte aufweisen.
Das Sensorelement 10 kann entsprechend dem Ausführungsbei- spiel der Fig. 1 in Form eines Heiz- und/oder Temperaturelementes oder nur in Form eines Temperaturelementes ausgebildet werden, mit dem die Temperatur .gemessen wird. Auch ist die Anordnung des Sensorelementes 10 und der ersten und der zweiten Heizstruktur 14, 15 in unterschiedlichen Schichten entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 möglich. Das Heizelement 4 und die Heizstrukturen 14, 15 werden beispielsweise in Form von aufgedruckten Leiterbahnen realisiert.
Zur unterschiedlichen Ansteuerung der ersten und der zweiten Heizstruktur 14, 15 ist ein entsprechendes Steuergerät vorgesehen, mit dem die Leistung der ersten und der zweiten Heizstruktur 14, 15 unterschiedlich einstellbar ist. Auf diese Weise werden verbesserte 'Messbedingungen ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
'1. Sensorbaustein (1) mit einem Träger (2, 3), auf dem ein Heizelement (4) und ein Sensorelement (10) aufgebracht sind, wobei das Heizelement • (4) zum- Einstellen einer Temperatur des Trägers (2, 3) verwendbar ist, wobei das Sensorelement (10) zum Ermitteln der Temperatur des .Trägers (2, 3) verwendbar ist, d a du r c h- g e k e n n z .e i c h. n e t, dass das Heizelement (4) -mindestens teilweise das Sensorelement (10) umgibt.
2. Sensorbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) das Sensorelement fast vollständig, vorzugsweise vollständig umgrenzt.
3. Sensorbaustein nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) in Form von wenigstens zwei Heizstrukturen (14, 15) ausgebildet ist.
4. Sensorbaustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei HeizStrukturen (14, 15) in der Leistung getrennt regelbar sind.
5. Sensorbaustein nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Heizstruktur (14, 15) ein Temperatursensor (17, 18) zugeordnet ist.
6. Sensorbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement "(10) in Form eines Heizelementes ausgebildet ist.
7. Sensorbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) im Wesentlichen in Form einer wenigstens Teilringstruktur, vorzugsweise in Form einer Ringstruktur ausgebildet ist.
8. Sensorbausteiή nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (-4) .im Wesentlichen in Form einer Rechteckstruktur ausgebildet ist.
9. Sensorbaustein nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Seite der Rechteckstruktur von einer Heizstruktur (14, 15) dargestellt ist.
10. Sensorbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger zwei Schichten (12, 13) aufweist, dass in einer ersten Schicht (12) das Heizelement (4) und in einer zweiten Schicht ' (13). das Sensorelement (10) angeordnet sind.
11. Sensorbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine Membran (3) und einen Membranhalter (2) aufweist, und dass das Heizelement (4) und das Sensorelement (10) auf der Membran (3) ausgebildet sind.
12. Verfahren zum Messen der Leitfähigkeit eines Gases mit einem Sensorbaustein nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, dass mit den zwei HeizStrukturen (14, 15) eine vorgegebene Temperatur oder eine von der Heizstruktur (14, 15) abzugebende Heizleistung eingestellt wird, dass mit dem Sensorelement (10) die Temperatur bzw. die zur Einstellung der an den Heizstrukturen (14, 15) herrschenden Temperatur benötigte Heizleistung des Sensorelementes (10) erfasst wird, dass aus der Temperatur bzw. der Heizleistung eine Aussage über die Leitfähigkeit des Gases getroffen wird, und dass die zwei Heizstrukturen (14, 15) unabhängig voneinander in der Heizleistung geregelt werden.
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