Titel

SENSOR ZUR ERFASSUNG MINDESTENS EINER EIGENSCHAFT EINES FLUIDEN MEDIUMS IN EINEM MESSRAUM

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren, Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige Eigenschaften eines gasförmigen oder flüssigen fluiden Mediums handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensoren zur Erfassung eines Gases, insbesondere eines Hj-Anteils in einem Messgas, beschrieben.

Sensoren der hier beschriebenen Art finden Anwendung in einer Vielzahl von Gebieten, beispielsweise in der Automobiltechnik, der Verfahrenstechnik, der Chemie und dem Maschinenbau, insbesondere zur Bestimmung von Gaskonzentrationen. So spielt beispielsweise die Bestimmung von Wasserstoffkonzentrationen, beispielsweise in einem Luft-Wasserstoff-Gemisch, bei der Anwendung von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Systemen eine große Rolle. Hierbei sind auch sicherheitsrelevante Anwendungen zu nennen. Ein Luft- Wasserstoff-Gemisch wird etwa bei einem Wasserstoffanteil von 4 % zündungsfähig. Sensoren zur Erfassung von Wasserstoff können beispielsweise in Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen zum Einsatz kommen, um beispielsweise aufgrund von Beschädigung oder Defekt austretenden Wasserstoff zu detektieren und, durch eine Kopplung an entsprechende Systeme, Warnsignale und/oder Schutzmaßnahmen auszulösen. Daher werden pro Brennstoffzellenfahrzeug mehrere Wasserstoffsensoren benötigt, die entweder im Abgasstrang angebracht werden (exhaust) oder unter atmosphärischen Bedingungen arbeiten (ambient).

Für derartige Wasserstoffsensoren kann man auf eine Vielzahl von Messprinzipien zurückgreifen. Dazu gehören u.a. folgende Messprinzipien: Wärmeleitung, katalytischer Pellistor, elektrochemische Zelle, halbleitendes Metalloxid, Chemiresistor, Feldeffekt Transistor.

Aus der DE 10 2005 058 830A1 und DE 10 2005 058 832 Al ist jeweils ein Sensor zur Erfassung einer Komponente eines mehrere Komponenten enthaltenden gasförmigen Fluids bekannt. Der Sensor umfasst ein Gehäuse, welches einen Messraum begrenzt und in dem ein Messchip mit einer beheizbaren Membran aufgenommen ist. Das Prinzip des beheizten Wasserstoff-Sensors beruht auf der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Gaskomponenten. Eine dadurch erzeugte Asymmetrie im thermischen System wird in ein Spannungssignal umgesetzt.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial.

In aktuellen Fahrzeugen wird der Druck im Abgasstrang nicht detektiert. Dadurch kann nicht erkannt werden, ob der Abgasstrangverschlossen ist (z.B. durch absichtlich und unabsichtlich hinein gebrachte Gegenstände). Ein Druckanstieg im Abgasstrang könnte Schäden an davor liegenden Komponenten verursachen. Bei den beschriebenen Sensoren muss die Membran sehr dünn sein und bricht daher bei ca. 1-2 bar Überdruck.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum zumindest weitgehend vermeidet, und das insbesondere ausgebildet ist zusätzlich zu der Eigenschaft des fluiden Mediums, wie beispielsweise einer Konzentration an H2, auch noch den Druck des fluiden Mediums zu erfassen.

Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in mindestens einem Messraum umfasst ein Sensorelement mit mindestens einer beheizbaren Membran und einer elektrischen Messbrücke. Die Membran ist mit der elektrischen Messbrücke verbunden. Der Sensor ist weiterhin zur Erfassung eines elektrischen Widerstands der Messbrücke ausgebildet. Der Sensor ist weiterhin zur Erfassung eines Drucks des fluiden Mediums basierend auf dem erfassten elektrischen Widerstand der elektrischen Messbrücke ausgebildet.

Unter einem Sensorelement wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche die mindestens eine Eigenschaft des fluiden Mediums erfassen kann und welche beispielsweise mindestens ein Messsignal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, beispielsweise ein elektrisches Messsignal wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Bei der Eigenschaft kann es sich beispielsweise um eine physikalische und/oder eine chemische Eigenschaft handeln. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Insbesondere kann das Sensorelement ausgestaltet sein zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases, insbesondere eines Hj-Anteils in einem Messgas. Auch andere Eigenschaften und/oder Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.

Das Sensorelement kann insbesondere zum Einsatz in einem Wasserstoff- Brennstoffzellenfahrzeug eingerichtet sein. Bei dem Messraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen, offenen oder geschlossenen, Raum handeln, in welchem das fluide Medium, insbesondere das Messgas, aufgenommen ist, und/oder welcher von dem fluiden Medium, insbesondere dem Messgas, durchströmt wird. Die Erfassung des elektrischen Widerstands kann beispielsweise mittels des sogenannten Self-Sensing erfolgen.

Unter einer Membran kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine dünne Struktur verstanden werden, die wie eine Haut oder Folie im Verhältnis zu ihrer Dicke eine große flächige Ausdehnung hat.

Unter Erfassen kann insbesondere eine Messung verstanden werden, bei welcher die Eigenschaft des fluiden Mediums quantitativ ermittelt wird. Beispielsweise wird der Anteil von mindestens einer Zielgaskomponente wie H2 eines Gases wie Luft in dem Messraum quantitativ ermittelt wird. Bei dem Anteil der mindestens einen Zielgaskomponente kann es sich beispielsweise um einen Partialdruck und/oder einen Prozentsatz der Zielgaskomponente handeln. Bei dem Anteil der Zielgaskomponente kann es sich beispielsweise auch um mehrere Anteile einer Zielgaskomponente handeln. Bei der Zielgaskomponente kann es sich prinzipiell um jedes beliebige Gas handeln, dessen Anteil in dem Gas erfasst werden kann. Bevorzugt kann es sich bei der Zielgaskomponente um Wasserstoff handeln. Bei dem Gas kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Gas, insbesondere ein Gasgemisch handeln. Bei dem Gas kann es sich bevorzugt um Luft handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Bei dem Messraum kann es sich beispielsweise um eine Gaszelle des Sensors handeln. Prinzipiell kann unter einem Messraum ein Raum verstanden werden, in welchem sich das fluide Medium bzw. Gas befindet und so die Membran kontaktiert.

Der Sensor kann ein Gehäuse aufweisen. Das Gehäuse weist mindestens eine Öffnung auf, über die das Sensorelement mit dem fluiden Medium kontaktierbar ist.

Unter einem Gehäuse wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Bauteil oder eine Gruppe von Bauteilen verstanden, welche das Sensorelement ganz oder teilweise umschließen und/oder nach außen abschließen und dem Sensorelement eine mechanische Stabilität verleihen können. Insbesondere kann ein Gehäuse mindestens einen Innenraum umschließen. Beispielsweise kann das Gehäuse den Innenraum zumindest teilweise umschließen und ihn gegen seine Umgebung zumindest teilweise abgrenzen. Das Gehäuse kann insbesondere ganz oder teilweise aus mindestens einem der folgenden Materialien hergestellt sein: einem Halbleitermaterial, einem Kunststoff, einem Metall.

Das Gehäuse kann ein Kappenwafer sein. Unter einem Kappenwafer ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiger Wafer zu verstehen, der einen Innenraum zumindest teilweise begrenzt. Der Kappenwafer kann mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Siliziumcarbid.

Der Sensor kann ausgebildet sein zum Variieren einer an die Membran angelegten elektrischen Heizspannung, wobei der Sensor zur Erfassung der Eigenschaft des fluiden Mediums bei einer ersten an die Membran angelegten Heizspannung ausgebildet ist, wobei der Sensor zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums bei einer zweiten an die Membran angelegten Heizspannung ausgebildet ist, wobei die zweite Heizspannung kleiner oder größer als die erste Heizspannung ist. Entsprechend wird die Heizspannung verändert, um zwei verschiedene Messgrößen zu bestimmen.

Die erste Heizspannung kann derart gewählt sein, dass sich eine Temperatur der Membran erhöht, wobei die zweite Heizspannung derart gewählt ist, dass eine Temperatur der Membran im Wesentlichen konstant bleibt. Für eine Wärmeleitfähigkeitsmessung wird die Messbrücke mit einer Heizspannung versorgt, die so hoch ist, dass sich die Membran erwärmt. Für eine Druckmessung wird die Membran mit einer sehr kleinen Spannung versorgt, so dass es nicht zur Erwärmung der Membran kommt, gleichzeitig aber die Widerstandserhöhung gemessen werden kann.

Die elektrische Messbrücke kann elektrische Widerstände aufweisen, wobei die Widerstände derart auf der Membran angeordnet sind, dass ein elektrischer Widerstandswert der Widerstände proportional zum Druck des fluiden Medium ist. Die Erfassung des Drucks des fluiden Mediums basierend auf dem erfassten elektrischen Widerstand der elektrischen Messbrücke beruht auf der Erkenntnis, dass sich die Membran bei einem Druckunterschied auf ihrer Oberseite und Unterseite verformt und insbesondere verbiegt. Dabei werden die Widerstände auf der Membran länger und der Widerstandswert damit größer. Entsprechend ist der auf die Membran wirkende Druck proportional zur Verformung der Widerstände und somit zum Widerstandswert.

Der Sensor kann zum Bilden eines Korrekturwerts für die erfasste Eigenschaft des fluiden Mediums basierend auf dem erfassten Druck des fluiden Mediums ausgebildet sein. Damit lässt sich die Messgenauigkeit des Sensors bezüglich, der zu messenden Gaskonzentration erhöhen.

Der Sensor kann weiterhin ein Temperatursensorelement aufweisen, wobei das Temperatursensorelement zum Erfassen einer Temperatur des Sensorelements ausgebildet ist.

Der Sensor kann ausgebildet sein zum Erfassen der Eigenschaft des fluiden Mediums basierend auf der Temperatur der Membran. Damit kann zuverlässig die Wärmeleitfähigkeit des fluiden Mediums erfasst werden.

Der Sensor kann zum Ausgeben eines Fehlersignals ausgebildet sein, falls der erfasste Druck einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet oder erreicht. Dadurch kann beispielsweise dem Steuerungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs signalisiert werden, dass der Druck im Abgasstrang z.B. durch eine Verstopfung zu hoch liegt. Gleichzeitig kann der Sensor im Sinne einer Eigendiagnose melden, dass die Messmembran unerlaubt hohe Drücke erfahren hat, bevor es zum Ausfall durch Bersten kommt.

Der Sensor kann weiterhin ein elektrisches Heizelement zum Beheizen der Membran umfassen. Damit lässt sich eine Temperatur der Membran zuverlässig steuern bzw. regeln.

Der Sensor kann zur Erfassung eines Hj-Anteils in einem Messgas ausgebildet sein.

Die Information über die zu messende H2- Konzentration im zugeführten Messgas wird mittels eines Sensorelements in Form eines Wärmeleitfähigkeit- Sensorelements generiert. Die Wärmeleitfähigkeit eines Gases ist in erster Näherung invers proportional zur Wurzel der Masse der Gasmoleküle, so dass Gase mit leichten Atomen wie z.B. Hj-Moleküle oder He- Atome deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit haben als Luft, die im Wesentlichen aus N2 und O2 Molekülen besteht. Je höher die gemessene Wärmeleitfähigkeit, desto größer der Anteil an leichten Molekülen. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit basiert darauf, dass die Membran durch das zu messende Gas gekühlt wird. Je höher die Wärmeleitfähigkeit des zu messenden Gases ist, umso stärker wird die Membran gekühlt. Durch Temperaturmessung der Membran kann so auf die Wärmeleitfähigkeit des Gases und indirekt auf dessen H2-Gehalt geschlossen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in mindestens einem Messraum, und

Figur 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltbilds des Sensorelements des Sensors,

Figur 3 eine Querschnittsansicht des Sensorelements und

Figur 4 eine weitere Querschnittsansicht des Sensorelements.

Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums 12 in mindestens einem Messraum 14, insbesondere zur Erfassung eines Hj-Anteils in einem Messgas 16. Der Sensor 10 kann insbesondere zum Einsatz in einem Wasserstoff- Brennstoffzellenfahrzeug eingerichtet sein. Auch andere Anwendungen sind jedoch möglich. Der Sensor 10 kann insbesondere ein oder mehrere in den Figuren nicht dargestellte, weitere Funktionselemente umfassen, wie beispielsweise Elektroden, Elektrodenzuleitungen und Kontakte, mehrere Schichten oder andere Elemente. Entsprechend kann der Sensor 10 im Abgasstrang des Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugs angebracht werden (exhaust) oder unter atmosphärischen Bedingungen arbeiten (ambient). Folglich kann es sich bei dem Messraum um einen Abgasstrang, Anodenstrang oder Innenraum des Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugs handeln.

Der Sensor 10 weist ein Sensorelement 18 auf. Das Sensorelement 18 weist mindestens eine beheizbare Membran 20 auf. Auf der Membran 20 ist ein erstes elektrisches Heizelement 22 angeordnet. Eine Oberseite 24 der Membran 20 ist einem ersten Referenzraum 26 ausgesetzt, der gegenüber dem Messraum 14 abgeschlossen ist. Der erste Referenzraum 26 ist mit einem fluiden Medium bekannter Zusammensetzung gefüllt. Eine Unterseite 30 der Membran 20 ist dem fluiden Medium 12 aussetzbar.

Das Sensorelement 18 weist weiterhin eine Referenzmembran 32 auf. Auf der Referenzmembran 32 ist ein weiteres elektrisches Heizelement 28 angeordnet. Eine Oberseite 36 der Referenzmembran 32 ist einem zweiten Referenzraum 34 ausgesetzt, der gegenüber dem Messraum 14 abgeschlossen ist. Der zweite Referenzraum 34 ist mit einem fluiden Medium bekannter Zusammensetzung gefüllt. Eine Unterseite 42 der Referenzmembran 32 ist einem dritten Referenzraum 38 ausgesetzt - dies kann dasselbe Medium wie im Referenzraum 34 sein - und von dem fluiden Medium 12 abgetrennt, beispielsweise mittels einer Medientrennung 44. Es wird explizit betont, dass das erste Heizelement 22 und das zweite Heizelement 28 einstückig ausgebildet sein können. Es wird explizit betont, dass die Referenzmembran 32 optional ist. Der gesamte Aufbau kann beispielsweise in Form eines Siliziumchipwafers ausgeführt werden. Der Sensor 10 kann weiterhin ein Gehäuse 40 aufweisen, in dem das Sensorelement 18 angeordnet ist.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltbilds des Sensorelements 18 des Sensors 10. Dargestellt ist das Sensorelement 18 mit der Membran 20 und der Referenzmembran 32. An das erste Heizelement 22 ist eine elektrische Heizspannung UH zum Beheizen der Membran 20 anlegbar (ebenso an das Heizelement 28 zum Beheizen der Referenzmembran 32). Die Heizspannung UH wird von einer Spannungsquelle 46 geliefert. Die Membran 20 und die Referenzmembran 32 sind mit einer elektrischen Messbrücke 48 verbunden. Die Messbrücke 48 ist beispielsweise eine Wheatstone’sche Brücke. Die Messbrücke 48 wird dazu beispielsweise von vier Widerständen 50 gebildet, von denen zwei Widerstände 50 auf der Membran 20 und zwei Widerstände 50 auf der Referenzmembran 32 angeordnet sind. An zwei Punkten zwischen den Widerständen 50 der Membran 20 und der Referenzmembran 32 ist eine elektrische Brückenspannung UB der Messbrücke 48 abgreifbar.

Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorelements 18. Der Sensor 10 weist weiterhin ein Temperatursensorelement 52 auf. Das Temperatursensorelement 52 ist zum Erfassen einer Temperatur des Sensorelements 18 bzw. dessen Silizium-Chips ausgebildet. Zu diesem Zweck ist das Temperatursensorelement 52 am Rand der Membran 20 oder an die Membran 20 angrenzend angeordnet. Der Sensor 10 ist zum Erfassen der Eigenschaft des fluiden Mediums 12 basierend auf der Temperatur der Membran 20 ausgebildet.

Figur 4 zeigt eine weitere Querschnittsansicht des Sensorelements 18. Insbesondere zeigt Figur 4 das Sensorelement 18 mit einer verformten Membran 20. Der Sensor 10 ist weiterhin zur Erfassung eines elektrischen Widerstands der Messbrücke 48 ausgebildet. So ist der Sensor 10 weiterhin zur Erfassung eines Drucks des fluiden Mediums 12 basierend auf dem erfassten elektrischen Widerstand der elektrischen Messbrücke 48 ausgebildet. Wie zuvor erläutert weist die elektrische Messbrücke 48 die elektrischen Widerstände 50 auf. Die Widerstände 50 sind derart auf der Membran 20 angeordnet, dass ein elektrischer Widerstandswert der Widerstände 50 proportional zum Druck des fluiden Medium 12 ist, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird.

Der Sensor 10 ist zum Variieren einer an die Membran 20 angelegten elektrischen Heizspannung UH ausgebildet. Insbesondere ist der Sensor 10 zur Erfassung der Eigenschaft des fluiden Mediums 12 bei einer ersten an die Membran 20 angelegten Heizspannung UH ausgebildet. Der Sensor 10 ist zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums 12 bei einer zweiten an die Membran 20 angelegten Heizspannung UH ausgebildet, wobei die zweite Heizspannung UH kleiner oder größer als die erste Heizspannung UH ist. Die erste Heizspannung UH ist derart gewählt, dass sich eine Temperatur der Membran 20 erhöht. Die zweite Heizspannung UH ist derart gewählt, dass eine Temperatur der Membran 20 im Wesentlichen konstant bleibt bzw. sich nicht erhöht. Der Sensor 10 ist weiterhin zum Bilden eines Korrekturwerts für die erfasste Eigenschaft des fluiden Mediums 12 basierend auf dem erfassten Druck des fluiden Mediums 12 ausgebildet. Weiterhin ist der Sensor 10 zum Ausgeben eines Fehlersignals ausgebildet, falls der erfasste Druck einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet oder erreicht.

Nachstehend wird eine Betriebsweise bzw. Funktion des erfindungsgemäßen Sensors 10 beschrieben. An das erste Heizelement 22 wird eine erste elektrische Heizspannung UH zum Beheizen der Membran 20 angelegt. Die Messbrücke 48 wird dabei mit einer so hohen Spannung versorgt, dass sich die Membran 20 erwärmt. Zusätzlich kann dadurch auch die Referenzmembran 32 durch das zweite Heizelement 28 beheizt werden. Dabei stellen sich infolge der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der Gase, die die Membran 20 und die Referenzmembran 32 kontaktieren, unterschiedliche Temperaturen im Bereich der Membran 20 und der Referenzmembran 32 ein. Die Temperatur des Sensorelements 18 bzw. dessen Silizium-Chips wird durch das Temperatursensorelement 52 erfasst. Diese entspricht in erster Näherung der Umgebungstemperatur sofern das Sensorelement 18 nicht zusätzlich geheizt wird. Abgegriffen wird, wie in Figur 2 gezeigt, das Brückensignal, das den Unterschied der Temperaturen von Messmembran 20 und Referenzmembran 32 darstellt. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit basiert darauf, dass die Membran 20 durch das zu messende fluide Medium 12 gekühlt wird. Je höher die Wärmeleitfähigkeit des zu messenden fluiden Mediums 12 ist, umso stärker wird die Membran 20 gekühlt. Durch Temperaturmessung der Membran 20 kann so auf die Wärmeleitfähigkeit des fluiden Mediums und indirekt auf dessen H2- Gehalt geschlossen werden.

Für die Erfassung des Drucks des fluiden Mediums 12 verändert der Sensor 10 die Heizspannung UH. An das erste Heizelement 22 wird eine zweite elektrische Heizspannung UH angelegt. Dabei wird die Messbrücke 48 mit einer sehr kleinen Spannung versorgt, so dass es nicht zur Erwärmung der Membran 20 kommt. Herrscht auf der Unterseite 30 der Membran 20 ein höherer Druck bedingt durch das fluide Medium 12 als auf der Oberseite 24 der Membran 20, biegt sich die Membran 20 durch, wie in Figur 4 dargestellt ist. Die Widerstände 50 auf der Membran 20 werden länger und der Widerstandswert damit größer. Bei angelegter zweiter Heizspannung UH kann die Widerstandserhöhung gemessen werden. Der Widerstandswert der Widerstände 50 ist umso größer desto größer der Druckunterschied zwischen Unterseite 30 und Oberseite 24 der Membran 20 ist. Für die Hj-Messung kann der Druckanteil als Korrekturfaktor berücksichtigt werden, um die Sensorgenauigkeit zu erhöhen.

Die Erfindung kann nachgewiesen werden, indem das Signal eines auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip basierenden Sensors analysiert wird. Sendet ein solcher Sensor bei Anlegen eines Druckes ein Signal aus, muss eine entsprechende Druckerkennung vorliegen (sofern kein gesonderter Drucksensor verbaut ist).