CN111094960A - 用于测量分析气体的浓度的气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体传感器，该气体传感器用于基于热传导原理测量分析气体的浓度，该气体传感器具有：布置在第一膜片上的、用于加热所述分析气体的至少一个分析加热元件；布置在第二膜片上的、用于加热参考气体的参考加热元件；用于测量所述分析加热元件的由所述分析气体引起的、相对于所述参考加热元件的电阻而言的阻抗变化的至少一个分析处理电子部件，其中，所述第一膜片和所述第二膜片彼此相邻地布置在传感器衬底中，并且其中，通过在一侧布置在所述传感器衬底上的基座衬底能够在所述第一膜片和所述基座衬底之间形成测量容积并且在所述第二膜片和所述基座衬底之间形成参考容积。

Description

用于测量分析气体的浓度的气体传感器

技术领域

本发明涉及一种基于热传导原理的、用于测量分析气体的浓度的气体传感器，所述气体传感器具有：布置在第一膜片上的、用于加热分析气体的至少一个分析加热元件；布置在第二膜片上的、用于加热参考气体的参考加热元件；至少一个分析处理电子部件，用于测量分析加热元件的由分析气体引起的、相对于参考加热元件的电阻而言的阻抗变化。

背景技术

在按照阻抗式测量原理工作的气体传感器中，待测量的气体或气体混合物直接影响气体敏感的传感器元件的传导能力。该阻抗变化用作为针对气体或气体混合物的浓度的测量值。在这里，气体敏感的传感器元件可以是传感器层或加热元件。在一个膜片上例如可以布置有一个或多个呈铂加热件的形式的加热元件。这些加热元件能够以恒定的电流或以恒定的功率运行并且高于环境温度。

为了测量氢气浓度，相对于空气的260μW/cmK的导热能力而言，例如可以利用氢气的1810μW/cmK的导热能力。如果在加热元件的环境中存在氢气，那么由于氢气的较高的导热能力和与其相随的较大的散热，加热元件的温度降低并且因此该加热元件的阻抗减小。这种阻抗变化或附加的加热功率与氢气的浓度成比例，该附加的加热功率必须施加以用于使加热元件保持在恒定的温度上。因为导热能力取决于环境温度，例如可以借助于另外的温度传感器测量环境温度。

此外已知，加热元件的阻抗由于加热元件的材料的温度系数在环境温度改变时或者由于不同的运行电压而改变。借助于合适的分析处理算法例如可以将氢气与空气湿气区分开。

为了气体传感器能够可靠并且精确地测量气体的浓度，必须考虑在环境温度、空气湿度改变时和不同的运行电压中考虑加热元件的电阻的变化。这可以引起传感器的复杂的分析处理电子部件和较大的尺寸。

发明内容

基于本发明的任务可以是，提出一种紧凑的气体传感器，该气体传感器可以根据外部条件或老化效应实施至少一个气体的精确浓度测量。

该任务借助于独立权利要求的相应主题解决。本发明的有利构型是各个从属权利要求的主题。

根据本发明的一方面，提供一种基于热传导原理的用于测量分析气体的浓度的气体传感器。气体传感器具有布置在第一膜片上的、用于加热分析气体的至少一个分析加热元件。在第二膜片上布置有用于加热参考气体的参考加热元件。分析处理电子部件用于测量分析加热元件的由分析气体引起的、相对于参考加热元件的电阻而言的阻抗变化。根据本发明，第一膜片和第二膜片彼此相邻地布置在传感器衬底中，其中，通过在一侧布置在传感器衬底上的基座衬底可以在第一膜片和基座衬底之间形成测量容积并且在第二膜片和基座衬底之间形成参考容积。

为了能够实现气体传感器或气体传感器的芯片面的测量，将附加的芯片或基座衬底安放到传感器衬底的下侧上，以便产生参考容积，在该参考容积中不引入或仅引入限定量的氢气气体或水蒸气或参考气体。通过使用所述气体传感器作为具有关于待探测气体而言的被封盖的参考容积的双膜片芯片，尤其可以减小气体传感器的尺寸。基座衬底的下侧例如可以作为接合面或作为用于其他功能性的衬底使用。

通过使用参考容积，可以补偿阻抗中的制造技术方面的波动，因为所述波动同样地涉及参考容积和测量容积。这种关联尤其可以由气体传感器的这两个组件的共同的和几乎同时的制造来产生。由于第一膜片紧接着第二膜片的布置，所述波动也同样地涉及加热元件。此外，温度变化和其他参数、如湿度的变化可以直接作用到两个容积的两个加热元件上，使得不必考虑通过分析处理电子部件的参考测量和分析测量的边缘条件中的偏差。传感器衬底可以由掺杂的或未掺杂的半导体、如硅、玻璃、塑料或陶瓷组成。

根据气体传感器的实施方式，测量容积和/或参考容积至少局部地形成在传感器衬底内部和/或至少部分地形成在基座衬底内部。例如可以通过材料去除将参考容积和测量容积引入到传感器衬底中并且通过基座衬底至少局部地封闭。替代地或附加地，参考容积和/或测量容积可以至少局部地伸入到基座衬底中。

根据气体传感器的另外的实施方式，参考容积是敞开的或闭合的容积。参考容积例如可以通过第二膜片中的开口与相邻的环境导流地连接。替代地，参考容积可以封闭并且具有限定的参考气体。由此可以更精确地实施分析气体的浓度测量。

根据气体传感器的另外的实施方式，分析气体可以通过基座衬底中的至少一个开口引入到测量容积中。在最简单的实施方式中，分析气体可以通过孔引入到测量容积中。此外，也可以使用进入和排出开口以用于分析气体的持续流过。所述开口例如可以通过蚀刻过程、挖沟槽过程、激光、铣削或钻孔引入到基座衬底。在这里，所述至少一个开口可以结构化地并且流动优化地成形。尤其地，所述至少一个开口可以这样构造，使得所述至少一个开口形成用于测量容积的颗粒、湿气和水防护部。为此，所述至少一个开口的排水涂层例如可以减少环境湿气的粘附。在此，所述至少一个开口可以这样定尺寸并且成形，使得通过所述至少一个开口的气流是层状的。由此实现用于气体传感器的加热元件的导热方程或散热的可再现的、限定的边缘条件。此外，由此可以提高测量结果的可比较性和可再现性。

根据气体传感器的另外的实施方式，可以将至少一个加热元件施加到基座晶片中或上。由此，基座衬底可以附加地功能化。例如可以使用用于加热参考容积和/或测量容积的附加的加热元件或加热器轨(Heizerbahnen)。由此，气体传感器可以更快地达到运行温度或者除冰。此外，可以通过附加的加热防止空气湿气在测量容积中的凝聚。在陶瓷衬底中，可以使用用于高功率的烧结的加热线圈或者通过厚层方法印刷的加热线圈。通过附加的加热元件也可以将参考容积和测量容积保持在相同的温度上并且因此提高可比较性。在加热功率低的情况下，可以使用具有铂阻抗加热元件的硅或玻璃衬底。替代地，也可以使用掺杂的半导体，如具有由钨、银、金、铜或铝制成的阻抗加热元件的硅碳酸盐。

根据气体传感器的另外的实施方式，在测量容积中布置有至少一个气体过滤器。测量容积可以通过功能层覆盖。功能层例如可以是吸气材料，该吸气材料可以至少暂时地束缚确定的不期望的气体或颗粒。由此可以过滤掉分析气体中的干扰的或歪曲测量的组分。

根据气体传感器的另外的实施方式，至少一个气体过滤器在一侧上布置在基座衬底上。在基座衬底上可以施加特定功能化的层，以便过滤确定的气体类型。由此可以防止，不期望的气体能够通过所述至少一个开口进入到测量容积中并且由此达到第一膜片。确定的气体例如可以在吸气层上反应并且例如引入到固体结构中。替代地或附加地，气体过滤器可以跨越或遮盖测量容积的所述至少一个开口，以便例如防止水蒸气或另外的不期望的气体或颗粒的侵入。由此可以确保水和氢气的分开。

根据气体传感器的另外的实施方式，基座衬底可以通过接合介质与传感器衬底连接。基座衬底例如可以通过玻璃熔块键合(Glas-Frit-Bond)、阳极键合、共晶键合或者通过钎焊连接以及粘接布置在传感器衬底上。因此，基座衬底可以通过多个可能的方法与传感器衬底连接。

根据气体传感器的另外的实施方式，基座衬底在一侧上具有用于接收粘接剂或密封介质的接合面。由于气体传感器的减小的尺寸和衬底的高平面平行性，可以使用基座衬底的下侧作为接合面。基座衬底尤其可以被粘接或密封以便针对空气湿气和另外的环境影响进行有效密封。

根据气体传感器的另外的实施方式，在传感器衬底的与基座衬底相对置的一侧上布置有罩衬底。为了提高气体传感器的机械稳定性，可以将附加的罩衬底布置在传感器衬底上。尤其地，在准备阶段已经可以将罩衬底布置在传感器衬底上，以便提供针对用于制造气体传感器的其他加工步骤的稳定基础。优选地，罩衬底在第一膜片和第二膜片的区域中具有缺口。所述缺口例如可以像参考容积和测量容积那样通过材料去除引入到罩衬底中。

根据气体传感器的另外的实施方式，分析处理电子部件的至少一部分布置在罩衬底上或中。罩衬底可以用于接收电导体轨和电构件。由此可以特别紧凑地实施气体传感器。由此尤其可以取消外部的分析处理电子部件。例如可以将硅敷镀通孔、线键合部和沟槽引入到罩衬底和传感器衬底中，以用于成形分析处理电子部件。此外，也可以将附加的加热元件引入到罩衬底中或上。替代地或附加地，分析处理电子部件可以至少部分地布置在基座衬底中或上。

根据气体传感器的另外的实施方式，罩衬底具有通向参考容积的至少一个连接开口。由此，参考容积可以敞开地实施，以便能够实现与气体传感器的环境的压力平衡。

附图说明

下面参照强烈简化的示意性示图详细阐释本发明的优选实施例。在这里示出：

图1根据第一实施例的气体传感器的示意性示图，

图2根据第二实施例的气体传感器的示意性示图，和

图3根据第三实施例的气体传感器的示意性示图。

在附图中，相同的结构元件相应地具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出根据第一实施例的气体传感器1的示意性示图。气体传感器1具有第一膜片2和第二膜片4。在第一膜片2上布置有分析加热元件。在第二膜片4上定位有参考加热元件。第一膜片2和第二膜片4通过传感器衬底6的材料去除成形。在传感器衬底6的下侧上通过接合介质10固定有基座衬底8。在第一膜片2和基座衬底8之间包围测量容积12。通过开口14可以将分析气体导入到测量容积12中并且对其进行分析。

在第二膜片4和基座衬底8之间形成参考容积16。通过在第二膜片4中的开口18产生参考容积16和气体传感器1的环境之间的导流的连接。由此例如能够实现在参考容积16中的压力平衡。在传感器衬底6的上侧上布置有罩衬底20。罩衬底20在第一膜片2和第二膜片4的区域中具有缺口。在基座衬底8的下侧上施加有用于针对气体传感器1的环境来密封开口14的密封介质22。在基座衬底8中集成有用于加热参考容积16和测量容积12的附加的加热元件24。

在图2中示出根据第二实施例的气体传感器1的示意性示图。与根据第一实施例的气体传感器1不同，基座衬底8的下侧涂覆有气体过滤器26。在这里，气体过滤器26遮盖待分析的气体到测量容积12中的供应管路14。由此例如可以防止水蒸气到测量容积12中的侵入。根据实施例，供应管路14以四个彼此平行布置的开口的形式构型。

图3示出根据第三实施例的气体传感器1的示意性示图。与根据第一实施例的气体传感器1和根据第二实施例的气体传感器1不同，根据第三实施例的气体传感器1具有封闭的参考容积16。在参考容积16中包围参考气体，在对测量容积12中的分析气体进行测量时为了比较可以考虑该参考气体。在这里，参考容积16通过罩衬底20封闭。

根据实施例，罩衬底20具有布置在罩衬底20上的电子电路28。电子电路28的一部分集成到罩衬底20中。在这里，电子电路28形成分析处理电子部件28。分析处理电子部件28以限定的电压和限定的电流加载布置在第二膜片4上的参考加热元件和布置在第一膜片2上的分析加热元件以用于调设限定的温度。

通过将分析气体导入到测量容积12中例如可以将分析加热元件的热量更快地导出，从而必须通过分析处理电子部件28提高加热功率，以便能够维持限定的温度。根据所需要的参考容积16的加热功率和测量容积12的加热功率的比较可以求取在测量容积12中的待测量气体的浓度。

Claims (12)

1.气体传感器(1)，该气体传感器用于基于热传导原理测量分析气体的浓度，该气体传感器具有：布置在第一膜片(2)上的、用于加热所述分析气体的至少一个分析加热元件；布置在第二膜片(4)上的、用于加热参考气体的参考加热元件；用于测量所述分析加热元件的由所述分析气体引起的、相对于所述参考加热元件的电阻而言的阻抗变化的至少一个分析处理电子部件(28)，其特征在于，所述第一膜片(2)和所述第二膜片(4)彼此相邻地布置在传感器衬底(6)中，其中，通过在一侧布置在所述传感器衬底(6)上的基座衬底(8)能够在所述第一膜片(2)和所述基座衬底(8)之间形成测量容积(12)并且在所述第二膜片(4)和所述基座衬底(8)之间形成参考容积(16)，其中，所述参考容积(16)通过在所述第二膜片(4)中的开口(18)与相邻的环境导流地连接。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述测量容积(12)和/或所述参考容积(16)至少局部地形成在所述传感器衬底(6)内部和/或至少部分地形成在所述基座衬底(8)内部。

3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其中，所述参考容积(16)是敞开的或闭合的容积。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体传感器，其中，所述分析气体能够通过所述基座衬底(8)中的至少一个开口(14)引入到所述测量容积(12)中。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体传感器，其中，至少一个加热元件(24)能够施加到所述基座衬底(8)中或上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体传感器，其中，至少一个气体过滤器(26)布置在所述测量容积(12)中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体传感器，其中，至少一个气体过滤器(26)在一侧布置在所述基座衬底(8)上。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体传感器，其中，所述基座衬底(8)能够通过接合介质(10)与所述传感器衬底(6)连接。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体传感器，其中，所述基座衬底(8)在一侧具有用于接收粘接剂或密封介质(22)的接合面。

10.根据权利要求1至10中任一项所述的气体传感器，其中，在所述传感器衬底(6)的与所述基座衬底(8)相对置的一侧上布置有罩衬底(20)。

11.根据权利要求10所述的气体传感器，其中，所述分析处理电子部件(28)的至少一部分布置在所述罩衬底(20)上或中。

12.根据权利要求10或11所述的气体传感器，其中，所述罩衬底(20)具有通向所述参考容积(18)的至少一个连接开口。

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