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WO2006106004A1 - Sensormodul, insbesondere für eine klimaanlage - Google Patents

Sensormodul, insbesondere für eine klimaanlage Download PDF

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Publication number
WO2006106004A1
WO2006106004A1 PCT/EP2006/050746 EP2006050746W WO2006106004A1 WO 2006106004 A1 WO2006106004 A1 WO 2006106004A1 EP 2006050746 W EP2006050746 W EP 2006050746W WO 2006106004 A1 WO2006106004 A1 WO 2006106004A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
sensor module
module according
housing
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/050746
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Arndt
Gerd Lorenz
Daniela Winkler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2006106004A1 publication Critical patent/WO2006106004A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00735—Control systems or circuits characterised by their input, i.e. by the detection, measurement or calculation of particular conditions, e.g. signal treatment, dynamic models
    • B60H1/00792—Arrangement of detectors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00735—Control systems or circuits characterised by their input, i.e. by the detection, measurement or calculation of particular conditions, e.g. signal treatment, dynamic models
    • B60H1/008—Control systems or circuits characterised by their input, i.e. by the detection, measurement or calculation of particular conditions, e.g. signal treatment, dynamic models the input being air quality
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/30—Control or safety arrangements for purposes related to the operation of the system, e.g. for safety or monitoring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/10—Temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/20—Humidity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/40—Pressure, e.g. wind pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/50—Air quality properties
    • F24F2110/65—Concentration of specific substances or contaminants
    • F24F2110/70—Carbon dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the invention relates to a sensor module, in particular for an air conditioner, for. B. a vehicle air conditioning.
  • Vehicle air conditioning systems typically use a temperature sensor and a humidity sensor. They are generally formed separately from each other and z.T. attached via appropriate socket or housing on a common substrate.
  • the vehicle air conditioning systems can generally be used in an exhaust air operation and a recirculation mode.
  • exhaust air operation or normal operation fresh air is constantly sucked in, cooled and dehumidified.
  • recirculation mode when the recirculation flap is closed, initially only the air of the vehicle interior is cooled, so that the energy requirement can be reduced and fuel can be saved in continuous operation. Since in recirculation mode, however, the concentration of CO2 gas in the air by the breathing air of the occupants increases rapidly and thereby fatigue of the vehicle occupants can occur, such regulations are currently not unproblematic in recirculation mode. Furthermore, the manufacturing costs of a conventional sensor module are high.
  • DE 197 31 420 A1 shows a device for detecting the pressure and the temperature in the suction chamber of an internal combustion engine, in which a pressure sensor is accommodated in a metallic chip housing.
  • This me- metallic chip housings and a temperature sensor are mounted in separate chambers of an overall housing.
  • Metallic chip packages are expensive, as are ceramic chip packages.
  • the sensor module according to the invention and the method for its production have some advantages.
  • At least one temperature sensor, a moisture sensor and, in particular infrared-optical, gas sensor are accommodated in a single housing. This will be a small size of the
  • the sensor module according to the invention thus provides on the one hand for the operation of the air conditioning required measurements of the temperature of humidity and determined in addition to the particular infrared optical gas sensor, the CO2 concentration in the ambient air, so that the air conditioner by comparing the determined CO2 content with a preset limit can switch automatically between an exhaust air operation and a recirculation mode.
  • the sensors are provided by a common evaluation device, e.g. an ASIC, which is preferably also accommodated in the housing.
  • a common evaluation device e.g. an ASIC
  • the processing of the signals of the sensors can already take place in the housing of the sensor module, so that evaluation signals are already output by the sensor module.
  • an additional, in particular physical or chemical, gas sensor for measuring additional gas concentrations, in particular carbon monoxide and / or nitrogen oxides, and preferably also a pressure sensor for measuring the ambient pressure and advantageously also an air mass sensor for
  • Measurement of air flow provided. They can be inserted into the housing and read out by the same evaluation device.
  • the temperature sensor and the humidity sensor are advantageously mounted in separate chambers in order to achieve a rapid, unaffected measurement independently of the other detectors.
  • the infrared-optical sensor, the temperature sensor and advantageously also the moisture sensor, the air mass sensor and possibly the pressure sensor and the one or more gas sensors can be designed as micromechanical components that deliver reliable measurement results with a small size.
  • one or more IR detectors with filters - e.g. a measuring chip with two thermopile structures for a first measurement channel for determining the CO2 content and a second measurement channel for a reference measurement in another wavelength range - be used, wherein the optical path between the IR radiation source and the one or more IR detectors an attached reflector is set, so that a large measuring section can be evaluated with a resulting strong measurement signal.
  • 1 shows a block diagram of a sensor module according to the invention according to a first embodiment
  • 2 shows a block diagram of a sensor module according to a further embodiment with additional ASIC
  • FIG. 3 shows a temperature sensor used in the sensor module in a) top view and b) vertical section through the membrane;
  • FIG. 5 shows the IR-optical gas sensor accommodated in the sensor module in an exploded view
  • FIG. 6 shows a section through a microstructured pressure sensor used in the sensor module
  • Fig. 7 is a section through a in a spectroscopic
  • Fig. 8 shows a sensor module according to a further embodiment with representation of the chambers in the housing.
  • a sensor module 1 has a housing 2, preferably plastic housing 2, in which a temperature sensor 3, a humidity sensor 4, an infrared optical gas sensor 5, serving as an evaluation ASIC 6, and advantageously also a further gas sensor 8 -.
  • a chemical gas sensor 8 - and a pressure sensor 9 are added.
  • the infrared-optical gas sensor 5 detects the CO2 content in the ambient air; the further gas sensor 8 serves to detect at least qualitatively more gas concentrations, in particular of NOx.
  • an air mass sensor 10 is provided, which measures an incoming air mass flow.
  • FIG. 2 shows a further embodiment in which a microcontroller 14 is additionally provided as a control device.
  • the sensors 3, 4, 5, 8, 9 and 10 measure the introduced through the gas supply 13 into the housing 2 ambient air and give signals S3, S4, S5, S8, S9 and S10 respectively to the ASIC 6, the temperature, a moisture content, the gas concentration of at least a gas portion, the chemical composition, the pressure and the mass air flow measures and outputs an output signal Sa.
  • the ASIC 6 can determine the relevant values directly from the measurement signals or, in accordance with FIG. 2, use the microcontroller 14 for this purpose.
  • the microcontroller 14 may continue to be e.g. serve to integrate the sensor module 1 in a data bus and thus store a bus address and receive signals transmitted via the data bus, or, if necessary, be used for wireless transmission of the signals.
  • a separate chamber 15 within the housing 2 is preferably provided for the temperature sensor 3.
  • Fig. 8 shows such a configuration in a sensor module 1 with Temperautrsensor 3, moisture sensor 4 and infrared optical gas sensor 5;
  • a separate chamber 16 is provided in the housing 2 for the moisture sensor 4 in this embodiment;
  • the moisture sensor 4 may also be provided in the chamber 15.
  • the infrared-optical gas sensor 5 and the ASIC 6 are correspondingly provided in a further chamber 17 in the housing 2.
  • the chambers 15, 16, 17 are each connected to the external space via gas supply lines 13, the gas supply lines 13 being closed in each case by a porous membrane 18 which prevents the penetration of the gas. prevents dirt and water, but ensures a rapid exchange of air.
  • the internal dimensions of the chambers 15, 16 or the common chamber 15 are advantageously chosen to be small in order to enable a rapid response of the temperature sensor. Since the relevant sensor element is primarily responsible for the chamber size, a micromechanically constructed temperature sensor with main dimensions smaller than, for example, 15 mm ⁇ 15 mm ⁇ 15 mm offers the possibility of forming a small chamber volume.
  • the internal structure of the sensor module 1 can be realized in different ways.
  • a temperature sensor 3 is advantageously provided an element with response times none than 300 ms.
  • the temperature sensor 3 may be e.g. be formed as a micromechanical device in which a membrane 24 is formed on a silicon substrate 20 by forming a cavity 22 from the underside on the upper side, on which a resistance conductor track 26 is formed, eg a metal trace 26 or polysilicon trace.
  • the conductor track 26 runs from contacting pads 28 to the membrane 24 and on the membrane 24 in a meandering or comb-shaped fashion to form a large diaphragm 24 on the membrane 24
  • Such a temperature sensor 3 allows response times in the range t ⁇ 0.1 s.
  • the resistance conductor 26 may be made of platinum, aluminum or doped polysilicon, for example.
  • a cavity 22 is etched on the underside of the silicon substrate 20 below the meander-shaped structure of the resistance conductor 26, for example by means of KOH etching, until a thermally insulating carrier membrane 24 is provided middle part of the layer package 29 is formed.
  • the resistance conductor 26 reacts quickly to changes in ambient temperature.
  • resistance paths can also be generated away from the membrane, which then react with greater time delay to temperature changes.
  • conventional NTC (negative temperature coefficient conductor, thermistor) or PTC (positive temperature coefficient conductor, PTC thermistor) sensors of small size can be used.
  • the humidity sensor 4 may be e.g. be formed as a capacitive humidity sensor element and according to FIG. 4, a capacitor 30, between the capacitor surfaces 30a, 30b, a gas volume or air volume depending on the moisture provides different Dikektrizi- tuschshong.
  • z. B. applying an AC voltage and measuring the reactance can thus be determined, the moisture content of the ambient air.
  • the infrared-optical (or IR spectroscopic) gas sensor 5 can in turn be embodied in different configurations; it preferably has an IR radiation source 52, one or more IR detectors 54 and optionally a reflector 55.
  • an incandescent lamp operated in the low-current range is provided as IR radiator 52, the bulb of which has a high transmission at wavelengths between 3.8 and 4.3 ⁇ m.
  • the light bulb 52 is inserted from below through a printed circuit board 56, on the upper side of which the IR detector 54 designed as a measuring chip is fastened directly or by means of a housing.
  • the reflector 55 comprises a measuring space between the printed circuit board 56 and its reflective inner side and allows a gas exchange through, for example, an opening in its side.
  • the IR radiation emitted by the IR radiation source 52 is reflected on the inner side of the reflector 55 and focused on the IR detector 54;
  • the IR detector 54 for example, a first measuring channel 54a for the optical or spectroscopic measurement in an absorption band of CO2 and a second measurement channel 54b for a reference measurement in a different wavelength range.
  • the ASIC 6 provides both the means for the control of the sensors 3, 4, 5, 8, 9, 10 and the means for further processing and in particular the amplification of the sensor signals S3, S4, S5, S8, S9 and S10. It also serves as an interface to the outside world, e.g. as a digital interface, e.g. a Local Interconnect Network (LIN) interface or a Serial Peripheral Interface (SPI) interface, or as a wireless interface, e.g. B. as bluetooth interface.
  • a digital interface e.g. a Local Interconnect Network (LIN) interface or a Serial Peripheral Interface (SPI) interface
  • a wireless interface e.g. B. as bluetooth interface.
  • the housing 2 is preferably a molded plastic housing with an integrated plug into which the one or more boards with the detectors, the evaluation electronics 6 and the reflector 55 are mounted by pressing.
  • the gas supply can preferably take place via one or more openings 62 or an opening in the housing 2 and / or in the reflector 55, which are closed with a gas-permeable, but water-repellent and / or oil-repellent membrane 18, or via a labyrinth-like feed, which Ingress of water and dirt prevented.
  • the microcontroller 14 can be used to perform preprocessing, e.g. Linearization, threshold monitoring, calculation of signal slopes of the sensor signals to realize. Furthermore, a dew point calculation from the temperature signal S3 and the moisture signal S4 can also be carried out via the microcontroller 14. Furthermore, the microcontroller 14 can also be used to provide a respective desired interface.
  • preprocessing e.g. Linearization, threshold monitoring, calculation of signal slopes of the sensor signals to realize.
  • a dew point calculation from the temperature signal S3 and the moisture signal S4 can also be carried out via the microcontroller 14.
  • the microcontroller 14 can also be used to provide a respective desired interface.
  • the further gas sensor 8 can -. B. as a chemical gas sensor 8 - are used in particular for the monitoring of infrared optical unmeasurable substances such as vapors or gases.
  • a chemical gas sensor 8 - are used in particular for the monitoring of infrared optical unmeasurable substances such as vapors or gases.
  • CO carbon monoxide
  • NOx nitrogen oxides
  • the conductor track or layer is covered by a chemically reactive paste whose resistance value changes as a function of gas molecules absorbed on its surface.
  • a further optical gas sensor having basically the same construction as the gas sensor 5 but deviating the absorption band used for the measurement can also be used.
  • the pressure sensor 9 can be used for monitoring the ambient air pressure.
  • a micromechanical pressure sensor element which is known as such and e.g. 6, a substrate 70 having a cavity 74 and an epitaxial layer 75 (or epitaxial layer stack 75) deposited on the substrate, which forms a membrane 76 above the cavity 74.
  • Piezo resistors 78 formed in the membrane 76 serve as sensor elements.
  • the IR detector 54 of the infrared optical gas sensor 5 may preferably be formed thermoelectric, pyroelectric or photoelectric and have a bandpass filter for filtering a relevant wavelength range. It is advantageously produced according to FIG. 7 in microstructure technology, for example with a measuring chip 80, a cap chip 82 and two filter chips 84 a, b spaced at a laterally latitudinal distance, which correspond to the measuring channels 54 a, b of FIG. 5. On the measuring chip 80, a membrane 86 is formed above a cavity 88. On the membrane 86, a thermopile structure 90 is applied from at least two contacted conductor tracks, which consist of materials with different Seebeck coefficients, for example a metal, in particular aluminum, and polycrystalline silicon.
  • thermopile structure 90 On the thermopile structure 90, an absorber layer 92 is applied.
  • a cavity 96 is formed on the underside, in which the absorber layer 92 is accommodated.
  • the cap chip 82 is attached to the sensor chip 80 in a vacuum-tight manner by means of a seal glass connection 100.
  • the filter chips 84a, b are fixed on the top side of the cap chip 82 by means of IR-transparent adhesive layers 102.
  • thermopile structure 90 delivers a measurement signal corresponding to the heating which is advantageously proportional to the intensity of the filtered incident IR radiation.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul, insbesondere für eine Klimaanlage, vorteilhafterweise eine Fahrzeug-Klimaanlage, das mindestens aufweist: ein Gehäuse (2), einen Feuchtigkeitssensor (4), einen Temperatursensor (3), und einen infrarotoptischen Gassensor (5) zur Messung mindestens einer Gaskonzentration, wobei der Temperatursensor (3), der Feuchtigkeitssensor (4) und der infrarotoptische Gassensor (5) in dem Gehäuse (2) aufgenommen sind. Erfindungsgemäß wird ein Sensormodul (1) mit kleiner Baugröße und geringen Fertigungskosten geschaffen, das in einer Klimaanlage eine selbsttätige Umschaltung zwischen einem Abluft- und einem Umluftbetrieb ermöglicht. Vorteilhafterweise weist das Sensormodul weiterhin eine Auswerteeinrichtung (6) auf, die die Signale der Sensoren aufnimmt; die Auswerteeinrichtung ist bevorzugt ebenfalls in dem Gehäuse aufgenommen. W eiterhin sind vorzugsweise in dem Gehäuse (2) ein oder mehrere weitere Gassensoren (8) zur Detektion weiterer Gaskomponenten, insbesondere Stickoxiden, und ein Drucksensor (9) aufgenommen und werden von der gemeinsamen Auswerteeinrichtung, vorzugsweise einem ASIC (6), ausgelesen.

Description

Sensormodul, insbesondere für eine Klimaanlage
Die Erfindung betrifft ein Sensormodul, insbesondere für eine Klimaanlage, z. B. eine Fahrzeug-Klimaanlage.
In Fahrzeugen werden im Bereich der Klimatisierung und Belüftung unter anderem Feuchtigkeitssensoren, Temperatursensoren und Gassensoren zur Ermittlung von Stickoxiden (NOx) und Kohlenmonoxid verwendet. Sie werden in der Regel in unterschiedlichen Messeinrichtungen eingesetzt. In Fahrzeug-Klimaanlagen werden in der Regel ein Temperatursensor und ein Feuchtigkeitssensor verwendet. Sie sind im Allgemeinen voneinander getrennt ausgebildet und z.T. über entsprechende Sockel oder Gehäuse auf einem gemeinsamen Substrat befestigt.
Die Fahrzeug-Klimaanlagen können im Allgemeinen in einem Abluftbetrieb und einem Umluftbetrieb verwendet werden. Im Abluftbetrieb bzw. Normalbetrieb wird dauernd Frischluft angesaugt, gekühlt und entfeuchtet. Im Umluftbetrieb wird bei geschlossener Umluftklappe zunächst nur die Luft des Fahrzeuginnenraums gekühlt, so dass der Energiebedarf gesenkt und im Dauerbetrieb Kraftstoff gespart werden kann. Da im Umluftbetrieb aber die Konzentration an CO2-Gas in der Luft durch die Atemluft der Insassen schnell ansteigt und hierdurch eine Ermüdung der Fahrzeuginsassen auftreten kann, sind derartige Regelungen im Umluftbetrieb derzeit nicht unproblematisch. Weiterhin sind die Herstellungskosten eines herkömmlichen Sen- sormoduls hoch.
Die DE 197 31 420 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung des Drucks und der Temperatur im Saugraum einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Drucksensor in ein metallischen Chipgehäuse aufgenommen ist. Dieses me- tallische Chipgehäuse und ein Temperatursensor sind in getrennten Kammern eines Gesamtgehäuses montiert. Metallische Chipgehäuse sind - wie auch keramische Chipgehäuse -jedoch kostspielig.
Das erfindungsgemäße Sensormodul und das Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber einige Vorteile auf.
Erfindungsgemäß sind zumindest ein Temperatursensor, ein Feuchtigkeitssensor und ein, insbesondere infrarotoptischer, Gassensor in einem ein- zigen Gehäuse aufgenommen. Hierdurch wird eine kleine Baugröße des
Sensormoduls bei geringen Fertigungskosten erreicht. Das erfindungsgemäße Sensormodul stellt somit zum einen die für den Betrieb der Klimaanlage erforderlichen Messgrößen der Temperatur der Luftfeuchtigkeit bereit und ermittelt ergänzend über den insbesondere infrarotoptischen Gassensor die CO2-Konzentration in der Umgebungsluft, so dass die Klimaanlage durch einen Vergleich des ermittelten CO2-Gehaltes mit einem vorgegebenen Grenzwert selbsttätig zwischen einem Abluftbetrieb und einem Umluftbetrieb umschalten kann.
Vorteilhafterweise werden die Sensoren von einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung, z.B. einem ASIC, ausgelesen, die vorzugsweise ebenfalls in dem Gehäuse aufgenommen ist. Somit kann auch die Verarbeitung der Signale der Sensoren bereits in dem Gehäuse des Sensormoduls erfolgen, so dass von dem Sensormodul bereits Auswertesignale ausgegeben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung sind weiterhin ein zusätzlicher, insbesondere physikalischer oder chemischer, Gassensor zur Messung zusätzlicher Gaskonzentrationen, insbesondere Kohlenmonoxid und/oder Stickoxiden, sowie vorzugsweise auch ein Drucksensor zur Messung des Umgebungsdrucks und vorteilhafterweise auch ein Luftmassensensor zur
Messung der Luftströmung vorgesehen. Sie können in das Gehäuse mit eingesetzt werden und von derselben Auswerteeinrichtung ausgelesen werden. In dem Gehäuse sind der Temperatursensor und der Feuchtesensor vorteilhafterweise in separaten Kammern angebracht, um eine schnelle, un- beeinflusste Messung unabhängig von den anderen Detektoren zu erreichen.
Der infrarotoptische Sensor, der Temperatursensor sowie vorteilhafterweise auch der Feuchtigkeitssensor, der Luftmassensensor und gegebenenfalls der Drucksensor sowie die ein oder mehreren Gassensoren können als mikromechanische Bauelemente ausgebildet sein, die bei geringer Baugröße sichere Messergebnisse liefern.
Für den infrarotoptischen Gassensor können ein oder mehrere IR- Detektoren mit Filtern - z.B. ein Messchip mit zwei Thermopile-Strukturen für einen ersten Messkanal zur Ermittlung des CO2-Gehaltes und einen zweiten Messkanal für eine Referenzmessung in einem anderen Wellenlängenbereich - verwendet werden, wobei der optische Pfad zwischen der IR- Strahlungsquelle und dem einen oder mehreren IR-Detektoren durch einen aufgesetzten Reflektor festgelegt wird, so dass eine große Messstrecke mit einem sich hieraus ergebendem starkem Messsignal ausgewertet werden kann.
Neben dem vorteilhaften Einsatz in Fahrzeug-Klimaanlagen ist z. B. auch die Verwendung in anderen Klimaanlagen möglich, d.h. allgemein in Klimaanlagen zur Aufnahme der Messwerte von Feuchtigkeit, Temperatur und Gaskonzentration, woraufhin aus den Messgrößen insbesondere, aber nicht notwendigerweise, geeignete Stellgrößen ermittelt werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Sensormoduls gemäß einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Sensormoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform mit zusätzlichem ASIC;
Fig. 3 einen in dem Sensormodul verwendeten Temperatursensor in a) Draufsicht und b) Vertikalschnitt durch die Membran;
Fig. 4 eine Aufsicht auf einen mikrostrukturierten Feuchtigkeitssensor;
Fig. 5 den in dem Sensormodul aufgenommenen IR-optischen Gassensor in auseinander gezogener Darstellung;
Fig. 6 einen Schnitt durch einen in dem Sensormodul verwendeten mikrostrukturierten Drucksensor;
Fig. 7 einen Schnitt durch einen in einem spektroskopischen
Gassensor verwendeten mikrostrukturierten IR-Detektor; und
Fig. 8 ein Sensormodul gemäß einer weiteren Ausführungsform mit Darstellung der Kammern im Gehäuse.
Ein Sensormodul 1 weist ein Gehäuse 2, vorzugsweise Kunststoffge- häuse 2, auf, in dem ein Temperatursensor 3, ein Feuchtigkeitssensor 4, ein infrarotoptischer Gassensor 5, ein als Auswerteeinrichtung dienendes ASIC 6, sowie vorteilhafterweise auch ein weiterer Gassensor 8 - z. B. ein chemischer Gassensor 8 - und ein Drucksensor 9 aufgenommen sind. Der infrarotoptische Gassensor 5 detektiert hierbei den CO2-Gehalt in der Umge- bungsluft; der weitere Gassensor 8 dient dazu, weitere Gaskonzentrationen, insbesondere von NOx, zumindest qualitativ nachzuweisen. Weiterhin ist ein Luftmassensensor 10 vorgesehen, der einen eingehenden Luftmassestrom misst.
An Anschlussklemmen 12 des Gehäuses 2 wird eine Versorgungsspannung Uv angelegt, mit der die Sensoren 3, 4, 5, 8, 9, 10 sowie das ASIC 6 betrieben werden. In dem Gehäuse 2 ist weiterhin eine Gaszuführung 13 vorgesehen, z.B. als freie Öffnung oder als eine mit einer gasdurchlässigen Membran versehene Öffnung. Fig. 2 zeigt demgegenüber eine weitere Ausführungsform, bei der ergänzend ein Microcontroller 14 als Steuereinrichtung vorgesehen ist.
Die Sensoren 3, 4, 5, 8, 9 und 10 messen die durch die Gaszuführung 13 in das Gehäuse 2 eingeleitete Umgebungsluft und geben jeweils Signale S3, S4, S5, S8, S9 und S10 an das ASIC 6, das hieraus die Temperatur, einen Feuchtigkeitsgehalt, die Gaskonzentration mindestens eines Gasanteils, die chemische Zusammensetzung, den Druck und den Luftmassestrom misst und ein Ausgangssignal Sa ausgibt. Das ASIC 6 kann gemäß Fig. 1 die betreffenden Werte aus den Messsignalen direkt ermitteln oder gemäß Fig. 2 hierzu den Microcontroller 14 heranziehen. Der Microcontroller 14 kann weiterhin z.B. zur Einbindung des Sensormoduls 1 in einen Datenbus dienen und somit eine Busadresse speichern und über den Datenbus übermittelte Signale aufnehmen, oder, falls erforderlich, für eine drahtlose Übermittlung der Signale eingesetzt werden.
Um eine kurze Ansprechzeit des Temperatursensors 3 zu gewährleis- ten, ist für den Temperatursensor 3 vorzugsweise eine eigene Kammer 15 innerhalb des Gehäuses 2 vorgesehen. Fig. 8 zeigt eine derartige Ausbildung bei einem Sensormodul 1 mit Temperautrsensor 3, Feuchtigkeitssensor 4 und infrarotoptischem Gassensor 5; hierbei ist bei dieser Ausführungsform auch für den Feuchtigkeitssensor 4 eine eigene Kammer 16 im Gehäuse 2 vorgesehen; alternativ hierzu kann der Feuchtigkeitssensor 4 jedoch auch in der Kammer 15 vorgesehen sein. Der infrarotoptische Gassensor 5 und das ASIC 6 sind entsprechend in einer weiteren Kammer 17 im Gehäuse 2 vorgesehen. Durch die separaten Kammern 15 16, 17 werden gegenseitige Beeinflussungen durch insbesondere die Erwärmung der Innenluft der betref- fenden Kammer vermieden. Die Kammern 15, 16, 17 sind jeweils über Gaszuführungen 13 mit dem Außenraum verbunden, wobei die Gaszuführungen 13 jeweils mit einer porösen Membran 18 verschlossen sind, die das Eindrin- gen von Schmutz und Wasser verhindert, aber einen schnellen Luftaustausch gewährleistet. Die Innenabmessungen der Kammern 15, 16 oder der gemeinsamen Kammer 15 sind vorteilhafterweise klein gewählt, um ein schnelles Ansprechen des Temperatursensors zu ermöglichen. Da für die Kammergröße hauptsächlich das betreffende Sensorelement bestimmend ist, bietet erfindungsgemäß ein mikromechanisch aufgebauter Temperatursensor mit Hauptabmessungen kleiner als z.B. 15mm x 15mm x 15mm die Möglichkeit, ein kleines Kammervolumen auszubilden.
Der innere Aufbau des Sensormoduls 1 kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Als Temperatursensor 3 ist vorteilhafterweise ein Element mit Ansprechzeiten keiner als 300 ms vorgesehen. Hierzu kann der Temperatursensor 3 z.B. als Platinwiderstand auf einem Keramikträger oder gemäß Fig. 3 als mikromechanisches Bauelement ausgebildet sein, bei dem auf einem Siliziumsubstrat 20 durch Ausbildung einer Kaverne 22 von der Unterseite her auf der Oberseite eine Membran 24 ausgebildet ist, auf der eine Widerstands-Leiterbahn 26 ausgebildet ist, z.B. eine Metall-Leiterbahn 26 oder Polysilizium-Leiterbahn. Die Leiterbahn 26 verläuft von zur Kontak- tierung dienenden Bondpads 28 zu der Membran 24 und auf der Membran 24 mäanderförmig bzw. kammförmig, um auf der Membran 24 eine große
Länge auszubilden. Ein derartiger Temperatursensor 3 ermöglicht Ansprechzeiten im Bereich t<0,1 s.
Zur Herstellung des in Fig. 3a, b gezeigten Temperatursensors 3 wird auf dem Siliziumsubstrat 20 durch Abscheide- und Strukturierungsverfahren ein thermisch gut isolierendes Schichtpaket 29, z.B. aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid, erzeugt, auf dem der Widerstandsleiter 26 als z.B. mäanderförmige Bahn abgeschieden wird. Der Widerstandsleiter 26 kann z.B. aus Platin, Aluminium oder dotiertem Polysilizium bestehen. Nachfol- gend wird auf der Unterseite des Siliziumsubstrates 20 unterhalb der mäan- derförmigen Struktur des Widerstandsleiters 26 eine Kaverne 22 geätzt, z.B. mittels KOH-Ätzen, bis eine thermisch isolierende Trägermembran 24 als mittlerer Teil des Schichtpaketes 29 entsteht. Aufgrund der geringen thermischen Masse der Membran 24 reagiert der Widerstandsleiter 26 schnell auf Änderungen der Umgebungstemperatur. Ergänzend können zusätzlich auch abseits der Membran 24 Widerstandsbahnen erzeugt werden, die dann aber mit größerer zeitlicher Verzögerung auf Temperaturänderungen reagieren. Alternativ hierzu können auch herkömmliche NTC (Leiter mit negativem Temperaturkoeffizient; Heißleiter) - oder PTC (Leiter mit positivem Tempe- ratrukoeffizient; Kaltleiter) -Sensoren kleiner Baugrößen verwendet werden.
Der Feuchtigkeitssensor 4 kann z.B. als kapazitives Feuchtigkeitssensorelement ausgebildet sein und gemäß Fig. 4 einen Kondensator 30 aufweisen, zwischen dessen Kondensatorflächen 30a, 30b ein Gasvolumen bzw. Luftvolumen in Abhängigkeit der Feuchtigkeit unterschiedliche Dielektrizi- tätswerte liefert. Durch z. B. Anlegen einer Wechselspannung und Messen des Blindwiderstandes kann somit der Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft ermittelt werden.
Der infrarotoptische (bzw. IR-spektroskopische) Gassensor 5 kann wiederum in unterschiedlichen Ausbildungen ausgeführt sein; vorzugsweise weist er eine IR-Strahlungsquelle 52, einen oder mehrere IR-Detektoren 54 und optional einen Reflektor 55 auf. Gemäß Fig. 4 ist als IR-Strahler 52 eine im Niederstrombereich betriebene Glühlampe vorgesehen, deren Kolben eine hohe Transmission bei Wellenlängen zwischen 3,8 und 4,3 μm besitzt. Die Glühbirne 52 ist hierbei von unten durch eine Leiterplatte 56 gesteckt, auf deren Oberseite der als Messchip ausgebildete IR-Detektor 54 direkt oder mittels eines Gehäuses befestigt ist. Der Reflektor 55 umfasst einen Messraum zwischen der Leiterplatte 56 und seiner reflektierenden Innenseite und ermöglicht einen Gasaustausch durch z.B. eine Öffnung in seiner Seite. Die von der IR-Strahlungsquelle 52 ausgesandte IR-Strahlung wird an der Innen- seite des Reflektors 55 reflektiert und auf den IR-Detektor 54 gebündelt; hierzu kann der IR-Detektor 54 z.B. einen ersten Messkanal 54a für die optische bzw. spektroskopische Messung in einem Absorptionsband von CO2 und einen zweiten Messkanal 54b für eine Referenzmessung in einem anderen Wellenlängenbereich aufweisen.
Das ASIC 6 stellt sowohl die Mittel für die Ansteuerung der Sensoren 3, 4, 5, 8, 9, 10 als auch die Mittel für die Weiterverarbeitung und insbesondere die Verstärkung der Sensorsignale S3, S4, S5, S8, S9 und S10 bereit. Außerdem dient es als Schnittstelle zur Außenwelt, z.B. als digitale Schnittstelle, wie z.B. eine Local Interconnect Network (LIN) -Schnittstelle oder eine Serial Peripheral Interface (SPI) -Schnittstelle, oder als drahtlose Schnittstel- Ie, z. B. als bluetooth-Schnittstelle.
Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise ein gespritztes Kunststoffgehäuse mit integriertem Stecker, in das die ein oder mehreren Platinen mit den Detektoren, der Auswerteelektronik 6 und dem Reflektor 55 durch Einpressen mon- tiert werden.
Die Gaszuführung kann vorzugsweise über ein oder mehrere Öffnungen 62 bzw. einen Durchbruch im Gehäuse 2 und/oder in dem Reflektor 55 erfolgen, welche mit einer gasdurchlässigen, aber wasserabweisenden und/oder ölabweisenden Membran 18 verschlossen sind, oder über eine labyrinthartige Zuführung, die das Eindringen von Wasser und Schmutz verhindert.
Der Microcontroller 14 kann verwendet werden, um eine Vorverarbeitung, z.B. Linearisierung, Schwellenüberwachung, Berechnung von Signal- Steigungen der Sensorsignale zu realisieren. Ferner kann über den Microcontroller 14 auch eine Taupunktberechnung aus dem Temperatursignal S3 und Feuchtesignal S4 erfolgen. Weiterhin kann der Microcontroller 14 auch verwendet werden, um eine jeweils gewünschte Schnittstelle bereitzustellen.
Der weitere Gassensor 8 kann - z. B. als chemischer Gassensor 8 - insbesondere für die Überwachung von infrarotoptisch nicht messbaren Substanzen wie Dämpfen oder Gasen verwendet werden. Er kann z.B. zur De- tektion von Kohlenmonoxid (CO) oder Stickoxiden (NOx) ausgelegt werden und z.B. als dünne Leiterbahn oder Leiterschicht auf einem Substrat ausgebildet sein. Die Leiterbahn oder -Schicht wird hierbei von einer chemisch reatktiven Paste überdeckt, deren Widerstandswert sich in Abhängigkeit von auf ihrer Oberfläche absorbierten Gasmolekülen ändert. Weiterhin oder alternativ hierzu kann zur Detektion anderer Gase als CO2 auch ein weiterer optischer Gassensor mit prinzipiell gleichem Aufbau wie der Gassensor 5, jedoch abweichendem zur Messung verwendeten Absorptionsband eingesetzt werden. Je nach zu detektierendem Zielgas sind für den einen oder mehreren zusätzlichen Sensor auch andere physikalische Auswerteprinzipien, z. B. chemisch reaktive Feldeffekttransistoren (ChemFETs), Auswertung einer Wärmeleitfähigkeitsmessung, opto-akustische Auswertung oder Schallgeschwindigkeitsmessung möglich. Je nach Erfordernis ist hierdurch eine qualitative oder quantitative Bestimmung weiterer Gase möglich.
Der Drucksensor 9 kann für die Überwachung des Umgebungsluftdruckes eingesetzt werden. Hierbei wird vorteilhafterweise ein mikromechanisches Drucksensorelement eingesetzt werden, das als solches bekannt ist und z.B. gemäß Fig. 6 ein Substrat 70 mit einer Kaverne 74 und einer auf dem Substrat abgeschiedenen Epitaxieschicht 75 (oder Epitaxie- Schichtstapel 75) aufweist, die oberhalb der Kaverne 74 eine Membran 76 bildet. In der Membran 76 ausgebildete Piezowiderstände 78 dienen als Sensorelemente.
Der IR-Detektor 54 des infrarotoptischen Gassensors 5 kann vorzugsweise thermoelektrisch, pyroelektrisch oder photoelektrisch ausgebildet sein und einen Bandpassfilter zur Filterung eines relevanten Wellenlängenbereiches aufweisen. Er ist vorteilhafterweise gemäß Fig. 7 in Mikrostrukturtechnik hergestellt, z.B. mit einem Messchip 80, einem Kappenchip 82 und zwei late- ral beabstandeten Filterchips 84a, b, die den Messkanälen 54a, b aus Fig. 5 entsprechen. Auf dem Messchip 80 ist eine Membran 86 oberhalb einer Kaverne 88 ausgebildet. Auf der Membran 86 ist eine Thermopile-Struktur 90 aus mindestens zwei kontaktierten Leiterbahnen aufgetragen, die aus Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, z.B. einem Metall, insbesondere Aluminium, und polykristallinem Silizium bestehen. Auf der Thermopile- Struktur 90 ist eine Absorberschicht 92 aufgetragen. In dem Kappenchip 82 ist auf der Unterseite eine Kaverne 96 ausgebildet, in der die Absorberschicht 92 aufgenommen ist. Der Kappenchip 82 ist auf dem Sensorchip 80 mittels einer Sealglasverbindung 100 vakuumdicht befestigt. Die Filterchips 84a, b sind mittels IR-transparenter Klebstoffschichten 102 auf der Oberseite des Kappenchips 82 befestigt. Von oben einfallende IR-Strahlung wird somit in den Kappenchips 82a, b gefiltert und tritt durch den Kappenchip 82 in die Kaverne 96 und auf die Absorberschicht 92, die sich entsprechend erwärmt, wodurch die Thermopile-Struktur 90 entsprechend der Erwärmung ein Mess- Signal liefert, das vorteilhafterweise der Intensität der gefilterten, einfallenden IR-Strahlung proportional ist.

Claims

Patentansprüche
1. Sensormodul, insbesondere für eine Klimaanlage, das mindestens aufweist: ein Gehäuse (2), einen Feuchtigkeitssensor (4), einen Temperatursensor (3), und einen insbesondere infrarotoptischen Gassensor (5) zur Messung mindestens einer Gaskonzentration, wobei der Temperatursensor (3), der Feuchtigkeitssensor (4) und der
Gassensor (5) in dem Gehäuse (2) aufgenommen sind.
2. Sensormodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es eine Auswerteeinrichtung (6; 6, 14) aufweist, die Messsignale (S3, S4, S5) von dem Feuchtigkeitssensor (4), dem Temperatursensor (3) und dem Gassensor (5) aufnimmt und Auswertesignale (Sa) ausgibt.
3. Sensormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6, 14) in dem Gehäuse (2) aufgenommen ist.
4. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Drucksensor (9) aufweist, der in dem Gehäuse (2) aufgenommen ist.
5. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Gassensor (8) zur Messung einer weiteren Gaskonzentration aufweist, der in dem Gehäuse (2) aufgenommen ist.
6. Sensormodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Gassensor (8) ein chemischer Gassensor (8) für eine qualitative oder quantitative Messung der weiteren Gaskonzentration ist.
7. Sensormodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der chemische Gassensor (8) als mikromechanisches Bauelement mit einer elektrisch leitfähigen Dünnschicht und einem auf der Dünnschicht aufgetragenem Material ausgebildet ist, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit mindestens einer Gaskonzentration ändert.
8. Sensormodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der chemische Gassensor (8) als chemisch reaktiver Feldeffekttransistor ausgebildet ist.
9. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Luftmassesensor (10) zur Messung eines Luftmassestroms aufweist, der in dem Gehäuse (2) aufgenommen ist
10. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6; 6, 14) ein ASIC (6) aufweist.
11. Sensormodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6, 14) einen Microcontroller (14) aufweist, der Signale von dem ASIC (6) aufnimmt und Ausgangssignale (Sa) ausgibt.
12. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) als mikromechanisches Bauelement ausgebildet ist mit einem Substrat (20) und mindestens einer auf dem oder oberhalb des Substrates (20) ausgebilde- ten Widerstandsbahn (26), z.B. aus Platin, Aluminium oder dotiertem
Polysilizium.
13. Sensormodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberseite des Substrates (20) des Temperatursensors (3) eine Membran (24) ausgebildet ist, auf der die Widerstandsbahn (26) zumindest teilweise verläuft.
14. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) als nicht- mikromechanischer NTC oder PTC ausgebildet ist.
15. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der insbesondere infrarotoptische Gassensor (5) mikromechanisch ausgebildet ist und aufweist: einen Messchip (80) mit einer Membran (86) und einer unterhalb der Membran (86) ausgebildeten Kaverne (88), einen Kappenchip (82) mit einer an seiner Unterseite ausgebildeten
Kaverne (96), und mindestens einem Filterchip (84a, b), wobei auf der Oberseite der Membran (86) eine Thermopile-Struktur (90) aus mindestens zwei kontaktierten Leiterbahnen aus unterschied- liehen Materialien und eine die Thermopile-Struktur zumindest bereichsweise überdeckende Absorberschicht (92) ausgebildet sind, wobei der Kappenchip (82) in vakuumdichten Verbindungen (100) derartig auf dem Messchip (80) befestigt ist, dass seine Kaverne (96) die Absorberschicht (92) aufnimmt.
16. Sensormodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kappenchip (82) ein oder mehrere Filterchips (84a, b) mittels infrarotdurchlässiger Klebeverbindungen (102) befestigt sind.
17. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) eine Gaszuführung (13) vorgesehen ist.
18. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der insbesondere infrarotoptische Gassensor (5) zweikanalig ausgebildet ist mit einem Messkanal (54a) zur Messung einer CO2-Konzentration und einem Referenzkanal (54b).
19. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine im Gehäuse (2) aufgenommene Leiterplatte (56), eine von unten durch die Leiterplatte (56) durchgesteckte, im Niederstrombetrieb betriebene Glühbirne (52), einen Infrarot-
Detektor (54) und einen auf die Leiterplatte (56) gesetzten Reflektor (55) aufweist, der von der Glühbirne (52) ausgesandte IR-Strahlung zu dem IR-Detektor (54) reflektiert.
20. Sensormodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (5) in einer separaten Kammer (15) des Gehäuses (2) angeordnet ist.
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