DE10246051A1

DE10246051A1 - Apparatus for determining the concentration of a material in a gas (e.g. carbon dioxide in air-conditioning) has two sensor systems operating in different measuring regions

Info

Publication number: DE10246051A1
Application number: DE2002146051
Authority: DE
Inventors: Michael Arndt; Christian Krummel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-15

Abstract

Apparatus for determining the concentration of a material in a gas has two sensor systems (2,3) operating in different measuring regions.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind chemische Gassensoren für die Detektion von Gasen, wie beispielsweise Kohlendioxid, bekannt, die beispielsweise als Halbleitersensoren vorgesehen sind. Weiterhin sind solche chemischen Gassensoren als Festelektrolyt-Sensoren oder als kapazitive Sensoren realisiert. Mit solchen Sensoren sind Messbereiche des zu detektierenden Gases von wenigen ppm bis zu einigen 1000 ppm, typischerweise ca. 1000 ppm bis 2000 ppm erreichbar. Ein Nachteil dieser Sensoren ist ihre geringe Stabilität über die Lebensdauer. Je nach Beaufschlagung mit anderen Gasen oder dem Kontakt mit Feuchtigkeit und je nach dem Verlauf der Umgebungstemperatur des Sensors kann sich die Sensitivität solcher bekannter Gassensoren ändern. Dadurch ist eine längerfristige, genaue Messung einer absoluten Gaskonzentration nicht oder nur schwer möglich. Dieses Verhalten solcher Gassensoren ist ausreichend bzw. tolerierbar für sog. Komfort-Anwendungen, d.h. für Anwendungen, bei denen eine ungenaue Messung oder ein Ausfall der Messung zu keinen sicherheitskritischen Situationen führt. Dies ist beispielsweise für die Messung der CO2-Konzentration im Innenraum eines Kraftfahrzeugs dann der Fall, wenn keine großen CO2-Quellen im Kraftfahrzeug vorhanden sind. Im Gegensatz zu einer Komfort-Anwendung steht eine Sicherheitsanwendung, bei der über die gesamte Lebensdauer des Sensors eine Mindeststabilität und eine Mindestverlässlichkeit der Sensorfunktion gewährleistet sein muss. Eine solche Sicherheitsanwendung ist beispielsweise die Überwachung der Innenraumluft eines Kraftfahrzeugs im Hinblick auf deren CO2-Konzentration für den Fall, dass eine große potentielle CO2-Quelle, beispielsweise die mit CO2 betriebene Klimaanlage, vorhanden ist, aus der, beispielsweise im Falle eines Lecks der Klimaanlage, sicherheitskritische Mengen von CO2 austreten könnten. Für solche Sicherheitsanwendungen ist eine hohe Konstanz der Sensitivität für die Überwachung von Grenzwerten erforderlich. Dies ist gemäß dem Stand der Technik nicht möglich.The invention is based on one Device according to the type of the main claim. They are chemical Gas sensors for the detection of gases, such as carbon dioxide, is known, which are provided, for example, as semiconductor sensors. Farther are such chemical gas sensors as solid electrolyte sensors or realized as capacitive sensors. With such sensors there are measuring ranges of the gas to be detected from a few ppm up to several thousand ppm, typically approx. 1000 ppm to 2000 ppm achievable. A disadvantage of these sensors is their low stability over the life. Depending on Exposure to other gases or contact with moisture and depending on the course of the ambient temperature of the sensor yourself the sensitivity change such known gas sensors. This is a longer-term, exact measurement of an absolute gas concentration is difficult or impossible possible. This behavior of such gas sensors is sufficient or tolerable for so-called comfort applications, i.e. For Applications where an inaccurate measurement or a measurement failure does not lead to safety-critical situations. For example, this is for the Measurement of the CO2 concentration in the interior of a motor vehicle then the case when no big ones CO2 sources are present in the motor vehicle. In contrast to one Comfort application is a security application where the a minimum stability and a minimum reliability the sensor function guaranteed have to be. Monitoring is one such security application the interior air of a motor vehicle with regard to its CO2 concentration for the Case that's a big one potential CO2 source, for example the CO2-operated air conditioning system, from which, for example in the event of a leak in the air conditioning system, safety-critical amounts of CO2 could escape. For such security applications is a high level of sensitivity for monitoring limit values required. This is according to the state technology not possible.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass sowohl eine Überwachung des Komfort-Bereichs als auch eine Überwachung von Grenzwerten für Sicherheitsanwendungen möglich ist. Generell ist es somit erfindungsgemäß möglich, mehrere Messbereiche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu überdecken. Insbesondere in einem Messbereich, welcher den sicherheitskritischen Anwendungen entspricht, ist die Sensitivität der Vorrichtung besonders stabil über deren gesamte Lebensdauer. Vorteilhaft ist daher, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung einerseits über die gesamten Messbereiche verfügbar ist und zusätzlich eine konstante Sensitivität über die Lebensdauer besitzt.The device according to the invention with the features of the main claim against that Advantage that both monitoring of the comfort area as well as monitoring of limit values for security applications is possible. In general, it is therefore possible according to the invention to have several measuring ranges with the device according to the invention to cover. Especially in a measuring range that meets the safety-critical Corresponding to applications, the sensitivity of the device is special stable over their entire lifespan. It is therefore advantageous that the device according to the invention on the one hand about the entire measuring ranges available is and in addition a constant sensitivity to the Has lifespan.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass sich der erste und zweite Messbereich zumindest teilweise überlagert bzw. überlappt. Dadurch ist es möglich, dass eine Rekalibrierung zwischen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung durch gleichzeitige Messung in dem den ersten und zweiten Messbereich überlappenden Messbereich möglich ist. Weiterhin ist es dadurch vorteilhaft möglich, dass kontinuierlich über die Gesamtheit des ersten und zweiten Messbereichs eine Messung durchgeführt werden kann. Weiterhin ist es von Vorteil, dass eine gemeinsame Auswertevorrichtung zur Auswertung von Signalen der ersten Sensoranordnung und von Signalen der zweiten Sensoranordnung vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstiger zu gestalten, weil lediglich eine Auswertevorrichtung für die Auswertung von Signalen der ersten und der zweiten Sensoranordnung notwendig ist. Weiterhin ist von Vorteil, dass die erste Sensoranordnung auf einer ersten Membran vorgesehen ist und dass die zweite Sensoranordnung auf einer zweiten Membran vorgesehen ist. Dadurch ist die erste Sensoranordnung von der zweiten Sensoranordnung weitgehend unabhängig und Störungen können sich schlecht auf beide Sensoranordnungen übertragen. Dadurch ist ein sichererer Betrieb der Vorrichtung möglich. Weiterhin ist es auch von Vorteil, dass die erste und zweite Sensoranordnung auf einer Membran vorgesehen ist. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung kleiner, leichter und kostengünstiger gestaltet werden. Weiterhin ist von Vorteil, dass die erste Sensoranordnung als chemischer Sensor vorgesehen ist. Hierdurch ist eine besonders genaue Messung der Konzentration eines Stoffes für kleine Konzentrationen des Stoffes möglich. Weiterhin ist von Vorteil, dass die zweite Sensoranordnung als Wärmeleitfähigkeitsensor oder als Infrarotsensor vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, für sicherheitskritische Anwendungen Sensorprinzipien zu verwenden, die über die gesamte Lebensdauer des Sensors bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung stabil funktionieren. Weiterhin ist von Vorteil, dass die erste und zweite Sensoranordnung auf einem Substrat monolytisch integriert vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders klein, leicht und kostengünstig herzustellen.By the measures listed in the subclaims are advantageous developments and improvements in the main claim specified device possible. It is particularly advantageous that the first and second measuring range at least partially overlaid or overlaps. This makes it possible that a recalibration between the first sensor arrangement and the second sensor arrangement by simultaneous measurement in the overlap first and second measuring range Measuring range possible is. Furthermore, it is advantageously possible that continuously over the whole of the first and second measuring ranges can. It is also advantageous that a common evaluation device for evaluating signals from the first sensor arrangement and signals the second sensor arrangement is provided. This makes it possible to device according to the invention cost-effective to design because only one evaluation device for the evaluation signals of the first and the second sensor arrangement necessary is. It is also advantageous that the first sensor arrangement is based on a first membrane is provided and that the second sensor arrangement is provided on a second membrane. This is the first Sensor arrangement largely independent of the second sensor arrangement and disorders can transfer poorly to both sensor arrangements. This is a safer operation of the device possible. Furthermore it is advantageous that the first and second sensor arrangement on one Membrane is provided. This allows the device according to the invention to be smaller, lighter and cheaper be designed. It is also advantageous that the first sensor arrangement is provided as a chemical sensor. This makes one special accurate measurement of the concentration of a substance for small concentrations of the Possible. It is also advantageous that the second sensor arrangement as a thermal conductivity sensor or is provided as an infrared sensor. This makes it possible for security-critical Applications to use sensor principles that last the lifetime of the sensor or the device according to the invention function stably. It is also advantageous that the first and second sensor arrangement is provided monolithically integrated on a substrate. hereby Is it possible, the device according to the invention especially small, light and inexpensive to manufacture.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawing and in the following Description explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

1 eine zweite Sensoranordnung, 1 a second sensor arrangement,

2 eine erste Sensoranordnung, 2 a first sensor arrangement,

3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Sensoranordnung, 3 a device according to the invention with a first and a second sensor arrangement,

4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer ersten und zweiten Sensoranordnung und 4 a device according to the invention with a first and second sensor arrangement and

5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Auswertevorrichtung. 5 a device according to the invention with an evaluation device.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription of the embodiments

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht vor, dass ein chemischer Sensor mit einem physikalisch messenden Wärmeleitfähigkeitssensor zur Messung der Konzentration eines Stoffes in einem Gas herangezogen wird, oder dass alternativ ein chemischer Sensor mit einem Infrarotgassensor für die Messung der Konzentration eines Stoffes in einem Gas benutzt wird. Im Folgenden wird der chemische Sensor als erste Sensoranordnung bezeichnet und der Wärmeleitfähigkeitssensor bzw. der Infrarotgassensor wird als zweite Sensoranordnung bezeichnet. Mit einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche die Kombination beider Sensoranordnungen vorsieht, kann die hohe Empfindlichkeit eines chemischen Sensor im unteren Konzentrationsbereich eines Stoffes in einem Gas bzw. insbesondere von Kohlendioxid in der Luft, für die Überwachung des Komfort-Bereichs genutzt werden. Zusätzlich können sicherheitsrelevante Grenzwerte mit dem stabileren Wärmeleitfähigkeitssensor bzw. mit dem stabileren Infrarotgassensor sicher detektiert werden. Die höhere Stabilität der zweiten Sensoranordnung bezieht sich darauf, dass die Messergebnisse stabiler über die gesamte Lebensdauer der Sensoranordnung vorliegt. Selbst wenn der chemische Gassensor, d.h. die erste Sensoranordnung, ausfällt, wird dadurch die Sicherheitsfunktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht beeinträchtigt. Eine solche Vorrichtung kann daher für Komfortanwendungen in Verbindung mit sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt werden.The device according to the invention provides that a chemical sensor with a physically measuring thermal conductivity sensor used to measure the concentration of a substance in a gas or alternatively a chemical sensor with an infrared gas sensor for the Measurement of the concentration of a substance in a gas is used. Below is the chemical sensor as the first sensor arrangement referred to and the thermal conductivity sensor or the infrared gas sensor is referred to as a second sensor arrangement. With such a device according to the invention, which provides for the combination of both sensor arrangements can high sensitivity of a chemical sensor in the lower concentration range of a substance in a gas or in particular of carbon dioxide in the air, for The supervision of the comfort area be used. additionally can Safety-related limit values with the more stable thermal conductivity sensor or can be reliably detected with the more stable infrared gas sensor. The higher stability of the second Sensor arrangement refers to the fact that the measurement results are more stable over the whole Lifetime of the sensor arrangement is present. Even if the chemical Gas sensor, i.e. the first sensor arrangement fails, the safety function thereby the device according to the invention not affected. Such a device can therefore be used for comfort applications safety-relevant applications.

Erfindungsgemäß kann die Vorrichtung einerseits mit zwei einzelnen Sensorelementen, die getrennt vorliegen, realisiert werden, wobei jedem Sensorelement eine Sensoranordnung entspricht. Alternativ dazu können auf beide Sensoranordnungen auf einem Chip monolithisch integriert vorgesehen sein, wobei hierzu beispielsweise zwei Membranen vorgesehen sein können, alternativ dazu kann es erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, die Sensorstrukturen der beiden Sensoranordnungen derart zu integrieren, dass beide Sensoranordnungen nicht nur auf einem einzigen Chip, sondern auch auf einer einzigen Membran eines Chips vorgesehen sind. In jedem Fall ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die beiden Sensoranordnungen von einer einzigen Auswerteeinheit ausgewertet werden. Vorzugsweise sollten die beiden Sensoranordnungen bzw. die Sensorelemente in Mikromechanik-Technologie ausgeführt werden, da dies zum einen besonders kostengünstig möglich ist und zum anderen zu einem schnell ansprechenden Sensor führt. Das ist sowohl für einen chemischen Sensor wie z.B. einen Halbleitergassensor, als auch für einen Wärmeleitfähigkeitssensor und für einen Infrarotgassensor möglich. Die beschriebenen Sensorelemente bzw. Sensoranordnungen befinden sich vorzugsweise in einem Gehäuse, in dem die Auswerteelektronik integriert vorgesehen ist.According to the invention, the device can on the one hand realized with two individual sensor elements, which are available separately are, with each sensor element corresponding to a sensor arrangement. Alternatively, you can monolithically integrated on both sensor arrangements on one chip be provided, two membranes being provided for this purpose, for example could be, alternatively, it can also be provided according to the invention that To integrate sensor structures of the two sensor arrangements in such a way that both sensor arrangements are not only on a single chip, but are also provided on a single membrane of a chip. In any case, it is provided according to the invention that the two Sensor arrangements evaluated by a single evaluation unit become. Preferably, the two sensor arrangements or the Sensor elements are executed in micromechanical technology, because on the one hand this is possible particularly inexpensively and on the other hand too a responsive sensor. That is both for one chemical sensor such as a semiconductor gas sensor, as well as for one thermal conductivity sensor and for an infrared gas sensor possible. The sensor elements or sensor arrangements described are located preferably in a housing, in which the evaluation electronics are provided integrated.

Hierzu ist in 5 ein Gehäuse 1 mit einer ersten Sensoranordnung 2 und einer zweiten Sensoranordnung 3 dargestellt, wobei das Gehäuse 1 außer den Sensoranordnungen 2, 3 eine Auswerteeinheit 4 bzw. eine Auswertevorrichtung 4 umfasst. Sowohl die erste Sensoranordnung 2, als auch die zweite Sensoranordnung 3 ist mit der Auswertevorrichtung 4 verbunden. Von der Auswertevorrichtung 4 verläuft wenigstens eine Signalleitung 5 zur Außenwelt, um die Messergebnisse weiteren, nicht dargestellten Komponenten zur Verfügung zu stellen. Die Auswerteelektronik bzw. die Auswertevorrichtung 4 ist erfindungsgemäß insbesondere so ausgelegt, dass für den chemisch messenden Sensor, d.h. die erste Sensoranordnung 2, ein der Konzentration des Stoffes in dem Gas proportionales Signal ausgegeben wird. Das Signal des Wärmeleitfähigkeitsensors bzw. des Infrarot-Gassensors der zweiten Sensoranordnung 3 wird erfindungsgemäß insbesondere so verarbeitet, dass nur eine geringe Anzahl von Stufen ausgegeben werden, die mit Grenzwertkonzentrationen korrespondieren. Dies besagt, dass für die Messung der zweiten Sensoranordnung lediglich eine geringe Anzahl von Stufen für die möglichen Messwerte vorliegt. Erfindungsgemäß spart dies Übertragungsbandbreite für die Übertragung der Messwerte an die Außenwelt ein. Dies ist deswegen vorteilhaft, weil hier im Wesentlichen eine geringe Anzahl von Situationen unterschieden werden muss, die mit unterschiedlichen Alarmierungszuständen verbunden sind.This is in 5 a housing 1 with a first sensor arrangement 2 and a second sensor arrangement 3 shown, the housing 1 except the sensor arrangements 2 . 3 an evaluation unit 4 or an evaluation device 4 includes. Both the first sensor arrangement 2 , as well as the second sensor arrangement 3 is with the evaluation device 4 connected. From the evaluation device 4 runs at least one signal line 5 to the outside world in order to make the measurement results available to other components, not shown. The evaluation electronics or the evaluation device 4 is in particular designed according to the invention in such a way that for the chemically measuring sensor, ie the first sensor arrangement 2 , a signal proportional to the concentration of the substance in the gas is output. The signal of the thermal conductivity sensor or the infrared gas sensor of the second sensor arrangement 3 is processed in accordance with the invention in such a way that only a small number of stages are output which correspond to limit value concentrations. This means that there is only a small number of stages for the possible measured values for the measurement of the second sensor arrangement. According to the invention, this saves transmission bandwidth for the transmission of the measured values to the outside world. This is advantageous because essentially a small number of situations have to be distinguished here which are associated with different alarm states.

In 1 ist als Beispiel einer zweiten Sensoranordnung 3 ein Wärmeleitfähigkeitssensor in einer Schnittdarstellung und einer Draufsicht dargestellt. Der Wärmeleitfähigkeitssensor umfasst erfindungsgemäß insbesondere ein Substrat 10 mit einer Membran 20, die in einer Schicht 12 auf dem Substrat 10 gebildet ist. Die Schicht 12 umfasst beispielsweise Siliziumoxid bzw. Siliziumnitrid. Das Substrat 10 ist insbesondere als Siliziumsubstrat 10 vorgesehen. Weiterhin ist in 1 im oberen Bereich, welcher die Schnittdarstellung der zweiten Sensoranordnung 3 darstellt, mit dem Bezugszeichen 30 ein Membranbereich bezeichnet, der den Bereich der Membran 20 angibt, in welchem die Membran 20 thermisch gut von ihrer Umgebung entkoppelt ist, wobei dies in der Schnittdarstellung in 1 insbesondere durch die Ausnehmung 9 auf der Unterseite der Membran 20 vorgesehen ist. Im unteren Teil der 1 ist eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße zweite Sensoranordnung 3 dargestellt. Auf dem Substrat 10 bzw. auf der Schicht 12 sind dritte Kontaktflächen 42 vorgesehen, welche über dritte Verbindungsleitungen 41 eine dritte Sensorstruktur 40 im Membranbereich 30 der Membran 20 der zweiten Sensoranordnung 3 verbinden. Die dritte Sensorstruktur 40 ist erfindungsgemäß insbesondere als Wärmeleitfähigkeitsensorstruktur 40 vorgesehen und erlaubt es, die Wärmeleitfähigkeit eines im oberen Teil der 1 mit dem Bezugszeichen 100 und mittels Punkten angedeuteten Gases zu bestimmen. Das Gas 100 streicht in der 1 insbesondere oberhalb der Membran 20 vorbei und bedingt durch eine thermische Kopplung mit der Membranfläche einen Wärmeübergang zwischen der Membranfläche 20 und dem Gas 100, welches von der dritten Sensorstruktur 40 detektiert werden kann. Die Membran 20 wird im Folgenden auch als erste Membran 20 bezeichnet. Im Grunde ist in 1 ein bekannter Wärmeleitfähigkeitssensor nach dem Stand der Technik dargestellt.In 1 is an example of a second sensor arrangement 3 a thermal conductivity sensor shown in a sectional view and a plan view. According to the invention, the thermal conductivity sensor comprises, in particular, a substrate 10 with a membrane 20 that in a shift 12 on the substrate 10 is formed. The layer 12 includes, for example, silicon oxide or silicon nitride. The substrate 10 is particularly as a silicon substrate 10 intended. Furthermore, in 1 in the upper area, which is the sectional view of the second sensor arrangement 3 represents with the reference symbol 30 a membrane area denotes the area of the membrane 20 indicates in which the membrane 20 is thermally well decoupled from its surroundings, this being shown in the sectional view in 1 especially through the recess 9 on the bottom of the membrane 20 is provided. In the lower part of the 1 is a top view of the second sensor arrangement according to the invention 3 shown. On the substrate 10 or on the layer 12 are third contact areas 42 provided which via third connecting lines 41 a third sensor structure 40 in the membrane area 30 the membrane 20 the second sensor arrangement 3 connect. The third sensor structure 40 is according to the invention in particular as a thermal conductivity sensor structure 40 provided and allows the thermal conductivity of one in the upper part of the 1 with the reference symbol 100 and to determine by means of points indicated gas. The gas 100 strokes in the 1 especially above the membrane 20 over and due to a thermal coupling with the membrane surface a heat transfer between the membrane surface 20 and the gas 100 which of the third sensor structure 40 can be detected. The membrane 20 is also referred to below as the first membrane 20 designated. Basically is in 1 a known thermal conductivity sensor shown in the prior art.

In 2 ist eine erste Sensoranordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die erste Sensoranordnung ist mit dem Bezugszeichen 2 versehen und erfindungsgemäß insbesondere als Halbleitergassensor vorgesehen. Im oberen Teil der 2 ist wiederum eine Schnittdarstellung der ersten Sensoranordnung 2 dargestellt und im unteren Teil der 2 ist eine Draufsicht auf die erste Sensoranordnung 2 dargestellt. Wiederum ist auf einem Substrat 10, welches erfindungsgemäß insbesondere als Siliziumsubstrat 10 vorgesehen ist, eine Membran 21 vorgesehen, wobei es erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen ist, dass die Membran 21 in einer Schicht 12 verläuft, die beispielsweise als Siliziumoxid oder Siliziumnitridschicht vorgesehen ist. Die Membran 21 weist ebenfalls einen Membranbereich 31 auf, wobei auf der Membran 21 eine erste Sensorstruktur 50 und eine zweite Sensorstruktur 60 angeordnet ist. Oberhalb der ersten und zweiten Sensorstruktur 50, 60 ist eine sensitive Schicht 55 vorgesehen, welche die Konzentration eines Stoffes in den mit dem Bezugszeichen 100 und den Punkten oberhalb der Membran 21 bezeichneten Gas misst. In die sensitive Schicht 55 lagern sich je nach Konzentration des zu messenden Stoffes 100 unterschiedliche Anteile ein, was zu einer Veränderung einer elektrisch messbaren Eigenschaft der sensitiven Schicht 55 führt, insbesondere ihre Kapazität, bzw. ihre Leitfähigkeit. Die elektrisch messbare Eigenschaft der sensitiven Schicht 55 wird erfindungsgemäß insbesondere mittels der ersten Sensorstruktur 50, welche, wie im unteren Teil der 2 angedeutet, insbesondere als Interdigitalstruktur vorgesehen ist, gemessen. Bei der Verwendung von herkömmlich bekannten, sensitiven Schichten 55, beispielsweise in Form von Zinkoxid, ist es erforderlich, diese sensitive Schicht 55 auf Temperaturen von einigen 100° C zu erwärmen, weshalb bei der ersten Sensoranordnung 2 mittels der zweiten Sensorstruktur 60 eine Heizeinrichtung 60 vorgesehen ist, welche die sensitive Schicht 55 erhitzt. Wiederum ist, im unteren Teil der 2 sichtbar, mittels ersten Kontaktflächen 52 bzw. mittels zweiten Kontaktflächen 62 und entsprechenden ersten Verbindungsleitungen 51 bzw. zweiten Verbindungsleitungen 61 eine elektrische Anbindung der ersten Sensorstruktur 50 bzw. der zweiten Sensorstruktur 60 möglich, wodurch die Auswertung der Signale durch die in den 1 und 2 nicht dargestellte Auswerteeinheit 4 möglich ist. Auch in 2 ist das Substrat 10 insbesondere als Siliziumsubstrat vorgesehen.In 2 a first sensor arrangement of the device according to the invention is shown. The first sensor arrangement has the reference symbol 2 provided and provided according to the invention in particular as a semiconductor gas sensor. In the upper part of the 2 is again a sectional view of the first sensor arrangement 2 shown and in the lower part of the 2 is a top view of the first sensor arrangement 2 shown. Again is on a substrate 10 which, according to the invention, in particular as a silicon substrate 10 is provided a membrane 21 provided, it being provided according to the invention in particular that the membrane 21 in one shift 12 runs, which is provided for example as a silicon oxide or silicon nitride layer. The membrane 21 also has a membrane area 31 on, being on the membrane 21 a first sensor structure 50 and a second sensor structure 60 is arranged. Above the first and second sensor structures 50 . 60 is a sensitive layer 55 provided, which is the concentration of a substance in the reference numeral 100 and the points above the membrane 21 designated gas measures. In the sensitive layer 55 depending on the concentration of the substance to be measured 100 different proportions, resulting in a change in an electrically measurable property of the sensitive layer 55 leads, especially their capacity or their conductivity. The electrically measurable property of the sensitive layer 55 according to the invention in particular by means of the first sensor structure 50 which, as in the lower part of the 2 indicated, in particular provided as an interdigital structure, measured. When using conventionally known, sensitive layers 55 , for example in the form of zinc oxide, it is necessary to use this sensitive layer 55 to heat to temperatures of some 100 ° C, which is why with the first sensor arrangement 2 by means of the second sensor structure 60 a heater 60 is provided which is the sensitive layer 55 heated. Again, in the lower part of the 2 visible, by means of the first contact surfaces 52 or by means of second contact surfaces 62 and corresponding first connecting lines 51 or second connecting lines 61 an electrical connection of the first sensor structure 50 or the second sensor structure 60 possible, whereby the evaluation of the signals by the in the 1 and 2 Evaluation unit, not shown 4 is possible. Also in 2 is the substrate 10 provided in particular as a silicon substrate.

Erfindungsgemäß ist es bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die erste Sensoranordnung 2 und die zweite Sensoranordnung 3 wie in 1 bzw. 2 dargestellt getrennt vorgesehen sind und beide an die Auswerteeinheit 4 angeschlossen werden. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es jedoch, wie in 3 dargestellt, auch vorgesehen, dass die erste und zweite Sensoranordnung 2, 3 monolytisch integriert auf einem Substrat 10 vorgesehen sind. Gleiche Bezugszeichen aus den 1 und 2 bezeichnen auch in 3 gleiche Komponenten bzw. Bereiche der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei wird mit dem Bezugszeichen 30 auch ein im Folgenden so bezeichneter erster Membranbereich und mit dem Bezugszeichen 31 ein im Folgenden so bezeichneter zweiter Membranbereich bezeichnet. Entsprechend ist mit dem Bezugszeichen 20 die erste Membran und mit dem Bezugszeichen 21 die zweite Membran bezeichnet. Entsprechende Begrifflichkeiten lassen sich auch auf die 1 bzw. 2 anwenden. Der Aufbau der ersten und zweiten Sensoranordnung 2 bzw. 3 aus den 1 und 2 lassen sich auf die in 3 dargestellte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei getrennten Membranen 20, 21 übertragen.According to the invention, it is provided in a first embodiment of the device according to the invention that the first sensor arrangement 2 and the second sensor arrangement 3 as in 1 respectively. 2 are provided separately and both to the evaluation unit 4 be connected. According to a second embodiment of the device according to the invention, however, it is as in 3 shown, also provided that the first and second sensor arrangement 2 . 3 monolytically integrated on a substrate 10 are provided. Same reference numerals from the 1 and 2 also denote in 3 same components or areas of the device according to the invention. Here, the reference number 30 also a first membrane region so designated below and with the reference symbol 31 a second membrane region designated in the following. Correspondingly with the reference symbol 20 the first membrane and with the reference symbol 21 referred to the second membrane. Corresponding terminology can also be applied to the 1 or apply 2. The structure of the first and second sensor arrangement 2 respectively. 3 from the 1 and 2 can be in on 3 shown embodiment of the device according to the invention with two separate membranes 20 . 21 transfer.

In 4 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der auf einer einzigen Membran 20, welche auch als erste Membran 20 bezeichnet werden kann, sowohl die dritte Sensorstruktur 40 für den Wärmeleitfähigkeitssensors, d.h. die zweite Sensoranordnung 3, vorgesehen ist, als auch die erste und zweite Sensorstruktur 50, 60 vorgesehen ist, welche der ersten Sensoranordnung 2 entspricht. Gleiche Bezugszeichen aus den 1 und 2 bezeichnen auch hier wieder gleiche Teile bzw. Bereiche bzw. Komponenten der Sensoranordnungen 2,3. Die zweite Sensoranordnung 3 kann anstelle ihrer Ausführung beispielsweise gemäß 1 als Wärmeleitfähigkeitssensor durchaus auch als Infrarotgassensor 3 vorgesehen sein. Dies ist jedoch in den Figuren nicht dargestellt. Ein Infrarotgassensor ist im Stand der Technik bekannt. Bei einem Infrarot-Gassensor als zweiter Sensoranordnung 3 wird die Absorption einer Infrarotstrahlung gemessen, die durch ein Gas führt, in dem sich ein Stoff befindet, dessen Konzentration gemessen werden soll. Hierbei ist der Infrarot-Gassensor als zweite Sensoranordnung ähnlich wie der Wärmeleitfähigkeitssensor als zweite Sensoranordnung 3 für die Überwachung von sicherheitsrelevanten Werten der Konzentration des zu überwachenden Stoffes in dern Gas 100 vorgesehen. Wiederum ist die erste Sensoranordnung 2, welche insbesondere als Halbleitergassensor, beispielsweise in Form eines Metalloxidsensors, bzw. mit einem Festkörperionenleiter o.ä. vorgesehen ist, für die Überwachung des Komfortbereichs eingesetzt. Hierbei wird der erste Messbereich auch als der Komfortbereich bezeichnet und erstreckt sich von Konzentrationen zwischen beispielsweise 300 ppm bis 5000 ppm als Konzentration des zu messenden Stoffes in dem Gas 100. Der sicherheitsrelevante Bereich bzw. Sicherheitsbereich wird auch als zweiter Messbereich bezeichnet und umfasst den Konzentrationsbereich von 3000 ppm bis 30 000 oder 50 000 ppm. Erfindungsgemäß kann es auch vorgesehen sein, dass der zweite Messbereich der zweiten Sensoranordnung 3 lediglich von 5000 ppm bis 30 000 bzw. 50 000 ppm reicht. In vorteilhafter Weise ist jedoch eine Überlappung der beiden Messbereiche vorgesehen, so dass die beiden Sensoren mittels der Auswerteelektronik, die in der Auswertevorrichtung 4 vorgesehen ist, eine notwendige Rekalibrierung der ersten Sensoranordnung 2, d.h. insbesondere des chemischen Sensors in zeitlich variablen oder in zeitlich festgelegten Abständen vorgenommen werden kann.In 4 Another embodiment of the device according to the invention is shown, in which on a single membrane 20 , which is also the first membrane 20 can be called both the third sensor structure 40 for the thermal conductivity sensor, ie the second sensor arrangement 3 is provided, as well as the first and second sensor structure 50 . 60 which of the first sensor arrangement is provided 2 equivalent. Same reference numerals from the 1 and 2 again designate the same parts or areas or components of the sensor arrangements 2 . 3 , The second sensor arrangement 3 can instead of their execution, for example, according to 1 as a thermal conductivity sensor, it is also an infrared gas sensor 3 be provided. However, this is not shown in the figures. An infrared gas sensor is known in the prior art. With an infrared gas sensor as a second sensor arrangement 3 the absorption of an infrared radiation, which passes through a gas in which there is a substance whose concentration is to be measured. The infrared gas sensor as a second sensor arrangement is similar to the thermal conductivity sensor as a second sensor arrangement 3 for the monitoring of safety-relevant values of the concentration of the substance to be monitored in the gas 100 intended. Again is the first sensor arrangement 2 which, in particular, as a semiconductor gas sensor, for example in the form of a metal oxide sensor, or with a solid-state ion conductor or the like. is provided for monitoring the comfort zone. Here, the first measuring range is also referred to as the comfort range and extends from concentrations between, for example, 300 ppm to 5000 ppm as the concentration of the substance to be measured in the gas 100 , The safety-relevant area or safety area is also referred to as the second measuring range and covers the concentration range from 3000 ppm to 30,000 or 50,000 ppm. According to the invention, it can also be provided that the second measuring range of the second sensor arrangement 3 only ranges from 5000 ppm to 30,000 or 50,000 ppm. In an advantageous manner, however, an overlap of the two measuring ranges is provided, so that the two sensors are located in the evaluation device by means of the evaluation electronics 4 a necessary recalibration of the first sensor arrangement is provided 2 , ie in particular the chemical sensor can be carried out at time-variable or at time-fixed intervals.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Stoffes in einem Gas (100), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Sensoranordnung (2) zur Bestimmung der Konzentration in einem ersten Messbereich vorgesehen ist und dass eine zweite Sensoranordnung (3) zur Bestimmung der Konzentration in einem zweiten Messbereich vorgesehen ist.Device for determining the concentration of a substance in a gas ( 100 ), characterized in that a first sensor arrangement ( 2 ) is provided for determining the concentration in a first measuring range and that a second sensor arrangement ( 3 ) is provided for determining the concentration in a second measuring range.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste und zweite Messbereich zumindest teilweise überlagert.Device according to claim 1, characterized in that the first and second measuring range at least partially overlap.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Auswertevorrichtung (4) zur Auswertung von Signalen der ersten Sensoranordnung (2) und von Signalen der zweiten Sensoranordnung (3) vorgesehen ist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that a common evaluation device ( 4 ) for evaluating signals of the first sensor arrangement ( 2 ) and signals from the second sensor arrangement ( 3 ) is provided.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoranordnung (2) auf einer ersten Membran (20) vorgesehen ist und dass die zweite Sensoranordnung (3) auf einer zweiten Membran (21) vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first sensor arrangement ( 2 ) on a first membrane ( 20 ) is provided and that the second sensor arrangement ( 3 ) on a second membrane ( 21 ) is provided.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Sensoranordnung (2, 3) auf einer Membran (20) vorgesehen ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second sensor arrangement ( 2 . 3 ) on a membrane ( 20 ) is provided.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoranordnung (2) als chemischer Sensor vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first sensor arrangement ( 2 ) is provided as a chemical sensor.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoranordnung (3) als Wärmeleitfähigkeitssensor oder als Infrarotgassensor vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second sensor arrangement ( 3 ) is provided as a thermal conductivity sensor or as an infrared gas sensor.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Sensoranordnung (2,3) auf einem Substrat (10) monolithisch integriert vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second sensor arrangement ( 2 . 3 ) on a substrate ( 10 ) is provided monolithically integrated.