DE10146321A1 - Sensorbaustein mit einem Sensorelement, das von einem Heizelement umgeben ist - Google Patents

Sensorbaustein mit einem Sensorelement, das von einem Heizelement umgeben ist

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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

  • 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-Prozessierbarkeit 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 Wärmeleitfähigkeitssensoren 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 Temperaturverhaltens eines Sensorbausteins und
  • Fig. 5 eine vierte Ausführungsform eines Sensorbausteins.
  • Fig. 1A zeigt einen Sensorbaustein 1, der beispielsweise zum Messen der Wärmeleitfähigkeit 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 Ausführungsbeispiel 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 Kreisringstruktur 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 auszuschliessen. 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 Fig. 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 Konstanthalten 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 10, um innerhalb der Kreisringstruktur 7 die gleiche Temperatur einzustellen 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. 1C 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. 1C in Form einer durchgezogenen Linie und die Temperaturverteilung für eine kleine Wärmeleitfähigkeit in Form einer gepunkteten Linie dargestellt.
  • Fig. 1D 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 Ausbildung 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 Messverfahren, 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. 1C 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 Temperaturverteilung, die in Form einer durchgezogenen Linie eingezeichnet 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 Wärmeleitfähigkeiten 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 Rechteckes werden jeweils zur Hälfte von dem ersten und dem zweiten Leitungsabschnitt begrenzt. Auf diese Weise ist eine im Wesentlichen halbrechteckförmige 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 Leitungsabschnitt 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 17 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. Werden 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 Ausführungsbeispiel 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 (12)

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, dadurch gekennzeichnet, 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. Sensorbaustein 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, dadurch gekennzeichnet, 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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