DE102016222243A1

DE102016222243A1 - gas sensor

Info

Publication number: DE102016222243A1
Application number: DE102016222243.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Sebastian Frey; Andreas Menzel; Katrin Luckert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-05-17

Abstract

Ein Gassensor umfasst ein Substrat, das einen Hohlraum begrenzt; eine am Substrat angebrachte, den Hohlraum überspannende Membran; und eine Heizeinrichtung an der Membran. An einer dem Hohlraum abgewandten Oberseite der Membran sind ein erstes gassensitives Material und erste Elektroden, die mit dem ersten gassensitiven Material in Kontakt stehen, angebracht und an einer dem Hohlraum zugewandten Unterseite der Membran sind ein zweites gassensitives Material sowie zweite Elektroden, die mit dem zweiten gassensitiven Material in Kontakt stehen, angebracht.A gas sensor includes a substrate that defines a cavity; a substrate attached to the cavity spanning membrane; and a heater on the membrane. On a side facing away from the cavity top of the membrane, a first gas-sensitive material and first electrodes, which are in contact with the first gas-sensitive material, mounted and on a cavity facing the bottom of the membrane are a second gas-sensitive material and second electrodes, with the second gas-sensitive material in contact, attached.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen verbesserten Gassensor auf der Basis einer dotierten Metalloxidschicht.The invention relates to a gas sensor. In particular, the invention relates to an improved gas sensor based on a doped metal oxide layer.

Stand der TechnikState of the art

Die elektrischen Eigenschaften von dotierten Metalloxidschichten (MOX) ändern sich, wenn diese erwärmt werden. Die Art und Weise der Änderung der elektrischen Eigenschaften wird beeinflusst durch umgebende Gase und flüchtige Bestandteile, die von der MOX-Struktur aufgenommen werden. Diese Eigenschaft kann in einem Gassensor ausgenutzt werden. Dazu umfasst ein Gassensor üblicherweise eine Heizeinrichtung und eine dotierte Metalloxidschicht, die aus Isolationsgründen üblicherweise an einer Membran angeordnet sind, die sich über einen Hohlraum in einem Substrat spannt. Zum Betrieb des Gassensors wird die Membran mit der Metalloxidschicht gezielt erwärmt, während überprüft wird, wie sich die elektrischen Eigenschaften der Metalloxidschicht ändern. Auf dieser Basis kann insbesondere auf das Vorhandensein oder eine Konzentration eines vorbestimmten Gases oder eines Gases aus einer vorbestimmten Gruppe geschlossen werden.The electrical properties of doped metal oxide layers (MOX) change as they are heated. The manner of changing the electrical properties is affected by ambient gases and volatiles absorbed by the MOX structure. This property can be exploited in a gas sensor. For this purpose, a gas sensor usually comprises a heating device and a doped metal oxide layer, which for reasons of isolation are usually arranged on a membrane which spans a cavity in a substrate. For operation of the gas sensor, the membrane is selectively heated with the metal oxide layer while checking how the electrical properties of the metal oxide layer change. On this basis, in particular, the presence or concentration of a predetermined gas or gas from a predetermined group can be inferred.

Eine Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Gassensors, der genauer, effizienter oder flexibler betrieben werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.An object of the present invention is to provide an improved gas sensor that can be operated more accurately, efficiently or flexibly. Another task is to specify a corresponding manufacturing process. The invention achieves these objects by means of the subject matters of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ein Gassensor umfasst ein Substrat, das einen Hohlraum begrenzt; eine am Substrat angebrachte, den Hohlraum überspannende Membran; und eine Heizeinrichtung an der Membran. Die Membran weist eine Oberseite auf, die dem Hohlraum abgewandt ist, und eine Unterseite, die dem Hohlraum zugewandt ist. An der Oberseite der Membran sind ein erstes gassensitives Material und damit in Kontakt stehende erste Elektroden angebracht, und an der Unterseite sind ein zweites gassensitives Material und zweite, damit in Kontakt stehende Elektroden angebracht.A gas sensor includes a substrate that defines a cavity; a substrate attached to the cavity spanning membrane; and a heater on the membrane. The membrane has an upper surface facing away from the cavity and a lower surface facing the cavity. Attached to the top of the membrane are a first gas-sensitive material and first electrodes in contact therewith, and a second gas-sensitive material and second electrodes in contact therewith are attached to the underside.

Durch das Anordnen zweier gassensitiver Materialien mit jeweils zugehörigen Elektroden auf unterschiedlichen Seiten der Membran kann mit wenig Aufwand entweder die sensitive Fläche eines bekannten Sensors praktisch vergrößert werden, oder eine Konstellation geschaffen werden, mit der die Messung eines Gases unterstützt oder erweitert werden kann. In der ersten Variante können auf der gleichen Fläche der Membran mehr mögliche gasfunktionale Schichten beziehungsweise Elemente oder Materialien integriert werden. Unter bestimmten Umständen kann die Heizenergie verbessert ausgenutzt werden, indem ansonsten abgestrahlte Verlustwärme durch das zweite gassensitive Material aufgenommen wird.By arranging two gas-sensitive materials, each with associated electrodes on different sides of the membrane, either the sensitive surface of a known sensor can be practically increased with little effort, or a constellation can be created with which the measurement of a gas can be supported or extended. In the first variant, more possible gas-functional layers or elements or materials can be integrated on the same area of the membrane. Under certain circumstances, the heating energy can be exploited in an improved manner by taking up otherwise emitted heat loss through the second gas-sensitive material.

In einer Variante ist ein Gasaustausch zwischen der Oberseite und der Unterseite möglich und die Materialien sind auf unterschiedliche Gase sensitiv. Ein Spektrum von Gasen, die mittels des Gassensors erfasst werden können, kann dadurch verbreitert werden. Die Gasgruppen, auf die die beiden Materialien sensitiv sind, können disjunkt sein oder eine Schnittmenge aufweisen. Die Selektivität des Gassensors kann dadurch erhöht werden. Beispielsweise kann ein Gas erfasst werden, das in der Schnittmenge liegt, wobei ein anderes Gas, das nur auf eines der beiden Materialien wirkt, im Messergebnis unberücksichtigt bleiben kann. Der Gasaustausch kann durch einen Zugang durch das Substrat geschaffen sein, beispielsweise seitlich oder von unten, oder die Membran kann eine entsprechende Aussparung tragen.In a variant, a gas exchange between the top and the bottom is possible and the materials are sensitive to different gases. A spectrum of gases that can be detected by means of the gas sensor can thereby be broadened. The gas groups to which the two materials are sensitive may be disjoint or intersect. The selectivity of the gas sensor can be increased thereby. For example, a gas can be detected, which lies in the intersection, with another gas, which acts only on one of the two materials, can be disregarded in the measurement result. The gas exchange may be provided by access through the substrate, for example laterally or from below, or the membrane may carry a corresponding recess.

In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Material auf ein vorbestimmtes Gas sensitiv, auf welches das zweite Material nicht sensitiv ist. In dieser Variante kann die Sensitivität des vorbestimmten Gases hergestellt sein, indem ein weiteres Gas, welches beide Materialien beeinflusst, aus dem Messergebnis entfernt wird.In another embodiment, the first material is sensitive to a predetermined gas to which the second material is not sensitive. In this variant, the sensitivity of the predetermined gas can be established by removing a further gas, which influences both materials, from the measurement result.

In einer anderen Variante ist der Hohlraum allseits geschlossen und mit einem vorbestimmten Gas gefüllt. Die Zusammensetzung des Referenzgases und dessen zeitliches Erwärmungsverhalten sind bevorzugt bekannt. Das Verhalten des ersten Materials, wenn es einem Gas ausgesetzt ist, kann mit dem des zweiten Materials verglichen werden. Durch das eingeschlossene Referenzgas kann eine genauere Gasmessung mit dem zweiten gassensitiven Material realisiert werden. Zudem kann ein Offset im elektrischen Signal an einem der Elektrodenpaare durch die auf der Basis des zweiten Materials aufgebaute Referenzsensorik kompensiert werden.In another variant, the cavity is closed on all sides and filled with a predetermined gas. The composition of the reference gas and its temporal heating behavior are preferably known. The behavior of the first material when exposed to a gas can be compared to that of the second material. Due to the trapped reference gas, a more accurate gas measurement can be realized with the second gas-sensitive material. In addition, an offset in the electrical signal on one of the electrode pairs can be compensated by the reference sensor system constructed on the basis of the second material.

Der allseits geschlossene Hohlraum kann unter einem Druck stehen, der von der Temperatur des vorbestimmten Gases abhängig ist. Um eine mechanische Belastung der Membran möglichst gering zu halten, kann ein weiterer abgeschlossener Hohlraum vorgesehen sein, wobei die beiden Hohlräume miteinander in fluider Verbindung stehen. Eine mechanische Beanspruchung der Membran aufgrund eines Drucks oder einer Druckänderung des in den Hohlräumen eingeschlossenen Gases kann dadurch verringert sein.The generally closed cavity may be under a pressure that is dependent on the temperature of the predetermined gas. In order to keep a mechanical load on the membrane as low as possible, a further closed cavity may be provided, wherein the two cavities are in fluid communication with each other. A mechanical stress of the membrane due to a pressure or a pressure change of the gas trapped in the cavities can thereby be reduced.

Dabei ist besonders bevorzugt, dass der weitere Hohlraum mittels einer weiteren Membran abgeschlossen ist und die weitere Membran eine geringere Steifigkeit als die andere Membran aufweist. Insbesondere kann die weitere Membran eine größere Fläche als die erste Membran abdecken oder dünner als die erste Membran ausgeführt sein. Es ist auch möglich, dass die weitere Membran aus einem flexibleren Material als die erste Membran hergestellt ist. Dadurch ergibt sich ein flexibel abgeschlossener weiterer Hohlraum, der ein variables Volumen aufweist. Steigt der Druck des Fluids im weiteren Hohlraum an, so verformt sich die weitere Membran nach außen, sinkt der Druck ab, so verformt sie sich nach innen. It is particularly preferred that the further cavity is closed by means of another membrane and the further membrane has a lower rigidity than the other membrane. In particular, the further membrane may cover a larger area than the first membrane or be made thinner than the first membrane. It is also possible that the further membrane is made of a more flexible material than the first membrane. This results in a flexible closed another cavity having a variable volume. If the pressure of the fluid in the further cavity increases, then the further diaphragm deforms outwards, the pressure decreases, then it deforms inwards.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizeinrichtung mittels einer ersten Isolationsschicht vom ersten gassensitiven Material und mittels einer zweiten Isolationsschicht vom zweiten gassensitiven Material getrennt. Dabei sind die Isolationsschichten derart ausgebildet, dass ihre Isolationswirkungen verschieden sind. Insbesondere können ein thermischer Widerstand oder eine absolute Wärmekapazität der Isolationsschichten unterschiedlich sein. Dazu können die Isolationsschichten unterschiedlich dick oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.In a further embodiment, the heating device is separated from the first gas-sensitive material by means of a first insulation layer and from the second gas-sensitive material by means of a second insulation layer. The insulation layers are designed such that their insulation effects are different. In particular, a thermal resistance or an absolute heat capacity of the insulating layers may be different. For this purpose, the insulation layers can be made of different thicknesses or of different materials.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizeinrichtung dazu eingerichtet, entlang der Membran unterschiedlich stark zu heizen, und die gassensitiven Materialien sind entlang der Membran gegeneinander versetzt angebracht. Eine lokale Heizleistung der Heizeinrichtung kann beispielsweise von der Breite eines elektrischen Leiters abhängen, wenn die Heizeinrichtung als elektrische Widerstandsheizung aufgebaut ist. Der elektrische Leiter kann an unterschiedlichen Stellen der Membran unterschiedliche Breiten aufweisen, so dass er in den einzelnen Abschnitten auch unterschiedliche Widerstände aufweist. Allgemein steigt der Widerstand mit abnehmender Leitungsbreite an, so dass die Heizleistung in diesem Bereich ansteigt. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise einen Temperaturverlauf erzeugen, der an der Oberseite und der Unterseite im Wesentlichen gleich ist, wobei aber das erste Material eher im Bereich der höheren Temperaturen und das zweite Material eher im Bereich der niedrigeren Temperaturen angebracht ist, oder umgekehrt.In a further embodiment, the heating device is adapted to heat different amounts along the membrane, and the gas-sensitive materials are mounted offset from one another along the membrane. A local heating power of the heating device may depend, for example, on the width of an electrical conductor when the heating device is constructed as an electrical resistance heater. The electrical conductor may have different widths at different points of the membrane, so that it also has different resistances in the individual sections. In general, the resistance increases with decreasing line width, so that the heating power increases in this area. For example, the heater may produce a temperature profile that is substantially equal at the top and bottom, but the first material is more likely to be in the higher temperature range and the second material is more likely to be in the lower temperature range, or vice versa.

Die unterschiedlich erwärmten gassensitiven Materialien können so bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden. Für bestimmte Kombinationen der gassensitiven Materialien können dadurch zwei vorbestimmte Temperaturen eingestellt werden, wobei jedoch nur eine von beiden aktiv gesteuert wird und die andere der gesteuerten Temperatur auf vorbestimmte Weise folgt.The differently heated gas-sensitive materials can be operated at different temperatures. For certain combinations of the gas-sensitive materials, two predetermined temperatures can thereby be set, but only one of them is actively controlled and the other follows the controlled temperature in a predetermined manner.

Ein Gassensor der Variante, deren Hohlraum allseits geschlossen und mit einem vorbestimmten Gas gefüllt ist, kann insbesondere mittels eines Bondprozesses hergestellt werden, der beispielsweise von der Herstellung eines Inertialsensors bekannt sein kann. Der Bondprozess kann auch Waferbondprozess genannt werden. Dabei kann beispielsweise eine Kappe mit einem Sensormodul hermetisch verbunden werden. Ein Verfahren zum Herstellen dieses Gassensors umfasst einen Schritt des Anbringens einer Membran mit einer Heizeinrichtung an einem Substrat, das einen Hohlraum begrenzt, so dass die Membran den Hohlraum überspannt, wobei an der Oberseite der Membran, die dem Hohlraum abgewandt ist, ein erstes gassensitives Material sowie damit in Kontakt stehende erste Elektroden und an der Unterseite der Membran, die dem Hohlraum zugewandt ist, ein zweites gassensitives Material sowie damit in Kontakt stehende zweite Elektroden angebracht sind. Weiter umfasst das Verfahren Schritte des Einbringens eines vorbestimmten Gases in den Hohlraum und des Verschließens des Hohlraums mittels eines Waferbondprozesses.A gas sensor of the variant whose cavity is closed on all sides and filled with a predetermined gas can in particular be produced by means of a bonding process, which can be known, for example, from the production of an inertial sensor. The bonding process can also be called wafer bonding process. In this case, for example, a cap can be hermetically connected to a sensor module. A method for manufacturing this gas sensor comprises a step of attaching a membrane with a heater to a substrate defining a cavity so that the membrane spans the cavity, wherein at the top of the membrane, which faces away from the cavity, a first gas-sensitive material and first electrodes in contact therewith and a second gas-sensitive material and second electrodes in contact therewith on the underside of the membrane facing the cavity. Further, the method includes steps of introducing a predetermined gas into the cavity and closing the cavity by means of a wafer bonding process.

Der Waferbondprozess kann verwandt mit einem anderen Prozessor sein, der zur Herstellung oder gegenseitigen Anbringung von Elementen des Gassensors verwendet wird. Die mittels des Waferbondprozesses erzielbare Verbindung kann sicherstellen, dass das vorbestimmte Gas auch unter höherem Druck oder nach längerer Zeit nicht aus dem Hohlraum austritt oder durch eintretendes Gas in seiner Zusammensetzung verändert wird.The wafer bonding process may be related to another processor used to fabricate or affix elements of the gas sensor. The connection which can be achieved by means of the wafer bonding process can ensure that the predetermined gas does not escape from the cavity even under higher pressure or for a prolonged period of time, or is changed in its composition by gas entering it.

Figurenlistelist of figures

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

1 eine schematische Darstellung eines Gassensors;
2 einen Gassensor in einer weiteren Ausführungsform;
3 eine weitere Ausführungsform eines Gassensors; und
4 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens für einen Gassensor

darstellt.The invention will now be described in more detail with reference to the attached figures, in which:

1 a schematic representation of a gas sensor;
2 a gas sensor in another embodiment;
3 another embodiment of a gas sensor; and
4 a flow chart of a manufacturing method for a gas sensor

represents.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100. Der Gassensor 100 ist dazu eingerichtet, ein Vorhandensein oder eine Konzentration eines vorbestimmten Gases oder Gasgemischs zu bestimmen. Der Gassensor 100 umfasst ein Substrat 105, das üblicherweise Silizium umfasst und das einen Hohlraum 110 begrenzt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Hohlraum 110 offen, in dem ein Gasaustausch mit einer Umgebung 115 ermöglicht ist. Am Substrat 105 ist eine Membran 120 angebracht, die den Hohlraum 110 überspannt. Eine dem Hohlraum 110 abgewandte Seite der Membran 120 wird Oberseite 125 und die andere, dem Hohlraum 110 zugewandte Seite Unterseite 130 genannt. Die Oberseite 125 steht in fluidem Kontakt mit der Umgebung 115, so dass Gas aus der Umgebung 115 in der dargestellten Ausführungsform sowohl an der Oberseite 125 als auch an der Unterseite 130 der Membran 120 angreifen kann. Die Zugänglichkeit des Gases aus der Umgebung 115 zur Unterseite 130 der Membran 120 kann sichergestellt sein, indem wie in der Darstellung von 1 der Hohlraum 110 für Gas aus der Umgebung 115 von unten zugänglich ist. In alternativen Ausführungsformen kann auch eine Öffnung in einer Seitenwand, beispielsweise als Trench, oder ein Durchbruch durch die Membran 120 vorgesehen sein. 1 shows a schematic representation of a gas sensor 100 , The gas sensor 100 is configured to determine a presence or concentration of a predetermined gas or gas mixture. The gas sensor 100 includes a substrate 105 , which usually comprises silicon and which has a cavity 110 limited. In the illustrated embodiment, the cavity is 110 open, in which a gas exchange with an environment 115 is possible. At the substrate 105 is a membrane 120 attached to the cavity 110 spans. A the cavity 110 opposite side of the membrane 120 becomes topside 125 and the other, the cavity 110 facing side underside 130 called. The top 125 is in fluid contact with the environment 115 so that gas from the environment 115 in the illustrated embodiment, both at the top 125 as well as at the bottom 130 the membrane 120 can attack. The accessibility of the gas from the environment 115 to the bottom 130 the membrane 120 can be ensured by, as in the representation of 1 the cavity 110 for gas from the environment 115 accessible from below. In alternative embodiments, an opening in a side wall, for example as a trench, or a breakthrough through the membrane may also be used 120 be provided.

An der Oberseite 125 der Membran 120 sind ein erstes gassensitives Material 135 und damit in Kontakt stehende erste Elektroden 140 angebracht. An der Unterseite 130 sind in entsprechender Weise ein zweites gassensitives Material 145 und zweite Elektroden 150 angebracht. Die gassensitiven Materialien 135, 145 umfassen bevorzugt ein dotiertes Metalloxid. Dabei können die Materialien 135, 145 einander entsprechen oder sich voneinander unterscheiden. Jedes Material 135, 145 verändert sein elektrisches Verhalten unter dem Einfluss von Wärme und einem vorbestimmten Gas oder einem Gas aus einer vorbestimmten Gruppe.At the top 125 the membrane 120 are a first gas-sensitive material 135 and first electrodes in contact therewith 140 appropriate. On the bottom 130 are correspondingly a second gas-sensitive material 145 and second electrodes 150 appropriate. The gas-sensitive materials 135 . 145 preferably comprise a doped metal oxide. The materials can 135 . 145 correspond to each other or differ from each other. Every material 135 . 145 changes its electrical behavior under the influence of heat and a predetermined gas or gas from a predetermined group.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Membran 120 zugleich als Heizeinrichtung 155 ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform kann die Heizeinrichtung 155 in der Membran 120, an ihrer Oberseite 125 oder an ihrer Unterseite 130 liegen. Optional können eine erste Isolationsschicht 160 zur Isolation der Heizeinrichtung 155 von dem ersten gassensitiven Material 135 oder den ersten Elektroden 140 oder eine zweite Isolationsschicht 165 zur Isolation der Heizeinrichtung 155 vom zweiten gassensitiven Material 145 oder den zweiten Elektroden 150 vorgesehen sein. In der dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden 140, 150 zwischen der Membran 120 beziehungsweise der Heizeinrichtung 155 und den zugehörigen Materialien 135, 145 angebracht. In anderen Ausführungsformen kann jedoch auch eine andere Reihenfolge eingehalten sein.In the illustrated embodiment, the membrane 120 at the same time as a heating device 155 educated. In another embodiment, the heating device 155 in the membrane 120 , at the top 125 or at their bottom 130 lie. Optionally, a first insulation layer 160 for insulation of the heater 155 from the first gas-sensitive material 135 or the first electrodes 140 or a second insulation layer 165 for insulation of the heater 155 from the second gas-sensitive material 145 or the second electrodes 150 be provided. In the illustrated embodiment, the electrodes are 140 . 150 between the membrane 120 or the heater 155 and related materials 135 . 145 appropriate. However, in other embodiments, another order may be met.

Es ist bevorzugt, dass im Gassensor 100 unterschiedliche gassensitive Materialien 135, 145 auf unterschiedlichen Seiten der Membran 120 liegen und mittels einer gemeinsamen Heizeinrichtung 155 erwärmt werden können. In weiteren Ausführungsformen können darüber hinaus auch eine oder mehrere zusätzliche Heizeinrichtungen 155 vorgesehen sein, die jeweils dazu eingerichtet sind, eines oder beide der Materialien 135, 145 erwärmen. In weiteren Ausführungsformen können auch mehr als zwei gassensitive Materialien 135, 145 an der Membran 120 vorgesehen sein.It is preferred that in the gas sensor 100 different gas-sensitive materials 135 . 145 on different sides of the membrane 120 lie and by means of a common heating device 155 can be heated. In further embodiments, moreover, one or more additional heating devices may also be provided 155 be provided, which are each adapted to one or both of the materials 135 . 145 heat. In further embodiments, more than two gas-sensitive materials may also be used 135 . 145 on the membrane 120 be provided.

2 zeigt einen Gassensor 100 nach dem Vorbild des Gassensors 100 von 1 in einer weiteren Ausführungsform. Während in der Ausführungsform von 1 ein Gas aus der Umgebung 115 Zugang sowohl zur Oberseite 125 als auch zur Unterseite 130 der Membran 120 hat, ist in der dargestellten Ausführungsform der Hohlraum 110 hermetisch abgeschlossen und bevorzugt mit einem vorbestimmten Gas 205, das auch Referenzgas genannt werden kann, gefüllt. Optional ist ein zweiter Hohlraum 210 vorgesehen, der ebenfalls hermetisch abgeschlossen ist, jedoch mittels einer fluiden Verbindung 215 mit dem ersten Hohlraum 110 verbunden ist. Der zweite Hohlraum 210 ist bevorzugt mittels einer zweiten Membran 220 abgedeckt, die insbesondere flexibel ausgeführt sein kann. Die Flexibilität der zweiten Membran 220 ist bevorzugt größer als die der ersten Membran 120. Anders ausgedrückt ist die Steifigkeit der ersten Membran 120 bevorzugt größer als die der zweiten Membran 220. Dehnt sich das Referenzgas 205 in den Hohlräumen 110, 210 aus, beispielsweise infolge der Erwärmung durch die Heizeinrichtung 155, so kann sich die zweite Membran 220 stärker als die erste Membran 120 verformen, so dass die mechanische Belastung auf die erste Membran 120 verringert ist. Die erhöhte Flexibilität der zweiten Membran 220 kann durch eine entsprechende Materialwahl unterstützt werden oder dadurch, dass die zweite Membran 220 größer oder dünner als die erste Membran 120 ist. Die Größe der Membranen 120, 220 kann danach bemessen werden, welche zweidimensionale Fläche sie jeweils über den Hohlräumen 110, 210 überspannen. 2 shows a gas sensor 100 after the model of the gas sensor 100 from 1 in a further embodiment. While in the embodiment of 1 a gas from the environment 115 Access both to the top 125 as well as to the bottom 130 the membrane 120 has, in the illustrated embodiment, the cavity 110 hermetically sealed and preferably with a predetermined gas 205 , which can also be called reference gas filled. Optionally, a second cavity 210 provided, which is also hermetically sealed, but by means of a fluid connection 215 with the first cavity 110 connected is. The second cavity 210 is preferably by means of a second membrane 220 covered, which can be particularly flexible. The flexibility of the second membrane 220 is preferably larger than that of the first membrane 120 , In other words, the stiffness of the first membrane 120 preferably larger than that of the second membrane 220 , The reference gas expands 205 in the cavities 110 . 210 from, for example, as a result of heating by the heater 155 so can the second membrane 220 stronger than the first membrane 120 deform, leaving the mechanical stress on the first membrane 120 is reduced. The increased flexibility of the second membrane 220 can be supported by an appropriate choice of material or by the fact that the second membrane 220 larger or thinner than the first membrane 120 is. The size of the membranes 120 . 220 can then be measured, which two-dimensional area they each above the cavities 110 . 210 span.

3 zeigt eine weitere exemplarische Ausführungsform eines Gassensors 100. Im oberen Bereich der Darstellung ist eine Draufsicht und im unteren Bereich eine Schnittansicht wie in den 1 oder 2 dargestellt. Hier ist die Heizeinrichtung 155 als Widerstandsheizung in Form einer Leiterbahn an der Membran 120 angebracht. In einer weiteren Ausführungsform kann die Heizeinrichtung 155 beziehungsweise ihre Leiterbahn einen Bereich umlaufen, an dem das gassensitive Material 135, 145 angebracht ist. In der dargestellten Ausführungsform sind die Isolationsschichten 160, 165, die Elektroden 140, 150 und die gassensitiven Materialien 135, 145 nicht dargestellt. Außerdem überspannt die Membran 120 in der dargestellten Ausführungsform den Hohlraum 110 nicht vollständig. Vielmehr sind Aussparungen 305 an der Membran 120 vorgesehen, die einen fluiden Austausch zwischen der Oberseite 125 und der Unterseite 130 der Membran 120 erlauben. In der dargestellten Ausführungsform sind die Aussparungen 305 relativ groß ausgeführt, so dass die Membran 120 im Wesentlichen über relativ dünne Stege in horizontaler Richtung mit dem Substrat 105 verbunden ist. Eine Wärmeableitung der Membran 120 an das Substrat 105 kann dadurch verbessert minimiert sein. 3 shows another exemplary embodiment of a gas sensor 100 , In the upper part of the illustration is a plan view and the bottom of a sectional view as in the 1 or 2 shown. Here is the heater 155 as resistance heating in the form of a conductor track on the membrane 120 appropriate. In a further embodiment, the heating device 155 or their trace orbit an area where the gas-sensitive material 135 . 145 is appropriate. In the illustrated embodiment, the insulating layers are 160 . 165 , the electrodes 140 . 150 and the gas-sensitive materials 135 . 145 not shown. It also spans the membrane 120 in the illustrated embodiment, the cavity 110 not completely. Rather, there are recesses 305 on the membrane 120 provided that a fluid exchange between the top 125 and the bottom 130 the membrane 120 allow. In the illustrated embodiment, the recesses 305 relatively large, so that the membrane 120 essentially via relatively thin webs in the horizontal direction with the substrate 105 connected is. A heat dissipation of the membrane 120 to the substrate 105 can be minimized thereby improved.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens 400 für einen Gassensor 100 nach einer der vorangehenden Figuren. Das Verfahren 400 wird bevorzugt zur Herstellung einer Ausführungsform wie der von 2 verwendet, bei der der erste Hohlraum 110 hermetisch gegenüber der Umgebung 115 abgeschlossen ist. 4 shows a flowchart of a manufacturing process 400 for a gas sensor 100 according to one of the preceding figures. The procedure 400 is preferred for producing an embodiment like that of 2 used in which the first cavity 110 hermetic to the environment 115 is completed.

In einem ersten Schritt 405 wird die Membran 120 derart am Substrat 105 angebracht, dass sich im Wesentlichen die oben mit Bezug auf 1 beschriebene Konstellation ergibt. Das heißt, dass die Membran 120 mit der Heizeinrichtung 155 versehen ist und am Substrat 105 so angebracht ist, dass sie einen Hohlraum 110 überspannt. Dabei sind an der Oberseite 125 ein erstes gassensitives Material 135 und erste Elektroden 140 und an der Unterseite 130 ein zweites gassensitives Material 145 und zweite Elektroden 150 an der Membran 120 angebracht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Hohlraum 110 jedoch an seiner Unterseite noch geöffnet.In a first step 405 becomes the membrane 120 so on the substrate 105 attached that essentially the above with respect to 1 results in the described constellation. That is, the membrane 120 with the heater 155 is provided and on the substrate 105 so attached that it has a cavity 110 spans. Here are at the top 125 a first gas-sensitive material 135 and first electrodes 140 and at the bottom 130 a second gas-sensitive material 145 and second electrodes 150 on the membrane 120 appropriate. At this time is the cavity 110 but still open at its bottom.

In einem zweiten Schritt 410 wird das vorbestimmte Referenzgas 205 in den Bereich des Hohlraums 110 eingebracht. Ein Reaktionsgefäß, in dem der nachfolgende Schritt 415 durchgeführt wird, kann dazu mit dem vorbestimmten Gas 205 geflutet werden.In a second step 410 becomes the predetermined reference gas 205 in the area of the cavity 110 brought in. A reaction vessel in which the subsequent step 415 can be done with the predetermined gas 205 be flooded.

Im Schritt 415 wird ein Bondprozess, insbesondere ein Waferbondprozess durchgeführt, um einen weiteren Abschnitt Substrat 105 so mit dem bestehenden Substrat 105 zu verbinden, dass der Hohlraum 110 hermetisch abgeschlossen ist. Der Bondprozess kann beispielsweise aus der Herstellung eines Inertialsensors bekannt sein, wo der Prozess zur Verbindung eines Sensormoduls mit einer Kappe oder einem Deckel verwendet werden kann. Der Hohlraum 110 kann auch mit einem anderen Element als Substrat 105 mittels des Bondprozesses verschlossen werden, wobei das Element bevorzugt ein Halbleitermaterial umfasst.In step 415 For example, a bonding process, in particular a wafer bonding process, is carried out around another substrate section 105 so with the existing substrate 105 to connect that cavity 110 hermetically sealed. The bonding process may be known, for example, from the manufacture of an inertial sensor, where the process of connecting a sensor module to a cap or lid may be used. The cavity 110 can also work with another element as a substrate 105 be closed by means of the bonding process, wherein the element preferably comprises a semiconductor material.

Claims

Gassensor (100), umfassend: - ein Substrat (105), das einen Hohlraum (110) begrenzt; - eine am Substrat (105) angebrachte, den Hohlraum (110) überspannende Membran (120); - einer Heizeinrichtung (155) an der Membran (120); - ein erstes gassensitives Material (135) an einer dem Hohlraum (110) abgewandten Oberseite der Membran (120); - erste Elektroden, die mit dem ersten gassensitiven Material (135) in Kontakt stehen; gekennzeichnet durch - ein zweites gassensitives Material (145) an einer dem Hohlraum (110) zugewandten Unterseite der Membran (120); - zweite Elektroden, die mit dem zweiten gassensitiven Material (145) in Kontakt stehen.A gas sensor (100) comprising: - a substrate (105) defining a cavity (110); - A on the substrate (105) mounted, the cavity (110) spanning membrane (120); - a heater (155) on the membrane (120); - A first gas-sensitive material (135) on one of the cavity (110) facing away from the top of the membrane (120); - first electrodes in contact with the first gas-sensitive material (135); characterized by - a second gas-sensitive material (145) on an underside of the membrane (120) facing the cavity (110); - Second electrodes, which are in contact with the second gas-sensitive material (145).

Gassensor (100) nach Anspruch 1, wobei ein Gasaustausch zwischen der Oberseite und der Unterseite möglich ist und die Materialien (135, 145) auf unterschiedliche Gase sensitiv sind.Gas sensor (100) after Claim 1 wherein gas exchange between the top and bottom is possible and the materials (135, 145) are sensitive to different gases.

Gassensor (100) nach Anspruch 2, wobei das erste Material (135) auf ein vorbestimmtes Gas sensitiv ist, auf welches das zweite Material (145) nicht sensitiv ist.Gas sensor (100) after Claim 2 wherein the first material (135) is sensitive to a predetermined gas to which the second material (145) is not sensitive.

Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (110) allseits geschlossen und mit einem vorbestimmten Gas (205) gefüllt ist.Gas sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the cavity (110) is closed on all sides and filled with a predetermined gas (205).

Gassensor (100) nach Anspruch 4, wobei ein weiterer abgeschlossener Hohlraum (210) vorgesehen ist, und wobei die beiden Hohlräume (110, 210) miteinander in fluider Verbindung stehen.Gas sensor (100) after Claim 4 wherein a further closed cavity (210) is provided, and wherein the two cavities (110, 210) are in fluid communication with each other.

Gassensor (100) nach Anspruch 5, wobei der weitere Hohlraum (210) mittels einer weiteren Membran (220) abgeschossen ist und die weitere Membran (220) eine geringere Steifigkeit als die andere Membran (120) aufweist.Gas sensor (100) after Claim 5 wherein the further cavity (210) is shot down by means of a further membrane (220) and the further membrane (220) has a lower rigidity than the other membrane (120).

Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung (155) mittels einer ersten Isolationsschicht (160) vom ersten gassensitiven Material (135) und mittels einer zweiten Isolationsschicht (165) vom zweiten gassensitiven Material (145) getrennt ist und die Isolationsschichten (160, 165) derart ausgebildet sind, dass ihre Isolationswirkungen verschieden sind.Gas sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the heating device (155) is separated from the first gas-sensitive material (135) by means of a first insulation layer (160) and from the second gas-sensitive material (145) by means of a second insulation layer (165) and the insulation layers (160, 165) are formed such that their insulation effects are different.

Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung (155) dazu eingerichtet ist, entlang der Membran (120) unterschiedlich stark zu heizen und die gassensitiven Materialien (135, 145) entlang der Membran (120) gegeneinander versetzt angebracht sind.Gas sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the heating device (155) is adapted to heat different amounts along the membrane (120) and the gas-sensitive materials (135, 145) along the membrane (120) mounted offset from each other.

Verfahren (400) zur Herstellung eines Gassensors (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Anbringen (405) einer Membran (120) mit einer Heizeinrichtung (155) an einem Substrat (105), das einen Hohlraum (110) begrenzt, sodass die Membran (120) den Hohlraum (110) überspannt, wobei an der Oberseite der Membran (120), die dem Hohlraum (110) abgewandt ist, ein erstes gassensitives Material (135) sowie damit in Kontakt stehende erste Elektroden (140) und an der Unterseite der Membran (120), die dem Hohlraum (110) zugewandt ist, ein zweites gassensitives Material (145) sowie damit in Kontakt stehende zweite Elektroden (165) angebracht sind; - Einbringen (410) eines vorbestimmten Gases (205) in den Hohlraum (110); und - Verschließen (415) des Hohlraums (110) mittels eines Waferbondprozesses.Method (400) for producing a gas sensor (100) according to one of Claims 4 to 6 the method comprising the steps of: - attaching (405) a membrane (120) with a heater (155) to a substrate (105) defining a cavity (110) such that the membrane (120) covers the cavity (110) spans, wherein at the top of the membrane (120), which faces away from the cavity (110), a first gas-sensitive Material (135) and first electrodes (140) in contact therewith and a second gas-sensitive material (145) and second electrodes (165) in contact therewith at the bottom of the membrane (120) facing the cavity (110); are attached; - introducing (410) a predetermined gas (205) into the cavity (110); and - closing (415) the cavity (110) by means of a wafer bonding process.