CN104062342A - 检测气体的传感器装置、检测气体的传感器装置运行方法和检测气体的传感器装置制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对于一种气体进行检测的传感器装置（100），它具有检测区域（102）和通过连接接片（106）与该检测区域（102）电地并且机械地连接的读出区域（104），其中，读出区域（104）、检测区域（102）和连接接片（106）由基片构成，并且检测区域（102）和连接接片（106）通过凹坑（108）从基片中镂空地产生，其中，检测区域（102）具有用于提供与气体有关的测量信号的离子传导区域，并且将读出区域（104）设计为用于读出所述测量信号。

Description

检测气体的传感器装置、检测气体的传感器装置运行方法和检测气体的传感器装置制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测（Sensieren）气体的传感器装置，用于使这种类型的传感器装置运行的方法和用于制造这种类型的传感器装置的制造方法。

背景技术

几年以来一直都在进行用于使高温燃料电池（SOFC，solid oxide fuel cell（固体氧化物燃料电池））微型化的研究活动。其目的是，将传统的SOFC工艺的传导离子的陶瓷材料和半导体加工技术的微制造步骤结合起来，并且可以作为一种微-SOFC技术。在进行这些研究活动的同时，陶瓷的废气传感器的微型化也在增加。用于这两种用途的基本材料是一种能传导氧离子的陶瓷（通常是稳定钇的氧化锆，YSZ），作为电极材料，例如Pt是合适的。

DE 102 47 857 A1公开了一种采用陶瓷多层技术的气体传感器。这种气体传感器包括用于气体探测的热板，所述热板固定在一个或者多个与该热板整体地连接的窄臂上，其中，所述热板和臂至少部分地采用陶瓷的多层工艺来制成。

本发明的公开内容

面对这种背景，本发明介绍一种按照独立权利要求所述的、用于检测气体的传感器装置、用于检测气体的传感器装置的运行方法、以及用于检测气体的传感器装置用的制造方法。从相应的从属权利要求和下述的说明中产生一些有利的方案。

采用将气体传感器的小尺寸化的检测区域设置在一种形成了该气体传感器的半导体基片的、被气体传感器的读出区域所包围的凹坑中的做法可以实现用于低温使用的、以离子传导体为基础的检测。

根据在此介绍的方案，可以采用微系统技术的方法将以离子传导体为基础的传感器的敏感区域或者说检测区域如此地微型化，即达到所述敏感区域的尽可能小的热容，并且同时达到与周围的芯片环境尽可能高的热分离。

根据在此介绍的方案，敏感区域—所述敏感区域可包括例如具有一个或者多个电极的离子传导薄层并且在必要时为了足够的传感器功能可被加热—只是传感器芯片或者传感器装置的部分区域。因此，本发明的一个很主要的优点在于：能够以所述敏感区域的所达到的小的热容使传感器以很短时的温度峰值或者温度极值来运行，这样，传感器的总的平均温度保持得比所述敏感区域的短时的峰值温度低得多。也就是说，当温度很高时，可短时地接收测量数值，而无需多的功率，或者对于所述敏感区域的环境进行宏观的加热。

总之，在此所建议的方案可以使得以离子传导为基础的传感器在这样一些传感器应用中使用，即在这些使用中所述传感器芯片只需要少许能量，或者只允许产生少许的运行热量，这例如对于火警器或者移动电话的使用来说是必不可少的。此外，通过在此所建议的微型化构思方案可以实现成本很有利的传感器，并且通过所述选择的离子传导能力可以达到传感器的高的选择性。

例如在此所建议的方案适合用于设计与车辆的λ探测器有关的气体传感器。在这方面下述事实是重要的，即为了使无论是电极还是离子传导体具有足够的功能通常要求有明显高于室温的温度。通常例如在λ传感器中加热到600直到700℃。虽然描述了在使用半导体加工技术的情况下也能够将微型化技术方案用于λ探头，并且通过改进所述材料质量能够降低几百度，然而，在室温时要达到材料的足够功能，则看起来就如往常那样仍然是很不可能的。使用在此建议的构思方案能够解决这一难题，因为热功率需求很小，并且在此所建议的测量原则也适用于这样一些应用情况：即在这样一些应用中整个宏观的传感器单元不必具有比室温高得多的温度。

用于检测气体的传感器装置包括检测区域和通过连接接片与该检测区域进行电和机械连接的读出区域，其中，读出区域、检测区域和连接接片由基片形成，并且检测区域和连接接片通过基片中的凹坑镂空地形成（freistellen），其中，检测区域具有用于提供与气体有关的测量信号的离子传导区域，并且将读出区域设计为用于读出所述测量信号。

传感器装置例如能够用作车辆中的λ探测器，或者与λ探测器相关联，以便求出车辆的排气混合物的组成成分。为了检测所述气体，所述传感器装置能够设置在气流中，或者设置在气流的附近。构成所述传感器装置的基片例如可以是半导体基片或者玻璃基片。例如所述基片能够由硅构成，或者包括硅。该基片可以具有方块的或者小片的外周。能够将传感器装置的检测区域设计成用于探测所述气体的一种或者多种成分。能够将检测区域设计成例如根据是否存在气体或者根据气体的浓度来提供所述测量信号。测量信号可以是电流或者电压。离子传导区域能够形成离子传导体。离子传导区域例如能够设计为固体-电解质。特别地，所述离子传导区域可以具有电极，所述电极能够用于形成电场并且用于加热所述检测区域。离子传导区域—它也能够叫做敏感区域—的特点在于，它采用微系统技术制成，并且只占所述传感器装置的总容积的一小部分。检测区域能够设置在传感器装置的中心部段中。能够将物理分离方法—如例溅射或者激光烧蚀或者化学分离方法、特别是化学蒸气沉淀和原子层沉淀用于离子传导区域的制造方法。所述读出区域能够环绕检测区域进行设置，或者邻近连接接片进行设置。设置读出区域是为了通过连接接片来接收所述测量信号。设置所述读出区域可以将测量信号进一步地传输到分析电路。代替地，设置读出区域是为了根据所述测量信号来求得关于所述气体的质量和/或组成成分的信息。例如，读出区域可以具有分析电路，该分析电路用于分析所述测量信号并且用于根据测量信号来提供测量数据。读出区域例如可以具有用于分析所述测量信号的晶体管电路，或者通过相应的集成电路形成。采用半导体技术的方法能够将这样集成的电路加工到基片上。凹坑例如能够设置在基片中的中间，并且能够设计成凹穴或者穿过基片的通孔。通过所述凹坑所形成的自由空间，可以具有比检测区域更大的尺寸。检测区域能够如此地设置在凹坑中：即它与所述半导体基片的那些限定着所述凹坑的壁例如距离相同，并且因此在检测区域和读出区域之间存在着空气间隙。能够如此设计所述连接接片：用于桥接所述空气间隙，并且因此满足用于检测区域的支承结构的功能，并且同时满足使得所述检测区域与读出区域进行耦合的功能。

按照所述传感器装置的一种实施形式，检测区域的导热能力可以大于连接接片的和/或读出区域的导热能力。这样，只有所述传感器装置的确定用于接收测量参数的区域才经受为了接收测量参数所要求的被提高了的温度，而传感器装置的其余的区域仍然能够保留在较低的温度水平上。例如，通过选择合适的材料能够实现不同的导热能力。以这种方式能够有利地延长所述传感器装置的使用寿命，并且使它能用在这样的设备中：即温度的提高对于功能会有损害性的影响。

例如，所述读出区域可以包括集成到基片中的电路。这就能够在最小的结构空间中实现对于由所述检测区域所提供的测量信号进行分析。

代替地或者附加地，所述读出区域可以包括至少一个用于将测量信号进一步传输到分析电路的接头，其中，将分析电路设计成用于对于由检测区域所提供的测量信号进行分析。分析电路能够构造为设置在分开的基片上的电路。分析电路可以是集成的电路、所谓的芯片。分析电路例如能够设置到读出区域上，并且通过导线—例如连接线（Bonddraht）或者焊接机构与读出区域的接头相连接。所述读出区域和分析电路能够由一个共同的壳体包围。

能够将传感器装置设计成微系统技术-元件。这样就能够使用微系统技术的一些程序，以便制造出所述传感器装置的一些结构。在这种情况中，也可以使用半导体工艺的一些工序。例如要在使用微系统技术的程序的情况下制造所述离子传导区域。所述传感器装置的功能结构的结构分辨率能够处在微米范围中，或者更小。

按照一种实施形式，所述连接接片可以具有至少一条用于使得所述检测区域与读出区域进行电耦合的电导线。例如能够将所述至少一条电导线嵌入到所述连接接片中，和/或使其完全地被这个连接接片包围。这样就能够毫无困难地在检测区域和读出区域之间产生一种节省空间的且无短路的电连接。

例如所述传感器装置可以具有用于提供与气体有关的另一测量信号的另一离子传导区域，并且能够将读出区域设计成用于读出所述另一测量信号。在这种情况中，这些离子传导区域可以具有不同的离子传导材料。例如能够在使用不同的电极材料的情况下制造所述离子传导区域。这样就能够以简单和成本有利的方式保证使这种传感器装置能够用于研究不同的气体。

此外，传感器装置可以具有另一连接接片。相应地这个连接接片能够将检测区域的面朝读出区域的侧面与读出区域的形成了所述凹坑的侧面连接起来，并且所述另一连接接片将检测区域的、面朝读出区域的、且与检测区域的侧面相对置的另一侧面与所述读出区域的、形成了所述凹坑的、且与读出区域的侧面相对置的另一侧面连接起来。这种实施形式具有这样的优点，即能够将检测区域特别牢固地固定在传感器装置中，并且此外可靠地保证用于使得所述检测区域和读出区域实现耦合的电导线的电分离（galvanische Trennung）。

用于使得按照前面所述的实施形式中的一种实施形式的传感器装置得以运行的方法具有下述步骤：

- 加热所述检测区域；并且

- 从传感器装置的读出区域中读出表示所述测量信号的测量数值。

例如能够通过设置在检测区域中的电极来完成所述加热步骤。读出步骤例如能够如此地进行，即当由于加热而使得所述检测区域达到一种温度，所述温度在检测区域中产生一种离子流，根据所述离子流就能够探测出气体流中的一种待检测的测量参数或者多个待检测的测量参数。例如能够借助于与传感器装置相耦合的控制器来控制或者调节用于使得传感器装置运行的方法。

按照所述方法的一种实施形式，能够短时间地在传感器装置的运行时间内执行所述加热步骤。该加热步骤可以具有传感器装置的运行时间的一小部分持续时间。在这种情况中，这个持续时间可以小于或者等于10秒。这样，为了接收测量数值，只能短时地加热所述检测区域，为的是紧接着立即让它重新冷却。按照这种方式，能够有利地延长或者改进所述传感器装置的使用寿命和能量效率。

此外，在加热步骤中在时间上能够依次地将所述检测区域加热到第一温度水平和第二温度水平。相应地，能够在读出步骤中，在第一温度水平的持续期间读出所述测量数值，并且在第二温度水平的持续期间读出另一测量数值。使用这种实施形式，通过传感器装置例如能够毫无困难地确定气体混合物中的不同物质。

用于检测气体的传感器装置用的制造方法具有下述步骤：

提供基片，所述基片具有用来支承用于提供与气体有关的测量信号的离子传导区域的检测区域，具有用于读出测量信号的读出区域，以及具有用于使得检测区域与读出区域实现电和机械连接的连接接片。

从所述基片中产生出凹坑，以便从基片中镂空地形成所述检测区域和连接接片。

例如能够机械地借助于蚀刻工艺来完成所述凹坑的制造步骤。

所述制造方法能够包括在时间上在制造所述凹坑的步骤之后将离子传导区域涂覆到检测区域上的步骤。代替地，在镂空地形成所述检测区域之前，该检测区域能够已经包括所述离子传导区域。

此外，本发明还提供这样一种控制器，即这种控制器设计成：结合所述控制器的装置地执行或者实施用于使得传感器装置运行的方法的步骤。也能够通过本发明的这种控制器形式的改型方案来快速并且有效地完成以本发明为基础的所述任务。

附图说明

下面借助于附图示范性地对本发明进行更加详细的说明。这些附图是：

图1A：按照本发明的一种实施例的用于检测气体的传感器装置的俯视图，

图1B：图1A的用于检测气体的所述传感器装置的横截面图，

图2：按照本发明的一种实施例的用于检测气体的传感器装置的运行用的方法的流程图，

图3：用于制造按照本发明的实施例所述的传感器装置的方法的流程图。

在本发明的一些优选的实施例的下述说明中，对于那些在不同的附图中示出的、并且起类似作用的元件使用相同的或者类似的附图标记，其中对这些元件就不再重复说明了。

具体实施方式

图1A示出了按照本发明的实施例所述的、用于检测气体的传感器装置100的俯视简图。该传感器装置100为方形的，它由检测区域102、读出区域104和两个连接接片106构成。所述传感器装置100总体上由一种基片、例如由半导体基片构成，并且采用蚀刻工艺得到在图中所示出的模型形状。检测区域或者敏感区域102以及连接接片106是通过采用蚀刻工艺从基片中产生的凹坑108所形成的。在对置的侧面处，连接接片106将检测区域102与读出区域104连接起来，并且因此形成了在空出的区域108中设置的敏感区域102的机械的悬挂装置（Aufhänung）。附加地，这些连接接片106通过在其中或者在其上设置的电导线或者引线112在检测区域102和读出区域104之间产生电连接。读出区域104具有集成电路，并且因此也叫做传感器芯片。

为了检测气体，可以将检测装置100设置在气流中。将检测区域或者敏感区域102设计为离子传导体，并且具有一个或者多个电极和加热部件110，并且为了从气流中检测一种测量数值，因此可以加热到所要求的运行温度。从气流中检测到的测量数值经过导线112作为测量信号传输到读出区域104，并且在那里被处理。图1A中的简图示出，按照微系统技术产生的检测区域102要比检测装置100的读出区域104小得多，通过这一措施可达到所述传感器装置100的有利的小的热容。此外，凹坑108支持例如测量数值接收之后对于敏感区域的快速冷却。

按照一种实施例，为了检测气体，检测区域102的第一部段可与待检测的气体接触，并且检测区域的通过离子传导体与第一部段在空间上分开地设置的第二部段可与基准气体接触。测量信号通过离子产生，该离子通过离子传导体在第一部段和第二部段之间游移。可将离子传导体设计为一种薄膜，这种薄膜可设置在两个彼此对置的、且用于分接所述测量信号的电极之间。

正如在图1中的示图所示出的那样，具有离子传导体的敏感区域102借助于在此通过蚀刻工艺所产生的凹坑108与形成了基片主要区域的读出区域104脱耦。通过连接接片或者说悬挂装置106—所述连接接片优选地由具有低的热传导能力的材料所制成—检测区域102机械地并且导电地、例如借助于金属的印制导线112或者被植入的、掺杂的区域与基片的剩余部分相连接。例如可以通过加热元件110的电阻或者离子传导体的阻抗或者附加集成的温度测量元件来检测所述敏感区域102的温度。在此，硅基芯片组成所述读出区域104。

图1B借助于简示的横截面示图示出了按照本发明的实施例的用于检测气体的传感器装置100。这种示图形式清楚地示出了，读出区域104的结构高度大于检测区域102的结构高度，并且检测区域102的结构高度大于连接接片106的结构高度。由于有了所述传感器检测装置100的这种设计形式，就可以最佳地产生所述检测区域102的有利的小的热容，这是因为，借助于制造方法中的蚀刻工艺所形成的凹坑108为检测区域102的空缺位置（Freistellung）提供了足够的容积，并且通过检测区域102的微型化可以特别迅速地并且也可短时地加热这个检测区域。在此处所示出的传感器装置100的实施例中，如此地通过蚀刻工艺形成和设置所述连接接片106，即每个连接接片106将检测区域102的相应地朝向所述读出区域104的侧面114与所述读出区域104的一种形成了所述凹坑108的侧面116连接起来。

在图1A和图1B中示出的、用于检测气体的传感器装置100的一种有利的扩展方案中，在具有不同的电极材料的芯片或者半导体基片上，可以采用例如多个敏感区域102，为的是同时测量多种气体。也可以设想，在多个温度水平上循环地采集测量数值，以便为更多的传感器信息充分利用所述敏感特性的温度关系，例如在选择性、对于多种气体的检测，不同的校准等方面。

那些借助于图1A和图1B所说明的以离子传导体为基础的传感器装置100的任一实施例必定是如此设计的，也就是即使在这样一些情况中也可以使用：这种使用不允许有高的传感器温度和/或高的功率消耗。

在图1A和1B中的对于所述传感器装置100的原理结构的示图是简图，并且比例并不相符。

图2示出了用于检测气体的传感器装置的运行用的方法的流程图。在步骤202中对于所述传感器装置的检测区域或者说敏感区域进行加热。在步骤204中，从一种流过所述传感器装置的气体中采集测量数值或者测量数据。在步骤206中，在传感器装置的读出区域中对于在步骤204中所采集的测量数值进行分析。

在步骤206中待要应执行的对于离子传导体的读出和计算特别是可以通过出现的能斯托电位（Nerstpotenzial）或者通过在已知的电压时流过的离子流来进行。

方法200的步骤202和204可以在借助于图1A和图1B所说明的传感器装置的一些装置中执行。

在方法200的一种优选的实施变型方案中，在用于所述传感器装置动态运行的加热步骤202中施加用来对于检测区域进行加热的电压，其运行时间不到用于达到最小测量温度所需功率的运行时间的100%。在另一有利的实施变型方案中，在加热步骤202中，只为总的运行时间的1%施加所述加热功率，并且在达到所述敏感区域的所要求的最小测量温度之后，对于传感器信号进行分析。紧接着立即重新冷却所述敏感区域，并且传感器在余下的99%的运行时间是断开的。因此，总起来讲，也只输出了1%的热功率，这个热功率通常在恒定运行时是必需的。

图3示出了用于制造例如在图1中所示出的、用来检测气体的传感器装置的方法300的流程图的一种实施例。

在步骤302中提供基片，将设计为离子传导体的检测区域、读出区域以及用于将所述检测区域与读出区域进行电及机械连接起来的连接接片加工到所述基片中。在步骤304中，从半导体基片中镂空地形成（freistellen）所述检测区域和连接接片。

按照一种替代的实施例，在步骤302中提供这样的基片，即特别是离子传导区域还没有被加工到所述基片中。按照这个实施例，所述离子传导区域、并且必要时所述传感器装置的其它功率区域—例如所述连接接片的传导连接装置是在另一步骤中加工成的，所述另一步骤是在所述镂空步骤304之后完成的。

当在读出区域中没有集成用于对于测量信号进行分析的分析电路时，则可以在另一步骤中—所述另一步骤例如在时间上也可在步骤304之后实施—将所述读出区域与合适的分析电路连接起来。例如可以将包含有所述分析电路的元件、例如一种芯片设置到所述基片上。

可以设想：将借助于前述附图所说明的以及所描述的、用于低温应用的、以离子传导体为基础的传感器应用在机动车辆和非非机动车辆中，例如用作移动的和固定的λ探头，或者用作O₂-、NOx-、HC-或者NH₃-传感器。例如也可以用在马达锯、烤炉、冰箱、移动电话、微波、体育用表、面包烤箱、火警器、以及应用在医疗技术或者应用在酒精测试机（Alkomat）中。

这些所描述的和在图中示出的实施例只是示范性地选择的。不同的实施例可以完全地或者涉及单个特征地彼此组合起来。某个实施例也可通过其它的实施例的特征来进行补充。此外，根据本发明的这些方法步骤可以重复，并且能够以与所述顺序不同的顺序加以实施。

Claims (14)

1.用于检测一种气体的传感器装置（100），具有检测区域（102）并且具有通过连接接片（106）与所述检测区域（102）电地且机械地连接的读出区域（104），其中，所述读出区域（104）、检测区域（102）和连接接片（106）由基片构成，并且检测区域（102）和连接接片（106）通过凹坑（108）从基片中镂空地形成，其中，所述检测区域（102）具有用于提供与所述气体有关的测量信号的离子传导区域；并且形成用于读出所述测量信号的读出区域（104）。

2.按照权利要求1所述的传感器装置（100），在所述的传感器装置中，检测区域（102）的导热能力大于连接接片（106）的和/或读出区域（104）的导热能力。

3.按照前述权利要求中的任一项所述的传感器装置（100），在所述传感器装置中，读出区域（104）包括一种集成到基片中的电路，所述电路用来对于由检测区域所提供的测量信号进行分析。

4.按照前述权利要求中的任一项所述的传感器装置（100），在所述传感器装置中，读出区域（104）包括至少一个用来将测量信号继续输送到分析电路的接头，其中，分析电路用来对于由检测区域所提供的测量信号进行分析。

5.按照前述权利要求中的任一项所述的传感器装置（100），所述传感器装置构成为微系统技术元件。

6.按照前述权利要求中的任一项所述的传感器装置（100），在所述传感器装置中，连接接片（106）具有至少一个用于使所述检测区域（102）与读出区域（104）进行电耦合的电导线（112）。

7.按照前述权利要求中的任一项所述的传感器装置（100），在所述传感器装置中，检测区域（102）具有用于提供与气体有关的另一测量信号的另一离子传导区域；并且形成用于读出所述另一测量信号的读出区域（104），其中，该离子传导区域具有不同的离子传导材料。

8.按照前述权利要求中的任一项所述的传感器装置（100），所述传感器装置具有另一连接接片（106），其中，所述连接接片（106）将检测区域（102）的面朝读出区域（104）的侧面（114）与读出区域（104）的形成了所述凹坑（108）的侧面（116）连接起来，并且所述另一连接接片（106）将检测区域（102）的、面朝读出区域（104）的、且与检测区域（102）的侧面（114）相对置的另一侧面（114）与所述读出区域（104）的、形成了所述凹坑（108）的、且与读出区域（104）的侧面（116）相对置的另一侧面（116）连接起来。

9.用于运行按照前述权利要求中的任一项所述的传感器装置（100）的方法（200），其中，所述方法（200）具有下述步骤：

- 对于检测区域（102）进行加热（202），并且

- 从传感器装置（100）的读出区域中读出（206）表示所述测量信号的测量数值。

10.按照权利要求9所述的方法（200），在所述方法中，加热步骤（202）短时地、特别是小于或者等于10秒钟长地在传感器装置（100）的运行时间内执行。

11.按照权利要求9或10所述的方法（200），在所述方法中，在加热步骤（202）中，检测区域（102）在时间上依次加热到第一温度水平和第二温度水平，其中，在读出步骤（204）中读出在第一温度水平的持续期间的测量数值，并且读出在第二温度水平的持续期间的另一测量数值。

12.对于气体进行检测的传感器装置（100）用的制造方法，其中，该制造方法具有下述步骤：

提供（302）基片，所述基片具有用于支承用来提供与气体有关的测量信号的离子传导区域的检测区域（102），具有用于读出所述测量信号的读出区域（104），并且具有用于使所述检测区域（102）与读出区域（104）进行电及机械连接的连接接片（106），并且

从所述基片中制造（304）凹坑（108），以便从该基片中镂空地形成所述检测区域（102）和连接接片（106）。

13.按照权利要求12所述的制造方法，在这种制造方法中在执行蚀刻工艺的情况下制造所述凹坑（108）。

14.按照权利要求12或者13所述的制造方法，具有在时间上在凹坑（108）的制造步骤之后将所述离子传导区域涂覆到检测区域（102）上的步骤。