CN104185788B - 用于探测气体混合物的成分的传感器 - Google Patents

Abstract

用于探测气体混合物（3）中的第一成分（4）的传感器（2）具有气体敏感的电极（8）和催化剂（16），所述催化剂（16）与电极（8）相间隔地设置在多孔载体陶瓷（18）上和/或中。催化剂（16）引起，以化学的方式改变在气体混合物中的第二成分（6），使得该第二成分（6）基本上不对电极的电势的改变作出贡献。

Description

用于探测气体混合物的成分的传感器

技术领域

本发明涉及一种用于探测在介质混合物中的至少一种第一介质的传感器，该介质混合物由至少第一和第二介质组成，以及涉及用于制造该传感器的方法以及具有该传感器的芯片。

背景技术

例如为了确定在气体混合物中的气体成分尤其使用场效应晶体管形式的传感器。在此，场效应晶体管的栅极电极例如敏感地对要确定的气体成分进行反应，由此发生栅极电极的电势的改变。由此产生的在场效应晶体管的源极和漏极电极之间的电流的改变被分配给气体成分的浓度。这种传感器被称为ChemFET（化学场效应晶体管）。这种ChemFET尤其被使用在内燃机的废气管线中，以便例如测量在废气中的氮氧化物（下面也被称为NO_x）的分量，如在DE 10 2007 040 726 A1中描述的。

发明内容

在权利要求1中定义的按照本发明的传感器、在权利要求6中定义的按照本发明的方法以及在权利要求10中定义的按照本发明的芯片相对于传统的解决方案提供了优点：其热膨胀系数（下面也被称为WAK）通常不同于电极的热膨胀系数的催化剂与电极相间隔地设置在普遍多孔的载体陶瓷上和/或中，并且因此当它们遭受强烈变化的温度（如典型地在内燃机的废气管线中情况那样）时，在催化剂和电极之间不产生热张力（thermischeVerspannung）。此外，催化剂由于其高的表面粗糙度而比较良好地附着在多孔的载体陶瓷上。此外，由于距离，电极的催化活性不受催化剂影响，由此传感器的测量精度被改善。

在各自的从属权利要求中提及的特征涉及本发明的主题的有利的改进和改善。

附图说明

本发明的实施例在附图中被示出并且在后面的描述中被更详细阐述。

图1以剖视图示出了按照本发明实施例的传感器；

图2以剖视图示出了按照本发明另一实施例的传感器；和

图3以俯视图示出了按照本发明实施例的芯片。

具体实施方式

只要没有相反的说明，在图中相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件。

图1以剖视图示出了按照本发明实施例的传感器2。

按照该实施例，传感器2被设置在内燃机的未被进一步示出的废气管线中的废气流3中或者与其邻近。

废气流3具有由第一介质4和第二介质6组成的介质混合物。按照该实施例，第一介质是NO_x气体，第二介质6是碳氢化合物气体。当然，废气流3也还可以包含其他介质。

借助传感器2应当探测在废气流3中的NO_x气体4。“探测”当前不仅意味着纯粹识别在废气流中NO_x气体4的存在，而且意味着优选按量检测NO_x气体4。为此，按照本实施例，传感器2如下地构造：

传感器2例如以ChemFET的形式来实施并且具有栅极电极8，该栅极电极通过绝缘层10与半导体衬底12接触。

半导体衬底12可以由氮化镓、氮化铝、氮化镓铝或者碳化硅实施。按照该实施例，其被实施为碳化硅。

栅极电极8优选由氧化稳定的贵金属例如铂、钯、金、铱、铼、铑或者其混合物构成和/或由非贵金属（如铪、钽和/或铝）的元素化合物的混合构成。

栅极电极8还可以具有由贵金属或由贵金属-金属氧化物-混合材料组成的多孔涂层14。用于多孔涂层14的材料优选从族元素如铪、钽、铌、钽、钼、铑、铂、钯、银、金或其混合物中选择。此外，可以考虑导电化合物如族元素的氮化物、碳化物或者硅化物，例如硅化钨或硅化钽。作为贵金属-金属氧化物-混合材料合适的尤其是金属陶瓷，其除了所述的族元素或其碳化物或硅化物外还具有陶瓷成分，例如氧化铝、二氧化硅、二氧化锆、稀有的贵金属，如尤其是氧化镁。

优选包含多孔涂层14的电极8被设立用于：当该电极与在废气流3中的NO_x气体4或者碳氢化合物气体6或者两种气体相接触时，改变其电势。除了栅极电极8，传感器2具有未示出的源极和漏极电极，其中栅极电极8的电势的改变导致在源极和漏极电极之间的半导体衬底12中的沟道区域15中的电流的改变。该电流的改变在未被示出的分析单元中被分析，以便确定在电极8处存在何种介质以及该介质以何种量存在。

但是因为按照该实施例应该仅仅探测NO_x气体，因此催化剂16设置在电极8和废气流3之间。催化剂16用于排除在废气流3中的各个气体成分，对于所述各个气体成分，电极8具体不希望的横向敏感性。在此，由催化剂16将所述不希望的气体成分转换为不妨碍测量要确定的气体成分的气体成分。按照本实施例，催化剂16因此被构造为氧化催化剂，其将碳氢化合物气体6氧化成二氧化碳和水。催化氧化过程优选主要在废气流3的温度在100和650°之间、优选在250和550°之间的范围中时进行。反应产物二氧化碳和水基本上不影响电极8的电势。而NO_x气体4可以无阻碍地穿过氧化催化剂16到达电极8，在那里NO_x气体4对电极8的电势的改变作出贡献（beitragen）。

按照该实施例，催化剂16被构造为大量颗粒，它们分别具有例如由氧化铝或锆石氧化物（Zirkonoxid）构成的陶瓷核心，其带有尤其由贵金属（如铂、铑、钯、铱或其混合物）组成的催化被覆物。代替地，催化剂16本身可以被构造为尤其由上述贵金属之一组成的多孔层。

按照该实施例，催化剂16部分地设置在构造为层的、普遍多孔的载体陶瓷18上、也即设置在废气流侧，并且部分地设置在构造为层的、普遍多孔的载体陶瓷18内，该载体陶瓷本身设置在电极8和废气流13之间。载体陶瓷18优选地由硅或碳化硅组成。载体陶瓷18在废气流侧的区域20中具有第一直径优选在2和20μm之间的孔，催化剂16以颗粒形式被容纳在所述孔中。载体陶瓷18还具有电极侧的区域22，该区域构造有具有大约0.2－2μm或更小的第二直径的孔。催化剂16不能到达这些孔中或者穿过这些具有第二直径的孔，从而催化剂颗粒16不能非故意地（ungewollt）与电极8接触或者不能非故意地穿过载体陶瓷18。

代替地，催化剂16也可以被构造为多孔层，该多孔层被设置在载体陶瓷18上。

按照该实施例，载体陶瓷18通过间隙24与电极8相间隔地设置。由此避免，载体陶瓷18和电极8直接相接触，使得避免例如由于不同的WAK引起的它们相对彼此的张力。

此外，传感器2具有钝化部26，其与催化剂16、载体陶瓷18和半导体衬底12一起包围电极8。钝化部26气密地构造并且优选由二氧化硅和/或氮化硅来实施。

有利地，半导体衬底12和载体陶瓷18由相同的材料或具有基本上相同的WAK的不同材料构造。优选地，例如半导体衬底12和载体陶瓷18两者都由碳化硅构造。由此，可以避免在载体陶瓷18和半导体衬底12之间产生张力；也即避免通过部件钝化部26引起的大的力流（Kraftfluss）。部件钝化部26和绝缘层10被这样薄地实施（图1不按实际地示出大小关系），使得它们对于传感器2的组件相对彼此的张力是不重要的。

下面按照根据图1的实施例更详细地阐述用于制造传感器2的方法。

首先，提供半导体衬底12并且在该半导体衬底上施加绝缘层10。接着，在绝缘层10上施加电极8。在施加绝缘层10或电极8之前或之后，将钝化部26施加到半导体衬底12上。

在另一步骤中，将保护层（例如光致保护漆（Fotoschutzlack））施加到电极8上。此后，在保护层上产生、尤其是沉积载体陶瓷18。例如如此沉积载体陶瓷18，使得其具有上面已经描述的普遍的孔。另一方面，也可能的是，载体陶瓷18首先在保护层上产生并且此后在载体陶瓷18中产生孔。

在另一步骤中，将催化剂16施加到载体陶瓷18上，并且至少部分地引入到所述载体陶瓷18中。

按照未示出的实施例，催化剂16可以作为单独的层在废气流侧被施加在载体陶瓷18上。但是，按照本实施例，催化剂16以上面已经描述的颗粒形式被施加在载体陶瓷18上并且被引入载体陶瓷18的废气流侧的区域20中。这可以借助将载体陶瓷18浸入催化剂16的悬浮体或将这种悬浮体喷溅到载体陶瓷18上或也借助将催化剂膏以丝网印刷方法印到载体陶瓷18上来实现。所有这些方法共同的是：将催化剂颗粒16的一定分量填充到载体陶瓷18的废气流侧的区域20的孔中。通过在区域22中的孔具有小于催化剂颗粒16的直径，避免，催化剂颗粒16能到达保护层或稍后到达电极8。

在另一步骤中，对至少由催化剂16和载体陶瓷18组成的装置热处理或烧结，以便提高在催化剂16和载体陶瓷18之间的附着。这种热处理例如可以在大约200和600^o之间的温度时进行。

也可以设想，首先产生载体陶瓷18并且用催化剂16来涂层以及必要时将如此实现的装置热处理或烧结。在另一步骤中，可将该装置施加到至少由半导体衬底12、绝缘层10和所述绝缘层上的电极8组成的另一装置上。

在施加催化剂16之后或优选在对载体陶瓷18进行热处理、烧结或多孔化之后，去除保护层，从而形成在载体陶瓷18和电极8之间的空着的间隙24。

为了去除保护层，多种可能性是公开的。这些可能性的共同之处应该在于：保护层通过在载体陶瓷18中的孔从间隙24去除。

在保护层被构造为保护漆的情况下，可以将所述保护层通过有机溶剂来去除，其中保护漆可良好地溶解在所述有机溶剂中。为此，将有机溶剂穿过在载体陶瓷18中的孔输送到保护层，由此该保护层被溶解并且通过孔被冲洗掉。按照另一变型方案，该保护层的去除可通过热加热来去除，其中该保护层首先被热分解并且此后通过在载体陶瓷18中的孔被蒸发。对于该方法，有益的是：该保护层由可热分解的光聚物构造。按照有利的实施例，利用相同的热处理从间隙24中去除保护层并且同时提高在催化剂16和载体陶瓷18之间的附着。催化剂16连同载体陶瓷18的前面描述的分离的热处理由此取消，因此用于制造传感器2的制造方法总体上被简化。

按照根据图2的实施例的传感器2与按照图1的传感器的区别仅仅在于，在按照图2的实施例中载体陶瓷18直接施加在必要时包括涂层14的电极8上。相应地，在按照根据图2的实施例的用于制造传感器2的方法中取消上面与图1相关联地描述的方法步骤，据此保护层被施加到电极8上并且该保护层稍后又被去除。此外，所描述的用于制造按照图1的传感器的方法和制造按照图2的传感器2的方法是相同的。

图3以俯视图示出了芯片28，该芯片具有按照根据图1或2的实施例的传感器2。芯片28此外具有另外的传感器30。该另外的传感器30是传统的ChemFET并且具有未示出的电极，该电极被设立用于：当该电极与第一介质4（例如氮氧化物气体）和/或第二介质6（例如碳氢化合物气体）接触时，改变其电势。按照根据图3的实施例的另外的传感器30不具有催化剂等等，所述催化剂适于这样改变第二介质6，使得该第二介质基本上不对该另外的传感器30的电极的电势的改变作出贡献。该另外的传感器30尤其不具有催化剂，所催化剂适于将碳氢化合物气体转化为二氧化碳和水。因此，该另外的传感器30被设立用于探测第一和第二介质4；6。

相应地，传感器2将针对第一介质4产生测量值，而该另外的传感器30将针对第一和第二介质4和6产生测量值。

芯片28现在可以具有分析单元32，该分析单元32以信号技术与传感器2和3耦合，在图3中通过带有箭头的线来表明，其中该分析单元32被设立用于从传感器2和另外的传感器30的上述的测量值中也确定废气流3中的第二介质（也即例如碳氢化合物气体）的分量。

虽然本发明借助实施例被具体描述了，但是本发明不局限于此，而是可以以多种方式和方法进行修改。

Claims (12)

1.用于探测由至少第一和第二介质（4；6）组成的介质混合物（3）中的至少一种第一介质（4）的传感器（2），其中所述传感器（2）以ChemFET的形式来实施，具有：

栅极电极（8），该栅极电极经由绝缘层（10）与半导体衬底（12）接触，并且所述栅极电极被设立用于，当所述栅极电极与第一或第二介质（4；6）或者两种介质（4，6）接触时，改变其电势；以及

催化剂（16），该催化剂被设立用于，以化学的方式改变在介质混合物（3）中的第二介质（6），使得当介质混合物（3）与栅极电极（8）接触时，第二介质（6）不对栅极电极（8）的电势的改变作出贡献，

其中催化剂（16）与栅极电极（8）相间隔地设置在普遍多孔的载体陶瓷（18）上和/或中。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，载体陶瓷（18）由硅或碳化硅组成。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，在载体陶瓷（18）的电极侧的区域（22）中的孔具有在0.2和2微米之间的直径。

4.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，载体陶瓷（18）借助间隙（24）与电极（8）相间隔。

5.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，载体陶瓷（18）直接施加在栅极电极（8）上。

6.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，栅极电极（8）借助绝缘层（10）施加在由具有与载体陶瓷的材料相同的热膨胀系数的材料组成的衬底（12）上。

7.用于制造根据权利要求1至6之一所述的传感器（2）的方法，该传感器用于探测由至少第一和第二介质（4；6）组成的介质混合物（3）中的至少一种第一介质（4），其中所述传感器（2）以ChemFET的形式来实施，具有下面的步骤：

提供栅极电极（8），该栅极电极经由绝缘层（10）与半导体衬底（12）接触，并且所述栅极电极被设立用于，当所述栅极电极与第一或第二介质（4；6）或者两种介质（4，6）接触时，改变其电势；以及

将催化剂（16）与栅极电极（8）相间隔地设置在普遍多孔的载体陶瓷（18）上和/或中，其中催化剂（16）被设立用于，以化学的方式改变在介质混合物（3）中的第二介质（6），使得当介质混合物（3）与栅极电极（8）接触时，第二介质（6）不对栅极电极（8）的电势的改变作出贡献。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，首先用保护层覆盖栅极电极（8），接着在保护层上产生载体陶瓷（18），并且接着又去除保护层，从而在栅极电极（8）和载体陶瓷（18）之间形成间隙（24）。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述载体陶瓷（18）由硅或碳化硅组成。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中借助溶剂去除保护层，其中使所述溶剂穿过多孔的载体陶瓷（18）中的孔与保护层接触。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其中通过如下方法去除保护层，即所述保护层被热分解并且通过多孔的载体陶瓷（18）中的孔蒸发。

12.具有根据权利要求1至6之一的传感器（2）的芯片（28）。