用於探測氣體混合物的成分的傳感器的製造方法

2023-12-12 02:58:42

用於探測氣體混合物的成分的傳感器的製造方法
【專利摘要】用於探測氣體混合物（3）中的第一成分（4）的傳感器（2）具有氣體敏感的電極（8）和催化劑（16），所述催化劑（16）與電極（8）相間隔地設置在多孔載體陶瓷（18）上和/或中。催化劑（16）引起，以化學的方式改變在氣體混合物中的第二成分（6），使得該第二成分（6）基本上不對電極的電勢的改變作出貢獻。
【專利說明】用於探測氣體混合物的成分的傳感器

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於探測在介質混合物中的至少一種第一介質的傳感器，該介質混合物由至少第一和第二介質組成，以及涉及用於製造該傳感器的方法以及具有該傳感器的晶片。

【背景技術】
[0002]例如為了確定在氣體混合物中的氣體成分尤其使用場效應電晶體形式的傳感器。在此，場效應電晶體的柵極電極例如敏感地對要確定的氣體成分進行反應，由此發生柵極電極的電勢的改變。由此產生的在場效應電晶體的源極和漏極電極之間的電流的改變被分配給氣體成分的濃度。這種傳感器被稱為ChemFET (化學場效應電晶體)。這種ChemFET尤其被使用在內燃機的廢氣管線中，以便例如測量在廢氣中的氮氧化物(下面也被稱為NOx)的分量，如在DE 10 2007 040 726 Al中描述的。


【發明內容】

[0003]在權利要求1中定義的按照本發明的傳感器、在權利要求6中定義的按照本發明的方法以及在權利要求10中定義的按照本發明的晶片相對於傳統的解決方案提供了優點:其熱膨脹係數(下面也被稱為WAK)通常不同於電極的熱膨脹係數的催化劑與電極相間隔地設置在普遍多孔的載體陶瓷上和/或中，並且因此當它們遭受強烈變化的溫度(如典型地在內燃機的廢氣管線中情況那樣)時，在催化劑和電極之間不產生熱張力(thermischeVerspannung)ο此外,催化劑由於其高的表面粗糙度而比較良好地附著在多孔的載體陶瓷上。此外，由於距離，電極的催化活性不受催化劑影響，由此傳感器的測量精度被改善。
[0004]在各自的從屬權利要求中提及的特徵涉及本發明的主題的有利的改進和改善。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]本發明的實施例在附圖中被示出並且在後面的描述中被更詳細闡述。
[0006]圖1以剖視圖示出了按照本發明實施例的傳感器；
圖2以剖視圖示出了按照本發明另一實施例的傳感器；和圖3以俯視圖示出了按照本發明實施例的晶片。

【具體實施方式】
[0007]只要沒有相反的說明，在圖中相同的附圖標記表示相同的或者功能相同的元件。
[0008]圖1以剖視圖示出了按照本發明實施例的傳感器2。
[0009]按照該實施例，傳感器2被設置在內燃機的未被進一步示出的廢氣管線中的廢氣流3中或者與其鄰近。
[0010]廢氣流3具有由第一介質4和第二介質6組成的介質混合物。按照該實施例，第一介質是NOx氣體，第二介質6是碳氫化合物氣體。當然，廢氣流3也還可以包含其他介質。
[0011]藉助傳感器2應當探測在廢氣流3中的NOx氣體4。「探測」當前不僅意味著純粹識別在廢氣流中NOx氣體4的存在，而且意味著優選按量檢測NOx氣體4。為此，按照本實施例，傳感器2如下地構造:
傳感器2例如以ChemFET的形式來實施並且具有柵極電極8，該柵極電極通過絕緣層10與半導體襯底12接觸。
[0012]半導體襯底12可以由氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁或者碳化矽實施。按照該實施例，其被實施為碳化矽。
[0013]柵極電極8優選由氧化穩定的貴金屬例如鉬、鈀、金、銥、錸、銠或者其混合物構成和/或由非貴金屬(如鉿、鉭和/或鋁)的元素化合物的混合構成。
[0014]柵極電極8還可以具有由貴金屬或由貴金屬-金屬氧化物-混合材料組成的多孔塗層14。用於多孔塗層14的材料優選從族元素如鉿、鉭、鈮、鉭、鑰、銠、鉬、鈀、銀、金或其混合物中選擇。此外，可以考慮導電化合物如族元素的氮化物、碳化物或者矽化物，例如矽化鎢或矽化鉭。作為貴金屬-金屬氧化物-混合材料合適的尤其是金屬陶瓷，其除了所述的族元素或其碳化物或矽化物外還具有陶瓷成分，例如氧化鋁、二氧化矽、二氧化鋯、稀有的貴金屬，如尤其是氧化鎂。
[0015]優選包含多孔塗層14的電極8被設立用於:當該電極與在廢氣流3中的NOx氣體4或者碳氫化合物氣體6或者兩種氣體相接觸時，改變其電勢。除了柵極電極8，傳感器2具有未示出的源極和漏極電極，其中柵極電極8的電勢的改變導致在源極和漏極電極之間的半導體襯底12中的溝道區域15中的電流的改變。該電流的改變在未被示出的分析單元中被分析，以便確定在電極8處存在何種介質以及該介質以何種量存在。
[0016]但是因為按照該實施例應該僅僅探測NOx氣體，因此催化劑16設置在電極8和廢氣流3之間。催化劑16用於排除在廢氣流3中的各個氣體成分，對於所述各個氣體成分，電極8具體不希望的橫向敏感性。在此，由催化劑16將所述不希望的氣體成分轉換為不妨礙測量要確定的氣體成分的氣體成分。按照本實施例，催化劑16因此被構造為氧化催化劑，其將碳氫化合物氣體6氧化成二氧化碳和水。催化氧化過程優選主要在廢氣流3的溫度在100和650°之間、優選在250和550°之間的範圍中時進行。反應產物二氧化碳和水基本上不影響電極8的電勢。而NOx氣體4可以無阻礙地穿過氧化催化劑16到達電極8，在那裡NOx氣體4對電極8的電勢的改變作出貢獻(beitragen)。
[0017]按照該實施例，催化劑16被構造為大量顆粒，它們分別具有例如由氧化鋁或鋯石氧化物(Zirkonoxid)構成的陶瓷核心,其帶有尤其由貴金屬(如鉬、錯、鈕、銥或其混合物)組成的催化被覆物。代替地，催化劑16本身可以被構造為尤其由上述貴金屬之一組成的多孔層。
[0018]按照該實施例，催化劑16部分地設置在構造為層的、普遍多孔的載體陶瓷18上、也即設置在廢氣流側，並且部分地設置在構造為層的、普遍多孔的載體陶瓷18內，該載體陶瓷本身設置在電極8和廢氣流13之間。載體陶瓷18優選地由矽或碳化矽組成。載體陶瓷18在廢氣流側的區域20中具有第一直徑優選在2和20 μ m之間的孔，催化劑16以顆粒形式被容納在所述孔中。載體陶瓷18還具有電極側的區域22，該區域構造有具有大約
0.2 — 2 μ m或更小的第二直徑的孔。催化劑16不能到達這些孔中或者穿過這些具有第二直徑的孔，從而催化劑顆粒16不能非故意地(ungewollt)與電極8接觸或者不能非故意地穿過載體陶瓷18。
[0019]代替地，催化劑16也可以被構造為多孔層，該多孔層被設置在載體陶瓷18上。
[0020]按照該實施例，載體陶瓷18通過間隙24與電極8相間隔地設置。由此避免，載體陶瓷18和電極8直接相接觸，使得避免例如由於不同的WAK引起的它們相對彼此的張力。
[0021]此外，傳感器2具有鈍化部26，其與催化劑16、載體陶瓷18和半導體襯底12 —起包圍電極8。鈍化部26氣密地構造並且優選由二氧化矽和/或氮化矽來實施。
[0022]有利地，半導體襯底12和載體陶瓷18由相同的材料或具有基本上相同的WAK的不同材料構造。優選地，例如半導體襯底12和載體陶瓷18兩者都由碳化矽構造。由此，可以避免在載體陶瓷18和半導體襯底12之間產生張力；也即避免通過部件鈍化部26引起的大的力流(Kraftfluss)。部件鈍化部26和絕緣層10被這樣薄地實施(圖1不按實際地示出大小關係)，使得它們對於傳感器2的組件相對彼此的張力是不重要的。
[0023]下面按照根據圖1的實施例更詳細地闡述用於製造傳感器2的方法。
[0024]首先，提供半導體襯底12並且在該半導體襯底上施加絕緣層10。接著，在絕緣層10上施加電極8。在施加絕緣層10或電極8之前或之後，將鈍化部26施加到半導體襯底12上。
[0025]在另一步驟中，將保護層(例如光致保護漆(Fotoschutzlack))施加到電極8上。此後，在保護層上產生、尤其是沉積載體陶瓷18。例如如此沉積載體陶瓷18，使得其具有上面已經描述的普遍的孔。另一方面，也可能的是，載體陶瓷18首先在保護層上產生並且此後在載體陶瓷18中產生孔。
[0026]在另一步驟中，將催化劑16施加到載體陶瓷18上，並且至少部分地引入到所述載體陶瓷18中。
[0027]按照未示出的實施例，催化劑16可以作為單獨的層在廢氣流側被施加在載體陶瓷18上。但是，按照本實施例，催化劑16以上面已經描述的顆粒形式被施加在載體陶瓷18上並且被引入載體陶瓷18的廢氣流側的區域20中。這可以藉助將載體陶瓷18浸入催化劑16的懸浮體或將這種懸浮體噴濺到載體陶瓷18上或也藉助將催化劑膏以絲網印刷方法印到載體陶瓷18上來實現。所有這些方法共同的是:將催化劑顆粒16的一定分量填充到載體陶瓷18的廢氣流側的區域20的孔中。通過在區域22中的孔具有小於催化劑顆粒16的直徑，避免，催化劑顆粒16能到達保護層或稍後到達電極8。
[0028]在另一步驟中，對至少由催化劑16和載體陶瓷18組成的裝置熱處理或燒結，以便提高在催化劑16和載體陶瓷18之間的附著。這種熱處理例如可以在大約200和600°之間的溫度時進行。
[0029]也可以設想，首先產生載體陶瓷18並且用催化劑16來塗層以及必要時將如此實現的裝置熱處理或燒結。在另一步驟中，可將該裝置施加到至少由半導體襯底12、絕緣層10和所述絕緣層上的電極8組成的另一裝置上。
[0030]在施加催化劑16之後或優選在對載體陶瓷18進行熱處理、燒結或多孔化之後，去除保護層，從而形成在載體陶瓷18和電極8之間的空著的間隙24。
[0031]為了去除保護層，多種可能性是公開的。這些可能性的共同之處應該在於:保護層通過在載體陶瓷18中的孔從間隙24去除。
[0032]在保護層被構造為保護漆的情況下，可以將所述保護層通過有機溶劑來去除，其中保護漆可良好地溶解在所述有機溶劑中。為此，將有機溶劑穿過在載體陶瓷18中的孔輸送到保護層，由此該保護層被溶解並且通過孔被衝洗掉。按照另一變型方案，該保護層的去除可通過熱加熱來去除，其中該保護層首先被熱分解並且此後通過在載體陶瓷18中的孔被蒸發。對於該方法，有益的是:該保護層由可熱分解的光聚物構造。按照有利的實施例，利用相同的熱處理從間隙24中去除保護層並且同時提高在催化劑16和載體陶瓷18之間的附著。催化劑16連同載體陶瓷18的前面描述的分離的熱處理由此取消，因此用於製造傳感器2的製造方法總體上被簡化。
[0033]按照根據圖2的實施例的傳感器2與按照圖1的傳感器的區別僅僅在於，在按照圖2的實施例中載體陶瓷18直接施加在必要時包括塗層14的電極8上。相應地，在按照根據圖2的實施例的用於製造傳感器2的方法中取消上面與圖1相關聯地描述的方法步驟，據此保護層被施加到電極8上並且該保護層稍後又被去除。此外，所描述的用於製造按照圖1的傳感器的方法和製造按照圖2的傳感器2的方法是相同的。
[0034]圖3以俯視圖示出了晶片28，該晶片具有按照根據圖1或2的實施例的傳感器2。晶片28此外具有另外的傳感器30。該另外的傳感器30是傳統的ChemFET並且具有未示出的電極，該電極被設立用於:當該電極與第一介質4 (例如氮氧化物氣體)和/或第二介質6 (例如碳氫化合物氣體)接觸時，改變其電勢。按照根據圖3的實施例的另外的傳感器30不具有催化劑等等，所述催化劑適於這樣改變第二介質6，使得該第二介質基本上不對該另外的傳感器30的電極的電勢的改變作出貢獻。該另外的傳感器30尤其不具有催化劑，所催化劑適於將碳氫化合物氣體轉化為二氧化碳和水。因此，該另外的傳感器30被設立用於探測第一和第二介質4 ;6。
[0035]相應地，傳感器2將針對第一介質4產生測量值，而該另外的傳感器30將針對第一和第二介質4和6產生測量值。
[0036]晶片28現在可以具有分析單元32，該分析單元32以信號技術與傳感器2和3耦合，在圖3中通過帶有箭頭的線來表明，其中該分析單元32被設立用於從傳感器2和另外的傳感器30的上述的測量值中也確定廢氣流3中的第二介質(也即例如碳氫化合物氣體)的分量。
[0037]雖然本發明藉助實施例被具體描述了，但是本發明不局限於此，而是可以以多種方式和方法進行修改。
【權利要求】
1.用於探測由至少第一和第二介質(4;6)組成的介質混合物(3)中的至少一種第一介質(4)的傳感器(2)，具有: 電極(8)，該電極被設立用於，當所述電極與第一或第二介質(4 ；6)或者兩種介質(4，6)接觸時，改變其電勢；以及 催化劑(16)，該催化劑被設立用於，以化學的方式改變在介質混合物(3)中的第二介質(6)，使得當介質混合物(3)與電極(8)接觸時，第二介質(6)基本上不對電極(8)的電勢的改變作出貢獻， 其中催化劑(16)與電極(8)相間隔地設置在普遍多孔的載體陶瓷(18)上和/或中。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其中，載體陶瓷(18)由矽或碳化矽組成。
3.根據權利要求1或2所述的傳感器，其中，在載體陶瓷(18)的電極側的區域(22)中的孔具有在0.2和2微米之間的直徑。
4.根據權利要求1，2或3所述的傳感器，其中，載體陶瓷(18)藉助間隙(24)與電極(8)相間隔。
5.根據權利要求1，2或3所述的傳感器，其中，載體陶瓷(18)直接施加在電極(8)上和/或電極(8)藉助絕緣層(10)施加在由具有與載體陶瓷的材料大致相同的熱膨脹係數的材料組成的襯底(12 )上。
6.用於製造傳感器(2)的方法，該傳感器用於探測由至少第一和第二介質(4;6)組成的介質混合物(3)中的至少一種第一介質(4)，該傳感器尤其是根據上述權利要求之一的傳感器(2)，具有下面的步驟: 提供電極(8)，該電極被設立用於，當所述電極與第一或第二介質(4 ;6)或者兩種介質(4，6)接觸時，改變其電勢；以及 將催化劑(16)與電極(8)相間隔地設置在普遍多孔的載體陶瓷(18)上和/或中，其中催化劑(16)被設立用於，以化學的方式改變在介質混合物(3)中的第二介質(6)，使得當介質混合物(3 )與電極(8 )接觸時，第二介質(6 )基本上不對電極(8 )的電勢的改變作出貢獻。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，首先用保護層覆蓋電極(8)，接著在保護層上產生尤其是由矽或碳化矽組成的載體陶瓷(18)，並且接著又去除保護層，從而在電極(8)和載體陶瓷(18 )之間形成間隙(24)。
8.根據權利要求7所述的方法，其中藉助溶劑去除保護層，所述溶劑穿過在多孔的載體陶瓷(18)中的孔與保護層接觸。
9.根據權利要求7所述的方法，其中通過如下方法去除保護層，即將所述保護層熱分解並且穿過在多孔的載體陶瓷(18)中的孔蒸發。
10.具有根據權利要求1至5之一的傳感器(2)的晶片(28)。
【文檔編號】G01N27/414GK104185788SQ201080049517
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2010年9月20日 優先權日:2009年11月3日
【發明者】P.內夫, A.馬丁 申請人:羅伯特·博世有限公司