CN104049019A - 微电化学传感器和用于运行微电化学传感器的方法 - Google Patents

Abstract

微电化学传感器和运行微电化学传感器的方法。微电化学传感器至少具有隔膜、桥接片、第一电极和第二电极。隔膜具有第一子面和第二子面。隔膜至少在第一子面和第二子面的区域中对于特定化学物种的离子是可透过的。隔膜横向于基体中的凹穴布置，不透流体地封闭凹穴。桥接片在隔膜的第一侧上布置在第一子面和第二子面之间。桥接片在使用电能的情况下将隔膜在第一子面和第二子面的区域中加温到运行温度。第一电极是流体可透过的并且在隔膜的第一侧上至少布置在第一子面和第二子面上。桥接片在桥接片的区域中防止在第一电极和隔膜之间的电接触。第二电极同样是流体可透过的并且在隔膜的第二侧上至少布置在第一子面和第二子面上。

Description

微电化学传感器和用于运行微电化学传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种微电化学传感器，一种用于运行微电化学传感器的方法以及对应的计算机程序产品。

背景技术

为了能够适配用于燃烧过程的燃料量和可供使用的氧量之间的比例，需要关于在燃烧过程的废气中的氧浓度的陈述。因为测量部位处的废气大多具有高温，所以需要耐温度变化的传感器用于确定氧浓度。

DE 199 41 051 A1描述了用于确定气体混合物中的氧浓度的传感器元件和用于制造该传感器元件的方法。

发明内容

以此为背景，利用本发明介绍根据独立权利要求的微电化学传感器、用于运行微电化学传感器的方法，此外介绍用于制造薄层的方法以及最后介绍对应的计算机程序产品。有利的构型从相应的从属权利要求和以下的描述中得出。

为了对微电化学传感器的传感器面进行加温，需要电能，所述电能由加热器转换成热能并且发出给传感器面。传感器的基体可以在传感器面的区域中被加温。通过从基体向隔膜导热可以对隔膜加温。

为了与此相应地节省能量并且仍然能够对尽可能大的传感器面加温，可以将加热器布置在传感器面处，而不电接触传感器面。加热器可以从微电化学传感器的基体脱耦。从而可以直接对传感器面加温。在无基体作为惰性的阻尼质量的情况下可以直接和快速地通过加热器均衡传感器面处的环境温度变化。

介绍至少具有以下特征的微电化学传感器：

隔膜，其具有第一子面和第二子面，其中隔膜至少在第一子面和第二子面的区域中对于特定化学物种的离子是可透过的，其中隔膜横向于基体中的凹穴布置并且不透流体地封闭凹穴；

桥接片，其在隔膜的第一侧上布置在第一子面和第二子面之间，其中桥接片被构造为在使用电能的情况下将隔膜在第一子面和第二子面的区域中加温到运行温度；

第一电极，具有第一子电极和第二子电极，其中第一电极是流体可透过的并且在隔膜的第一侧上至少布置在第一子面和第二子面上，其中桥接片被构造用于在桥接片的区域中防止在第一电极和隔膜之间的电接触；和

第二电极，具有第三子电极和第四子电极，其中第二电极是流体可透过的并且在隔膜的第二侧上至少布置在第一子面和第二子面上。

隔膜可以被理解为薄层材料。隔膜可以由不同的材料组成。隔膜的子面可以代表传感器的传感器面。至少在子面中，隔膜可以具有陶瓷材料。隔膜或子面可以是不透流体的。隔膜或子面可以是可选地可渗透的。隔膜或子面可以被装备为起催化作用。通过在隔膜或子面上以及替换地或补充地在隔膜或子面中的催化剂，隔膜或子面可以离子化化学物种。基体可以具有半导体材料和替换地或补充地具有陶瓷材料。基体可以具有用于接触传感器的电接触部。凹穴可以是通孔或腔。桥接片可以是肋。桥接片可以有分支。桥接片可以具有基体的材料。桥接片可以从基体脱耦。桥接片可以被构造用于加固隔膜。桥接片可以被构造用于通过电阻处的损耗热对隔膜加温。运行温度可以是化学物种在隔膜处的离子化温度。第一电极可以仅仅在桥接片旁边接触隔膜。第一电极可以被划分成子电极。第二电极同样可以被划分成子电极。子电极可以彼此邻接。电极可以是多孔的。电极是导电的。电极可以被装备起催化作用。子面可以在两侧由电极接触。

此外，介绍用于运行根据这里所介绍的方案的传感器的方法，其中该方法具有以下步骤：

在第一电极和第二电极之间施加电压，以便将化学物种的离子泵浦通过隔膜。

通过向电极施加电压可以将离子运送通过隔膜。运送的方向可以通过电压的极性确定。通过施加电压可以在闭合的体积中产生高压力，因为不必移动用于产生压力的机械部件并且不出现值得注意的间隙损耗。在施加电压的情况下，化学物种可以以纯形式在隔膜的一侧上产生。当隔膜以离子化方式装备或化合物已经离子化地存在时，在另一侧上也可以从化学化合物中移除该物种。

该方法可以具有步骤：检测在第一电极和第三电极之间的电容的变化，以便在使用该变化的情况下测定隔膜的偏转。第三电极可以布置在在隔膜上不透流体地封闭的室或腔中。通过在隔膜的第一侧和隔膜的第二侧上的压力之间的压力差，隔膜可以从静止位置被压向第三电极或被压离第三电极。通过在电极之间的变化的间距，得出由第一电极和第三电极构成的电容器的电容的变化。在此，如果电极之间的间距减小，则可由电容器存储的电荷量可以升高。该间距近似线性地影响电容。

该方法可以具有步骤：在使用偏转的情况下确定对隔膜的压力。该压力可以是对隔膜的第一侧的第一绝对压力和对隔膜的第二侧的第二绝对压力之间所得出的差压力。通过该差压力使隔膜变形。可以在使用隔膜的所储存的机械特性的情况下确定该压力。

电压可以被施加预定的持续时间。替换地或补充地，电压可以被施加直至偏转大于预定的值。通过限制持续时间和替换地或附加地限制偏转，可以避免对隔膜的损坏。电压可以在预定的间歇之后重新被施加。如果偏转小于另一预定值，则同样可以重新施加电压。

该方法可以具有测量步骤，其中测量在第一电极和第二电极之间的电压，以便检测第一电极处离子的第一浓度与第二电极处离子的第二浓度的第一比例。替换地或补充地，可以测量在第三电极和第四电极之间的电压，以便检测第三电极处离子的第一浓度与第四电极处离子的第三浓度的第二比例。当不施加泵浦电压时，该电压可以被测量。在可彼此无关地开关的电极对情况下，在第一和第二电极处可以施加泵浦电压，而在第三和第四电极之间的电压被检测。正好相反地，在第三和第四电极处可以施加泵浦电压，而第一和第二电极之间的电压被检测。尤其是，隔膜之一可以具有扩散部位。原子可以通过腔中的提高的压力扩散穿过扩散部位。因此可以通过泵浦、也为间隔式泵浦将隔膜之间的其他化学物种的浓度降低到鉴定阈之下。于是可以通过泵浦电压提供参考流体并且在使用参考流体的情况下确定化学物种之一在要测量的流体中的绝对浓度。

此外，介绍用于制造具有预定层厚的薄层的方法，其中该方法具有以下步骤：

提供第一电极，其中电极至少在薄层的子区域上延伸；

将薄层的第一子层沉积在薄层的面上，其中第一子层比预定层厚薄地被沉积；

在使用第一电极和第二电极的情况下测量薄层的当前层厚，其中第二电极临时地被直接布置在薄层的与第一电极对置的侧上；和

将第二子层沉积在第一子层上，其中第二子层以在使用当前层厚和预定层厚的情况下所测定的剩余层厚被沉积，以便制造具有预定层厚的薄层。

沉积可以被理解为再升华或浓缩。沉积也可以以化学方式例如通过沉淀进行。沉积可以在使用气相沉积工艺的情况下进行。例如，可以使用化学气相沉积工艺和替换地或补充地使用物理气相沉积工艺。当前层厚可以以电的方式来确定。第二电极可以沉积在薄层上，以便非常准确地测定当前层厚。第二电极也可以被压制到薄层上。由此，第二电极可以简单地再次被去除。

桥接片可以被构造为栅格。第一子面和第二子面可以被桥接片包围。子面同样可以构造栅格。通过栅格可以限制子面的大小，以便获得稳定性。多个子面可以提供大的整个面作为传感器面。第一子电极可以与第二子电极电连接。第三子电极可以与第四子电极电连接。第一侧上的第一电极可以包围桥接片，使得桥接片布置在第一电极和隔膜之间。隔膜一侧上的子电极可以处于共同的电势。由此对于隔膜的每个侧仅需要单个至基体的连接线路。

隔膜可以具有围绕凹穴延伸的绝缘区，所述绝缘区是无电极的。绝缘区在此可以尤其是构造为环形的并且环绕地包围凹穴。绝缘区可以由隔膜的材料和替换地或补充地由绝缘材料组成。绝缘区可以构造围绕子面的边缘。绝缘区可以布置在基体和子面之间；绝缘区可以将子面在热方面和替换地或补充地在电方面与基体绝缘。通过绝缘区可以减少用于对隔膜加温的能量消耗。

桥接片可以具有加热元件用于加温，所述加热元件布置在桥接片和隔膜之间并且替换地或补充地布置在第一电极和桥接片之间并且与第一电极和隔膜电绝缘。替换地，桥接片的材料可以具有电阻，其中桥接片的材料与第一电极和替换地或附加地与隔膜绝缘。电阻可以是欧姆电阻。在电阻处，电能可以被转换成热能。

第一电极可以经由第一印制导线被接触。第二电极可以经由第二印制导线被接触。加热元件可以经由第三印制导线和第四印制导线被接触。印制导线可以经由绝缘区伸展至基体并且替换地或补充地与隔膜电绝缘。

印制导线可以是导电的并且具有小的欧姆电阻。印制导线可以是柔性的。例如，印制导线可以具有折曲，以便能够接受拉伸负荷和替换地或补充地接受弯曲负荷。

印制导线可以至少在子区段上与凹穴的边缘正切地取向。印制导线可以通过各一个肋与隔膜绝缘。替换地或补充地，印制导线可以嵌入到绝缘材料中。印制导线的正切布置可以导致印制导线中的特别小的弯曲力矩。肋可以是桥接片经由绝缘区至基体的延长部。肋可以由与桥接片相同的材料制成。通过绝缘材料可以紧密并排地布置多个印制导线。

传感器可以具有用于检测在隔膜和传感器的另一部件之间的间距和间距变化的装置。替换地或补充地，传感器可以具有用于检测隔膜的温度和替换地或补充地检测环境温度的温度传感器。用于检测间距的装置可以是电容性传感器，其根据间距变化提供电信号。通过该用于检测的装置可以检测隔膜的偏转。从该偏转可以测定在隔膜上的差压力。用于检测隔膜的温度的温度传感器可以布置在隔膜上并且经由印制导线与基体连接。温度传感器可以布置在隔膜的第二侧上。用于检测环境温度的温度传感器可以布置在与隔膜的最小距离处。通过温度传感器可以检测化学物种，其中子面对于这些化学物种是不可渗透的。

凹穴可以被构造为闭合的室。与隔膜对置的室壁可以具有第三电极。通过被与环境隔绝的室，可以将隔膜使用为压力传感器。通过将离子主动泵浦穿过隔膜可以测试该室的密封性。通过第三电极可以与第一电极和替换地或补充地与第二电极一起构成可变化的电容，经由所述电容可以检测在电极之间的间距的变化。

对置的壁可以被构造为另外的隔膜。另外的隔膜可以具有另外的桥接片和根据这里所介绍的方案的第四电极。在两个可无关地使用的隔膜情况下，隔膜之一可以被用于提供100%由化学物种构成的参考流体。隔膜可以自由地布置在室中。第二隔膜可以被用于确定物种在周围流体中的绝对含量。

室可以具有扩散开口。扩散开口可以如此小，使得流体仅能以扩散速度穿过。流体的原子和分子可以通过扩散开口从室中漏出。如果物种的活性离子被运送到室中，则在一定的时间之后除该物种之外的外来原子或外来分子不能位于室内。

具有程序代码的计算机程序产品也是有利的，所述程序代码可以被存储在诸如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器的机器可读载体上并且当程序产品在计算机或设备上被实施时用于执行根据前述实施方式之一的方法。

附图说明

下面根据附图示例性地更详细阐述本发明。其中：

图1示出根据本发明实施例的微电化学传感器的框图；

图2示出根据本发明实施例的用于运行微电化学传感器的方法的流程图；

图3示出根据本发明实施例的用于制造具有预定层厚的薄层的方法的流程图；

图4示出根据本发明实施例的微电化学传感器的图示；

图5示出根据本发明实施例的微电化学传感器的桥接片的细节视图；

图6示出根据本发明实施例的微电化学传感器的底视图；

图7示出根据本发明实施例的微电化学传感器的俯视图；

图8示出根据本发明实施例的微电化学传感器的肋的细节视图；

图9示出根据本发明另一实施例的微电化学传感器的肋的细节视图；

图10示出根据本发明另一实施例的微电化学传感器的图示；

图11示出根据本发明另一实施例的微电化学传感器的桥接片的细节视图；

图12示出根据本发明另一实施例的微电化学传感器的底视图；

图13示出根据本发明实施例的微电化学传感器的支路的细节视图；

图14示出根据本发明实施例的具有室的微电化学传感器的图示；和

图15示出根据本发明另一实施例的具有室的微电化学传感器的图示。

在本发明优选实施例的以下描述中，对于在不同图中所示的和类似地起作用的元件使用相同的或类似的附图标记，其中放弃对这些元件的重复描述。

具体实施方式

图1示出根据本发明实施例的微电化学传感器100的框图。微电化学传感器100具有至少一个隔膜102、桥接片104、第一电极106和第二电极108。隔膜102具有第一子面110a和第二子面110b。隔膜102至少在第一子面110a和第二子面110b的区域中对于特定化学物种的离子是可透过的。隔膜102横向于基体114中的凹穴112地布置并且不透流体地密封凹穴112。桥接片104在隔膜102的第一侧上布置在第一子面110a和第二子面110b之间。桥接片104被构造用于在使用电能的情况下在第一子面110a和第二子面110b的区域中将隔膜102加温到运行温度。第一电极106具有第一子电极106a和第二子电极106b。第一电极106是流体可透过的并且在隔膜102的第一侧上至少布置在第一子面110a和第二子面110b上。桥接片104被布置或构造为使得在桥接片104的区域中防止在第一电极106和隔膜102之间的电接触。第二电极108具有第三子电极108a和第四子电极108b。第二电极108同样是流体可透过的并且在隔膜102的第二侧上至少布置在第一子面110a和第二子面110b上。

这里所介绍的方案描述了用于氧和二氧化氮的基于固体电解质的传感器100的不同实现可能性，尤其是具有集成的选择性地起作用的和用于运行所需要的加热装置的传感器100的结构。

图2示出根据本发明实施例的用于运行微电化学传感器的方法200的流程图。该方法200可以在如例如在图1中所示的微电化学传感器上被实施。该方法200具有步骤202：在第一电极和第二电极之间施加电泵浦电压，用以将化学物种的离子泵浦穿过隔膜。

图3示出根据本发明实施例的用于制造具有预定层厚的薄层的方法300的流程图。该薄层例如可以是根据这里所介绍的方案的传感器的隔膜的组成部分。该方法300具有提供的步骤302、沉积的第一步骤304、测量的步骤306和沉积的另一步骤308。在提供的步骤302中，以具有第一电极的薄层提供隔膜，所述隔膜至少在薄层的子区域上延伸。作为第一子层的隔膜在此比预定层厚薄地沉积。在沉积的第一步骤304中，在薄层的规定面上沉积临时的第二电极。在此，将第二电极有利地直接布置在薄层的与第一电极对置的侧上并且仅覆盖薄层的小的面。在测量的步骤306中，在使用第一电极和临时的第二电极的情况下测量薄层的当前层厚。然后在沉积的另一步骤308中，将第二子层沉积在第一子层上。第二子层以剩余层厚被沉积在整个薄层上，以便制造具有预定层厚的薄层。剩余层厚为此在使用当前层厚、在步骤306中所测量的特性和预定层厚的情况下被测定。

换句话说，图3示出用于制造微电化学传感器元件的方法300的流程图，其中隔膜厚度如此被平衡，使得电和气体测量特性处于预先给定的偏差内或者与预先给定的标准相同。由此，得出可再生性的改善。

在例如经由脉冲激光沉积或通过CVD方法沉积薄的层作为传感器的功能材料的情况下，已经可以就地在沉积时或者持久地或者仅临时地调整到如此高的温度，使得层本身已经是传导离子的。于是如果在所沉积的材料之下也已经存在第一电极，则可以利用局部受限的和必要时仅临时施加的上侧第二电极来表征和平衡隔膜的传导离子的材料。在正面，电极例如可以通过临时被压印的凸模表示，或者通过在小的、近边缘的面上沉积电极，然后所述电极被电接触。测量306可以通过阻抗光谱学或者通过测量平衡电流来进行。

沉积逐步地进行，第一层如此被沉积304，使得达到低于目标厚度的厚度或低于电目标值的值。然后在由沉积308和测量306组成的重复工艺中，调整厚度或电特性方面的目标值。因为当在晶片处沉积功能层时也已经可以在正面和背面上施加不同的气体，所以在沉积的范围中已经可以测量气体函数（Gasfunktion）。此外，作为测量的组成部分，在设备中在晶片处的沉积和测量之间的温度处理步骤也是可能的。

图4示出根据本发明实施例的微电化学传感器100的图示。传感器100对应于图1中的传感器。为了简化，统一地表示所有子面110。附加地，传感器100具有三个其他桥接片104，所述桥接片如在图1中的桥接片那样布置在隔膜102的第一侧上。桥接片104构造连贯的肋结构400。在桥接片104之间的间隙中并排地布置三个子面110。在桥接片104和基体114之间，隔膜102具有带有热绝缘载体隔膜102的环绕的区域402。绝缘区402将子面110相对于基体114绝缘。隔膜102布置在基体114的表面上并且延伸超过凹穴112。肋结构400构造规则的栅格。九个子面110布置在桥接片104之间。第一电极106以连续的层在子面110和肋结构400上延伸，其中肋结构400的面向基体114的边缘是空闲的。第一电极106三维地被铸造。在围绕肋结构400的桥接片104上布置第一印制导线404作为用于第一电极106的电极连接端。第二电极108同样以连续的层在隔膜102的与肋结构400和子面110对置的区域上延伸。第二电极108平坦地或两维地被铸造。第二电极108通过隔膜102的第二侧上的第二印制导线406与基体114接触。

换句话说，图4示出具有固体电解质102的基于MEMS（微电化学传感器元件）的气体传感器100。由该组合得出微电化学传感器元件（MECS）。固体电介质气体传感器例如可以是λ探针形式的氧传感器。与在结构宽度（典型>30μm）方面以及在层厚（典型>10μm）方面要求大的最小尺寸的陶瓷厚层技术相比，基于MEMS的传感器可以被实施成小得多。通过组合多个单元可以除了氧传感器之外也制造例如用于氧化氮的其他传感器。

在图4中作为用于对微电化学传感器元件100（MECS）加热的装置的剖面图示出用于具有加热器的MECS单元110的可选地被加热的装置的实现的例子。MECS 100在此由传导氧离子的材料制成的多个单个较小隔膜110组成。加热装置布置在隔膜110之间的桥接片104上。桥接片104均匀地分布热，环绕的隔膜环402负责与衬底114的热绝缘。因此实现可选的加热并且能够实现传感器100的小能量需求。

传感器100可以与其他传感器或测量方法组合，以便提高测量精度或者以便使其他测量参量成为可能。

对这里所介绍的方案典型的是传感器100的层序列。在上电极108之后是传导离子的材料（以隔膜的形式）102。其之后在桥接片的区域中是桥接片104、绝缘层、加热器并且在电极的区域中是下电极106，其中至少绝缘层、加热器层和桥接片104层如此被结构化，使得各个隔膜110或隔膜区域110由传导离子的材料形成，所述各个隔膜或隔膜区域从上和下与电极材料接触。在此在绝缘区域、加热器区域和载体104区域之下，至少一个电极106不与隔膜102接触。

MECS传感器100由不同的小单个隔膜110构建。活性区110由传导离子的隔膜102连同在两侧所施加的电极106、108构建。在运行温度（典型高于400°C）时，在活性区110中或者通过施加在电极106、108上的电压将氧泵浦穿过传导离子的材料102，或者通过氧在隔膜102的两侧上的浓度差形成在气体可透过的电极106、108处的电势差，所述电势差可以被测量。隔膜的活性区110应该不透空气地被覆盖，因为由于泵浦电流可能产生非常高的压力，所述压力可能导致层复合体破裂。因此，仅在隔膜102的部位110处施加电势，在所述部位处气体流动可以进行。这在图4中通过以下方式实现，即电极106、108在解除各个隔膜110之后才被施加并且桥接片104或者由即使在高运行温度下也不导电的材料制造或者与电极电势电绝缘。该绝缘例如可以在使用Si（硅）作为衬底材料114时通过热氧化进行，其中（也在桥接片104的侧壁处的）Si的所有表面被绝缘。理想地，该氧化在加温步骤时进行，该加温步骤可能对于隔膜102的温度调节是必要的。

在图4中，具有各个MECS隔膜110和MECS100的加热结构的被加热区域408与衬底114的剩余部分仅通过传导离子的隔膜材料102热分离。替换地，这里也可以仅使用绝缘层或两个层一起使用。原则上这里也可以使用其他隔膜材料。

图5示出根据本发明实施例的微电化学传感器100的桥接片104的细节视图。桥接片104对应于图4中的微电化学传感器的桥接片。桥接片104放大地被示出。附加地，在图5中示出用于在使用加热元件500的情况下对子面进行加热的实施例。加热元件500嵌入桥接片104的边缘区域502中。为此，桥接片104的材料如此被改变，使得边缘区域502是电绝缘的。边缘区域502朝向第一电极106。边缘区域502完全被第一电极106覆盖。隔膜这里未被示出。第一电极106如在图4中那样在桥接片104侧面在隔膜的邻接的子面上延伸。

在图5中作为细节示出在具有加热结构500的两个MECS隔膜之间的中间区域。加热器500可以嵌入绝缘体502中。在加热器500下面的第一绝缘子层502可以例如以热的方式通过氧化产生，在加热器500之上的两个绝缘子层502可以通过沉积的绝缘子层502、例如PECVD（等离子体辅助的化学气相沉积）或LPCVD（低压化学气相沉积）氧化物或氮化物产生。

图6示出根据本发明实施例的微电化学传感器100的第一侧从下看的视图。传感器100对应于图4中的传感器。这里可以看出，肋结构400是正方形的。肋结构400在纵向上由四个桥接片104构造并且在横向上由四个桥接片104构造。桥接片104用于对隔膜进行机械加强。肋结构400包围作为单个MECS隔膜的九个相同大小的正方形子面110。肋结构400与子面110一起被背面的第一电极106覆盖。肋结构400由绝缘区402包围并且通过绝缘区402与基体114分离。绝缘区402具有环绕的保持相同的宽度。绝缘区402由印制导线600、602、604桥接。印制导线600、602、604具有有角的S形、即折曲。印制导线600、602、604在该实施例中从肋结构400的一个角垂直地远离肋结构400的棱边地伸展到绝缘区402的第一半部上。然后，印制导线600、602、604直角地弯曲并且平行于肋结构400的棱边地伸展至肋结构400的下一个角。因此，印制导线的长度与越过绝缘区402的直接连接相比明显被延长，使得从肋结构400至基体114的热流失被减少。在下一个角处，印制导线600、602、604重新直角地弯曲并且横越绝缘区402的第二半部。第一印制导线600是至第一电极106的引线作为背面的电极连接端。第二印制导线602和第三印制导线604是用于桥接片104中的加热元件的连接端。加热器在桥接片104中在各个MECS隔膜110之间伸展并且与衬底和相对于电极材料绝缘。

在具有加热器和正面和背面电极106的MECS单元110的可选加热的装置的在这里所述的实现中，加热装置602、604以及电极连接端600在图6中经由隔膜102被向外引导。为了实现更好的热绝缘并且为了减少出现的热机械应力，连接端600、602、604的线路可以通过正切地布线来延长。

图7示出根据本发明实施例的微电化学传感器100的俯视图。传感器100对应于图4中的传感器。第二电极108与第一电极重合地延伸，如在图6中所示的那样。第二电极108接触子面110和与桥接片对置的面700。绝缘区402不被第二电极108覆盖。第二电极108具有环绕的印制导线环702作为电极连接端。第二电极108经由作为至正面的电极连接端702的引线的第四印制导线704与基体114连接。第四印制导线704具有有角的S形状，类似于图6中的三个印制导线。

图8示出根据本发明实施例的微电化学传感器的肋800的细节视图。肋800可以被用作图6和7中的印制导线的下部结构，例如用作加热器的连接端。肋800可以由桥接片的材料组成。肋800可以在与桥接片的相同工作步骤中被制造。肋800可以由半导体材料蚀刻。通过蚀刻可以得出肋800的梯形横截面。肋800直接布置在绝缘区402中的隔膜102处。肋800如图5中的桥接片那样具有边缘层502。在边缘层502中，肋800的材料是电绝缘的。在肋800的背离隔膜102的侧上布置印制导线600、602、604、704之一。

图9示出根据本发明另一实施例的微电化学传感器的肋800的细节视图。肋800对应于图8中的肋。与图8不同，印制导线600、602、604、704在这里嵌入在电绝缘的边缘区域502中并且完全被包围。

图10示出根据本发明另一实施例的微电化学传感器100的图示。传感器100对应于图4中的传感器。与图4不同地，桥接片104不直接布置在隔膜102上。在隔膜102和桥接片104之间布置加热元件。该加热元件嵌入到绝缘层1000中。绝缘层1000直接布置在隔膜102上。桥接片104分别布置在绝缘层1000上并且通过绝缘层1000与隔膜102电绝缘。此外，第一电极106在这里也包围肋结构400的在图4中空闲的边缘。

在图10中作为剖面图示出具有加热器的MECS单元110的可选加热的装置的实现的另一例子。这里也可以将桥接片材料的可能存在的导电性用于将下电极106的片段相互接触或冗余地相互接触。隔膜102的由桥接片104覆盖的区域通过绝缘材料1000电分离并且不是活性的。衬底104、绝缘部1000、印制导线和传导离子的材料102的序列允许简化的结构，在该结构中在环绕的区域402中传导离子的隔膜102也可以利用绝缘材料1000的连续的层来加强。

替换于所示的实施例，桥接片104也可以由直接被电流流过的加热器材料组成，所述加热器材料相对于隔膜102和电极106电绝缘。在图10中未示出MECS 100与用于检测另外的和不能利用作为气体传感器的MECS 100直接测量的成分（例如CO₂）的周围空气的导热率测量原理的组合。

通过将温度传感器布置在加热的隔膜102和用于测量环境温度的另一传感器上，通过检测MECS 100的加热功率和温度也可以与MECS测量原理同时地实现针对周围空气的组成的热导率测量原理。在此，在隔膜102上的温度的检测也可以通过加热器进行，例如以电阻测量的形式进行，此外可以同时测量加热功率和加热器电阻。（一个或多个）温度的检测也可以如此进行，使得例如在隔膜102的边缘处发生互相影响。这可以通过合适的校准来补偿。

利用加热功率和温度信息可以对于气体通过测量比热导率来执行浓度测量。在此可以进行分压的测量或也可以进行绝对压力的测量。通过热导率尤其是可以测量具有不同的特征性热导率并且不能利用MECS 100测量的气体，例如H₂O或CO₂或碳氢化合物。

此外通过该测量可以进行对MECS系统100的扩展的功能控制，从而例如可以执行加热器的功率调制和测量加热器的温度。从中例如可以识别MECS 100的隔膜102处的变化或者湿气或浓缩水的淤积或贮藏。

图11示出根据本发明另一实施例的微电化学传感器的桥接片104的细节视图。桥接片104对应于图10中的桥接片之一。在该实施例中示出了布置在隔膜102上的绝缘层1000，其中两个并排布置的加热元件500以及印制导线1100嵌入所述绝缘层中。桥接片104布置在绝缘层1000上。印制导线1100用作用于第一电极106的引线，所述第一电极如在图5中那样在子面110上直接布置在隔膜102处并且完全包围桥接片104。印制导线1100至少部分被敞开，以便接触背面电极106。绝缘材料1000使桥接片104与隔膜102绝缘。

图12示出根据本发明另一实施例的微电化学传感器100的底视图。传感器100对应于图6中的传感器。如在图6中那样，传感器100具有九个布置在栅格中的子面110，所述子面通过构造肋结构400的桥接片104围绕。第一电极106在子面110和肋结构400上延伸。绝缘区402将子面110和肋结构400与基体114分离。与图6中的传感器不同，印制导线在支路1200中被成束，所述支路将肋区域400与基体114连接并且桥接绝缘区402。支路1200如图6中的印制导线那样具有有角的S形状。

图13示出根据本发明实施例的微电化学传感器的支路1200的细节视图。支路1200对应于图12中的支路。支路1200具有电绝缘材料1000，印制导线600、602、604并排地嵌入到该电绝缘的材料中。印制导线600、602、604在绝缘材料1000中彼此有间距地和彼此并行地伸展。绝缘材料1000直接被固定在隔膜102上。印制导线600、602、604用于对加热元件和传感器的第一电极供电。

图14示出根据本发明实施例的具有室1400的微电化学传感器100的图示。传感器100对应于图4中的传感器。附加地，基体114构造闭合的或经由扩散隔膜连接的腔作为室1400。第一电极106作为用于MECS的背面电极和作为与隔膜102或肋结构400一起可移动的电极布置在室1400中。在室1400的与第一电极106对置的后壁上布置第三电极1402作为固定的电极1402用于压力测量。室1400以不透流体的方式实施。第一电极106和第三电极1402一起构造平板电容器。平板电容器的电容近似线性地被第一电极106和第三电极1402之间的间距影响。如果该间距较小，则电容较大，反之亦然。例如当室1400中的压力和/或隔膜102的第二侧处的压力改变时，通过可变的电容可以检测隔膜102的变形。如果在第一电极106和第二电极108之间施加泵浦电压，则化学物种的离子被运输穿过隔膜102。泵浦电压可以如此施加，使得离子被运输到室1400中。由此可以提高室1400中的压力。隔膜102通过该压力成拱形，使得在第一电极106和第三电极1402之间的间距变大。因为室1400是不透流体的，所以通过提高室1400中的压力可以检验隔膜102的紧密度。

在图14中示出具有用于测量压力和气体组成和替换地或补充地用于MECS 100的功能监控的、针对MECS 100的内腔1400的压力测量装置的MECS 100。

结合MECS 100示出压力传感器的简单实施。在该实施例中通过测量在固定的电极1402和MECS 100的背面电极106之间的电容进行压力测量，所述背面电极与内部空间和外部空间之间的压力差有关地移动。电容和隔膜102的机械特性在此是压力差异的量度。

在闭合的内部体积1400中可以测量绝对压力。通过将氧泵浦通过隔膜102可以相对于外部压力有针对性地改变内部压力，这可以被用于传感器100的功能控制。通过在利用MECS元件泵浦氧时利用压力传感器100监控压力升高或降低，可以在进行的运行中检验隔膜102的紧密度。通过将氧泵浦到内部体积1400中，在那里产生高的氧分压。内部体积1400中的气体然后可以作为相对于环境气体的参考气体与MECS传感器100一起使用。

图15示出根据本发明另一实施例的具有室1400的微电化学传感器100的图示。传感器100如在图14中那样具有室1400。与图14不同，在基体114中的凹穴112被构造为通向基体114的第二侧的通孔。通孔的第一侧通过隔膜102封闭。通孔的第二侧由第二隔膜1500封闭，所述第二隔膜具有带有子面110的第二肋结构1502、第三电极1402、第四电极1505和第二绝缘区1506。第二隔膜1500类似于隔膜102地被实施。第一电极106和第三电极1402可以如在图14中那样被接线成具有可变电容的平板电容器，以便检测间距。隔膜102这里具有扩散开口1508。扩散开口1508能够使流体成分迁移穿过隔膜102。如果第一电极106和第二电极108被施加泵浦电压用于将离子泵浦穿过隔膜102进入室1400，则流体成分可以通过扩散开口1508在与被泵浦的离子流相反的方向上扩散穿过隔膜102。通过扩散发生在隔膜102上的缓慢压力均衡。如果施加泵浦电压，则可以使其他流体成分作为被泵浦的物种的原子或分子通过扩散开口1508冲出室1400。如果泵浦电压持久地或规则地在较长的时间段上被施加，则在室1400中可能形成参考流体，所述参考流体完全由被泵浦的物种的原子或分子组成。因为参考流体的浓度是已知的，所以在隔膜的另一侧上的浓度可以被绝对地确定。扩散开口1508也可以布置在室1400的另外的部位处。如果两个隔膜102、1500被施加不同的流体，则借助于室1400中的共同的参考流体可以绝对地测量物种在两种流体中的浓度。如果图14中的传感器同样在室1400处具有扩散开口1508，则在室1400中同样可能产生参考流体。为此可以与浓度的测量交替地进行离子的泵浦。

实施具有所定义的扩散开口1508的组合式传感器100是有利的，所述扩散开口被成形为使得至少可以临时地在传感器100的内部空间1400中产生过压。从而可以临时地进行用于紧密度测试的、具有提高的泵浦功率的泵浦运行，其中可以通过压力传感器观察到传感器100的压力变化过程。此外可以通过短时泵浦至少在一段时间内在内部1400中产生高的氧分压，所述氧分压可以被用作用于λ探针测量的参考气体体积。

对于例如用于作为λ传感器使用的MECS 100而言重要的优点通过在沉积时就已经平衡传导离子的层102的特性来产生。这是与陶瓷λ探针相比显著的差异，在陶瓷λ探针中层首先仅作为生坯存在。可测量的传感器在那里在烘焙和烧结之后才产生，而然后层只能还受到限制或通过耗费的方法被改变。

在图15中示出作为宽带λ探针的MECS系统100的实现的示例性横截面。下面的气体空间与废气接触，传感器100上方的气体空间与环境空气相连。一个隔膜102、1500可以用作泵浦单元，另一隔膜102、1500可以用作测量单元或能斯脱单元。在两个背面电极106、1402之间可以测量通过泵浦单元临时产生的压力。

通过这里所介绍的方案，可以提供用于内燃机的排放、尤其是也用于车载诊断的气体传感器100。尤其是，这里所介绍的传感器100可以用于NOx鉴定和用于测量氧和含氧的气体。

所述的和在图中所示的实施例仅示例性地被选择。不同的实施例可以完全地或关于各个特征相互组合。一个实施例也可以通过另一实施例的特征补充。

另外，根据本发明的方法步骤可以重复地以及以与所述的顺序不同的顺序实施。

如果实施例包括第一特征和第二特征之间的“和/或”逻辑连接，则这可以看作，该实施例根据一种实施方式具有第一特征和第二特征，而根据另一实施方式或者仅具有第一特征或者仅具有第二特征。

Claims (15)

1.微电化学传感器（100），具有至少以下特征：

隔膜（102），其具有第一子面（110a）和第二子面（110b），其中隔膜（102）至少在第一子面（110a）和第二子面（110b）的区域中对于特定化学物种的离子是可透过的，其中隔膜（102）横向于基体（114）中的凹穴（112）布置并且不透流体地封闭凹穴（112）；

桥接片（114），其在隔膜（102）的第一侧上布置在第一子面（110a）和第二子面（110b）之间，其中桥接片（104）被构造为在使用电能的情况下将隔膜（102）在第一子面（110a）和第二子面（110b）的区域中加温到运行温度；

第一电极（106），具有第一子电极（106a）和第二子电极（106b），其中第一电极（106）是流体可透过的并且在隔膜（102）的第一侧上至少布置在第一子面（110a）和第二子面（110b）上，其中桥接片（104）被构造用于在桥接片（104）的区域中防止在第一电极（106）和隔膜（102）之间的电接触；和

第二电极（108），具有第三子电极（108a）和第四子电极（108b），其中第二电极（108）是流体可透过的并且在隔膜（102）的第二侧上至少布置在第一子面（110a）和第二子面（110b）上。

2.根据权利要求1所述的微电化学传感器（100），其中桥接片（104）被构造为栅格并且第一子面（110a）和第二子面（110b）被桥接片（104）包围，和/或第一子电极（106a）与第二子电极（106b）电连接，和/或第三子电极（108a）与第四子电极（108b）电连接。

3.根据前述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中隔膜（102）具有围绕凹穴（112）产生的绝缘区（402），所述绝缘区是无电极的，其中绝缘区（102）由隔膜（102）的材料和/或绝缘材料（1000）组成。

4.根据前述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中-桥接片（104）具有加热元件（500）用于加温，所述加热元件布置在桥接片（104）和隔膜（102）之间和/或布置在第一电极（106）和桥接片（104）之间并且与第一电极（106）和隔膜（102）电绝缘，或者-桥接片（104）的材料具有电阻，其中桥接片（104）的材料与第一电极（106）和/或隔膜（102）绝缘。

5.根据前述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中第一电极（106）和/或第二电极（108）和/或加热元件（500）分别经由至少一个印制导线（600，602，604）被接触，其中印制导线（600，602，604）经由绝缘区（402）伸展至基体（114）和/或与隔膜（102）电绝缘。

6.根据前述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），具有用于检测隔膜（102）的温度和/或环境温度的温度传感器。

7.根据前述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中凹穴（112）被构造为闭合的室（1400），和/或室（1400）的与隔膜（102）对置的壁具有第三电极（1402）。

8.根据权利要求7所述的微电化学传感器（100），其中对置的壁被构造为另外的隔膜（1500），其中该另外的隔膜（1500）具有另外的桥接片（1502）和第四电极（1504）和/或所述室（1400）具有扩散开口（1508）。

9.用于运行根据权利要求1至8之一所述的微电化学传感器（100）的方法（100），其中该方法（200）具有以下步骤：

在第一电极（106）和第二电极（108）之间施加（202）电泵浦电压，以便将化学物种的离子泵浦通过隔膜（102）。

10.根据前述权利要求之一所述的方法（200），具有步骤：检测在第一电极（106）和第三电极（1402）之间的电容和/或电容的变化，以便在使用电容的变化的情况下测定隔膜（102）的偏转。

11.根据权利要求10所述的方法（200），具有步骤：在使用偏转的情况下确定对隔膜（102）的压力。

12.根据前述权利要求之一所述的方法（200），其中在施加的步骤（202）中，泵浦电压可以被施加预定的持续时间和/或被施加直至偏转大于预定的值。

13.根据前述权利要求之一所述的方法（200），具有步骤：测量在第一电极（106）和第二电极（108）之间的电压，以便检测第一电极（106）处离子的第一浓度与第二电极（108）处离子的第二浓度的第一比例，和/或测量在第三电极（1402）和第四电极（1504）之间的电压，以便检测第三电极（1402）处离子的第一浓度与第四电极（1504）处离子的第三浓度的第二比例。

14.用于制造具有预定层厚的薄层（102）的方法（300），其中该方法具有以下步骤：

提供（302）薄层（102）和第一电极（106），其中该薄层比预定的层厚薄地被沉积，其中该电极（106）至少在薄层（102）的子区域（110）上延伸；

将电极沉积（304）在薄层（102）的面上；

在使用第一电极（106）和第二电极的情况下测量（306）薄层（112）的当前层厚，其中第二电极临时地被直接布置在薄层（102）的与第一电极（106）对置的侧上；和

将第二子层沉积（308）在第一子层上，其中第二子层以在使用当前层厚和预定层厚的情况下所测定的剩余层厚被沉积，以便制造具有预定层厚的薄层（102）。

15.具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码用于当程序产品在设备上被实施时执行根据权利要求9至14之一所述的方法。