气体分析仪和气体分析装置的制作方法

本发明涉及一种气体分析仪，特别是具有电子振动传感器元件的气体分析仪，用于确定气体混合物的总和参数，例如诸如天然气的热值(calorific value)或沃泊指数(Wobbe index)，天然气中除了主要成分甲烷之外，通常还包含额外的碳氢化合物、氮气、二氧化碳和水蒸气。此外，氢气经常与天然气混合在一起。关于确切组分的知识对于控制例如燃烧器是非常重要的。

背景技术：

用于确定燃料气体的性质的方法例如描述于尚未公开的专利申请DE102015117486，DE102016121226中。如其中所描述的，气体性质的确定尤其是基于借助于电子振动传感器测量气体混合物的密度和粘度。为此目的，需要一种能够提供可靠的测量并且可以成本有效地制造的气体分析仪。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供这样一种分析仪和具有这种分析仪的气体分析装置。

根据本发明，该目的通过根据独立权利要求1的气体分析仪和根据独立权利要求14的气体分析装置得以实现。

根据本发明的用于测量介质——尤其是气体混合物——的密度和/或粘度的气体分析仪包括：

连接面板，其具有第一介质开口和第二介质开口，每个介质开口从连接面板的第一表面延伸到第二表面；

传感器面板，其在第一接合面上与连接面板接合在一起；以及

盖板，其在传感器面板的背离连接面板的第二接合面上与传感器面板接合在一起，其中盖板具有与第一和第二介质开口连通的盖板腔体；

其中，传感器面板具有至少一个振荡器腔体，该振荡器腔体与第一介质开口和第二介质开口连通，其中，传感器面板具有微机械振荡器，该振荡器被布置在振荡器腔体中，并且可以被激励以便垂直于接合面机械地振动。

在本发明的改进方案中，振荡器腔体包括穿过传感器面板的第一孔。

在本发明的改进方案中，气体分析仪还包括第一流体通道，第一流体通道从第一介质开口延伸到振荡器腔体，并且形成于连接面板和传感器面板之间；和/或第二流体通道，第二流体通道从第二介质开口延伸到振荡器腔体，并且形成于连接面板和传感器面板之间。

在本发明的改进方案中，传感器面板具有从第一介质开口延伸到盖板腔体的第一介质开口孔，和/或传感器面板具有从第二介质开口延伸到盖板腔体的第二介质开口孔。

在本发明的改进方案中，盖板腔体覆盖振荡器腔体以及第一介质开口孔和第二介质开口孔两者。

在本发明的改进方案中，第一流体通道具有形成在传感器面板的表面中的凹陷，其中第一流体通道通向第一介质开口孔；和/或第二流体通道具有形成在传感器面板的表面中的凹陷，其中第二流体通道通向第二介质开口孔。

在本发明的改进方案中，第一介质开口孔在传感器面板的面向盖板的上侧具有第一区域质心，其中第二介质开口孔在传感器面板的上侧具有第二区域质心；其中第一区域质心与第二区域质心之间具有区域质心间隙；其中振荡器开口在传感器面板的上侧面上具有第三区域质心；其中第三区域质心与第一和第二区域质心之间的连接线之间具有间隙，该间隙是几何平均值的至少一半，尤其是几何平均值的至少一倍，并优选地是几何平均值的两倍，该几何平均值是由区域质心间隙和盖板与传感器层的上侧之间沿着连接线求平均的间隙产生的。

在本发明的改进方案中，介质开口孔、振荡器开口、盖板腔体和流体通道(如果有的话)彼此定位和匹配，使得振荡器开口中的气体的平均流速为不大于介质开口孔中的平均流速的四分之一，尤其是不大于八分之一，并且优选不大于十六分之一。

在本发明的改进方案中，传感器面板包括硅，并且尤其是通过构造SOI晶片来制备的。在本发明的该改进方案的一个实施例中，振荡器包括沉积在SOI晶片的绝缘层上的非晶硅。

在本发明的改进方案中，振荡器具有电阻变换器，该电阻变换器具有至少一个电阻元件，该电阻元件具有取决于形变的电阻值，该电阻变换器尤其是具有带有四个电阻元件的电桥电路。

在本发明的改进方案中，振荡器具有至少一个导体环，以产生第一磁场，其中气体分析仪还具有用于第二磁场的场源，其中第一磁场和第二磁场分别具有至少一个平行于传感器面板的表面法线行进的分量。

根据本发明的气体分析装置包括根据本发明的气体分析仪、温度传感器、和/或压力传感器、和/或热导率传感器。

在本发明的改进方案中，气体分析装置还包括操作和评估电路，用于激励气体分析仪的振荡器并用于检测振荡器的振动，并且如果适用的话，用于驱动气体分析仪的附加传感器并用于检测它们的信号。

在本发明的改进方案中，盖板包括Si。

在本发明的改进方案中，连接面板包括玻璃，尤其是硼硅酸盐玻璃。

附图说明

现在利用附图中所示的示例性实施例更加详细地解释本发明。附图中示出了如下内容：

图1a：根据本发明的气体分析仪的示例性实施例的分解图；

图1b：来自图1a的示例性实施例的分解图，具有透明部件；

图2：来自图1a和1b的示例性实施例的电子振动传感器的示意图；

图3：根据本发明的气体分析仪的详细纵向剖面图，以及

图4：根据本发明的气体分析装置的示意图。

具体实施方式

如图1a和1b所示的气体分析仪100的示例性实施例包括由硼硅酸盐玻璃制成的连接面板110，例如Borofloat，材料厚度为几百微米。连接面板110具有第一介质开口112和第二介质开口114，每个介质开口从连接面板110的第一表面延伸到第二表面。在操作期间，待分析的气体通过这两个介质开口112、114被供给到气体分析仪或者从气体分析仪排出。

气体分析仪100还包括传感器面板130，其与连接面板110在第一接合面上例如经由阳极接合而接合在一起。传感器面板130包括与第一介质开口112对准的第一介质开口孔132和与第二介质开口114对准的第二介质开口孔134。传感器面板110还包括振荡器腔体140，其中安装有悬臂振荡器形式的电子振动传感器142，其是在传感器面板130的背离连接面板的上侧130b上制备的。传感器面板130优选地由SOI晶片制成，其中悬臂振荡器是在所谓的设备层中制备的。

此外，气体分析仪100包括盖板160，盖板160例如通过玻璃焊料在传感器面板130的背离连接面板110的第二接合面上与传感器面板接合在一起。在盖板160中制备面向传感器面板130的盖板腔体162，其在介质开口孔132、134和振荡器腔体140两者上方延伸。因此，介质开口112、114经由盖板腔体162彼此连通并且与振荡器腔体140连通，使得电子振动传感器142可以经由穿过盖板腔体162的第一气体通道充入通过介质开口112、114供给或排出的气体。为了确保在电子振动传感器142的位置处进行可靠的气体交换，气体分析仪还具有第一流体通道136和第二流体通道138，每个流体通道分别从第一和第二介质孔132、134延伸到振荡器腔体，并且是从底侧130a通过各向异性蚀刻传感器面板130中的沟槽而制备的。流体通道136、138形成第二气体路径，经由该第二气体路径，电子振动传感器142可以从传感器面板130的底侧被充入引入气体分析仪的气体。这确保了气体在振荡器腔体140中进行足够快速的交换。另一方面，流体通道136、138比穿过盖板腔体162的介质开口孔之间的气体路径具有明显更高的流动阻力。因此，大部分的气体通过盖板腔体162从第一介质开口孔132流到第二介质开口孔134。因此，气体在振荡器腔体140中的流速保持受限。因此，振荡器的振动特性受流量的影响至多是可忽略不计的。

盖板160具有压力传感器表面区域166；这就意味着例如可以在盖板的材料中制备压阻式压力传感器膜，或者盖板包括开口，安装在盖板上的压力传感器可以经由该开口充入在气体分析仪中占主导地位的压力。

盖板160还包括位于其上侧上的磁性表面168，在该磁性表面上将安装或制备磁体。磁性表面与振荡器腔体140对准，使得可以借助于交变的磁场激励电子振动传感器进行振动。

最后，盖板160在侧边缘区域中具有凹陷164，以使传感器面板130的上侧上的接触表面是可及的。

在下文中，基于图2和3解释电子振动传感器142的细节，其中在传感器面板130的上侧130b处的设备层中制备该电子振动传感器142，其中传感器面板130由SOI晶片形成。振荡器腔体140是经由从传感器面板130的下侧130a直到氧化物层130c的腔体的各向异性蚀刻，接着在腔体的区域中除了形成电子振动传感器142的悬臂的掩模区域之外去除氧化物层和设备层来制备的。

在悬臂上制备导体环或平面线圈144，以驱动电子振动传感器142。当仅形成了一个简单的导体环时，就可以在传感器面板的上侧130b上完全地进行接触。在这里示出的具有若干匝的螺旋平面线圈144的情况下，在悬臂的后侧形成电镀通孔，以便能够接触平面线圈144的内端。平面线圈可以经由线圈接触表面146、147而充入交流电流。所产生的磁场与布置在盖板160上的永磁体170的静磁场相互作用，产生了振荡力，该振荡力激励悬臂进行取决于频率的振荡。悬臂的固有频率取决于环绕悬臂的气体混合物的密度，而悬臂的振荡阻尼则取决于气体混合物的粘度。

振动传感器142还包括布置在惠斯通电桥中的用于检测悬臂振动的四个压阻式电阻元件，其中第一类型的两个电阻元件148至少部分地布置在悬臂上，并且第二类型的两个电阻元件149布置在围绕振荡器腔体140的设备层的边缘区域中。惠斯通电桥经由第一类型的接触表面150馈送恒定的纵向电流，其中相关的纵向电压是电子振动传感器的温度的函数。因此，施加到第二类型的接触表面152的惠斯通电桥的相关对角线电压是振荡悬臂的偏转的量度。

上述146、147、150、152被布置在传感器面板130的上侧的边缘区域158中，该边缘区域158未被盖板160覆盖，这是因为盖板160在此具有凹陷164。如上所述，盖板160沿着具有玻璃焊料的圆周接头156而连接到传感器面板130，其中凹陷164的区域中的接头156将具有接触表面的传感器面板的边缘区域158与其中布置有电子振动传感器142的传感器面板154的内部区域分开。接触表面通过金属导体迹线连接到平面线圈144或惠斯通电桥，其中导体迹线在接头156的区域中被玻璃焊料覆盖。

在示例性的实施例中，各向异性蚀刻工艺用于制备腔体。当然，半导体工艺技术的所有其他蚀刻工艺也可用于实现本发明。

除了上面描述的气体分析仪100之外，图4所示的气体分析装置还包括压阻式绝对压力传感器190，其布置在气体分析仪的盖板160上；以及热导率传感器200，其与气体分析仪100平行地连接到差压线116，差压线116本身经由跨管道300中的隔膜的压力梯度而被供给有待分析的气体混合物流。例如，由POSiFA Microsystems公司提供合适的热导率传感器。气体分析装置10还包括操作和评估电路210，用于激励气体分析仪的振荡器并用于检测振荡器的振动，并且如果适用的话，用于驱动气体分析组件的附加传感器并用于检测它们的信号。