具有桥结构的多参数传感器的制作方法

本发明涉及一种传感器，特别是气体传感器，其包括布置在基板中的凹陷(recess)或开口以及位于所述凹陷或开口上方的加热板。感测材料(诸如金属氧化物)的贴片位于加热板上，并且提供了用于测量感测材料的贴片的电特性的电极。

背景技术：

us2014/0208830描述了一种气体传感器，其具有跨越硅基板中的开口的膜。该膜形成加热板，并且具有集成的钨加热器。此外，通过介电层与钨加热器分开的铂层形成了用于测量感测材料的贴片的电阻的电极。

müllerg等在“amemstoolkitformetal-oxidebasedgassensingfilms”,thinsolidfilms,elsevier,amsterdam,nl，第436卷，第1期，2003年7月22日，第34-45页描述了一种基于金属氧化物的气体感测系统。气体感测系统包括三个或四个硅热板，它们之间是热隔离的并且可以以不同的温度操作。

us5019885a描述了一种气体检测设备，其具有基板和由基板支撑的多个气敏元件。提供了检测气体的多个预定温度。气体检测设备还包括由基板支撑的多对电极导线，多对电极中的每一对连接到气敏元件中对应的一个，并且由基板支撑的加热器导线加热多个气敏元件，使得每个气敏元件被设置在多个预定温度中对应的一个。

ep2778667a1公开了一种气体传感器，其包括膜，膜上布置有若干感测位置。在每个感测位置，提供了在气态分析物存在的情况下改变其电阻率的感测材料。电极位于膜上，与感测材料电接触，以便测量指示感测材料的电导的参数。感测位置由加热器组件加热，该加热器组件被构造成在感测位置处生成不同的温度，这允许针对不同的温度执行测量并由此获得对分析物的更好理解。

us2011/0174799a1公开了一种以设备的形式的微加热板，其包括传感器和微加热板内被布置为加热传感器的一个或多个电阻加热器。此外，提供了一种控制器，用于向加热器中的至少一个施加双向驱动电流以减少电迁移。控制器还用于以基本恒定的温度驱动加热器。

本发明的目的是提供具有增强的测量能力的传感器。

技术实现要素：

根据本发明第一方面的实施例，提供了一种用于检测和/或分析气体的传感器。该传感器包括基板、布置在基板中的凹陷或开口、第一桥结构以及第二桥结构。第一和第二桥结构在所述凹陷或开口上方延伸并锚定在基板中。第一桥结构形成第一加热板，并且包括布置在第一加热板上的感测材料(特别是金属氧化物材料)的第一贴片、适于测量第一贴片的电特性的电极以及适于加热第一加热板的加热器。第二桥结构包括至少温度传感器。传感器包括用于驱动加热器和用于处理来自电极和温度传感器的信号的电路系统。传感器，特别是电路系统，提供第一操作模式和第二操作模式，第一操作模式被配置为执行对第一贴片的电特性的测量，第二操作模式被配置为以感测模式操作第二桥结构，以执行对气体的热特性的测量。热特性是气体的热容量和/或热导率和/或热扩散率。根据实施例，电特性可以是第一贴片的电阻抗的实部和/或虚部。

这样的所实施的传感器允许测量应分析的气体的多个参数。更特别地，它允许在第一操作模式下测量第一贴片的电特性，该电特性可以取决于第一贴片与围绕第一贴片的气体的相互作用而改变。另一方面，所实施的传感器允许在第二操作模式下测量气体的热特性。两个测量的结果都可以用于进一步分析气体本身和/或气体的环境条件，诸如气体压力。

根据实施例，电路系统可以特别是控制电路系统和/或处理电路系统，其适于在第一操作模式和第二操作模式下操作和控制传感器，并且处理来自在第一操作模式和第二操作模式下进行的测量的信号。

根据优选实施例，第二操作模式被配置为在加热模式下操作第一加热板，以加热气体。

根据这种实施例，第一桥结构被配置为在第一操作模式和第二操作模式下提供不同的功能。在第一操作模式下，第一桥结构用于感测第一贴片的感测材料的电特性的改变，该改变取决于相应的周围气体的成分。并且在第二操作模式下，第一桥结构用作加热结构，以提供周围气体的热加热，其结果由第二桥结构的温度传感器测量。因此，通过向第一桥结构提供“双重功能”，可以促进密集集成。特别地，具有两种功能的传感器可以集成在一个单个基板和一个单个芯片上。

根据实施例，第二操作模式被配置为在加热模式下操作第一加热板和/或第三桥结构的加热板，以加热气体，并且在感测模式下操作第二桥结构，以测量由于第一加热板和/或第三桥结构的加热板的加热而引起的温度改变或一个或多个温度参数。此外，传感器在第二操作模式下被配置为根据温度改变和/或温度参数确定气体的热特性。

根据这种实施例，第一加热板和/或第三加热板加热周围的气体。因此，第二桥结构处的温度或温度信号改变。这种温度改变取决于气体的热性质，并且可以用于确定气体的热特性。根据实施例，可以测量第一加热板的温度信号与第二桥结构的温度信号之间的相移，例如，作为温度参数。

根据实施例，第一桥结构包括温度传感器。

根据优选实施例，第二桥结构还形成加热板，即第二加热板，并且包括布置在第二加热板上的感测材料(特别是金属氧化物材料)的第二贴片。此外，第二桥结构包括适于测量第二贴片的电特性的电极和适于加热第二加热板的加热器。根据这个实施例，第一操作模式被配置为执行对第一贴片和第二贴片的电特性的测量。

根据这种实施例，第二桥结构也被配置为在第一操作模式和第二操作模式下提供不同的功能。在第一操作模式下，第二桥结构也用于感测第二贴片的感测材料的电特性的改变，该改变取决于相应的周围气体的成分。根据一些实施例，第二贴片可以包括与第一贴片不同的感测材料。根据其它实施例，第二贴片可以包括相同的感测材料，但是它可以被加热到与第一贴片不同的温度。这增强了可以在第一操作模式下测量的参数。

在第二操作模式下，第二桥结构用作感测结构，以感测或测量气体的热特性，特别是测量由于第一桥结构的加热而造成的温度改变。因此，通过向第一桥结构和第二桥结构都提供“双重功能”，可以进一步促进可以测量周围气体的多个不同参数的传感器的密集集成。

根据优选实施例，传感器包括第三桥结构，该第三桥结构包括加热板和加热器。第二操作模式被配置为在加热模式下操作第三桥结构的加热板，以加热气体。

根据这种实施例，第三桥结构用作加热结构，以提供周围气体的热加热，其结果由第二桥结构的温度传感器测量。根据一些实施例，第一桥结构和第三桥结构也都可以在第二操作模式下用作加热结构。

基板可以是例如硅基板，并且它形成传感器的机械框架。它可以可选地包括集成在其上的电路系统，特别是cmos电路系统，并且更特别地是适于控制加热器以及读出传感器的cmos电路系统。

通过仅借助于第一和第二桥结构跨越凹陷或开口，与使用薄膜膜相比，可以减小加热板与基板之间的热传导。另外，可以减少热质量。这允许快速改变第一和第二加热板的温度。

第一和第二加热板的相应加热器可以用于将加热板加热到感测材料的操作温度。

电极被定位为测量感测材料的相应贴片的电特性，即，取决于待检测的至少一种气体分析物的电特性。

温度传感器适于测量加热板和/或桥结构的温度，并且它们的信号可以用于改善测量和/或用于控制加热板/桥结构的温度。温度传感器可以以各种方式实施。根据一个实施例，可以使用电阻温度传感器。根据另一个实施例，可以使用热电堆。根据又一个实施例，加热器本身可以用作温度传感器。

根据实施例，传感器可操作以在第二操作模式下执行对气体的热容量和/或热导率和/或热扩散率的测量。

根据这个实施例，测量气体的热容量和/或热导率和/或热扩散率作为气体的热特性/热参数。然后，这些特性/参数可以用于进一步分析气体和/或传感器的环境条件。

根据实施例，传感器被配置为组合来自第一操作模式和第二操作模式的测量结果，以确定气体成分和/或气体浓度。

根据这种实施例，除了从感测材料的贴片的电特性的测量得到的信息之外，热特性的测量也被用作附加信息，以确定周围气体的气体成分和/或气体浓度。这个附加信息可以增加传感器的精度、可靠性和/或灵敏度，特别是对于具有相当独特或特有的热特性的气体。此外，由于第一操作模式和第二操作模式的测量结果可以基于不同的物理原理，因此可以改进分析。

根据另一个实施例，传感器可操作以使用第二操作模式的测量结果来确定气体的压力。

对于这种气体压力测量，应当知道围绕传感器的气体。根据实施例，气体本身可以例如在第一操作模式下确定，并且气体压力在第二操作模式下确定。

如果围绕传感器的气体是已知的，那么可以使用热导率测量来确定气体压力，因为热导率取决于相应气体的压力。

根据另一个实施例，传感器被配置为在第一操作模式下执行第一加热板和/或第二加热板和/或第三桥结构的加热板的连续或脉冲加热。

根据另一个实施例，第二操作模式包括静态模式。在静态模式下，传感器被配置为在第二操作模式下执行第一加热板和/或第三桥结构的加热板的连续加热以及对第二桥结构的温度改变的测量。

在静态模式下，可以操作传感器，使得第一加热板与第二桥结构之间的热加热流达到稳定状态，和/或使得第三桥结构的加热板与第二桥结构之间的热加热流达到稳态。然后，传感器可以测量在第二桥结构处经历的温度改变，该温度改变响应于第一加热板的加热和/或响应于第三桥结构的加热板的加热。这个温度改变是在第一加热板和第三桥结构的加热板分别地与第二桥结构之间存在的气体的热导率的测度。温度改变可以例如由第二桥结构的温度传感器测量。

根据另一个实施例，第二操作模式包括动态模式。在动态模式下，传感器被配置为执行第一加热板和/或第三桥的加热板的非连续加热，特别是脉冲或正弦加热。非连续加热也可以表示为调制加热。传感器被配置为在动态模式下执行对第二桥结构的一个或多个温度参数的测量。特别地，可以执行对第一加热板的温度信号与第二桥结构的温度信号之间的相移的测量。此外，可以执行对第三桥结构的加热板的温度信号(如果用作加热结构)与第二桥结构的温度信号之间的相移的测量。此外，可以执行对第一桥结构、第二桥结构和/或第三桥结构的温度信号的幅值或脉冲高度的测量。

根据这个实施例，操作传感器，使得加热的加热板(其可以是第一加热板和/或第三桥结构的加热板)与第二桥结构之间的热加热流不是恒定的，而是随时间改变。因而，加热的加热板与第二桥结构之间的热流不会达到稳态。这种动态模式允许还测量依赖时间的温度参数，诸如第一加热板的温度信号与第二桥结构或第二加热板的温度信号之间的相移。温度信号可以特别是第一加热板随时间的温度、第三桥结构的加热板随时间的温度以及第二桥结构随时间的温度。温度信号可以由桥结构的相应温度传感器提供。附加地和/或可替代地，第一桥结构/第一加热板、第三桥结构的加热板和第二桥结构/第二加热板的温度信号的幅值或脉冲高度可以用作温度参数。

根据优选实施例，第二操作模式包括静态模式和动态模式二者。这种所实施的传感器于是具有至少三种不同的操作模式，即，第一操作模式、作为第二操作模式的第一子模式的静态模式以及作为第二操作模式的第二子模式的动态模式。

根据实施例，可以顺序地执行第一模式、第二操作模式的静态模式和第二操作模式的动态模式，并且可以周期性地重复这种序列。

根据另一个实施例，可以并行执行第一模式和第二操作模式的静态模式或者第一模式和第二操作模式的动态模式。

根据后面的实施例，第一加热板被加热，并且第一加热板的这种加热同时用于两个不同的目的。一方面，它使第一贴片达到期望的操作温度，以及另一方面，它加热周围的气体并提供朝着第二桥结构的热传递。这种热传递允许测量周围气体的热特性。因此，这种实施例允许同时并且仅用一个单个的热源来测量第一贴片的电特性和气体的热特性。这种方法非常节能。

根据另一个实施例，传感器包括用于测量气体的相对湿度的湿度传感器。

这种湿度传感器可以用于补偿气体的热参数对气体的相对湿度的依赖性。根据一个实施例，湿度传感器可以作为片上传感器集成在传感器中。根据其它实施例，可以使用外部湿度传感器。

根据另一个实施例，传感器被配置为使用来自第一操作模式的测量结果来校准第二操作模式的一个或多个传感器参数，特别是漂移参数，并且/或者使用来自第二操作模式的测量结果来校准第一操作模式的一个或多个传感器参数，特别是漂移参数。

这可以提高第一操作模式和第二操作模式的测量的精度。特别地，mox气体传感器常常包括漂移。通过对照在第二操作模式下执行的热特性测量参考mox气体传感器，可以减小或最小化这种漂移行为。

根据另一个实施例，传感器包括多个第二桥结构。多个第二桥结构中的每一个包括温度传感器，并且多个第二桥结构中的至少两个布置在与加热桥结构不同的距离处，其中所述加热桥结构可以是第一桥结构和/或第三桥结构。第二操作模式被配置为在感测模式下操作多个第二桥结构，并执行气体的热特性的差分测量。第二桥结构也可以表示为感测的桥结构，

这种实施例更进一步增加了用于分析气体的可能选项/参数。特别地，将第二桥结构(感测的桥结构)布置在距加热桥结构(第一桥结构和/或第三桥结构)不同的距离处允许在第二操作模式下执行差分测量。利用这种差分测量，加热桥结构(加热的加热板)与周围气体之间的热过渡的影响以及周围气体与第二桥结构(感测的桥结构/感测的加热板)之间的热过渡的影响可以被消除。换句话说，在第二桥结构处测得的温度信号之间的差异仅取决于周围气体的热特性。

可以在第二操作模式的静态以及动态子模式下执行这种差分测量。

根据另一个实施例，第一、第二和/或第三桥结构包括由至少一个介电层分开的至少第一和第二金属层。第一金属层形成相应加热板的加热器，并且第二金属层至少部分地形成相应加热板的电极。

介电层有利地是从由氧化硅、氮化硅、al2o3和ta2o5组成的组选择的至少一种材料。

第一金属层有利地是铂或钨层。这两种材料都非常适合承受高加热器温度。

第二层有利地是铂或金层。这种化学惰性金属非常适合形成稳定的电极。

在有利的几何形状中，桥结构包括形成所述加热板的中心区域以及在所述中心区域和所述基板之间延伸的两个臂。中心区域的宽度大于所述臂中的每一个的最小宽度，这进一步降低了加热板与基板之间的热传导，同时仍然提供具有用于接纳感测材料的大面积的加热板。此外，这进一步降低了桥结构的热质量并允许快速地改变相应加热板的温度。

有利地，桥结构由所述中心区域和所述两个臂组成，即，两个臂形成中心区域与基板之间的唯一连接，从而进一步降低热传导率和热质量。

中心区域有利地具有圆形周界，这使得其形状非常适合在制造过程期间接纳感测材料的液体前体。下面提供术语“圆形周界”的定义。

可替代地，中心区域可以具有非圆形周界，诸如矩形或多边形周界。

可替代地或附加地，中心区域还可以具有被构图成具有多个凹陷和/或凸起的边缘(除了其中中心区域连接到桥结构的臂的区段之外)。这种边缘增加了周界的总长度，从而改善了在制造过程期间感测材料的液体前体的横向限制(由于表面张力效应)(“固定(pinning)”)。附加地或可替代地，如果感测材料的液体前体被吸入由边缘中的凹陷形成的凹槽(bay)中，特别是如果凹陷窄的话，那么边缘可以改善贴片的锚定。

在又一个实施例中，传感器包括：

-在所述电极与所述基板之间延伸的至少两个电极导线。这些电极导线延伸通过所述两个臂中的第一个。

-在所述温度传感器与所述基板之间延伸的至少两个温度传感器导线。这些温度传感器导线延伸通过所述臂中的第二个。

这种设计将用于温度传感器和电极的导线分开，从而提供紧凑的设计和更少的串扰。

在简单的布局中，电极是同轴的，即，它们绕共同的中心布置。有利地，它们包括中心电极和外电极，所述中心电极和外电极通常彼此电绝缘。中心电极是圆形的，并且外电极绕中心电极沿着至少240°(特别是至少270°)的方位角延伸。

可替代地，电极是叉指型(interdigital)电极。

在有利的实施例中，温度传感器和至少一个电极(特别是两个电极)由所述金属层中的同一层(即，第二金属层)形成。

在另一个实施例中，电极中的第一个布置在电极中的第二个的下方的层上。因此，电极由不同的金属层形成，这允许设备的紧凑设计。

有利地，第一电极由第一金属层形成，并且第二电极由第二金属层形成，即，第一金属层用于加热器以用于电极之一。

可替代地，第一电极由与第一和第二金属层分开的第三金属层形成，而第二电极由第二金属层形成，从而将两个电极和加热器布置在三个不同的金属层中。

有利地，第一电极布置在阱的底部，该阱一直向上延伸通过加热板的金属和介电层的最顶部。感测材料的贴片延伸到这个阱中，从而也与第一电极建立良好的电接触。

第一加热板、第二加热板和/或第三加热板的温度传感器有利地与相应的加热器分开，即，它们由不同于加热器的结构形成。由于加热器以升高的温度暴露于高电流，因此会经受电迁移效应，为此其电特性趋于漂移。通过使温度传感器成为分开的设备，其长期稳定性得到改善。

可替代地，温度传感器可以由加热器本身形成，在这种情况下，加热器有利地由钨形成，因为钨对电迁移的敏感性(susceptibility)低。

根据本发明另一方面的实施例，提供了一种用于操作根据第一方面的实施例的传感器的计算机程序产品。该计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有用所述计算机刻度存储介质实施的程序指令，所述程序指令可由传感器执行以使传感器在第一操作模式下执行对第一贴片的电特性的测量，并且在第二操作模式下由第二桥结构测量气体的热特性。热特性是气体的热容量和/或热导率和/或热扩散率。

根据本发明另一方面的实施例，提供了一种电子设备，特别是便携式电子设备，其包括根据第一方面的实施例的传感器。便携式电子设备可以是例如智能电话。

根据本发明另一方面的实施例，提供了一种用于操作根据第一方面的实施例的传感器的方法。该方法包括以下步骤：在传感器的第一操作模式下执行对第一贴片的电特性的测量，以及在传感器的第二操作模式下以感测模式操作第二桥结构，以执行对气体的热特性的测量。热特性是气体的热容量、热导率和/或热扩散率。

根据实施例，该方法包括在第二操作模式下以加热模式操作第一加热板和/或第三桥结构的加热板以加热气体的步骤。另外的步骤包括在第二操作模式下测量由于第一加热板和/或第三桥结构的加热板的加热而引起的温度改变或一个或多个温度参数，以及根据温度改变和/或温度参数来确定气体的热特性。

根据实施例，该方法包括以下步骤：在第二操作模式下执行第一加热板和/或第三桥结构的加热板的非连续加热，特别是脉冲或正弦加热，以及在第二操作模式下执行对第二桥结构的一个或多个温度参数的测量。

根据实施例，该方法包括执行对第一加热板和/或第三桥结构的加热板的温度信号与第二桥结构的温度信号之间的相移的测量。

根据另一个实施例，该方法包括执行对第一桥结构、第二桥结构和/或第三桥结构的温度信号的幅值或脉冲高度的测量。

其它有利实施例在从属权利要求以及以下描述中列出。

附图说明

根据本发明的以下详细描述，将更好地理解本发明，并且除了以上阐述的之外的目的将变得清楚。这样的描述参考附图，其中：

图1是具有第一设备几何形状的根据本发明实施例的传感器的顶视图；

图2是图示第一操作模式的图1的传感器的顶视图；

图3是图示第二操作模式的静态子模式的图1的传感器的顶视图；

图4是图示第二操作模式的动态子模式的图1的传感器的顶视图；

图5是传感器的桥结构的中心部分的顶视图；

图6是沿着图5的线iii-iii的截面图；

图7示出图5的实施例的第二金属层中的结构；

图8示出图5的实施例的第一金属层中的结构；

图9是传感器的又一个实施例的桥结构的中心部分的顶视图；

图10是具有第二设备几何形状的传感器的顶视图；

图11示出来自图10的细节；

图12示出具有非圆形中心区域的桥结构的一部分；

图13是图示第二操作模式的另一个实施例的图1的传感器的顶视图，以及

图14是操作传感器的方法的方法步骤的流程图。

桥结构的中心部分的所有顶视图都以透明的方式示出了感测材料的贴片，其下方的结构以虚线或点线示出。附图不按比例绘制。

具体实施方式

定义：

“铂层”或“钨层”被理解为包括至少50％(特别是至少90％)的所述材料(铂或钨)的层。该层通常不是连续层，而是结构化层，例如形成一个或多个金属导线。

类似地，“钨”的加热器指定包括至少50％(特别是至少90％)的钨的加热器。

术语“圆形周界”表示中心区域的周界边缘(除了中心区域连接到桥的臂的区段)位于圆环内，所述环的径向宽度不大于其半径的20％(特别是不大于10％)。

“构图有多个凹陷和/或凸起的边缘”是形成一系列凹陷和凸起(凹槽和指状物(finger))的边缘，使得边缘沿着向内和向外交替转弯的曲折路径。

“圆形电极”是其周界边缘位于圆环内的电极，所述环的径向宽度不大于其半径的20％(特别是不大于10％)。

诸如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”之类的术语用于承载桥的基板的侧面是基板的顶侧的意义。在这个意义上，图3的实施例的感测贴片例如布置在加热板的顶部，在电极上方。

术语“径向”和“方位”描述相对于加热板的中心点的方向，其中“径向”指定朝着或远离中心点的方向，并且“方位”指定与绕中心点的圆相切的方向。

图1示出了用于检测和/或分析气体的传感器100。

在这个上下文中，应当注意的是，术语“气体”应包括所有种类的气体混合物，并且这种气体混合物可以具有多种不同的组分。传感器100包括基板1，特别是硅基板。基板1具有布置在其中的开口或凹陷2。传感器100包括跨越该开口或凹陷2的多个分开的桥结构。更特别地，传感器100包括形成第一加热板6a的第一桥结构3a、形成第二加热板6b的第二桥结构3b、形成第三加热板6c的第三桥结构3c以及形成第四加热板6d的第四桥结构3d。在下文中，可以将其称为多个桥结构(例如，将多个桥结构3a、3b、3c和3d统称为桥结构3)和多个加热板(例如，将多个加热板6a、6b、6c和6d统称为加热板6)。

传感器100包括布置在第一加热板6a上的感测材料的第一贴片8a、布置在第二加热板6b上的感测材料的第二贴片8b、布置在第三加热板6c上的感测材料的第三贴片8c以及布置在第四加热板6d上的感测材料的第四贴片8d。感测材料尤其可以是金属氧化物材料。感测贴片8a、8b、8c和8d可以包括相同的感测材料或不同的感测材料。

感测材料是根据围绕它的气体成分改变至少一个电特性(特别是其电阻抗的实部或虚部)的材料。可以测量特性的改变，以获得关于所述成分的信息。

感测材料可以例如包含至少一种金属氧化物材料。这种金属氧化物材料一般可以包括氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钨、氧化铟和氧化镓中的一种或多种。这种金属氧化物可以用于检测分析物，诸如voc、一氧化碳、二氧化氮、甲烷、氨或硫化氢。金属氧化物传感器基于以下概念：气态分析物在处于高于100℃的范围内，具体而言以250℃和450℃之间的升高的温度与敏感层的金属氧化物层相互作用。由于催化反应，敏感薄膜的电导率可以改变，这种改变可以被测量。因此，这样的传感器也被称为高温化学电阻器(chemoresistor)，因为分析物的化学特性在高温下被转换成敏感薄膜的电阻值。

桥结构3a、3b、3c和3d中的每一个包括分别形成加热板6a、6b、6c和6d的中心区域5，以及在中心区域5与基板1之间延伸的两个臂7，从而在凹陷或开口2上方悬挂加热板6a、6b、6c和6d。臂7彼此共线地延伸并且与中心区域5共线地延伸，其中加热板布置在它们之间。

桥结构3a、3b、3c和3d中的每一个包括适于测量第一贴片8a、第二贴片8b、第三贴片8c和第四贴片8d的电特性的电极。此外，桥结构3a、3b、3c和3d中的每一个包括分别适于加热第一加热板6a、第二加热板6b、第三加热板6c和第四加热板6d的加热器。此外，桥结构3a、3b、3c和3d中的每一个包括温度传感器，以测量相应桥结构的温度。出于视觉清晰的原因，电极、加热器和温度传感器未在图1中示出，并且将在下面详细描述。

另外，基板1承载集成的cmos电路系统4a和4b，例如，包括用于驱动加热器和处理来自电极和温度传感器的信号的电路系统，如下面将进一步描述的。为此，cmos电路系统4a和4b经由互连电路系统9电连接到加热器、电极和温度传感器。有利地，处理电路系统4a、4b集成在cmos技术中，因为本文描述的整个设备与当前的cmos制造过程兼容。在基板1上具有cmos电路系统允许减少与基板的联结(bond)的数量并增加信噪比。根据实施例，电路系统4a、4b尤其可以是控制电路系统和/或处理电路系统，该电路系统适于在第一操作模式和第二操作模式下操作和控制传感器100，并且处理来自在第一操作模式和第二操作模式下进行的测量的信号，特别是来自一个或多个温度传感器的温度信号和/或温度参数。

图1中示出的类型的结构可以例如使用诸如ep2278308或us2014/0208830中描述的技术构建。

特别地，制造过程包括在基板1顶部上形成多个介电层和金属层的步骤。这些层中的一些可以在用于形成cmos电路系统4a、4b的过程中沉积为例如金属间介电层和金属层，而其它层(诸如拉伸氮化硅层)可以在后处理期间施加。然后，使用选择性的各向异性蚀刻技术形成凹陷或开口2。感测材料的贴片8a、8b、8c和8d可以例如使用分配技术施加，其中将一滴或若干滴感测材料的液体前体施加到加热板上，诸如例如在ep2952885中描述的。

传感器100可以包括用于测量传感器100周围的气体的相对湿度的湿度传感器101，以及确定传感器周围的气体的压力的压力传感器102。

传感器100可以以至少两种不同的操作模式(即，第一操作模式和第二操作模式)操作。

图2图示了传感器100在第一操作模式下的操作。在第一操作模式下，传感器100执行对贴片8a、8b、8c和8d中的一个或多个的电特性的测量。这可以特别是对相应贴片的电阻的测量。为了使相应贴片达到期望的操作温度，传感器100对加热板6a、6b、6c和/或6d执行连续或脉冲加热。根据图2的实施例，加热板6a、6b、6c和6d分别用加热功率hp1、hp2、hp3和hp4操作。加热功率hp1、hp2、hp3和hp4可以全部不同，并且相应地加热板6a、6b、6c和6d可以在不同的温度t1、t2、t3和t4下操作。然后，传感器100分别地执行贴片8a、8b、8c和8d的电阻率的4个不同的电测量emi、em2、em3和em4。因而，可以一次测量气体环境的四个不同参数，从而获得对其成分的更好理解。此外，如上面所提到的，加热板6a、6b、6c和6d中的每一个可以配备有不同的感测材料，所述感测材料可以提供不同的测量参数和周围气体的不同信息。根据实施例，可以使用所有种类的组合。作为示例，贴片8a和8b可以具有相同的感测材料，但是可以以不同的温度操作，而贴片8c和8d可以具有以相同温度操作的不同的感测材料。

图3和图4图示了第二操作模式的两个不同实施例，其也可以被认为是第二操作模式的子模式。一般而言，在第二操作模式下，传感器100以加热模式操作第一加热板6a，并且以感测模式操作其它加热板6b、6c和6d中的一个或多个。

图3图示了第二操作模式的静态子模式。在静态子模式下，第一加热板6a以恒定或静态加热功率hp5在加热模式下操作，并且从而恒定地加热第一加热板6a周围的气体。为了控制加热功率，传感器100执行第一加热板6a的温度测量tm1。其它加热板(即，第二加热板6b、第三加热板6c和第四加热板6d)同时在感测模式下操作，并且执行对响应于加热功率hp5的温度改变的测量。更特别地，加热板6b执行温度测量tm2，加热板6c执行温度测量tm3，并且加热板6d执行温度测量tm4。此外，传感器100可以同时执行第一加热板6a的第一感测贴片8a的电阻的电测量em5。

然后，传感器100可以确定气体的热导率，例如，根据第一加热板6a的温度t1分别与加热板6b、6c和6d的温度t2、t3和/或t4的比率。

如图1中所示，第二桥结构3b布置在距第一桥结构3a的距离d1处，第三桥结构3c布置在距第一桥结构3a的距离d2处，并且第四桥结构3d布置在距第一桥结构3a的距离d3处。

不同的距离d1、d2和d3可以被用于执行差分测量，以便消除气体与相应加热板/桥结构之间的热过渡。作为示例，可以采用温度t1与温差(t2-t3)的比率。根据这种实施例，第二桥结构3b、第三桥结构3c和第四桥结构3d通常也可以被称为第二桥结构或感测的桥结构。

图4图示了第二操作模式的动态子模式。在动态子模式下，第一加热板6a以非连续的加热功率hp6在加热模式下操作，并且执行温度测量tm5，从而得到温度信号t5。加热功率hp6特别可以具有脉冲或正弦形状。

根据优选实施例，正弦加热功率hp6的频率可以在500hz和5khz之间的范围内，并且根据甚至更优选的实施例，在1khz和2khz之间。根据本发明的实施例，通过加热板/桥结构的低热质量促进了这种快速热调制。

其它加热板(即，第二加热板6b、第三加热板6c和第四加热板6d)同时在感测模式下操作，并执行相应桥结构/加热板的温度的温度测量。更特别地，加热板6b执行温度测量tm6，从而得到温度信号t6，加热板6c执行温度测量tm7，从而得到温度信号t7，并且加热板6d执行温度测量tm8，从而提供温度信号t8。此外，传感器100可以同时执行第一感测贴片8a的电阻的电测量em6。传感器100然后可以例如确定第一加热板的温度信号t5分别与桥结构3b、3c和3d的温度信号t6、t7和t8之间的相移。此外或可替代地，传感器100可以确定第一加热板6a的温度信号t5的信号幅值分别与桥结构3b、3c和3d的温度信号t5、t6、t7和t8的信号幅值之间的差异。

动态模式可以提供关于周围气体的热导率和热容量的信息。

根据kurtkliche在文献“integriertessensorsystemzurphysikalischengasanalyse”，hsg-imit，institutfürmikro-undinformationstechnikderhahn-schickard-gesellschafte.v.，abschlussbericht-kurzfassung，07.12.2011，projectnr.313601，aif-nr16046n中公开的一种已知模型，气体的热导率α可以如下确定：

其中

f是加热源的正弦加热功率的频率；

d2和d1是温度传感器距加热源的距离；以及

是温度传感器的测得的温度信号之间的相移。

鉴于第一加热板6a(加热的加热板)与感测的加热板6b、6c和6d之间的距离不同，不同的容积将由第一加热板6a加热。测得的温度信号t6、t7和t8取决于加热的加热板6a与相应的感测的加热板之间的距离。此外，它们可以取决于周围气体的热导率、取决于周围气体的热容量、取决于气体压力并且取决于气体的相对湿度。

湿度传感器101可以用于测量气体的相对湿度并消除相对湿度对气体的热导率和热容量的影响。

可以使用的一种已知类型的基于半导体的湿度传感器包括基板，在该基板上由叉指型金属电极形成电容器。在电极上部署湿敏电介质的贴片。湿敏电介质取决于相对环境湿度而吸收和释放水，从而造成湿敏电介质的介电常数的改变，并因此改变电容器的电容。由电子电路系统测量电容的这种改变，该电子电路系统可以集成在同一个基板上。例如在us6,690,569中公开了这种类型的电容性的基于半导体的湿度传感器的示例。

压力传感器102可以用于测量气体的气体压力并消除气体压力对气体的热导率和热容量的影响。

压力传感器可以被实施为电容性的基于半导体的压力传感器。这种传感器可以包括覆盖腔体的可变形膜。第一电极部署在腔体中或者由腔体的壁部分形成。膜形成或承载第二电极。压力改变造成膜的变形。这种变形改变两个电极之间的电容。通过与传感器集成的电路系统检测这些改变。例如在us7,704,774b2中公开了这种类型的压力传感器的各种示例。

根据另一个实施例，传感器100也可以被实施为压力传感器。根据这种实施例，应当已知围绕传感器的气体。这可以通过在已知的气体环境中操作传感器100或者通过在第一操作模式下确定相应的气体来建立。如果围绕传感器100的气体是已知的，那么可以使用第二操作模式的热导率测量来确定气体压力，因为热导率取决于相应气体的压力。

根据一些实施例，传感器100可以组合来自第一操作模式和第二操作模式的测量结果，以确定周围气体的气体成分和/或气体浓度。优选地，传感器组合来自三种操作模式(即，第一操作模式、第二操作模式的静态子模式和第二操作模式的动态子模式)的测量结果。

这种组合信息可以用于改善气体分析，例如，在精度、可靠性和灵敏度方面。

应当注意的是，根据第二操作模式的其它实施例，可以改变以加热模式操作的相应加热板和以感测模式操作的加热板。作为示例，根据第二操作模式的其它实施例，加热板6b可以在加热模式下操作，而其它加热板6a、6c和6d可以在感测模式下操作。

在下文中，更详细地描述桥结构3a、3b、3c和3d的各种实施例，其有助于传感器100的高效和精确操作。特别地，根据本发明实施例的桥结构被设计为使得它们提供低热容量和低热质量，这促进加热板6a、6b、6c和6d的快速热调制。下面描述的实施例图示了各种有利方面，这些方面可以交叉组合或单独使用。特别地，即使特征仅针对以下实施例之一被提及，它也可以有利地在其它实施例中或分开使用。

在下文中，提供了桥结构3a、3b、3c和3d的实施例的更详细视图。桥结构3a、3b、3c和3d中的每一个可以如下所述实施。为了便于参考，可以将桥结构3a、3b、3c和3d统称为桥结构3。以对应的方式，可以将加热板6a、6b、6c和6d统称为加热板6，并将贴片8a、8b、8c和8d统称为贴片8。

在图5-图8中图示了桥结构3的第一实施例。这些图示出了中心区域5以及桥结构3的臂7的中心端。

如从图5和6中可以最好地看出的，中心区域5具有如上面所限定的圆形周界10。其直径/宽度d大于每个臂7的最小宽度d。例如，中心区域5的宽度d可以在20μm和50μm之间，而每个臂的最小宽度d可以在10μm和20μm之间。

桥结构3由多个介电层和金属层形成。下面将更详细地描述金属层。特别地，介电层可以包括氧化硅和/或氮化硅的层。

在一个实施例中，如图6中所示，桥结构3可以包括至少一个最底部介电层11、第一金属层12、第二介电层13、第二金属层14和顶部介电层15。(指示各层的大致水平的标号在图6的左侧示出。)

如下面更详细讨论的，最底部介电层11也可以被省略，或者仅存在于第一金属层12的一部分的上方，从而在加热板6的底部处暴露第一金属层12的至少一部分。

在所示实施例中，感测材料的贴片8基本上覆盖中心区域5的全部，即，加热板6的全部。

在一个有利的实施例中，贴片8仅被施加到加热板6的一侧，即，施加到其顶部侧，但不施加到其底部侧。可替代地，并且如下面所提到的，贴片8也可以在加热板6的底部侧的至少一部分上方延伸。

贴片8的厚度相对薄。有利地，它小于20μm，特别是小于10μm，并且通常为至少1μm。

第一金属层：

在所示实施例中，第一金属层12是桥结构3中的最底部金属层。它有利地是钨或铂或金层。由第一金属层12形成的结构在图5中以点线示出，并且在图8中以黑色区域示出。

第一金属层12形成加热器20和加热器导线21。

加热器20的目的是双重的。在第一操作模式下，其目的是将加热板6a、6b、6c和/或6d加热到适于测量一种或多种分析物的温度。典型温度如上所述。它还可以用于通过将感测材料加热到高于其正常操作温度的温度来热复位传感器，从而释放任何吸附或联结的污染物。

在第二操作模式下，第一加热板6a的加热器20的目的是加热围绕传感器的气体，而在感测模式下操作的其它加热板6b、6c和6d的加热器20被关闭。

加热器导线21的目的是将电流馈送到加热器20。它们延伸通过分开的臂7。

加热器导线21的宽度大于形成加热器20的导线的宽度，以便将热量生成集中到加热板6。例如，加热器导线21可以具有5μm-10μm的宽度，而加热器20的导线本身具有1μm-5μm的宽度。

加热器20由在加热器导线21的内端之间延伸的单个导线形成。

有利地，加热器20在绕加热板6的中心点25(在附图中用45°十字表示)旋转时具有双重对称性。它由沿着绕中心点25的圆延伸的第一区段26、沿着同一个圆延伸的第二区段27以及径向区段28组成，该径向区段28连接第一区段26的第一端26a和第二区段27的第一端27a。第一区段26的第二端26b连接到加热器导线21中的第一个，而第二区段27的第二端27b连接到加热器导线21中的第二个。

有利地，所述第一区段26和所述第二区段27中的每一个绕中心点25在至少120°的方位角上延伸。

第二金属层：

在所示实施例中，第二金属层14是桥结构3中的最顶部金属层。它有利地是铂或金层。由第二金属层14形成的结构在图5中以虚线示出，并且在图7中以黑色区域示出。

在所示的大多数实施例中，第二金属层14形成一对电极30、31，电极导线32、33，温度传感器34以及温度传感器导线35、36。

电极30、31的目的是电接触感测材料的贴片8以测量其电阻。它们通过最顶部介电层15中的适当放置的窗口36暴露于贴片8。

电极30、31与加热板6的中心点25同轴。在所示的实施例中，一个电极是圆形中心电极30。另一个电极形成外电极31，并且绕中心电极30沿着至少240°的角度(特别是沿着至少270°的方位角)延伸。有利地，外电极31沿着与中心点25同轴的圆延伸。

电极导线32、33将电极30、31连接到图1的处理电路系统4a、4b，并延伸通过臂7中的第一个。

温度传感器34的目的是测量相应加热板6a、6b、6c和6d上的温度。从加热板6a、6b、6c和6d的相应温度传感器34得出的温度或温度信号也用于取决于传感器100的操作模式的不同目的。

在第一操作模式下，温度传感器34特别用于控制加热板6a、6b、6c和6d的温度。此外，温度传感器34的信号可以用于考虑温度依赖性。

在第二操作模式下，温度传感器34特别用于测量应分析的气体的热特性。更特别地，在第二操作模式的静态子模式下，相应加热板的温度传感器34测量相应加热板/桥结构的对应温度。根据在加热模式下操作的第一加热板6a与在感测模式下操作的其它三个加热板6b、6c和6d之间的温度差，可以导出气体的热导率。在第二操作模式的动态子模式下，相应加热板的温度传感器34测量例如加热板6a、6b、6c和6d随时间的温度，作为温度信号。传感器100然后从这些温度信号中导出例如第一(加热的)加热板6a的与感测的加热板6b、6c和6d的温度信号之间的相移。然后可以使用这些相移来导出周围气体的热导率和热容量。

根据有利实施例，温度传感器34包括沿着公共外圆延伸的第一区段38和第二区段39，其中所述第一区段和所述第二区段中的每一个有利地在至少90°的方位角上延伸。它还包括沿着内圆延伸的第三区段40，该内圆与外圆同轴并相距一定距离。有利地，第三区段40在至少180°的方位角上延伸。内圆和外圆都有利地与加热板6的中心点25同轴。第一区段38的一端38a和第二区段39的一端39a借助于连接导线41、42连接到第三区段40的相对端40a、40b，该连接导线40、41有利地由直的或弯曲的区段形成，其比第一、第二和第三区段38-40中的任何一个都短得多，有利地短至少十倍。第一和第二区段38、39的第二端38b、39b连接到温度传感器导线35、36。

温度传感器导线35、36将温度传感器34连接到处理电路系统，例如图1的电路系统4a、4b。它们有利地通过延伸臂7中的第二个，即，不通过与电极导线32、33相同的臂。

在所示实施例中，两个分开的温度传感器导线35、36有利地连接到第一区段38的第二端38b，并且两个分开的温度传感器导线35、36连接到第二区段39的第二端39b，这允许执行四点测量，其中温度传感器导线的一对36承载电流而另一对35用于测量温度传感器34上的电压降，从而消除了载流导线上的任何电压降。

如图9中图示的另一个实施例教导了可以与任何前述实施例(实际上是与其中桥结构包括由两个或更多个臂保持的中心区域的任何实施例)组合的特征。

图9的示出的实施例与前述实施例的不同之处在于，在如上面所限定的意义上，中心区域的边缘52形成多个凹陷和/或凸起。

有利地，边缘52的凸起和凹陷由桥3的所有介电层(即，所有介电层一直延伸到边缘52)形成，以获得最大的机械强度。

凸起和凹陷有利地形成由凹槽54分开的一系列指状物53，特别是至少四个，有利地至少六个这样的指状物。

在一个有利的实施例中，凹槽的方位宽度在1μm到3μm之间，并且它们的径向长度在2μm到4μm之间，特别是3μm。

具有其凹陷和/或凸起的边缘52增加了加热板6的边缘或周界的总长度。如上面所提到的，这种设计允许更好地将感测材料的液体前体限制在中心区域并防止其流过边缘(固定)。

另一方面，如果加入足够量的液体前体，那么它将开始流入凹槽54，由毛细管力促进流动，从而锚定贴片8并抵消分层效应。

在图1的实施例中，每个加热板6和对应的中心区域5被布置在它们的桥结构3的中心中，即，连接到每个中心区域5的臂7具有相等的长度。

可替代地，连接到其中至少一个桥结构3的中心区域5的臂7可以具有不相等的长度，并且特别地，桥结构3的臂的长度可以相差至少10％，特别是至少30％。在那种情况下，中心区域5以及加热板6不被布置在它们的桥结构3的中心。

这样的设计在图10中示出。虽然第一加热板6a和第三加热板6c仍然分别布置在桥结构3a和3c的中心，但是第二加热板6b和第四加热板6d以不对称的方式布置。这样的设计对于增加设备的密度特别有用。此外，它增加了可变性，以适应/设计第二操作模式下加热板之间的距离以及加热的加热板和感测的加热板之间的热流。

特别地，并且如图11中更详细示出的，如果设备包括至少两个平行的相邻桥结构3a、3b，那么可以实现大密度，其中相邻的桥结构3a、3b的中心区域5a、5b在沿着桥结构3a、3b的方向上(即，在桥的纵向方向上)相对于彼此偏移。换句话说，如果相邻的桥结构3a、3b从开口或凹陷2的第一侧61向第二侧62延伸，那么它们的中心区域5a、5b的中点距第一侧61的距离xa、xb是不同的。

特别地，中心区域相对于彼此偏移距离x，距离x是中心区域的直径/宽度d的至少一半，即，至少d/2，特别是至少d。换句话说，中心区域5a、5b的中心点距第一侧61的距离xa、xb的差异x至少为d/2，特别是至少为d。

如图11中图示的，这种设计甚至允许布置中心区域5，使得在垂直于相邻的桥结构3a、3b的纵向方向的方向上，至少两个相邻的桥结构3a、3b的中心区域5a、5b的中心的距离y小于中心区域的宽度d。

应当注意的是，为了便于图示，图11的桥结构3a和3b相对于

图10的图示旋转了90°。

图13图示了第二操作模式的另一个实施例。在这个实施例中，传感器100以加热模式操作第三加热板6c，并且以感测模式操作其它加热板6a、6b和6d中的一个或多个。

这个实施例中的第二操作模式可以是静态子模式或动态子模式。因而，第三加热板6c可以以恒定或静态加热功率hp7操作。其它加热板(即，第二加热板6b、第一加热板6a和第四加热板6d)同时在感测模式下操作，并且通常也可以被称为第二加热板/感测的加热板。感测的加热板执行对响应于加热功率hp7的温度改变的测量。更特别地，加热板6a执行温度测量tm9，加热板6b执行温度测量tm10，并且加热板6d执行温度测量tm11。

然后，传感器100可以确定气体的热导率，例如，根据加热板6c的温度t12分别与加热板6a、6b和6d的温度t9、t10和/或t11的比率。

注释：

在上面的实施例中，温度传感器34与加热器20分开。如所提到的，温度传感器可以可替代地由加热器本身形成。根据这种实施例，第一金属层12可以是例如钨层或铂层。在那种情况下，有利地，辅助感测导线被嵌入在第一金属层12中，以便执行四点测量。这样的感测导线在图8中由点线55指示。

有利地，桥结构3不包含硅层，以降低热导率和热质量。特别地，桥结构3仅由介电层(诸如层11、13、15)、两个或三个金属层(诸如层12、14、59)以及感测材料的贴片8组成。

如上所示，贴片8可以施加到加热板6的仅一侧或两侧。在后一种情况下，贴片8有利地在加热板6的侧边缘上延伸或延伸通过加热板6中的开口，在这种情况下，一个电极可以安装到加热板6的底部侧。

在上述示例中，中心区域5具有圆形周界。但是，中心区域5也可以具有非圆形周界，诸如矩形或多边形周界。图12中示出了具有矩形周界的桥结构的示例。

如在上述实施例中可以看到的，桥结构3的纵轴有利地垂直延伸到它们连接到的凹陷或开口2的边缘，因为这减小了设备的占用面积(footprint)。

臂7有利地是矩形的，即，它们沿着其长度具有恒定的宽度。

在第一操作模式下，设备的不同桥结构的加热板可以维持在不同的温度处，例如，在200℃到500℃之间。相邻桥结构之间的温差可以很大。因此，实现用于维持cmos电路系统4a、4b中的加热板中的温度的控制电子器件以便实现对温度的精确控制是特别有利的。

图14是用于操作传感器(例如，如上面参考图1-图13所述的传感器)的方法1400的方法步骤的流程图。

在步骤1410处，开始该方法。

在步骤1420处，决定传感器应以第一操作模式，还是第二操作模式操作，还是以第一操作模式和第二操作模式两者操作。根据实施例，第一操作模式和第二操作模式可以并行或以交替方式操作。

如果传感器应在第一操作模式下操作，那么接通第一操作模式。然后，传感器在步骤1430处执行对第一贴片(例如，图1的第一贴片8a)的电特性的测量。

如果传感器应在第二操作模式下操作，那么接通第二操作模式。然后在步骤1440处，传感器以加热模式操作第一加热板6a和/或第三桥结构的加热板，并相应地加热周围的气体。此外，在步骤1450处，传感器以感测模式操作第二桥结构，以执行对取决于第一加热板6a和/或第三桥结构的加热板的加热的气体的热特性的测量。根据实施例，步骤1440和1450同时执行。热特性是气体的热容量、热导率和/或热扩散率。更特别地，传感器在步骤1450处测量由于第一加热板和/或第三桥结构的加热板的加热而引起的温度改变或一个或多个温度参数。然后，在步骤1460处，传感器根据温度改变和/或温度参数确定气体的热特性。

根据实施例，在步骤1440处执行的第一加热板6a和/或第三桥结构3c的加热板6c的加热可以是非连续加热，特别是脉冲或正弦加热。

此外，根据这种实施例，传感器可以在步骤1450处执行对第一电加热板和/或第三桥结构3c的电加热板6c的温度信号与第二桥结构3b的温度信号之间的相移的测量。根据本发明的实施例，相移建立温度参数。

根据另一个实施例，传感器可以在步骤1450处执行对第一桥结构、第二桥结构和/或第三桥结构的温度信号的幅值或脉冲高度的测量。温度信号可以特别是由相应桥结构的温度传感器测量的温度。根据本发明的实施例，幅值或脉冲高度建立温度信号的温度参数。

根据实施例，传感器的操作和方法步骤的执行可以由传感器的电子电路系统(例如，由参考图1描述的电路系统4a、4b)控制。

已经出于说明的目的呈现了对本发明的各种实施例的描述，但是并不旨在穷举或限制于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是清楚的。选择本文使用的术语，以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使本领域其他技术人员能够理解本文公开的实施例。