CN104062340A - 微电化学传感器和用于运行微电化学传感器的方法 - Google Patents

Abstract

微电化学传感器和用于运行微电化学传感器的方法。本发明涉及微电化学传感器（100），其具有由半导体衬底组成的载体材料（102）和布置在载体材料（102）的第一子区域中的化学敏感的传感器元件（104）。加热元件（106）布置在传感器元件（104）的区域中并且被构造用于对传感器元件（104）加温。微电子设备（108）布置在载体材料（102）的第二子区域中并且经由集成到载体材料（102）中的印制导线与传感器元件（104）和加热元件（106）连接。微电子设备（108）被构造用于运行加热元件（106）和传感器元件（104）。

Description

微电化学传感器和用于运行微电化学传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种微电化学传感器和一种用于在传感器总线处运行微电化学传感器的方法。

背景技术

为了能够适配用于燃烧过程的燃料量和可供使用的氧量之间的比例，需要关于在燃烧过程的废气中的氧浓度的陈述。因为测量部位处的废气大多具有高温，所以需要耐温度的传感器用于确定氧浓度。

DE 199 41 051 A1描述了用于确定气体混合物中的氧浓度的传感器元件和用于制造该传感器元件的方法。

发明内容

以此为背景，利用本发明介绍根据独立权利要求的微电化学传感器和用于在传感器总线处运行微电化学传感器的方法。有利的构型从相应的从属权利要求和以下的描述中得出。

通过微型化传感器的传感器组件可以将传感器的电子设备布置在传感器组件的附近。由此可以简化传感器的结构。也可以在无用于运行传感器的中间连接的电子设备的情况下将传感器连接到由传感器组成的网络上。通过使传感器的传感器元件变小可以减少用于对传感器元件加温的所需要的热功率。由此例如可以从传感器的用于数据传输所设置的接口中取得足够的电能用于运行传感器。

微电化学传感器具有以下特征：

由半导体衬底或由可以借助于半导体工艺结构化的材料组成的载体材料；

化学敏感的传感器元件，其布置在载体材料的第一子区域中；

加热元件，其布置在传感器元件的区域中并且被构造用于对传感器元件加温；和

微电子设备，其布置在载体材料的第二子区域中，其中微电子设备经由集成到载体材料中的印制导线与传感器元件和加热元件连接，其中微电子设备被构造用于运行加热元件和传感器元件。

可以将微电化学传感器理解为微结构化的化学敏感传感器，其可以提供电信号作为测量参量。传感器可以具有至少一个传感器元件。

根据一种实施方式，传感器元件可以是陶瓷隔膜，所述隔膜对于特定化学物种的离子是传导性的并且在两侧对于物种离子化地来装备。如果在隔膜的第一侧上存在具有物种的第一浓度的第一流体并且在隔膜的对置的侧上存在具有物种的第二浓度的第二流体，并且第一浓度不同于第二浓度，则可以在第一侧和第二侧之间截取电信号，例如电压，所述电压与浓度比成比例。第一流体的第一浓度可以是待测量的浓度。第二流体的第二浓度可以是参考浓度。参考浓度例如可以通过具有已知的稳定组成的流体来提供。尤其是，传感器可以是氧传感器。于是可以在对于氧离子而言能传导的隔膜的两侧上布置催化剂，例如铂。通过催化剂对氧原子进行离子化，所述氧原子与催化剂接触。离子化的原子的量在此与隔膜的相应侧上的流体中的氧浓度相均衡。通过离子化在催化剂处氧离子和电子变为自由的。氧离子从具有较高氧浓度的侧迁移到具有低浓度的侧，以便均衡浓度陡度。隔膜是电绝缘的并且解离的电子导致正电压电势，而离子的过剩导致负电压电势。在电压电势之间的电压构造电信号。隔膜和替换地或补充地隔膜的离子化涂层可能需要最小温度，以便没有问题地起作用。为此可以在隔膜上和替换地或补充地围绕隔膜布置一个或多个加热元件。加热元件可以具有高欧姆电阻并且在电流流过加热元件时提供热，以便对隔膜加温。

例如可以将载体元件理解为板，其中印制导线和替换地或补充地功能元件可以集成到所述板中。印制导线和/或功能元件也可以布置在载体材料的表面上。半导体衬底例如可以是单晶或多晶半导体材料。加热元件可以与信号线路电绝缘。载体材料可以被构造成芯片。加热元件例如可以折曲形地围绕传感器元件布置，以便实现加热元件的大的可用长度。微电子设备例如可以具有有源和无源器件。微电子设备可以至少部分地由掺杂的半导体衬底组成。

根据一种实施例，微电子设备可以具有至传感器总线的接口。微电子设备可以被构造用于在使用来自传感器总线的电能的情况下运行加热元件和传感器元件。接口可以是至传感器总线的可松开的并且又可连接的连接。接口可以被标准化。接口也可以被实施为焊接连接，在所述焊接连接处，总线的电导体与微电子设备和/或载体材料的印制导线连接。通过这种方式不需要单独的线路来给微电子设备和加热元件供应能量。传感器总线可以是数据线路，其中连接到传感器总线上的多个设备可以经由所述数据线路通过统一的通信协议通信。例如，通信协议可以规定总线信号的形式，所述总线信号可以在传感器总线上被传送。传感器总线可以由控制设备监督。传感器总线可以具有多个芯线。控制设备可以经由传感器总线提供供给电压。传感器总线的输出功率可以通过控制设备的效率和替换地或补充地通过传感器总线的芯线的线路横截面来限制。

传感器元件、加热元件和微电子设备可以集成到载体材料中。通过将传感器的所有组成部分集成在载体材料中可以利用半导体技术来制造传感器，由此在小单件成本的情况下大的件数是可能的。

传感器元件和加热元件可以布置在第一衬底上。微电子设备可以布置在第二衬底上。通过将传感器分离成两个可相互独立地制造的芯片可以并行地制成两个芯片，其中制成的芯片例如经由焊接连接相互连接。通过两个分离的芯片也可以实现微电子设备与传感器元件的热脱耦，由此传感器可以在较高的温度下被使用。

载体材料可以被构造为棒状的。在棒状载体材料情况下，具有加热元件的传感器元件可以布置在载体材料的第一端部处，而微电子设备布置在载体材料的另一端部处。在传感器元件和微电子设备之间可以是尽可能大的间距。通过该间距可以将微电子设备的热负荷保持得小，这可能导致传感器元件的提高的工作温度。如果半导体材料具有小的热传导值，则载体材料可以具有较小的长度，以便在相同的工作温度时达到相同的热负荷。如果微电子设备附加地由较高地耐温度的材料制成，则微电子设备可以非常靠近传感器元件地布置或者直接布置在传感器元件旁边，由此传感器总地可以具有非常小的尺寸。

传感器元件可以被构造为具有在两侧的、对于待测量的物种可透过的电极的薄层隔膜，其中传感器元件布置在测量体积和参考体积之间。传感器可以在使用薄层技术的情况下被制造。通过薄层隔膜可以特别快速地通过传感器以传感器信号映射浓度差异的变化。

用于在传感器总线处运行微电化学传感器的方法具有以下步骤：

对传感器的加热元件施加加热电压，以便对传感器的化学敏感的传感器元件加温，其中加热元件通过传感器的微电子设备从传感器总线被供给加热电压；

通过微电子设备在加温的传感器元件处检测传感器信号，其中传感器信号代表化学物种在传感器元件处的至少一个浓度；和

求得总线信号用于在传感器总线上提供，其中总线信号由微电子设备在使用传感器信号和来自传感器总线的电能的情况下来求得。

通过加热电压可以引起电流流过加热元件。加热电压可以由微电化学传感器的微电子设备调节。微电子设备可以由传感器总线的供给电压装置供电。例如，温度传感器可以布置在传感器元件处，其中微电子设备在使用温度传感器的信号情况下可以调节加热电压。加热电压可以从供给电压装置馈送。例如，加热电压可以通过脉宽调制由微电子设备控制。微电子设备也可以将传感器信号转换成总线信号。例如，总线信号可以映射传感器信号在预定时间段上的变化。替换地或补充地，总线信号可以映射传感器信号在预定时间段期间的变化过程。预定时间段例如可以通过传感器总线上的时钟信号定义。传感器元件也可以由微电子设备供给运行电压，所述运行电压同样可以在使用传感器总线的供给电压装置的情况下产生。例如，运行电压可以实现传感器元件的不同灵敏度和/或运行电压可以被用于平衡传感器元件的运行点，以便对不同的环境条件作出反应。运行电压也可以被用于排斥化学物种，以便将传感器置于具有已知条件的初始状态中。

总线信号可以在使用来自传感器总线的电能的情况下以预定放大系数被放大。微电子设备还可以对传感器信号和/或总线信号进行滤波，以便改善信号质量。微电子设备可以在使用传感器元件的传感器特性曲线的情况下求得总线信号。传感器特性曲线可以代表传感器电压和浓度的关系。微电子设备可以均衡传感器信号的***决定的偏移，以便获得符合规定的总线信号。

总线信号可以在使用电能的情况下被数字化。传感器信号可以是模拟信号。微电子设备可以执行模拟/数字转换，以便求得总线信号。数字信号可以以无穷数目的级映射模拟信号。数字信号可以良好地被继续处理。

该方法可以具有接收其他传感器元件的至少一个其他传感器信号的步骤。在此，总线信号还可以在使用该至少一个其他传感器信号的情况下被求得。微电子设备可以对多个传感器元件进行供给和替换地或补充地进行监督。微电子设备可以同时分析不同传感器元件的传感器信号。同样，微电子设备可以时间错开地分析传感器信号。微电子设备也可以向至少一个其他加热元件供给其他加热电压。如果至少一个其他传感器元件远离该传感器地布置，则该传感器可以具有至所述至少一个其他传感器元件的接口。

该方法可以具有在传感器总线上提供总线信号的步骤，其中总线信号响应于请求信号在传感器总线上被提供。请求信号可以由控制设备发送，以便能够以监督的方式通过传感器总线传输数据。请求信号可以寻址到传感器总线的多个接收机。请求信号也可以仅对于传感器来寻址。于是总线信号可以在预留的时间窗中被提供。

附图说明

下面根据附图示例性地更详细阐述本发明。其中：

图1示出根据本发明实施例的微电化学传感器的示意图；

图2示出根据本发明实施例的用于在传感器总线处运行微电化学传感器的方法的流程图；

图3示出根据本发明实施例的微电化学传感器的剖面图；和

图4示出根据本发明实施例的微电化学传感器的空间图示。

在本发明优选实施例的以下描述中，对于在不同图中所示的和类似地起作用的元件使用相同的或类似的附图标记，其中放弃对这些元件的重复描述。

具体实施方式

图1示出根据本发明实施例的微电化学传感器100的框图。传感器100具有载体材料102、化学敏感的传感器元件104、加热元件106和微电子设备108。传感器100布置在壳体110中。壳体110被装入排气通道112中，使得传感器元件104伸入排气通道中并且微电子设备108布置在排气通道112之外。载体材料102由半导体衬底组成并且成型为棒状的。根据另一实施例，代替半导体衬底采用如下衬底材料，所述衬底材料不强制性地具有半导体特性，但是可以借助于半导体工艺被加工和/或结构化。这样的衬底材料可以例如是光敏玻璃，例如Foturan。因此也可以采用不具有半导体特性的衬底材料。化学敏感的传感器元件104布置在载体材料102的第一子区域中。第一子区域布置在棒状载体材料102的第一端部处。加热元件106布置在传感器元件104的区域中。加热元件106被构造用于对传感器元件104加温。微电子设备108布置在载体材料102的第二子区域中。第二子区域布置在棒状载体材料102的第二端部处。微电子设备108具有至具有功率有限的能量供给容量的传感器总线的接口。微电子设备108经由集成到载体材料102中的印制导线与传感器元件104和加热元件106连接。微电子设备108被构造用于在使用来自传感器总线的电能的情况下运行加热元件106和传感器元件104。壳体110包围传感器100。壳体110被实施为使得传感器元件104至少以一侧与废气流114直接接触，所述废气流在运行中流过排气通道112。在运行中因此传感器元件104布置在废气114中并且从而布置在热测量区域中。通过棒状Si载体102得出较冷的电子设备108。在此，硅仅示例性地被列举为载体102的材料。如已经所陈述的，也可以采用其他衬底材料。

在图1中所示的传感器100情况下，将传感器元件104和微电子设备108例如制成在硅衬底102上。由此对于微电子设备108得出大约200°C的最大运行温度。在该情况下，传感器100被实施为棒状体，其中传感器元件104作为热芯片区在一侧被处理并且微电子设备108在对置的一侧被处理。

传感器元件104和微电子设备108也可以首先在两个单个芯片102上制成。两个芯片102然后以混合结构的方式连接，使得所述两个芯片虽然相互电接触，但是在热学方面足够强烈地相互脱耦。

这里所介绍的方案例如可以用于λ探针110或其他陶瓷气体传感器，诸如NO_x传感器（氧化氮）、HC传感器（碳氢化合物）和/或NH₃传感器（氨）。

图2示出根据本发明实施例的用于在传感器总线处运行微电化学传感器的方法200的流程图。该方法200可以在如图1中所示的传感器上被实施。该方法200具有施加的步骤202、检测的步骤204和求得的步骤206。在施加的步骤202中，对传感器的加热元件施加加热电压，以便对传感器的化学敏感的传感器元件加温。在此，加热元件通过传感器的微电子设备从传感器总线被供给加热电压。在检测的步骤204中，在加温的传感器元件处通过微电子设备检测传感器信号。传感器信号代表化学物种在传感器元件处的至少一种浓度。在求得的步骤206中求得总线信号用于在传感器总线上提供。总线信号由微电子设备在使用传感器信号和来自传感器总线的电能的情况下被求得。

基于这里所介绍的例如在图1、3和4中所示的微型化电化学传感器的小空间需求，可以相对于传统陶瓷废气传感器剧烈地减小加热功率需求。在此，横向隔膜大小例如为5至5000平方微米（μm²），隔膜大小尤其是可以具有10至400平方微米面积。这又能够实现：传感器、也即传感器元件、微电子设备和加热器的总能量供给可以通过总线***实现。例如，在PSI5标准情况下，至11伏特电压和至105毫安（mA）电流、也即大约1瓦特功率可供使用。传感器的功率需求在很大程度上由传感器元件的加热器确定。这里可以实现小于1瓦特、典型地处于10至500毫瓦（mW）范围中的加热功率，所述加热功率因此可以直接例如通过PSI5总线提供。

通过集成的微电子设备可以直接在传感器芯片上实现其他功能。例如可以直接在传感器芯片上实现信号放大。同样可以直接在传感器芯片上进行信号滤波。传感器元件的信号可以直接在芯片上在使用模拟/数字转换的情况下被数字化。通过复用可以操控或读取多个不同的传感器或传感器元件。集成在芯片中的微电子设备还可以执行λ跃变特性曲线的线性化。同样微电子设备可以执行传感器特性曲线的偏移校准。微电子设备可以被构造用于与传感器总线***通信。

图3示出根据本发明实施例的微电化学传感器100的剖面图。传感器100对应于如在图1中所述的传感器。在图3中示出传感器100的第一子区域。具有微电子设备108的第二子区域在这里示意性地示出。传感器100具有层式结构。载体材料102在通过半导体技术方法步骤制造时被结构化并且在两侧配备有功能层。传感器元件104由对于至少一种化学物种的离子可透过的陶瓷层300组成，该陶瓷层在使用至少一个中间层302的情况下被施加到载体材料102的一侧上。在传感器元件104的区域中去除了载体材料102和中间层302，使得陶瓷层300 在两侧开放。至少在传感器元件104的区域中，陶瓷层300对于该化学物种离子化地被装备。在所示的实施例中，催化剂304在两侧被施加到了陶瓷层300上。传感器100在这里是氧传感器。因此，作为催化剂304施加铂。由铂组成的层304是多孔的。因为铂是导电的，所以催化剂304在这里承担双重功能。催化剂304导电地通过印制导线306与微电子设备108连接。印制导线306在这里示意性地示出，但是实际上集成到载体材料102中，也即布置在载体材料102上和/或布置在载体材料102中。加热元件在这里通过该层催化剂304遮盖。加热元件布置在传感器元件104的区域中并且被构造用于通过放热在电流流经加热元件时将热发出给传感器元件104，以便对传感器元件104加温。加热元件为了电流供给同样经由印制导线与微电子设备108连接。

如果在传感器元件104的一侧上比在另一侧上存在化学物种（这里是氧）的较高浓度，则氧离子308迁移穿过陶瓷层300，以便均衡浓度。因为催化剂304将氧离子化并且同时传导在此积累的电子，所以在两侧之间产生电压降，因为在一侧上产生电子过剩，而另一侧上电子缺乏占优势。电压降作为传感器信号U由微电子设备108截取。传感器信号可以称为能斯脱电压U_Nernst。因为传感器信号Ｕ在无电流线路的情况下被截取，所以微电子设备１０８使用来自传感器总线的电能来产生总线信号，所述总线信号代表传感器信号Ｕ。

在图３中所示的微型化电化学传感器元件１０４在使用传导离子的薄层隔膜300的情况下实现，所述薄层隔膜以嵌入到半导体衬底102的方式布置。以半导体工艺技术制成传感器元件104使得能够同时将用于制备传感器信号所需要的微电子设备108靠近传感器元件104地集成。但是，微电子设备108的最大允许的运行温度对于由传感器元件104和微电子设备108组成的该组合的运行温度是限制性的。

在作为λ探针100的这里所示的实施例中，引导废气的体积布置在陶瓷层300的上侧上。废气具有比参考空气小的氧浓度，所述参考空气在陶瓷层300的下侧上与陶瓷层300接触。氧离子308从参考空气迁移到废气中，因为所述氧离子通过浓度落差从参考空气中的氧浓度被推动到废气中的氧浓度。

图4示出根据本发明实施例的微电化学传感器100的空间图示。传感器100对应于图3中的传感器。附加于图3，这里示出加热元件106。加热元件106被构造为围绕传感器元件104的折曲或之字形印制导线。加热元件106经由嵌入到载体材料102中的印制导线与微电子设备108连接。传感器元件104这里被实施为矩形的并且同样经由嵌入到载体材料102中的印制导线与微电子设备108连接。催化剂304与图3不同地仅在传感器104的区域中被施加到陶瓷层300上。通过装备有催化剂304的有限面可以实现精确的测量结果。载体材料102由耐热材料组成并且具有低的热传导值。同样，陶瓷层300由抗热材料组成。微电子设备的有源和无源器件由耐热材料创建。因此，微电子设备108在这里以距传感器元件104小间距地布置。附加地，微电子设备108嵌入到陶瓷层300中，由此微电子设备108良好地受到保护。由于该小的间距，传感器100具有非常小的尺寸。总之，传感器100可以在比例如图1中的传感器100高的温度下被运行。

换句话说，图4示出具有集成式电子设备108的微电化学传感器100。传感器100在使用从用于微型化高温燃料电池（SOFC，solid oxide fuel cell（固体氧化物燃料电池））的研究活动中得出的认识的情况下被构想。为了制造传感器100，来自常规SOFC工艺的陶瓷材料和来自半导体工艺技术的微制造步骤被组合，以便制造出微电化学传感器。

示出根据这里所介绍的方案的微型化陶瓷废气传感器100。尤其是λ探针与SOFC在工艺上具有很大接近。用于两种应用的基础材料是传导氧离子的陶瓷300，该陶瓷被实施为大多钇稳定化的氧化锆，YSZ。作为电极材料例如可以使用Pt（铂）。这里所介绍的传感器100借助于微型化方案在使用半导体工艺技术的情况下来构想。λ探针的功能借助于在通过半导体工艺可制成的衬底材料102（芯片）上的传导离子的薄层300实现。

传感器元件104和微电子设备108在高温稳定的半导体衬底102诸如SiC（碳化硅）或GaN（氮化镓）上制成。高温稳定的电子设备108的集成于是能够实现：可以直接在芯片102上和彼此邻近地实现传感器元件104和微电子设备108。

在此，借助于半导体工艺技术制成的电化学传感器元件104与邻近于传感器元件104的合适的微电子设备108一起布置。这可以要么直接在传感器芯片102上进行要么作为具有第二芯片102的混合结构进行。

由此可以直接在传感器芯片102上实现总的信号调整和连接到传感器总线上。包括集成的微电子设备108的这里所介绍的微型化电化学传感器100的功率消耗在此情况下如此小，使得传感器总线的电压作为传感器运行电压是足够的。因此，附加的成本高的线路取消，所述线路在传统的λ探针的情况下被需要用于加热器电压供给以及用于耦合到外部传感器控制设备上。此外，可以完全弃用外部传感器控制设备，使得可以节省成本以及结构空间。

所述的和在图中所示的实施例仅是示例性地选择的。不同的实施例可以完全地或关于各个特征相互组合。一个实施例也可以通过另一实施例的特征补充。另外，根据本发明的方法步骤可以重复地以及以不同于所述的顺序的顺序来实施。

Claims (11)

1.微电化学传感器（100），具有以下特征：

由半导体衬底或由能够借助于半导体工艺结构化的材料组成的载体材料（102）；

化学敏感的传感器元件（104），其布置在载体材料（102）的第一子区域中；

加热元件（106），其布置在传感器元件（104）的区域中并且被构造用于对传感器元件（104）加温；和

微电子设备（108），其布置在载体材料（102）的第二子区域中，其中微电子设备（108）经由集成到载体材料（102）中的印制导线（306）与传感器元件（104）和加热元件（106）连接，其中微电子设备（108）被构造用于运行加热元件（106）和传感器元件（104）。

2.根据权利要求1所述的微电化学传感器（100），其中微电子设备（108）具有至传感器总线的接口并且被构造用于在使用来自传感器总线的电能的情况下运行加热元件（106）和传感器元件（104）。

3.根据前述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中传感器元件（104）、加热元件（106）和微电子设备（108）集成到载体材料（102）中。

4.根据前述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中传感器元件（104）和加热元件（106）布置在第一衬底上并且微电子设备（108）布置在第二衬底上。

5.根据前述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中载体材料（102）被构造为棒状的。

6.根据前述权利要求之一所述的微电化学传感器（100），其中传感器元件（104）被构造为具有在两侧的、对于待测量的物种可透过的电极（304）的薄层隔膜（300），其中传感器元件（104）布置在测量体积和参考体积之间。

7.用于在传感器总线处运行微电化学传感器（100）的方法（200），其中该方法（200）具有以下步骤：

对传感器（100）的加热元件（106）施加（202）加热电压，以便对传感器（100）的化学敏感的传感器元件（104）加温，其中加热元件（106）通过传感器（100）的微电子设备（108）从传感器总线被供给加热电压；

通过微电子设备（108）在加温的传感器元件（104）处检测（204）传感器信号，其中传感器信号代表化学物种在传感器元件（104）处的至少一种浓度；和

求得（206）总线信号用于在传感器总线上提供，其中总线信号由微电子设备（108）在使用传感器信号和来自传感器总线的电能的情况下来求得。

8.根据权利要求7所述的方法（200），其中在求得的步骤（206）中，总线信号在使用来自传感器总线的电能的情况下以预定放大系数被放大。

9.根据权利要求7或8之一所述的方法（200），其中在求得的步骤（206）中，总线信号在使用电能的情况下被数字化。

10.根据权利要求7至9之一所述的方法（200），具有接收其他传感器元件的至少一个其他传感器信号的步骤，其中在求得的步骤中总线信号还在使用该至少一个其他传感器信号的情况下被求得。

11.根据权利要求7至10之一所述的方法（200），具有在传感器总线上提供总线信号的步骤，其中总线信号响应于请求信号在传感器总线上被提供。