Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasanalysator, insbesondere einen Gasanalysator mit einem vibronischen Sensorelement, zum Ermitteln von Summenparametern eines Gasgemischs, wie Brennwert oder Wobbe-Index, beispielsweise eines Erdgases, welches gewöhnlich neben der Hauptkomponente Methan, weitere Kohlenwasserstoffe, Stickstoff, Kohlenstoffdioxyd, und Wasserdampf enthält. Zudem wird dem Erdgas häufig Wasserstoff beigemischt. Die Kenntnis der genauen Zusammensetzung beispielsweise für die Steuerung eines Brenners von großer Bedeutung. Verfahren zur Ermittlung der Eigenschaften eines Brenngases sind beispielsweise beschrieben in den noch unveröffentlichten Patentanmeldungen DE 10 2015 1 17 486, DE 10 2016 121 226. Die darin beschriebene Bestimmung der Gaseigenschaften beruht insbesondere auf einer Messung der Dichte- und der Viskosität des Gasgemischs mittels eines vibronischen Sensors. Zu diesem Zweck besteht Bedarf an einem zuverlässig messenden, und kostengünstig zu fertigenden Gasanalysator. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfin- dung, einen solchen und eine Gasanalysevorrichtung mit einem solchen bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Gasanalystator gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch die Gasanalysevorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 14.

Der erfindungsgemäße Gasanalysator zum Messen der Dichte und / oder der Viskosität eines Mediums, insbesondere eines Gasgemischs, umfasst: eine Anschlussplatte die eine erste Medienöffnung und eine zweite Medienöffnung aufweist, die sich jeweils von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten

Oberfläche der Anschlussplatte erstrecken; eine Sensorplatte, die mit der Anschluss platte in einer ersten Fügeebene gefügt ist; und eine Deckplatte, die auf einer der Anschlussplatte abgewandten Seite der Sensorplatte mit der Sensorplatte in einer zweiten Fügeebene gefügt ist, wobei die Deckplatte eine Deckplattenkavität aufweist, die mit der ersten und zweiten Medienöffnung kommuniziert; wobei die Sensorplatte mindestens eine Oszillatorkavität aufweist, die mit der Medienöffnung und der zweiten Medienöffnung kommuniziert, wobei die Sensorplatte einen mikromechanischen Oszillator aufweist, der in der Oszillatorkavität angeordnet ist und zu mechanischen Schwingungen senkrecht zu den Fügebenen anregbar ist. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Oszillatorkavität einen ersten

Durchbruch durch die Sensorplatte.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Gasanalysator weiterhin einen ersten Fluidkanal, der sich von der ersten Medienöffnung zur Oszillatorkavität erstreckt und zwischen der Anschlussplatte und der Sensorplatte gebildet ist, und/oder einen zweiten Fluidkanal, der sich von der zweiten Medienöffnung zur Oszillatorkavität erstreckt und zwischen der Anschlussplatte und der Sensorplatte gebildet ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Sensorplatte einen ersten Medien- öffnungsdurchbruch auf, welcher sich von der ersten Medienöffnung zur Deckplattenka- vität erstreckt, und/oder die Sensorplatte weist einen zweiten Medienöffnungsdurch- bruch auf, welcher sich von der zweiten Medienöffnung zur Deckplattenkavität erstreckt.

In einer Weiterbildung der Erfindung überdeckt die Deckplattenkavität sowohl die Oszillatorkavität als auch den ersten Medienöffnungsdurchbruch und den zweiten Medienöffnungsdurchbruch.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der erste Fluidkanal eine Vertiefung auf, die in der Oberfläche der Sensorplatte gebildet ist, wobei der erste Fluidkanal in den ersten Medienöffnungsdurchbruch mündet, und/oder der zweite Fluidkanal weist eine Vertiefung auf, die in der Oberfläche der Sensorplatte gebildet ist wobei der zweite Fluidkanal in den zweiten Medienöffnungsdurchbruch mündet.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der erste Medienöffnungsdurchbruch an einer der Deckplatte zugewandten Oberseite der Sensorplatte einen ersten Flächenschwerpunkt auf, wobei der zweite Medienöffnungsdurchbruch an der Oberseite der Sensorplatte einen zweiten Flächenschwerpunkt aufweist, wobei der erste Flächenschwerpunkt von dem zweiten Flächenschwerpunkt einen Flächenschwerpunktsabstand aufweist, wobei die Oszillatoröffnung an der Oberseite der Sensorplatte einen dritten Flächenschwerpunkt aufweist, wobei der dritte Flächenschwerpunkt einen Abstand zu einer Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Flächenschwerpunkt aufweist, der mindestens die Hälfte, insbesondere mindestens das Einfache und bevorzugt das Doppelte des geometrischen Mittels aus dem Flächenschwerpunktabstand und dem entlang der Verbindungslinie gemittelten Abstand der Deckplatte von der Oberseite der Sensorlage aufweist.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Medienöffnungsdurchbrüche, die Oszillatoröffnung, und die Deckplattenkavität und ggf. vorhandene Fluidkanäle so positioniert und aufeinander abgestimmt sind, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit eines Gases in der Oszillatoröffnung nicht mehr als ein Viertel, insbesondere nicht mehr als ein Achtel und bevozugt nicht mehr als ein Sechzehntel der mittleren Strömungsgeschwindigkeit in den Medienöffnungsdurchbrüchen beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Sensorplatte Silizium, und ist insbesondere durch Strukturieren eines SOI-Wafers präpariert. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung umfasst der Oszillator amorphes Silizium, welches auf einer Isolatorschicht des SOI Wafers abgeschieden ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Oszillator einen resistiven Wandler mit mindestens einem Widerstandselement mit einem verformungsabhängigen Widerstandswert auf, insbesondere eine Brückenschaltung mit vier Widerstandselementen.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Oszillator mindestens eine Leiter- schleife aufweist, um ein erstes Magnetfeld zu erzeugen, wobei der Gasanalysator weiterhin eine Feldquelle für ein zweites Magnetfeld aufweist, wobei das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld jeweils zumindest eine Komponente aufweisen, die parallel zur Oberflächennormalen der Sensorplatte verläuft.

Die erfindungsgemäße Gasanalyseanordnung umfasst den erfindungsgemäßen Gasanalysator, einen Temperatursensor und/oder einen Drucksensor und/oder einen Wärmeleitfähigkeitssensor.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Gasanalyseanordnung weiterhin eine Betriebs- und Auswerteschaltung zum Anregen des Oszillators des Gasanalysa- tors, und zum Erfassen der Schwingungen des Oszillators, sowie ggf. zum Treiben wei- terer Sensoren des Gasanalysators und zum Erfassen von deren Signalen. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Deckplatte Si.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Anschlussplatte Glas, insbesondere ein Borosilikatglas.

Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten

Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 a: eine Explosionszeichnung des Ausführungsbeispiels eines

erfindungsgemäßen Gasanalysators;

Fig. 1 b: eine Explosionszeichnung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1a mit transparent dargestellten Komponenten; Fig. 2: eine schematische Aufsicht auf den vibronischen Sensor des

Ausführungsbeispiels aus Fign 1 a und 1 b;

Fig. 3: einen Detaillängsschnitt durch den erfindungsgemäßen Gasanalysator; und

Fig. 4: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasanalyse- anordnung.

Das in Fign. 1 a und 1 b gezeigte Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gasanalysators 100 umfasst eine Anschlussplatte 1 10 aus einem Borosilikatglas, beispielsweise Borofloat in einer Materiastärke von einigen hundert Mikrometern. Die Anschlussplatte 110 weist einer erste Medienöffnung 1 12 und eine zweite Medienöffnung 1 14 auf, die sich jeweils von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche der Anschlussplatte 110 erstrecken. Durch die beiden Medienöffnungen 1 12, 1 14 wird dem Gasanalysator im Einsatz ein zu analysierendes Gas zu bzw. abgeführt.

Der Gasanalysator 100 umfasst weiterhin eine Sensorplatte 130, die mit der Anschlussplatte 110 in einer ersten Fügeebene gefügt ist, beispielsweise durch anodisches Bonden. Die Sensorplatte 130 umfasst einen ersten Medienöffnungsdurchbruch 132, der mit der ersten Medienöffnung 1 12 fluchtet, und einen zweiten Medienöffnungsdurchbruch 134, der mit der zweiten Medienöffnung 1 14 fluchtet. Die Sensorplatte 110 umfasst weiterhin eine Oszillatorkavität 140 in welcher ein vibronischer Sensor 142 in Form eines Cantileverschwingers, der an einer dem Anschlussplatte abgewandten Oberseite 130b der Sensorplatte 130 präpariert ist. Die Sensorplatte 130 ist vorzugsweise aus einem SOI-Wafer gebildet wobei der Cantileverschwinger im so genannten Device- Layer präpariert ist. Weiterhin umfasst der Gasanalysator 100 eine Deckplatte 160, die auf einer der

Anschlussplatte 110 abgewandten Seite der Sensorplatte 130 mit der Sensorplatte in einer zweiten Fügeebene gefügt ist, beispielsweise mit einem Glaslot. In der Deckplatte 160 ist eine der Sensorplatte 130 zugewandte Deckplattenkavität 162 präpariert, die sich über die beiden Medienöffnungsdurchbrüche 132, 134 und die Oszillatorkavität 140 erstreckt. Damit kommunizieren die Medienöffnungen 1 12, 1 14 über die Deckplattenkavität 162 miteinander und mit der Oszillatorkavität 140, so dass der vibronische Sensor 142 über einen durch die Deckplattenkavität 162 verlaufenden, ersten Gaspfad mit einem durch die Medienöffnungen 1 12, 1 14 zu- bzw. abgeführten Gas beaufschlagbar ist. Um einen zuverlässigen Gasaustausch am Ort des vibronischen Sensors 142 zu gewährleisten, weist der Gasanalysator weiterhin einen ersten Fluidkanal 136 und einen zweiten Fluidkanal 138 auf, die sich jeweils vom ersten bzw. zweiten Medienöffnungs- durchbruch 132, 134 zur Oszillatorkavität erstrecken, und durch anisotropes Ätzen von Gräben in der Sensorplatte 130 von der Unterseite 130a her präpariert sind. Die

Fluidkanäle 136, 138 bilden einen zweiten Gaspfad über den der vibronische Sensor 142 von der Unterseite der Sensorplatte 130 her mit dem in den Gasanalysator eingeleiteten Gas beaufschlagbar ist. Damit ist ein hinreichend schneller Gasaustausch in der Oszillatorkavität 140 gewährleistet. Andererseits weisen die Fluidkanäle 136, 138 einen erheblich größeren Strom ungswiderstand auf als ein Gaspfad zwischen den Medienöf- fnungsdurchbrüchen, der durch die Deckplattenkavität 162 verläuft. Daher strömt der überwiegende Teil des Gases vom ersten Medienöffnungsdurchbruch 132 zum zweiten Medienöffnungsdurchbruch 134 durch die Deckplattenkavität 162. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Oszillatorkavität 140 bleibt daher begrenzt. So dass der Oszillator in seinem Schwingungsverhalten allenfalls vernachlässigbar durch Strömungen beeinflusst wird. Die Deckplatte 160 weist eine Drucksensorfläche 166 auf, d.h. hier kann beispielsweise entweder eine piezoresistive Drucksensormembran im Material der Deckplatte präpariert sein, oder die Deckplatte umfasst eine Öffnung, über der ein Drucksen- sor, der auf der Deckplatte montiert mit einem in dem Gasanalysator herrschenden Druck beaufschlagbar ist.

Die Deckplatte 160 umfasst an ihrer Oberseite weiterhin eine Magnetfläche 168, auf der ein Magnet zu montieren oder zu präparieren ist. Die Magnetfläche fluchtet mit der Oszillatorkavität 140, so dass der vibronische Sensor mittels eines magnetischen Wechselfeldes zum Schwingen angeregt werden kann.

Die Deckplatte 160 weist schließlich in einem seitlichen Randbereich eine Aussparung 164 auf, um Kontaktflächen an der Oberseite der Sensorplatte 130 zugänglich zu machen. Anhand von Fign. 2 und 3 werden im Folgenden Einzelheiten des vibronischen

Sensors 142 erläutert, der im Device-Layer an der Oberseite 130b der Sensorplatte 130 präpariert ist, wobei die Sensorplatte 130 aus einem SOI-Wafer gebildet ist. Die Oszillatorkavität 140 ist präpariert durch anisotropes Ätzen einer Kavität von der Unterseite 130a der Sensorplatte 130 bis zur Oxidschicht 130c und durch anschließendes Entfer- nen der Oxidschicht und des Device-Layers im Bereich der Kavität außer in einem maskierten Bereich, der den Cantilever des vibronischen Sensors 142 bildet.

Zum Antrieb des vibronischen Sensors 142 ist auf dem Cantilever eine Leiterschleife oder Planarspule 144 präpariert. Sofern nur eine einfache Leiterschleife gebildet ist, kann die Kontaktierung vollständig an der Oberseite 130 b der Sensorplatte erfolgen. Bei der hier gezeigten spilralförmigen Planarspule 144 mit mehreren Windungen sind Durchkontaktierungen zur Rückseite des Cantilevers gebildet um ein inneres Ende der Planarspule 144 kontaktieren zu können. Die Planarspule ist über Spulenkontaktflächen 146, 147 mit einem Wechselstrom beaufschlagbar ist. Das resultierende Magnetfeld führt in Wechselwirkung mit dem statischen Magnetfeld eines Permanentmagneten 170, der auf der Deckplatte 160 angeordnet ist, zu einer oszillierenden Kraft, die den Cantilever frequenzabhängig zum Schwingen anregt. Die Eigenfrequenz des Cantilevers hängt von der Dichte eines den Cantilever umgebenden Gasgemischs ab, während die

Schwingungsdämpfung des Cantilevers von der Viskosität des Gasgemischs abhängt.

Der vibronische Sensor 142 umfasst zum Erfassen der Schwingungen des Canti- levers weiterhin vier piezoresistive Widerstandselemente, die in einer Wheatstone- Brücke angeordnet sind, wobei zwei Widerstandselemente erster Art 148 zumindest teilweise auf dem Cantilever und zwei Widerstandselemente zweiter Art 149 im einem die Oszillatorkavität 140 umgebenden Randbereich des Device-Layers angeordnet sind. Die Wheatstonebrücke wird über Kontaktflächen erster Art 150 mit einem konstanten Längsstrom zu speisen, wobei die zugehörige Längsspannung eine Funktion der Temperatur des vibronischen Sensors ist. Entsprechend ist eine zugehörige Diagonalspannung der Wheatstone-Brücke, die an Kontaktflächen zweiter Art 152 anliegt, ein Maß für die Auslenkung des schwingenden Cantilevers.

Die zuvor genannten 146, 147, 150, 152 sind in einem Randbereich 158 an der Oberseite der Sensorplatte 130 angeordnet, der nicht von der Deckplatte 160 überdeckt ist, da die Deckplatte 160 hier eine Aussparung 164 aufweist. Die Deckplatte 160 ist, wie bereits oben erwähnt, entlang einer umlaufenden Fügestelle 156, die ein Glaslot aufweist mit der Sensorplatte 130 verbunden, wobei die Fügestelle 156 im Bereich der Aussparung 164 den Randbereich 158 der Sensorplatte mit den Kontaktflächen von einem inneren Bereich der Sensorplatte 154 trennt, in dem der vibronische Sensor 142 angeordnet ist. Die Kontaktflächen sind durch metallische Leiterbahnen mit der

Planarspule 144 bzw. der Wheatstone-Brücke verbunden, wobei die Leiterbahnen im Bereich der Fügestelle 156 von dem Glaslot überdeckt sind.

In der Präparation der Kavitäten wurden im Ausführungsbeispiel anisotrope Ätzverfahren eingesetzt. Selbstverständlich sind zur Realisierung der Erfindung auch sämtliche andere Ätzverfahren der Halbleiterprozesstechnik verwendbar.

Die in Fig. 4 dargestellte Gasanalyseanordnung umfasst neben dem zuvor beschriebenen Gasanalysator 100 einen piezoresistiven Absolutdrucksensor 190, der auf der Deckplatte 160 des Gasanalysators angeordnet ist, und einen Wärmeleitfähig- keitssensor 200 der parallel zum zum Gasanalysator 100 an Wirkdruckleitungen 1 16 angeschlossen ist, welche ihrerseits durch einen Druckgradienten über einer Blende in einer Rohrleitung 300 mit einem Strom eines zu analysierenden Gasgemischs gespeist werden. Ein geeigneter Wärmeleitfähigkeitssensor, wird beispielsweise von der Firma POSiFA Microsystems angeboten. Die Gasanalyseanordnung 10 umfasst weiterhin eine Betriebs- und Auswerteschaltung 210 zum Anregen des Oszillators des Gasanalysators, zum Erfassen der Schwingungen des Oszillators, sowie ggf. zum Treiben weiterer Sensoren des Gasanalyseanordnung und zum Erfassen von deren Signalen.