(57)【要約】【課題】ガス状流体の所定の成分を測定する際の湿分の影響を大幅に低減する。【解決手段】ケーシングが少なくとも１つの第１の加熱素子を有しており、この加熱素子を介して測定室が加熱されるセンサを構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング（１６）によって画され、加熱される測定素子（２０）を収容した測定室（１４）を有するセンサ（１０）を介して、複数の成分を含むガス状流体（２６）における所定の成分、例えば水素を検出する方法において、
測定室（１４）を加熱する
ことを特徴とする複数の成分を含むガス状流体における所定の成分を検出する方法。
【請求項２】
測定室（１４）をケーシング（１６）の外側から加熱する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
測定室（１４）を少なくとも１つの側壁（３４）および／または蓋部メンブレイン（５０）にわたって加熱する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
加熱される測定素子（２０）をケーシング（１６）の加熱温度レベルを上回る約５０Ｋ〜２００Ｋの温度まで加熱する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
測定室（１４）を画するケーシング（１６）を８０℃〜２００℃の温度まで加熱する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
加熱される測定素子（２０）を１００℃〜２００℃の温度まで加熱する、請求項４記載の方法。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項記載の複数の成分を含むガス状流体における所定の成分を検出する方法を実行するためのセンサ（１０）において、
ケーシング（１６）は少なくとも１つの第１の加熱素子（３２）を有しており、該加熱素子を介して測定室（１４）が加熱される
ことを特徴とするセンサ。
【請求項８】
ケーシング（１６）は測定室（１４）を画する蓋部メンブレイン（５０）を有しており、該蓋部メンブレインに少なくとも１つの第２の加熱素子（４２）が収容されている、請求項７記載のセンサ。
【請求項９】
少なくとも１つの第１の加熱素子（３２）はケーシング（１６）の側壁に組み込まれているか、または、少なくとも１つの側壁（３４）の外側（３０）に被着されている、請求項７記載のセンサ。
【請求項１０】
加熱素子（３２，４２）はミアンダ状（５２）に延在する熱線（５４）として構成されているか、または平面状ヒータとして構成されている、請求項７または８記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の成分を含むガス状流体における所定の成分を検出する方法およびセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術から公知のセンサのタイプはホットフィルムエアマスセンサHFMであり、例えば独国公開第１９６０１７９１号明細書の実施例に記載されている。この種のホットフィルムエアマスセンサでは通常、センサチップ、例えばシリコンセンサチップ上に薄膜センサが被着される。薄膜センサには典型的には少なくとも1つの加熱抵抗が配置されており、この加熱抵抗は２つ以上の温度測定抵抗により包囲されている。薄膜センサ上を通過する空気流において温度分布が変化すると、その変化を温度測定抵抗により検出することができる。例えば温度測定抵抗の抵抗差から空気質量流を求めることができる。さらに、このタイプのセンサの種々のバリエーションも従来技術から公知である。
【０００３】
独国出願第１０１１１８４０号明細書からは、シリコン上に成形されたフレーム素子およびその上に被着されたメンブレインを備えたセンサチップが公知である。当該のメンブレイン上には電熱器および／または測定抵抗として機能する種々の金属導体路が配置されており、これによりメンブレインの所定の領域がセンサ領域となっている。また、センサチップの表面には電気的に加熱可能な少なくとも１つの付加ヒータが配置されており、その加熱により付加ヒータの近傍では流体に熱グラジエントが発生して渦流が生じる。こうして付加ヒータの近傍の沈着物がセンサ領域から除去され、汚染が回避される。
【０００４】
水素の検出のために、水素が空気よりもはるかに良好に熱を伝導するという性質が利用される。センサの構造が上述したホットフィルムエアマスセンサに似ている場合、水素空気混合気は薄膜または狭い格子を通して測定室へ拡散する。水素が存在すれば加熱された測定メンブレインの温度または周囲へ放出される熱伝導力が変化し、これが測定信号として検出される。上述の例では、通常、チップまたはケーシングの温度は室温の近傍に置かれ、メンブレイン上方の温度は８０Ｋ〜１２０Ｋに設定される。
【０００５】
こうした測定手法には、混合気中の湿分が水素空気混合気の熱伝導性に影響するという欠点がある。室温では空気湿分の影響はきわめて大きくなり、水素空気混合気中の水素が一義的に検出できなくなってしまいかねない。
【特許文献１】独国公開第１９６０１７９１号明細書
【特許文献２】独国出願第１０１１１８４０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、従来技術の欠点から出発して、ガス状流体の所定の成分を測定する際の湿分の影響を大幅に低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、測定室を加熱することにより解決される。
【０００８】
課題はまた、ケーシングが少なくとも１つの第１の加熱素子を有しており、この加熱素子を介して測定室が加熱されるセンサを構成することにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明によれば、ガス状流体の所定の成分を検出するセンサのケーシングの測定空間が加熱される。特にセンサのケーシングおよび／またはセンサのケーシングを覆う蓋部メンブレインが加熱される。加熱は室温すなわち２５℃を大きく上回る温度、例えばＴ＝８０℃〜２００℃の高温に達するように行われる。測定素子として使用される測定メンブレインは１００℃〜２００℃の範囲の高温Ｔへ加熱され、センサの測定室内の流体の相対湿分、ひいてはガス状流体の空気湿分に起因する測定誤差が著しく低減される。
【００１０】
これまで公知のセンサの構成における２０℃〜１２０℃の温度レベルでの熱輸送とは異なり、本発明では格段に高い８０℃〜２２０℃の温度レベルで熱輸送が行われる。
【００１１】
測定室の加熱は、本発明の１つの実施形態によれば、測定室を画しているケーシングの少なくとも一方の側に加熱抵抗が配置されることにより実現される。この加熱抵抗は、ケーシングの少なくとも１つの側壁に大面積に延在する。また、測定室を画するケーシングの少なくとも一方の側、例えば蓋部またはメンブレインを、少なくとも１つの別の加熱素子を介して外側から加熱することもできる。ケーシングの少なくとも１つの側壁上、測定室を覆う蓋部上または測定室に被着されたメンブレイン上に加熱素子を配置することに加え、ガス状流体の所定の成分を検出するセンサのケーシングの側壁内に加熱素子を組み込むこともできる。
【００１２】
本発明のセンサの組み込み位置または使用される空間に応じて、加熱素子は、直方体状のケーシングであれば、長手側面および横側面に被着することができる。センサが平たい円筒体の形状に構成されている場合には、円筒体に関する種々の周囲角の位置で外套面に加熱素子が配置される。
【００１３】
加熱素子は有利にはミアンダ状に屈曲された熱線から成形された加熱抵抗として構成されている。この加熱抵抗はケーシングの側壁または外套面に大面積にわたって配置される。
【実施例】
【００１４】
以下に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１には従来技術によるガス状流体中の所定の成分を検出するセンサの断面図が示されている。
【００１６】
図１には、ガス状流体の所定の成分、例えば水素空気混合気における水素を検出するためのセンサ１０がケーシング１６を有することが示されている。ケーシング１６は測定室１４を画している。センサ１０はそのほかにケーシング底部２４に被着されたチップ１８を有しており、このチップは測定メンブレイン２０を含む。チップ１８はケーシング底部２４上に固定されており、蓋部１２を通して拡散するガス状流体２６、例えば水素空気混合気２６に曝される。通常はチップ１８の温度および図１に示されているセンサ１０のケーシング１６の温度は室温約２５℃の近傍にある。図１に示されている測定メンブレイン２０も同様に加熱され、チップ１８の温度に比べて高温のＴ＝８０Ｋ〜１２０Ｋに達する。
【００１７】
図２には、本発明のセンサ１０のケーシング１６の上側が蓋部メンブレイン５０によって閉鎖されている様子が示されている。
【００１８】
ケーシング１６は測定室１４を画する側壁３４を有している。さらに測定室１４は測定チップ１８および加熱される測定素子２０を収容したケーシング底部２４によって画されている。測定素子とは以下では測定メンブレイン２０であると理解されたい。
【００１９】
図２には直方体状に構成されたセンサ１０のケーシング１６が示されている。側壁３４は図２に示されている長手側面３６より短くてもよい。
【００２０】
断面の後方の長手側面のケーシングの外側３０に第１の加熱素子３２が配置されている。有利には第１の加熱素子はミアンダ状に構成されており、ケーシング１６の長手側面３６の側壁を大面積にわたって加熱することができる。図２では隠れている第１の加熱素子３２はケーシング１６の外側３０に被着されているか、またはケーシング１６内に組み込まれている。したがって製造技術的にも、プラスティック材料から成形されたケーシング１６の周囲に少なくとも１つの第１の加熱素子３２を射出成形することにより、簡単に達成される。これによりチップ１８上の加熱すべき測定メンブレイン２０を含む測定室１４が加熱される。
【００２１】
図３には図２の本発明のセンサの側面図が示されている。
【００２２】
図３には、ケーシング１６の長手側面３６に第１の加熱素子３２が配置される様子が示されている。第１の加熱素子３２は端子４０を有する。図３では、ケーシング１６の長手側面３６が第１の半部５８と第２の半部６０とに分割されている。図３では、第１の加熱素子３２は、ケーシング１６の長手側面３６に延在する側壁の第１の半部内に位置している。これに加えて第１の加熱素子をケーシング１６の横側面３８の外側に配置することもできる。図３に示されているミアンダ状の第１の加熱素子３２のバリエーションのほか、軸線５６によって分けられた第１の半部５８または第２の半部６０内に平面状ヒータを設けることもできる。ここで第１の加熱素子３２は、ケーシング１６の長手側面３６または横側面３８の外側３０に格子構造またはプレーナ構造として配置することができる。図３によれば第１の加熱素子３２はケーシング１６の長手側面３６に配置されているが、図３には示されていない後ろ側の長手側面に別の加熱素子を配置することもできる。またケーシング１６の相互に対向する横側面３８の外側にそれぞれ１つずつ加熱素子を配置してもよい。従来技術から公知の方法によればチップの温度は約２０℃、測定メンブレイン２０の温度は約１２０℃で駆動されるのに対して、本発明の方法では格段に高い温度で駆動され、チップ１８の温度は約１２０℃、測定メンブレイン２０の温度は約１８０℃〜２３０℃、例えば２２０℃となる。
【００２３】
図４には本発明のセンサの上面図が示されている。
【００２４】
図２の断面図からわかるように、本発明のセンサ１０のケーシング１６の表面は蓋部またはカバーによって閉鎖されている。当該の蓋部は、複数の成分を含むガス状流体２６の拡散を可能にするために、蓋部メンブレイン５０として構成されている。これは図２では（図４では見えない）測定室１４を閉鎖するものとして示されている。蓋部メンブレイン５０上の中央領域４４にはミアンダ状５２の第２の加熱素子４２が被着されている。ここには第２の加熱素子４２の端子４６も示されている。
【００２５】
図４に示されている蓋部メンブレイン５０に被着された第２の加熱素子４２は熱線５４を有する。第２の加熱素子４２もミアンダ状５２に構成されていることにより、蓋部メンブレイン５０の中央領域４４を大面積で加熱することができる。図４の平面図によれば、蓋部メンブレイン５０によって閉鎖されたセンサ１０のケーシング１６は２つの対向する横側面３８および２つの対向する長手側面３６を有する。これに代えて、センサ１０のケーシング１６が円形の横断面を有し、相応の円形の蓋部メンブレイン５０によって閉鎖されるように構成してもよい。当該の実施例によれば、図３に示されているような１つまたは複数の第１の加熱素子３２は平たい円筒体として構成されたケーシング１６の外套面の外側にそれぞれ懸隔されて配置される。
【００２６】
図２〜図４に示されている加熱素子３２，４２により、ケーシング１６、特にケーシングの長手側面３６または横側面３８の側壁３４、および蓋部メンブレイン５０が外側から加熱される。ケーシング１６ひいては測定室１４の加熱は室温すなわち２５℃を大きく上回る温度、例えばＴ＝８０℃〜２００℃の高温に達するように行われる。したがって測定チップ１８上に収容された測定メンブレイン２０は１００℃〜２００℃の高温へ加熱され、測定室１４内のガス状流体２６の相対湿分、ひいてはこの湿分に起因する誤差が著しく低減される。本発明の手段では、２０℃〜１２０℃の温度レベルでの熱輸送とは異なり、格段に高い１２０℃〜２２０℃の温度レベルで熱輸送が行われる。
【００２７】
測定室１４内の温度レベルが高いことにより、複数の成分を含むガス状流体の空気湿分の影響によってガス状流体２６におけるＨ２の検出が損なわれず、確実に検出が行われることが保証される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来技術から公知のガス状流体の所定の成分を検出するためのセンサの断面図である。
【図２】本発明のガス状流体の所定の成分を検出するためのセンサの断面図である。
【図３】本発明のセンサのケーシングの側面図である。
【図４】ケーシング表面に配置された加熱素子を備えた本発明のセンサのケーシングの上面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  センサ、  １２  蓋部、  １４  測定室、  １６  ケーシング、  １８  チップ、  ２０  測定メンブレイン、  ２４  ケーシング底部、  ２６  ガス状流体、  ３０  外側、  ３２  第１の加熱素子、  ３４  側壁、  ３６  長手側面、  ３８  横側面、  ４０  端子、  ４２  第２の加熱素子、  ４４  中央領域、  ４６  端部、  ５０  蓋部メンブレイン、  ５２  熱線、  ５６  軸線、  ５８  第１の半部、  ６０  第２の半部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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