JP6975336B2 - 分析ガスの濃度を測定するためのガスセンサー - Google Patents

Description

本発明は、分析ガスを加熱するための、第１の膜上に配置された少なくとも１つの分析発熱体を備え、基準ガスを加熱するための、第２の膜上に配置された基準発熱体を備え、基準発熱体の電気抵抗に対する、分析ガスによって引き起こされた分析発熱体の抵抗変化を測定するための少なくとも１つの評価電子機器を備えた、熱伝導原理に基づいて分析ガスの濃度を測定するためのガスセンサーに関する。

抵抗による測定原理に基づいて働くガスセンサーの場合、測定すべきガスまたはガス混合物は、感ガス性センサー素子の伝導性に直接的に影響を及ぼす。この抵抗変化が、ガスまたはガス混合物の濃度に関する測定量として用いられる。この場合、感ガス性センサー素子は、センサー層または発熱体であり得る。例えば白金ヒーターの形態の１つまたは複数の発熱体が膜上に配置され得る。この発熱体は、一定の電流でまたは一定の出力で動作させることができ、かつ周囲温度より熱いことができる。

例えば水素濃度を測定するには、２６０μＷ／ｃｍＫの空気の熱伝導性より高い１８１０μＷ／ｃｍＫの水素の熱伝導性が活用され得る。発熱体の周囲に水素が存在する場合、水素のより高い熱伝導性およびそれに伴うより大きな放熱に基づいて、発熱体の温度が下がり、それにより発熱体の抵抗が低下する。この抵抗変化は、または発熱体を一定の温度に保つために調達されなければならない追加的な熱出力は、水素の濃度に比例する。熱伝導性は周囲温度に依存するので、例えばさらなる温度センサーを使って周囲温度が測定され得る。

さらに発熱体の抵抗は、周囲温度が変化する場合に発熱体材料の温度係数に基づいて、または異なる動作電圧に基づいて変化することが知られている。適切な評価アルゴリズムを使って、例えば水素を空気中の湿気と区別することができる。

ガスセンサーが、確実かつ精密にガスの濃度を測定し得るためには、周囲温度の変化、空気中の湿気の変化、および異なる動作電圧の際の、発熱体の電気抵抗の変化が考慮されなければならない。これは、複雑な評価電子機器およびセンサーの比較的大きな寸法という結果をまねき得る。

本発明の基礎となる課題は、外部条件または時効効果に関係なく、少なくとも１種のガスの精密な濃度測定を実施し得るコンパクトなガスセンサーを提案することに見いだされ得る。

この課題は、独立請求項のそれぞれの対象によって解決される。本発明の有利な形態は、それぞれ従属請求項の対象である。
本発明の一態様によれば、熱伝導原理に基づいて分析ガスの濃度を測定するためのガスセンサーが提供される。このガスセンサーは、分析ガスを加熱するための、第１の膜上に配置された少なくとも１つの分析発熱体を有する。第２の膜上では、基準ガスを加熱するための基準発熱体が配置されている。評価電子機器は、基準発熱体の電気抵抗に対する、分析ガスによって引き起こされた分析発熱体の抵抗変化の測定に用いられる。本発明によれば、第１の膜および第２の膜は互いに隣接してセンサー基板内に配置されており、センサー基板の片面に配置されたベース基板により、第１の膜とベース基板の間で測定体積が、および第２の膜とベース基板の間で基準体積が形成可能である。

ガスセンサーまたはガスセンサーのチップ面の寸法を可能にするために、追加的なウエハまたはベース基板がセンサー基板の下面に取り付けられ、これにより、水素ガスまたは水蒸気または基準ガスがまったくまたは規定量しか導入されない基準体積が生成される。検出すべきガスに対してカバーされた基準体積を有するダブル膜チップとしてのガスセンサーの使用により、とりわけガスセンサーの寸法を小さくできる。ベース基板の下面は、例えば接合面としてまたはさらなる機能性のための基板として使用され得る。

基準体積の使用により、抵抗に関する製造技術的な変動が均一化され得る。なぜならこの変動が基準体積および測定体積に同様に関係するからである。この連関は、とりわけガスセンサーの両方の構成要素が一緒にかつほぼ同時に製造されることから生じ得る。第１の膜の第２の膜に対する直接的な配置に基づいて、それらの発熱体もこの変動の影響を同様に受ける。さらに、温度変化および例えば空気中の湿気のようなさらなるパラメータの変化は、両方の体積の両方の発熱体に直接的に影響を及ぼすことができ、したがって基準測定および分析測定の境界条件に関する相違が評価電子機器によって考慮されなくてよい。センサー基板は、ドープされたまたはドープされていない半導体、例えばシリコン、ガラス、プラスチック、またはセラミックから成り得る。

ガスセンサーの一実施形態によれば、測定体積および／または基準体積は、センサー基板内の少なくとも一部の領域でおよび／またはベース基板内の少なくとも一部で形成される。例えば、基準体積および測定体積を、材料除去によりセンサー基板内に施すことができ、かつベース基板によって少なくとも一部の領域で閉鎖することができる。その代わりにまたはそれに加えて、基準体積および／または測定体積が少なくとも一部の領域でベース基板内に突出し得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、基準体積は、開放的または閉鎖的な体積である。例えば、基準体積は第２の膜内の開口部により、隣接する周囲と流体を通すように結合され得る。その代わりに、基準体積は閉鎖されていてよく、かつ規定の基準ガスを有することができる。これにより、分析ガスの濃度測定がより精密に実施され得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、分析ガスは、ベース基板内の少なくとも１つの開口部を通って測定体積内に導入可能である。最も簡単な一実施形態では、分析ガスが穴を介して測定体積内に導入され得る。それだけでなく分析ガスを連続的に貫流させるため、入口開口部および出口開口部を使用してもよい。開口部は、例えばエッチングプロセス、トレンチプロセス、レーザ加工、フライス加工、ドリル加工により、ベース基板内に施され得る。この場合、少なくとも１つの開口部は、構造化されおよび流れを最適化されて成形され得る。少なくとも１つの開口部はとりわけ、この少なくとも１つの開口部が測定体積のために、粒子、湿気、および水の遮蔽部となるように形成され得る。このために、例えば少なくとも１つの開口部の撥水性コーティングが、周囲湿気の付着を低減させ得る。その際、少なくとも１つの開口部は、少なくとも１つの開口部を通るガス流が層流状であるように寸法決定および成形され得る。これにより、ガスセンサーの発熱体の熱伝導方程式またはヒートシンクのための、再現性のある規定の境界条件が実現され得る。さらに、これにより測定結果の比較可能性および再現性が向上し得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、少なくとも１つの発熱体をベースウエハの中または上に施すことができる。これにより、ベース基板が追加的に機能化され得る。例えば追加的な発熱体または発熱路が、基準体積および／または測定体積の加熱に使用され得る。これによりガスセンサーは、より速く動作温度になることができ、または氷を取り除かれ得る。さらに、追加的な加熱により測定体積内の空気中の湿気の凝縮が阻止され得る。セラミック基板の場合、焼結された加熱コイルまたは厚膜法によって圧縮された加熱コイルが、高出力のために使用され得る。追加的な発熱体により、基準体積と測定体積を同じ温度に保つこともでき、これにより比較可能性を向上させ得る。低い熱出力の場合は、白金抵抗発熱体を備えたシリコン基板またはガラス基板が使用され得る。その代わりに、タングステン、銀、金、銅、またはアルミニウムから成る抵抗発熱体を備えた、ドープされた半導体、例えばシリコンカーボネートも使用され得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、少なくとも１つのガスフィルターが測定体積内に配置される。測定体積は機能層で覆われ得る。機能層は、例えば特定の望ましくないガスまたは粒子を少なくとも一時的に結合可能なゲッター材料であり得る。これにより、分析ガス中の邪魔なまたは測定を歪曲する成分が濾別され得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、少なくとも１つのガスフィルターがベース基板の片面に配置される。ベース基板上には、特定のガス種類を濾過するため、特別に機能化された層が施され得る。これにより、望ましくないガスが少なくとも１つの開口部を通って測定体積内に、したがって第１の膜に達し得ることが阻止され得る。例えば、ゲッター層において特定のガスが反応して、例えば固体構造内に入れられ得る。その代わりにまたはそれに加えて、例えば水蒸気またはそのほかの望ましくないガスまたは粒子の侵入を阻止するため、測定体積の少なくとも１つの開口部にガスフィルターを張るかまたは少なくとも１つの開口部をガスフィルターで遮蔽することができる。これにより、水と水素の分離が保証され得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、ベース基板は、接合手段を介してセンサー基板と結合可能である。ベース基板は、例えばガラスフリットボンディング、陽極ボンディング、共晶接合により、またははんだ結合および接着により、センサー基板に配置され得る。つまりベース基板は、多数の可能な方法によりセンサー基板と結合され得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、ベース基板は片面で、接着または封止手段を受けるための接合面を有する。ガスセンサーの縮小した寸法および基板の高い平面平行度に基づき、ベース基板の下面が接合面として使用され得る。とりわけ、ベース基板は空気中の湿気およびそのほかの環境の及ぼす影響に対して効果的に密封されるよう、接着または密封され得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、センサー基板のうちベース基板に対向する面にカバー基板が配置される。ガスセンサーの機械的安定性を上昇させるため、追加的なカバー基板がセンサー基板上に配置され得る。とりわけ、カバー基板を既に事前にセンサー基板上に配置することができ、これにより、安定した基礎が、ガスセンサーを製造するためのさらなる加工ステップのために提供される。カバー基板は、第１の膜および第２の膜の領域で空所を有することが好ましい。この空所は、例えば基準体積および測定体積とまったく同じように材料除去によりカバー基板内に施され得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、評価電子機器の少なくとも一部がカバー基板の上または中に配置される。カバー基板は、電気導体路および電気部品を収容するために使用され得る。これによりガスセンサーが特にコンパクトに実施され得る。とりわけ、これにより外部の評価電子機器をなくすことができる。評価電子機器を成形するために、カバー基板およびセンサー基板内に、例えばシリコン貫通ビア、ワイヤボンディング、およびトレンチ溝が施され得る。さらに、追加的な発熱体がカバー基板の中または上にも施され得る。その代わりにまたはそれに加えて、評価電子機器が少なくとも部分的に、ベース基板の中または上に配置され得る。

ガスセンサーのさらなる一実施形態によれば、カバー基板が、基準体積に対する少なくとも１つの結合開口部を有する。これにより、ガスセンサーの周囲との圧力調整を実施し得るように、基準体積が開放的に実施され得る。

以下に、非常に単純化された概略図に基づいて、本発明の好ましい例示的実施形態をより詳しく解説する。

第１の例示的実施形態に基づくガスセンサーの概略図である。 第２の例示的実施形態に基づくガスセンサーの概略図である。 第３の例示的実施形態に基づくガスセンサーの概略図である。

図では、同じ構造の要素はそれぞれ同じ符号を有している。
図１は、第１の例示的実施形態に基づくガスセンサー１の概略図を示している。ガスセンサー１は、第１の膜２および第２の膜４を有する。第１の膜２上では分析発熱体が配置されている。第２の膜４上では基準発熱体が位置決めされている。第１の膜２および第２の膜４は、センサー基板６の材料除去によって成形される。センサー基板６の下面では、ベース基板８が接合手段１０を介して固定されている。第１の膜２とベース基板８の間では測定体積１２が包囲されている。開口部１４を介し、分析ガスが測定体積１２内に導入されて分析され得る。

第２の膜４とベース基板８の間では基準体積１６が形成されている。第２の膜４内の開口部１８を介し、基準体積１６とガスセンサー１の周囲との間で流体を通す結合が存在する。これにより、例えば基準体積１６内の圧力調整が可能にされ得る。センサー基板６の上面にはカバー基板２０が配置されている。カバー基板２０は、第１の膜２および第２の膜４の領域で切れ目を有する。ベース基板８の下面では、ガスセンサー１の周囲に対して開口部１４を密封するための封止手段２２が施されている。ベース基板８内に、基準体積１６および測定体積１２を加熱するための追加的な発熱体２４が組み込まれている。

図２では、第２の例示的実施形態に基づくガスセンサー１の概略図が示されている。第１の例示的実施形態に基づくガスセンサー１とは異なり、ベース基板８の下面はガスフィルター２６で覆われている。ガスフィルター２６はこの場合、分析すべきガスの測定体積１２内への導管１４を遮蔽している。これにより、例えば測定体積１２内への水蒸気の侵入が阻止され得る。導管１４は、この例示的実施形態によれば４つの互いに平行に配置された開口部の形態で形成されている。

図３は、第３の例示的実施形態に基づくガスセンサー１の概略図を示している。第１の例示的実施形態に基づくガスセンサー１および第２の例示的実施形態に基づくガスセンサー１とは異なり、第３の例示的実施形態に基づくガスセンサー１は、閉鎖的な基準体積１６を有する。この基準体積１６内には基準ガスが閉じ込められており、基準ガスは、測定体積１２内の分析ガスを測定する際に比較の対象にされ得る。基準体積１６は、ここではカバー基板２０によって閉鎖されている。

カバー基板２０は、この例示的実施形態によれば、カバー基板２０上に配置された電子回路２８を有する。電子回路２８の一部は、カバー基板２０内に組み込まれている。電子回路２８はこの場合、評価電子機器２８である。評価電子機器２８は、第２の膜４上に配置された基準発熱体および第１の膜２上に配置された分析発熱体に規定の電圧および規定の電流を、規定の温度の調整のために印加する。

測定体積１２内への分析ガスの導入により、分析発熱体の熱が例えばより速く放出され得るので、したがって規定の温度を維持し得るためには、評価電子機器２８により熱出力が上昇されなければならない。必要な基準体積１６の熱出力と測定体積１２の熱出力との比較に基づいて、測定体積１２内の測定すべきガスの濃度が確定され得る。

Claims (11)

1. ドープされた、またはドープされていない半導体により構成されるセンサー基板（６）であって、前記センサー基板（６）の一部として第１の膜（２）と第２の膜（４）とを備え、前記第１の膜（２）と前記第２の膜（４）は互いに隣接して形成されている、センサー基板（６）と、
   前記センサー基板（６）の片面に配置されたベース基板（８）と、
   分析ガスを加熱するための、前記第１の膜（２）上に配置された少なくとも１つの分析発熱体と、
   基準ガスを加熱するための、前記第２の膜（４）上に配置された基準発熱体と、
   前記基準発熱体の電気抵抗に対する、前記分析ガスによって引き起こされた前記分析発熱体の抵抗変化を測定するための少なくとも１つの評価電子機器（２８）と、
   を備えた、熱伝導原理に基づいて前記分析ガスの濃度を測定するためのガスセンサー（１）であって、
   前記第１の膜（２）と前記ベース基板（８）の間で測定体積（１２）が、および前記第２の膜（４）と前記ベース基板（８）の間で基準体積（１６）が形成されており、前記基準体積（１６）が前記第２の膜（４）内の開口部（１８）を介し、隣接する周囲と流体を通すように結合していることを特徴とするガスセンサー（１）。
2. 前記測定体積（１２）および／または前記基準体積（１６）が、前記センサー基板（６）内の少なくとも一部の領域でおよび／または前記ベース基板（８）内の少なくとも一部で形成されている、請求項１に記載のガスセンサー。
3. 前記分析ガスが、前記ベース基板（８）内の少なくとも１つの開口部（１４）を通って前記測定体積（１２）内に導入可能である、請求項１または２に記載のガスセンサー。
4. 少なくとも１つの発熱体（２４）が前記ベース基板（８）の中または上に施され得る、請求項１から３のいずれか一項に記載のガスセンサー。
5. 少なくとも１つのガスフィルター（２６）が前記測定体積（１２）内に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のガスセンサー。
6. 少なくとも１つのガスフィルター（２６）が前記ベース基板（８）の片面に配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のガスセンサー。
7. 前記ベース基板（８）が、接合手段（１０）を介して前記センサー基板（６）と結合可能である、請求項１から６のいずれか一項に記載のガスセンサー。
8. 前記ベース基板（８）が片面で、接着または封止手段（２２）を受けるための接合面を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のガスセンサー。
9. 前記センサー基板（６）のうち前記ベース基板（８）に対向する面にカバー基板（２０）が配置されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のガスセンサー。
10. 前記評価電子機器（２８）の少なくとも一部が前記カバー基板（２０）の上または中に配置されている、請求項９に記載のガスセンサー。
11. 前記カバー基板（２０）が、前記基準体積に対する少なくとも１つの結合開口部（１８）を有する、請求項９または１０に記載のガスセンサー。

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