CN104165917A - 微机械传感器装置 - Google Patents

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Abstract

微机械传感器装置。本发明涉及一种用于探测和/或测量气体的传感器装置，包括两个电极，在所述两个电极之间设置有薄层的质子传导性材料。通过借助不同的气体浓度形成的质子梯度可以探测或测量气体。

Description

微机械传感器装置
技术领域
本发明涉及尤其是用于测量和探测气体的微机械传感器装置。
背景技术
例如由DE 199 41 051已知用于测量和探测气体的传感器装置。在该文献中建议了用于确定氧气浓度的传感器元件。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种新的、改善的传感器装置。这通过按照本发明的权利要求1的装置来解决。相应地建议了一种用于测量和/或探测的传感器装置，包括：
第一微机械电极；
第二微机械电极；以及
薄层的离子传导性材料，其嵌入在第一和第二电极之间。
在此，该离子传导性材料相对正充电的离子、尤其是质子比相对负充电的离子具有更高的传导性。该特性在本申请的范畴中也应当理解为术语“质子传导的”。也即，换句话说，术语“质子传导的”在本发明的意义上意味着和/或尤其是包含能够传导质子（H+）的材料，而相对于其他离子（例如氧离子）的传导性则强烈受阻。
令人惊叹地被证实的是：这样可以以简单的方式探测气体和/或测量其浓度。尤其是，通过本发明方法可以在大多数应用中实现下面优点中的至少一项：
-该装置基于其微型化而适于许多目的
-视具体构型而定地，可以将该装置用于多种气体
-该装置的简单的结构能够实现低成本的制造。
测量或探测在此例如以如下方式来进行：该传感器装置将参照气体室与待分析的气体氛围分离。当在参照气体室中和该气体氛围中存在关于测量气体的浓度差别时，借助电极形成从带有较高浓度的气体室向带有较低浓度的气体室方向的质子流。该势能于是可以被测量。代替地，可以通过外部施加电压给电极来泵送质子穿过薄层的质子传导性材料，只要在这两个气体室之一中存在氢或含氢的气体成分，它们因此可以以该方式被证实。
优选地，待证实或待测量的气体是或者包含氢或含氢的化合物如碳氢化合物或氨。
术语“微机械”在本发明的意义上包含和/或尤其是意味着：传感器装置可以借助所设立的制造过程从微***技术来处理。
在此，可以使用经证实的蚀刻和结构化方法（例如KOH蚀刻过程、刻槽过程、光刻过程，……），以便产生腔、膜片和其他为传感器装置所需的几何结构。
术语“薄层的”在本发明的意义上包含和/或尤其是意味着带有大致在三位数纳米范围中的厚度的薄层，其在后面还进一步阐述。
按照本发明的优选的实施方式，薄层的离子传导性材料的厚度为大于等于50nm至小于等于1500nm，优选大于等于100nm至小于或等于1000nm，进一步优选大于或等于200nm至小于或等于800nm。这些厚度在实践中被证实。
按照本发明的优选的实施方式，薄层的质子传导性材料的离子传导性尤其是质子传导性大于或等于10-8S/cm，还有利地大于或等于10-5S/cm, 还有利地大于或等于10-3S/cm。在实践中表现出：从这些质子传导性开始，传感器装置的可使用性和品质强烈地上升，使得它们在实践中被证实了。
质子传导性在此例如借助阻抗谱（J. Electrochem. Soc.,143卷，第4期，1996，1254页至1259）来测量。
按照优选的实施方式，薄层的质子传导性材料主要由选自聚合物组、优选全氟磺酸、和/或选自陶瓷组、这里优选氧化钇（Y2O3）、钙钛矿例如锆酸钡或者受体掺杂的氧化物/钙钛矿（例如Nd:BaCeO3,Y:SrZrO3,Y:SrCeO3）的材料或这些材料的混合物构成。
术语“主要”在此意味着大于或等于90重量%，进一步优选大于或等于95重量%，进一步优选大于或等于98重量%以及最优选大于或等于99重量%。
按照优选的实施方式，这两个电极之一、优选两个电极被构造为多孔的。这对于本发明被证实为有利的，因为这样向传感器装置的气体流以及尤其是薄层的质子传导性材料被改善。
孔的横截面可以在几个纳米至几十个或上百个微米的范围中。作为电极材料优选考虑具有催化作用的金属如例如Pt、Pd、Au、Ni，也即按照一种优选的实施方式，一个或两个电极主要由选自Pt、Pd、Au、Ni的组的材料或其混合物构成。
按照优选实施方式，传感器装置此外包括微机械的载体衬底，其具有多孔化区域，电极和薄层的质子传导性材料布置在其上。这在实践中是经证实的，因为这样载体衬底更稳定地保留在这一侧上，尽管在另一侧上待证实或待测量的气体足够地到达传感器装置。
按照优选实施方式，薄层的质子传导性材料至少部分地在一侧或者两侧用质子传导性薄膜涂层，以便保护薄层的质子传导性材料以防腐蚀。
在此，使用具有大于等于1nm至小于等于100nm、优选小于等于10nm的厚度的薄膜。
优选，质子传导性薄层主要由选自包含钇掺杂的氧化锆、氧化铝、氧化铪、陶瓷氧化物、氧化钽或其混合物构成的组的材料构成。
按照优选实施方式，传感器装置还包括用于膜片区域固定的敞开的腔，其中电极延伸穿过该腔。
作为用于传感器装置（或者在更复杂装置情况下用于传感器装置的本发明的部分）的制造方法而考虑物理淀积方法如溅射、激光消融或化学淀积方法如CVD（化学气相沉积）和原子层沉积。
这种类型的传感器装置例如被使用在火警设备、机动车领域中的废气传感器或燃料电池或汽车尾气***的安全技术监控中。
前述的以及所要求的以及在实施例中描述的要按照本发明来使用的部件在其大小、形状结构、材料选择和技术概念方面没有特别的例外要求，从而在应用领域中已知的选择标准可以无限制地应用。
附图说明
本发明主题的其他细节、特征和优点由从属权利要求以及从后面对附图以及本发明方法实施例的说明中得到。
在附图中
图1示出了按照本发明实施方式的传感器装置的极为示意性的剖视的横截面。
图2示出了按照本发明第二实施方式的传感器装置的极为示意性的剖视的横截面。
具体实施方式
图1示出了按照本发明实施方式的传感器装置的极为示意性的剖视的横截面。如在图1中可看出的，传感器装置拥有带有前侧VS和背侧RS的载体衬底1。该载体衬底1在此优选由可以利用半导体工艺处理/结构化的材料构成。这里可以设想的是“经典的”半导体如硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓，但是也可以设想技术玻璃例如Foturan。在载体衬底1中设置有腔K，该腔K从背侧RS伸展直至前侧VS并且定义测量区域B。薄层的质子传导性材料5在此被施加为使得其覆盖所述腔和其***区域。此外，材料5被两个电极E1和E2包围。总体上，传感器装置的该区域构成简单的能斯脱电池。
测量方法简短地以氢作为测量气体为例来阐述。
传感器装置（在图1中未示出）被构造为，使得前侧VS朝向催化气体室，而背侧RS构成参照气体室的一部分（其优选当然相对周围环境是密封的）。电极E1、E2例如具有铂，对于铂已知的是：其能够大量存储氢并且也能够用氢催化反应。借助电极E1、E2现在使质子嵌入到薄层的质子传导性材料5中并且与氢的浓度相关。如果现在在催化气体室和参照气体室（从中当然必须确切地已知氢浓度）之间存在浓度落差，则构建势能，该势能可以借助电极E1、E2来测量。当例如应当测量含氢气体例如碳氢化合物或NH3时，得到类似方法。这里，质子也积累到薄层的质子传导性材料5中。
图2示出了图1中的电池的变型，而且该变型被构造为使得在薄层的质子传导性材料5的一侧上施加质子传导性薄膜50。该薄膜50附加地保护薄层的质子传导性材料5以防腐蚀并且也可以（在图中未示出）施加在测量区域中以及施加在两侧上；这就此而言是本发明的优选实施方式。

Claims (10)

1.一种用于测量和/或探测气体的传感器装置，包括：
第一微机械电极（E1）；
第二微机械电极（E2）；以及
薄层的离子传导性材料（5），其相对于正充电的离子比相对于负充电的离子具有更高的传导性并且嵌入在第一电极（E1）和第二电极（E2）之间。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述薄层的离子传导性材料（5）具有大于或等于50nm至小于或等于1500nm的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中所述薄层的离子传导性材料（5）相对于正充电的离子具有大于或等于10-8S/cm的传导性，尤其是质子传导性。
4.根据权利要求1至3之一所述的传感器装置，其中薄层的离子传导性材料（5）主要由选自聚合物组、优选全氟磺酸、和/或选自陶瓷组、优选氧化钇（Y2O3）、钙钛矿优选锆酸钡或者受体掺杂的氧化物/钙钛矿优选Nd:BaCeO3、Y:SrZrO3、Y:SrCeO3的材料或这些材料的混合物构成。
5.根据权利要求1至4之一所述的传感器装置，其中一个或两个电极（E1,E2）被构造为多孔的。
6.根据权利要求1至5之一所述的传感器装置，其中一个或两个电极（E1,E2）主要由选自包含Pt、Pd、Au、Ni的组的材料或其混合物构成。
7.根据权利要求1至6之一所述的传感器装置，其中所述传感器装置此外包括微机械的载体衬底（1），所述载体衬底具有多孔化区域，电极（E1,E2）和薄层的离子传导性材料（5）布置在该区域上。
8.根据权利要求1至7之一所述的传感器装置，其中所述薄层的离子传导性材料（5）至少部分地在一侧或者两侧用离子传导性薄膜（50）涂层，该薄膜相对于正充电的离子比相对于负充电的离子具有更高的传导性。
9.根据权利要求8所述的传感器装置，其中所述离子传导性薄膜（50）具有大于或等于1nm至小于或等于100nm的厚度。
10.根据权利要求1至9之一所述的传感器装置，其中所述传感器装置还包括用于膜片区域（B）的固定的敞开的腔（K），其中所述电极之一（E2）延伸穿过所述腔。
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