用于分析气体的方法

用于分析气体的方法
【专利摘要】本发明涉及用于分析气体的方法，其中所述方法具有提供步骤、测量步骤和确定步骤。在提供步骤中气体传感器被提供。所述气体传感器具有半导体衬底和第一薄层离子导体，所述半导体衬底具有电路。第一薄层离子导体将用于参考气体的参考空间与用于气体的测量空间分开。第一薄层离子导体具有参考电极和测量电极。参考电极朝向参考空间。测量电极朝向测量空间。参考电极和测量电极与所述电路连接。在测量步骤中测量空间中的气体的化学种类的浓度被测量。在此在参考电极和测量电极之间的电压被量取，以便测量所述浓度。在确定步骤中气体中的化学种类的分压力被确定。在此，所述电压在电路中在使用所存放的处理规则的情况下被处理，以便确定分压力。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于分析气体的方法以及一种相应的计算机程序产品。 用于分析气体的方法

【背景技术】
[0002] 为了能够适配用于燃烧过程的燃料量和可供使用的氧气量之间的比例，需要关于 燃烧过程的废气中的氧气浓度的信息（Aussage )。
[0003] DE 199 41 051 A1描述用于确定混合气体中的氧气浓度的传感器元件和用于制 造该传感器元件的方法。


【发明内容】

[0004] 在该背景下，利用本发明介绍根据独立权利要求的用于分析气体的方法以及相应 的计算机程序产品。有利的扩展方案从相应的从属权利要求和以下的描述中得出。
[0005] 气体传感器可以被用于分析气体。通过气体传感器，作为气体的组成部分的化学 种类的至少一种浓度可以被检测。该气体传感器可以将该浓度映射为电信号。
[0006] 气体传感器的传感器元件可以在使用微系统或半导体技术的情况下来制造。在此 具有向下直至几个原子层的小厚度的层可以过程安全地被沉积。在气体传感器的半导体衬 底中或在气体传感器的自身的芯片上可以集成电路，该电路可以编辑传感器元件的电信号 并且可以作为标准化的数据在数据线上提供该电信号。通过电路与传感器元件的空间上的 接近，电信号的很弱的变化也可以被记录，所述变化在分离的控制设备中进行信号处理时 也许在噪声中或由于电磁干扰的原因将丢失。通过基于半导体技术或微系统技术的高制造 精度，可以制造大量具有小的制造偏差（Fertigungsstreuung)的气体传感器。在电路中可 以以少的花费提供标准化的数据。
[0007] 介绍一种用于分析气体的方法，其中该方法具有以下步骤： 提供气体传感器，其中该气体传感器具有用于第一薄层离子导体和电路的载体材料， 其中该第一薄层离子导体将用于参考气体的参考空间与用于气体的测量空间分开，其中该 第一薄层离子导体具有参考电极和测量电极，其中该参考电极朝向参考空间并且该测量电 极朝向测量空间，其中该参考电极和该测量电极与电路连接； 测量参考电极和测量电极之间的电压，以便测量浓度；以及 确定气体中的化学种类的分压力，其中电压在电路中在使用所存放的处理规则的情况 下被处理，以便确定分压力。
[0008] 气体传感器可以被理解为微电化学气体传感器，该微电化学气体传感器在使用微 系统技术的工艺的情况下以最小的样本偏差来制造。该载体材料可以是晶圆或芯片。载体 材料可以是半导体。载体材料可以是精确的可结构化的材料、诸如Foturan玻璃。如果载 体材料是半导体衬底，那么电路可以被集成到该半导体衬底中。于是电路可以在使用半导 体衬底的半导体特性的情况下被实现。薄层离子导体可以是液密的薄膜，该薄膜封闭载体 材料中的开口，以便将第一体积与第二体积分开。该第一体积和第二体积可以是相互分开 的室或通道。第一体积可以被称为参考空间。参考空间可以被构造用于运载具有已知成分 的气体、即参考气体。参考空间例如可以包含空气。于是参考空间可以与周围环境流体连 接。参考空间同样可以包含具有已知成分的其它气体。例如参考空间可以运载纯氧气。第 二体积可以被称为测量空间。测量空间可以被构造用于运载具有未知成分的气体或要测量 的气体。测量空间例如可以运载燃烧废气。薄层离子导体可以在两侧利用电极导电地被涂 覆。电极可以是透气的。电极可以具有催化的特性。例如电极可以包含催化有效的金属或 由该金属组成。电极可以被构造用于电离至少一种化学种类。薄层离子导体可以具有陶瓷 材料。薄层离子导体对于化学种类的离子可以是可穿透的。薄层离子导体可以是电绝缘的 或具有很小的导电率。薄层离子导体的电阻可以依赖于频率。电极可以在电离时输送解离 的载流子。在电极之间可以施加电压，该电压依赖于两个体积中的至少一种化学种类的浓 度差。分压力可以代表每单位体积的化学种类的量。处理规则可以映射电压和分压力之间 的相互关系。
[0009] 分压力可以在使用被存放在电路中的用于补偿气体传感器的制造公差的补偿特 性曲线的情况下被确定。例如气体传感器可以在受控制的条件下被校准。在已知浓度差的 情况下电压与所期望的电压的在校准时所确定的偏差可以被保存在补偿特性曲线中。特性 曲线可以映射电压和浓度差之间的关系。该特性曲线可以具有独特的变化曲线。例如该特 性曲线可以在λ = 1附近的范围内具有大斜率。补偿特性曲线可以被存放在数据库中。中 间值可以被内插。通过补偿特性曲线，气体传感器可以直接提供标准化的信号。由此可以 取消控制设备中的迄今后置的信号处理。可以实现传感器的替换，而不必实行控制设备上 的变化。
[0010] 电压可以以被存放在电路中的因子或数学函数被放大，以便确定分压力。电压可 以在第一范围λ〈1内和/或在第二范围λ >1内具有小的或减小的变化。通过电压的放 大，电压的可测量性可以被放大。各个λ值的可分辨性同样可以被改进。通过薄层离子 导体和电路之间的小的距离，具有小的噪声的电压可以被电路放大。
[0011] 气体传感器可以被提供有第二薄层离子导体。测量空间可以被构造为布置在载体 材料中的空腔。第二薄层离子导体可以将测量空间与用于气体的气体空间分开。测量空间 可以通过扩散势垒与气体空间连接。扩散势垒能够实现气体在测量空间和气体空间之间的 受控制的扩散。第二薄层离子导体可以具有第一泵电极和第二泵电极。第一泵电极可以朝 向测量空间被布置。第二泵电极可以朝向气体空间被布置。第一泵电极和第二泵电极可以 与电路连接。用于分析气体的方法可以具有泵送步骤和检测步骤。在泵送步骤中，化学种 类的离子可以通过第二薄层离子导体被泵送，直至在测量空间中存在化学种类的被存放在 电路中的浓度。在此可以在第一泵电极和第二泵电极之间施加泵电压，以便通过第二薄层 离子导体泵送离子。在检测步骤中，通过第二薄层离子导体的离子流可以被检测，其中在第 一泵电极和第二泵电极之间的通过电流被测量，以便检测离子流。分压力此外可以在使用 泵电压和通过电流的情况下被确定。第二薄层离子导体可以如第一薄层离子导体那样封闭 载体材料中的开口。扩散势垒例如可以由多孔的材料组成。通过扩散势垒，预先确定的气 流可以最大限度地从气体空间到达测量空间中或者反之亦然。在泵送步骤中，薄层离子导 体的作用原理可以通过以下方式从测量步骤被反转，即在能量花费的情况下离子通过第二 薄层离子导体被传送。泵送可以在两个方向上实现，以便从空腔中引出或添加至少一种化 学种类。因为离子是载流子，所以在泵送时载流子作为离子流从第一泵电极向第二泵电极 移动或者相反地移动。载流子的移动导致泵电极之间的通过电流。该通过电流可以与通过 第二薄层离子导体的离子流成比例。
[0012] 泵电压可以在使用第一薄层离子导体上的电压的情况下被调节。例如泵电压可以 在测量空间中被调节到λ = 1的值。也可以被调节到λ〈1或λ >1的值。为了调节，电路 可以具有比例和/或积分和/或微分调节部分。
[0013] 当化学种类从空腔中被泵出时，可以一直被泵送，直到在空腔中只还存在化学种 类的原子和/或分子的极低的量。在第二薄层离子导体上的泵电压可以在以下情况下被减 小，即空腔中的物质的分压力小于控制值。当空腔中的种类的浓度小于额定值时，泵电压可 以被反转，以便将所述种类泵送到室中。在氧气的情况下，可以直接涉及氧气或含氧的分子 (例如水)，所述含氧的分子在装入到电解质中之前在电极处被分解成氧。
[0014] 如果由于应用而已知始终λ> = 1，那么可以取消调节并且例如利用恒定电压泵 送种类。该电压在以下情况下是足够的，即尽管有小的电压变化而不再得出电流变化。在 该情况下也可以取消具有测量/参考电极的第一薄层电解质和参考空间。
[0015] 该方法可以具有确定第一薄层离子导体和/或第二薄层离子导体的温度的步骤。 分压力此外可以在使用温度的情况下被确定。薄层离子导体的温度可以在使用自己的温度 传感器的情况下在薄膜处或上被检测。例如可以在薄层离子导体处、在薄层离子导体的范 围内或在薄层离子导体中布置热敏电阻或热电偶。同样，温度可以通过薄层离子导体的依 赖于频率的电阻被检测。为此，薄层离子导体之一的电极可以由电路施加交流电压信号。交 流电压信号可以利用不同的频率来提供，以便排除电极之间的电容效应。交流电压信号也 可以是电压脉冲序列。根据薄层离子导体的温度，化学种类的电离可以以不同的速度进行。 薄层离子导体的导电率可以由于离子传导机制而依赖于温度。
[0016] 该方法可以具有对第一薄层离子导体和/或第二薄层离子导体调温的步骤。在 此，第一薄层离子导体被调温到第一温度，以便测量浓度。替代地或补充地，第二薄层离子 导体被调温到第二温度，以便泵送离子。为了调温，第一薄层离子导体可以具有第一加热 器。第二薄层离子导体可以具有第二加热器。替代地，共同的加热器可以对两个薄层离子 导体调温。加热器可以是具有所定义的电阻的电导体，该电导体在通过电流的情况下将电 能转换为热能。电导体可以被布置在薄层离子导体处、在薄层离子导体的范围内或在薄层 离子导体中。加热器可以由电路供电。加热器可以通过加热器中的电阻测量也被用于测量 温度。通过加热器，气体可以不依赖于气体的温度而被分析。
[0017] 第一薄层离子导体可以被调温到其它温度，以便测量其它化学种类的其它浓度。 替代地或补充地，第二薄层离子导体可以被调温到其它温度，以便泵送其它化学种类。在确 定步骤中，可以确定其它化学种类的其它的分压力。通过第一薄层离子导体和/或第二薄 层离子导体的温度的变化可以设定被改变的工作范围。在被改变的温度下，薄层离子导体 和/或其电极可以具有被改变的化学特性。例如在较高的温度下，原子之间具有较高的结 合能的分子可以被电离。在电极表面处的依赖于温度的机制的其它实例是吸附、解离、解吸 附、与其它种类的反应和扩散特性。
[0018] 第一温度和其它的温度可以在预先给定的时间间隔内被转变。第二温度和其它的 温度可以以预先给定的节奏被转变。不同的温度可以由于薄层离子导体和载体材料的小的 层厚而以小的延迟来设定。由此可以快速地在温度之间进行转变。在温度之间的周期性的 转变的情况下，利用气体传感器可以依次分析不同的气体组成部分。也可以实现温度之间 的非周期性的转变。
[0019] 具有程序代码的计算机程序产品也是有利的，该程序代码可以被存储在机器可读 的载体、如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且当该程序产品在计算机或装置 上被实施时，该程序代码被用于执行根据前面所述的实施方式之一的方法。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 下面借助附图示例性地进一步阐述本发明。其中： 图1示出根据本发明的一个实施例的用于分析气体的气体传感器的框图； 图2示出根据本发明的一个实施例的用于分析气体的方法的流程图； 图3示出气体传感器的特性曲线的图示； 图4示出根据本发明的一个实施例的具有工作范围的气体传感器的特性曲线的图示； 图5示出根据本发明的一个实施例的具有扩展的工作范围的气体传感器的特性曲线 的图示； 图6示出气体传感器的多个特性曲线的一部分的图示； 图7示出根据本发明的一个实施例的具有补偿的气体传感器的多个特性曲线的一部 分的图不； 图8示出气体传感器的平坦的特性曲线的一部分的图示； 图9示出根据本发明的一个实施例在放大之后的气体传感器的特性曲线的一部分的 图示； 图10示出宽带传感器的特性曲线的图示； 图11示出宽带传感器的多个特性曲线的一部分的图示； 图12示出根据本发明的一个实施例的具有补偿的宽带传感器的多个特性曲线的一部 分的图不； 图13示出根据本发明的一个实施例在加热薄层离子导体时气体传感器的温度变化曲 线的图示；以及 图14示出根据本发明的一个实施例在冷却薄层离子导体时气体传感器的温度变化曲 线的图示。
[0021] 在本发明的优选实施例的以下的描述中，为在不同的图中被示出的并且相似地起 作用的元件使用相同或相似的附图标记，其中放弃对这些元件的重复的描述。

【具体实施方式】
[0022] 图1示出根据本发明的一个实施例的用于分析气体102的气体传感器100的框 图。该气体传感器具有用于第一薄层离子导体108和电路106的载体材料104。该第一薄 层离子导体108将用于参考气体112的参考空间110与用于气体102的测量空间114分开。 该第一薄层离子导体108具有参考电极116和测量电极118。该参考电极116朝向参考空 间110。该测量电极118朝向测量空间114。该参考电极116和该测量电极118与电路106 连接。在这里被示出的实施例中，气体传感器100附加地具有第二薄层离子导体120。气 体传感器100也可以在没有第二薄层离子导体120的情况下被提供。在此，测量空间114 被构造为被布置在载体材料104中的空腔114。该空腔114可以直接连接到衬底材料104 上。然而，该空腔114也可以通过由其它材料构成的层/层系统与衬底材料104分开。该 第二薄层离子导体120将测量空间114与用于气体102的气体空间122分开。该测量空间 114通过扩散势垒124与气体空间122连接。该扩散势垒124能够实现气体102在测量空 间114和气体空间122之间受控制的扩散。该第二薄层离子导体120具有第一泵电极126 和第二泵电极128。该第一泵电极126朝向测量空间114。该第二泵电极128朝向气体空 间122。第一泵电极126和第二泵电极128与电路106连接。该电路106具有用于通过数 据线进行通信的接口 130。
[0023] 换句话说，图1示出基于薄层离子导体108U20的传感器100的基本结构。薄层 离子导体1〇8、120可以作为跳跃探针（Sprungsonde)来运行，在该跳跃探针的情况下测量 电极118和参考电极116之间的电压信号被测量。该参考电极116也可以作为泵送的参考 来运行，由此可以在参考侧形成氧气储气罐。同样，薄层离子导体108U20可以作为宽带探 针来运行，在该宽带探针的情况下通过电化学泵单元的泵电流被测量，其中该电流对应于 通过前置的扩散势垒124扩散进入的气体分子的极限电流。在此所介绍的方案描述用于表 征燃烧气体中的剩余氧气份额的、特别是具有作为跳跃Lambda探针和作为宽带Lambda探 针的功能的气体传感器100以及用于内燃机的废气中的碳氢化合物和NH 3的传感器100。
[0024] 图2示出根据本发明的一个实施例的用于分析气体的方法200的流程图。该方法 200可以在使用图1中的气体传感器的情况下被实施。该方法200具有提供步骤202、测量 步骤204和确定步骤206。在提供步骤202中气体传感器被提供。该气体传感器不同于在 图1中具有半导体衬底，该半导体衬底具有电路和第一薄层离子导体。该第一薄层离子导 体将用于参考气体的参考空间与用于气体的测量空间分开。该第一薄层离子导体具有参考 电极和测量电极。该参考电极朝向参考空间。该测量电极朝向测量空间。该参考电极和该 测量电极与该电路连接。在测量步骤204中，测量空间中的气体的化学种类的浓度被测量。 在此，参考电极和测量电极之间的电压被量取，以便测量浓度。在确定步骤206中，气体中 的化学种类的分压力被确定。在此，该电压在电路中在使用所存放的处理规则的情况下被 处理，以便确定分压力。
[0025] 换句话说，图2示出基于薄层离子导体的气体传感器的运行策略。迄今，陶瓷厚层 技术用作Lambda探针的技术基础。通过使用薄层离子导体，气体传感器可以被微型化。在 此所介绍的方案描述基于薄层离子导体的气体传感器的运行方式。在此，这样的传感器的 特别的特性被充分利用。该气体传感器可以利用微系统技术的精确的方法来制造。微电子 设备可以被集成到芯片上或集成在相邻的芯片中。该气体传感器由于小的结构尺寸而具有 小的热容。
[0026] 在基于薄层离子导体的传感器的情况下，可以实行由迄今的Lambda探针已知的 运行方式和信号评估。附加地，跳跃传感器的跳跃特性曲线的分析范围可以被扩展。由于 低的制造偏差和用于平衡特性曲线的集成的微电子设备的利用，在气体特性曲线中样本偏 差的补偿可以被实现。此外，对传感器特性曲线的温度影响可以通过利用集成的微电子设 备被补偿。此外，为了运行组合的混合电位传感器，用于测量其它物质、特别是碳水化合物 和氨气的温度调制可以在组合的传感器中被执行。
[0027] 图3示出气体传感器的特性曲线300的图示。该气体传感器可以是如在图1中被 示出的气体传感器。特性曲线300表征该气体传感器的薄层离子导体处的两个电极之间的 电压302和燃烧空气比例λ (Lambda)的关系。电压302在纵坐标上被提供，λ在横坐标 上被提供。燃烧空气比例λ描述空气质量与燃料质量的质量比例，其中λ = 1的值代表均 衡的、化学计算的比例，即包含在空气质量中的全部氧气在燃料质量燃烧时可以反应成反 应产物。燃烧废气在λ = 1的情况下在完全燃烧之后具有百分之零的氧气份额。在λ >1 的情况下，废气还包含剩余氧气，存在"稀"混合物，在λ〈1的情况下，废气还包含未燃烧的 燃料，在此存在"浓"混合物。
[0028] 在低的λ值的情况下，电压302具有高的值。特性曲线300几乎平行于横坐标延 伸并且具有小的负斜率。随着λ的值增大，特性曲线300变得更陡峭。在固定的λ值、例 如λ = 1的情况下，特性曲线300最陡峭。特性曲线300在此几乎平行于纵坐标延伸。从 固定的λ值起，特性曲线300变得更平坦，直至特性曲线300在高的λ值的情况下又几乎 平行于横坐标延伸。因此特性曲线300在固定的λ值处具有跃变点304,在该跃变点处电 压302在小的λ范围之内很强烈地变化。
[0029] 在图3中标记了一部分306,该部分在图6到9中被示出。该部分在跃变点304的 右边被布置在过渡范围内，在该过渡范围内特性曲线成水平。
[0030] 图4示出根据本发明的一个实施例的具有工作范围400的气体传感器的特性曲线 300的图示。该特性曲线300对应于图3中的特性曲线。附加于图3,工作范围400被画入， 该工作范围被布置在跃变点304的范围内并且在那里该特性曲线300是陡峭的。在工作范 围400之内，λ可以在电压302上很精确地被分辨。
[0031] 跳跃探针在λ = 1附近有陡峭的特性曲线300,其中该特性曲线300代表λ和探 针电压302之间的分配。迄今只利用电压跃变304附近的窄带的陡峭的范围400。
[0032] 图5示出根据本发明的一个实施例的具有扩展的工作范围500的气体传感器的特 性曲线300的图示。该特性曲线300对应于图3中的特性曲线。附加于图3,扩展的工作范 围500被画入，该工作范围不同于图4中的工作范围在宽的λ范围上伸展。该扩展的工作 范围500在跃变点304的两侧伸展直至特性曲线300的如下范围内，在这些范围内特性曲 线300的斜率具有很小的值。
[0033] 在基于薄层离子导体的气体传感器的情况下，测量范围500可以被扩展，因此使 特性曲线300的较平坦的范围也用于λ测量。这是可能的，因为微系统技术中的精确的制 造方法导致具有高精度的结构。低的几何的样本偏差可以导致特性曲线300的偏差的减 小。在理想情况下导致不同的样本之间的叠合的传感器特性曲线300。微电化学传感器也 可以具有集成的电子设备。微电子设备、如薄层离子导体可以被安置在相同的载体材料或 相邻的芯片中。平坦的范围通过薄层传感器的特性也被用于λ测量。
[0034] 图6示出气体传感器的多个特性曲线300的一部分的图示。在图6中，图3中的 部分放大地被示出。特性曲线300具有偏差。由此单个的电压值600在每个特性曲线300 中代表不同的λ值。λ值λρ λ 2、λ 3由此同样具有偏差。λ值的偏差被特别清楚地显 示，因为特性曲线300在所示出的部分内具有很小的斜率。
[0035] 图7示出根据本发明的一个实施例的具有补偿的气体传感器的多个特性曲线300 的一部分的图示。在图7中，如在图6中那样，图3中的部分放大地被示出。特性曲线300 在此由于在薄层离子导体的情况下的补偿和/或小的制造公差而具有很小的偏差。电压值 600在每个特性曲线300中同样代表不同的λ值。然而，λ值λρ λ 2、λ 3具有减小的样 本偏差。如果偏差足够小，那么电压值600可以直接被进一步处理。如果精确度由于偏差 而不够，那么在气体传感器的电路中该偏差可以被补偿。
[0036] 相应的传感器样本的校准特性曲线可以被存储在微电子设备中并且补偿功能被 集成到微电子设备中。被补偿的信号300从传感器作为测量信号被输出。施加在测量单元 上的电压或在信号变换之后被改变的信号可以被用作在补偿之前的信号。
[0037] 图8示出气体传感器的平坦的特性曲线300的一部分的图示。在图8中，图3中 的部分放大地被示出。所示出的特性曲线300对应于图6中的特性曲线之一。图6中的电 压值在此作为电压带800被示出，因为电化学单元的电压302只能以有限的精确度、例如 以电压步长被分辨。该电压带800代表具有有限的精确度的被传输的信号。特性曲线300 在电压带800之内具有很小的斜率。因此特性曲线300在低的λ值Amin时进入到电压带 800内。在较高的λ值λ_时，特性曲线300又从电压带800中退出。在低的λ值 和较高的λ值λ_之间是大的λ范围802。该电压值因此可以只被分配给λ范围802。 由此在特性曲线300的小的斜率的情况下得出系统的不精确性。
[0038] 在特性曲线300的平坦的部分中，使得所测量的电压302的不精确性作为λ的不 精确性明显可察觉。
[0039] 图9示出根据本发明的一个实施例在放大之后的气体传感器的特性曲线900的一 部分的图示。如在图8中那样，图3中的部分放大地被示出。该特性曲线900基于图8中 的特性曲线。电压值302以一个因子被缩放。由此该特性曲线900具有比在图8中更陡峭 的斜率。然而，该电压带800被保持同样宽。由于更陡峭的特性曲线900,特性曲线900到 电压带800中的进入点λ min和特性曲线900从电压带800出来的退出点λ max更靠近地毗 邻并且λ范围802更小。通过放大，系统的不精确性被减小并且λ可以更精确地被确定。
[0040] 集成的分析电路可以实行薄层离子导体的电极的电压302的变换并且将小的电 压差转换为更大的电压差。被变换的信号900可以被用于表征气体。电压302的较小的差 因此可以被区分。各个修正因子可以被存储在微电子设备中（在芯片上/处)。被补偿的信 号从传感器被输出。
[0041] 图10示出宽带传感器的特性曲线1000的图示。该宽带传感器对应于图1中的气 体传感器并且具有作为泵膜的薄层离子导体。该特性曲线1000在笛卡尔坐标系中被示出。 该特性曲线1000在坐标系的第一和第三象限中延伸。在横坐标上，在第一象限内，λ、即0 2 含量或〇2不足额被提供。在第三象限内，气体传感器处的气体中的其它化学种类的浓度被 提供。在纵坐标上，电化学单元中的泵电流Ι ρ被提供，该泵电流在泵电极之间在泵膜上被检 测。该特性曲线1000在第一象限内从原点近似直线地延伸。因此该泵电流Ι ρ近似地与氧 气含量成比例。在第三象限内，该特性曲线1000同样近似直线地从原点延伸。然而，该特 性曲线1000在此具有不同的斜率。因此该特性曲线1000在原点中具有转弯。在图10中， 特性曲线1000的部分1002在第一象限内被标记。该部分1002在图11和图12中放大地 被示出。
[0042] 在宽带传感器的情况下，样本偏差可以以气体特性曲线1000的不同的斜率来反 映，这限制精确度，其中该斜率代表根据氧气供给的通过电化学泵单元的电流。
[0043] 图11示出宽带传感器的多个特性曲线1000的一部分的图示。在图11中，图10 中的部分放大地被示出。特性曲线1000由于制造公差而分别具有略微不同的斜率。因为 特性曲线1000从原点出发，单个的电流值1100在每个特性曲线1000中代表不同的λ值。 λ值λρ λ2、λ3具有偏差。
[0044] 为了减小偏差，可以在传感器处使用微调方法(例如通过在传感器处的平衡电阻） 或替代地通过补偿，该补偿通过外部分析电子设备中的软件实现。
[0045] 图12示出根据本发明的一个实施例的具有补偿的宽带传感器的多个特性曲线 1200的一部分的图示。如在图11中那样，图10中的部分放大地被示出。通过存放在处理 规则中的补偿，特性曲线1200全部具有相同的斜率并且因此是叠合的，其中该补偿由气体 传感器的电子电路执行。泵电流的修正由（芯片上/处的)微电子设备实现。同样可以通过 半导体技术的薄层技术在制造气体传感器时遵循很小的公差，这减少用于补偿的花费或者 甚至可以使该花费变得多余，因为气体传感器的薄层离子导体可以具有几乎同样的电化学 特性。
[0046] 在基于薄层离子导体的传感器的情况下，用于补偿的其它的解决方案是可能的。 在此也适用的是，由于微系统技术中的精确的制造方法可以期待具有高精度的结构。低的 几何的样本偏差也将导致特性曲线1200的偏差的减小。在理想情况下将导致不同的样本 之间的叠合的传感器特性曲线1200。因此在传感器处的平衡过程将不是必需的。于是可以 直接（即在没有修正因子的情况下）使用通过电化学泵单元的电流，以便测量λ (或氧气过 量/不足)。为了进一步的改进，可以将电子设备集成到微电化学传感器中以便进行信号评 估。由此可以在传感器处执行微调方法。微电子设备、如薄层离子导体可以被安置在相同 或相邻的芯片内。在该情况下，样本的校准特性曲线可以被存储在微电子设备中并且补偿 功能可以被集成到微电子设备中。被补偿的信号1200从传感器作为测量信号被输出。
[0047] 此外，可以实现温度依赖性的补偿。Lambda传感器(不仅作为跳跃探针而且作为宽 带探针）在其信号中显示出温度的依赖性。用于测量温度的装置可以位于芯片上。替代地 或补充地，可以使用薄层电解质的内电阻，以便确定温度。
[0048] 传感器的测量信号的温度特性可以作为功能被保存在微电子设备中。在此用于跳 跃传感器的被存放的功能与在宽带传感器的情况下不同。如果不仅电化学单元的信号而且 温度存在，那么可以执行微电子设备的信号的修正。被补偿的信号从传感器被输出。
[0049] 如果不使用温度调节，那么该温度补偿可能是特别有意义的。当目标温度在接通 探针的情况下还没有达到时，该温度补偿同样可能是有意义的。当（要测量的气体的）环境 温度高于目标温度时同样如此。如果不使用加热器并且仅通过测量气体/环境实现加热， 那么该温度补偿可能是重要的。
[0050] 利用基于薄层的气体传感器可以比在基于厚层的气体传感器的情况下更快速地 设定不同的运行温度。因为新的温度更快速地被达到，所以可以更快速地在稳定的条件下 被测量。
[0051] 图13示出根据本发明的一个实施例在加热薄层离子导体时气体传感器的温度变 化曲线1300的图示。该温度变化曲线1300在曲线图中被示出。在横坐标上时间被描绘。 在纵坐标上温度被描绘。由加热器加热薄层离子导体以便改变温度。该温度变化曲线1300 在低的温度T1时开始并且恒定地停留在温度T1上。然后温度线性地上升，直到达到较高 的温度T2。紧接着温度停留在高水平T2上。该温度变化曲线1300代表以薄层技术制造 的具有薄层离子导体的很小的热容的气体传感器上的加热阶段。因此，温度变化曲线1300 在低的温度Τ1和高的温度Τ2之间的斜率是大的。直至达到温度Τ2,经过少许时间。在该 曲线图中另一温度变化曲线1302被示出。该另一温度变化曲线1302代表具有比具有温度 变化曲线1300的气体传感器更高的热容的另一气体传感器。在该另一温度变化曲线1302 中，温度同样线性地从值Τ1上升到值Τ2。然而，在此上升更缓慢地、S卩比在温度变化曲线 1300的情况下更平坦地实现。因为温度变化曲线1300更快速地达到温度T2,所以相对于 该另一温度变化曲线1302得出时间增益1304。
[0052] 图14示出根据本发明的一个实施例在冷却薄层离子导体时气体传感器的温度变 化曲线1400的图示。如在图13中那样，温度变化曲线1400在具有横坐标上的时间和纵坐 标上的温度的曲线图中被示出。温度变化曲线1400在高的温度T2时开始并且恒定地停留 在温度T2上。为了温度变化，或者去激活加热器或者以减小的功率来运行。于是温度指数 地衰减，直至达到较低的温度T1。紧接着温度停留在低的水平T1上。该温度变化曲线1400 代表以薄层技术制造的具有薄层离子导体的很小的热容的气体传感器上的冷却阶段。因此 经过少许时间，直至达到温度T1。该温度变化曲线快速地接近低的温度T1。
[0053] 在该曲线图中，另一温度变化曲线1402被示出。该另一温度变化曲线1402代表 具有比具有温度变化曲线1400的气体传感器更高的热容的另一气体传感器。在该另一温 度变化曲线1402中，温度同样指数地从值T2衰减到值T1。然而，在此下降更缓慢地、8叶匕 在温度变化曲线1400的情况下更平坦地实现。因为温度变化曲线1400更快速地达到温度 T1，所以相对于该另一温度变化曲线1302得出时间增益1304。
[0054] 换句话说，图13和图14示出用于运行组合的混合电位传感器的温度调制。例如 根据跳跃Lambda探针的模式的电化学传感器也可以被用于探测其它的气体和/或不同的 物质。在此混合电位传感器特别是可以被用作NH3或HC传感器。
[0055] 在基于薄层离子导体的传感器的情况下，可以组合用于不同的物质的不同的混合 电位单元。为了要检查的物质，可以将优化的测量电极安装在薄层离子导体上。在此可以 为每种物质设置特有的测量电极。或者测量电极可以被设计用于多于仅仅一种物质。可检 测的物质之一可以是氧气，其中于是存在作为Lambda传感器的功能。对于用于探测物质的 最优的功能，有确定的最优的工作温度Ti。通过设定温度Ti以便评估相应测量电极处的测 量信号，可以确定要测量的物质的浓度。在基于薄层离子导体的传感器的情况下，由于传感 器的小的热容，在从温度T1加热到温度T2时可以比具有更高的热容的传感器(厚层技术） 更快速地达到温度T2。由于相同的原因，该传感器在从T2冷却到T1时可以更快速地给出 温度，因为由于较小的热容，较小的散热导致强烈的温度下降。目标温度Ti的该更快速的 达到可以与温度分布或温度调制通过以下方式被组合，即不断地在温度水平ΤΙ、T2和可选 地其它的水平之间的温度斜坡上转变。在此可以实现所有物质的浓度的相应快速的测量。 由于微型化的传感器的特性可能的是，温度转变明显更快速地进行，并且因此可以检测用 于不同的物质的准连续的信号。
[0056] 通过在此所介绍的方案，可以影响在信号电极处和在加热器线路处的电流和/或 电压变化曲线。
[0057] 所描述的和在图中被示出的实施例仅示例性地被选择。不同的实施例可以完全地 或关于单个的特征相互被组合。一个实施例也可以通过其它实施例的特征被补充。
[0058] 此外，根据本发明的方法步骤可以被重复以及以与所描述的顺序不同的顺序被实 施。
[0059] 如果一个实施例包括第一特征和第二特征之间的"和/或"连接，那么这应这样来 理解，使得该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，而根据另一 种实施方式或者仅仅具有第一特征或者仅仅具有第二特征。
【权利要求】
1. 用于分析气体（102)的方法（200)，其中所述方法（200)具有以下步骤： 提供（202)气体传感器（100)，其中所述气体传感器（100)具有用于第一薄层离子导 体（108)和电路（106)的载体材料（104)，其中所述第一薄层离子导体（108)将用于参考气 体（112)的参考空间（110)与用于所述气体（102)的测量空间（114)分开，其中所述第一 薄层离子导体（108)具有参考电极（116)和测量电极（118)，其中所述参考电极（116)朝向 所述参考空间（110)并且所述测量电极（118)朝向所述测量空间（114)，其中所述参考电极 (116)和所述测量电极（118)与所述电路（106)连接； 测量（204)所述参考电极（116 )和所述测量电极（118 )之间的电压（302 );以及 确定（206)所述气体（102)中的化学种类的分压力，其中所述电压（302)在所述电路 (106)中在使用所存放的处理规则的情况下被处理，以便确定所述分压力。
2. 根据权利要求1所述的方法（200)，其中在确定步骤（206)中所述分压力在使用存放 在所述电路（106)中的、用于补偿所述气体传感器（100)的制造公差的补偿特性曲线的情 况下被确定。
3. 根据上述权利要求之一所述的方法（200)，其中在确定步骤（206)中所述电压（302) 以存放在所述电路（106)中的因子或数学函数被放大，以便确定所述分压力。
4. 根据上述权利要求之一所述的方法（200)，其中在提供（202)步骤中所述气体传感 器（100)具有第二薄层离子导体（120)并且所述测量空间（114)被构造为布置在半导体衬 底（104)中的空腔，其中所述第二薄层离子导体（120)将所述测量空间（114)与用于所述气 体（102)的气体空间（122)分开，其中所述测量空间（114)通过扩散势垒（124)与所述气体 空间（122)连接，其中所述扩散势垒（124)能够实现所述气体（102)在所述测量空间（114) 和所述气体空间（122)之间的受控制的扩散并且所述第二薄层离子导体（120)具有第一泵 电极（126)和第二泵电极（128)，其中所述第一泵电极（126)朝向所述测量空间（114)并且 所述第二泵电极（128)朝向所述气体空间（122)并且所述第一泵电极（126)和所述第二泵 电极（128)与所述电路（106)连接，其中所述方法（200)具有泵送步骤和检测步骤，其中在 泵送步骤中化学种类的离子通过所述第二薄层离子导体（120)被泵送，直至在所述测量空 间（114)中存在所述化学种类的存放在所述电路（106)中的浓度，其中在所述第一泵电极 (126)和所述第二泵电极（128)之间施加泵电压，以便通过所述第二薄层离子导体（120)泵 送所述离子并且在检测步骤中通过所述第二薄层离子导体（120)的离子流被检测，其中在 第一泵电极（126)和第二泵电极（128)之间的通过电流（I p)被测量，以便检测所述离子流， 其中所述分压力此外在使用泵电压和通过电流（Ip)的情况下被确定。
5. 根据上述权利要求之一所述的方法（200)，其中在泵送步骤中所述泵电压在使用所 述第一薄层离子导体（108)上的电压（302)的情况下被调节。
6. 根据上述权利要求之一所述的方法（200)，具有确定所述第一薄层离子导体（108) 和/或所述第二薄层离子导体（120)的温度（T)的步骤，其中在确定步骤（206)中所述分压 力此外在使用所述温度（T)的情况下被确定。
7. 根据上述权利要求之一所述的方法（200)，具有对所述第一薄层离子导体（108)和 /或第二薄层离子导体（120)调温的步骤，其中所述第一薄层离子导体（108)被调温到第一 温度（T)，以便测量所述浓度和/或所述第二薄层离子导体被调温到第二温度（T)，以便泵 送所述离子。
8. 根据权利要求7所述的方法（200)，其中在调温步骤中所述第一薄层离子导体（108) 被调温到其它温度（T)，以便测量其它化学种类的其它浓度和/或所述第二薄层离子导体 (120)被调温到另外的温度（T)，以便泵送所述其它化学种类，其中在确定步骤（206)中所 述其它化学种类的其它的分压力被确定。
9. 根据权利要求8所述的方法（200)，其中在调温步骤中所述第一温度（T1)和所述其 它温度（T2)在预先给定的时间间隔内被转变和/或所述第二温度（T)和所述另外的温度 (T)以预先给定的节奏被转变。
10. 具有程序代码的计算机程序产品，当所述程序产品在装置上被实施时，所述程序代 码用于执行根据权利要求1到9之一所述的方法。
【文档编号】G01N27/62GK104101643SQ201410147360
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2013年4月15日
【发明者】R.菲克斯, D.孔茨, A.克劳斯, K.萨纳, P.诺尔特 申请人:罗伯特·博世有限公司