專利名稱：具有殼體的半導體氣體傳感器和測量氣體濃度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到按照權(quán)利要求1前序部分的半導體氣體傳感器，以及用半導體氣體傳感器測量氣體濃度的方法。
在各種技術(shù)領(lǐng)域中測量或者分析氣體具有重要的意義。例如在焚燒化石燃料時產(chǎn)生一氧化碳，一氧化氮和臭氧，這些對環(huán)境和人體造成非常大的負擔。為了減少這些負擔當焚燒時要求測量或者分析所產(chǎn)生的氣體。特別是可以通過測量運行時的排氣通過相應(yīng)的反饋減少有害排出物。
半導體-氣體傳感器提供氣體分析的可能性，在其上將一個氣體敏感層加熱到一定的溫度，氣體敏感層在一定氣體負荷下其電阻硅壁。在一定溫度時通過測量敏感層的電阻可以確定不同氣體的濃度，例如CO，NO，NO2或者O3。在多數(shù)情況下氣體敏感層是一個金屬氧化層，例如SnO2。
B.Ruhland等的文章“氮氧化物與SnO2表面氣體動力學的交互作用”，傳感器和激勵器B50(1998)85至94頁，表示了這種半導體-氣體傳感器。在這種已知的氣體傳感器中將SnO2薄層安放在加熱結(jié)構(gòu)上。SiO2層將加熱元件與氣體敏感層SnO2分開。將具有氣體敏感層的加熱結(jié)構(gòu)安排在Si3N4薄膜上，Si3N4薄膜又位于硅基質(zhì)上。當測量時氣體敏感層通過擴散或者通過沖擊傳感元件承受氣體負荷。將具有氣體敏感層的傳感元件安裝在殼體內(nèi)。
然而此時出現(xiàn)的問題是，由于熱空氣上升或者在傳感元件上邊的上升氣體阻礙氣體擴散到傳感元件上。因此在殼體內(nèi)產(chǎn)生氣體流，這對傳感器的時間特性是個缺點。產(chǎn)生的結(jié)果是動作時間長和部分不準確的測量結(jié)果。
因此本發(fā)明的任務(wù)是創(chuàng)建具有比較好的時間特性的半導體-氣體傳感器。此外規(guī)定一種比較好的時間特性的測量氣體濃度的方法和使準確的測量成為可能。
此任務(wù)是通過按照權(quán)利要求1的半導體-氣體傳感器和按照權(quán)利要求10的測量氣體濃度的方法解決的。此外本發(fā)明有益的特征，方面和細節(jié)由有關(guān)的敘述，說明和附圖中得到。
按照本發(fā)明的半導體-氣體傳感器包括可以加熱的傳感元件用于測量氣體濃度，和一個殼體，將傳感元件安裝在其內(nèi)部空間，此時殼體有將內(nèi)部空間與外部空間連接的第一個開口，和此時在殼體內(nèi)安排了一個或者多個開口，這些位于第一個開口的下邊，以便將氣體流從第二個開口通過對流到達第一個開口。從而在測量精度高和費用少的情況下降低了動作時間。
有益地是將第二個開口或者氣體進入口安排在殼體下部的側(cè)邊上和可以將第一個開口安排在殼體的上邊。有益的是將第二個開口安排在與傳感元件同樣的高度或者低于傳感器的高度。因此在殼體內(nèi)部空間產(chǎn)生非常適宜的氣體流。
有益地是用微技術(shù)制造硅殼體。此時可以將傳感元件集成在位于上下的或者面對面的兩個硅壁之間，此時將第二個開口構(gòu)成在面對面的壁的臨界面之間。特別是將第一個開口構(gòu)成在傳感元件上面的硅壁上。有益的是將氣體進入口的第二個開口由硅壁之間的通道構(gòu)成。通過這種結(jié)構(gòu)形式使得制造特別容易和成本便宜，此時可以將傳感器實現(xiàn)得非常緊湊。
在第二個開口或者氣體進入口上可以安裝用于過濾或者氣體轉(zhuǎn)換的可以流過的元件。此時可以流過的元件例如在其內(nèi)表面上有一種材料，當氣體到達傳感元件之前將流過的氣體進行化學轉(zhuǎn)換和/或催化轉(zhuǎn)換。因此對于不同的氣體可以調(diào)整或者改變傳感器的敏感度。
按照本發(fā)明另外的方面規(guī)定了用半導體-氣體傳感器測量氣體濃度的方法，在其中通過對流驅(qū)動氣體流流過殼體，此時氣體從下面向上穿過殼體和在傳感元件旁流過，這產(chǎn)生與氣體濃度有關(guān)的測量信號。
下面示范性地敘述本發(fā)明，在附圖中附

圖1用截面圖表示按照本發(fā)明半導體-氣體傳感器的第一個實施形式；和附圖2用簡圖表示按照本發(fā)明的半導體-氣體傳感器的第二個實施形式。
按照附圖1在本發(fā)明優(yōu)異的實施例中半導體-氣體傳感器包括安裝在殼體2中的傳感元件1。在殼體2的上端21上有開口3，這將殼體2的內(nèi)部空間20與殼體外部區(qū)域或者與外部空間相連接。在殼體2的下邊部分安排了另外的開口4a、4b。在測量運行時將傳感元件加熱，因此上邊區(qū)域的空氣或者氣體變熱和上升。當氣體通過上邊的開口3排出時，通過另外的開口4a、4b可以將氣體從外部流向內(nèi)部空間20。通過對流驅(qū)動氣體流通過傳感器內(nèi)部空間。
在這里表示的實施形式中將另外的開口4a、4b安排在殼體2側(cè)壁的下部。變熱的空氣或者加熱的氣體通過對流產(chǎn)生將氣體流引導到傳感元件1的煙囪作用。這種煙囪作用不僅與氣體擴散相反，而且與氣體擴散共同起作用。通過充分利用煙囪作用提高傳感器的動作速度。這產(chǎn)生一個泵作用，由于泵作用將準備測量的氣體通過煙囪作用吸入殼體2。由于泵作用氣體不受阻礙地到達傳感元件1。通過充分利用對流或者煙囪作用和專門的開口3，4a，4b將由于傳感器機理產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)品傳送出去。因此明顯地改善了傳感器的時間特性。
使用例如在B.Ruhland上述文章中詳細敘述的已知的傳感元件作為傳感元件1。傳感元件包括氣體敏感層，其導電能力或者歐姆電阻隨著各個氣體濃度變化。此外是金屬氧化層，SnO2特別是適合的。在傳感元件1的敏感層上安排了用于測量導電能力或者電阻的材料，例如用接觸電極副的形式。將鉑-加熱電阻形式的加熱元件經(jīng)過SiO2-層或者鈍化層與傳感層耦合。下面有由Si3N4構(gòu)成的支撐薄膜用于支撐裝置。將裝置支撐在芯片上，在本發(fā)明情況下是支撐在硅基質(zhì)上。
涉及到已知傳感元件1的其他結(jié)構(gòu)及其功能方式是以上述文章為基礎(chǔ)的。然而也可能使用其他已知的傳感元件例如厚層傳感器，厚層傳感器依賴于與其接觸的氣體提供測量信號。
在這里表示的實施形式中殼體2是由金屬制造的。但是也可能用其他材料，例如硅。
將殼體2上邊部分也可以構(gòu)成為可取下的蓋子。根據(jù)使用目的或者準備測量的氣體將傳感元件1的溫度進行調(diào)整。例如當大約為50℃至大約200℃相對低的溫度時出現(xiàn)非常高的NO2-敏感度，相反例如適合于CO的測量溫度在300℃至400℃范圍內(nèi)。通過在不同溫度時不同的敏感度有可能將不同氣體成分借助于傳感元件1確定排列，傳感元件是安排在腔1的下邊部分。另外一方面當用傳感元件1測量時也有可能將不同的溫度范圍一步步地進行調(diào)整，以便求出或者分析不同的氣體成分。
在氣體進入的開口4a、4b處，在優(yōu)異的實施形式中安排了可以流過的元件5a、5b。根據(jù)測量目的可以將可流過的元件5a、5b使用在氣體過濾和/或氣體化學轉(zhuǎn)換和/或氣體催化轉(zhuǎn)換上。為了這個目的將這些構(gòu)成為過濾器或者安排通孔或者孔。也可以將其構(gòu)成為多孔的。通過將可流過的元件5a、5b內(nèi)表面用金屬氧化物涂層，例如SnO2，如果氣體流入殼體2進行從O3至O2的反應(yīng)。因此平衡了或者減少了在傳感元件1薄傳感層上出現(xiàn)的相對大的O3-敏感度。其他的涂層，例如氧化金屬，特別是鈀，造成將長的穩(wěn)定的分子轉(zhuǎn)換為比較短的鏈，這個與薄傳感層容易反應(yīng)。在這種情況下提高了測量的靈敏度。根據(jù)測量目的將各種可以流過的元件5a、5b安排在開口4a、4b處。如果氣體成分在進入殼體2時不要求過濾或者轉(zhuǎn)換時，開口4a、4b但是也可以是開放的。
附圖2表示了本發(fā)明另外實施形式的截面簡圖。在其中將傳感元件10集成在硅制成的殼體40上。殼體40是由各自構(gòu)成為槽形的下邊部分40a和上邊部分40b組成。將兩個殼體零件40a、40b成形為板形，此時將各個板子的中間區(qū)域構(gòu)成為洞或者空槽41a，41b以便取下傳感元件10。將兩個殼體零件40a、40b這樣置于上下使空槽41a，41b面對面和這樣就構(gòu)成了殼體40的內(nèi)部空間50。在殼體40的上端有構(gòu)成為氣體出口的開口30。在殼體零件40a、40b之間是構(gòu)成為通道形式的通道60a、60b。這些通道或者其他的開口60a、60b構(gòu)成為在殼體40側(cè)邊的氣體入口。空槽41a，41b或者槽子和通道60a、60b可以用典型的硅-微工藝已知的腐蝕技術(shù)制成。因此在緊湊結(jié)構(gòu)形式時得到適合于成批生產(chǎn)的成本便宜的制造。
權(quán)利要求
1.半導體-氣體傳感器，具有可以加熱的傳感元件(1；10)用于測量氣體濃度，和殼體(2；40)，在其內(nèi)部空間安裝了傳感元件，此時殼體(2；40)有第一個開口(3；30)，第一個開口將內(nèi)部空間(20；50)與外部空間連接，其特征為，在殼體(2；40)內(nèi)安排了低于第一個開口(3；30)的一個或多個第二個開口(4a，4b；60a，60b)，此時將第一個開口(3；30)安排在可以加熱的傳感元件(1；10)的上邊，以便在運行時通過傳感元件(1；10)的加熱產(chǎn)生煙囪作用。
2.按照權(quán)利要求1的半導體-氣體傳感器，其特征為，將第二個開口(4a，4b)安排在殼體(2)側(cè)壁的下部，和將第一個開口(3)安排在殼體(2)的上端(21)。
3.按照權(quán)利要求1或2的半導體-氣體傳感器，其特征為，將第二個開口(4a，4b；60a，60b)安排在同樣的高度或者低于傳感元件(1；10)的高度。
4.按照上述一個或多個權(quán)利要求的半導體-氣體傳感器，其特征為，殼體(40)是由硅用微工藝制成的。
5.按照上述一個或多個權(quán)利要求的半導體-氣體傳感器，其特征為，將傳感元件(10)集成在兩個硅槽(40a，40b)中，將兩個硅槽上下重疊安排，此時將兩個開口(60a，60b)構(gòu)成為硅槽之間的相對的臨界面。
6.按照權(quán)利要求5的半導體-氣體傳感器，其特征為，將第一個開口(30)構(gòu)成在位于上面的硅槽(40b)上在傳感元件(10)的上面。
7.按照權(quán)利要求5或6的半導體-氣體傳感器，其特征為，第二個開口(60a，60b)是通過位于硅槽(40a，40b)之間的通道構(gòu)成的。
8.按照上述一個或多個權(quán)利要求的半導體-氣體傳感器，其特征為，在構(gòu)成氣體入口的第二個開口(4a，4b)處安排了用于氣體過濾和/或氣體轉(zhuǎn)換的可以流過的元件(5a，5b)。
9.按照權(quán)利要求8的半導體-氣體傳感器，其特征為，可以流過的元件(5a，5b)在其內(nèi)部表面有一種材料，在其到達傳感元件(10)之前，將流過的氣體進行化學和/或催化轉(zhuǎn)換。
10.用半導體-氣體傳感器測量氣體濃度的方法，在其中安裝在殼體(2；40)中的加熱的傳感元件(1；10)將位于傳感元件(1；10)上面的氣體加熱和用煙囪方式驅(qū)動一個氣體流，此時氣體從下邊向上邊流過殼體(2；40)和在傳感元件(1；10)旁流過，傳感元件產(chǎn)生一個與氣體濃度有關(guān)的測量信號。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其特征為，在氣體與傳感元件(1；10)接觸之前，進行氣體過濾和/或氣體轉(zhuǎn)換。
全文摘要
用于測量例如CO、NO
文檔編號G01N27/12GK1347498SQ00806254
公開日2002年5月1日 申請日期2000年4月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月14日
發(fā)明者G·米勒, T·貝克 申請人:伊德斯德國股份有限公司