CN104049006A - 用于布置在传感器元件的有效测量区域之前的功能元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于布置在传感器元件（12）的有效探测区域（28）之前的功能元件（16），该功能元件具有紧凑的基体（18），所述基体具有气体侧的表面（20）和传感器侧的表面（22），其中在气体侧的表面（20）和传感器侧的表面（22）之间布置有至少两个功能通道（24），所述功能通道（24）关于可传送的气体具有彼此不同的功能。这样的功能元件（16）允许在高的长时间稳定性的情况下传感器的特别是可变的运行。本发明此外涉及传感器装置（10）以及这样的传感器装置（10）的使用。

Description

用于布置在传感器元件的有效测量区域之前的功能元件

技术领域

本发明涉及用于布置在传感器元件的有效测量区域之前的功能元件。此外，本发明涉及具有这样的功能元件和传感器元件的传感器装置。

背景技术

传感器或传感器装置在很多应用中是已知的并且广泛地被推广。在已知的传感器中例如有气体传感器，这些气体传感器可以定性地和/或定量地检验要检验的气体或混合气体的组成部分。

在当前的传感器、诸如废气传感器的情况下，例如陶瓷的传感器元件直接被暴露于要分析的废气中。即使对于新研发的一代气体传感器，传感器元件同样直接被暴露于环境气体或要测量的气流中，其中在这些气体传感器中传感器元件在很小的结构空间上被实施为微型部件。例如在此气体传感器或传感器元件可以通过多孔的膜被保护不受大颗粒损害，以便因此阻止传感器元件的机械损伤。

发明内容

本发明的主题是用于布置在传感器元件的有效探测区域之前的功能元件，该功能元件具有紧凑的基体，该基体具有气体侧的表面和传感器侧的表面，其中在气体侧的表面和传感器侧的表面之间布置有至少两个功能通道，这些功能通道关于可传送的气体具有彼此不同的功能。

气体侧的表面在本发明的意义上可以特别是在将功能元件布置在传感器元件的有效测量区域之前的情况下指向要测量的气体的方向的表面。相应地，基体的传感器侧的表面可以特别是如下的表面，该表面在将功能元件布置在传感器元件的有效测量区域之前的情况下对准传感器元件的方向。

此外，在本发明的意义上，功能通道可以是用于气体的通道或导向装置，在该通道中所传送的气体由于功能元件的可布置性特别是可以经受处理，因此该通道关于气体可以具有至少一个功能。然而，该功能例如也可以在没有设置明确的功能元件的情况下、例如在参考值的提供中是可实现的。

气体的预处理或相应的功能在此可以表示对气体的任何影响，而关于这一点在本发明的意义上不受限制。

要测量的气体在本发明的意义上特别是可以被理解为任何气体，即包括一种物质的气体或包括多种物质的气体，即混合气体。

通过上述的功能元件能够以有利的方式实现，在应用多种不同的气体预处理的情况下运行总传感器。

为此，该功能元件首先具有基体，该基体具有气体侧的表面和传感器侧的表面。因此该功能元件的基体包括可以被布置在传感器元件的有效测量表面上的表面或侧面，以及可以被暴露于要测量的气体中的其它表面。该传感器元件的有效测量表面在此特别是如下表面，传感器元件能够以该表面与要测量的气体进行接触并且在此可以实行测量。此外，该传感器元件特别是传感器的有效部分。因此该功能元件用于至少部分地、特别是完全地覆盖传感器元件的有效表面，并且在此相对于要测量的气体被布置在传感器表面的上游。换句话说，要测量的气体在其在传感器元件处或在传感器元件的有效测量表面处被探测之前流经该功能元件。

为了能够实现这一点，在气体侧的表面和传感器侧的表面之间布置有至少两个不同的功能通道。所述功能通道在此可以特别是功能元件的气体侧的表面和传感器侧的表面之间的唯一的连接，因为该功能元件的基体可以是紧凑的并且因此基本上是不透气的。此外，所述功能通道特别是关于其功能可以是不同的。例如可以实施不同的预处理。

所述功能通道在此可以示例性地用于在传感器元件的有效测量表面处探测之前对气体进行预处理。因此通过上述的功能元件可能的是，不仅仅能够实现所定义的预处理，而是更确切地说能够实现用于总传感器的多种不同的气体预处理。

在此，功能通道的数量和因此同样地用于要测量的气体的可并行地执行的预处理步骤的数量基本上可以是可自由选择的。例如这样的功能元件可以装备有多个功能通道，这些功能通道的仅仅一部分通过相应部件的插入被分配功能。其它的功能通道例如能够实现没有要测量的气体的预处理的测量作为参考值，和/或能够用作备用通道，这些备用通道可以是随时可加装确定功能的。这能够不仅仅直接在功能元件的制造中实现特别大的变化性，而是这此外可以在功能元件或装备有该功能元件的传感器的整个运行或整个寿命期间实现。

这例如可以使同时测量不同地被预处理的气体种类成为可能。这一方面能够实现特别强地清楚鲜明地形成选择性，并且另一方面能够实现用于混合气体的多气体传感器。

因此上述的功能元件特别是在只使用一个传感器元件的情况下能够实现执行多种并行的并且不同的测量方法。由此在使用紧凑的传感器的情况下可以收集多个信息，为此根据现有技术常常必须使用多个要彼此分开布置的传感器。与现有技术中的解决方案相反，通过上述的功能元件，即使在紧凑的结构空间中也可以实现这样的测量多样性。

然而在此不仅仅能够实现特别宽泛的测量多样性，而是此外特别时间少地实现这样的测量多样性，因为测量不是一个接一个地、而是更确切地说基本上可以是在时间上并行地可执行的。

上面提到的优点在此可以在使用唯一的部件的情况下是可实现的，该部件特别是可成本低地制造的并且可以以简单的方式与已知的传感器元件组合。因此上述的功能元件也可以以特别简单的方式集成到现有的传感器中，这也特别简单地形成现有的传感器的加装。

概括地，这样的功能元件在此通过要测量气体的基本上任意的数量的基本上要并行执行的预处理并且因此通过多种要执行的测量方法能够实现传感器功能的显著的优点和传感器元件的稳定性。

在一种扩展方案的范围内，基体可以至少部分地由材料构型，该材料从由硅、碳化硅、氧化硅、氧化铝、半导体和玻璃组成的组中选择。特别有利的是可借助微系统技术的方法良好地结构化的材料，例如半导体衬底、如硅晶片或玻璃衬底、如Foturan。例如该基体可以完全由这样的材料构型，或由这样的材料组成。上面提到的材料的使用可以特别是能够实现，借助微系统技术的本身已知并且成熟的方法来加工或结构化该材料。在此已知的是例如用于产生所定义的孔、空腔或多孔的区域的方法和过程。这特别是适用于硅或基于硅的材料。同样在此已知的是用于处理电连接或加热元件的方法，这同样可以是有利的，如这在稍后详细地被阐明的。使用微系统技术的方法在此可以是有利的，因为一方面被确定小尺寸的传感器元件也可以装配功能元件，或功能元件也可以以最小的尺寸来制造。例如位于微结构化的预处理装置之下的气体传感器、诸如大小2×2 mm²的芯片的敏感区域可以具有10*100μm²的面积并且位于离第二气体敏感区域几百微米处。利用微系统技术的方法可以使微结构化的预处理装置正好适配于芯片的敏感区域的面积大小和间距并且此外也以所定义的方式、例如以45°角形成开口的棱角。此外，利用这样的方法可以实现高度精确的结构化，这特别是在高度精确的测量情况下可以是有利的。此外，微系统技术的上面提到的方法特别是允许这样的功能元件的成本很低的制造。

在另一种扩展方案的范围内，至少一个功能通道可以是至少部分地、即至少局部受限制地可调温的（temperierbar）。该扩展方案可以对于多个应用或功能是有利的。例如通过功能通道的调温，流经的气体可以在碰撞到传感器元件之前被冷却，因此由于要测量的气体的过分高的温度所导致的传感器元件的损伤可以被阻止。此外，要测量的气体的恒定的温度对于特别精确的测量可以是有利的。此外，用于要测量的气体的多个预处理步骤可以特别有利地在提高的温度下或基本上在所定义的温度条件下进行。因此气体预处理可以以特别优选的方式在被调温的功能通道中进行。在此例如对于被调温的通道的构造可能有利的是，如上所述，基体由如下材料成型，该材料可以利用微系统技术的方法来处理。因为在这样的材料的情况下或利用这样的方法可以没有问题地并且成本低地加入调温结构、诸如被确定小尺寸的冷却通道或加热通道。

在另一种扩展方案的范围内，至少一个功能通道可以具有至少一个功能通道元件，该功能通道元件从由催化剂、扩散势垒、离子导通材料和存储介质组成的组中选择。

关于催化剂，例如能够实现要测量的气体或要测量的混合气体的组成部分的反应。特别是能够通过催化有效的材料、诸如铂或活性炭实现，从混合气体中滤出确定的物质或调节确定的气体种类的热动力平衡。基本上，功能通道或功能通道之内的各个功能区域的可加热性结合催化剂可以是有利的。作为这样的催化有效的材料的载体，例如可以使用透气的、诸如多孔的、被布置在功能通道中的材料，以便最大化催化剂的表面以及因此最大化催化剂交换。例如在使用具有上述的功能元件的传感器的情况下可以分析混合气体，该混合气体包括一氧化氮到二氧化氮，其中该功能元件具有两个功能通道。在此可以在一个功能通道中的一个功能区域内采用催化剂材料，该催化剂材料将全部的一氧化氮转化为二氧化氮。在另一功能通道中可以放弃设置催化有效的材料，因此在此在传感器的有效海面处可没有改变地探测由一氧化氮和二氧化氮组成的混合气体。根据传感器信号的差别，随后不仅可以确定一氧化氮和二氧化氮的总量，而且可以确定二氧化氮和一氧化氮的部分浓度。此外，利用催化剂可以改变气体组成，因此例如确定的气体被转换，使得该气体可以被相应的传感器元件特别敏感地探测。

扩散势垒此外特别是可以被理解为这样的元件，该元件可以阻碍或以所定义的方式调节流体介质、特别是气体或液体的扩散。作为示例性的元件，扩散势垒可以被理解为多孔的介质或格栅。通过设置这样的扩散势垒，影响浓度变化的扩散可以变成可能。在具有高扩散率、例如具有气孔直径比较大的多孔材料的功能通道和具有低扩散率、例如具有气孔直径比较小的多孔材料的其它功能通道的示例性组合中，被布置在功能元件处的传感器可以以有利的方式区分气体浓度变化的速度。扩散势垒、诸如多孔的介质的其它优点是特别好地并且可靠地保护传感器免受磨损、直接的水冲击或颗粒冲击以及污染、诸如免受炭黑损害。

关于离子导通材料，例如质子导体或氧离子导体是已知的。如果例如在功能元件的功能通道中使用氧离子导体，那么位于该功能元件之下的传感器元件或传感器元件的区域的信号只能归因于氧。因此例如在对氧敏感的化学传感器元件或测量原理中可以通过与另一功能通道比较的信号结算将对氧敏感度包括在内。离子导通元件的例子是本身已知的能斯脱单元或泵单元，这些能斯脱单元或泵单元通过使用掺杂二氧化钇的氧化锆而被构型为氧离子导体。

关于存储介质、诸如吸气剂，该存储介质特别是可以导致，确定的气体组成部分被束缚到存储介质上，使得这些气体组成部分不到达被布置在下游的传感器。在功能通道中采用选择性的存储材料、诸如选择性的吸气剂的情况下，通过该化学传感器信号与其中没有前置这样的存储介质的其它有效测量区域的比较可以精确地确定特定地在该吸气剂中被捕获的物质的量。由此测量的多样化的评估可以是可能的。此外，能够以特别简单的方式实现，在气流抵达传感器元件之前，可能被包含在要测量的气体中的并且例如作为传感器毒物起作用并且因此降低传感器元件的有效性的物质有效地从气流中被去除。示例性的存储材料包括用于氧存储的氧化铈（Ceroxid）或通过硝酸钡形成的用于氧化氮存储的含钡的连接。

在另一种扩展方案的范围内，一个功能通道可以具有两个串联的功能通道元件。在该扩展方案中，因此特别是一个功能通道元件可以被布置在一个功能通道中的另一个功能通道元件的下游。因此在该功能通道中的要测量的气体抵达传感器元件的相应的测量区域之前，可以执行气体的两种预处理。例如可以设置存储介质，在该存储介质的下游设置有氧化催化剂。因此可以有效地拦住例如催化剂毒物。在此也可以加热功能通道中的各个功能区域。在此根据总传感器的大小和导热性也可以将功能通道中的不同区域加热到不同的温度，或对温度进行调制。因此可以调节例如不同的催化剂温度和因此不同的热动力平衡。

在另一种扩展方案的范围内，可以设置功能层，该功能层至少部分地、即至少局部受限制地被布置在功能元件的气体侧的表面上。在该扩展方案中，因此可以利用附加的功能层覆盖例如仅仅功能通道、功能元件的确定的区域或整个功能元件。该附加的外部的功能层可以具有例如存储介质、诸如吸气剂，该存储介质可以作为防止物质的中毒防护起作用，该物质不应该接触功能元件或传感器元件。基本上，该功能层在此可以承担上面参考功能通道所描述的每一个功能。

关于根据本发明的功能元件的其它优点和特征，对此详尽地参阅与根据本发明的传感器装置、根据本发明的使用以及图有关的阐述。根据本发明的功能元件的根据本发明的特征和优点也应该可应用于根据本发明的传感器装置和根据本发明的使用并且被视为公开的，并且反之亦然。在说明书、权利要求中和/或在图中公开的特征中的至少两个特征的全部组合也在本发明的范围中。

此外，本发明的主题是一种传感器装置，该传感器装置具有传感器元件并且具有至少一个如上所述被构型的功能元件，该传感器元件具有有效探测表面，其中该功能元件相对于要测量的气体的流向被布置在传感器元件的探测表面的上游。这样的传感器装置特别是允许特别可靠的测量，其中此外可以在原处进行结果的多种评估。在此，该传感器装置此外可以特别是长时间稳定地工作，因为该传感器元件可以特别是极为有效地被保护以免受外部影响。

因此，这样的传感器装置首先包括功能元件，该功能元件如上所述被构型，因此就此而言参阅有关该功能元件的上面的论述。

此外，这样的传感器装置包括传感器元件，该传感器元件可以基于具有离子导通特征的固体电解质或化学上敏感的场效应晶体管。如果目标应用允许针对相应测量原理的合适的条件，那么基本上可以使用任何传感器元件或任何测量原理。该传感器元件例如可以是化学上敏感的场效应晶体管并且基本上是基于示例性的并且非限制性的材料硅（Si）、碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）的基于场效应的气体传感器。例如该气体传感器可以是诸如在文献DE 10 2007 003 541 A1中所述的部件，对此明确地参考该文献。因此可以包括例如在衬底上具有金属层的部件，其中该衬底由半导体材料构成，并且其中在金属层和衬底之间构造有扩散阻挡层，该扩散阻挡层由针对金属层的材料具有小的扩散系数的材料制成。

例如以半导体工艺技术可制造的传感器元件的设置此外能够实现微电子设备的集成，该微电子设备例如用于传感器信号整理是有利的。特别是对于多个必要时不同地被预处理的气体种类的根据本发明可能的同时的测量，用于信号处理的电路的采用是有意义的。通过集成的微电子设备，例如以下的功能可以直接在有效测量表面上或在传感器芯片上实现：信号放大、信号滤波、模拟/数字转换、多路复用以及因此多个不同传感器的控制、λ跳跃特性曲线的线性化、传感器特性曲线的偏移校准、与传感器总线系统的通信等等。

这样的传感器系统的电子设备此外也可以量取、控制和调节如下信号，这些信号在功能元件中产生并且也用于传感器信号的信号处理。例如这可以是加热元件的温度信息或可能存在的能斯脱单元或泵单元的电流或电压。

在一种扩展方案的范围内，该功能元件可以被构型并且被固定在传感器元件上，使得功能通道中的每个与探测表面的独立的局部受限制的探测区域连接。在该扩展方案中，因此每个功能通道被分配传感器元件的独立的区域或独立的传感器元件。因此特别精确的测量或测量结果的特别精确的分析可以是可能的。独立的并且局部受限制的探测区域因此特别是可以被理解为传感器元件的表面上的区域，该区域不能与其它功能通道的探测区域进行交互，或该表面不与其它探测区域的表面流体连接。

在另一种扩展方案的范围内，该功能元件可以被构型为传感器元件的载体。这例如可以是可能的，即该功能元件以所定义的方式具有比传感器元件更大的尺寸。此外，该功能元件可以以合适的稳定性被构型，该稳定性足以能够为了相应的应用目的而用作载体元件。因此该功能元件可以除了防护功能和预处理功能之外此外具有机械的载体功能，其中该功能元件此外可以呈现传感器元件的电接触功能。这在功能元件的制造例如由于有益的材料、诸如代替用于传感器元件的碳化硅的用于功能元件的硅而可以比相应的传感器元件的制造明显更有益地进行时或在相应的制造过程更有益时可以是特别有利的。

关于根据本发明的传感器装置的其它优点和特征，对此详尽地参阅与根据本发明的功能元件、根据本发明的使用以及图有关的阐述。根据本发明的传感器装置的根据本发明的特征和优点也应该可应用于根据本发明的功能元件和根据本发明的使用并且被视为公开的，并且反之亦然。在说明书、权利要求中和/或在图中公开的特征中的至少两个特征的全部组合也在本发明的范围之内。

此外，本发明的主题是如上所述被构型的传感器装置在化学传感器、特别是在气体传感器中的使用。特别是在气体传感器中，通过要测量的气体如上所述地在碰撞到传感器元件的探测表面上之前的有针对性的预处理可以实现特别精确的或动态的测量结果并且此外可以实现测量结果的特别是可变的评估。

气体传感器的示例性的使用在此是λ探针、氧化氮（NO_x）传感器、碳氢化合物（HC）传感器、颗粒传感器、氨气（NH3）传感器以及例如在内燃发动机中、例如在排气管路、车辆、和固定的设备、诸如木炉中使用的其它传感器。

关于其它的化学传感器、特别是化学的传感器，可以在消费者应用、诸如移动电话、家用物品、气体报警器中，在例如用于呼吸气体分析的医学技术设备中，例如在所谓的片上实验室分析学（Lab-on-Chip-Analytik）中使用，并且可以用于在液体中使用，例如用于燃料分析或用于体液的分析。

关于根据本发明的使用的其它优点和特征，对此详尽地参阅与根据本发明的传感器装置、根据本发明的功能元件以及图有关的阐述。根据本发明的使用的根据本发明的特征和优点也应该可应用于根据本发明的传感器装置和根据本发明的功能元件并且被视为公开的，并且反之亦然。在说明书、权利要求中和/或在图中公开的特征中的至少两个特征的全部组合也在本发明的范围之内。

附图说明

根据本发明的主题的其它的优点和有利的扩展方案通过实例和附图来图解说明并且在随后的描述中阐明。在此要注意的是，实例和附图只具有描述性的特性并且并不旨在以任何一种形式来限制本发明。其中：

图1示出根据本发明的传感器装置的一种实施方式的示意图；

图2示出根据本发明的传感器装置的另一种实施方式的示意图；以及

图3示出根据本发明的传感器装置的另一种实施方式的示意图。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的传感器装置10的一种实施方式的示意图。这样的传感器装置10特别是可以在化学传感器、诸如气体传感器中得到使用。

这样的传感器装置10首先包括传感器元件12。该传感器元件12可以以本身已知的方式例如是化学上敏感的场效应晶体管并且基本上是基于示例性的并且非限制性的材料硅（Si）、碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）的基于场效应的气体传感器。在此，该传感器元件12具有有效的测量表面或探测表面14，该测量表面或探测表面是有效测量区域并且能够允许检验要测量的气体或混合气体。

此外，该传感器装置10具有用于布置在传感器元件12的有效测量区域或探测表面14之前的功能元件16。该功能元件16包括具有气体侧的表面20和传感器侧的表面22的紧凑的基体18。该基体18可以在此至少部分地由如下材料来构型，该材料从由硅、碳化硅、氧化硅、氧化铝、半导体和玻璃组成的组中选择。在此，该功能元件16此外相对于要测量的气体的流向被布置在传感器元件12的探测表面14的上游。

该传感器元件16在气体侧的表面20和传感器侧的表面22之间包括至少两个不同的功能通道24，在这些不同的功能通道24中要测量的气体在抵达传感器元件12之前是可预处理的。例如至少一个功能通道24可以具有至少一个功能通道元件25，该功能通道元件从由催化剂、扩散势垒、离子导通材料和存储介质组成的组中选择。在此，此外可以规定，功能通道24具有两个串联的功能通道元件25。根据图1，两个功能通道24具有作为功能通道元件25的扩散势垒。此外，至少一个功能通道24可以是至少部分地可调温的。

在图1中此外可以看出，该功能元件16相对于要测量气体的流向被布置在传感器元件12的探测表面14的上游。功能元件16与传感器元件12的连接例如可以通过玻璃接合26、诸如通过密封玻璃接合（Seal-Glas-Bonden）来实现。在这种情况下可能有利的是，该玻璃接合26至少围绕着不同的、透气的功能通道24气密地实现，使得被预处理的气体可以到达传感器元件12或同一传感器元件的探测表面14的所定义的探测区域28上。换句话说，该功能元件14被构型并且被固定在传感器元件12上，使得功能通道24中的每个与探测表面16的独立的局部受限制的探测区域28连接。为了功能元件16和传感器元件12之间的电流和电压的传输，在此在传感器元件12和功能元件16之间可以存在接触或电连接30。

在图2中示出了根据本发明的传感器装置10的另一种扩展方案。根据图2的传感器装置10大部分对应于图1中的传感器装置10，因此相同或相应的部件配备有相应的附图标记并且此外对于详细的描述参阅有关图1的论述。

在根据图2的扩展方案中此外可以看出，该功能元件16被构型为传感器元件12的载体。这根据图2是可能的，使得功能元件16以所定义的方式具有比传感器元件12更大的规模并且因此该功能元件16可以用作传感器元件12的载体结构。

在图3中示出了根据本发明的传感器装置10的另一种扩展方案。根据图3的传感器装置10大部分对应于图1中的传感器装置10，因此相同或相应的部件配备有相应的附图标记并且此外对于详细的描述参阅有关图1的论述。

在根据图3的扩展方案中此外可以看出，设置有功能层32，该功能层32至少部分地、在根据图3的扩展方案中完全被布置在功能元件14的气体侧的表面20上。此外，在根据图3的扩展方案中，该传感器元件12具有比功能元件14更大的尺寸并且因此可以在此也如在其它的扩展方案中那样用作载体结构。

Claims (10)

1.用于布置在传感器元件（12）的有效探测区域（28）之前的功能元件，该功能元件具有紧凑的基体（18），所述基体具有气体侧的表面（20）和传感器侧的表面（22），其中在气体侧的表面（20）和传感器侧的表面（22）之间布置有至少两个功能通道（24），其中所述功能通道（24）关于可传送的气体具有彼此不同的功能。

2.根据权利要求1所述的功能元件，其中所述基体（18）至少部分地由材料构型，所述材料从由硅、碳化硅、氧化硅、氧化铝、半导体和玻璃组成的组中选择。

3.根据权利要求1或2所述的功能元件，其中至少一个功能通道（24）是至少部分地可调温的。

4.根据权利要求1到3之一所述的功能元件，其中至少一个功能通道（24）具有至少一个功能通道元件（25），所述功能通道元件从由催化剂、扩散势垒、离子导通材料和存储介质组成的组中选择。

5.根据权利要求1到4之一所述的功能元件，其中至少一个功能通道（24）具有两个串联的功能通道元件（25）。

6.根据权利要求1到5之一所述的功能元件，其中设置有功能层（32），所述功能层至少部分地被布置在所述功能元件（16）的气体侧的表面（20）上。

7.传感器装置，具有传感器元件（12）并且具有至少一个根据权利要求1到6之一所述的功能元件（16），所述传感器元件具有有效探测表面（14），其中所述功能元件（16）相对于要测量的气体的流向被布置在所述传感器元件（12）的探测表面（14）的上游。

8.根据权利要求7所述的传感器装置，其中所述功能元件（16）被构型并且被固定在所述传感器元件（12）上，使得功能通道（24）中的每个与探测表面（14）的独立的局部受限制的探测区域（28）连接。

9.根据权利要求7或8所述的传感器装置，其中所述功能元件（16）被构型为所述传感器元件（12）的载体。

10.根据权利要求7到9之一所述的传感器装置（10）在化学传感器中、特别是在气体传感器中的使用。