CN1347498A - 具有壳体的半导体气体传感器和测量气体浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
用于测量例如CO、NOx、O3等的半导体－气体传感器有可以加热的传感元件(1)用于测量气体浓度,以及有壳体(2),在其内部空间(20)安装传感元件(1)。壳体(2)有第一个开口(3),这个开口将内部空间(20)与外部空间相连接。在壳体(2)内安排了一个或多个第二个开口4a,4b,这些低于第一个开口(3),则通过对流驱动气体流从第二个开口(4a,4b)到第一个开口(3)。半导体－气体传感器可以由硅用微工艺制成。
Description
本发明涉及到按照权利要求1前序部分的半导体气体传感器，以及用半导体气体传感器测量气体浓度的方法。
在各种技术领域中测量或者分析气体具有重要的意义。例如在焚烧化石燃料时产生一氧化碳，一氧化氮和臭氧，这些对环境和人体造成非常大的负担。为了减少这些负担当焚烧时要求测量或者分析所产生的气体。特别是可以通过测量运行时的排气通过相应的反馈减少有害排出物。
半导体-气体传感器提供气体分析的可能性，在其上将一个气体敏感层加热到一定的温度，气体敏感层在一定气体负荷下其电阻硅壁。在一定温度时通过测量敏感层的电阻可以确定不同气体的浓度，例如CO，NO，NO2或者O3。在多数情况下气体敏感层是一个金属氧化层，例如SnO2。
B.Ruhland等的文章“氮氧化物与SnO2表面气体动力学的交互作用”，传感器和激励器B50(1998)85至94页，表示了这种半导体-气体传感器。在这种已知的气体传感器中将SnO2薄层安放在加热结构上。SiO2层将加热元件与气体敏感层SnO2分开。将具有气体敏感层的加热结构安排在Si3N4薄膜上，Si3N4薄膜又位于硅基质上。当测量时气体敏感层通过扩散或者通过冲击传感元件承受气体负荷。将具有气体敏感层的传感元件安装在壳体内。
然而此时出现的问题是，由于热空气上升或者在传感元件上边的上升气体阻碍气体扩散到传感元件上。因此在壳体内产生气体流，这对传感器的时间特性是个缺点。产生的结果是动作时间长和部分不准确的测量结果。
因此本发明的任务是创建具有比较好的时间特性的半导体-气体传感器。此外规定一种比较好的时间特性的测量气体浓度的方法和使准确的测量成为可能。
此任务是通过按照权利要求1的半导体-气体传感器和按照权利要求10的测量气体浓度的方法解决的。此外本发明有益的特征，方面和细节由有关的叙述，说明和附图中得到。
按照本发明的半导体-气体传感器包括可以加热的传感元件用于测量气体浓度，和一个壳体，将传感元件安装在其内部空间，此时壳体有将内部空间与外部空间连接的第一个开口，和此时在壳体内安排了一个或者多个开口，这些位于第一个开口的下边，以便将气体流从第二个开口通过对流到达第一个开口。从而在测量精度高和费用少的情况下降低了动作时间。
有益地是将第二个开口或者气体进入口安排在壳体下部的侧边上和可以将第一个开口安排在壳体的上边。有益的是将第二个开口安排在与传感元件同样的高度或者低于传感器的高度。因此在壳体内部空间产生非常适宜的气体流。
有益地是用微技术制造硅壳体。此时可以将传感元件集成在位于上下的或者面对面的两个硅壁之间，此时将第二个开口构成在面对面的壁的临界面之间。特别是将第一个开口构成在传感元件上面的硅壁上。有益的是将气体进入口的第二个开口由硅壁之间的通道构成。通过这种结构形式使得制造特别容易和成本便宜，此时可以将传感器实现得非常紧凑。
在第二个开口或者气体进入口上可以安装用于过滤或者气体转换的可以流过的元件。此时可以流过的元件例如在其内表面上有一种材料，当气体到达传感元件之前将流过的气体进行化学转换和/或催化转换。因此对于不同的气体可以调整或者改变传感器的敏感度。
按照本发明另外的方面规定了用半导体-气体传感器测量气体浓度的方法，在其中通过对流驱动气体流流过壳体，此时气体从下面向上穿过壳体和在传感元件旁流过，这产生与气体浓度有关的测量信号。
下面示范性地叙述本发明，在附图中
附图1用截面图表示按照本发明半导体-气体传感器的第一个实施形式；和
附图2用简图表示按照本发明的半导体-气体传感器的第二个实施形式。
按照附图1在本发明优异的实施例中半导体-气体传感器包括安装在壳体2中的传感元件1。在壳体2的上端21上有开口3，这将壳体2的内部空间20与壳体外部区域或者与外部空间相连接。在壳体2的下边部分安排了另外的开口4a、4b。在测量运行时将传感元件加热，因此上边区域的空气或者气体变热和上升。当气体通过上边的开口3排出时，通过另外的开口4a、4b可以将气体从外部流向内部空间20。通过对流驱动气体流通过传感器内部空间。
在这里表示的实施形式中将另外的开口4a、4b安排在壳体2侧壁的下部。变热的空气或者加热的气体通过对流产生将气体流引导到传感元件1的烟囱作用。这种烟囱作用不仅与气体扩散相反，而且与气体扩散共同起作用。通过充分利用烟囱作用提高传感器的动作速度。这产生一个泵作用，由于泵作用将准备测量的气体通过烟囱作用吸入壳体2。由于泵作用气体不受阻碍地到达传感元件1。通过充分利用对流或者烟囱作用和专门的开口3，4a，4b将由于传感器机理产生的反应产品传送出去。因此明显地改善了传感器的时间特性。
使用例如在B.Ruhland上述文章中详细叙述的已知的传感元件作为传感元件1。传感元件包括气体敏感层，其导电能力或者欧姆电阻随着各个气体浓度变化。此外是金属氧化层，SnO2特别是适合的。在传感元件1的敏感层上安排了用于测量导电能力或者电阻的材料，例如用接触电极副的形式。将铂-加热电阻形式的加热元件经过SiO2-层或者钝化层与传感层耦合。下面有由Si3N4构成的支撑薄膜用于支撑装置。将装置支撑在芯片上，在本发明情况下是支撑在硅基质上。
涉及到已知传感元件1的其他结构及其功能方式是以上述文章为基础的。然而也可能使用其他已知的传感元件例如厚层传感器，厚层传感器依赖于与其接触的气体提供测量信号。
在这里表示的实施形式中壳体2是由金属制造的。但是也可能用其他材料，例如硅。
将壳体2上边部分也可以构成为可取下的盖子。根据使用目的或者准备测量的气体将传感元件1的温度进行调整。例如当大约为50℃至大约200℃相对低的温度时出现非常高的NO2-敏感度，相反例如适合于CO的测量温度在300℃至400℃范围内。通过在不同温度时不同的敏感度有可能将不同气体成分借助于传感元件1确定排列，传感元件是安排在腔1的下边部分。另外一方面当用传感元件1测量时也有可能将不同的温度范围一步步地进行调整，以便求出或者分析不同的气体成分。
在气体进入的开口4a、4b处，在优异的实施形式中安排了可以流过的元件5a、5b。根据测量目的可以将可流过的元件5a、5b使用在气体过滤和/或气体化学转换和/或气体催化转换上。为了这个目的将这些构成为过滤器或者安排通孔或者孔。也可以将其构成为多孔的。通过将可流过的元件5a、5b内表面用金属氧化物涂层，例如SnO2，如果气体流入壳体2进行从O3至O2的反应。因此平衡了或者减少了在传感元件1薄传感层上出现的相对大的O3-敏感度。其他的涂层，例如氧化金属，特别是钯，造成将长的稳定的分子转换为比较短的链，这个与薄传感层容易反应。在这种情况下提高了测量的灵敏度。根据测量目的将各种可以流过的元件5a、5b安排在开口4a、4b处。如果气体成分在进入壳体2时不要求过滤或者转换时，开口4a、4b但是也可以是开放的。
附图2表示了本发明另外实施形式的截面简图。在其中将传感元件10集成在硅制成的壳体40上。壳体40是由各自构成为槽形的下边部分40a和上边部分40b组成。将两个壳体零件40a、40b成形为板形，此时将各个板子的中间区域构成为洞或者空槽41a，41b以便取下传感元件10。将两个壳体零件40a、40b这样置于上下使空槽41a，41b面对面和这样就构成了壳体40的内部空间50。在壳体40的上端有构成为气体出口的开口30。在壳体零件40a、40b之间是构成为通道形式的通道60a、60b。这些通道或者其他的开口60a、60b构成为在壳体40侧边的气体入口。空槽41a，41b或者槽子和通道60a、60b可以用典型的硅-微工艺已知的腐蚀技术制成。因此在紧凑结构形式时得到适合于成批生产的成本便宜的制造。
Claims (11)
1.半导体-气体传感器，具有
可以加热的传感元件(1；10)用于测量气体浓度，和
壳体(2；40)，在其内部空间安装了传感元件，
此时壳体(2；40)有第一个开口(3；30)，第一个开口将内部空间(20；50)与外部空间连接，
其特征为，
在壳体(2；40)内安排了低于第一个开口(3；30)的一个或多个第二个开口(4a，4b；60a，60b)，此时将第一个开口(3；30)安排在可以加热的传感元件(1；10)的上边，以便在运行时通过传感元件(1；10)的加热产生烟囱作用。
2.按照权利要求1的半导体-气体传感器，
其特征为，
将第二个开口(4a，4b)安排在壳体(2)侧壁的下部，和将第一个开口(3)安排在壳体(2)的上端(21)。
3.按照权利要求1或2的半导体-气体传感器，
其特征为，
将第二个开口(4a，4b；60a，60b)安排在同样的高度或者低于传感元件(1；10)的高度。
4.按照上述一个或多个权利要求的半导体-气体传感器，
其特征为，
壳体(40)是由硅用微工艺制成的。
5.按照上述一个或多个权利要求的半导体-气体传感器，
其特征为，
将传感元件(10)集成在两个硅槽(40a，40b)中，将两个硅槽上下重叠安排，此时将两个开口(60a，60b)构成为硅槽之间的相对的临界面。
6.按照权利要求5的半导体-气体传感器，
其特征为，
将第一个开口(30)构成在位于上面的硅槽(40b)上在传感元件(10)的上面。
7.按照权利要求5或6的半导体-气体传感器，
其特征为，
第二个开口(60a，60b)是通过位于硅槽(40a，40b)之间的通道构成的。
8.按照上述一个或多个权利要求的半导体-气体传感器，
其特征为，
在构成气体入口的第二个开口(4a，4b)处安排了用于气体过滤和/或气体转换的可以流过的元件(5a，5b)。
9.按照权利要求8的半导体-气体传感器，
其特征为，
可以流过的元件(5a，5b)在其内部表面有一种材料，在其到达传感元件(10)之前，将流过的气体进行化学和/或催化转换。
10.用半导体-气体传感器测量气体浓度的方法，
在其中安装在壳体(2；40)中的加热的传感元件(1；10)将位于传感元件(1；10)上面的气体加热和用烟囱方式驱动一个气体流，此时气体从下边向上边流过壳体(2；40)和在传感元件(1；10)旁流过，传感元件产生一个与气体浓度有关的测量信号。
11.按照权利要求10的方法，
其特征为，
在气体与传感元件(1；10)接触之前，进行气体过滤和/或气体转换。
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