热阻式气体传感器的制作方法

本发明涉及一种热阻式气体传感器。

背景技术：

热阻式传感器或探测器是具有电阻的传感器，电阻值随着温度可重复地改变。这种电阻也被称为热敏电阻，其中，分为具有正温度系数(ptc，正温度系数导体)的热敏电阻与具有负温度系数(ntc，热敏导体)的热敏电阻。正温度系数导体尤其包括金属，其中，优选使用铂和镍，并且作为非金属材料包括多晶体陶瓷，例如用在钛酸钡的基体上，还有具有杂质导电区的掺杂半导体，例如硅。热敏导体尤其包括在杂质导电区的区域之外的纯半导体或掺杂半导体，以及由金属氧化物构成的多晶半导体。

在气体分析或医疗技术(例如麻醉设备或人工呼吸设备)中，热阻式气体传感器例如作为流体检测器或者导热性探测器使用。

在热学风力测定法中使用一种具有传感器元件的流体传感器，其被电加热并且其电阻与温度相关。在流体环流时，在流体中出现随流速改变的热传递。通过测量传感器元件的电参量，能够探测流体并且测量流体的速度或流量。尤其地，为了检测变化的流体，流体传感器能够与上游和/或下游布置的另外的流体传感器一起布置在流体中，使得在流体传感器之间发生(在流体周期性变化时相应变化的)热交换形式的串扰。该串扰能够以已知的方式借助测量电桥来测量，流体传感器在该电桥中被布置在不同的桥支路中。

导热性探测器用于根据物质的物质特有的导热性来证明特定的液体或气体形式的物质(流体)，并且尤其用在气体色谱分析法中。为此，在将待证明的物质色谱分离后，待证明的物质在通道中被依次引导经过布置在那里的并且被电加热的加热元件(例如由金和铂构成的加热丝)，其中，根据流经的材料的导热性，加热元件的热量或多或少地被传递至通道壁，并且加热元件因此或多或少地被冷却。由于加热元件的冷却，探测到其电阻发生改变。如果加热元件被调节至恒定温度，则探测改变的电加热功率。加热元件通常布置在测量桥中，其包括在由参考流体穿流的另外的通道中的另外的电阻和另外的加热元件。

加热元件与通道壁之间的温差越大，导热性探测器的探测敏感度则越强，其中，高温对例如是加热丝的加热元件的承受时间会有负面影响。敏感度还取决于加热丝的特定的电阻，因为在预设了加热丝的几何设计的情况下，便由此给出了其总电阻。该总电阻越大，探测敏感度也越强。最后，化学侵蚀气体能够腐蚀和分解加热丝。

由de1573098b1、de1698048a1、de1698050a1、de3204425a1或者wo00/59824a1公开了用于测量弱气流的装置、例如气体分析设备，其中，在待测量气体的流动方向上前后依次直接地布置有两个流体传感器。流体传感器分别由能电加热的金属网构成，在上述文献中详细描述的金属网各自曲折式地构造。金属网与两个补充电阻一起布置在惠斯登电桥中。如de1698048a1、de3204425a1或wo00/59824a1所示，在板复合体内的金属网能够安装在绝缘的间隔板的两侧上并且以盖板遮盖。这些板包括用于穿流气体的窗口，金属网延伸跨越窗口。

由wo2013/017406a1已知一种气体微传感器，其用于例如基于导热性对测量气体的气体浓度进行测量。以光刻技术和蚀刻技术在硅晶片上引入凹槽，其中，保留了剩余厚度的硅材料。凹槽随后被构造形成可由测量气体穿流的、由接片构成的格网。在硅晶片上沉淀的金属层被构造为，使得电导体曲折地延伸经过格网的横截面，其中，能够在导体的后端部和前端部分别发生接触。可选地，在格网处能够平行地引导多个导体。

在由wo2009/153099a1已知的、类似的微流体检测器中，金属网被同样曲折式的基于硅的格网代替，与使用金属网的情况下的几欧姆相比，格网的电阻在几千欧姆的范围中。这种高电阻值使得信号噪声比更好。此外，与金属相比更大的电阻系数导致更高的测量灵敏度，也就是与温度相关的电阻变化更大。硅格网由结晶硅产生，例如通过使用绝缘层硅晶片(soi)材料产生。

由de4224518a1已知另一种类似的微流体检测器，其具有两个曲折式的格网，在硅主体的前侧和与前侧平行的后侧上，格网布置在横穿硅主体的流动通道的范围中。格网能够由金属或多晶硅构成，并且格网能够无支承地布置在流动通道的范围中或者布置在支持结构上，支持结构由在硅主体的前侧和后侧上的介电层形成。

由wo2009/095494a1已知一种导热性探测器，其具有能电加热的加热丝，加热丝以能被流体环流的方式放置在通道的中央和纵向方向上，并且加热丝为此在其两端处保持在横穿通道的两个导电载体上。为了获得长的耐用时间和对于化学腐蚀性气体混合物的大的惰性，加热丝和载体由掺杂的硅构成。掺杂的硅能够在中间设置有由二氧化硅构成的绝缘层的情况下被施加在硅基底上，其中，通过在蚀刻过程中构造硅基底、二氧化硅层和由掺杂的硅构成的层，而形成了载体和加热丝并且在载体板中模制出了通道。由于硅的易碎性，在ep3096133a1中，为了提高机械稳定性而提出由掺杂的硅构成的极细的悬臂梁来代替在两侧夹紧的加热丝。

由us2015/0377813a1已知一种气体传感器(导热性探测器)，其具有四个由多晶硅构成的加热丝，这些加热丝在惠斯登电桥中彼此电连接。在惠斯登电桥中两个对角式相对放置的加热丝彼此平行地并排布置在一个测量室内，并且另外两个加热丝布置在参考室内。

由ep2431737a1已知一种导热性探测器，其同样具有四个在惠斯登电桥中电连接的加热元件。每个加热元件由以硅制成的梁构成，该梁承载金属层并且在分别形成缝隙的情况下沿着两个壁并且在两个壁之间延伸。为了避免梁由于其温度升高而膨胀并在此与一个壁或另一个壁接触，该梁在两个梁端部之间中央以预定的角度被折叠，即该梁或者伴随其的壁或间隙是v形的。

由ep1757910a1已知一种流体检测器，其具有两个加热电阻或者两对加热电阻，加热电阻构造在平面基底上。加热电阻在气流方向上彼此间隔开并且横向于气流方向延伸跨越基底中的开口。在参考现有技术的情况下，还公开了一种测量室，在该测量室中布置有流体检测器和包括凹槽形式的气体入口。

由于硅加热丝与由金属(通常是金或铂)构成的加热丝相比电阻较大，实现了导热性探测器的较高的探测灵敏度。但是，当以确定的加热功率将加热电阻加热到希望的温度时，这也引起加热电阻上的较高的电压降，使得必要时在有爆炸危险的区域中不能进行自安全运行。因此，在ep3096137a1中提出将硅加热丝分成两个或多个部段，在流体流中，这些部段在物理上串联地布置并且在电学上并联。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是给出一种热阻式气体传感器，其能够以相同的程度作为流体检测器或者导热性探测器使用，其特征在于具有高测量敏感度和机械稳定性并且易于生产且成本低廉。

因此，本发明的主题是一种热阻式气体传感器，其具有能由气体穿流的平坦的格网，该格网具有几个至很多个格网接片，格网接片在所有情况中都多于两个，这些格网接片由具有预设的传导能力类型的半导体材料构成，并且格网接片在格网平面中彼此平行地并排布置，其中，格网接片在格网平面中以s形延伸的方式来构造并且在电学上并联。

在根据本发明的气体传感器中，格网未构造成曲折式的，而是由在物理上平行的并在电学上并联的接片构成。格网接片利用其半导体材料而形成温度相关的电阻，该电阻与金属相比是高欧姆的，并且因此如上所述实现了传感器的高探测敏感度。但是因为接片或者由接片形成的电阻并联，因此格网的总电阻以及在预设的加热功率的情况下经过格网的电压降是小的，这实现了气体传感器在有爆炸危险的区域中的自安全运行。

尤其地，考虑将掺杂的半导体材料用作用于半导体层的、与金属相比高欧姆的材料，例如是硅，其特征也在于其对于化学腐蚀性气体混合物的惰性。取决于掺杂，能够实现正温度系数(ptc)或负温度系数(ntc)。通过使用单晶的半导体材料实现了良好的机械稳定性，对此还能使用弹性模量的和压电电阻系数的方向相关性。

虽然前文所述的已知气体传感器的曲折式格网也具有平行的格网部段，但这些格网部段是在电学上串联的。

由于格网接片的s形设计，在根据本发明的气体传感器中，格网接片不以机械方式过多压紧，使得格网接片在受热和膨胀时不会失控地偏转或甚至弯折。相反地，保持接片之间的间距，并且接片之间不会接触。

原则上，格网能够以不同方式、例如通过蚀刻、激光切割或3d(三维)打印生成。优选地，半导体层形式的半导体材料构造在板状的半导体基底上，如有可能在中间设置有绝缘层。半导体基底包括窗口形式的留空部，半导体层延伸跨越该留空部并且在那里以格网的形式构造，使得格网接片在其端部处与半导体基底上的半导体层连接并且通过半导体层在电学上并联。将接片相连的半导体层的电阻仅由于半导体层的面积膨胀而小于接片的电阻。在此，半导体基底上的半导体层的半导体材料，即在格网之外，在至少在格网的宽度上延伸的区域中优选被掺杂直至劣化为止，并且因此具有几乎与金属一样好的导电性。可选地或附加地，半导体层能够在那里承载金属化部。为了使格网端部或格网接片的端部在窗口形式的留空部周围不被半导体基底上的半导体层短路，半导体层包括隔离结构，半导体材料在隔离结构中优选被移除或者不被掺杂。

为了使格网的接片并联，半导体层还能在窗口形式的留空部之外、在格网的两个端部的区域中分别承载金属化部，该金属化部至少在格网的宽度上延伸。为了与气体传感器接触，金属化部能够与单独构造的接触面连接或者自身形成接触面。

根据本发明的气体传感器以有利的方式用在流体传感器中，其中，该气体传感器与至少一个另外的构造相同的气体传感器一起布置在待测量的气流中，使得格网位于彼此前后并且垂直于流动方向。

在本发明中有利的是，两个上述的金属化部沿一个方向上延伸超出格网的宽度一个预设量，以便在那里形成接触面，并且半导体基底(连同置于其上的半导体层和如有可能的隔离层)包括在另一方向上与接触面镜像对称地布置的贯通的开口。这实现了将两个气体传感器彼此错开180°的安装，其中，穿过在下方气体传感器之上的气体传感器的开口能够到达下方气体传感器的接触面，并且因此能够从一侧(上侧)接触两个气体传感器。

根据本发明的气体传感器还以有利的方式作为加热元件用在导热性探测器中，其中，气体传感器优选地保持在两个构件之间，这些构件各自包括朝向格网敞开的并且与半导体基底中的窗口形式的留空部对准的凹槽。两个凹槽形成一个测量室，加热元件或格网在该测量室中被测量气体环流，测量气体经由气体接口被引入测量室内并且从测量室引出。两个通常为管式的气体接口在到测量室的方向上扩展成格网的宽度，使得测量气体流过格网的整个面。两个构件中的每一个能够分别包括两个气体接口中的一个。为了简化导热性探测器的结构设计及其应用，两个气体接口优选地位于两个构件的一个中。

为了在最后提到的两个气体接口汇聚到两个凹槽之一中的情况下使测量气体不仅沿格网的接片游逸而且还完全地围绕接片环流，优选地提出：该凹槽的底部在格网的纵向方向上弯曲成凸起的，使得格网与该凹槽的底部之间的间距在格网的纵向中央区域中小于在格网的两个端部区域中。此外，能够将两个凹槽中的另一个凹槽的底部沿格网的纵向方向相应弯曲成凹陷的，使得在两个凹槽的底部之间的间距尽可能保持相同，并且测量室在测量气体的流动方向上不发生扩展或变窄。

虽然测量气流在进入测量室中时扇形地散开，但是在测量室的横截面上或在格网的宽度上还是出现了不同的流速。此外，在格网中央的格网接片比外侧的接片更强烈地升温。最后提到的问题能够被如下地弥补，即接片的横截面在格网的宽度上发生变化，使得外侧接片的电阻比内侧接片的电阻更小。附加地或可选地，为了使格网接片的区域中的温度和流速均匀而提出：具有两个气体接口的凹槽的底部在格网的横向方向上弯曲成凸起的，使得格网与该凹槽的底部之间的间距在格网的横向中央区域中小于在格网的边缘区域中；和/或将两个凹槽中的另一个凹槽的底部沿格网的纵向方向弯曲成凹陷的，使得格网与该另一个凹槽的底部之间的间距在格网的横向中央区域中大于在格网的边缘区域中。

根据本发明的热阻式气体传感器同样适合用在流体传感器中，例如用在非分散的红外(ndir)分析仪或按照永磁式交变压力法工作的气体分析仪中，以及用在用于气体色谱分析法的或用于分析二元气体混合物的导热性探测器中。气体传感器的电路、例如桥电路是已知的并且不是本发明的主题。

附图说明

下面参考附图进一步阐述本发明。图中示出：

图1以平面图示出具有由气体穿流的格网的、根据本发明的气体传感器的一个实施例；

图2示出穿过根据图1的气体传感器的纵向截面；

图3以俯视图示出根据本发明的气体传感器的第二实施例；

图4示出用于格网接片的实施例；

图5以立体分解图示出具有两个气体传感器的流体传感器的一个实施例；

图6和图7以相对于格网的纵向截面和横向截面示出具有气体传感器的导热性探测器的一个实施例；

图8和图9以总视图和细节视图示出根据图6和图7的导热性探测器的立体纵向截面；

图10示出穿过导热性探测器的测量室的立体横向截面；

图11示出导热性探测器的第二实施例的立体纵向截面；

图12以立体图示出导热性探测器的第三实施例。

附图中的图是示意性的并且不是按比例的，但是能够定性地示出大小比例。

相同或相似的组件在不同附图中具有相同的附图标记。

具体实施方式

本发明在其实施方面不受附图中示出的优选的实施方案限制。更确切地说，能够考虑多种变化方案，这些变化方案在示出的解决方案中以不同设计的实施方案使用本发明的基本构思。

图1以平面图示出根据本发明的气体传感器1的一个实施例，其具有由气体穿流的平坦的格网2。

图2以沿着线aa’的纵向剖面示出同一个气体传感器1。

气体传感器1具有例如由硅构成的板状的半导体基底3，在中间设置有例如由二氧化硅构成的绝缘层4的情况下，半导体层6形式的半导体材料5被施加在半导体基底上。半导体材料5具有例如通过掺杂来预设的传导能力类型，其中，半导体材料与金属相比是高欧姆导电的。半导体基底3和置于其上的绝缘层4包括窗口形式的留空部7，半导体层6延伸跨越该留空部并且在那里以格网2的形式构造。格网2由多个格网接片8构成，这些格网接片彼此平行地并排置于格网平面中并且以s形延伸的方式构造。窗口形式的留空部7和格网2能够通过蚀刻工艺产生。格网接片8形成高欧姆电阻，其电阻值由格网接片8的长度和横截面积确定。接片8在其两个端部处分别在半导体基底3上的半导体层6上方在窗口形式的留空部7之外在电学上并联连接。为了使得格网接片8在窗口形式的留空部7周围不被半导体层6短路，半导体层6包括隔离结构9，在该隔离结构中移除半导体材料5向下直到绝缘层4为止。为了改进格网接片8的电并联，半导体层6在窗口形式的留空部7之外、在格网2的两个端部区域中至少在格网2的宽度上被掺杂直至劣化，并且在那里分别承载金属化部10、11。金属化部10、11为了接触气体传感器1而能够与分开构造的接触面12、13连接或者自身形成接触面。

如已经阐述的那样，由半导体材料5构成的格网接片8形成与温度相关的电阻，该电阻与金属的情况相比是高欧姆的，并且因此实现了传感器1的高探测敏感度。因为格网接片8在电学上并联，格网2的总电阻并进而格网2上的在预设的加热功率下的电压降是小的，这实现了气体传感器1在有爆炸危险的区域中的自安全运行。

为了获得在格网2的宽度上均匀的温度分布，并且为了避免在格网2的中央的格网接片8比边缘处的格网2更强烈地升温，外侧格网接片8能够构造为具有比内侧格网接片8更大的横截面面积(宽度)。

格网接片8的横截面优选在1μmx1μm至100μmx100μm的范围内，并且能够例如为10μmx10μm。在窗口形式的留空部7的大小为1mmx1mm的情况下，格网2能够因此具有多至50个接片。

图3以平面图示出根据本发明的气体传感器1’的另一个实施例。在半导体基底3上的半导体层6在窗口形式的留空部7的两侧减小至两个矩形的孤岛区域，格网2的平行的s形接片8在孤岛区域之间延伸经过窗口形式的留空部7。在矩形孤岛之外，半导体材料5与半导体基底3或置于其上的绝缘层4隔离开(隔离结构9)。由半导体材料5构成的矩形孤岛几乎全面设置有金属化部10和11并且在格网2的宽度上延伸出去，以便在那里形成接触面12、13。

图4以单独的接片8示例性地示出用于将格网接片8与半导体基底上的半导体层6连接的一个实施例。为了使接片8在其受热时不断裂而提出：接片8在垂直延伸到半导体层6的第一部段14之后在第二部段15中切向地延伸，以便以例如约45°的角度过渡到半导体层6中。

图5以立体分解图示出流体传感器16，其中由两个彼此叠加布置的构造相同的气体传感器1、1’构成的板复合体安装在基板17上，基板具有与气体传感器1、1’的窗口形式的留空部7对准的通孔18。气体传感器1、1’的格网2、2’以一间距彼此平行地放置，该间距由半导体基底3的厚度给出。在彼此叠加放置的板1、1’、17之间能够设置面垫圈等等。

如根据图3的示例那样，两个金属化部10、11、10’、11’在气体传感器1、1’中分别沿一个方向延伸超出格网2、2’的宽度一个预设量，以便在那里形成接触面12、13、12’、13’。此外，半导体基底3、3’包括在另外的方向上与接触面12、13、12’、13’镜像对称地布置的、贯通的开口19、20、19’、20’。传感器1、1’彼此错开180°，使得穿过在下方气体传感器之上的气体传感器1的开口20、19，能够到达下方的气体传感器1’的接触面12’、13’，从而能够从一侧接触气体传感器16。传感器1、1’的接触面12、13、12’、13’经由在此未示出的接线与基板17上的连接板21连接。

图6和图7一次以纵向于格网2或格网接片8的截面并且一次以横向于格网2或格网接片8的截面示出导热性探测器22的一个实施例，该导热性探测器具有由气体传感器1形成的加热元件。

图8和图9一次作为总视图并且一次作为细节视图示出了同一个导热性探测器22的立体纵向截面。气体传感器1布置在两个构件之间，在此一个构件是方块形式的(例如由铝构成的)基体23以及一个构件是(例如由铝或聚醚醚酮(peek)构成的)顶盖24，气体传感器布置在顶盖24的留空部中并且以格网2靠置到基体23上。构件23、24借助于螺栓25并且在中间设置有面垫圈的或密封膜26的情况下(图9)彼此连接。基体23和顶盖24各自包括朝向格网2敞开的并且与气体传感器1的窗口形式的留空部7对准的凹槽27、28。两个凹槽27、28形成一个测量室，格网2在该测量室中被测量气体环绕流过，测量气体经由两个气体接口29、30被引导进入测量室内并且从该测量室被引导出去。基本上，两个构件23、24中的每一个能够各自包括两个气体接口29、30中的一个。为了简化导热性探测器22的结构设计及其应用，在示出的实施例中，两个气体接口29、30位于一个基体23中并且在格网2的两个端部区域中汇聚到凹槽27中。气体接口29、30例如通过蚀刻或激光加工以通道的形式被构造在基体23中，在通道中置入有细管31、32。气体传感器1的接触同样在基体23的侧面上由弹簧接触销33实现。

尤其如图7和图9所示，细管式的气体接口29、30首先沿朝向凹槽27的方向膨胀至格网2的宽度，以使测量气体层式地展开或散开并且使测量气体流过格网2的全部面。

为了使测量气体不仅沿格网2的接片8游逸而是完全围绕接片环流，凹槽27的底部34在格网2或格网接片8的纵向方向上弯曲成凸起的，使得格网2与该凹槽27的底部34之间的间距在格网2的纵向中央区域中小于在格网2的两个端部区域中。此外，顶盖24中的另一个凹槽28的底部35在格网2的纵向方向上相应地弯曲成凹陷的，使得在两个凹槽27、28的底部34、35之间的间距尽可能保持相同，并且测量室沿测量气体的流动方向不发生扩大或缩小。

图10示出穿过导热性探测器22的、由凹槽27、28形成的测量室的立体横向截面。

尤其如图7、图9和图10中所示，将由两个气体接口29、30通入的凹槽27的底部34在格网2的横向方向上弯曲成凸起的，使得格网2与该凹槽27的底部34之间的间距在中央接片8的区域中小于在外侧接片8的区域中。由此，实现格网2的温度分布的均匀化和测量气体在格网接片8的区域中的流速的均匀化。此外，将顶盖24中的另一个凹槽28的底部35在格网2的横向方向上弯曲成凹陷的，使得在两个凹槽27、28的底部34、35之间的间距尽可能保持相同，并且测量室在横向于测量气体的流动方向的方向上不发生扩展或变窄。

图11示出导热性探测器22的可选的实施方案，其中，进气和出气通过气体接口29、30在侧面进行。

图12示出导热性探测器22的另外的可选的实施方案，其中，气体接口29、30设置在基体23中，并且气体传感器1在顶盖24中实现接触。馈电和进气因此在结构上彼此隔开，这在导热性探测器22的可生产性和紧密性方面具有优点。