微機(jī)械傳感器裝置制造方法
【專利摘要】微機(jī)械傳感器裝置。本發(fā)明涉及一種用于探測和/或測量氣體的傳感器裝置，包括兩個(gè)電極，在所述兩個(gè)電極之間設(shè)置有薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料。通過借助不同的氣體濃度形成的質(zhì)子梯度可以探測或測量氣體。
【專利說明】微機(jī)械傳感器裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及尤其是用于測量和探測氣體的微機(jī)械傳感器裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]例如由DE 199 41 051已知用于測量和探測氣體的傳感器裝置。在該文獻(xiàn)中建議了用于確定氧氣濃度的傳感器元件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種新的、改善的傳感器裝置。這通過按照本發(fā)明的權(quán)利要求I的裝置來解決。相應(yīng)地建議了一種用于測量和/或探測的傳感器裝置，包括:
第一微機(jī)械電極；
第二微機(jī)械電極；以及
薄層的離子傳導(dǎo)性材料，其嵌入在第一和第二電極之間。
[0004]在此，該離子傳導(dǎo)性材料相對(duì)正充電的離子、尤其是質(zhì)子比相對(duì)負(fù)充電的離子具有更高的傳導(dǎo)性。該特性在本申請(qǐng)的范疇中也應(yīng)當(dāng)理解為術(shù)語“質(zhì)子傳導(dǎo)的”。也即，換句話說，術(shù)語“質(zhì)子傳導(dǎo)的”在本發(fā)明的意義上意味著和/或尤其是包含能夠傳導(dǎo)質(zhì)子(H+)的材料，而相對(duì)于其他離子(例如氧離子)的傳導(dǎo)性則強(qiáng)烈受阻。
[0005]令人驚嘆地被證實(shí)的是:這樣可以以簡單的方式探測氣體和/或測量其濃度。尤其是，通過本發(fā)明方法可以在大多數(shù)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)下面優(yōu)點(diǎn)中的至少一項(xiàng):
-該裝置基于其微型化而適于許多目的 -視具體構(gòu)型而定地，可以將該裝置用于多種氣體 -該裝置的簡單的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的制造。
[0006]測量或探測在此例如以如下方式來進(jìn)行:該傳感器裝置將參照氣體室與待分析的氣體氛圍分離。當(dāng)在參照氣體室中和該氣體氛圍中存在關(guān)于測量氣體的濃度差別時(shí)，借助電極形成從帶有較高濃度的氣體室向帶有較低濃度的氣體室方向的質(zhì)子流。該勢能于是可以被測量。代替地，可以通過外部施加電壓給電極來泵送質(zhì)子穿過薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料，只要在這兩個(gè)氣體室之一中存在氫或含氫的氣體成分，它們因此可以以該方式被證實(shí)。
[0007]優(yōu)選地，待證實(shí)或待測量的氣體是或者包含氫或含氫的化合物如碳?xì)浠衔锘虬薄?br> [0008]術(shù)語“微機(jī)械”在本發(fā)明的意義上包含和/或尤其是意味著:傳感器裝置可以借助所設(shè)立的制造過程從微系統(tǒng)技術(shù)來處理。
[0009]在此，可以使用經(jīng)證實(shí)的蝕刻和結(jié)構(gòu)化方法(例如KOH蝕刻過程、刻槽過程、光刻過程，……)，以便產(chǎn)生腔、膜片和其他為傳感器裝置所需的幾何結(jié)構(gòu)。
[0010]術(shù)語“薄層的”在本發(fā)明的意義上包含和/或尤其是意味著帶有大致在三位數(shù)納米范圍中的厚度的薄層，其在后面還進(jìn)一步闡述。
[0011]按照本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，薄層的離子傳導(dǎo)性材料的厚度為大于等于50nm至小于等于1500nm，優(yōu)選大于等于10nm至小于或等于lOOOnm，進(jìn)一步優(yōu)選大于或等于200nm至小于或等于800nm。這些厚度在實(shí)踐中被證實(shí)。
[0012]按照本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料的離子傳導(dǎo)性尤其是質(zhì)子傳導(dǎo)性大于或等于10_8S/cm，還有利地大于或等于10_5S/cm，還有利地大于或等于10_3S/cm。在實(shí)踐中表現(xiàn)出:從這些質(zhì)子傳導(dǎo)性開始，傳感器裝置的可使用性和品質(zhì)強(qiáng)烈地上升，使得它們?cè)趯?shí)踐中被證實(shí)了。
[0013]質(zhì)子傳導(dǎo)性在此例如借助阻抗譜(J.Electrochem.Soc.，143卷,第4期，1996,1254頁至1259)來測量。
[0014]按照優(yōu)選的實(shí)施方式，薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料主要由選自聚合物組、優(yōu)選全氟磺酸、和/或選自陶瓷組、這里優(yōu)選氧化釔(Y203)、鈣鈦礦例如鋯酸鋇或者受體摻雜的氧化物/鈣鈦礦(例如Nd:BaCe03，Y:SrZr03, Y:SrCe03)的材料或這些材料的混合物構(gòu)成。
[0015]術(shù)語“主要”在此意味著大于或等于90重量％，進(jìn)一步優(yōu)選大于或等于95重量％，進(jìn)一步優(yōu)選大于或等于98重量％以及最優(yōu)選大于或等于99重量％。
[0016]按照優(yōu)選的實(shí)施方式，這兩個(gè)電極之一、優(yōu)選兩個(gè)電極被構(gòu)造為多孔的。這對(duì)于本發(fā)明被證實(shí)為有利的，因?yàn)檫@樣向傳感器裝置的氣體流以及尤其是薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料被改善。
[0017]孔的橫截面可以在幾個(gè)納米至幾十個(gè)或上百個(gè)微米的范圍中。作為電極材料優(yōu)選考慮具有催化作用的金屬如例如Pt、Pd、Au、Ni，也即按照一種優(yōu)選的實(shí)施方式，一個(gè)或兩個(gè)電極主要由選自Pt、Pd、Au、Ni的組的材料或其混合物構(gòu)成。
[0018]按照優(yōu)選實(shí)施方式，傳感器裝置此外包括微機(jī)械的載體襯底，其具有多孔化區(qū)域，電極和薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料布置在其上。這在實(shí)踐中是經(jīng)證實(shí)的，因?yàn)檫@樣載體襯底更穩(wěn)定地保留在這一側(cè)上，盡管在另一側(cè)上待證實(shí)或待測量的氣體足夠地到達(dá)傳感器裝置。
[0019]按照優(yōu)選實(shí)施方式，薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料至少部分地在一側(cè)或者兩側(cè)用質(zhì)子傳導(dǎo)性薄膜涂層，以便保護(hù)薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料以防腐蝕。
[0020]在此，使用具有大于等于Inm至小于等于lOOnm、優(yōu)選小于等于1nm的厚度的薄膜。
[0021]優(yōu)選，質(zhì)子傳導(dǎo)性薄層主要由選自包含釔摻雜的氧化鋯、氧化鋁、氧化鉿、陶瓷氧化物、氧化鉭或其混合物構(gòu)成的組的材料構(gòu)成。
[0022]按照優(yōu)選實(shí)施方式，傳感器裝置還包括用于膜片區(qū)域固定的敞開的腔，其中電極延伸穿過該腔。
[0023]作為用于傳感器裝置(或者在更復(fù)雜裝置情況下用于傳感器裝置的本發(fā)明的部分)的制造方法而考慮物理淀積方法如濺射、激光消融或化學(xué)淀積方法如CVD (化學(xué)氣相沉積)和原子層沉積。
[0024]這種類型的傳感器裝置例如被使用在火警設(shè)備、機(jī)動(dòng)車領(lǐng)域中的廢氣傳感器或燃料電池或汽車尾氣系統(tǒng)的安全技術(shù)監(jiān)控中。
[0025]前述的以及所要求的以及在實(shí)施例中描述的要按照本發(fā)明來使用的部件在其大小、形狀結(jié)構(gòu)、材料選擇和技術(shù)概念方面沒有特別的例外要求，從而在應(yīng)用領(lǐng)域中已知的選擇標(biāo)準(zhǔn)可以無限制地應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]本發(fā)明主題的其他細(xì)節(jié)、特征和優(yōu)點(diǎn)由從屬權(quán)利要求以及從后面對(duì)附圖以及本發(fā)明方法實(shí)施例的說明中得到。
[0027]在附圖中圖1示出了按照本發(fā)明實(shí)施方式的傳感器裝置的極為示意性的剖視的橫截面。
[0028]圖2示出了按照本發(fā)明第二實(shí)施方式的傳感器裝置的極為示意性的剖視的橫截面。

【具體實(shí)施方式】
[0029]圖1示出了按照本發(fā)明實(shí)施方式的傳感器裝置的極為示意性的剖視的橫截面。如在圖1中可看出的，傳感器裝置擁有帶有前側(cè)VS和背側(cè)RS的載體襯底I。該載體襯底I在此優(yōu)選由可以利用半導(dǎo)體工藝處理/結(jié)構(gòu)化的材料構(gòu)成。這里可以設(shè)想的是“經(jīng)典的”半導(dǎo)體如娃、砷化鎵、碳化娃、氮化鎵，但是也可以設(shè)想技術(shù)玻璃例如Foturan。在載體襯底I中設(shè)置有腔K，該腔K從背側(cè)RS伸展直至前側(cè)VS并且定義測量區(qū)域B。薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料5在此被施加為使得其覆蓋所述腔和其外圍區(qū)域。此外，材料5被兩個(gè)電極El和E2包圍。總體上，傳感器裝置的該區(qū)域構(gòu)成簡單的能斯脫電池。
[0030]測量方法簡短地以氫作為測量氣體為例來闡述。
[0031]傳感器裝置(在圖1中未示出)被構(gòu)造為，使得前側(cè)VS朝向催化氣體室，而背側(cè)RS構(gòu)成參照氣體室的一部分(其優(yōu)選當(dāng)然相對(duì)周圍環(huán)境是密封的)。電極El、E2例如具有鉬，對(duì)于鉬已知的是:其能夠大量存儲(chǔ)氫并且也能夠用氫催化反應(yīng)。借助電極E1、E2現(xiàn)在使質(zhì)子嵌入到薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料5中并且與氫的濃度相關(guān)。如果現(xiàn)在在催化氣體室和參照氣體室(從中當(dāng)然必須確切地已知?dú)錆舛?之間存在濃度落差，則構(gòu)建勢能，該勢能可以借助電極E1、E2來測量。當(dāng)例如應(yīng)當(dāng)測量含氫氣體例如碳?xì)浠衔锘騈H3時(shí)，得到類似方法。這里，質(zhì)子也積累到薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料5中。
[0032]圖2示出了圖1中的電池的變型，而且該變型被構(gòu)造為使得在薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料5的一側(cè)上施加質(zhì)子傳導(dǎo)性薄膜50。該薄膜50附加地保護(hù)薄層的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料5以防腐蝕并且也可以(在圖中未示出)施加在測量區(qū)域中以及施加在兩側(cè)上；這就此而言是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量和/或探測氣體的傳感器裝置，包括: 第一微機(jī)械電極(El)； 第二微機(jī)械電極(E2);以及 薄層的離子傳導(dǎo)性材料(5)，其相對(duì)于正充電的離子比相對(duì)于負(fù)充電的離子具有更高的傳導(dǎo)性并且嵌入在第一電極(El)和第二電極(E2)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其中所述薄層的離子傳導(dǎo)性材料(5)具有大于或等于50nm至小于或等于1500nm的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置，其中所述薄層的離子傳導(dǎo)性材料(5)相對(duì)于正充電的離子具有大于或等于10_8S/cm的傳導(dǎo)性，尤其是質(zhì)子傳導(dǎo)性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的傳感器裝置，其中薄層的離子傳導(dǎo)性材料(5)主要由選自聚合物組、優(yōu)選全氟磺酸、和/或選自陶瓷組、優(yōu)選氧化釔(Y203)、鈣鈦礦優(yōu)選鋯酸鋇或者受體摻雜的氧化物/鈣鈦礦優(yōu)選Nd:BaCe03、Y: SrZrO3> YiSrCeO3的材料或這些材料的混合物構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的傳感器裝置，其中一個(gè)或兩個(gè)電極(El，E2)被構(gòu)造為多孔的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的傳感器裝置，其中一個(gè)或兩個(gè)電極(El，E2)主要由選自包含Pt、Pd、Au、Ni的組的材料或其混合物構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的傳感器裝置，其中所述傳感器裝置此外包括微機(jī)械的載體襯底(I)，所述載體襯底具有多孔化區(qū)域，電極(EI，E2 )和薄層的離子傳導(dǎo)性材料(5)布置在該區(qū)域上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的傳感器裝置，其中所述薄層的離子傳導(dǎo)性材料(5)至少部分地在一側(cè)或者兩側(cè)用離子傳導(dǎo)性薄膜(50)涂層，該薄膜相對(duì)于正充電的離子比相對(duì)于負(fù)充電的離子具有更高的傳導(dǎo)性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器裝置，其中所述離子傳導(dǎo)性薄膜(50)具有大于或等于Inm至小于或等于10nm的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的傳感器裝置，其中所述傳感器裝置還包括用于膜片區(qū)域(B)的固定的敞開的腔(K)，其中所述電極之一(E2)延伸穿過所述腔。
【文檔編號(hào)】G01N27/407GK104165917SQ201410202080
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月15日
【發(fā)明者】T.奧赫斯, D.孔茨 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司