CN104777208A

CN104777208A - 宽带λ探测器以及宽带λ探测器的制造方法

Info

Publication number: CN104777208A
Application number: CN201510015533.1A
Authority: CN
Inventors: M.施赖福格尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2015-07-15
Also published as: US9846138B2; US20150198558A1; JP2015132609A; DE102014200481A1

Abstract

本发明涉及一种宽带λ探测器，所述宽带λ探测器具有氧气泵单元、能斯特浓缩单元以及至少一个容性传感器装置（32），氧气泵单元包括外部的泵电极（10）和内部的泵电极（12），借助于氧气泵单元将氧气从宽带λ探测器的测量空腔（14）转移到宽带λ探测器的外部环境中；能斯特浓缩单元包括能斯特电极（20）和参考电极（22）；容性传感器装置的电容借助于存在于相应的容性传感器装置（32）上的至少一种物质的浓度变化是可变的，其中所述至少一个容性传感器装置（32）如此布置在宽带λ探测器中，从而使得所述至少一个容性传感器装置（32）直接邻接所述测量空腔（14）和/或至少部分地伸入到所述测量空腔（14）中。此外本发明涉及宽带λ探测器的制造方法。

Description

宽带λ探测器以及宽带λ探测器的制造方法

技术领域

本发明涉及一种宽带λ探测器。此外本发明还涉及一种宽带λ探测器的制造方法。

背景技术

在文献DE 101 63 942 A1中描述了宽带λ探测器的不同实施方式。宽带λ探测器中的每个具有包括外部的泵电极和内部的泵电极的氧气泵单元和包括能斯特电极和参考电极的能斯特浓缩单元。此外，宽带λ探测器中的每个具有至少一个在其外侧上设置的HC电极，借助于该电极在相应的宽带λ探测器的外部环境中废气的碳氢化合物含量应该是可测量的。为了保护免于废气的侵蚀性的组成部分，该至少一个HC电极设有由氧化锆组成的多孔保护层。

发明内容

本发明涉及一种具有权利要求1的特征的宽带λ探测器以及具有权利要求12的特征的宽带λ探测器的制造方法。

本发明实现了宽带λ探测器，其设计用于氧气压力（或者λ值）和至少一种材料的组合检测。基于按照本发明的宽带λ探测器的有利的多功能性，需要用于检测容积内的材料组分的传感器数量是可减少的。这也降低了在设置需要用于检测容积内的材料组分的传感器时的用工成本。此外借助于按照本发明的宽带λ探测器的有利的多功能性可以节省用于不需要的另外的传感器的成本。

按照本发明的宽带λ探测器的显著优点也在于，至少一个在相应测量空腔中集成的容性传感器装置已经基于其有利的设置而被保护免于在相应的宽带λ探测器的外部环境中存在的侵蚀性环境影响（例如气体、炭黑、灰烬和/或热）。由此该宽带λ探测器在根据现有技术的这些条件下包含需要的保护层。本发明因此也有助于降低多功能宽带λ探测器的成本和及其制造成本。

基于按照本发明的宽带λ探测器在测量空腔中的集成，此外也改善了至少一个容性传感器装置的敏感度。在按照本发明的宽带λ探测器中可以对于以至少一个传感器装置执行的测量利用在测量空腔内正好限定并且相对小的氧气浓度的优点。因为在相应的测量空腔中通常几乎不存在氧气，所以也不必须担心对以至少一个容性传感器装置执行的测量的氧气有关的横向影响。因此显著提高了至少一个容性传感器装置的敏感度。

在一种有利的实施方式中，所述至少一个容性传感器装置包括各一个第一传感器电极、各一个第二传感器电极、各至少一个存在于第一传感器电极与第二传感器电极之间的电介质体。由此，至少一个MIM结构（金属-绝缘体-金属结构、金属-隔离体-金属结构）作为至少一个容性传感器装置集成到宽带λ探测器的测量空腔中。因为MIM结构在测量空腔中可借助于可简单构造的方法步骤构造，所以至少一个容性传感器装置没有显著附加费用的情况下集成到宽带λ探测器的测量空腔中是可实现的。此外至少一个MIM结构可以容易地构造在宽带λ探测器的测量空腔中，而为此宽带λ探测器的更大的实施方案不是必要的。

例如，所述相应的容性传感器装置的至少一个电介质体至少包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氮化硅、氮化硼、碳化硅、硅化钨和/或硅化钽。由此，至少一个电介质体可以选自多个成本有利并且相对经常（特别是在半导体技术中）应用的材料。

优选地，所述相应的容性传感器装置的至少一个电介质体包括至少一种材料，该材料至少在等于宽带λ探测器的运行温度的温度下具有取决于电压的电容率和阻抗。特别是所述相应的容性传感器装置的至少一个电介质体至少包括钽酸钡、钽酸铅锆和/或钽酸钡锶作为所述至少一种材料。代替或者补充于在此列举的材料然而也可以应用其他的至少在运行温度下多孔的材料，特别是其他铁电物质。

在另一有利实施方式中，所述相应的容性传感器装置的朝向测量空腔的第一传感器电极包括至少一种催化有效的材料。这可以改善传感器元件的敏感度。

例如，所述相应的容性传感器装置的朝向测量空腔的第一传感器电极包括金、铂、铝、钯、铼、钌、铱、钛、氮化钛、氮化钽、和/或铑作为所述至少一种催化有效的材料。然而应该指出的是，在此列举的催化有效的材料仅仅应该理解为示例性的。

在另一有利的实施方式中，所述相应的容性传感器装置的由测量空腔指离的第二传感器电极包括至少一种半导体材料。如果可能，相同容性传感器装置的第一传感器电极具有至少一种半导体材料，特别是与第二传感器电极相同的半导体材料。

特别是，所述相应的容性传感器装置的由测量空腔指离的第二传感器电极可以包括硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化硅和/或氮化镓作为所述至少一种半导体材料。在此列举的半导体材料也可以用于第一传感器电极。由此多种成本有利的并且在半导体技术中经常应用的半导体材料可以用于至少一种容性传感器装置的制造。

优选地，所述相应的容性传感器装置的电容/阻抗借助于在测量空腔中作为至少一种物质的至少一种含氢气体和/或至少一种氧化氮的在容性传感器装置上的浓度的变化是可变的。由此，至少一种容性传感器装置可以用于检测/证实例如氢、多种碳氢化合物例如特别是丙烯、氨、一氧化氮和二氧化氮。特别是按照本发明的宽带λ探测器可以由此有利地用于在车辆的排气系中废气的检测。

有利地，所述至少一种容性传感器装置通过印制导线电气连接到宽带λ探测器的分析处理装置。有利地，该分析处理装置在该情况下设计为，在相应的容性传感器装置上确定漏电流、电容、取决于电压的阻抗和/或取决于频率的阻抗。如下借助于一个例子所示，该至少一个容性传感器装置由此可以可靠地用于多种证实和测量方法。

上述实现的优点也可通过用于宽带λ探测器的相应地制造方法的执行实现。所述制造方法按照宽带λ探测器的上述实施方式是可改进的。

附图说明

以下根据附图阐明本发明的另外的特征和优点。其中：

图1a和1b是宽带λ探测器的一种实施方式的示意性的部分示图；

图2a和2b是用于阐明宽带λ探测器的前述实施方式的功能方式的坐标系统；以及

图3是用于阐明用于宽带λ探测器的制造方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

图1a和1b示出了宽带λ探测器的一种实施方式的示意性的部分示图。

在图1a中部分地示出的宽带λ探测器具有氧气泵单元，该氧气泵单元包括外部的泵电极10和内部的泵电极12。具有泵电极10和12的氧气泵单元设计为，将氧从宽带λ探测器的测量空腔14转移到宽带λ探测器的外部环境中。然而因为通过多孔的扩散壁垒16借助于在泵电极10和12之间施加的电压对氧气流的控制由现有技术是已知的，在此不再更进一步对氧气泵单元进行讨论。

测量空腔14由多孔的扩散壁垒16相对于宽带λ探测器的外部环境隔离。例如为此可以将在宽带λ探测器的壳体/基底结构18中构造的开口借助于多孔的扩散壁垒16密封，该开口由外部环境延伸到测量空腔14。

宽带λ探测器也具有能斯特浓缩单元，其包括能斯特电极20和参考电极22。因为能斯特浓缩单元与氧气泵单元的相互作用由现有技术已经是已知的，所以在此不再进一步讨论。外部的泵电极10布置在宽带λ探测器的外侧上，而内部的泵电极12和能斯特电极20直接布置在测量空腔14上和/或至少部分伸入到测量空腔14中。因此在至少一种在测量空腔14中存在的气体与电极12和20之间存在直接接触。参考电极22布置在图1a中示意性地示出的参考通道24中/上。因为宽带λ探测器的可实现性不限于参考通道24的构造/设置，在此不再进一步讨论。

为了保护免于侵蚀性的环境影响，外部的泵电极10可以至少部分地由多孔保护层26和/或非多孔的保护层28覆盖。同样宽带λ探测器的其他外面可以由保护层26和28之一覆盖。而且参考电极22可以由至少一个（多孔或非多孔的）保护层30包围。

宽带λ探测器包括至少一个容性传感器装置32，其如此布置在宽带λ探测器中，使得所述至少一个容性传感器装置32直接邻接测量空腔14和/或至少部分伸入到测量空腔14中。至少一个容性传感器装置32如此构造，使得该容性传感器装置的电容借助于存在于相应的容性传感器装置32上（在测量空腔14内）的至少一种物质的浓度变化是可变的。该至少一种容性传感器装置32由此可以用于至少一种材料的证实/检测、特别是用于至少一种材料的浓度的测量。由此宽带λ探测器可以不进用于λ值的测量、而且也用于至少一种材料的证实/检测、特别是用于其浓度的确定。借助于宽带λ探测器的有利的多功能性可以节省其他传感器，所述其他传感器习惯地附加地需要用于至少一种材料的证实/检测。借助于宽带λ探测器的多功能性也不用考虑用于检测至少一种物质的气体传感器的自身安装空间。

基于其在测量空腔14中存在的含氧量少的大气上/中的有利设置不必须担心对以至少一个容性传感器装置32执行的检测/测量的氧气有关的横向影响。至少一种集成到测量空腔14中的容性传感器装置32的敏感度由此是特别高的。

此外，基于至少一种容性传感器装置32有利地集成到测量空腔14中通常较少侵蚀性环境影响在其临近环境中出现。因此不必要的是，保护至少一种集成在测量空腔14中的容性传感器装置32免于在其临近环境中的侵蚀性气体。由此可以节省常规需要的保护层。此外有利的集成有助于提高至少一种容性传感器装置32的寿命/应用时间。

优选地，相应的/至少一种容性传感器装置32的电容借助于在测量空腔中作为至少一种物质的至少一种含氢气体和/或至少一种氧化氮的在容性传感器装置32上的浓度的变化是可变的。由此例如氢气（H2）、丙烯（C3H6）、氨（NH3）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）借助于至少一种容性传感器装置32作为至少一种物质被证实/检测。特别是可以在该情况下至少一种容性传感器装置32用于测量在此列举的减少或氧化的气体的至少一个浓度。宽带λ探测器因此可以专门用于检测在机动车排气系中可能出现的有害气体。特别是燃料在发动机和/或废气后处理中的燃烧因此可以借助于宽带λ探测器被有效调节。

图1b示出了具有至少一个容性传感器装置32的图1a的一个放大的部分。在图1b的实施方式中，示出的容性传感器装置32具有第一传感器电极34、第二传感器电极36以及至少一个存在于第一传感器电极34与第二传感器电极36之间的电介质体38。该至少一个容性传感器装置32因此可构造为MIM结构/MIM电极（金属-绝缘体-金属结构、金属-绝缘体-金属电极）。这样的容性传感器装置32可容易地集成到测量空腔14中，而为此不显著提高相应宽带λ探测器的大小。

第一传感器电极34优选朝向测量空腔14。对此可以理解为，第一传感器电极34的由第二传感器电极36指离的接触面40直接接触至少一种在测量空腔14中存在的气体。相比之下，对于第二传感器电极36来说由测量空腔14指离的布置/定向是优选的。优选地因此第二传感器电极36借助于至少一个电介质体38和第一传感器电极34完全由至少一个在测量空腔14中存在的气体屏蔽。第二传感器电极36例如可以设置/固定在壳体/基底结构18的基底上。

第一传感器电极36和第二传感器电极36可以构造为闭合的或多孔的金属层。例如第二传感器电极36可以是闭合的金属层，而第一传感器电极34构造为多孔的。朝向测量空腔14的第一传感器电极34可以包括至少一种催化有效材料，特别是该朝向测量空腔14的第一传感器电极34可以包括金、铂、铝、钯、铼、钌、铱、钛、氮化钛、氮化钽、和/或铑作为所述至少一种催化有效的材料。然而在此列举的材料也可以用于形成第二传感器电极36。

例如由测量空腔14指离的第二传感器电极36包括至少一种半导体材料。特别是硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化硅和/或氮化镓作为所述至少一种半导体材料可以用于形成至少第二传感器电极36。只要期望，然而也可以由在此列举的半导体材料或另一半导体材料构造第一传感器电极34。

传感器电极34和36中的至少一个也可以由一种复合材料（金属陶瓷）组成，该复合材料由在金属矩阵中的至少一个陶瓷材料组成。由此多种不同的初始材料可以用于形成耐磨的传感器电极34和36。

优选地，传感器电极34和36由不同材料构造。传感器电极34和36然而也可以由相同材料构造或者具有相同的材料组分。关于用于构造/设置至少一个容性传感器装置32的传感器电极34和36的另外可能性参照文献DE 10 2009 029 621 A1。

该至少一种电介质体38可以包括例如氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氮化硅、氮化硼、碳化硅、硅化钨和/或硅化钽。作为在此列举的材料的补充或备选，该至少一种电介质体38然而也可以具有另一种电气隔离的材料。优选地，该至少一种电介质体38还就包括至少一种材料，该材料至少在等于宽带λ探测器的运行温度的温度下可电气极化地存在。人们也可以由此区分这一点，即该至少一种材料至少在等于宽带λ探测器的运行温度的温度下具有预取决于电压（或者直流偏置有关）的电容率和阻抗。该至少一种电介质体38由此可解释为至少一种介电薄层，该介电薄层优选包含可极化的种类。例如该至少一种电介质体38可以包括至少钽酸钡、钽酸铅锆和/或钽酸钡锶作为所述至少一种材料/至少一种可极化的种类。

作为补充，宽带λ探测器还可以具有至少一个集成的加热管42，其优选嵌入到电气隔离的导热的材料44中。基于该加热管集成到测量空腔14中可以在没有额外成本的情况下结合宽带λ探测器的其他构件借助于至少一个加热管42加热至少一个容性传感器装置32。宽带λ探测器的能耗由此通过其具有至少一个容性传感器装置32的附加的设计几乎没有上升。

至少一个容性传感器装置32可以通过（未描绘的）印刷导线电气连接到宽带λ探测器的分析处理装置。特别是用于至少一个容性传感器装置32的接触的层压的印刷导线构造在宽带λ探测器上。为了接触至少一个容性传感器装置32因此可以应用一种类型的印刷导线，该印刷导线也用于宽带λ探测器的至少另一电极10、12、20和22。至少一个容性传感器装置32的接触的形成由此几乎不涉及额外费用。

在图1a和1b中未示出的分析处理装置可以设计为：在至少一个容性传感器装置32上量取至少一个信号和/或接收至少一个由至少一个容性传感器装置32提供的信号，并且考虑该至少一个信号确定关于至少一种材料的可证实性和/或浓度的至少一个信息。分析处理装置可以随后输出确定的信息和/或考虑用于控制至少一个装置，例如用于喷射燃料到内燃机中的喷射装置和/或废气再处理系统的装置。

优选地，分析处理装置设计为，在至少一个容性传感器装置32上确定漏电流、电容、取决于电压的阻抗和/或取决于频率的阻抗。（而且取决于电压和取决于频率地阻抗可以借助于分析处理装置确定。）分析处理装置的这样的设计的优点根据以下例子变得明显。

图2a和2b示出了用于阐明宽带λ探测器的前述实施方式的功能方式的坐标系统。

在图2a和2b的坐标系统中横坐标分别是时间轴t（分钟）。借助于图2a的坐标系统的纵坐标给出了（标准化的）电容C。图2b的坐标系统的纵坐标描述了不同气体的浓度c（百分比）。

在图2a和2b的例子中依次将具有浓度c（NO₂）的二氧化氮（NO₂）、浓度c（NH₃）的氨气（NH₃）、浓度c（C₃H₆）的丙烯（C₃H₆）、浓度c（NO）的一氧化氮（NO）以及浓度c（H₂）的氢气（H₂）填充到测量空腔中。在列举的气体的每种中，所述浓度在第一级期间调节到100%，在第二级期间调节到50%，而在第三级期间调节到10%。随后重复二氧化氮的三个不同的级。在填入不同的气体之间冲洗测量空腔。

如根据图2a所示的电容C可见的那样，列举的气体自身中的每个在小的浓度下还引起了电容C与其初始值的显著偏差。宽带λ探测器由此适用于所有列举的气体的证实/检测。

图3示出了用于阐明宽带λ探测器的制造方法的实施方式的流程图。

该制造方法例如可以构造为用于制造上述宽带λ探测器。制造方法的可实施性然而不限于宽带λ探测器的产生。

在方法步骤S1中，构造氧气泵单元，其包括外部的泵电极和内部的泵电极。这如此实现，使得在宽带λ探测器的运行中借助于所述氧气泵单元将氧从宽带λ探测器的测量空腔转移到宽带λ探测器的外部环境中。在方法步骤S2中实现构造宽带λ探测器的能斯特浓缩单元，其包括能斯特电极和参考电极。

此外在方法步骤S3中构造至少一个容性传感器装置，该容性传感器装置的电容在宽带λ探测器的运行中借助于存在于相应的容性传感器装置上的至少一种物质的浓度变化而改变。所述至少一个容性传感器装置如此布置在宽带λ探测器中，使得所述至少一个容性传感器装置直接邻接测量空腔和/或至少部分伸入到测量空腔中。

以上已经描述了用于将至少一个容性传感器装置构造为MIM结构的有利可能性。MIM结构的至少一个电介质体可以例如借助于喷涂或原子层式沉积（Atomic Layer Deposition）施加到第二传感器电极的至少一个面上。而且通过具有紧接着的烧结的丝网印刷可以将至少一个电介质体沉积在第二传感器电极上。随后可以将第一传感器电极布置在至少一个电介质体的由第二传感器电极指离的外侧上。

特别是也可以通过微系统方式制造宽带λ探测器。上述制造方法可以构造为用于制造唯一的宽带λ探测器或者用于同时制造多个宽带λ探测器。此外应该指出，制造方法的可实施性不限于遵循方法步骤S1至S3的确定的时间顺序。方法步骤S1至S3可以以任意顺序或同时执行。

Claims

1. 宽带λ探测器，其具有：

氧气泵单元，所述氧气泵单元包括外部的泵电极（10）和内部的泵电极（12），借助于所述氧气泵单元能够将氧气从所述宽带λ探测器的测量空腔（14）转移到宽带λ探测器的外部环境中；

能斯特浓缩单元，所述能斯特浓缩单元包括能斯特电极（20）和参考电极（22）；以及

至少一个容性传感器装置（32），所述容性传感器装置的电容借助于存在于相应的容性传感器装置（32）上的、至少一种物质的浓度变化是可变的；

其特征在于，所述至少一个容性传感器装置（32）如此布置在宽带λ探测器中，从而使得所述至少一个容性传感器装置（32）直接邻接所述测量空腔（14）和/或至少部分伸入到所述测量空腔（14）中。

2. 根据权利要求1所述的宽带λ探测器，其中所述至少一个容性传感器装置（32）包括各一个第一传感器电极（34）、各一个第二传感器电极（36）、各至少一个存在于所述第一传感器电极（34）与所述第二传感器电极（36）之间的电介质体（38）。

3. 根据权利要求2所述的宽带λ探测器，其中所述相应的容性传感器装置（32）的至少一个电介质体（38）至少包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氮化硅、氮化硼、碳化硅、硅化钨和/或硅化钽。

4. 根据权利要求2或3所述的宽带λ探测器，其中所述相应的容性传感器装置（32）的至少一个电介质体（38）包括至少一种材料，所述材料至少在等于宽带λ探测器的运行温度的温度下具有取决于电压的电容率和阻抗。

5. 根据权利要求4所述的宽带λ探测器，其中所述相应的容性传感器装置（32）的至少一个电介质体（38）至少包括钽酸钡、钽酸铅锆和/或钽酸钡锶作为所述至少一种材料。

6. 根据权利要求2至5中任一项所述的宽带λ探测器，其中所述相应的容性传感器装置（32）的朝向所述测量空腔（14）的第一传感器电极（34）包括至少一种催化有效的材料。

7. 根据权利要求6所述的宽带λ探测器，其中所述相应的容性传感器装置（32）的朝向所述测量空腔（14）的第一传感器电极（34）包括金、铂、铝、钯、铼、钌、铱、钛、氮化钛、氮化钽、和/或铑作为所述至少一种催化有效的材料。

8. 根据权利要求2至7中任一项所述的宽带λ探测器，其中所述相应的容性传感器装置（32）的由所述测量空腔（14）指离的第二传感器电极（36）包括至少一种半导体材料。

9. 根据权利要求8所述的宽带λ探测器，其中所述相应的容性传感器装置（32）的由所述测量空腔（14）指离的第二传感器电极（36）包括硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化硅和/或氮化镓作为所述至少一种半导体材料。

10. 根据上述权利要求中任一项所述的宽带λ探测器，其中所述相应的容性传感器装置（32）的电容借助于在所述测量空腔（14）中作为至少一种物质的至少一种含氢气体和/或至少一种氧化氮的在容性传感器装置（32）上的浓度的变化是可变的。

11. 根据上述权利要求中任一项所述的宽带λ探测器，其中，所述至少一种容性传感器装置（32）通过印制导线电气连接到宽带λ探测器的分析处理装置上，设计所述分析处理装置，以便在相应的容性传感器装置（32）上确定漏电流、电容（C）、取决于电压的阻抗和/或取决于频率的阻抗。

12. 宽带λ探测器的制造方法，所述方法包括以下步骤：

如此构造（S1）所述宽带λ探测器的氧气泵单元，所述氧气泵单元包括外部的泵电极（10）和内部的泵电极（12），从而使得在所述宽带λ探测器的运行中借助于所述氧气泵单元将氧气从宽带λ探测器的测量空腔（14）转移到宽带λ探测器的外部环境中；构造（S2）宽带λ探测器的能斯特浓缩单元，所述能斯特浓缩单元包括能斯特电极（20）和参考电极（22）；以及构造（S3）至少一个容性传感器装置（32），所述容性传感器装置的电容在宽带λ探测器的运行中借助于存在于相应的容性传感器装置（32）上的至少一种物质的浓度变化而改变；

其特征在于，所述至少一个容性传感器装置（32）如此布置在所述宽带λ探测器中，从而使得所述至少一个容性传感器装置（32）直接邻接所述测量空腔（14）和/或至少部分地伸入到所述测量空腔（14）中。