CN104049023A - 微电化学传感器以及用于运行微电化学传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电化学传感器以及用于运行微电化学传感器的方法。公开了一种具有能量供应单元（102）和传感器单元（104）的微电化学传感器（100）。自给自足的能量供应单元（102）被构造用于在使用参考流体（108）的情况下产生电能（106）。所述传感器单元（104）被构造用于确定化学种类在测量流体（112）和参考流体（108）之间的浓度差（110），其中所述测量流体具有未知浓度的该种类并且所述参考流体具有已知浓度的该种类。所述传感器单元（104）与所述能量供应单元（102）电连接并且被构造用于在使用能量供应单元（102）的电能（106）的情况下确定所述浓度差（110）。

Description

微电化学传感器以及用于运行微电化学传感器的方法

技术领域

本发明涉及微电化学传感器、用于运行微电化学传感器的方法以及相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气量之间的比例，需要关于燃烧过程的废气中的氧气浓度的报告。因为在测量点处的废气大多具有高的温度，所以用于确定氧气浓度的耐温度变化的传感器是必需的。

DE 199 41 051 A1描述用于确定混合气体中的氧气浓度的传感器元件以及用于制造该传感器元件的方法。

发明内容

在该背景下，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以及最后介绍相应的计算机程序产品。有利的扩展方案从各个从属权利要求以及随后的描述中得出。

传感器为了运行需要电能。在车辆中，电能可以通过车载电网提供。然而，由此每个传感器需要至少双芯的能量供应导线。附加地，至少单芯的数据导线是必需的。这多个电缆被连接成电缆束，该电缆束可以达到大的总长。通过导线的复用可以减少电缆的数量。经由总线系统，多个传感器和/或车辆组件可以经由总线导线连接。

如果传感器具有自身的能量源，那么该传感器可以只连接到数据导线、特别是总线导线上，该能量源被充分地确定尺寸，以便供应该传感器。由于工艺技术中进展的微型化，可以达到越来越少的能量消耗，因为传感器元件需要越来越小的面积，以便提供信号。因此能量源的必需的能量供应容量以与所需要的面积和层厚度收缩相同的程度减小。

具有以下特征的微电化学传感器被介绍：

用于在使用参考流体的情况下产生电能的能量供应单元；和

用于确定化学种类在具有未知浓度的该种类的测量流体和具有已知浓度的该种类的参考流体之间的浓度差的传感器单元，其中该传感器单元与能量供应单元电连接并且被构造用于在使用能量供应单元的电能的情况下确定浓度差。

此外，介绍用于运行根据在此所介绍的方式的微电化学传感器的方法，其中该方法具有以下步骤：

在使用参考流体的情况下产生电能；以及

在使用该电能的情况下确定化学种类在具有未知浓度的该种类的测量流体和具有已知浓度的该种类的参考流体之间的浓度差。

微电化学传感器可以被理解为用于检测物理量并且将该物理量映射为信号的微型化的传感器。该信号可以经由数据导线来提供。化学种类可以是化学元素、分子或化合物。该信号可以是电信号。能量供应单元可以是电流源和/或电压源，其被构造用于利用至少一种介质的能势，以便获得用于传感器的电能。例如该能量供应单元可以利用在介质与至少另一种介质合成为新的介质的情况下的化学能势，以便获得电能。该能量供应单元同样可以利用两个介质之间的或第一状态中的介质和第二状态中的介质之间的热能势，以便获得电能。该介质可以被包含在参考流体中。该化学种类可以是该介质。例如可以使用电能，以便将传感器调温到运行温度上。也可以使用电能，以便处理该信号。例如该信号可以被放大。

该方法可以具有提供浓度信号的步骤，其中该浓度信号代表浓度差并且在使用电能的情况下确定该浓度信号。浓度信号可以是数字信号。例如该浓度差可以以脉冲序列来代表。浓度差同样可以以多个信号状态并行地经由多个导线来传输。数字化可以在使用电能的情况下进行。

该能量供应单元可以被构造用于此外在使用作为能量载体的能量流体的情况下提供电能。在参考流体和能量流体之间可以存在能势。该能量流体可以是与测量流体相同的流体。例如该能量流体可以具有热能，该热能可以经由热电元件被转化为电能。于是该能量流体可以是热废气，该热废气向热电元件发射热流，其中该热流流经该热电元件并且产生电能。于是该热流可以从热电元件向参考流体发射。该能量流体也可以是化学能载体。

该能量供应单元可以具有薄膜，该薄膜将用于参考流体的参考通道与用于能量流体的供应通道隔离。如果参考流体和能量流体靠近薄膜，那么电能在薄膜处能够是可量取的。参考通道可以被构造用于引导参考流体。供应通道可以被构造用于引导能量流体。参考通道和供应通道可以彼此流体隔离地运载参考流体和能量流体。薄膜可以是通道之间的薄隔离壁。

该能量流体可以是质子供体。该能量供应单元可以被构造用于催化地提供电能。该能量流体可以具有化学能，该化学能可以经由催化元素被转化为电能。能量流体可以被存放在存储器或罐内并且在需要时被使用。质子供体可以是氢阳离子供体。该质子供体可以是化合物，一旦用于解离的激活能被提供，该化合物就解离出氢原子和/或氢离子。该激活能可以小于在氢原子重组时所释放的能量。

例如该质子供体可以是氢碳化合物或纯氢。催化剂可以降低用于解离氢的激活能。电能可以通过氢与参考流体中的氧合成为水而获得。该薄膜对于氧离子和/或氢离子可以是可穿透的。电能可以借助电极在薄膜处被量取。

该传感器单元可以具有用于储存能量流体的罐，其中该罐与能量供应单元的供应通道连接。该罐可以是耐压的容器，该容器例如可以储存压缩的燃料气体。该罐可以具有阀门，该阀门在使用在能量供应单元中所获得的电能的情况下被控制。供应通道中的压力可以通过该阀门来调整。该罐可以是可替换的。该罐可以是可再次充满的。该罐可以被构造用于储存液体。为此该罐可以具有计量装置、例如泵，该计量装置可以将液体以计量的方式运送到供应通道中。

该传感器单元可以具有传感器薄膜，该传感器薄膜将用于参考流体的参考通道与用于测量流体的测量通道流体隔离。该传感器薄膜可以具有参考通道中的第一电极和测量通道中的第二电极。如果浓度差存在于参考流体和测量流体之间，那么在第一电极和第二电极之间电压电势可以是可量取的。该传感器薄膜对于化学种类的离子可以是可穿透的。在传感器薄膜的两个表面处，化学种类可以例如通过热量和/或催化剂被电离。在电离时，至少一个电子与离子分离。电子可以在电极中移动。在一侧的大量离子与分别靠近的流体中的种类的浓度或分压力处于平衡。在浓度差存在于参考流体和测量流体之间的情况下，在传感器薄膜的一侧上出现比从另一侧更多的离子。该差通过离子从高浓度向低浓度迁移来均衡。分离的电子不能遵循该迁移，这导致电极之间的电压电势。电压的高度在此与浓度差有关。

该传感器单元可以被构造用于确定作为测量流体的燃烧废气和作为参考流体的外界空气之间的浓度差。特别是该传感器单元可以被构造用于检测燃烧废气和外界空气之间的氧气的浓度差。该燃烧废气可以是热的。该燃烧废气可以将传感器单元和/或能量供应单元加热，使得为了该传感器单元的调温仅仅还需要少的电功率。

该微电化学传感器可以具有基体，在该基体中该能量供应单元被布置在传感器部分旁边。该基体可以具有印制导线，该印制导线将能量供应单元与传感器元件电连接。该微电子传感器可以被布置在连续的芯片上。该传感器可以被布置在半导体衬底上。该传感器可以在使用半导体技术的情况下被制造。

能量供应单元的薄膜可以与传感器部分的传感器薄膜相同地被构建。该薄膜对于相同化学种类的离子可以是可穿透的。该薄膜可以具有相同的材料。该薄膜可以配备有相同的催化剂。由于同样的薄膜结构，该传感器单元和能量供应单元可以成本低地并且快速地被制造。

该微电化学传感器可以具有电子单元，该电子单元被构造用于在使用电能的情况下控制能量供应单元和传感器单元并且提供浓度信号，该浓度信号代表浓度差。该电子单元可以具有集成电路。例如该电子单元可以被布置在基体的半导体衬底内。例如该电子单元可以被构造用于调整用于运行传感器单元的电压。

具有程序代码的计算机程序产品也是有利的，该程序代码可以被存储在机器可读的载体、如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且当该程序产品在计算机或装置上被实施时，该程序代码被用于执行根据上述实施方式之一的方法。

附图说明

下面借助附图示例性地进一步阐明本发明。其中：

图1示出根据本发明的一个实施例的微电化学传感器的方块图；

图2示出根据本发明的一个实施例用于运行微电化学传感器的方法的流程图；

图3示出根据本发明的一个实施例具有外围设备的微电化学传感器的框图；

图4示出根据本发明的一个实施例具有相同地被构建的薄膜的微电化学传感器的图示；以及

图5示出根据本发明的一个实施例在共同的基体内的自给自足的微电化学传感器的立体图。

在本发明的优选的实施例的随后的描述中，相同或相似的附图标记被用于在不同的图中被示出的并且相似地起作用的元件，其中放弃对这些元件的重复描述。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的微电化学传感器100的方块图。该传感器100具有特别是构成自给自足的能量供应单元的能量供应单元102和传感器单元104。该能量供应单元102被构造用于在使用参考流体108的情况下产生电能106。该传感器单元104被构造用于确定化学种类在具有未知浓度的该种类的测量流体112和具有已知浓度的该种类的参考流体108之间的浓度差110。该传感器单元104与能量供应单元102电连接。该传感器单元104被构造用于在使用能量供应单元102的电能106的情况下确定浓度差110。

图2示出根据本发明的一个实施例用于运行微电化学传感器的方法200的流程图。例如该微电化学传感器在图1中被示出。该方法200具有产生的步骤202和确定的步骤204。在产生的步骤202中，在使用参考流体的情况下产生电能。在确定的步骤204中，在使用该电能的情况下确定化学种类在具有未知浓度的该种类的测量流体和具有已知浓度的该种类的参考流体之间的浓度差。

图3示出根据本发明的一个实施例具有外围设备的微电化学传感器的框图。该传感器如图1中那样具有能量供应单元102和传感器单元104。该能量供应单元102被实施为微型化的固体氧化物燃料电池（μSOFC）。该传感器单元104被实施为传感器部件。不仅传感器单元104而且能量供应单元102被加载作为参考流体的空气108。该空气108经由供气300被引向传感器单元104以及能量供应单元102。该能量供应单元102在此此外被加载燃料气体302。该燃料气体302被储存在罐304内。该燃料气体302通过第一微射流306从罐304被引导到固体氧化物燃料电池102。在固体氧化物燃料电池102中，氧分子从空气108中被电离并且与燃料气体302中的氢阳离子或氢离子催化结合成水蒸气。在此在固体氧化物燃料电池102中形成电流I_elektrisch和电压形式的电能106。该电能106在电子设备308中被适配于传感器单元104的能量需求。该能量需求主要由传感器单元104的微型化的加热器310确定。该加热器310提供热量312，以便将传感器单元调节到运行温度。该传感器单元104在此被加载作为测量流体的测量气体112。该测量气体112从测量室314通过第二微射流316被引导到传感器部件104。在被加热到运行温度的传感器单元104中，氧分子同样从空气108中被电离。不同于固体氧化物燃料电池102，但是氧分子也从测量气体112中被电离。大量的离子在此与相应的气体108、112中的氧浓度处于平衡。在电离时电子被分离。空气侧上的电子构造第一电压水平。测量气体侧上的电子构造第二电压水平。第一电压水平和第二电压水平之间的电压电势318代表空气108和测量气体112中的氧浓度的比例。该电压电势318作为传感器的信号输出端320处的电信号被提供。

高温燃料电池102（SOFC，solid oxide fuel cell（固体氧化物燃料电池））可以以微型化的形式被实施。在这种情况下，常规的SOFC技术中的陶瓷材料与半导体工艺技术中的微制造步骤组合，以便制备微SOFC 102。这样的微型化的能量转换器102作为用于电子设备的功率供应构成传统的蓄电池（特别是锂离子蓄电池）的一种可能的替代方案。相对于传统的蓄能器的主要优点在于快速的“可再充电性”。电池为了充电必须在较长的时间间隔上被连接到固定电源上，而在燃料电池解决方案中利用燃料再装满单独的罐。作为罐方案，例如可以诸如在车辆中设置液化气筒。

同时，陶瓷废气传感器104也可以被微型化。传感器元件104的缩小由于在成本密集的材料和低的所需的加热功率需求的情况下可实现的材料节约是有吸引力的。典型地，需要大于400℃的运行温度，以便保障传感器功能。需要的加热功率迄今由单独的能量载体（例如汽车中的车载电网）提供。作为实施例，在此描述Lambda探针104。以在此所介绍的方式，其它的陶瓷气体传感器、例如用于氧化氮的NO_x传感器、用于碳氢化合物的HC传感器、用于氨气的NH₃传感器可以自给自足地运行。

图4示出根据本发明的一个实施例具有相同地被构建的薄膜400的微电化学传感器100的图示。该传感器对应于图3中的传感器。附加地，微固体氧化物燃料电池形式的能量供应单元102和传感器单元104被集成到共同的半导体衬底402中。该半导体衬底402在此用作传感器的微结构化的载体。该半导体衬底402在两侧具有钝化部404。在半导体衬底402的第一侧上布置有能量供应单元102的第一薄膜400和传感器单元104的第二薄膜400。所述薄膜400在此被实施为由钇稳定氧化锆（YSZ）组成的氧离子导通的陶瓷。在第一薄膜400上布置有第一电极406。在第二薄膜400上布置有第二电极408。电极406、408被布置在参考通道410中。在此第一电极406和第二电极408被构造为空气电极并且具有铂作为催化剂。所述空气电极406、408可以被加载空气108。在半导体衬底402的处于第一侧对面的第二侧上布置有不透流体的隔离壁412。该隔离壁412将用于燃料气体302的供应通道414与用于测量气体112的测量通道416隔离。在供应通道414的区域内，在半导体衬底402的第二侧上布置有第三电极418。该第三电极418在供应通道414的半导体衬底402上延伸，覆盖半导体衬底402中的第一凹部并且在第一薄膜400上延伸。第三电极418被构造为燃料气体电极并且具有铂。在测量通道416的区域内，在半导体衬底402的第二侧上布置有第四电极420。该第四电极420在测量通道416的半导体衬底402上延伸，覆盖半导体衬底402中的第二凹部并且在第二薄膜400上延伸。第四电极420被构造为测量电极并且同样具有铂。

换句话说，图4示出车载电网自主的Lambda探针100的截面图。特别是该Lambda探针104具有与SOFC 102大的工艺的接近。用于两种应用的基础材料是氧离子导通的陶瓷400，该陶瓷可以被实施为钇稳定氧化锆YSZ。作为电极材料可以考虑例如Pt（铂）。在此所介绍的方式示出元件SOFC 102和MECS 104（MECS＝微电化学传感器）的组合。

该Lambda探针104可以在利用半导体工艺技术的情况下被微型化。因为两个微方案102、104在所使用的材料、结构和工艺方面很相似，所以可以将两个元件集成在芯片402上。因此可以构造传感器子系统100，该传感器子系统不依赖于车载电网或相似的能量源。通过将微型化的SOFC 402和微型化的Lambda探针104集成在芯片402上，可以构造传感器子系统100，该传感器子系统节省空间地连接功率源102和耗电器104并且不依赖于电池或车载电网工作。

图5示出根据本发明的一个实施例在共同的基体500内的微电化学传感器100的立体图。该传感器100对应于图4中的传感器。附加地，半导体衬底402通过另一芯片502被补充为基体。该另一芯片502封闭测量通道416和供应通道414的背向薄膜400的一侧。由此供应通道414和测量通道416在基体500之内伸展并且构造第一微射流系统和第二微射流系统。能量供应单元102的第一薄膜400和第二薄膜400矩形地被成型。第一薄膜400和第二薄膜分别只在载体材料402的部分区域上延伸。钝化部404暴露在薄膜400之外。不同于图4，第一电极406和第二电极408只在相应薄膜400的中心区域上延伸。电极406、408经由薄膜400上的印制导线504被接触。为了与基体500上的印制导线506电接触，印制导线504在末端分别具有接合垫508。印制导线506同样具有接合垫510。配套的接合垫508、510经由接合线导电连接。基体500的印制导线506与电子单元连接，该电子单元被集成到载体材料402中。该电子单元调整燃料电池102的电能，以便控制传感器104。该传感器102具有环绕第二电极408的微加热器512，该微加热器被构造为第二薄膜上的蜿蜒曲折的电阻印制导线。该微加热器512同样经由印制导线504和接合垫508与电子单元连接并且由该电子单元供应电能。

在图4和5中勾画的系统100基于例如由SiC或Si与合适的钝化层404组成的半导体芯片402、500、502，以半导体工艺技术将用于微射流的通道414、416和空腔414、416处理到该半导体芯片内。该芯片500有至少两个具有陶瓷YSZ薄膜400的区域，所述陶瓷 YSZ薄膜在两侧利用合适的电极材料（例如Pt）来涂覆。区域400之一承担微SOFC 102的功能，第二区域承担陶瓷气体传感器104（例如Lambda探针）的功能。基本上，可以在芯片500上扩张到多个SOFC单元102和/或多个传感器部件104。

SOFC电池102的电极418经由合适的微射流系统414与单独的可容易替换的或被适当地确定尺寸的燃料罐（例如液化气筒）连接。气体传感器部件104的电极420经由通道系统416与要测量的气体112接触。不仅SOFC 102而且传感器元件104的各第二电极406、408处于与含氧的气体108、在最简单的情况下空气的接触中。芯片500的封装被实施，使得可以始终充分地向这些电极406、408输送新鲜空气108。

SOFC单元102经由微结构化的印制导线506与用于传感器部件104的微结构化的加热器512连接。附加地，可以在芯片500上安置用于传感器部件104的电阻温度调整的电子设备。

在燃料电池102中，燃料302的化学能被转换为电能。所产生的电流经由印制导线506被输送给加热器512并且在那里导致传感器部件104的加温，以便使该传感器部件准备好运行。

所描述的并且在图中被示出的实施例只是示例性地被选择的。不同的实施例可以完整地或关于单独的特征彼此被组合。一个实施例也可以通过其它实施例的特征来补充。

此外，根据本发明的方法步骤可以重复地以及以与所述顺序不同的顺序被实施。

如果一个实施例在第一特征和第二特征之间包括“和/或”连接，那么这应理解为，该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，而根据另一实施方式或者只具有第一特征或者只具有第二特征。

Claims (12)

1.微电化学传感器（100），具有以下特征：

用于在使用参考流体（108）的情况下产生电能（106）的能量供应单元（102）；以及

用于确定化学种类在具有未知浓度的该种类的测量流体（112）和具有已知浓度的该种类的参考流体（108）之间的浓度差（110）的传感器单元（104），其中所述传感器单元（104）与所述能量供应单元（102）电连接并且被构造用于在使用所述能量供应单元（102）的电能（106）的情况下确定所述浓度差（110）。

2.根据权利要求1所述的微电化学传感器（100），其中所述能量供应单元（102）被构造用于此外在使用作为能量载体的能量流体（302）的情况下提供所述电能（106）。

3.根据权利要求2所述的微电化学传感器（100），其中所述能量供应单元（102）具有薄膜（400），所述薄膜将用于所述参考流体（108）的参考通道（410）与用于能量流体（302）的供应通道（414）流体隔离，其中如果所述参考流体（108）和所述能量流体（302）靠近所述薄膜（400），那么在所述薄膜（400）处能量取所述电能（106）。

4.根据权利要求3或4所述的微电化学传感器（100），其中所述能量流体（302）是质子供体并且所述能量供应单元（102）被构造用于催化地提供所述电能（106）。

5.根据上述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中所述传感器单元（104）具有传感器薄膜（400），所述传感器薄膜将用于所述参考流体（108）的参考通道（410）与用于所述测量流体（112）的测量通道（416）流体隔离，其中所述传感器薄膜（400）具有所述参考通道（410）中的第一电极（408）和所述测量通道（416）中的第二电极（420），其中如果所述浓度差（110）存在于所述参考流体（108）和所述测量流体（112）之间，那么在所述第一电极（408）和所述第二电极（420）之间能量取电压电势。

6.根据上述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中所述传感器单元（104）被构造用于确定作为所述测量流体（112）的燃烧废气（112）和作为所述参考流体（108）的外界空气（108）之间的浓度差（110）。

7.根据上述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），具有基体（500），在所述基体中所述能量供应单元（102）被布置在所述传感器单元（104）旁边，其中所述基体（500）具有印制导线（506），所述印制导线将所述能量供应单元（102）与所述传感器单元（104）电连接。

8.根据上述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中所述能量供应单元（102）的薄膜（400）与传感器部分（104）的传感器薄膜（400）相同或一致地被构建。

9.根据上述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），具有电子单元，所述电子单元被构造用于在使用所述电能（106）的情况下控制所述能量供应单元（102）和所述传感器单元（104）并且提供浓度信号，所述浓度信号代表所述浓度差（110）。

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

在使用参考流体（108）的情况下产生（202）电能（106）；以及

在使用所述电能（106）的情况下确定（204）化学种类在具有未知浓度的该种类的测量流体（112）和具有已知浓度的该种类的参考流体（108）之间的浓度差（110）。

11.根据权利要求10所述的方法（200），具有提供浓度信号的步骤，所述浓度信号代表所述浓度差（110），其中在使用所述电能（106）的情况下确定所述浓度信号。

12.具有程序代码的计算机程序产品，当所述程序产品在装置上被实施时, 所述程序代码用于执行根据权利要求10到11之一所述的方法。