本发明专利技术涉及一种设备，该设备包括：芯片(10；110)，该芯片尤其是从SOI晶片制备，并且该芯片含有具有用于激励悬臂振荡的第一压电转换器(30；130)的第一可振荡悬臂(20；120)，其中，第一悬臂(20)突出到芯片中的凹槽(11；111)中；至少一个第一温度传感器元件(42)，其布置在悬臂侧上、在第一悬臂的端部分中以检测气体混合物的温度；至少一个第二温度传感器元件(50)，其与第一悬臂(20；120)间隔开以检测气体混合物的温度；至少一个加热元件(44)，其在悬臂(20；120)的自由端部分中，该加热元件通过至少一个凹槽部分与第二温度传感器元件分离；以及评估单元(60)，其用于基于至少一个悬臂(20；120)的振荡特性或基于布置在悬臂侧上的第一温度传感器元件(42)和第二温度传感器元件(50；150,240)的测量温度值以及加热元件(44)的功耗来确定(20；120)气体混合物的密度和粘度以及还有热导率或比热容。度以及还有热导率或比热容。度以及还有热导率或比热容。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于首先确定气体混合物的热导率和/或比热容并其次确定气体混合物的密度和/或粘度的设备
[0001]本专利技术涉及一种用于首先确定气体混合物的热导率和/或比热容并其次确定气体混合物的密度和/或粘度的设备。基于密度和粘度，经由相关方法，能够确定可燃气体的能量含量或沃泊指数，诸如例如在国际公开WO 2017 063 795A1中描述的那样。例如，在至今尚未公开的专利申请DE 10 2019 123 874.9中公开了一种用于查明气体的粘度和密度以及微量气体浓度或水分的微系统设备。
技术介绍
[0002]然而，单独基于以上提及的参数、密度和粘度，不够确切地考虑到氢气的影响。这没有问题，只要所调查的气体混合物中的氢气含量可忽略即可。在可预见的渐增氢气重要性的情况下不太频繁满足此条件。然而，当补充地查明气体混合物的热导率时，也能够正确地确定氢气分数，诸如在国际公开WO 2018 082 875A1中描述的那样。在公开WO 2017 131 670A1中公开了一种用于利用振动传感器查明气体混合物的密度并使用外部传感器来查明气体混合物的其他参数尤其是热导率的系统。然而，那里描述的系统具有大的空间要求并对大量应用来说太昂贵。因此，本专利技术的目的是提供在这种情况下的补救措施。
技术实现思路
[0003]该目的由如独立权利要求1中限定的设备实现。
[0004]本专利技术的用于首先确定气体混合物的热导率和/或比热容并其次确定气体混合物的密度和/或粘度的设备包括：芯片，该芯片由半导体晶片尤其是SOI晶片制备，并且包含至少具有第一压电换能器的第一可振荡悬臂，该第一压电换能器用于以第一频率激励悬臂的振荡，其中，芯片具有空腔，第一悬臂以可振荡自由端段延伸到所述空腔中；至少第一悬臂侧温度传感器元件，该第一悬臂侧温度传感器元件被具体实现在第一悬臂的自由端段中并且具有用于记录气体混合物的温度的温度相关电阻值；至少第二温度传感器元件，该第二温度传感器元件与第一悬臂间隔布置并且具有用于记录气体混合物的温度的温度相关电阻值；至少第一加热元件，该第一加热元件被具体实现在悬臂的自由端段中，其中，空腔的至少一个段在第一加热元件与第二温度传感器元件之间延伸；以及评估和/或计算机单元，该评估和/或计算机单元被适配成基于悬臂的振荡特性确定气体混合物的密度和粘度，并且基于第一悬臂侧温度传感器元件和第二温度传感器元件的温度的测量值以及加热元件的功耗，确定气体混合物的热导率和/或比热容。
[0005]对两个热物理变量，即热导率以及比热容二者，的确定一方面在确定热值中提供一定冗余度，并且以此提供增加的可靠性。从根本上，与WO 2018 082 875A1中描述的方法相比，在确定二元、三元或四元气体混合物的组成的情况下以此提供了关于所涉及的气体及其浓度的更多信息，这进而能够更确切地确定气体组成。
[0006]在本专利技术的进一步发展中，芯片包括具有第二压电换能器的第二可振荡悬臂，该
第二压电换能器用于以第二频率激励振荡，其中，第二悬臂以可振荡自由端段延伸到空腔中并且能够被暴露于气体混合物。
[0007]在本专利技术的进一步发展中，第二加热元件被布置在第二悬臂的自由端段中。
[0008]悬臂延伸到其中的空腔能够包括例如边长不长于2mm，尤其不长于1mm，的矩形，其中，悬臂以大约100μm，例如300μm至500μm，的长度延伸到空腔中，其中，悬臂的纵轴彼此分离大约10s至例如20 10s或200μm。悬臂能够尤其从空腔的相对侧延伸到空腔中。不同悬臂的加热元件和温度传感器元件能够例如被共享横向平面分段，该共享横向平面垂直于悬臂纵轴延伸。这意味着不同悬臂的加热元件和温度传感器元件之间的相关热耦合经由气体混合物。由于分离很小，所以加热元件与温度传感器元件之间的热传递的时标相应地短，这进而能够测量装置对气体混合物的组成的变化的快速反应时间。
[0009]在本专利技术的进一步发展中，一种用于利用温度相关电阻值记录气体混合物的温度的第二悬臂侧温度传感器元件被布置在第二悬臂的自由端段中。
[0010]在本专利技术的进一步发展中，芯片包括围绕空腔的边缘区域，其中，参考温度传感器元件被布置在边缘区域中，其中，空腔的至少一个段在参考温度传感器元件与自由端段之间延伸。
[0011]根据本专利技术的另一发展，悬臂的压电换能器在每种情况下被布置在边缘区域的段之间，其中悬臂与芯片和悬臂侧温度传感器元件或加热元件连接。
[0012]在本专利技术的进一步发展中，评估和/或计算机单元被适配成使用参考温度传感器元件的温度测量值作为第二温度传感器元件的温度测量值。
[0013]在本专利技术的进一步发展中，评估和/或计算机单元被适配成使用第二悬臂侧温度传感器元件的温度测量值作为第二温度传感器元件的温度测量值。
[0014]在本专利技术的进一步发展中，评估和/或计算机单元被适配成在稳定状态下或以瞬态法确定气体混合物的热导率。
[0015]例如，在Xensor公司的XEN
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SP3880的产品信息中描述了在稳定状态下确定热导率的示例。
[0016]例如，在Woodfield等人,Int.J.Thermophysics(2008)29:1299
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1320中并且在Gustafsson等人,1979,Transient hot
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strip method for simultaneously measuring thermal conductivity and thermal diffusivity of solids and fluids.(用于同时测量固体和流体的热导率和热扩散率的瞬态热条法)Journal of Physics D:Applied中描述了在瞬态法中确定热导率。
[0017]热导率测量基本上假定介质与测量装置之间的相对移动可忽略。然而，在目前的测量装置中，涉及测量的至少一个加热元件和涉及测量的一个温度传感器元件被布置在可振荡悬臂上。随着悬臂振荡，热传递必须通过剪切波行进。这种测量干扰的程度对应于剪切波到气体混合物中的穿透深度。这能够根据下式利用粘性边界层的厚度δ来估计：
[0018][0019]其中，η和ρ分别是介质的动态粘度和密度，并且f是悬臂的振荡频率。在频率为10kHz至100kHz并且压力介于0.1MPa与1Mpa之间的情况下，介于几μm与例如100μm之间的穿
透深度例如由来自包括Ar、N2、CH4、CO2、He和H2的列表的气体产生。取决于热导率测量中加热传感器与温度传感器元件之间的分离，因此能够忽视或不忽视穿透深度。当穿透深度例如相当于分离的不到1％时，足够确切的结果是可能的，使得能够在振荡悬臂的情况下执行热导率测量。相比之下，当穿透深度相当于分离的10％或以上时，取决于准确度要求，在振荡因静止悬臂而暂停时执行热导率测量能够是适当的。此外，能够通过利用振荡悬臂然后利用静止悬臂执行热导率的测量来查明在热导率测量的情况下的振荡的影响，其中，从测量结果之间的偏差查明校正值，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于首先确定气体混合物的热导率和/或比热容并其次确定所述气体混合物的密度和/或粘度的设备，包括：芯片(10；110)，所述芯片(10；110)从半导体晶片，尤其是SOI晶片，制备，并且包含至少具有第一压电换能器(30；130)的第一可振荡悬臂(20；120)，所述第一压电换能器(30；130)用于以第一频率激励所述悬臂(20；120)的振荡，其中，所述芯片(10；110)具有空腔(11；111)，所述第一悬臂(20)以可振荡自由端段延伸到所述空腔(11；111)中；至少第一悬臂侧温度传感器元件(42)，所述第一悬臂侧温度传感器元件(42)被具体实现在所述第一悬臂的所述自由端段中并且具有用于记录所述气体混合物的温度的温度相关电阻值；至少第二温度传感器元件(50)，所述第二温度传感器元件(50)与所述第一悬臂(20；120)间隔布置并且具有用于记录所述气体混合物的温度的温度相关电阻值；至少第一加热元件(44)，所述第一加热元件(44)被具体实现在所述悬臂(20；120)的所述自由端段中，其中，所述空腔(11；111)的至少一个段在所述第一加热元件(44)与所述第二温度传感器元件(50；150,240)之间延伸；以及评估和/或计算机单元(60)，所述评估和/或计算机单元(60)被适配成基于所述至少一个悬臂(20；120)的振荡特性确定所述气体混合物的所述密度和所述粘度，并且基于所述第一悬臂侧温度传感器元件(42)和所述第二温度传感器元件(50；150,240)的温度的测量值以及所述加热元件(44)的功耗，确定所述气体混合物的所述热导率和/或比热容。2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述芯片(110)包括具有第二压电换能器(230)的第二可振荡悬臂(220)，所述第二压电换能器(230)用于以第二频率激励振荡，其中，所述第二悬臂(120)以可振荡自由端段延伸到所述空腔中并且能够被暴露于所述气体混合物。3.根据权利要求2所述的设备(1)，其中，用于以温度相关电阻值记录所述气体混合物的温度的第二悬臂侧温度传感器元件(240)被具体实现在所述第二悬臂(220)的所述自由端段中。4.根据权利要求2或3所述的设备(1)，其中，第二加热元件被布置在所述第二悬臂(220)的所述自由端段中。5.根据前述权利要求中的一项所述的设备(1)，其中，所述芯片包括围绕所述空腔的边缘区域，其中，参考温度传感器元件被布置在所述边缘区域中，其中，所述空腔的至少一个段在所述参考温度传感器元件与所述自由端段之间延伸。6.根据权利要求5所述的设备(1)，其中，所述评估和/或计算机单元(50)被适配成使用所述参考温度传感器元件的温度测量值作为所述第二温度传感器元件的温度测量值。7.根据权利要求3至5中的一项所述的设备(1)，其中，所述评...
【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大，
申请(专利权)人：特鲁达因传感器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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