具有空气压力测量装置的传感器元件的制作方法
【专利摘要】一种具有空气压力测量装置的传感器元件包括由多个彼此叠加布置的层(11，12，13)构成的层叠(10)。在层中的至少一个第一层(11)中包含测量传感器装置(20)以用于测量与传感器的环境压力不同的测量参量。在层的第一层或至少一个第二层(12)中包含压力测量装置(30)以用于测量传感器元件的一侧(S1)上的环境中的空气压力或者包含通道(40)以用于使压力测量装置(30)耦接到传感器元件的一侧(S1)上的环境处。
【专利说明】具有空气压力测量装置的传感器元件【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有空气压力测量装置的传感器元件，空气压力测量装置实现由传感器元件所测定的测量值的压力补偿。
【背景技术】
[0002]在汽车领域中时主要应用λ传感器形式的氧气传感器。这种传感器测量体积流中的氧气。当然，不能推断关于体积流的全部氧气含量，因为如果应用耦接于参考空气环境的传感器，那么测定的氧气含量取决于测量空间中占主导的部分压力以及可能还取决于参考空气压力。为了测定传感器元件的环境中的空气压力，需要空气压力测量装置，空气压力测量装置通常借助于与传感器元件分开的空气压力测量器来实现。在分开的压力测量之后，随后需要以运算的方式进行压力补偿计算，以便能够测定测量气体中的总氧含量。
[0003]在参考文献DE69724746T2中描述微设备-承载系统(Mikrovorrichtung-Tragesystem)。微设备-承载系统包括彼此结合的层叠，该层叠用作为空气通道、微执行器和传感器。传感器还能够包括压力传感器，该压力传感器能够嵌入到层叠层的其中一个中。
[0004]在参考文献DE10117486A1中示出设计为导热传感器的半导体器件的不同的实施方案，其中导热传感器的一个实施方案包括温度探针和加热元件。根据所需要的、用来保持限定的或恒定的温度的加热功率能够确定环境压力和/或气体的类型或成分。
[0005]参考文献DE102010018499A1涉及一种具有层叠和层叠内部中的空腔的电路板多层结构。空腔由于设置在层叠中的开口而暴露于环境的压力并且借助于液体可通流经过的薄膜覆盖。根据一个实施方案，薄膜能够实现气体扩散。
[0006]参考文献DE102009044645A1涉及一种用于利用至少一个消耗层在微电子的和/或微机械的结构中制造至少一个微腔的方法，其中通过升华消耗层的材料分解消耗层并且在结构中形成微腔。
[0007]参考文献DE102004043356A1涉及一种用于制造微机械的传感器元件的方法，其中借助于槽刻蚀工艺(TrenchStyprozesses )从两个不同持续时间的槽步骤中在基板中产生空洞。传感器元件还能够用于检测压力大小和空气质量。
【发明内容】
[0008]所期望的是，提出具有空气压力测量装置的传感器元件，通过空气压力测量装置实现直接借助传感器元件执行需要用于由传感器元件所确定的测量值的压力补偿的压力测量。
[0009]根据一个实施方案，具有空气压力测量装置的传感器元件包括由多个彼此叠加设置的层构成的层叠，其中在层的至少一个第一层中包含测量传感器装置，用于测量与传感器的环境压力不同的测量参量。在层的第一层或层的至少一个第二层中包含压力测量装置，用于测量传感器元件的一侧上的环境中的空气压力或者包含通道，用于将压力测量装置耦接到传感器元件的一侧上的环境处。
[0010]在传感器元件中，对用于测量与传感器的环境压力不同的测量参量的、包含在层叠中的测量传感器装置进行压力测量功能的扩展。测量传感器装置例如能够设计为用于测量传感器元件的环境的氧气含量。压力测量装置能够以适合用于进行绝对的和相对的压力测量的方式构成。用于耦接压力测量装置的通道能够包含在层叠的一个层中用于将气体引导到外部的压力测量装置上。在传感器元件的持续加热的测量探棒中，测量探棒同时作为用于基板中的开始的空气通道的、抵挡湿气和颗粒(热解)的清洁阻挡部。压力测量装置布置为，使得在废气环境中也在参考环境的冷却的、清洁的接触区域中实现空气压力测量。为了接触压力测量装置，能够使用电极的用于氧气测量的部分。
[0011]传感器元件的构造能够根据多层陶瓷工艺的现有技术进行。能够通过磨削层叠的晶片表面进行压力测量单元的平衡。为了减小公差能够对层叠的中设置有压力测量装置的空腔(Cavity)区域的区域进行磨削和抛光。
[0012]能够从从属权利要求中得出传感器元件的其他的实施方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下面根据示出本发明的实施例的附图详细阐述本发明。其示出:
[0014]图1示出用于测定气体的氧含量的宽带探针的一个实施方案，
[0015]图2A示出宽带探针的加热装置和扁平元件的立体图，
[0016]图2B示出贯穿宽带探针的加热装置的横截面，
[0017]图2C示出贯穿宽带探针的扁平元件的横截面，
[0018]图3不出扁平的结构形式的传感器兀件的一个实施方案，
[0019]图4示出具有空气压力测量装置的传感器元件的一个实施方案，
[0020]图5A示出具有空气压力测量装置的传感器元件的压力测量装置的一个实施方案，
[0021]图5B示出具有空气压力测量装置的传感器元件的压力测量装置的一个实施方案，
[0022]图6A示出具有空气压力测量装置的传感器元件的压力测量装置的一个实施方案，
[0023]图6B示出具有空气压力测量装置的传感器元件的压力测量装置的一个实施方案，
[0024]图7示出具有空气压力测量装置的传感器元件的另一实施方案，
[0025]图8示出具有空气压力测量装置的传感器元件的另一实施方案。
【具体实施方式】
[0026]图1示出用于测量传感器元件的环境中的氧气含量的传感器元件的一个实施方案，传感器元件设计为宽带探针。宽带探针包括测量传感器装置20和加热装置60。测量传感器装置20具有多孔的扩散通路21，22和检测腔23。扩散通路和检测腔能够设置在由氧化锆(ZrO2)构成的基板中。加热装置60能够设计为陶瓷的加热元件，该加热元件包含在由氧化铝(Al2O3)构成的基板中。[0027]图2A示出具有用于测量氧气含量的测量传感器装置20和加热装置60的传感器元件的立体图，该加热装置和测量装置以堆叠布置的方式彼此叠加地设置。图2B示出贯穿加热装置60的传感器元件的区域A-A’中的横截面并且图2C示出贯穿测装置20的传感器元件的区域A-A’中的横截面。测量传感器装置20以适合于测量传感器元件的环境中的氧气含量的方式构成并且包括传感器单元23和泵单元24，该传感器单元和泵单元彼此叠加地设置在层叠中。评估电路100在电极端子Al和A2之间产生泵浦电流lp，该泵浦电流是氧气测量传感器装置的环境中的λ值的测量参量。
[0028]为了测量传感器元件的环境的氧气含量，环境的气体经由多孔的扩散通路21、22到达到测量腔23中，在该测量腔中氧气含量借助于测量电极来确定并且与额定值进行比较。然后，将泵浦电流Ip激活作为该比较测量的结果，泵浦电流将检测腔22中的氧气浓度调节到额定值。经由传感器泵浦电流Icp能够将这样测量的λ值转发给控制仪器以用于评估。泵浦电流与传感器元件的环境中的剩余氧气含量成比例。
[0029]图3、4、7和8分别示出扁平的结构形式的传感器元件的一个实施形式，该传感器元件适合于测量传感器元件的环境中的氧气含量。传感器元件尤其能够设计为λ传感器。传感器元件具有由多个彼此叠加设置的层11，12和13构成的层叠10。层叠10能够由陶瓷材料构成。层11在较高温度的情况下、例如在大于650°C的情况下对于氧离子而言以传导的方式构成，为此例如能够包含氧化锆。在层11中，在传感器元件I的一侧SI上设置有测量传感器装置20，该测量传感器装置根据图2C中示出的形式设置有传感器单元，该传感器单元能够具有测量腔和泵单元。
[0030]层12能够设计为绝缘层并且具有由氧化铝(Al2O3)构成的材料。在层12中，在传感器元件的一侧SI附近在测量传感器装置20之下能够包含加热装置60。加热装置60为此设计为加热围绕测量传感器装置20的扩散区域。在设置在层11和12之间的层13中布置有通道50。层13同样能够是绝缘层，该绝缘层包含由氧化铝构成的材料。通道50的一端50a通入传感器元件的外部环境中，通道50的另一端部E50b终止于测量传感器装置20和加热装置60之间的层13中。通道50终止于层13在测量传感器装置20之下和加热装置60之上的部段中。通道50设计为参考空气通道，含氧的参考空气从传感器元件的环境中穿过该参考空气通道到达至具有测量传感器装置20的扩散区域。为了接触测量传感器装置20，在层11上设有电极端子E1。层12上的电极端子E2用于电接触加热元件60。
[0031]传感器元件能够用于测定传感器元件的环境中的测量气体中的氧气含量。为此，将传感器元件的部段A引入到测量环境中。测量环境例如能够是废气流。传感器元件的一个部段B布置在参考空气的环境中。
[0032]借助图3的传感器元件I能够确定围绕测量传感器装置20的测量环境中的氧气值。所确定的氧气值与测量环境的气体体积中的部分压力相关。为了得出测量传感器装置的环境中的测量气体中的真实的氧含量，也必须测量在虚线左侧的传感器元件的侧Si上的测量气体的部分压力和虚线右侧的传感器元件的侧S2上的测量其他的部分压力。直观地，虚线将测量环境与参考空气的环境分开。
[0033]在第一近似中，如果假设环境压力，那么参考空气的部分压力认为是恒定的。在用于测量传感器元件的环境的氧气含量的传感器元件的图4和7中示出的实施方案2和3中在层叠10的层的至少一个中包含压力测量装置30。在传感器元件的图8中示出的实施方案4中，在层叠的层的其中一个层中包含通道40，用于将压力测量装置30耦接到传感器元件的环境处。压力测量装置30设计用于测量传感器元件的环境中的空气压力。
[0034]在传感器元件的图4中示出的实施方案2中，包含用于测量层12中的传感器元件的环境压力的压力测量装置30。在此，与参考空气通道50的端部E50a相比，压力测量装置30更接近于测量传感器装置20地布置。此外，与参考空气通道50的端部E50a相比，压力测量装置30更接近于测量加热装置60地布置。压力测量装置30因此还能够位于传感器元件的加热的区域中。
[0035]图5A、5B、6A和6B示出压力测量装置30的实施方案。压力测量装置30设计为电感性的压力传感器，该压力传感器具有第一电极31、第二电极32、空腔33和薄膜34。电极31和32设置在空腔33的相对置的侧上。空腔33构造在层12中。电极31在层13的表面013上布置在通道50下方。电极32在压力测量装置的图5A和6A中示出的实施方案中布置在底部上并且可选地布置在空腔33的侧壁上。如在图5B和6B中示出，电极32能够设置在层12的背向层13的表面012上。电极31设置在层13的朝向层12的表面013上。
[0036]在图5A和5B中示出的实施方案中，压力测量装置30设计为绝对压力测量装置。与此不同的是，在图6A和6B中示出的实施方案中，压力测量装置30设计为相对压力测量装置。参考空气通道50为了输送参考空气的在图6A和6B中示出的实施方案中在通道的一个端部E50b处通入空腔33中。如在图6A中示例地示出，通道50能够布置在层13中并且从那里通入空腔33中，或者作为图6A中虚线示出的另一实施方案，通道50能够在层12中伸展并且从那里通入空腔33中。
[0037]图7示出传感器元件的一个实施方案3，其中与加热装置60或测量传感器装置20相比，压力测量装置30在层12中更接近于另一通道50的端部E50a地布置。为了将压力测量装置30在传感器元件3的一侧SI上耦接到测量环境，在绝缘层12中设有通道40。通道40在一个端部40a处在传感器兀件的一侧SI上通入传感器兀件的环境中，在该环境中包含测量气体。用于压力测量的参考通道40的另一端部E40b终止于层12中并且通入压力测量装置30的空腔33中。端部E40a能够设计为自由的开口或者设计为开孔的、气体能穿过的、例如由陶瓷制成的层。
[0038]在传感器元件的实施方案2和3中，以多层结构10的方式实现压力测量装置30的压力测量空腔33。在传感器元件的图8中示出的实施方案4中，仅在层叠10中包含用于将压力测量装置30耦接到传感器元件的环境中上的通道40。压力通道40能够包含在层12中。该压力通道利用传感器元件的侧SI上的一个端部E40a通入测量环境中并且利用在传感器兀件的侧S2上的一个端部E40b通道传感器兀件的参考空气环境中，在该侧S2处将电极端子E1/E2设置在层叠10的不同的侧上。压力测量装置30在端部E40b上连接于压力通道40或者另外的压力传递件、例如软管中间连接在端部E40b和压力测量装置30之间。
[0039]在传感器元件的图7和8中示出的实施方案中，多层承担测量介质的压力传导。在图7中示出的传感器元件3的实施方案中，将压力测量装置30和压力通道40布置在层叠中，在远距加热装置60和测量环境的干净的、冷的接触区域中进行压力测量。在压力通道40的端部E40a处，空气以被清洁的方式进入通道40中。传感器元件的持续加热的测量探棒作为用于基板中的开端的空气通道的抵挡湿气和颗粒(热解)的清洁阻挡部。因为压力测量装置30设置在电极接口 E1、E2附近，所以得到至所连接的评估电子装置的短的信号路径。
[0040]在传感器元件的所示出的实施方案中，原则上总是可以将传感器原理组合。当测量传感器装置例如设计用于测量颗粒时，能够将例如内部数字电子结构作为压力测量装置的电极用于测量颗粒。所示出的结构也能够用于具有测量传感器装置的传感器元件，该测量传感器装置确定用于其他的应用，例如用于检测其他或确定湿气。
【权利要求】
1.一种具有空气压力测量装置的传感器元件，包括: -由多个彼此叠加布置的层(11，12，13)构成的层叠(10)， -其中在所述层的至少一个第一层(11)中包含测量传感器装置(20)，用于测量与传感器的环境压力不同的测量参量， -其中在所述层的所述第一层或所述层的至少一个第二层(12)中包含压力测量装置(30)，用于测量所述传感器元件的一侧(SI)上的环境中的空气压力或者包含通道(40)，用于使压力测量装置(30)耦接到所述传感器元件的一侧(SI)上的环境处， -其中所述传感器元件具有加热装置(60)，用于加热所述传感器元件围绕所述测量传感器装置(20)的区域，并且所述测量传感器装置(20)和所述加热装置(60)彼此叠加地布置在所述层叠(10)中。
2.根据权利要求1所述的传感器元件， -其中在所述层叠的所述层的所述第一层、所述层的所述第二层或所述层的第三层(13)中包含另一通道(50)， -其中所述另一通道(50)的一个端部(E50a)在所述传感器元件的另一侧(S2)上通入所述传感器元件的环境中。
3.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其中与所述另一通道(50)的所述端部(E50a)相比，所述压力测量装置(30)更靠近所述测量传感器装置(20)或所述加热装置(60)地布置。
4.根据权利要求2所述的传感器元件，其中与所述另一通道(50)的所述端部(E50a)相比，所述压力测量装置(30)更靠近所述加热装置(60)地布置。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的传感器元件，其中所述通道(40)的一个端部(E40a)在所述传感器的所述一侧(SI)通入所述传感器元件的环境中并且所述通道(40)的另一端部(E40b)耦接到所述压力测量装置(30)上。
6.根据权利要求5所述的传感器元件，其中所述通道(40)的所述另一端部(E40b)终止于所述层叠的所述第二层(12)中。
7.根据权利要求5所述的传感器元件，其中所述通道(40)的所述另一端部(E40b)在所述另一侧(S2)通入所述传感器元件的环境中。
8.根据权利要求7所述的传感器元件，其中所述通道(40)的所述端部(40a)和所述另一端部(E40b)设计为自由的开口或者不设计为自由的开口而是设计为开孔的、气体能穿过的层。
9.根据权利要求5至8中的任一项所述的传感器元件，其中所述通道(40)的所述端部(E40a)通过所述加热装置(60)来加热。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的传感器元件， -其中所述压力测量装置(30)设计为电容性的压力传感器，所述压力传感器具有第一电极(31)、第二电极(32)、空腔(33)和薄膜(34)， -其中所述第一和第二电极(31，32)设置在所述空腔(33)的相对置的侧上， -其中所述薄膜(34)在布置有所述空腔(33)的所述层的其中一个层(12)中布置在所述第二电极(32)的背向所述空腔(33)的一侧上。
11.根据权利要求10所述的传感器元件，其中所述另一通道(50)的另一端部(E50b)通入所述空腔(33)。
12.根据权利要求10或11所述的传感器元件， -其中所述层叠(10)在所述第一和第二层(11，12)之间具有所述第三层(13)， -其中所述第一电极(31)布置在所述第三层(13)的朝向所述第二层(12)的表面(013)上， -其中所述第二电极(32)布置在所述第二层(12)的背向所述第三层(13)的表面(012)上。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的传感器元件， -其中所述测量传感器装置(20)为了施加或分接电压而具有电极端子(El)， -其中所述压力测量 装置(30)的所述第一和第二电极(31，32)分别与所述测量传感器装置(20)的所述电极端子(El)的其中一个连接。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述传感器元件，其中所述测量传感器装置(20)设计为氧气传感器或用于测量颗粒的传感器或用于测量气体的传感器或用于测定PH值的传感器。
【文档编号】G01L9/00GK104011536SQ201280064125
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月23日
【发明者】维利巴尔德·赖特迈尔 申请人:大陆汽车有限责任公司