有空腔和带选择性透气元件的气体通道结构的气体传感器的制作方法

1.本公开涉及一种气体传感器及其用于检测气体，特别是氢气的应用。


背景技术：

2.燃料电池在电动汽车领域变得越来越重要。氢气主要用于它们的操作。除了燃料电池外，使用氢气(h2)运行的燃料电池系统具有一个或多个储氢装置。例如，当在机动车辆中使用时，这种储氢装置可以设计为圆柱体，氢在大约700巴的增加压力下被储存在其中。如果在机动车辆中设置多个这样的储氢装置，则可以相应地设计机动车辆的活动范围。
3.对于机动车辆中燃料电池系统的操作，安全方面特别重要。由于气态氢即使点火能量很低(氢氧反应)的情况下也在宽泛的点火范围内与空气中的氧气发生放热反应，因此非常重要的是，安全可靠地检测氢气在储氢装置以及燃料电池、供给线和排放线外部的存在情况。
4.由于这些原因和其他原因，本公开是必要的。


技术实现要素：

5.本公开的第一方面涉及一种气体传感器，包括：空腔；气体通道结构，被布置在空腔与外部空间之间并且包含选择性透气元件，空腔除了气体通道结构以外是气密密封的；以及一个或多个传感器元件，被配置为检测空腔中一种或多种气体的存在。
6.本公开的第二方面涉及根据第一方面的气体传感器用于检测氢的应用，特别是针对其中储存或运输气态氢的容器或管线情况下的应用、特别是在燃料电池中在燃料电池的入口和/或出口处的应用，在使用燃料电池运行的机动车辆的乘客舱中的应用，或通常用于泄漏检测、特别是对从上述装置之一逸出的氢气进行泄漏检测的应用。
附图说明
7.下面参考附图更详细地解释根据本公开的气体传感器。附图中所示的元件不必相对于彼此按比例绘制。一致的参考符号可以表示一致的组件。相同的附图标记表示相同或相似的部分。
8.图1示出了气体传感器的实施例的侧向截面图，该气体传感器具有由支撑结构承载的作为选择性透气元件的膜。
9.图2包含图2a至2c并且示出了气体通道结构和包含在其中的支撑结构以及选择性透气元件的实施例。
10.图3示出了气体传感器的实施例的侧向截面图，该气体传感器具有由支撑结构承载的作为选择性透气元件的膜，并且具有布置在壳体中与膜连接的电学镀通孔。
11.图4以侧向截面图(a)和透视俯视图(b)示出了气体传感器的另一实施例，其安放在to型壳体中。
12.图5示出了基于mems芯片构建的气体传感器的实施例的侧向截面图。
13.图6示出了对应于图1的用于气体传感器的实施例的侧向截面图，以说明差分测量原理。
14.图7示出了对应于气体传感器的图1的实施例的侧向截面图，以说明基于膜偏移的测量原理。
具体实施方式
15.在下面的详细描述中，参考了构成本说明书的一部分的附图，并且其中为了说明的目的示出了可以在其中实践本公开的特定实施例。诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“领先的”、“随后的”等方向性术语与要描述的图的方向相关地使用。因为实施例的组成部分可以以各种取向定位，因此方向指定用于说明的目的，并且决不是限制性的。应当理解，在不超出本公开的范围的情况下，也可以使用其他实施例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被视为限制，并且本公开的范围由所附权利要求限定。
16.应当注意，除非另外明确说明，否则这里描述的各种实施例的特征可以相互组合。
17.本说明书中使用的术语“粘合”、“固定”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”并不意味着元件或层必须彼此直接接触；可以在“粘合”、“固定”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间提供中间元件或中间层。然而，根据本公开，上述术语还可以可选地具有特定含义，即元件或层彼此直接接触，也就是说在“粘合”、“固定”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间并不提供中间元件或中间层。
18.此外，例如关于形成或布置在表面“之上”的部件、元件或材料层所使用的词语“在
……
之上”在本文中可以意味着该部件、元件或材料层“间接地”在隐含表面上布置(例如、放置、形成、沉积等)，其中一个或多个附加部件、元件或层被布置在隐含表面与部分、元件或材料层之间。然而，关于形成或布置在表面“之上”的部件、元件或材料层所使用的词语“在
……
之上”可以可选地具有特定含义，即部件、元件或材料层被“直接”布置(例如，放置、形成、沉积等)在隐含表面上，例如与隐含表面直接接触。
19.图1示出了根据本公开的气体传感器的实施例。
20.根据图1的气体传感器10包括：空腔11；气体通道结构12，被布置在空腔11与外部空间之间并包含选择性透气元件12a，其中除气体通道结构12以外，空腔11是气密密封的；以及布置在空腔11中的传感器元件13，其被配置为检测一种或多种气体的存在。
21.一种应用情况涉及诸如氢气(h2)之类的单一气体的压力测量，为此目的，选择性透气元件12a被配置用于使氢气选择性地通过。
22.气体传感器10可以具有壳体14，气体通道结构12固定在该壳体处并且与气体通道结构12一起包围空腔11。例如如图所示，壳体14可以具有底板14a和侧壁14b，侧壁安置在底板14a上并且特别地可以与底板14a集成地或一件式地实施。壳体14可以由诸如硅的半导体、由玻璃、陶瓷或金属制成。壳体14本身相对于外部空间是气密密封的。
23.气体通道结构12具有固定在支撑结构12b处的、膜形式的选择性透气元件12a。两者在边缘区域中通过密封元件15与壳体14的侧壁14b的上表面连接。例如如图所示，支撑结构12b可以被设计使得其具有开口12b.1的规则、近似矩阵形布置，通过这些开口可以发生从外部空间进入空腔11、并且能反向进行的选择性气体流动，如下式所示双向箭头是。这种布置方式实现了待测气体在空腔11与外层空间之间的平衡状态。
24.如下文将进一步示出的，选择性透气元件12a可以具有与如图1实施例中的膜结构完全不同的结构。特别地，选择性透气元件12a也可以具有不连续结构。
25.选择性透气元件12a可以包括一种材料，使得它对于氢气的通过是选择性的。选择性透气元件12a的材料可以例如是包括石墨烯、金属、多孔材料、薄金属层、pd(层)、ni(层)、ti(层)、ptfe(层)和pmma(层)的组中的一种或多种。
26.传感器元件13测量空腔11中待测量气体的存在。这可以以各种方式并借助各种测量变量来完成。传感器元件13例如可以直接测量空腔11中存在的压力并且因此具有压力传感器。然而，也可以确定其他测量变量并由此导出空腔11中的压力。因此，传感器元件13可以例如具有热导传感器、声速传感器、燃烧热传感器、催化传感器、气体选择性传感器、非气体选择性传感器、电感传感器、电容传感器、电阻传感器、光学传感器或磁传感器。
27.可以提出，空腔11在初始状态下被抽真空，从而它包含100％的处于测量状态的待测量气体，例如h2。然而可替代地，也可以提出，空腔11在初始状态下填充有另一种气体，例如在例如在0.5巴的压力下的氮气(n2)。由此，在测量状态下h2浓度加倍，这可以改进测量过程中的信噪比。
28.众所周知，传感器元件可能会表现出不正确的测量行为，甚至随着时间的推移而完全失效。因此尤其可以提出，布置两个或甚至多于两个的传感器元件。这些传感器元件可以至少部分基于相同的测量原理，即测量相同的参数。但是它们也可以测量至少部分不同的参数。
29.传感器元件13可以具有微机电传感器芯片(mems芯片)，而不管传感器元件的操作模式如何，如图1所示。这种mems芯片13可以由硅制成的半导体以通常的结构制造，该半导体具有基体13.1与布置在基体13.1的上边缘部段之间的膜13.2。在壳体14具有诸如硅的半导体材料的情况下，mems传感器可以至少部分地形成在壳体14的基板14a中。
30.此外，传感器元件13的电接触连接可以借助接合线19与施加到壳体14的基板14a的上表面上的电接触面16连接。这又可以通过电引线17与施加到基板14a的下表面上的电接触面18连接。
31.图2包含图2a至2c，并且示出了气体通道结构以及包含在其中的支撑结构和选择性透气元件的实施例。
32.图2a包含两个实施例，它们以两个局部图像示出，并且其中以侧向截面示出具有支撑结构22b和由支撑结构22b承载的选择性透气元件22a的气体通道结构22。支撑结构22b可以具有微型筛结构，该微型筛结构具有开口22b.1的规则、特别是矩阵形布置，通过这些开口可以发生从外部空间进入空腔、并且能反向进行的选择性气体流动。微型筛结构可以由金属、诸如硅的半导体或聚合物制成。选择性透气元件22a以膜的形式施加到支撑结构的下表面上。制造可以这样进行，即膜被制造为在开口22b.1中厚度≤20nm的独立式(freistehender)薄膜。原则上还可以将选择性透气材料仅布置在开口22b.1中，从而使其具有多个非连续区域。
33.图2b包含两个实施例，其中第一个在左侧以侧向截面图和透视图的两个局部图像示出，第二个在右侧以侧向截面图的局部图像示出，并且其中示出各一个薄气体通道结构32，其中支撑结构32b被设计为体积结构并且具有主体32b.1，主体例如可以由聚合物制成。主体32b.1可以被围在可由金属制成的框架体32b.2中。选择性透气元件32a在左实施例中
施加在支撑结构32b的上表面上，而在右实施例中施加在其下表面上。
34.图2c示出了类似于图2a的右侧局部图像的气体通道结构22，然而其中支撑结构22b具有弯曲形状，并且膜形式的选择性透气元件22a施加在支撑结构22b的凸曲面上。弯曲的支撑结构22b可以防止水滴进入支撑结构22b的开口22b.1。
35.图3示出了气体传感器的实施例的侧向截面图，该气体传感器具有由支撑结构承载的、作为选择性透气元件的膜和布置在壳体中与膜连接到的电学镀通孔。
36.根据图3的气体传感器30基本上对应于图1的气体传感器10。除了该实施例之外，气体传感器30的壳体14具有电学镀通孔39，其与膜12a并且与壳体14的下表面上的附加电接触面连接。利用这种布置，膜12a可以被供给电流并因此被加热。以此方式，例如可以通过催化燃烧来抑制不希望的产物在膜或支撑结构上的形成。
37.图4以侧向截面图(a)和透视俯视图(b)示出了安放在to型壳体中的气体传感器的另一实施例。
38.根据图4的气体传感器40包括：空腔41；气体通道结构42，被布置在空腔41与外部空间之间并且包含选择性透气元件42a，空腔41除气体通道结构42之外是气密密封的；以及在空腔41中布置的传感器元件43，被配置为检测一种或多种气体的存在。
39.气体传感器40还具有壳体44，气体通道结构42固定在该壳体44处并且与气体通道结构42一起包围空腔41。在该实施例中，提供to形壳体44，其具有底板44a和安置在底板44a上的圆柱形壳体部分44b，其中两个壳体部分都能够由金属制成。壳体44本身相对于外部空间是气密密封的。气体通道结构42安置在圆柱形壳体部分44b的上部水平部段的下侧处，并且可以包括支撑结构42b和固定在其上的选择性透气膜42a。也可以提出，膜42a在没有支撑结构的情况下直接固定在圆柱形壳体部分44b处。膜44a可以例如通过石墨烯层给出，并且-如图4b所示-也可以被独立式地安置，即没有支撑结构。
40.图5示出了基于mems芯片构造的气体传感器的实施例的侧向截面图。
41.根据图5的气体传感器50具有作为承载部件的mems芯片53，其在此承担被配置为检测一种或多种气体存在的传感器元件53的作用。mems芯片53可以以通常的结构制造由硅构成的半导体制成，其具有基体53.1和布置在基体53.1的上边缘部段之间的膜53.2。在膜53.2上方布置有气体通道结构52，其包括选择性透气元件52a，其中在mems芯片53的膜53.2与气体通道结构52之间形成空腔51。气体通道结构52可以-如在前面实施例中描述地-具有包括通孔52b.1的支撑结构52b，选择性透气元件52a安置在支撑结构上，选择性透气元件又可以通过选择性透气元件给出。在该实施例中，除气体通道结构52之外，空腔51也是气密密封的。mems传感器53可以施加在基础基板54上。
42.为了说明测量原理，图6示出了对应于图1的气体传感器的实施例的侧向截面图。
43.根据图6的气体传感器60在结构上可以与图1的气体传感器10相同，并且因此被赋予相同的附图标记，其中传感器元件13通过压力传感器给出。测量原理基于这样的事实：除了测量由于流入的h2而在空腔11中存在的压力之外，还测量气体传感器60外部的压力。为此目的，设置压力传感器65，其测量外部压力并提供用于确定h2浓度的测量结果，如以下示例中所示。
44.气体传感器外部
45.绝对压力p
外部
＝1bar
46.部分压力p
h2
＝0.1bar
47.气体传感器内部
48.100％h249.部分压力p h2
＝0.1bar
50.→
绝对压力p
内部
＝0.1bar
51.空腔的内部和外部的部分压力相同
52.p
气_xy
/p
外部
＝％
气_xy
53.→
p
h2
/p
外部
＝％
h2
54.→
0.1bar/1bar＝10％
h2
55.这种类型的计算可以在与气体传感器60和传感器55连接的评估电路(asic芯片)中进行。
56.为了说明基于膜片偏移的测量原理，图7示出了对应于图1的气体传感器的实施例的侧向截面图。
57.根据图7的气体传感器70在结构上可以与图1的气体传感器10相似，因此被赋予相同的附图标记，但是传感器元件13已经被省略并且可以通过其他合适的传感器元件(未显示)给出。测量原理基于这样的事实，即测量由于内部与外部之间的压力差而发生的膜12a向空腔11中的偏移，这由虚线表示。这种偏移可以以最不同的方式测量，特别是电测量，例如以电感、电容或电阻的方式，例如通过可以集成在膜12a中的压阻元件。偏移也可以被光学检测，例如通过测量从光发射/接收传感器到膜并返回的光脉冲的传播时间。也能以类似的方式使用声脉冲的飞行时间测量。最后，偏移也能以磁性方式测量，例如通过使用软磁膜并通过磁传感器测量其偏移。
58.上面已经提到，通常也可以布置多个传感器元件以提高测量的可靠性。对于图7的例子可以使用例如图1中的传感器元件13，用于如上所述地检测空腔11中h2的存在，例如通过测量压力，并且此外可以例如通过上述方法之一来测量隔膜12a的偏移。
59.上文还讨论了此处描述的气体传感器的应用的各种可能性。通常，这种气体传感器可用于检测各种气体，尤其是氢气。例如，传感器可以安置在任何类型的、其中储存或运输气态氢的容器或管线中或处，以例如如此进行泄漏检测。一个重要的应用领域是燃料电池，尤其是在入口和/或出口处，或在以燃料电池运行的机动车辆的乘客舱中。
60.本公开的气体传感器的另一个优点是它解决了所谓的传感器中毒问题。传统传感器显示明显正确的信号，例如0％氢气。在“中毒”的情况下，该值与实际的h2浓度不符，因为传感器测量元件的功能会受到环境中有毒气体(例如h2s)的影响，这可能发生在以下情况下：例如催化燃烧被抑制，并且有毒气体几乎可以不受阻碍地侵入传感器。然而，通过输出似是而非的值，无法识别爆炸阈值的风险。由于无法从外部识别状态，因此无法发出警告。
61.然而，在根据本发明的气体传感器的情况下，测量单元不会中毒，因为环境气氛除了氢气之外完全被排除在单元之外。这是实现组件功能安全的基本特征。
62.示例
63.在下文中，使用示例来解释根据本公开的装置和方法。
64.示例1是一种气体传感器，包括：空腔；气体通道结构，被布置在所述空腔与外部空间之间并包含选择性透气元件，所述空腔除气体通道结构以外是气密密封的；以及一个或
多个传感器元件，被配置为检测所述空腔中一种或多种气体的存在。
65.示例2是根据示例1所述的气体传感器，其中所述选择性透气元件包含的材料是包括石墨烯、金属、金属薄膜、pd、ni、ti、ptfe和pmma的组中的一种或多种。
66.示例3是根据示例1或2所述的气体传感器，其中所述选择性透气元件选择性地使氢气通过。
67.示例4是根据前述示例中任一项所述的气体传感器，其中所述气体通道结构具有支撑结构，所述选择性透气元件与所述支撑结构连接。
68.示例5是根据示例4所述的气体传感器，其中所述支撑结构具有多个被所述选择性透气元件覆盖或填充的开口。
69.示例6是根据前述示例中任一项所述的气体传感器，其中所述选择性透气元件是连续的。
70.示例7是根据示例6所述的气体传感器，其中所述选择性透气元件包括膜。
71.示例8是根据示例1至5中任一项所述的气体传感器，其中所述选择性透气元件是非连续的。
72.示例9是根据示例8所述的气体传感器，其中所述选择性透气元件具有多个非连续区域。
73.示例10是在引用示例4时根据示例8或9所述的气体传感器，其中所述多个非连续区域布置在所述支撑结构中的多个对应开口中。
74.示例11是根据前述示例中任一项所述的气体传感器，其中所述传感器元件具有微机电传感器。
75.示例12是根据前述示例中任一项所述的气体传感器，其中所述传感器元件具有包括以下项的组中的一项或多项：压力传感器、热导传感器、声速传感器、燃烧热传感器、催化传感器、气体选择性传感器、非气体选择性传感器、电感式传感器、电容式传感器、电阻式传感器、光学传感器或磁传感器。
76.示例13是根据前述示例中任一项所述的气体传感器，其中壳体由包括半导体、硅、玻璃、陶瓷或金属的组中的一种或多种材料制成。
77.示例14是一种根据示例1至13中任一项所述的气体传感器的应用，用于检测氢气。
78.示例15是一种根据示例14的气体传感器在容器或管线情况下的应用，气态氢在所述容器或管线中被储存或运输。
79.示例16是一种根据示例1至13中任一项所述的气体传感器在燃料电池情况下的应用。
80.示例17是一种根据示例16所述的气体传感器的应用，其中气体传感器安置在燃料电池的入口开口和/或出口开口处。
81.示例18是一种根据示例1至13中任一项所述的气体传感器在以燃料电池操作的机动车辆的乘客舱中的应用。
82.示例19是一种根据示例1至13中任一项所述的气体传感器的应用，用于泄漏检测、尤其是氢气泄漏检测。
83.尽管本文已经图示和描述了特定实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，各种替代和/或等效实现可以替代所示出和描述的特定实施例。该
提议旨在涵盖此处讨论的特定实施例的任何修改或变化。因此，本公开旨在仅由权利要求及其等同物限制。