Titel

Sensorvorrichtung zum Messen einer Fluidkonzentration und Verwendung der Sensorvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und eine Verwendung einer Sensorvorrichtung zum Messen einer Fluidkonzentration. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung zum Erkennen von Kohlendioxidgas und zur Messung der Konzentration von Kohlendioxidgas.

Stand der Technik

Sensoren zum Messen von Fluidkonzentrationen, insbesondere der

Konzentration von Kohlendioxidgas, haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise zur Überwachung der Luftgüte oder in der Sicherheitstechnik. Aus der WO 2005/045404 AI ist ein Infrarot-Gassensor bekannt, welcher eine

Gaskonzentration messen kann, indem Infrarotstrahlung, welche durch eine mit dem zu messenden Gas gefüllte Absorptionsstrecke propagiert ist, durch ein erstes Filter hindurch von einer ersten Erfassungseinheit detektiert wird und durch ein zweites Filter hindurch von einer zweiten Erfassungseinheit detektiert wird, wobei eine Konzentration des Gases anhand einer Differenz der

Intensitäten der detektierten Strahlung gemessen wird.

Bei einem derartigen Gassensor kann es zu Querempfindlichkeit der

Erfassungseinheiten kommen, da auch Strahlung, welche zwischen den Filtern hindurchtritt, von den Erfassungseinheiten erfasst werden kann.

Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Verwendung einer Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Sensorvorrichtung mit einer in einem zumindest teilweise geschlossenen Probenraum befindlichen Absorptionsstrecke zum Aufnehmen eines zu analysierenden Fluids. An einem Ende der Absorptionsstrecke befindet sich eine Strahlungsquelle zum Aussenden von Infrarotstrahlung in die Absorptionsstrecke,

wobei die in die Absorptionsstrecke ausgesendete Infrarotstrahlung auf eine Oberseite einer am anderen Ende der Absorptionsstrecke befindlichen Sensoreinheit gerichtet ist. Die Sensoreinheit weist eine Vielzahl von Pixelanordnungen mit jeweils mindestens einem Pixel auf, welche an einer Substratoberseite eines an einer Unterseite der Sensoreinheit befindlichen Substrats angeordnet sind. An der Substratoberseite ist eine Kappe angeordnet, welche die Pixelanordnungen überdeckt, wobei eine Kaverne zwischen der Substratoberseite und der Kappe gebildet ist. Weiter weist die

Sensoreinheit eine Vielzahl von Filtern auf, welche für sich zumindest teilweise unterscheidende Wellenlängenbereiche durchlässig sind, wobei jedem Filter genau eine Pixelanordnung zugeordnet ist, und wobei die Filter derart auf der Kappe angeordnet sind, dass die durch die Absorptionsstrecke und die Oberseite der

Sensoreinheit propagierte Infrarotstrahlung durch das jeweilige Filter von der dem jeweiligen Filter zugeordneten Pixelanordnung detektierbar ist. Hierbei ist auf einem nicht von den Filtern bedeckten Teil der Kappe zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aus einem lichtabsorbierenden und/oder lichtreflektierenden Material ausgebildet.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine

Verwendung einer Sensorvorrichtung zum Messen einer Fluidkonzentration, wobei eine Konzentration des Fluids anhand eines Vergleichs der Intensitäten der von den jeweiligen Pixelanordnungen detektierten Infrarotstrahlung

berechnet wird.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Die Kappe, welche die Pixelanordnungen überdeckt ist, ist für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchlässig, um zu garantieren, dass die Strahlung die

Pixelanordnungen erreicht. Durch die Beschichtung wird jedoch verhindert, dass Infrarotstrahlung durch den zwischen den Filtern liegenden Teil der Kappe

hindurchgelangt und von den Pixelanordnungen erfasst wird. Dadurch wird gewährleistet, dass eine bestimmte Pixelanordnung nur diejenige

Infrarotstrahlung detektiert, welche durch das der Pixelanordnung zugeordnete Filter eingestrahlt ist. Die Genauigkeit der Sensorvorrichtung wird somit erhöht und eine Konzentration des Fluids kann mit einer höheren Präzision gemessen werden. Eine Querempfindlichkeit aufgrund von Streulicht, welches durch den nicht durch Filter abgedeckten Teil der Kappe einstrahlt, wird verhindert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist mindestens eine Pixelanordnung der Vielzahl von Pixelanordnungen als

Referenzpixelanordnung ausgebildet und das der Referenzpixelanordnung zugeordnete Filter ist in einem Wellenlängenbereich durchlässig, welcher von einem festgelegten Fluid, insbesondere Kohlenstoffdioxid-Gas, weniger stark absorbiert wird als die Wellenlängenbereiche, für welche die restlichen Filter durchlässig sind. Die Intensität der von der Referenzpixelanordnung erfasste Infrarotstrahlung ist weitestgehend unabhängig von der Konzentration des zu erfassenden Fluids, da die Strahlung, welche durch das der

Referenzpixelanordnung zugeordnete Filter durchgelassen wird, kaum oder gar nicht von dem Fluid absorbiert wird. Im Unterschied dazu hängt die Intensität der Strahlung, welche von den restlichen Referenzpixelanordnungen detektiert wird, stärker von einer Konzentration des Fluids ab. Bei einer hohen

Fluidkonzentration wird mehr Strahlung in dem Wellenlängenbereich absorbiert, in welchem die den restlichen Pixelanordnungen zugeordneten Filter durchlässig sind. Die Differenz zwischen der von der Referenzpixelanordnung erfassten Infrarotstrahlung und der von den restlichen Pixelanordnungen erfassten

Infrarotstrahlung hängt daher von der Konzentration des Fluids ab. Durch vorheriges Eichen der Sensorvorrichtung mit einem Prüfgas von bekannter Konzentration des zu überprüfenden Fluids kann die Sensorvorrichtung damit zur Bestimmung einer Fluidkonzentration verwendet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung besteht die Beschichtung aus einem Metall, einer Nitridverbindung und/oder einer

Oxidverbindung. Diese Beschichtungen weisen gute Lichtabsorptions- und/oder Lichtreflexionseigenschaften auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung besteht die Beschichtung aus hochdotiertem Silizium. Hochdotiertes Silizium ist ebenfalls für Infrarotstrahlung weitestgehend undurchlässig.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die Beschichtung eine Oberflächenstrukturierung auf. Durch eine geeignete Wahl dieser

Oberflächenstrukturierung wird die Reflexions- oder Absorptionseigenschaft des Materials erhöht und somit zusätzlich die Durchlässigkeit der Beschichtung für Infrarotstrahlung verringert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst die

Strahlungsquelle eine Laserdiode, einen Heizdraht, eine Glühlampe oder eine Leuchtdiode.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die

Absorptionsstrecke einen Reflektor zum Ablenken der Infrarotstrahlung auf.

Insbesondere können dadurch die Strahlungsquelle und die Sensoreinheit auf demselben Substrat befestigt werden. Das von der Strahlungsquelle im Wesentlichen senkrecht zum Substrat ausgesandte Infrarotlicht wird dann mit Hilfe des Reflektors so abgelenkt, dass es auf die Sensoreinheit trifft. Außerdem kann so die

Absorptionsstrecke verlängert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung bedeckt die

Beschichtung den gesamten nicht von dem Filter bedeckten Teil der Kappe. Das Licht kann dadurch nur noch durch die Filter propagieren, wodurch eine

Querempfindlichkeit durch Licht, welches durch die Kappe, aber nicht durch die Filter hindurchtritt, vollkommen verhindert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:

FIG. 1 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer

Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; FIG. 2 eine Schnittansicht eines Teils einer Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

FIG. 3 eine Schnittansicht eines Teils einer Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

FIG. 4 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

FIG. 5 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf einer ersten

Substratoberseite 101a eines ersten Substrats 101, das beispielsweise aus einem Siliziumwafer gebildet ist, befindet sich eine erste Pixelanordnung 102 und eine zweite Pixelanordnung 103. Die Pixelanordnungen 102, 103 können hierbei eine Vielzahl von Pixeln, welche zum Detektieren von Infrarotstrahlung ausgebildet sind, aufweisen. Eine Intensität einer von der ersten Pixelanordnung 102 und der zweiten Pixelanordnung 103 erfassten Infrarotstrahlung können über ein nicht gezeigtes, mit den Pixelanordnungen 102, 103 verbundenes Messgerät berechnet werden. Wahlweise kann auch nur eine Differenz der Intensität der von der ersten Pixelanordnung 102 und der Intensität der von der zweiten Pixelanordnung 103 detektierten Infrarotstrahlung gemessen werden.

Vorzugsweise sind die erste Pixelanordnung 102 und die zweite Pixelanordnung 103 gleich aufgebaut, d.h. sie weisen eine gleiche Messempfindlichkeit auf.

An der ersten Substratoberfläche 101a ist eine Kappe 104 aus einem für Infrarotlicht durchlässigen Material, vorzugsweise Silizium, angeordnet. Die Kappe 104 überdeckt hierbei die erste Pixelanordnung 102 und die zweite Pixelanordnung 103 derart, dass zwischen der ersten Substratoberfläche 101a und Kappe 104 eine Kaverne 105 ausgebildet ist.

An einer dem ersten Substrat 101 abgewandten Kappenoberseite 104a der Kappe 104 ist ein erstes Filter 106 und ein zweites Filter 107 angeordnet. Das erste Filter 106 ist der ersten Pixelanordnung 102 zugeordnet und befindet im Wesentlichen direkt oberhalb der ersten Pixelanordnung 102, während das zweite Filter 107 der zweiten Pixelanordnung 103 zugeordnet ist und sich im Wesentlichen direkt oberhalb der zweiten Pixelanordnung 103 befindet. Das heißt, das erste Filter 106 und das zweite Filter 107 schneiden eine erste Achse 108 bzw. eine zweite Achse 109, welche senkrecht zum ersten Substrat 101 durch den Mittelpunkt der ersten Pixelanordnung 102 bzw. zweiten

Pixelanordnung 103 gehen. Das erste Filter 106 und das zweite Filter 107 sind hierbei Monochromatoren. Das zweite Filter 107 ist für eine Wellenlänge durchlässig ist, die von dem Fluid absorbiert wird, während das erste Filter 106 für eine Wellenlänge durchlässig, welche kaum oder gar nicht von dem Fluid absorbiert wird. Wird die

Sensorvorrichtung zum Detektieren von Kohlendioxid verwendet, so ist das zweite Filter 107 für eine Wellenlänge durchlässig ist, die von Kohlendioxid besonders stark absorbiert wird, etwa eine Wellenlänge zwischen 4,1 μηη und 4,35 μηη, vorzugsweise von 4,26 μηη. Das erste Filter 106 ist im Gegensatz für eine Referenzwellenlänge durchlässig, welche kaum oder gar nicht von

Kohlendioxid absorbiert wird, etwa eine Wellenlänge zwischen 3,5 μηη und 4 μηη, vorzugsweise von 3,9 μηη.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Kappe 104 gemäß einer ersten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Derjenige Bereich einer

Kappenoberseite 104a der Kappe 104, welcher sich zwischen dem ersten Filter 106 und dem zweiten Filter 107 befindet, ist mit einer Beschichtung 201 beschichtet. Die Beschichtung 201 besteht aus einem Material, welches

Infrarotlicht absorbiert bzw. reflektiert. Beispielsweise kann die Beschichtung aus einem Metall, einer Nitridverbindung, einer Oxidverbindung und/oder aus hochdotiertem Silizium bestehen. Die Beschichtung kann beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung aufgebracht worden sein. Bevorzugt besteht die Beschichtung 201 aus einer reflektierenden Schicht, da sich diese im Gegensatz zu einer absorbierenden Schicht weniger stark erwärmt. Dadurch wird verhindert, dass die Beschichtung 201 in die Kaverne 105 abstrahlt.

Wie in Figur 3 gezeigt, kann eine Beschichtung 301 auch die gesamte

Kappenoberseite 104a, welche nicht von dem ersten Filter 106 und dem zweiten Filter 107 bedeckt ist, beschichten. Dadurch ist die Kappenoberseite 104a nur noch in den Bereichen, in welchen sich das erste Filter 16 und das zweite Filter 107 befinden, für Infrarotstrahlung durchlässig.

Zusätzlich kann die Absorptions- und/oder Reflexionseigenschaft der

Beschichtung 201 gemäß der ersten Ausführungsform oder der Beschichtung 301 gemäß der zweiten Ausführungsform durch eine Oberflächenstrukturierung erhöht werden. Beispielsweise kann die Beschichtung 201, 301 aufgeraut sein, etwa durch ein Ätzverfahren.

In Figur 4 wird eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Auf einem Teil einer zweiten Substratoberseite 403a eines zweiten Substrats 403, das beispielsweise aus einem Siliziumwafer gebildet ist, ist hierbei das oben beschriebene erste Substrat 101 angeordnet, wobei die erste Substratoberseite 101a von der zweiten Substratoberseite 403a abgewandt ist. Das erste Substrat 101 umfasst die erste Pixelanordnung 102 und die zweite Pixelanordnung 103, welche von der Kappe 104 abgedeckt werden. Auf der Kappe 104 ist das erste Filter 106 und das zweite Filter 107 angeordnet, wobei, wie in Figur 2 gezeigt, zwischen dem ersten Filter 106 und dem zweiten Filter 107 eine Beschichtung 201 ausgebildet ist. Auf dem zweiten Substrat 403 ist weiter eine Moldmasse angeordnet, welche eine Blende 407 bildet und das erste Substrat 101 und die beschichtete Kappe 104 mit dem ersten Filter 106 und dem zweiten Filter 107 überdeckt und schützt. Die Blende 407 besteht aus einem für Infrarotlicht durchlässigen Material. Das erste Substrat 101 mit der ersten Pixelanordnung 102 und die zweite Pixelanordnung 103, die beschichtete Kappe 104 sowie die Blende 407 bilden eine Sensoreinheit 409, wobei sich das erste Substrat 101 an einer

Sensoreinheitsunterseite 409b der Sensoreinheit und die Blende 407 an einer Sensoreinheitsoberseite 409a der Sensoreinheit befindet.

Beabstandet von der Sensoreinheit 409 ist eine Strahlungsquelle 405 auf dem zweiten Substrat 403 angeordnet, welche zum Aussenden von Infrarotlicht ausgebildet ist. Die Strahlungsquelle 405 kann beispielsweise eine Laserdiode, ein Heizdraht, eine Glühlampe oder eine Leuchtdiode sein. Insbesondere kann die Strahlungsquelle 405 aus Infrarotdioden bestehen, welche als Arrays ausgebildet sind. Die von der Strahlungsquelle 405 ausgesandte Strahlung 406 kann schmalbandig sein, etwa im Wellenlängenbereich von 2 bis 14 μηη. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So kann die Strahlungsquelle auch breitbandiges Licht aussenden, etwa durch Verwendung eines Heizdrahts.

Die Strahlungsquelle 405 und die Sensoreinheit 409 werden von einem Reflektor 404, beispielsweise aus Metall, kuppeiförmig überdeckt, welcher ebenfalls auf dem zweiten Substrat 403 angeordnet ist. In dem dadurch definierten

Probenraum 400 befindet sich eine Absorptionsstrecke 408 zwischen der Strahlungsquelle 405 und der Sensoreinheit 409. Die Strahlungsquelle 405 sendet Strahlung 406 aus (zur Illustration ist nur ein Lichtstrahl eingezeichnet). Bei Verwendung von Laserdioden kann die Strahlung 406 im Wesentlichen senkrecht zum zweiten Substrat 403 ausgesendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann etwa bei Verwendung eines Heizdrahts die Strahlung 406 in alle Richtungen vom Substrat aus abgegeben werden.

Der Probenraum 400 ist mit (nicht gezeigten) Vorrichtungen zum Einlassen und Auslassen des zu analysierenden Fluids, beispielsweise von Kohlendioxidgas, ausgebildet.

Die von der Strahlungsquelle 405 ausgesendete Strahlung 406 propagiert durch die Absorptionsstrecke 408, wobei sie an dem Reflektor 404 möglicherweise mehrfach reflektiert wird und schließlich auf die Sensoreinheitsoberseite 409a der Sensoreinheit 409 trifft. Die Strahlung 406 interagiert hierbei in der Absorptionsstrecke 408 mit dem in der Absorptionsstrecke 408 befindlichen Fluid, wobei bestimmte Wellenlängenbereiche der Strahlung 406 von dem Fluid absorbiert werden. Die Strahlung 406 durchdringt die lichtdurchlässige Blende 407 und trifft auf die Kappenoberseite 104a der Kappe 104. Die Strahlung 406 kann hierbei nicht durch den durch die Beschichtung 201 abgedeckten Teil der Kappe 104 propagieren sondern wird von der Beschichtung 201 reflektiert oder absorbiert. Die erste Pixelanordnung 102 detektiert das durch das erste Filter 106 propagierte Licht und die zweite Pixelanordnung 103 detektiert das durch das zweite Filter 107 propagierte Licht.

Da das erste Filter 106 für einen Wellenlängenbereich durchlässig ist, welcher von dem Fluid, beispielsweise Kohlendioxid, kaum oder gar nicht absorbiert wird, ist die Intensität der von der ersten Pixelanordnung 102 erfassten Strahlung im Wesentlichen unabhängig von der Fluidkonzentration in der Absorptionsstrecke 408. Die erste Pixelanordnung 102 dient daher als Referenzpixelanordnung.

Im Gegensatz dazu ist das zweite Filter 107 in einem Wellenlängenbereich durchlässig, welcher von dem Fluid absorbiert wird, so dass die Intensität der von der zweiten Pixelanordnung 103 erfassten Strahlung von der in der

Absorptionsstrecke 408 vorliegenden Fluidkonzentration abhängig ist. Die erste Pixelanordnung 102 und die zweite Pixelanordnung 103 können entweder separat, das heißt einzeln auswertbar sein oder es kann lediglich die

Intensitätsdifferenz der von der ersten Pixelanordnung 102 erfassten Strahlung und der von der zweiten Pixelanordnung 103 erfassten Strahlung detektierbar sein. Diese Differenz wird von einer (nicht gezeigten) Auswertevorrichtung ausgewertet. Durch Eichen der Sensorvorrichtung mit Hilfe eines Fluids von bekannter

Fluidkonzentration, beispielsweise eines Kohlenstoffdioxid- Prüfgases, kann die Abhängigkeit der Differenz von der Fluidkonzentration bestimmt werden. So ist etwa bei einer höheren Fluidkonzentration die gemessene Intensitätsdifferenz ebenfalls höher. Dadurch kann die Sensorvorrichtung zum Messen einer Fluidkonzentration verwendet werden. Figur 5 zeigt eine Sensorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist hierbei die gesamte Kappenoberseite 104a der Kappe 104, wie in Figur 3 gezeigt, mit einer Beschichtung 301 versehen. Dadurch wird gewährleistet, dass keine Strahlung 406 durch einen nicht von dem ersten Filter 106 und dem zweiten Filter 107 bedeckten Teil der Kappe 104 hindurchgelangt und von der ersten

Pixelanordnung 102 und der zweiten Pixelanordnung 103 erfasst wird. Dadurch wird gewährleistet, dass die erste Pixelanordnung 102 lediglich Strahlung 406 detektiert, welche durch das erste Filter 106 propagiert ist und die zweite

Pixelanordnung 103 lediglich Strahlung 406 detektiert, welche durch das zweite Filter 107 propagiert ist. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung der

Fluidkonzentration erhöht.