用于气体传感器的制造方法和相应的气体传感器与流程

本发明涉及用于气体传感器的制造方法和相应的气体传感器。

背景技术：

气体传感器在安全技术中起着重要的作用，例如用于在测量汽车废气排放时或在监控建筑的空气品质时识别一氧化碳气体、碳氢化合物或氮氧化合物。

由ep1192452b1已知一种化学传感器，该传感器由衬底组成，在该衬底上施加有加热体，在该加热体上又施加有电绝缘层。由金属氧化物构成的传感器元件以及金属氧化物层位于该绝缘层上，在该传感器元件上可以经由印制导线发送电信号。

这种由可滴落或可分散的材料或由用于厚层工艺的材料所制造的气体传感器相对于由用于多种薄层工艺的材料或由纳米颗粒墨水所制造的传感器具有高的可再现性的优点。然而为了由滴落或厚层工艺获得多个能触点接通的金属氧化物层，这些金属氧化物层必须并排地安置，由此气体传感器的微型化不能实现或受到限制。

技术实现要素：

本发明公开了一种具有权利要求1特征的装置和一种具有权利要求7的特征的方法。

据此，设置一种气体传感器，该气体传感器具有：衬底；构造在衬底的衬底正面上的能加热的膜片；布置在膜片的膜片表面上的至少三个电极；构造在膜片表面的区域中的第一覆层，其中，所述至少三个电极中的至少两个电极与第一覆层接触；至少部分地构造在第一覆层和膜片表面的区域上的第二覆层，其中，所述至少三个电极中的至少两个电极与第二覆层接触，其中，与第二覆层接触的至少两个电极中的至少一个电极不同于与第一覆层接触的至少两个电极。

根据另一方面，设置有用于气体传感器的制造方法，所述制造方法具有以下步骤：提供衬底；将能加热的膜片构造在衬底的衬底正面上；将至少三个电极构造在膜片的膜片表面上；将第一覆层构造在膜片表面上，其中，所述至少三个电极中的至少两个电极与第一覆层接触；将第二覆层至少部分地构造在第一覆层和膜片表面的区域上，其中，所述至少三个电极中的至少两个电极与第二覆层接触，其中，与第二覆层接触的至少两个电极中的至少一个电极不同于与第一覆层接触的至少两个电极；并且在衬底背面上构造槽口，由此露出膜片的一部分，在该部分上构造有第一覆层和第二覆层。

本发明提供一种气体传感器，该气体传感器具有两个叠置的覆层。在此，第一覆层和第二覆层与电极接触，使得两个覆层可以分别自身作为传感器层起作用。

因此，本发明的优点是：提供一种用于具有多个层的气体传感器的制造方法，其中，所述层可分别操控，由此使传感器的尺寸保持得小。原则上所述布置可以用于由所有沉积工艺制成的材料，必要时也可以用于由薄层工艺和厚层工艺组成的组合。

通过使第二覆层位于第一覆层之上的方式，使得空间占用小于传感器层并排布置的情况。由此，为了制造气体传感器，可以使用成本有利的厚层和多层方法、例如滴落和分散方法。同时，本发明具有微型化可能性的优点，从而多个电活性层可以布置在小的空间中。

根据本发明的气体传感器的另一实施方式，第一覆层和第二覆层中的至少一个覆层是金属氧化物覆层。

根据本发明的气体传感器的另一实施方式，至少一个另外的覆层构造在第二覆层和膜片表面的区域上，其中，至少一个另外的覆层中的每个覆层与所述至少三个电极中的至少两个电极接触，其中，所述至少两个电极中的各至少一个电极不与另外的覆层接触。这具有以下优点：多个覆层可以相叠地布置，由此可以使气体传感器的空间占用保持得小并且尽管如此仍可以单独电测量所有的覆层。

根据本发明的气体传感器的另一实施方式，第二覆层可以作为过滤器或催化器使用。过滤器或催化器用于位于该第二覆层下方的第一覆层。附加地，可以施加一个或多个遮盖层，这也可以作为浸渍来进行。

根据本发明的气体传感器的另一实施方式，第一覆层和第二覆层圆形地构造，其中，第二覆层完全遮盖第一覆层。

根据本发明的气体传感器的另一实施方式，所述至少三个电极中的第一电极的第一电极端部圆盘形地构造并且所述至少三个电极中的不同于第一电极的电极的电极端部圆弧形地围绕第一电极的第一电极端部布置，其中，不同于第一电极的电极的圆弧形的电极端部相对于第一电极的第一端部具有恒定的间距。

根据本发明的气体传感器的另一实施方式，所述至少三个电极中的第一电极的第一端部圆盘形地构造并且所述至少三个电极中的不同于第一电极的电极的端部圆弧形地围绕第一电极的第一端部布置，其中，不同于第一电极的电极的圆弧形端部相对于第一电极的第一端部具有恒定的间距。这具有以下优点：所有电极相对彼此具有尽可能均匀的间距。

根据本发明的制造方法的另一实施方式，第一覆层和第二覆层中的至少一个覆层是金属氧化物覆层。

根据本发明的制造方法的另一实施方式，在构造第一覆层之前有针对性地预处理膜片表面的区域。因而可以例如将在位于所述至少三个电极中的第一电极与所述至少三个电极中的第二电极之间的区域外部的区域涂覆以疏水的材料、例如硅烷化物。这具有以下优点：在构造第一覆层时，第一覆层只分布在以下区域上，该区域没有涂覆以疏水的材料。由此能够实现第一覆层有针对性的施加。第一覆层的任意形状尤其也是可能的。相反地，也可以覆层精炼地预处理这些区域。

根据本发明的制造方法的另一实施方式，在构造第一覆层之前使膜片表面的、在所述至少三个电极中的第一电极与所述至少三个电极中的第二电极之间的区域设有表面结构。这具有以下优点：在构造第一覆层时，所述第一覆层只分布在设有表面结构的膜片表面的区域上。附加地，可以改进第一覆层的粘附特性。

附图说明

附图示出：

图1a用于阐释根据本发明的第一实施方式的气体传感器的构造的示意性横截面视图；

图1b根据本发明的第一实施方式的气体传感器的电极的示意性俯视图；

图2a用于阐释根据本发明的第二实施方式的气体传感器的构造的示意性横截面视图；

图2b根据本发明的第二实施方式的气体传感器的电极的示意性俯视图；

图3用于阐释根据本发明的第三实施方式的气体传感器的构造的示意性横截面视图；

图4、5根据本发明的其他实施方式的气体传感器的电极的示意性俯视图；和

图6用于阐释用于气体传感器的制造方法的流程图。

在所有附图中相同或功能相同的元件和装置(只要未另外说明)设有相同的参考标记。方法步骤的编号用于概要性，并且只要未另外说明尤其不应意味着确定的时间上的顺序。尤其也可以同时实施多个方法步骤。

具体实施方式

图1a示出用于阐释根据本发明的第一实施方式的气体传感器的构造的示意性横截面视图。根据本发明的第一实施方式的气体传感器具有衬底7，例如半导体衬底，优选硅衬底。第一膜片层8-1位于衬底7的衬底正面16上，该第一膜片层由不导电的电介质组成。在第一膜片层8-1上构造有加热结构6，该加热结构由导电的材料组成。在加热结构6和第一膜片层8-1上构造有第二膜片层8-2，该第二膜片层由不导电的电介质组成。第一膜片层8-1、第二膜片层8-2和加热结构6形成具有膜片表面13的膜片8。衬底7在衬底背面15上具有槽口14，由此膜片8的一部分从背面由衬底的材料露出。加热结构6与(未示出的)电流源连接，并且构造用于将膜片8的一部分加热至例如300℃的温度。

在膜片表面13的一部分上构造有第一电极1、第二电极2和第三电极3，在该部分上膜片8是露出的。下面参照图1b详细阐释电极的布置。图1b示出膜片表面13的示意性俯视图，其中，图1a相应于沿着在图1b中示出的轴线9的横截面视图。第一电极1具有带有第一电极宽度b1的线形的第一电极区段1-1和带有半径r的圆盘形的第一电极端部1-2。带有第二电极宽度b2的第二电极2具有平行于第一电极区段1-1的线形的第二电极区段2-1，围绕第一电极端部1-2布置的圆弧形的第二电极端部2-2连接到该第二电极区段上。在此，第二电极端部2-2相对于第一电极端部1-2具有恒定的第一间距d1。带有第三电极宽度b3的第三电极3具有平行于第一电极区段1-1的线形的第三电极区段3-1，围绕第二电极端部2-2布置的圆弧形的第三电极端部3-2连接到该第三电极区段上。在此，第三电极端部3-2相对于第二电极端部2-2具有第二间距d2。

在此，第一间距d1可以与第二间距d2大小相同，并且第一电极宽度b1可以与第二电极宽度b2和/或第三电极宽度b3大小相同，然而本发明不局限于此。第二电极宽度b2尤其可以比第一电极宽度b1和第三电极宽度b3更宽。

在此，圆弧形的第一电极端部1-2、圆弧形的第二电极端部2-2和圆弧形的第三电极端部3-2的所扫过的角度优选大于180°，然而如此选择，使得第一电极1、第二电极2和第三电极3不接触，而是通过膜片8的材料彼此电绝缘。

气体传感器的总直径的值2*(r+d1+b2+d2+b3)例如处于50至200微米的范围内、优选处于100至150微米的范围内。

如在图1b中所示出的，参照轴线9，第三电极区段3-1布置在第一电极区段1-1左方，并且第一电极区段1-1布置在第二电极区段2-1左方，由此导致，第二电极端部2-2从第二电极区段2-1出发沿逆时针方向围绕第一电极端部1-2布置，并且第三电极端部3-2从第三电极区段3-1出发沿顺时针方向围绕第一电极端部1-2布置。然而本发明不局限于此。第三电极区段3-1尤其也可以参照轴线9位于第二电极区段2-1左方，并且第二电极区段2-1位于第一电极区段1-1左方，使得不仅第二电极端部2-2而且第三电极端部3-2沿顺时针方向围绕第一电极端部1-2布置。

此外，根据本发明的第一实施方式的、在图1a中所示出的气体传感器具有第一覆层4，该第一覆层构造在膜片表面13上。在此，第一覆层4圆形地构造，具有在第一电极端部1-2中的中心和大于值r+d1并且小于值r+d1+b2的半径，使得第一覆层4遮盖第一电极端部1-2并且接触但不完全遮盖第二电极端部2-2。优选地，为此足够大地选择第二电极2的宽度b2。第一覆层4的厚度典型地在中央最大并且径向地减小。

气体传感器构造用于通过将第一电极1和第二电极2连接到(未示出的)测量器具的两个输入端上而能够测量第一覆层4的位于第一电极端部1-2的外边缘与第二电极端部2-2的内边缘之间的圆环形部分的电阻。在此，第一覆层4的位于第一电极端部1-2上的、典型地具有最大厚度的部分的电阻不能够测量。气体传感器构造用于探测气体，例如一氧化碳气体、碳氢化合物或氮氧化合物，其中，在存在气体的情况下能够测量电阻变化，其中，膜片8的一部分可以为此合适地借助于加热结构6加热到例如300℃的温度。

在此，第一覆层4可以例如由金属氧化物膏组成，该金属氧化物膏大部分例如由锡氧化物sn02纳米颗粒湿化学地制成，所述纳米颗粒具有贵金属掺杂物和由其他氧化物、例如铝氧化物al203构成的起稳定作用的添加物。在此，制造金属氧化物膏的基本步骤为用于基本材料和用于接下来的浸渍的沉淀反应以及例如在球磨机中的碾磨步骤。作为粉末存在的材料接着借助于例如极性溶剂和在辊磨机上的其他碾磨步骤继续加工成更高粘性的并且可分散的膏。然而本发明不局限于此，第一覆层4尤其也可以基于铜氧化物cuo和/或铟氧化物和/或镍氧化物和/或钴氧化物和/或锌氧化物。

此外，根据第一实施方式的气体传感器在第一覆层4和膜片表面13上的围绕第一覆层4的圆环形区域上具有第二覆层5，该第二覆层圆形地布置，具有在第一电极端部1-2中的中心和大于值r+d1+b2+d2的半径，使得第二覆层5接触第二电极端部2-2和第三电极端部3-2。第二覆层5的厚度典型地在中央最大并且径向地减小。

根据第一实施方式的气体传感器构造用于通过将第二电极2和第三电极3连接到(未示出的)测量器具的两个输入端上而能够测量第二覆层5的位于第二电极端部2-2的外边缘与第三电极端部3-2的内边缘之间的圆环形部分的电阻。

在此，第二覆层5可以例如由基于上面所提及的材料湿化学地制成的金属氧化物膏组成。在此，第二覆层5的材料可以不同于第一覆层4的材料。第二覆层5尤其可以构造为用于层4的过滤器和/或催化器。替代地，例如第二覆层5的表面附近的部分可以通过浸渍来设有过滤器或催化器功能。

图2a示出用于阐释根据本发明的第二实施方式的气体传感器的构造的示意性横截面视图。在此，第二实施方式是第一实施方式的扩展方案，从而不重新描述之前所述元件。附加地，带有第四电极宽度b4的第四电极11构造在膜片表面13上。如在图2b中所示出的，第四电极11具有线形的第四电极区段11-1，该第四电极区段参照轴线9位于第二电极区段2-1右方并且平行于第二电极区段2-1，围绕第三电极端部3-2布置的圆弧形第四电极端部11-2连接到该第四电极区段上。在此，第四电极端部11-2相对于第三电极端部3-2具有恒定的第三间距d3。在此，第三间距d1可以与第二间距d2和/或第三间距d3大小相同，并且第四电极宽度b4可以与第一电极宽度b1、第二电极宽度b2和/或第三电极宽度b3大小相同，然而本发明不局限于此。

根据第二实施方式，第二覆层5圆形地布置，具有在第一电极端部1-2中的中心和大于值r+d1+b2+d2并且小于r+d1+b2+d2+b3的半径，使得第二覆层5接触但不完全遮盖第二电极端部2-2和第三电极端部3-2。此外，如在图2a中所示出的，根据第二实施方式的气体传感器在第二覆层5和膜片表面13上的围绕第二覆层5的圆环形的区域上具有第三覆层17，该第三覆层圆形地布置，具有在第一电极端部1-2中的中心和大于值r+d1+b2+d2+b3+d3的半径，使得第三覆层17接触第三电极端部3-2和第四电极端部11-2。

根据第二实施方式的气体传感器构造用于通过将第三电极3和第四电极11连接到(未示出的)测量器具的两个输入端上而能够测量第三覆层17的位于第三电极端部3-2的外边缘与第四电极端部11-2的内边缘之间的圆环形部分的电阻。

在此，第三覆层17可以例如由基于锡氧化物sn02、铜氧化物cuo和/或铝氧化物al203湿化学地制成的金属氧化物膏组成。在此，第三覆层17的材料可以不同于第一覆层4的材料和第二覆层5的材料。第三覆层17尤其可以构造为过滤器和/或催化器。

本发明不局限于两个或三个覆层，尤其可以在膜片表面13上构造有超过三个覆层，其中，每个覆层与至少两个电极接触。

此外，本发明不局限于圆形的覆层，而是覆层尤其也可以方形地、椭圆形地或不规则地构造。

图3示出根据本发明的第三实施方式的气体传感器的示意性横截面视图。气体传感器的构造相应于第二实施方式，气体传感器尤其具有四个电极，如在图2b中所示出的。不同于第二实施方式，在第三实施方式中缺少第三覆层17。此外，第一覆层4和第二覆层5的尺寸不同于第一实施方式和第二实施方式。根据第三实施方式，第一覆层4圆形地构造，具有在第一电极端部1-2中的中心和大于值r+d1+b2并且小于值r+d1+b2+d2的半径，使得第一覆层4完全遮盖第一电极端部1-2和第二电极端部2-2。此外，第二覆层5圆形地构造，具有在第一电极端部1-2中的中心和大于值r+d1+b2+d2+b3+d3的半径，使得第二覆层5遮盖第三电极端部3-2并且接触第四电极端部4-2。

根据第三实施方式的气体传感器构造用于通过将第一电极1和第二电极2连接到(未示出的)测量器具的两个输入端上而能够测量第一覆层4的位于第一电极端部1-2的外边缘与第二电极端部2-2的内边缘之间的圆环形部分的第一电阻。附加地，通过将第三电极3和第四电极11连接到(未示出的)可能不同于第一测量器具的第二测量器具的两个输入端上而能够测量第二覆层5的位于第三电极端部3-2的外边缘与第四电极端部11-2的内边缘之间的圆环形部分的第二电阻。根据本发明，气体传感器如此构造，使得第一电阻和第二电阻可以同时被测量。

图4示出根据本发明的第四实施方式的电极的另一个优选的布置。与本发明的第一实施方式的唯一不同在于第二电极202的布置。第二电极端部202-2连接到线形的第二电极区段202-1上，该第二电极端部波线形地沿着围绕第一电极端部1-2的圆弧布置。在此，第二电极端部202-2相对于第一电极端部1-2的间距周期性地在最小间距dmin与最大间距dmax之间围绕具有值d11-1/2b2的平均间距改变，其中，d11是预给定的值。在此，第三电极端部3-2相对于第一电极端部1-2具有恒定的、具有值d11+d22的间距，其中，d22是预给定的值。在此，最小间距dmin小于最大间距dmax，并且最大间距dmax小于值d11+d22。

即使当第一覆层4不精确地圆形地构造，而是例如椭圆形地或不规则地构造时，根据第四实施方式不仅第一覆层4与第一电极1和第二电极2接触而且第二覆层5与第二电极2和第三电极3接触。

第二电极区段22的形状不局限于波形，第二电极区段22尤其也可以锯齿形地或带有矩形隆起部地沿着围绕第一电极端部1-2的圆弧布置。

图5示出根据本发明的第五实施方式的电极的另一优选布置。第五实施方式与第一实施方式的不同仅仅在于第一电极1、第二电极2和第三电极3的布置。根据第五实施方式，第一电极101具有带有第一电极宽度b1的线形的第一电极区段101-1和带有半径r的圆盘形的第一电极端部101-2。带有第二电极宽度b2的第二电极102具有平行于第一电极区段101-1的线形的第二电极区段102-1，围绕第一电极端部101-2布置的圆弧形的第二电极端部102-2连接到该第二电极区段上。在此，第二电极端部102-2相对于第一电极端部101-2具有恒定的第一间距d1。带有第三电极宽度b3的第三电极3具有平行于第一电极区段101-1的线形的第三电极区段103-1，围绕第二电极端部102-2布置的第三电极端部103-2连接到该第三电极区段上。在此，第三电极端部103-2相对于第二电极端部102-2具有第二间距d2。附加地，第一电极101具有多个第一条12-1，这些第一条沿圆盘形的第一电极端部101-2的径向方向布置在第一电极端部101-2上。第二电极102具有多个第二条12-2，这些第二条沿垂直于第二电极端部102-2的方向在第二电极端部102-2上朝着第一电极端部101-2的方向地布置。第二电极102具有多个第三条12-3，这些第三条沿垂直于第二电极端部102-2的方向在第二电极端部102-2上朝着第三电极端部103-2方向地布置。第三电极具有多个第四条12-4，这些第四条沿垂直于第三电极端部103-2的方向在第三电极端部103-2上朝着第二电极端部102-2方向地布置。第一条12-1和第二条12-2具有小于值d1的二分之一的延伸尺度，并且第三条12-3和第四条12-4具有小于值d2的二分之一的延伸尺度。在此，第一至第四条12-1至12-4可以具有矩形的、三角形的或不规则的基面。本发明不局限于当前的形状，尤其可以缺少第一条12-1和第四条12-4。

即使当第一覆层4不精确地圆形地构造，而是例如椭圆形地或不规则地布置时，根据第五实施方式不仅第一覆层4与第一电极1和第二电极2接触而且第二覆层5与第二电极2和第三电极3接触。

图6示出用于阐释气体传感器的制造方法的流程图。

在第一步骤s1中，在衬底7、例如半导体衬底、优选硅衬底的衬底正面16上构造由不导电的电介质组成的第一膜片层8-1。在第一膜片层8-1上构造加热结构6，该加热结构由导电的材料组成。在加热结构6和第一膜片层8-1上构造由不导电的电介质组成的第二膜片层8-2。第一膜片层8-1、第二膜片层8-2和加热结构6形成具有膜片表面13的膜片8。

在第二步骤s2中，在膜片表面13上构造具有第一电极区段1-1和第一电极端部1-2的第一电极1、具有第二电极区段2-1和第二电极端部2-2的第二电极2以及具有第三电极区段3-1和第三电极端部3-2的第三电极3。在此，电极的布置相应于在图1b中所示出的布置并因此在此不再重复。

在第三步骤s3中，将第一覆层4圆形地构造在膜片表面13上，该第一覆层具有在第一电极端部1-2中的中心和大于值r+d1并且小于r+d1+b2的半径，使得第一覆层4遮盖第一电极端部1-2并且接触但不完全遮盖第二电极端部2-2。在此，第一覆层4的构造可以例如通过滴落方法或分散方法实现。

在此，第一覆层4可以例如由湿化学地制成的金属氧化物膏构成，该金属氧化物膏大部分例如由锡氧化物sn02纳米颗粒湿化学地制成，所述纳米颗粒具有贵金属掺杂物和由其他氧化物、例如铝氧化物al203构成的起稳定作用的添加物。然而本发明不局限于此，第一覆层4尤其也可以基于铜氧化物cuo和/或铟氧化物和/或镍氧化物和/或钴氧化物和/或锌氧化物。

在施加第一覆层4之后，已经可以进行第一干燥步骤和/或燃烧步骤。在燃烧步骤之后，第一覆层4变得坚固和气体敏感并且具有高的孔隙度。

在第四步骤s4中，将第二覆层5圆形地构造在第一覆层4和膜片表面13上的围绕第一覆层4的圆环形区域上，该第二覆层具有在第一电极端部1-2中的中心和大于值r+d1+b2+d2的半径，使得第二覆层5接触第二电极端部2-2和第三电极端部3-2。在此，第二覆层5的构造可以例如通过滴落方法或分散方法实现。

在施加第二覆层5之后，可以要么进行另外的或共同的干燥步骤，和/或进行针对覆层4和5燃烧步骤。在燃烧步骤之后，两个覆层4和5变得坚固和气体敏感并且具有高的孔隙度。

在第五步骤s5中，在衬底7的衬底背面15上形成槽口14，由此露出膜片8的一部分，在该部分上构造有第一覆层4和第二覆层5。在此，槽口14可以例如通过蚀刻过程、通过铣削或借助于激光来形成。

根据另一优选实施方式，在施加第一覆层之前，在位于第二电极端部2-2的外部区域中构造具有疏水材料、例如硅烷化物的附加覆层。第一覆层4的材料优选具有溶剂，例如极性多元醇。在构造第一覆层4时，第一覆层4优选不沉积在附加的覆层上，而是沉积在位于第二电极端部2-2内部的区域中。附加的覆层以及包含在第一覆层4的材料中的溶剂会在另一加热步骤中在使用加热装置6的情况下挥发。

根据另一优选实施方式，在施加第一覆层之前，在位于第一电极端部1-2与第二电极端部2-2之间的区域中例如通过蚀刻或沉积工艺构造表面结构化部。在构造第一覆层4时，第一覆层4优选沉积在该表面结构化部上。表面结构化部本身也可以涉及第一电极端部1-2和第二电极端部2-2。

根据另一优选实施方式，在施加第一覆层4之后并且在施加第二覆层5之前，在位于第三电极端部3-2外部的区域中构造另一附加的覆层。

根据另一优选实施方式，在施加第一覆层4之后并且在施加第二覆层5之前，在位于第二电极端部2-2与第三电极端部3-2之间的区域中构造另一表面结构化部。

本发明不局限于特定的形状。第一电极1、第二电极2和第三电极3的布置尤其可以相应于在图2b、图4或图5中所示出的布置中的一个布置。

此外，还可以构造其他覆层，其中，优选每个其他覆层与至少两个电极接触。

虽然本发明根据上述优选的实施例来描述，但是本发明不局限于此，而是能够以多种类型来修改。本发明尤其能够以各种各样的方式来改变或修改，而不会偏离本发明的核心。