氣體傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于檢測(cè)氣體的或者氣體成分的濃度的設(shè)備和方法以及這種設(shè)備或者這種方法的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]已知由半導(dǎo)體的金屬氧化物或者由作為敏感材料的有機(jī)層或聚合物層構(gòu)成的氣體傳感器用于證實(shí)氣體或者氣體的某些成分。在此，由于氣體的或者待測(cè)氣體成分的存在通過(guò)測(cè)量導(dǎo)電性的、電容的和/或排出功的感應(yīng)變化實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的傳感器元件中的信號(hào)分析處理。為了改進(jìn)傳感器功能和/或再生(Regenerat1n)，氣體傳感器通常借助附加的加熱元件在更高的溫度下(通常在150和500°C之間的溫度區(qū)間中)運(yùn)行。所述加熱元件不僅可以施加在襯底上而且可以直接集成到襯底中。在此，為了控制敏感的氣體傳感器元件而且控制加熱元件，分別設(shè)置兩個(gè)連接端，從而能夠相互獨(dú)立地控制兩個(gè)元件。
[0003]由文檔DE 36 07 065 Al已知一種氣體傳感器，在所述氣體傳感器中設(shè)有由金屬氧化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的感應(yīng)元件并且設(shè)有加熱元件。在此，為了檢測(cè)周圍環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)，在以下時(shí)間區(qū)段期間確定感應(yīng)元件的電阻值:在所述時(shí)間區(qū)段期間不通過(guò)加熱元件來(lái)加熱感應(yīng)元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]以下描述用于檢測(cè)氣體的或者氣體成分的濃度的設(shè)備或者方法以及這種設(shè)備或者這種方法的使用。在此提出，構(gòu)型為氣體傳感器的設(shè)備具有至少一個(gè)傳感器元件以及一個(gè)加熱元件，所述至少一個(gè)傳感器元件具有氣體敏感層，所述加熱元件用于加熱氣體敏感層。在此，所述加熱元件如此設(shè)置，使得其能夠在檢測(cè)之前將敏感層加熱到所期望的溫度上和/或能夠在檢測(cè)期間保持在所期望的溫度上。此外，加熱元件也能夠?qū)崿F(xiàn)在需要時(shí)向氣體敏感層排氣，例如以便能夠重新實(shí)現(xiàn)吸附(Absorpt1n)。為了加熱加熱元件，設(shè)置第一接通部(Kontaktierung)，在所述第一接通部上可以施加第一電壓。此外，在加熱之后可以借助第二接通部將第二電壓施加到傳感器元件上或者氣體敏感層上以進(jìn)行測(cè)量值檢測(cè)?，F(xiàn)在，本發(fā)明的核心在于，兩個(gè)接通部至少部分地具有一個(gè)共同的控制(Ansteuerung)，其方式是它們電地相互連接，其中第一接通部具有二極管，所述二極管在施加第二電壓、尤其第二電壓的極性時(shí)基本上截止流過(guò)加熱元件的電流流動(dòng)。
[0005]因此，兩個(gè)元件(加熱元件和傳感器元件)可以與一個(gè)共同的電壓源直接連接，然而通過(guò)控制的不同大小和/或極性至少部分地相互分離地運(yùn)行。因此附加地，通過(guò)所述共同的控制也可以避免第二控制電路的完整的、分離的構(gòu)型，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更緊湊的氣體傳感器。
[0006]可選擇地，也可以設(shè)有分析處理單元，其由根據(jù)傳感器元件的控制的測(cè)量值檢測(cè)導(dǎo)出氣體的或者氣體成分的濃度。為此，如有必要在施加第一電壓時(shí)加熱元件的加熱期間和/或在施加第二電壓時(shí)的測(cè)量值檢測(cè)期間也可以考慮溫度的檢測(cè)。
[0007]在本發(fā)明的一種特別的構(gòu)型中，至少部分地以微機(jī)械的結(jié)構(gòu)方式制造氣體傳感器。為此，傳感器元件的敏感層可以施加在半導(dǎo)體襯底的表面上，例如與膜片鄰接。在此，加熱元件可以直接集成到半導(dǎo)體襯底中或者同樣設(shè)置在敏感層附近的半導(dǎo)體襯底的表面上，例如半導(dǎo)體襯底的相對(duì)置的一側(cè)上?？梢越柚獠康逆I合連接實(shí)現(xiàn)加熱元件的與傳感器元件的或者氣體敏感層的接通，在所述鍵合連接中在加熱元件之前接入二極管。然而替代地也可以設(shè)置，直接通過(guò)半導(dǎo)體襯底實(shí)現(xiàn)加熱元件的和傳感器元件的接通或者控制之間的連接。因此，半導(dǎo)體襯底可以大面積地或者也受限制地(例如在過(guò)孔中)由不同摻雜的并且必要時(shí)埋藏的層組成，從而形成png。然后，襯底中的所述pn結(jié)可以同時(shí)用作用于連接加熱元件的二極管。
[0008]為了運(yùn)行氣體傳感器設(shè)置，在第一步驟中，用于運(yùn)行加熱元件的第一電壓位于二極管的擊穿電壓(Durchbruchspannung)或者閾值電壓之上。因此，雖然施加了在截止方向上施加到二極管上的電壓，但是能夠?qū)崿F(xiàn)流過(guò)加熱元件的電流流動(dòng)。雖然在所述情形中電流同樣流過(guò)氣體敏感層，但所述電流比流過(guò)加熱元件的電流小若干數(shù)量級(jí)。在可能直接隨后的第二步驟中，如此降低電壓，使得所述電壓減小到二極管的截止電壓以下，以便得出適合的測(cè)量參量的檢測(cè)以導(dǎo)出周圍的氣體的或者氣體成分的濃度。通過(guò)二極管的截止作用，電流的主要部分流經(jīng)傳感器元件并且因此流經(jīng)氣體敏感層。
[0009]在本發(fā)明的以上實(shí)施中設(shè)置，借助直流電壓進(jìn)行加熱元件的控制和傳感器元件的控制。然而也能夠?qū)崿F(xiàn)，借助交流電壓進(jìn)行加熱元件的加熱并且借助直流電壓進(jìn)行濃度參量的檢測(cè)。
[0010]作為本發(fā)明的擴(kuò)展方案也可以設(shè)置，依次串聯(lián)多個(gè)二極管。然而，在此要注意的是，必須大于擊穿電壓的或者閾值電壓的總和地選擇在第一步驟中使用的第一電壓，以便能夠?qū)崿F(xiàn)電流流動(dòng)。
[0011]當(dāng)然可以設(shè)置，根據(jù)本發(fā)明的傳感器除檢測(cè)氣體的或者氣體成分的濃度以外還可以檢測(cè)其他的參量。在此可以設(shè)置，能夠通過(guò)氣體敏感層的不同的控制以及可能的排氣過(guò)程來(lái)相繼檢測(cè)多個(gè)氣體成分。此外當(dāng)然也能夠?qū)崿F(xiàn)借助其他的傳感器元件來(lái)檢測(cè)其他的測(cè)量參量并且將所述其他的測(cè)量參量與所檢測(cè)的氣體傳感器測(cè)量參量進(jìn)行組合。
[0012]此外，所提出的本發(fā)明能夠用于消費(fèi)產(chǎn)品一一如移動(dòng)終端設(shè)備。因此例如可設(shè)想的是，所述設(shè)備設(shè)置在手機(jī)或智能電話中，以便借此能夠進(jìn)行移動(dòng)的空氣分析或呼吸氣體分析。對(duì)于家用設(shè)備中的醫(yī)療技術(shù)的設(shè)備(例如Lap-On-Chip-Analytik)并且對(duì)于在機(jī)動(dòng)車中的使用(例如尾氣檢查)而言，也能夠?qū)崿F(xiàn)類似的應(yīng)用。
[0013]其他的優(yōu)點(diǎn)由對(duì)實(shí)施例的以下描述或者由從屬權(quán)利要求得出。
【附圖說(shuō)明】
[0014]在圖1中示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的框圖。
圖2示出所基于的方法的流程圖。
在圖3a和3b中示出在半導(dǎo)體襯底中實(shí)現(xiàn)氣體傳感器時(shí)的加熱元件和傳感器元件的布置的兩種可能的實(shí)施方式。
在圖4a至4d中示出在使用薄層膜片時(shí)的加熱元件和傳感器元件的布置的其他實(shí)施方式。 在圖5和6中分別不出另一實(shí)施方式。
【具體實(shí)施方式】
[0015]如開(kāi)始已經(jīng)解釋的那樣，對(duì)于氣體或者氣體成分的檢測(cè)需要相應(yīng)敏感的傳感器元件。所述氣體敏感的傳感器元件可以具有以下材料:所述材料的電阻根據(jù)周圍的氣體大氣發(fā)生變化(半導(dǎo)體的金屬氧化物、有機(jī)化合物或者聚合物化合物)。為了提高傳感器元件的敏感度或者在吸收氣體或者氣體成分之后再次建立再生，有針對(duì)性地借助加熱元件--
例如曲折狀的金屬印制導(dǎo)線來(lái)加熱整個(gè)傳感器設(shè)備，但也可以僅僅加熱敏感的傳感器元件。
[0016]根據(jù)圖la，根據(jù)設(shè)備100闡明本發(fā)明的原理，其中對(duì)于氣體傳感器所需的氣體敏感的傳感器元件I1可以由所分配的加熱元件120加熱。在此尤其設(shè)置，可以通過(guò)相同的(直流)電壓源140必要時(shí)通過(guò)相同的觸點(diǎn)來(lái)運(yùn)行兩個(gè)元件110和120。然而為了能夠?qū)嵤┧谕臍怏w成分的濃度的檢測(cè)或者確定，需要?dú)怏w敏感的傳感器元件110與通過(guò)加熱元件120的加熱無(wú)關(guān)的單獨(dú)運(yùn)行。為此根據(jù)本發(fā)明，二極管130添加到加熱元件120的連接端上并且借助直流電壓源140的至少兩個(gè)不同的電壓Ul和U2運(yùn)行整個(gè)設(shè)備，其中如此設(shè)置直流電壓源140的極性，使得所述直流電壓源在二極管130的擊穿方向上施加，其中在二極管的閾值電壓以下選擇至少一個(gè)電壓并且在閾值電壓以上選擇至少一個(gè)另外的電壓。
[0017]可選擇地也能夠如此施加直流電壓，使得第一電壓在二極管的導(dǎo)通方向上施加，而第二電壓在二極管的截止方向上施加。在此設(shè)置電壓源的附加的控制元件。
[0018]在此，在兩個(gè)階段(參見(jiàn)圖2)中實(shí)現(xiàn)根據(jù)圖1b的設(shè)備100的運(yùn)行。在tl和t2之間的第一(運(yùn)行)階段中使用(直流)電壓U1，所述電壓位于二極管130的擊穿電壓或者閾值電壓以上。由此，接通經(jīng)由加熱元件120的電流回路，從而其能夠加熱。由此，通過(guò)加熱元件120和氣體敏感的傳感器元件110之間設(shè)置的熱接觸也加熱傳感器元件110，例如加熱到所期望的運(yùn)行溫度上。
[0019]典型的加熱元件的電阻位于0.1至1000歐姆的范圍內(nèi)、優(yōu)選I至100歐姆的范圍內(nèi)，而氣體敏感的傳感器元件110的電阻通常大多個(gè)數(shù)量級(jí)。因此對(duì)于氣體敏感的傳感器元件的材料而言電阻值位于10千歐姆至1000千歐姆的范圍內(nèi)。因?yàn)橐虼藢?duì)于傳感器元件110而言存在比對(duì)于加熱元件120而言高得多的電阻，所以在所述第一階段中沒(méi)有顯著的電流流經(jīng)氣體敏感的傳感器元件110。因此，基本上通過(guò)與加熱元件120的熱接觸實(shí)現(xiàn)傳感器元件I1的加熱。
[0020]在t2和t3之間的第二(運(yùn)行)階段中，如此降低所施加的(直流)電壓U2，使得所述電壓位于閾值電壓Uth以下。由此二極管130截止，從而全部電流流經(jīng)氣體敏感的傳感器元件110。因此，所述第二階段用于測(cè)量氣體濃度。根據(jù)周圍的氣體大氣出現(xiàn)氣體敏感的元件的特有電阻并且由此出現(xiàn)特有電流。
[0021]在測(cè)量值檢測(cè)的第二階段期間不進(jìn)行氣體敏感的元件的加熱。然而通常存在所使用的氣體敏感層的氣體敏感度與其溫度之間的相關(guān)性。因此，在測(cè)量值檢測(cè)時(shí)考慮在第一階段中傳感器元件110的所達(dá)到的或者所調(diào)節(jié)的溫度。根據(jù)加熱裝置/傳感器裝置的實(shí)施方式，必須在測(cè)量氣體濃度時(shí)相應(yīng)地考慮所述相關(guān)性。
[0022]在圖3a和3b中示出在半導(dǎo)體襯底中實(shí)現(xiàn)氣體傳感器時(shí)的加熱元件和傳感器元件的布置的兩種可能的實(shí)施方式。如在圖3a中可以看到的那樣，在半導(dǎo)體襯底150上施加氣體敏感的傳感器層110，所述氣體敏感的傳感器層能夠借助沒(méi)有示出的分析處理電路實(shí)現(xiàn)確定的氣體成分的相應(yīng)濃度的檢測(cè)。在所述實(shí)施例中，加熱元件120作為獨(dú)立的元件直接嵌入到襯底150中。在圖3b中示出一種替代方案，其中加熱元件120施加在襯底150的與氣體敏感的傳感器層120相對(duì)置的一側(cè)上。通過(guò)在截止方向上連接到直流電壓源140上的二極管130，能夠借助以上描述的控制方法實(shí)現(xiàn)分開(kāi)的加熱和測(cè)量值檢測(cè)。此外，襯底的高熱容能夠?qū)崿F(xiàn)在關(guān)斷加熱元件之后溫度變化如此緩慢進(jìn)行，使得在測(cè)量值檢測(cè)的必需的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生氣體敏感層110的顯著溫度變化。由此也得到對(duì)所使用的氣體敏感層的敏感度的不顯著的影響。
[0023]在圖4a至4d中示出在使用薄層膜片時(shí)的加熱元件和傳感器元件的布置的其他實(shí)施方式。因此，圖4a示出半導(dǎo)體襯底400中的薄層膜片430，其中氣體敏感層410設(shè)置在襯底400的位于薄層膜片430下方的凹槽中。與此相反，加熱元件420設(shè)置在薄層膜片430的相對(duì)置的一側(cè)上。在此，如以上所描述的那樣，在截止方向上控制加熱元件時(shí)通過(guò)二極管的前置實(shí)現(xiàn)兩個(gè)元件的電接通或者控制。圖4b至4c示出薄層膜片430的區(qū)域中的加熱元件4