CN104535623B - 气体传感器 - Google Patents

Abstract

描述用于检测气体或气体成分的浓度的设备或方法以及这种设备或这种方法的应用。构型为气体传感器的设备具有至少一个具有气体敏感层的传感器元件以及一个用于加热气体敏感层的加热元件。加热元件在检测之前将敏感层加热到期望的温度上和/或在检测期间保持在期望的温度上。能够实现在需要时向气体敏感层排气，以便重新实现吸附。为了加热加热元件设有第一接通部，在第一接通部上施加第一电压。在加热之后借助第二接通部将第一电压施加在传感器元件或气体敏感层上以进行测量值检测。两个接通部通过它们电地相互连接的方式至少部分地具有共同的控制，第一接通部具有二极管，其在施加第二电压、尤其第二电压的极性时基本截止流过加热元件的电流流动。

Description

气体传感器

技术领域

本发明涉及用于检测气体的或者气体成分的浓度的设备和方法以及这种设备或者这种方法的应用。

背景技术

已知由半导体的金属氧化物或者由作为敏感材料的有机层或聚合物层构成的气体传感器用于证实气体或者气体的某些成分。在此，由于气体的或者待测气体成分的存在通过测量导电性的、电容的和/或排出功的感应变化实现相应的传感器元件中的信号分析处理。为了改进传感器功能和/或再生(Regeneration)，气体传感器通常借助附加的加热元件在更高的温度下(通常在150和500℃之间的温度区间中)运行。所述加热元件不仅可以施加在衬底上而且可以直接集成到衬底中。在此，为了控制敏感的气体传感器元件而且控制加热元件，分别设置两个连接端，从而能够相互独立地控制两个元件。

由文档DE 36 07 065 A1已知一种气体传感器，在所述气体传感器中设有由金属氧化物半导体材料构成的感应元件并且设有加热元件。在此，为了检测周围环境的当前状态，在以下时间区段期间确定感应元件的电阻值：在所述时间区段期间不通过加热元件来加热感应元件。

发明内容

以下描述用于检测气体的或者气体成分的浓度的设备或者方法以及这种设备或者这种方法的使用。在此提出，构型为气体传感器的设备具有至少一个传感器元件以及一个加热元件，所述至少一个传感器元件具有气体敏感层，所述加热元件用于加热气体敏感层。在此，所述加热元件如此设置，使得其能够在检测之前将敏感层加热到所期望的温度上和/或能够在检测期间保持在所期望的温度上。此外，加热元件也能够实现在需要时向气体敏感层排气，例如以便能够重新实现吸附(Absorption)。为了加热加热元件，设置第一接通部(Kontaktierung)，在所述第一接通部上可以施加第一电压。此外，在加热之后可以借助第二接通部将第二电压施加到传感器元件上或者气体敏感层上以进行测量值检测。现在，本发明的核心在于，两个接通部至少部分地具有一个共同的控制(Ansteuerung)，其方式是它们电地相互连接，其中第一接通部具有二极管，所述二极管在施加第二电压、尤其第二电压的极性时基本上截止流过加热元件的电流流动。

因此，两个元件(加热元件和传感器元件)可以与一个共同的电压源直接连接，然而通过控制的不同大小和/或极性至少部分地相互分离地运行。因此附加地，通过所述共同的控制也可以避免第二控制电路的完整的、分离的构型，从而能够实现更紧凑的气体传感器。

可选择地，也可以设有分析处理单元，其由根据传感器元件的控制的测量值检测导出气体的或者气体成分的浓度。为此，如有必要在施加第一电压时加热元件的加热期间和/或在施加第二电压时的测量值检测期间也可以考虑温度的检测。

在本发明的一种特别的构型中，至少部分地以微机械的结构方式制造气体传感器。为此，传感器元件的敏感层可以施加在半导体衬底的表面上，例如与膜片邻接。在此，加热元件可以直接集成到半导体衬底中或者同样设置在敏感层附近的半导体衬底的表面上，例如半导体衬底的相对置的一侧上。可以借助外部的键合连接实现加热元件的与传感器元件的或者气体敏感层的接通，在所述键合连接中在加热元件之前接入二极管。然而替代地也可以设置，直接通过半导体衬底实现加热元件的和传感器元件的接通或者控制之间的连接。因此，半导体衬底可以大面积地或者也受限制地(例如在过孔中)由不同掺杂的并且必要时埋藏的层组成，从而形成pn结。然后，衬底中的所述pn结可以同时用作用于连接加热元件的二极管。

为了运行气体传感器设置，在第一步骤中，用于运行加热元件的第一电压位于二极管的击穿电压(Durchbruchspannung)或者阈值电压之上。因此，虽然施加了在截止方向上施加到二极管上的电压，但是能够实现流过加热元件的电流流动。虽然在所述情形中电流同样流过气体敏感层，但所述电流比流过加热元件的电流小若干数量级。在可能直接随后的第二步骤中，如此降低电压，使得所述电压减小到二极管的截止电压以下，以便得出适合的测量参量的检测以导出周围的气体的或者气体成分的浓度。通过二极管的截止作用，电流的主要部分流经传感器元件并且因此流经气体敏感层。

在本发明的以上实施中设置，借助直流电压进行加热元件的控制和传感器元件的控制。然而也能够实现，借助交流电压进行加热元件的加热并且借助直流电压进行浓度参量的检测。

作为本发明的扩展方案也可以设置，依次串联多个二极管。然而，在此要注意的是，必须大于击穿电压的或者阈值电压的总和地选择在第一步骤中使用的第一电压，以便能够实现电流流动。

当然可以设置，根据本发明的传感器除检测气体的或者气体成分的浓度以外还可以检测其他的参量。在此可以设置，能够通过气体敏感层的不同的控制以及可能的排气过程来相继检测多个气体成分。此外当然也能够实现借助其他的传感器元件来检测其他的测量参量并且将所述其他的测量参量与所检测的气体传感器测量参量进行组合。

此外，所提出的本发明能够用于消费产品——如移动终端设备。因此例如可设想的是，所述设备设置在手机或智能电话中，以便借此能够进行移动的空气分析或呼吸气体分析。对于家用设备中的医疗技术的设备(例如Lap-On-Chip-Analytik)并且对于在机动车中的使用(例如尾气检查)而言，也能够实现类似的应用。

其他的优点由对实施例的以下描述或者由从属权利要求得出。

附图说明

在图1中示意性地示出根据本发明的设备的框图。

图2示出所基于的方法的流程图。

在图3a和3b中示出在半导体衬底中实现气体传感器时的加热元件和传感器元件的布置的两种可能的实施方式。

在图4a至4d中示出在使用薄层膜片时的加热元件和传感器元件的布置的其他实施方式。

在图5和6中分别示出另一实施方式。

具体实施方式

如开始已经解释的那样，对于气体或者气体成分的检测需要相应敏感的传感器元件。所述气体敏感的传感器元件可以具有以下材料：所述材料的电阻根据周围的气体大气发生变化(半导体的金属氧化物、有机化合物或者聚合物化合物)。为了提高传感器元件的敏感度或者在吸收气体或者气体成分之后再次建立再生，有针对性地借助加热元件——例如曲折状的金属印制导线来加热整个传感器设备，但也可以仅仅加热敏感的传感器元件。

根据图1，根据设备100阐明本发明的原理，其中对于气体传感器所需的气体敏感的传感器元件110可以由所分配的加热元件120加热。在此尤其设置，可以通过相同的(直流)电压源140必要时通过相同的触点来运行两个元件110和120。然而为了能够实施所期望的气体成分的浓度的检测或者确定，需要气体敏感的传感器元件110与通过加热元件120的加热无关的单独运行。为此根据本发明，二极管130添加到加热元件120的连接端上并且借助直流电压源140的至少两个不同的电压U1和U2运行整个设备，其中如此设置直流电压源140的极性，使得所述直流电压源在二极管130的击穿方向上施加，其中在二极管的阈值电压以下选择至少一个电压并且在阈值电压以上选择至少一个另外的电压。

可选择地也能够如此施加直流电压，使得第一电压在二极管的导通方向上施加，而第二电压在二极管的截止方向上施加。在此设置电压源的附加的控制元件。

在此，在两个阶段(参见图2)中实现根据图1的设备100的运行。在t₁和t₂之间的第一(运行)阶段中使用(直流)电压U1，所述电压位于二极管130的击穿电压或者阈值电压以上。由此，接通经由加热元件120 的电流回路，从而其能够加热。由此，通过加热元件120和气体敏感的传感器元件110之间设置的热接触也加热传感器元件110，例如加热到所期望的运行温度上。

典型的加热元件的电阻位于0.1至1000欧姆的范围内、优选1至100 欧姆的范围内，而气体敏感的传感器元件110的电阻通常大多个数量级。因此对于气体敏感的传感器元件的材料而言电阻值位于10千欧姆至1000 千欧姆的范围内。因为因此对于传感器元件110而言存在比对于加热元件 120而言高得多的电阻，所以在所述第一阶段中没有显著的电流流经气体敏感的传感器元件110。因此，基本上通过与加热元件120的热接触实现传感器元件110的加热。

在t2和t3之间的第二(运行)阶段中，如此降低所施加的(直流)电压U2，使得所述电压位于阈值电压Uth以下。由此二极管130截止，从而全部电流流经气体敏感的传感器元件110。因此，所述第二阶段用于测量气体浓度。根据周围的气体大气出现气体敏感的元件的特有电阻并且由此出现特有电流。

在测量值检测的第二阶段期间不进行气体敏感的元件的加热。然而通常存在所使用的气体敏感层的气体敏感度与其温度之间的相关性。因此，在测量值检测时考虑在第一阶段中传感器元件110的所达到的或者所调节的温度。根据加热装置/传感器装置的实施方式，必须在测量气体浓度时相应地考虑所述相关性。

在图3a和3b中示出在半导体衬底中实现气体传感器时的加热元件和传感器元件的布置的两种可能的实施方式。如在图3a中可以看到的那样，在半导体衬底150上施加气体敏感的传感器层110，所述气体敏感的传感器层能够借助没有示出的分析处理电路实现确定的气体成分的相应浓度的检测。在所述实施例中，加热元件120作为独立的元件直接嵌入到衬底150 中。在图3b中示出一种替代方案，其中加热元件120施加在衬底150的与气体敏感的传感器层120相对置的一侧上。通过在截止方向上连接到直流电压源140上的二极管130，能够借助以上描述的控制方法实现分开的加热和测量值检测。此外，衬底的高热容能够实现在关断加热元件之后温度变化如此缓慢进行，使得在测量值检测的必需的时间内不发生气体敏感层110 的显著温度变化。由此也得到对所使用的气体敏感层的敏感度的不显著的影响。

在图4a至4d中示出在使用薄层膜片时的加热元件和传感器元件的布置的其他实施方式。因此，图4a示出半导体衬底400中的薄层膜片430，其中气体敏感层410设置在衬底400的位于薄层膜片430下方的凹槽中。与此相反，加热元件420设置在薄层膜片430的相对置的一侧上。在此，如以上所描述的那样，在截止方向上控制加热元件时通过二极管的前置实现两个元件的电接通或者控制。图4b至4c示出薄层膜片430的区域中的加热元件420和敏感层410的布置的不同变型方案，其中附加地仍可以设置电绝缘层440，所述加热元件430嵌入所述电绝缘层中。

由于薄层膜片430的较少的热质量(thermische Masse)，通过加热元件 420加热的气体敏感层410在关断加热元件之后立刻冷却。为了能够实现测量值记录的单值分析处理，因此在第二阶段中的测量值记录期间并且必要时也在第一阶段中的加热期间需要知晓气体敏感层410的温度变化过程。这基于以下特性：气体敏感层上的气体种类的吸附以及可能随后出现的形成信号的电化学过程(例如分解、化学吸收)强烈地取决于温度。因此，为了能够实现单值的且可复制的测量值检测，两个阶段中的温度变化过程的考虑是必需的。

为了能够将传感器装置精确地调节到所期望的目标温度上或者为了能够经历确定的温度过程(Temperaturprofil)，必须根据温度测量来调节加热元件。例如可以通过由传感器元件和加热元件和二极管构成的并联电路的电阻测量来实现所述温度测量。因为并联电路的电阻根据温度特有地变化，所以在一次性的校准之后可以由所测量的电阻确定温度。

在另一种实施方式中，二极管530直接构造在半导体衬底中。如在图5 中示出的那样，为此可以相应于图4a至4d的实施方式使用半导体衬底，所述半导体衬底具有薄层膜片。在本实施例中，气体敏感层510在薄层膜片下方施加在电绝缘层570上，而加热元件520在薄层膜片上方同样施加在电绝缘层560上。为了直接在衬底中实现二极管530，衬底分为层540和550，它们分别具有相反设置的掺杂，从而存在pn结。由此在衬底中产生内在二极管530，所述内在二极管能够通过相应的接线实现以上所描述的两阶段的控制。

具体地，在根据图5的实施例中，衬底分为上方的、分配给加热元件 520的掺杂n^-层540和下方的、分配给气体敏感层510的掺杂p⁺层550。通过已经提及的电绝缘层560和570，触头可以分别通过加热元件520施加在掺杂n^-层540上并且通过气体敏感层510施加在掺杂p⁺层550上。如果现在将直流电压500施加到衬底上从而在截止方向上运行存在的层540和 550，则根据以上的描述根据本发明的方法可以用于控制加热/传感器装置。

如由图5中看到的那样，优选在所加热的区域之外实现pn结，从而避免由于温度变化或者由于过高的温度引起的二极管特性干扰。事实上有利的是，整个薄层膜片配备有统一的掺杂或者掺杂类型。

另一种实施方式(参见图6)在于，附加地使用一个二极管或串联的多个二极管(二极管级联)。由此，能够使加热元件的接通电压向更高的电压偏移(Uth1+Uth2+…)。当为了气体敏感的元件的测量值检测需要已经超过一个单个二极管的阈值电压的电压时，这是有利的。可选择地，不仅可以在根据图6的以上实施中但也可以在其他实施中设有电流限制装置160，从而防止二极管的损坏。

通常，二极管的导通电阻应比加热电阻小很多，因为否则在二级管内过多的功率可能转化成热。

为了使传感器装置匹配于所描述的条件，在截止方向上使用齐纳二极管是有利的。所述齐纳二极管的特征在于当施加击穿电压或者阈值电压以上的电压时较低的电阻。

在以上的描述中，阻性的传感器元件示例性地称作气体敏感层，即电阻根据气体环境改变的传感器元件。然而，所描述的布置和所描述的方法当然能够类似地用于气体探测的其他测量原理。因此，传感器元件例如可以由离子导体(Ionenleiter)组成，在所述离子导体上在不同气体浓度的情形中能够在气体空间1和气体空间2之间测量能斯特电压(为此参见DE 10 2012 201304 A1)。在所述情形中(替代电流测量)，在测量值检测的第二阶段中进行能斯特电压或者泵电流的测量。同样，将气体敏感的场效应晶体管用作传感器元件。在此相应地，在第二阶段中检测沟道电流和/或检测栅极电压作为传感器信号。

根据本实施方式，借助电压源140实现两个接通部或者电路装置的电压供给来运行加热元件和传感器元件。在此，为了所述接通部的接线，在一种特别的实施中设置，仅仅设有两个触头，通过所述两个触头供给两个电接通部或者电路。在此可以设置，所述触头直接设置在半导体衬底上，从而它们能够简单地借助键合连接电接通。

在本发明的另一种实施中设置，电压源不仅可以产生直流电压而且可以产生交流电压。因此可以设置，在第一阶段中借助交流电压加热加热元件，其中设置，交流电压的值尤其位于击穿电压或者阈值电压以上。与此相反，对于第二阶段中的测量值检测还设置直流电压。

替代地，也可以设置，将基本直流电压设置在以下高度上：在所述高度上二极管截止。随后在第一阶段中可以将直流电压调制到所述高度上，借助所述交流电压实现二极管的击穿电压或者阈值电压。

在本发明的一种实施方式中设置，具有气体敏感层的传感器元件、加热元件和分析处理装置设置在一个共同的载体元件上或者一个共同的壳体中，所述分析处理装置由浓度参量导出气体的和/或气体成分的浓度。可选择地，也可以设有一个或多个温度传感器，所述一个或多个温度传感器可以检测气体敏感层的和/或加热元件的温度并且在导出所述浓度时考虑所述温度。

在移动终端设备——例如手机或者智能电话中实现所描述的发明的可能的使用。因此可设想的是，移动终端设备具有进气口，其可以定向在待测量气体的方向上，例如在芯片实验室(Lab-on-Chip)方法的范畴中。替代地，也可以如此构型所述进气口，使得可以吹入，以便能够实施呼吸气体分析。

Claims (15)

1.一种用于检测气体的或者气体成分的浓度的设备，其中，所述设备具有：

●至少一个具有气体敏感层的传感器元件；

●至少一个用于加热所述气体敏感层的加热元件，

其中，

●借助第一接通部将第一电压施加到所述加热元件上以加热所述气体敏感层；

●借助第二接通部将第二电压施加到所述传感器元件上以检测代表所述气体的或者所述气体成分的浓度的浓度参量，

其特征在于，所述第一接通部和所述第二接通部电地相互连接，所述第一接通部具有二极管，所述二极管在施加所述第二电压时基本上截止流过所述加热元件的电流流动。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述气体敏感层设置在半导体衬底的表面上，其中，所述第二接通部与所述第一接通部的连接至少部分地通过所述半导体衬底实现，其中，设置，以掺杂的半导体材料的pn结的形式实现所述连接。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，通过埋藏的p掺杂和n掺杂的层实现所述pn结。

4.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一电压大于所述二极管的击穿电压或者阈值电压，其中，设置，所述第二电压小于所述二极管的击穿电压或者阈值电压。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，在所述第一接通部中设有至少两个串联的二极管，其中，设置，所述第一电压大于所述串联的二极管的击穿电压或者阈值电压的总和。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一接通部和所述第二接通部具有至少两个共同的触点，借助所述触点通过一个电压源施加所述第一电压和所述第二电压。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一电压和所述第二电压具有不同的极性，其中，设有电路装置，所述电路装置切换所述电压源的极性。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，设有至少一个用于检测代表所述加热元件的和/或所述敏感层的温度的温度参量的装置，其中，根据所检测的温度参量实现所述气体的或者所述气体成分的浓度的检测。

9.一种用于借助根据权利要求1至8中任一项所述的设备来检测气体的或者气体成分的浓度的方法，其中，所述设备具有：

●至少一个具有气体敏感层的传感器元件；

●至少一个用于加热所述气体敏感层的加热元件，

其中，所述方法包括以下步骤：

●通过第一接通部将第一电压施加到所述加热元件上以加热所述气体敏感层；

●通过第二接通部将第二电压施加到所述传感器元件上以检测所述气体的或者所述气体成分的浓度；

●检测代表所述气体的或者所述气体成分的浓度的浓度参量，

其特征在于，所述第一接通部和所述第二接通部电地相互连接，并且如此选择所述第二电压，使得所述第二电压通过设置在所述第一接通部中的二极管基本上截止流过所述加热元件的电流流动。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，大于所述二极管的击穿电压或者阈值电压地选择所述第一电压，其中，设置，小于所述二极管的击穿电压或者阈值电压地选择所述第二电压。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，检测温度参量，所述温度参量代表施加所述第一电压和/或所述第二电压期间的加热元件和/或所述敏感层的温度，其中，根据所述浓度参量和所述温度参量实现所述气体的或者所述气体成分的浓度的导出。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，对于所述第一电压和所述第二电压使用不同的极性。

13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述第一电压和所述第二电压是直流电压。

14.根据权利要求1至8中任一项所述的设备或者根据9至13中任一项所述的方法在移动终端设备中的应用。

15.根据权利要求14所述的应用，其特征在于，所述移动终端设备是手机、智能电话、平板PC或者便携计算机。