用於運行氣體傳感器陣列的電路裝置的製作方法

2023-07-21 07:10:21 1

專利名稱：用於運行氣體傳感器陣列的電路裝置的製作方法
用於運行氣體傳感器陣列的電路裝置
現有技術
本發明涉及一種根據權利要求l的前序部分所述的用於運行傳感 器陣列、特別是探測氣體的氣體傳感器陣列的電路裝置。
為了在汽車技術中探測氣體、特別是廢氣，通常使用所謂的"傳 感器陣列，，。這些傳感器陣列由多個非選擇性的氣體傳感器構造而 成，其中可以藉助適當的信號分析或者通過神經網絡利用這些陣列 來指明一種或多種氣體。
在大多數情況下，在這些傳感器陣列中使用用於探測的電阻性半 導體傳感器，例如基於二氧化錫的這種電阻性半導體傳感器。在使 用這種陣列時的問題是，這些傳感器必須單獨接觸，這又需要傳感 器至外部引線的大量接觸。這特別是在尤其採用陶瓷襯底的汽車領 域中將來所致力的應用情況下導致另一問題，即所述接觸必須具有 很小的尺寸，而且必須非常緊密地並排布置。此外，這種接觸布置 明顯減小了傳感器的抗振強度，使得這些傳感器不能在汽車領域中 使用。
因此希望提供一種用於運行或者用於使這種傳感器陣列電接觸 的電路裝置，利用所述電路裝置可以減少所需要的接觸的數量。 發明優點
本發明所基於的構思在於，通過使用二極體、優選地通過使用作 為金屬半導體結本身公知的肖特基二極體來減少這裡所涉及的傳感 器陣列的電接觸的數量。
用於運行具有至少一條信號線的傳感器陣列的本發明電路裝置 具有如下特點，即所述至少一條信號線被分支成至少兩條並行的線
路分支，並且在所述至少兩條並行的線路分支中分別布置有傳感器 和二極體，其中所述至少兩個二極體分別具有相反的截止方向。
通過使用不同極化的二極體能夠通過唯一的信號線來起動至少 兩個傳感器。可以單獨通過對施加在信號線上的電勢的相應極化來 確定測量電流是流經 一 個還是流經分別另 一 個傳感器，其中分別以 相反的截止方向布置的二極體至少阻斷通過分別非選擇性的傳感器
的線路分支的主要分量，或者在理想情況下甚至基本上阻斷分別通 過非選擇性的傳感器的總電流。
在一種優選的實施形式中，使用肖特基二極體，並且這些肖特基 二極體直接布置在陶瓷襯底上。由此可以再進一步減少外部引線的 數量，並且附加地減少或者甚至防止開頭時所述的接觸問題。需要
說明的是，肖特基二極體與基於PN結(例如摻雜矽或鍺)的常規二 極管相比具有特殊的優點，即可以以耐高溫的形式來實現並且可以 比較容易地被施加在所述陶瓷襯底上。因此，本發明的電路裝置可 以藉助傳統的厚層技術(Dickschichttechnik )並且從而成本低地來 製造。如果根據其它實施形式使用半導的金屬氧化物，則這尤其適 用。
需要強調的是，只要能夠通過唯一的電信號線運行至少兩個傳感 器，則本發明不僅可以如前述有利地用於運行前述氣體傳感器陣 列，而且原則上還可用於由其它傳感器類型構造的傳感器陣列(例 如下面還將說明的由電阻性或者甚至非電阻性的傳感器組成的傳感 器陣列)。
附圖
下面參照附圖藉助實施例更詳細地說明本發明，由此可得到本發 明的其它特性、特徵和優點。 在圖中詳細地
圖l示出本發明的電路裝置的原理圖2a示出在使用不同的金屬情況下根據第一實施形式在肖特基
二極體上具有歐姆性接觸的本發明電路裝置；
圖2b示出在使用摻雜濃度梯度或者使用不同半導體的連續層的
情況下根據第二實施形式在肖特基二極體上具有歐姆性接觸的本發 明電路裝置；
圖3a示出根據第一實施性式具有肖特基二極體和氣敏電阻性傳 感器的組合的本發明電路裝置，其中歐姆性接觸通過使用不同的金 屬來實現；
圖3b示出根據第二實施形式具有肖特基二極體和氣敏電阻性傳 感器的組合的本發明電路裝置，其中歐姆性接觸通過使用不同的金 屬或不同的摻雜梯度來實現；和
圖4a-d示出本發明的電路裝置的變型，其中多個氣敏傳感器分別 僅與一條信號線連接。
對實施例的說明


圖1以原理圖的方式示出本發明的電路裝置。信號線100在第一分 支點105處分支成兩條並行的線路分支110、 115。這兩條線路分支 110、 115在第二分支點U0處匯合成一條引導線125。在兩條線路分支 110、 115中分別布置有在下述實施例中的電阻性傳感器130、 135,也 就是說，兩個傳感器130、 135隻由一條信號線100驅動。不言而喻， 本發明原則上也可以用於非電阻性傳感器，只要所述非電阻性傳感
器也通過電信號線來運行。在第一線路分支iio中布置有第一肖特基
二極體140，而且其正電極145通向第一分支點105，並且其負極l50 通向第二分支點120。在第二線路分支115中布置有第二肖特基二極 管155，而且以與第一肖特基二極體MO相反的方式極化，即正極160 通向第一分支點105，而負極165通向第二分支點120。
應該說明的是，在圖示中肖特基二極體140、 155是設置在相應的 傳感器130、 135的左側還是右側當前並不重要。兩個肖特基二極體 UO、 155如何電極化也不重要，所述兩個肖特基二極體只是必須分 另'J相反地被極化。
現在可以通過在信號線IOO上所施加的電勢的極化來確定，流經 信號線100和兩條線路分支110、 115的測量電流是流過所述一個傳感 器130還是另一傳感器135。因此可以單獨藉助所施加的電勢的極化 來分別選擇兩個傳感器130、 135中的一個。也就是說，只有通過以 圖1所示的布置方式來使用所述兩個肖特基二極體140、 155才有可能 僅通過所述一條信號線100來起動(ansprechen)或選擇所述兩個電 阻性傳感器130、 135。
肖特基二極體140、 155優選地直接被施加在陶乾襯底上。由此可 以進一步減少外部引線的數量，如下面還將詳述的那樣。此外由此 還減少或者甚至防止開頭時所述的接觸問題。在此情況下，利用以 下效應，即肖特基二極體與通常的二極體相比可以以更耐高溫的形 式來製造，因此可以比較容易地被施加在陶瓷襯底上。由此可以使 用常規的厚層技術。如果使用半導的金屬氧化物，則這尤其適用。
如已在開頭時所提及的，肖特基二極體由金屬半導體結組成。金
屬與半導體相比具有更大的電子接收趨勢。因此電子從半導體的邊
緣層轉移到金屬中。電子耗盡層(elektronenverarmte Schicht)起到
阻斷電流流動的作用。阻斷邊緣層的效應可以根據所施加的電勢的 方向而^皮增強或減小。
兩個這種金屬半導體結必然位於經由信號線100、分別所選擇的
傳感器130、 135和引導線125的測量電流的路徑上，因為不僅信號線 100而且引導線U5都同樣由金屬構成。這可能會在沒有特殊措施的
情況下導致導通方向相反的兩個二極體連續串聯連接。電流流通因 此將會與測量電壓的極化無關地被阻斷。所以大多數情況下要求兩 個金屬半導體結如此相互區別，使得儘可能僅僅兩個結中的一個發 揮阻斷電流的作用，而另一個僅僅作為歐姆性接觸起作用。
這種肖特基二極體可以以不同的路徑被施加在具有氣體傳感器 的襯底上。這在下面藉助圖h、 b和3a、 b中所示的實施例來說明。 在圖2a和2b中所示的兩個實施形式中，肖特基二極體與本來的氣敏 傳感器分開地布置，而在圖3a和3b中所示的兩個實施形式中，肖特 基二極體與傳感器相組合，也即傳感器被集成到肖特基二極體的半 導體中。
圖h中所示的實施形式包括襯底200，在該襯底上在該圖示中在 中間施加半導體205。在當前左側，該半導體205與第一引線210毗鄰， 所述第一引線210由具有電子的較高電逸出功的金屬導體材料構 成。在半導體205和第一金屬導體210之間的界面215處以本身公知的
方式形成發揮阻斷電流作用的第一金屬半導體結。在當前右側，半 導體材料205與第二引線220 (或者根據圖l '引導線，)毗鄰，所述 第二引線220由具有相比於第一導體材料較低的電子逸出功的金屬 導體材料構成。在半導體205和第二金屬導體220之間的界面225處同
樣以本身公知的方式形成第二金屬半導體結，然而該第二金屬半導 體結只作為歐姆性接觸起作用。第一和第二金屬半導體結的所述電 子特性用於避免已述的由兩個金屬半導體結引起的不利效應。
因為氣體大氣的組成可能對肖特基二極體的特性產生影響，所以 可以設有將肖特基二極體與周圍氣體大氣分開的保護層。即使氣敏 材料自身用作肖特基二極體的半導體，也可以通過覆蓋在金屬和半 導體之間的接觸區域來設置相關的保護。因此在本實施例中，在半
導體層205上附加地設有用於保護免受這種氣體影響的覆蓋層230， 該覆蓋層將半導體205完全覆蓋並且重疊地一直延伸到兩條引線 210、 220的區域中。
作為半導體層205的材料，例如考慮不同摻雜的耐高溫的碳化矽 或半導的金屬氧化物(例如TiO" Sn02， W03， Cr203 )。作為金屬 導體的材料，優選地考慮諸如金、鉑、鈀、銠的貴金屬或這些金屬 的合金。但也可以設想使用金屬的導電的氧化物，例如錳酸鑭、鉻 酸鑭、鈷酸鑭(Lanthancobaltat)。
在圖2b中所示的實施性式中，再在中間將半導體材料300施加在 襯底305上。當前在左側，半導體300再與由金屬導體構成的第一引 線310毗鄰。當前在右圖像側，又布置由金屬導體材料構成的第二引 線或者引導線315。與圖h不同的是，出於已述的原因，半導體300 在靠近第二引線315的區域320、 325中被摻雜，而且以摻雜濃度梯度 的方式來摻雜。在本實施例中，這兩個部分區域320、 3"是具有不 同摻雜度的區域，也就是說，所述的梯度實際上通過對摻雜度的離 散分級來實現。在本實施形式中，用於接觸所使用的金屬可以是相 同的或者具有大致相同的逸出功。
作為所述梯度摻雜的替代方案，可以規定，在該區域中以連續層 設置其它半導體，其中這些層優選地同樣在摻雜方面、而且在層順 序的方向上形成梯度。如在根據圖h的實施例中那樣，這裡也可以 附加地設置具有所述特性的覆蓋(保護)層330。
下面現在對所要求的歐姆性接觸的所述不同實現可能性予以闡 述，而且是在使用半導的金屬氧化物的情況下。在這種情況下，這 種歐姆性接觸可以以如下可替代的途徑來產生
1)如在圖2a中所示，半導體與兩個不同的金屬導體接觸。具有 從半導體中接收電子的較小趨勢的金屬形成歐姆性接觸；
2 ) 位於兩個金屬接觸之間的半導體在歐姆性接觸處如此被修 改，使得發送電子給金屬的其趨勢被減小。為此例如如下措施是可 設想的
a)半導體在歐姆性接觸處通過適當的摻雜從半導狀態過渡到金 屬(或帶導(bandleitend ))狀態(見圖2b )。在此使用緩慢上升 的摻雜梯度可能是合理的。
b) 使用由另一種半導材料構成的過渡層或多個由其它半導材 料構成的連續層。這些層具有發送電子給金屬的前述減小的趨勢。
3) 半導體在歐姆性接觸處被如此高度摻雜，使得其載流子濃度 在如此程度上上升，以致於耗盡邊緣層(Verarmungsrandschicht)
的厚度將減小。在此使用緩慢上升的摻雜梯度可能是合理的。
4) 在變型方案l) -3)之間的任意組合也是可能的。 需要說明的是，在基於諸如Si或Ge的"常規"半導體的肖特基二
極管的情況下，變型方案l) -3)是歐姆性接觸的公知技術。
在根據圖3a和3b的其它實施形式中，相應的氣敏材料(半導的金 屬氧化物，例如Ti02、 Sn02、 W03、 Cr203 )自身被用作肖特基二極 管的材料。
在圖3a中所示的實施例中，在襯底400上，在(當前左邊)一側 布置由具有較高電子逸出功的金屬導體材料製成的第一引線405。由 具有較小電子逸出功的導體材料製成的第二引線或者引導線"o位 於對面的(當前右邊)側。不同於圖2a和2b，在這兩條線路405、 410 之間布置由半導的金屬氧化物構成的氣敏層415。如通過粒子所示， 在本實施例中，該層415藉助於厚膜或者厚層技術來製造。出於已述 原因，在該氣敏層415的邊緣區域中同樣可以設有防止氣體影響的保 護層420。
在圖3b中所示的實施例中，在襯底500上在兩側布置由金屬導體 構成的引線505、 510。在這兩條線路505、 510之間又布置由半導的金 屬氧化物構成的氣敏層515。但在本實施例中，在氣敏層515的當前 右側設有半導的金屬氧化物的摻雜濃度的梯度520。出於已述原因， 在氣敏層515的邊緣區域中同樣可以設有防止氣體影響的保護層 525。
在大多數應用情況下將發生的是，二極體上的電壓降幹擾電阻測 量。因此才艮據這裡未圖示的實施例可以規定，並非利用直流電壓而 是利用交流電壓來測量氣敏傳感器的電阻，所述交流電壓被施加給 恆定的偏置電壓。通過對流經傳感器的電流的交流分量的測量可以 選擇性地僅測量氣敏層的電阻。通過對偏置電壓的極化可以如上所 述那樣來控制使哪一個氣敏傳感器動作。此外，在測量直流時可以 使用不同的電壓值(至少兩個)，這些電壓值分別大於肖特基二極
管的擊穿電壓。氣敏傳感器的電阻可以以本身公知的方式由相應的 電流/電壓特性曲線的上升得出。
根據這裡同樣未圖示的實施形式，每信號線取消(entfallen)兩 個肖特基二極體中的一個。在這種情況下，在肖特基二極體截至的 電流方向上，只測量氣敏傳感器的電阻。在另一電流方向上，測量 由兩個氣敏傳感器所引起的總信號。
在圖"至"中現在示出用於運行或者用於形成這裡所涉及的傳
感器陣列的不同電路變型方案。根據第一變型方案，三個氣敏傳感 器通過信號線來運行或測量(見圖4a)。在圖4a中所示的電路裝置 對應於圖1具有兩個電阻性傳感器600、 605，所述兩個電阻性傳感器 藉助於所示的並聯電路經由所述一條信號線610和所述一條引導線 615來運行。所述傳感器600、 605以所述方式藉助兩個肖特基二極體 620、 625來選擇。該電路裝置包括另一併聯迴路630,在該並聯迴路 中布置有附加的電阻性傳感器635。但該並聯迴路630不包括肖特基 二極體。在該變型方案中，在施加小的測量電壓時，只測量未串聯 連接至肖特基二極體的傳感器635的電阻。在大於肖特基二極620、 6"的擊穿電壓的電壓(正或負)的情況下，又測量總信號。如果未 與肖特基二極體耦合的氣敏傳感器635具有比與肖特基二極體620、 625耦合的傳感器600、 605的歐姆電阻大得多的歐姆電阻時，該第一 電路變型方案尤其適用。在這種情況下，未與肖特基二極體耦合的 氣敏傳感器635僅僅少許地幹擾其它傳感器600、 605的電阻測量。但
這種變型方案導致降低的測量精度。
如從圖4b至4d可以看出，其它電路變型方案具有分別由肖特基 二極體和氣敏電阻性傳感器組成的前述電路變型方案的組合，以便 在傳感器陣列的情況下提供儘可能大數量的單個傳感器。在圖4b中 所示的電路中，在k條信號線700-710和n條引導線715、 720的情況下 實現總共2*11*1<:個單個傳感器725-780。信號線700-710在分支點785-795處分成分別兩個並聯的根據圖1的傳感器對。對應於圖l，分別兩 個單個傳感器725、 730等分配有兩個肖特基二極體797、 799等。
在圖4c中所示的變型方案包括k條信號線800、 805，這些信號線 在兩個第一分支點810、 815處(即當前k-2)分別分成兩條並聯的線 路路徑，其中分別布置肖特基二極體820-835。在相對於信號流向布置在肖特基二極體820-835之後的四個第二分支點840-855處，四個並 行導體分成當前2x4條並行線路。在這些線路中分別布置有單個傳 感器870-884。 2x 4條並行線路在當前六個第三聯接點885-895處又接 合成兩條引導線860、 865 (當前11=2)。不言而喻，只要滿足這裡所 述的電路條件，信號線800、 805和引導線860、 865的數目、即k和n 的值只是優選的，並因此可以根據傳感器陣列的應用目的而改變。 該電路變型方案具有如下優點，即可以節省肖特基二極體，然而只
有在肖特基二極體能夠以與氣敏傳感器分開的方式被構造時才可實 現，因為在本實施形式中在肖特基二極體820-835和傳感器870-884之
間必須布置第二分支點840-855 。
在圖M中所示的變型方案具有i^4條信號線900-915 。信號線 900-915通向第 一分支點920-955。通過這些第 一分支點"0-955分別形
成並行的線路路徑，在所述線路路徑中分別布置有肖特基二極體/傳 感器對996-1006或980-990。在兩個第一分支點925、 9S0處形成另一 條並行線路路徑960、 975。在線路路徑960、 975中，在第二分支點或 聯接點965、 970處形成兩條其它的並行線路路徑，其中布置有具有 分別所分配的肖特基二極體993、 995的另外兩個可選的傳感器992、 994。通過虛線1008示出可能的測量電流路徑(當前在兩條信號線 900、 905之間)，該測量電流路徑通過基於當前布置對相應的信號 電壓的相應極化和對肖特基二極體996-1006和993、 995的極化在無其 它措施的情況下(即自動地)形成。此外，虛線1010示出在該測量 電流路徑1008的情況下可能的洩漏電流路徑1010。
在圖W中所示的變型方案能夠在n條信號線的情況下而且在不 使用根據圖4a的可選的附加氣敏傳感器的情況下實現"(n-l)個單
個傳感器的布置。在考慮可選的附加氣敏傳感器的情況下，甚至能 夠實現總共2*11個單個傳感器的傳感器陣列。但是在使用可選的附加 傳感器的情況下產生已經提及的缺點，即除了本來的測量電流外還 可能流有附加的洩漏電流，所述洩漏電流對測量的精度造成不利的 影響。然而，如果測量電壓雖然大於沿著測量電流路徑的肖特基二 極管的擊穿電壓，卻小於沿著洩漏電流路徑的肖特基二極體的擊穿 電壓之和，則可以保持所述洩漏電流小。
需要強調的是，本發明還可用於氣體傳感器，所述氣體傳感器代
替電阻性(層狀的)傳感器基於氣敏肖特基二極體。在這種情況下，
單個傳感器的結構對應於在圖3a和3b中所示的結構。然而在該實施 形式中，取消所述保護層420、 525的至少一部分，而且取消設置在 接觸215、 225上方的發揮二極體作用的該部分、即所謂的保護層。 但在歐姆性接觸上方的保護層可以保留。不同於上述變型方案，在 使用電阻性氣體傳感器時，這裡可以忽略本來的半導體層的電阻。 在本實施例中，感測對通過肖特基二極體的恆定的電流流通必需的 電壓作為測量信號。
權利要求
1.用於運行傳感器陣列、特別是探測氣體的氣體傳感器陣列的電路裝置，所述傳感器陣列具有至少一條信號線，其特徵在於，所述至少一條信號線分支成至少兩條並行的線路分支，並且在所述至少兩條並行的線路分支中分別布置至少一個傳感器和至少一個與相應的傳感器串聯連接的二極體，其中所述至少兩個二極體具有相反的電截止方向，並且其中藉助在所述至少一條信號線上所施加的電勢的極化來確定，流經所述至少一條信號線的電流的至少主要分量是否流經第一併行線路分支的傳感器或者第二並行線路分支的傳感器。
2. 如權利要求1所述的電路裝置，其特徵在於，所述至少兩個 二極體由肖特基二極體構成。
3. 如權利要求2所述的電路裝置，其特徵在於，所述肖特基二極體直接布置在陶瓷襯底上。
4. 如權利要求3所述的電路裝置，其特徵在於，所述肖特基二 極管用厚層技術來製造。
5. 如前述權利要求中任一項所述的電路裝置，用於運行具有由 半導體材料構成的氣體傳感器的傳感器陣列，其特徵在於，所述氣 體傳感器由半導的金屬氧化物構成。
6. 如前述權利要求中任一項所述的電路裝置，用於運行具有由 半導體材料構成的氣體傳感器的傳感器陣列，所述氣體傳感器具有 至少兩個金屬半導體結，其特徵在於，所述至少兩個金屬半導體結 中的一個在阻斷電流的作用方面被構造，並且相應的另一金屬半導 體結被構造為歐姆性接觸。
7. 如前述權利要求中任一項所述的電路裝置，其特徵在於，所 述傳感器被集成到所述二極體的半導體中。
8. 如前述權利要求中任一項所述的電路裝置，其特徵在於，布 置保護層，所述保護層將所述二極體和/或所述金屬半導體結與圍繞 所述傳感器陣列的氣體大體分開。
9. 如權利要求5至8中任一項所述的電路裝置，其特徵在於， 所述半導體由耐高溫的碳化矽、或者由半導的金屬氧化物、優選 Ti02、 Sn02、 W03、 Cr203以相同的或者變化的摻雜來構成，並且金屬信號線由貴金屬、優選金、鉑、鈀、銠或這些金屬的合金、或者 由金屬的導電的氧化物、優選錳酸鑭和/或鉻酸鑭和/或鈷酸鑭構成。
10. 如權利要求5至9中任一項所述的電路裝置，其特徵在於， 所述半導體在信號線的區域中被摻雜，而且優選以摻雜濃度梯度或 者以摻雜度的離散分級的方式被摻雜。
11. 如權利要求9或10所述的電路裝置，其特徵在於，所述半 導體材料也被用作肖特基二極體的材料。
12. 如前述權利要求中任一項所述的電路裝置，用於運行由電阻 性氣體傳感器構成的傳感器陣列，其特徵在於，利用交流電壓對至 少一個氣體傳感器的電阻進行測量，該交流電壓被施加給恆定的基 本電壓，其中藉助對流經相應的氣體傳感器的電流的交流分量的測 量選擇性地感測至少一個氣體傳感器的電阻，並且其中通過所述基 本電壓的極化來控制使哪一個氣體傳感器動作。
13. 如權利要求1至11中任一項所述的電路裝置，用於運行由 電阻性氣體傳感器構成的傳感器陣列，其特徵在於，利用直流電壓 測量至少一個氣體傳感器的電阻，其中使用至少兩個不同的電壓 值，所述電壓值分別大於二極體的擊穿電壓。
14. 如前述權利要求中任一項所述的電路裝置，用於運行由電阻 性傳感器構成的傳感器陣列，其特徵在於，所述至少一條信號線分 支成至少三條並行的線路分支，其中在所述至少三條並行的線路分 支中的至少兩條中分別布置至少一個電阻性傳感器和至少一個與相 應的電阻性傳感器串聯連接的二極體，並且在至少第三線路分支中 在沒有串聯連接的二極體的情況下布置附加的電阻性傳感器，其中 在所施加的相對小的測量電壓的情況下只對附加的傳感器的電阻進 行測量，並且其中在大於所述至少兩個二極體的擊穿電壓的電壓的 情況下對總信號進行測量。
全文摘要
在用於運行傳感器陣列、特別是探測氣體的氣體傳感器陣列的電路裝置中，其中所述傳感器陣列具有至少一條信號線(100)，規定信號線(100)分支成兩條並行的線路分支(110，115)，並且在所述兩條並行的線路分支(110，115)中分別布置傳感器(130，135)和二極體(140，155)，優選地分別為肖特基二極體，其中所述兩個二極體(140，155)分別在電氣上以相反的方式被極化。藉助不同極化的二極體(140，155)能夠只通過唯一的一條信號線(100)來使所述兩個傳感器(130，135)動作。單獨通過相應地在信號線上所施加的電勢的極化可以確定，測量電流是流經一個還是另一個傳感器。
文檔編號G01N33/00GK101180534SQ200680017199
公開日2008年5月14日 申請日期2006年5月2日 優先權日2005年5月19日
發明者B·坎普, B·舒曼, S·施坦萊奇納, T·奧克斯 申請人:羅伯特·博世有限公司