Hintergrund Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Messen einer Stoffkonzentration und eine Messanord- nung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik Ein derartiger Sensor wird von J. H. Correia, M. Bartek und R. F. Wolffenbuttel in"High-Selectivity Single-Chip Spectrometer for Operation at Visible Wave- lengths", IEDM 98, Seite 467-470 beschrieben. Er be- sitzt eine Anordnung von Lichtdetektoren auf einem Halb- leitersubstrat. Den Lichtdetektoren sind Filter unter- schiedlicher spektraler Transmission vorgeschaltet, so dass die Lichtdetektoren unterschiedliche spektrale Emp- findlichkeit haben. Der Sensor wird zur Anwendung in der chemischen Analyse mittels optischer Absorption und zur Emissionslinien-Spektroskopie vorgeschlagen. Für den Ein- satz in praktischen Anwendungen werden jedoch an Geräte dieser Art sehr hohe Anforderungen bezüglich Genauigkeit und Robustheit gestellt.

Darstellung der Erfindung Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Sensor und eine Messanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die sich durch hohe Genauigkeit bzw. Ro- bustheit auszeichnen.

Diese Aufgabe wird vom Gegenstand der unab- hängigen Ansprüche erfüllt.

Erfindungsgemäss sind also mehrere Messorgane vorgesehen, von denen jedes die Differenz der Signale zweier Messzellen mit unterschiedlicher spektraler Emp- findlichkeit bestimmt. Auf diese Weise können Differenz- signale von mehreren Paaren von Messzellen ermittelt wer- den. Dadurch wird der Sensor robuster gegen Inhomogenität und räumliche Verschiebung der Lichtquelle.

In einer ersten Ausführung sind vorzugsweise zwei Filtertypen unterschiedlicher spektraler Transmissi- on vorgesehen, wobei jeweils die Differenz der Signale von Messzellen hinter zwei verschiedenen Filtern gemessen wird. Die Filter der beiden Typen sind über die Fil- teranordnung räumlich verteilt, z. B. in Form eines Schachbrettmusters. Dadurch ergibt sich eine räumlich ge- mittelte Messung hoher Zuverlässigkeit.

Es ist auch denkbar, mindestens drei unter- schiedliche Filter vorzusehen, _welche je als Bandpassfil- ter für unterschiedliche Wellenlängen ausgestaltet sind.

In diesem Fall kann durch Messung der Differenz der Si- gnale aufeinanderfolgender Wellenlängen eine diskreti- sierte Ableitung des optischen Spektrums ermittelt wer- den. Besonders geeignet für diese Art von Sensor sind keilförmige Fabry-Perot-Filter, hinter denen die Messzel- len in einer Reihe angeordnet sind.

Die Filter werden vorzugsweise auf einem ge- meinsamen Filterträger angeordnet. Der Filterträger ist mit dem Halbleitersubstrat verbunden, aber nur über Ver- bindungselemente, die ausserhalb der Messzellen liegen.

Auf diese Weise bleiben die Messzellen thermisch iso-

liert, so dass ihre Empfindlichkeit nicht beeinträchtigt wird, falls die Messung über die Ermittlung einer Tempe- raturdifferenz zwischen den Messzellen erfolgt.

Der Sensor weist vorzugsweise eine Lichtquel- le auf, deren Licht durch einen Messraum tritt, in dem sich das auszumessende Medium befindet, und hinter dem Messraum auf die Filteranordnung bzw. die Messzellen trifft. Dabei kann die Lichtquelle mit dem Messraum und der Messraum mit der Filteranordnung und/oder der Zellen- anordnung verbunden werden, um eine kompakte Einheit zu bilden.

Der Sensor eignet sich insbesondere zur Be- stimmung von Stoffen mit mindestens einem Absorptionsband im infraroten Spektralbereich. Um die Menge des Stoffs zu bestimmen, wird ein erster Teil der Messzellen bzw. deren vorgeschaltete Filter so gestaltet, dass sie eine höhere Empfindlichkeit im Bereich des Absorptionsbands besitzt als ein zweiter Teil der Messzellen. Der Signalunter- schied der zwei Arten von Messzellen ist sodann ein Mass für die Menge des zu bestimmenden Stoffs.

In einem anderen Aspekt bezieht sich die Er- findung auf eine Messanordnung mit zwei Messzellen und einem Messorgan zur Messung der Differenz einfallender elektromagnetischer Strahlung in den zwei Messzellen. Ei- ne derartige Messanordnung kann z. B. im oben beschriebe- nen Sensor verwendet werden. Dabei weist jede Messzelle eine Membran auf, welche sich über eine Öffnung in einem Halbleitersubstrat erstreckt. Das Messorgan besitzt ein Thermoelement mit mindestens zwei Kontaktstellen zur thermoelektrischen Spannungserzeugung. Die eine der Kon- taktstellen ist auf der Membran der einen Messzelle, die andere Kontaktstelle auf jener der anderen Messzelle an- geordnet. Eine derartige Messanordnung zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit aus, da mit dem Thermoelement direkt der Temperaturunterschied zwi- schen den beiden Membranen gemessen wird.

Um das vom Thermoelement erzeugte Signal zu verstärken, sind vorzugsweise in jeder der Messzellen mehrere Kontaktstellen vorgesehen, wobei das Thermoele- ment mäanderförmig zwischen den Messzellen hin-und her- läuft.

Damit die Messzellen unterschiedliche spek- trale Empfindlichkeit haben, können sie unterschiedliche Absorptionsspektren besitzen und/oder es können optische Filter mit unterschiedlicher spektraler Absorption vorge- schaltet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwen- dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An- sprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen : Fig. 1 eine bevorzugte Ausführung eines er- findungsgemässen Sensors, Fig. 2 den Sensor gemäss Fig. 1 in Explosi- onsdarstellung, Fig. 3 eine Draufsicht auf die Messzellenan- ordnung mit gestrichelt eingezeichnetem Filterträger, Fig. 4 einen Schnitt durch die Messzellenan- ordnung von Fig. 3, Fig. 5 einen vergrösserten Schnitt durch eine Messzelle der Anordnung von Fig. 4, Fig. 6 die Filteranordnung für das Gerät nach Fig. 3 und Fig. 7 eine lineare Messzellenanordnung.

Wege zur Ausführung der Erfindung Der Grundaufbau einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemässen Sensors ergibt sich aus den Fi-

guren 1 und 2. Der hier gezeigte Sensor dient zur Messung des CO2-Gehalts von Luft. In gleicher oder ähnlicher Wei- se können jedoch auch andere Stoffe in anderen Medien ge- messen werden.

Der Sensor besitzt eine Infrarotlichtquelle 1 auf einem Träger 2. Träger 2 ist an einem Messraum 3 be- festigt. Der Messraum 3 enthält das zu messende Medium und kann z. B. ein Behälter, eine Gasleitung oder ein po- röses, für das Licht der Lichtquelle 1 durchlässiges Ma- terial sein. Der Messraum ist auf einem Filterträger 4 angeordnet, welcher eine Filteranordnung trägt, die von einer zweidimensionalen Matrix von Filtern 5 gebildet wird. Der Filterträger 4 ruht auf einem Halbleiterchip 6, in welchem eine Messzellenanordnung angeordnet ist. Die Messzellenanordnung besteht aus einer zweidimensionalen Matrix von Messzellen 7.

Die Funktion des Sensors gemäss Fig. 1 und 2 ist wie folgt : Die Lichtquelle 1 erzeugt Infrarot-Licht in einem Bereich, in welchem der zu messende Stoff (hier CO2) typische, vorzugsweise schmalbandige Absorptions- spitzen zeigt. Das von der Lichtquelle erzeugte Licht durchquert den Messraum 3 und wird dort teilweise vom zu messenden Stoff absorbiert. Sodann gelangt es zu den Fil- tern 5.

Wie in Fig. 6 dargestellt, sind in der hier gezeigten Ausführung sind zwei unterschiedliche Typen von Bandpassfiltern vorgesehen, von denen der eine bei einer Wellenlänge kl, der andere bei einer Wellenlänge k2 durchlässig ist. Die Wellenlängen kl, 2 sind so gewählt, dass eine davon auf einem Absorptionsmaximum des zu mes- senden Mediums liegt, die andere neben diesem Maximum.

Als Bandpassfilter eignen sich insbesondere Fabry-Perot- Filter, gegebenenfalls kombiniert mit einem Absorptions- filter, wie sie dem Fachmann bekannt sind.

Die zwei Filtertypen der Wellenlängen R1 und k2 sind schachbrettartig über die Filteranordnung ver- teilt.

Hinter den Filtern 5 sind die Messzellen 7 angeordnet, wobei jedem Filter 5 genau eine Messzelle 7 nachgeschaltet ist. Somit misst die Hälfte der Messzellen die einfallende Lichtmenge bei der Wellenlänge k1, die andere bei der Wellenlänge B2. Aus dem Unterschied der so gemessenen Lichtmengen kann die Konzentration des gesuch- ten Stoffs bestimmt werden.

Der Halbleiterchip 6 mit der Anordnung der Messzellen 7 ist in den Figuren 3-5 dargestellt. Wie insbesondere auf Fig. 4 ersichtlich, ist im Halbleiter- chip 6 eine Öffnung 10 ausgeätzt, über die sich eine die- lektrische Membran 11 erstreckt. Eine derartige Struktur kann in einem dem Fachmann bekannten Verfahren herge- stellt werden, indem zuerst die Schicht bzw. Membran 11 auf den Halbleiterchip 6 aufgebracht und somit durch ani- sotropes Ätzen die Öffnung 10 geschaffen wird.

Die Messzellen 7 sind auf der Membran 11 an- geordnet, so dass sie eine möglichst geringe Wärmekapazi- tät und Wärmeableitung besitzen. Dies verbessert die Emp- findlichkeit der Messzellen, da die einfallende Lichtlei- stung über die Erwärmung der jeweiligen Messzelle be- stimmt wird.

Auf der Membran 11 sind mehrere Thermoelemen- te 12 angeordnet, von denen jede mehrere Kontaktstellen 12a, 12b zum Erzeugen einer Thermospannung aufweist. Je- des Thermoelement 12 misst den Temperaturunterschied zweier benachbarter Messzellen. Hierzu verläuft das Ther- moelement mäanderförmig zwischen den Kontaktstellen 12a in der ersten und den Kontaktstellen 12b in der zweiten Messzelle. Die über dem Thermoelement erzeugte thermo- elektrische Spannung ist eine Funktion des Temperaturun- terschieds zwischen den Messzellen.

In der vorliegenden Ausführung sind z. B. ins- gesamt zwölf Thermoelemente vorgesehen, die in Serie ge- schaltet sind, und deren Signal über Anschlussleitungen 13,14 einer Auswerteschaltung 15 auf dem Halbleiterchip 6 zugeführt wird.

Die Thermoelemente sind von einer Schutz- schicht 17 bedeckt. Entweder die Schutzschicht 17 oder die Membran 11 müssen für die zu messende Strahlung ab- sorbierend sein, so dass die Messzelle bei Bestrahlung erwärmt wird.

Auf der Schutzschicht sind Bahnen 18,19 aus Gold aufgebracht. Sie tragen den Filterträger 4 und sind mit diesem z. B. eutektisch verbunden. Ein Teil 18 der Goldbahnen verläuft zwischen den Messzellen, trennt diese voneinander, und vermindert den Temperaturfluss zwischen den Messzellen. Somit wird ein thermisches Übersprechen verhindert. Dank der Goldbahnen 18,19 wird der Filter- träger 4 beabstandet von den Messzellen 7 gehalten, so dass ein Wärmeabfluss von den Messzellen 7 auf den Fil- terträger 4 verhindert wird.

Zusätzlich zu oder anstelle der Goldbahnen auf der Oberfläche der Schutzschicht 17 können auch Halb- leiterbahnen 19 auf der Unterseite der Membran 11 ange- ordnet werden, wie dies in Fig. 4 gestrichelt dargestellt ist.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind die Filter 5 auf der Oberfläche des Filterträgers 4 angeordnet. Falls sie, wie im Falle eines CO2-Detektors als Infrarot- Bandpassfilter ausgestaltet sein müssen, können sie z. B. aus Siliziumschichten bestehen, deren Dicke der zu trans- mittierenden Wellenlänge angepasst ist.

Der Sensor gemäss Fig. 1-6 hat den Vorteil, dass Messungen an einer Vielzahl von Orten durchgeführt werden. Dadurch wird der Einfluss von Störfaktoren, wie z. B. Änderungen der Lichtverteilung oder inhomogene Ver- teilung des zu messenden Stoffs im Messraum 3, auf das Messsignal reduziert.

In der in Fig. 1-6 gezeigten Ausführung der Erfindung sind die Messzellen in einem zweidimensionalen Array angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, die Mess- zellen eindimensional anzuordnen, wie dies in Fig. 7 schematisch dargestellt ist.

Es ist ausserdem auch denkbar, mehr als zwei Filtertypen zu verwenden, z. B. um eine genauere Messung durchzuführen oder die Konzentration mehrerer Stoffe zu bestimmen. Die Anordnung nach Fig. 7 ist z. B. besonders gut als lineares Spektrometer geeignet. Hierzu wird ein keilförmiges Fabry-Perot-Filter oder Fabry-Perot-Filter mit mehreren Stufen auf den Messzellen angeordnet, so dass benachbarte Zellen für benachbarte Spektralbereiche empfindlich sind. Mit den zwischen den Zellen angeordne- ten Thermoelementen kann in diesem Falle eine diskrete Ableitung des optischen Spektrums der einfallenden Strah- lung ermittelt werden.

Anstelle einer Kombination aus Bandpassfilter und spektral breitbandiger Messzelle kann auch eine Mess- zelle verwendet werden, welche im gewünschten Spektralbe- reich ein schmalbandiges Absorptionsmaximum und entspre- chend höhere Empfindlichkeit besitzt. Hierzu kann z. B. die Schutzschicht 17 oder die Membran 11 entsprechend ge- färbt werden.

Es ist auch denkbar, nur vor einem Teil der Messzellen 7 Filter 5 anzuordnen, und mit den übrigen Filtern die gesamte einfallende Strahlung zu messen. In diesem Fall würden die Thermoelemente 12 den Unterschied zwischen der Strahlung in einem spektralen Teilbereich und der total einfallenden Strahlung ermitteln.

Der hier beschriebene Sensor kann für ver- schiedene Messzwecke eingesetzt werden. Besonders geeig- net ist er zum Messen einer Stoffkonzentration aufgrund optischer Absorptions-oder Emissionseigenschaften.

Während in der vorliegenden Anmeldung bevor- zugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese Beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.