DE102016201144A1

DE102016201144A1 - Halbleitersensor für eine Gaskonzentration

Info

Publication number: DE102016201144A1
Application number: DE102016201144.8A
Authority: DE
Inventors: Harald Guenschel; Marcus Ahles; Janine Riedrich-Moeller; Andreas Haeffelin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: DE102016201144B4; US20170212009A1; US10281358B2

Abstract

Ein Halbleitersensor umfasst einen Hohlraum; eine fluide Verbindung zwischen dem Hohlraum und einem Einlassbereich; eine Pumpmembran, die den Hohlraum begrenzt; und eine Messmembran, die den Hohlraum begrenzt. Dabei umfasst die fluide Verbindung einen Diffusionskanal mit mehreren Öffnungen im Einlassbereich oder mehrere Diffusionskanäle mit jeweils einer Öffnung im Einlassbereich, und wenigstens eine der Öffnungen kann mittels Laserlicht verschlossen werden, um eine effektive Länge oder einen effektiven Querschnitt der fluiden Verbindung zu beeinflussen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Sensor für eine Gaskonzentration. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sensor auf Halbleiterbasis.
Um die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine bezüglich einer Zusammensetzung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs beurteilen zu können, kann eine Lambdasonde verwendet werden. Die Lambdasonde umfasst eine Nernst-Zelle, um einen Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen zwei verschiedenen Gasen, nämlich dem Abgas und üblicherweise einer Umgebungsluft, zu bestimmen. Eine Breitband-Lambdasonde umfasst einen Hohlraum, eine Pumpmembran und eine Messmembran. Die Pumpmembran wird dazu angesteuert, Abgas durch eine fluide Verbindung in den Hohlraum oder aus dem Hohlraum zu fördern, sodass die Spannung an der Messmembran, die praktisch eine Nernst-Zelle darstellt, einen vorbestimmten Wert aufweist. Die Konzentration von Sauerstoff im Abgas kann dann anhand des Pumpstroms bestimmt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann auch ein Gehalt von Stickoxiden im Abgas indirekt bestimmt werden, indem die Stickoxide aus dem Abgas katalytisch gespalten werden und der dabei entstehende Sauerstoff mittels einer weiteren Messmembran bestimmt wird.
Um einen vorbestimmten Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom und einer Konzentration von Sauerstoff im Abgas herzustellen, muss üblicherweise jeder einzelne hergestellte Sensor individuell abgeglichen werden. In einer Ausführungsform wird der Sensor auf einem Keramik-Substrat angeordnet, wobei mittels Laserlicht Schnitte in die Oberfläche der Keramik eingebracht werden können, um die fluide Verbindung zu verkürzen und so einen Strömungswiderstand zu verringern.
Es ist wünschenswert, einen derartigen Sensor in Halbleitertechnik aufzubauen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen abgleichbaren Halbleitersensor zur Gasanalyse sowie ein Verfahren zum Abgleichen des Halbleitersensors bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Ein Halbleitersensor umfasst einen Hohlraum, eine fluide Verbindung zwischen dem Hohlraum und einem Einlassbereich, eine Pumpmembran, die den Hohlraum begrenzt und eine Messmembran, die den Hohlraum begrenzt. Dabei umfasst die fluide Verbindung einen Diffusionskanal mit mehreren Öffnungen im Einlassbereich oder mehrere Diffusionskanäle mit jeweils einer Öffnung im Einlassbereich. Wenigstens eine der Öffnungen kann mittels Laserlicht verschlossen werden kann, um eine effektive Länge oder einen effektiven Querschnitt der fluiden Verbindung zu beeinflussen.
Durch das selektive Verschließen einer oder mehrerer Öffnungen kann die fluide Verbindung angepasst werden, um einen hergestellten Halbleitersensor individuell anzupassen. So kann insbesondere ein Sensor zur Gasanalyse, namentlich zur Bestimmung eines Restsauerstoffgehalts in einem Abgas einer Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, der mittels Halbleitertechnik aufgebaut werden und auf relativ einfache Weise abgeglichen werden kann. Der Diffusionskanal kann dadurch mit präziser Geometrie hergestellt werden.
Es ist besonders bevorzugt, dass die fluide Verbindung und der Hohlraum in einem Halbleitermaterial ausgebildet sind. Die Ausbildung von Hohlräumen im Halbleitermaterial kann insbesondere mittels des APSM-Prozesses erfolgen, der beispielsweise in WO 02/02458 , DE 10 2004 036 032 A1 oder DE 10 2004 036 035 A1 genauer beschrieben ist.
Es ist besonders bevorzugt, dass im Bereich der Öffnung ein Material angebracht ist, das Infrarotstrahlung stärker als das Halbleitermaterial absorbiert, sodass das Material mittels eines Infrarot-Lasers geschmolzen werden kann, um die Öffnung zu verschließen. Das Halbleitermaterial kann beispielsweise Silizium umfassen, das für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchlässig ist. Das Material im Bereich der Öffnung kann beispielsweise Siliziumnitrid, etwa Si₃N₄ umfassen. Das Material kann entweder selbst schmelzen und die Öffnung verschließen oder das Aufschmelzen des Halbleitermaterials begünstigen, sodass dieses die Öffnung verschließt. Siliziumnitrid sublimiert bei ca. 1900 °C, sodass es zur Begünstigung der Aufschmelzung des Halbleitermaterials verwendet werden kann.
In einer Ausführungsform sind mehrere Diffusionskanäle vorgesehen, die unterschiedliche effektive Querschnitte aufweisen. Durch Auswählen eines Diffusionskanals oder fluides Parallelschalten mehrerer Diffusionskanäle können die Strömungseigenschaften der fluiden Verbindung in weiten Grenzen angepasst werden. In einer weiteren Ausführungsform kann auch ein mäanderförmiger Diffusionskanal vorgesehen sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum zwischen einem ersten und einem zweiten Halbleitersubstrat gebildet, die miteinander verbunden sind. Der Hohlraum und gegebenenfalls auch die fluide Verbindung können dabei leicht hergestellt werden, indem in eines der Halbleitersubstrate eine Vertiefung eingebracht wird, die mittels des anderen Halbleitersubstrats verschlossen wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein zweiter Hohlraum vorgesehen, der mittels einer weiteren fluiden Verbindung mit dem ersten Hohlraum verbunden und mittels einer zweiten Messmembran begrenzt ist. Die zweite Messmembran kann insbesondere zur indirekten Bestimmung von Stickoxiden im Abgas verwendet werden. Die Herstellung der weiteren fluiden Verbindung kann wie die der ersten erfolgen. Optional kann auch die zweite fluide Verbindung durch das Verschließen von Öffnungen in Diffusionskanälen abgeglichen werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersensors umfasst Schritte des Bereitstellens des oben beschriebenen Halbleitersensors, des Bereitstellens eines Gases mit bekannter Zusammensetzung im Bereich des Einlasses, des Ansteuerns der Pumpmembran derart, dass sich an der Messmembran eine vorbestimmte Spannung einstellt, und des Verschließens einer oder mehrerer Öffnungen in Abhängigkeit eines durch die Pumpmembran fließenden Pumpstroms, um einen vorbestimmten Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom und der Zusammensetzung des Gases herzustellen.
Auf diese Weise kann der fertig hergestellte Halbleitersensor individuell kalibriert werden. Der Einsatz von Laserlicht kann in einer Anlage erfolgen, wie sie derzeit zur Einbringung von Schnitten im keramischen Material verwendet wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 einen Schnitt durch einen Halbleitersensor; und
2 eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Sensors von 1
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Kalibrierung eines Halbleitersensors
darstellt.
1 zeigte einen Halbleitersensor 100, der ein Substrat 105, bevorzugterweise Silizium, umfasst. In der dargestellten Ausführungsform liegt das Substrat 105 in Form eines unteren Trägermaterials 110 und eines oberen Trägermaterials 115 vor, die an einer horizontalen Trennungsebene Sandwich-artig zusammengesetzt sind. Eine Bondverbindung 118 zwischen den Trägermaterialien 110 und 115 kann beispielsweise aus Glas gebildet sein.
Der Halbleitersensor 100 umfasst einen ersten Hohlraum 120, der von einer Pumpmembran 125 und einer ersten Messmembran 130 wenigstens teilweise begrenzt ist. Ein restlicher Abschluss erfolgt durch das Substrat 105. In den ersten Hohlraum 120 führt eine erste fluide Verbindung 135, die einen oder mehrere Diffusionskanäle 140 umfasst. Der Diffusionskanal 140 ist bevorzugterweise im Substrat 105 eines der Trägermaterialien 110, 115 eingebettet und führt vom ersten Hohlraum 120 zu einem Einlassbereich 145, wo mehrere Öffnungen 150 des Diffusionskanals 140 angeordnet sind. Wie später noch gezeigt werden wird, können alternativ auch mehrere Diffusionskanäle 140 vorgesehen sein, die jeweils wenigstens eine Öffnung 150 im Einlassbereich 145 haben.
In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleitersensor 100 zusätzlich dazu eingerichtet, einen Stickoxidgehalt eines Gases zu bestimmen. Dazu ist ein optionaler zweiter Hohlraum 155 vorgesehen, der mittels einer zugehörigen zweiten fluiden Verbindung 160 mit dem ersten Hohlraum 120 verbunden ist.
Der Halbleitersensor 100 ist dazu eingerichtet, nach der Herstellung, also wenn er bereits betriebsfähig ist, abgeglichen zu werden, indem eine oder mehrere der Öffnungen 150 nachträglich verschlossen werden. Das Verschließen kann insbesondere mittels Laserlicht erfolgen, wobei Material im Bereich der Öffnung 150 aufgeschmolzen wird, das sich in die Öffnung 150 legt und diese beim Abkühlen hermetisch verschließt. Dazu ist bevorzugt, dass ein Material 170 im Bereich einer Öffnung 150 auf dem Substrat 105 angeordnet ist. Das Material 170 ist so gewählt, dass es Laserlicht einer vorbestimmten Wellenlänge stärker absorbiert als das Substrat 105. Insbesondere kann das Material 170 Siliziumnitrid umfassen, wobei das verwendete Laserlicht im Infrarotbereich liegt. Das Silizium des Substrats 105 ist im Wesentlichen transparent für Infrarotstrahlung, das Siliziumnitrid des Materials 170 jedoch weit weniger. Bei Bestrahlen durch Laserlicht erwärmt sich das Material 170 und dadurch auch das Substrat 105 im Bereich der Öffnung 150.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Pumpmembran 125 am oberen Trägermaterial 115 ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform kann die Pumpmembran 125 auch am unteren Trägermaterial 110 ausgebildet sein, sodass alle aktiven Strukturen des Halbleitersensors 100 im gleichen Trägermaterial 110 liegen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann ein Diffusionskanal 140 auch durch eine der Messmembranen 125, 130 verlaufen.
2 zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Sensors 100 von 1 im Bereich der ersten fluiden Verbindung 135. Im linken Bereich der Darstellung ist der Einlassbereich 145 zu sehen und im rechten Bereich ein Teil des ersten Hohlraums 120. Dazwischen liegt ein Abschnitt, in dem das obere Trägermaterial 115 auf der ersten fluiden Verbindung 135 liegt.
Durch das selektive Verschließen von Öffnungen 150 kann die erste fluide Verbindung 135 aus einem oder mehreren Diffusionskanälen 140 gebildet werden, dessen fluide Eigenschaften an den individuellen Halbleitersensor 100 angepasst sein können.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Abgleichen eines Halbleitersensors 100 der 1 oder 2. In einem ersten Schritt 305 wird der Halbleitersensor 100 bereitgestellt. In einem nachfolgenden Schritt 310 wird ein Gas mit bekannter Zusammensetzung im Einlassbereich 145 bereitgestellt. Das Gas kann insbesondere einen vorbestimmten Restsauerstoffgehalt aufweisen, der mittels des Halbleitersensors 100 zu bestimmen ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Gas auch einen vorbestimmten Gehalt von Stickoxid (NO_x) aufweisen, der mittels des Halbleitersensors 100 in der erweiterten, in 1 dargestellten Ausführungsform mit der zweiten Messmembran 165 bestimmt werden soll.
In einem weiteren Schritt 315 wird die Pumpmembran 125 derart angesteuert, dass sich an der ersten Messmembran 130 eine vorbestimmte Spannung einstellt. Die Messmembran 130 kann nach dem Vorbild einer Nernst-Zelle aufgebaut sein, wobei die Spannung 0,45 V betragen kann.
In einem Schritt 320 wird der Pumpstrom durch die Pumpmembran 125 bestimmt. Der Pumpstrom gibt einen Hinweis auf die Restsauerstoffkonzentration in dem im Einlassbereich 145 vorliegenden Gas. Um einen vorbestimmten Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom und dem Restsauerstoffgehalt des Gases herzustellen, können in einem Schritt 325 eine oder mehrere Öffnungen 150 eines oder mehrerer Diffusionskanäle 140 verschlossen werden, und zwar bevorzugterweise mittels eines Lasers, insbesondere eines Infrarot-Lasers. Gegebenenfalls können die Schritte 315 bis 325 mehrfach iteriert werden, bis der gewünschte Zusammenhang eingestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann auch die zweite fluide Verbindung 160 in ähnlicher Weise geeicht werden.
Die Schritte 315 und 320 werden üblicherweise von einem Messsystem durchgeführt, um mittels eines Halbleitersensors 100 eine Messung an einem Gas durchzuführen. Das Messsystem kann insbesondere Teil eines Steuergeräts sein, um einen Verbrennungsmotor zu steuern, dessen Abgas mittels des Halbleitersensors 100 analysiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 02/02458 [0007]
DE 102004036032 A1 [0007]
DE 102004036035 A1 [0007]

Claims

Halbleitersensor (100), umfassend: – einen Hohlraum (120); – eine fluide Verbindung (135) zwischen dem Hohlraum (120) und einem Einlassbereich (145); – eine Pumpmembran (125), die den Hohlraum (120) begrenzt; und – eine Messmembran (130), die den Hohlraum (120) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verbindung (135) einen Diffusionskanal (140) mit mehreren Öffnungen (150) im Einlassbereich (145) oder mehrere Diffusionskanäle (140) mit jeweils einer Öffnung (150) im Einlassbereich (145) umfasst, – und wenigstens eine der Öffnungen (150) mittels Laserlicht verschlossen werden kann, um eine effektive Länge oder einen effektiven Querschnitt der fluiden Verbindung (135) zu beeinflussen.
Halbleitersensor (100) nach Anspruch 1, wobei die fluide Verbindung (135) und der Hohlraum (120) in einem Halbleitermaterial (105) ausgebildet sind.
Halbleitersensor (100) nach Anspruch 2, wobei im Bereich der Öffnung (150) ein Material (170) angebracht ist, das Infrarotstrahlung stärker als das Halbleitermaterial (105) absorbiert, sodass das Material (170) mittels eines Infrarot-Lasers geschmolzen werden kann, um die Öffnung (150) zu verschließen.
Halbleitersensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Diffusionskanäle (140) vorgesehen sind, die unterschiedliche effektive Querschnitte aufweisen.
Halbleitersensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Diffusionskanal (140) mäanderförmig verläuft.
Halbleitersensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (120) zwischen einem ersten (105, 110) und einem zweiten Halbleitersubstrat (105, 115) gebildet ist, die miteinander verbunden sind.
Halbleitersensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Hohlraum (155) vorgesehen ist, der mittels einer zweiten fluiden Verbindung (160) mit dem ersten Hohlraum (120) verbunden und mittels einer zweiten Messmembran (165) begrenzt ist.
Verfahren (300) zum Herstellen eines Halbleitersensors (100), folgende Schritte umfassend: – Bereitstellen (305) eines Halbleitersensors (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche; – Bereitstellen (310) eines Gases mit bekannter Zusammensetzung im Bereich des Einlasses (145); – Ansteuern (315) der Pumpmembran (125) derart, dass sich an der Messmembran (130) eine vorbestimmte Spannung einstellt; und – Verschließen (325) einer oder mehrerer Öffnungen (150) in Abhängigkeit eines durch die Pumpmembran (125) fließenden Pumpstroms, um einen vorbestimmten Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom und der Zusammensetzung des Gases herzustellen.
Verfahren (300) nach Anspruch 8, wobei das Bereitstellen des Halbleitersensors (100) ein einseitiges Aushöhlen eines ersten Halbleitersubstrats (105, 110, 115) und das Verbinden mit einem zweiten Halbleitersubstrat (105, 110, 115) umfasst.