气体传感器和用于探测气体的方法

摘要

本发明提出一种气体传感器。在此，根据本发明的气体传感器将两种单独的测量方法组合在一个共同的构造中。尤其可以通过根据本发明的气体传感器基于导电能力的变化的测量以及基于两个电极之间的电容或阻抗的变化而产生的输出功的变化的测量来实施气体的定性或定量的测量。

权利要求

1.气体传感器，具有：

能导电的背面电极(4)；

正面电极(2)，该正面电极具有相对彼此电分离的两个电极元件(2‑1、2‑2)；

介电层(3)，该介电层布置在所述背面电极(4)和所述正面电极(2)之间；和气体敏感层(1)，该气体敏感层布置在所述介电层(3)的一侧上，在该侧上布置有所述正面电极(2)；

分析处理装置(6)，该分析处理装置与所述背面电极(4)和所述正面电极(2)的所述两个电极元件(2‑1、2‑2)电耦合，并且该分析处理装置设计成用于获知所述正面电极(2)的所述两个电极元件(2‑1、2‑2)之间的导电能力，并且该分析处理装置还设计成用于获知所述背面电极(4)和所述正面电极(2)的所述两个电极元件(2‑1、2‑2)之间的阻抗和/或电容。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述气体敏感层(1)包含酞菁、金属氧化物和/或碳酸盐。

3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其中，所述介电层(3)包含铁电体。

4.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其中，所述气体敏感层(1)包括多孔结构和/或空穴。

5.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其中，所述背面电极(4)布置在载体衬底(5)上。

6.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其中，所述正面电极(2)包括叉指电极。

7.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述分析处理装置(6)设计成，当获知所述背面电极(4)和所述正面电极(2)的所述两个电极元件(2‑1、2‑2)之间的阻抗和/或电容时使所述正面电极(2)的所述电极元件(2‑1、2‑2)相互电连接。

8.根据权利要求1或2所述的气体传感器，该气体传感器具有存储器，该存储器设计成用于存储预先确定的气体和导电能力以及阻抗和/或电容之间的关联，其中，所述分析处理装置(6)设计成用于在使用气体和导电能力以及阻抗和/或电容之间的所存储的关联的情况下确定气体。

9.用于借助根据权利要求1至8之一所述的气体传感器来探测气体的方法，所述方法具有以下步骤：

获知(S1)所述正面电极(2)的所述两个电极元件(2‑1、2‑2)之间的导电能力；

获知(S2)所述背面电极(4)和所述正面电极(2)的所述两个电极元件(2‑1、2‑2)之间的阻抗和/或电容；并且

基于所述正面电极(2)的所述两个电极元件(2‑1、2‑2)之间的所获知的导电能力以及所述背面电极(4)和所述正面电极(2)的所述两个电极元件(2‑1、2‑2)之间的所获知的阻抗和/或电容与预先确定的值的比较来辨识(S3)气体。

说明书

气体传感器和用于探测气体的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种气体传感器以及一种用于探测气体的方法。

背景技术

[0002] 气体传感器使用在多种应用领域中。在这里尤其使用不同类型的微结构化的气体传感器。在此，例如可以使用以下微结构化的气体传感器，该气体传感器借助电阻式结构获
知在两个电极之间的气体敏感材料的传导性变化。此外，也已知探测输出功的变化的传感
器。

[0003] 文献DE 10 2013 205 540 A1公开了用于定性地和定量地探测气体的传感器元件。在此，气体的探测借助于金属‑绝缘体‑金属结构基于气体敏感材料的输出功变化的测
量。

[0004] 在此，作为气体敏感材料越来越多地使用复合物或有机化合物。在此，新式的传感器材料也可能针对多种不同的气体敏感地反应。在此，气体敏感材料的输出功和传导性均
会改变。在此，这种气体敏感材料的信号形成过程的详细理解在大多数情况下还不存在。

发明内容

[0005] 本发明公开了具有权利要求1的特征的气体传感器和具有权利要求10的特征的用于探测气体的方法。

[0006] 根据本发明设置有：

[0007] 一种气体传感器，具有能导电的背面电极、正面电极、介电层和气体敏感层。在此，正面电极包括彼此电分离的两个电极元件。介电层布置在背面电极和正面电极之间。气体
敏感层布置在介电层的一侧上，在该侧上也布置有正面电极。

[0008] 此外设置有：

[0009] 一种借助根据本发明的气体传感器以用于探测气体的方法。所述方法包括获知正面电极的两个电极元件之间的导电能力和获知背面电极和正面电极的两个电极元件之间
的阻抗和/或电容的步骤。此外，所述方法包括用于基于正面电极的两个电极元件之间的所
获知的导电能力以及背面电极和正面电极的两个电极元件之间的所获知的阻抗或所获知
的电容与预先确定的值的比较来辨识气体的步骤。

[0010] 本发明基于以下认知：气体传感器的探测原理仅基于导电能力的获知或者替代地仅基于气体敏感材料的输出功变化的确定，所述气体传感器在大量情况下不能够实现物质
的明确探测。

[0011] 因此，本发明基于以下想法，考虑上述认知并且设置能够提升气体探测的可靠性的可能性，其方式是，将多个探测原理组合在一个气体传感器中。

[0012] 为此，本发明提出一种气体传感器，该气体传感器既具有用于导电能力的气体敏感的探测的结构，也具有用于阻抗或电容的气体敏感的变化的探测的结构，以便能够基于
此确定输出功的变化。

[0013] 在此，通过将两个测量原理组合在单个气体传感器中，可以提升在探测各种物质、尤其是不同气体时的可靠性。在此，可以通过两个测量原理在单个气体传感器中的集成来
建立特别有效的传感器结构，该传感器结构相比于多个单个气体传感器而言需要较小的结
构空间。

[0014] 因此，可以通过导电能力和相应于输出功的阻抗或电容的信息的分析处理来提升气体传感器的选择性。此外，可以通过泄漏电流路径消除对湿气的横向灵敏度。

[0015] 有利的实施方式和扩展方案由从属权利要求以及说明书参照附图得出。

[0016] 在实施方式中，气体敏感层包括酞菁、金属氧化物和/或碳酸盐。气体敏感层例如尤其可以包含氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化锰(Mn2O3)、氧化钴(Co3O4)、
氧化镍(NiO)、氧化铜(CuO)、氧化锶(SrO)、氧化铟(In2O3)、氧化钨(WO3)、氧化钛(TiO2)、氧
化钒(V2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化锗(GeO2)、氧化铌(Nb2O3)、氧化钼(MoO3)、氧化钽(Ta2O5)、
氧化镧(La2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)或者上述材料的混合物以及由导电电极和例
如碳酸盐、如碳酸钡构成的复合材料。

[0017] 根据另一实施方式，介电层包括铁电体。在此，介电层尤其是可极化的薄层。在此，介电层例如这样极化，使得介电层在极化状态中具有以大于或等于1.1的范围内的系数小
于非极化状态的相对介电常数。在此，介电层的厚度优选小于或等于10μm。介电层尤其可以
小于或等于1μm、500nm或200nm。

[0018] 根据另一实施方式，气体敏感层包括多孔结构和/或空穴。通过这种具有多孔结构或空穴的气体敏感层，可能的是，要探测的气体可以特别好地产生对介电层的影响。

[0019] 根据另一实施方式，气体传感器的背面电极布置在载体衬底上。在此，载体衬底尤其也可以包括加热元件或另外的功能元件。

[0020] 根据另一实施方式，正面电极包括叉指电极。这种叉指电极基于其结构特别好地适用于探测导电能力。

[0021] 根据另一实施方式，气体传感器包括分析处理装置。分析处理装置与背面电极和正面电极的两个电极元件电子耦合。在此，分析处理装置设计成用于获知正面电极的两个
电极元件之间的导电能力。此外，分析处理装置设计成用于获知背面电极和正面电极的两
个电极元件之间的阻抗和/或电容。

[0022] 根据另一实施方式，分析处理装置设计成，当获知背面电极和正面电极的两个电极元件之间的阻抗和/或电容时使正面电极的电极元件相互电连接。以该方式，正面电极的
两个电极元件可以共同用作为一个电极，而在确定电容或阻抗时背面电极形成另一个电
极。

[0023] 根据另一实施方式，气体传感器包括存储器。该存储器设计成用于存储预先确定的气体和导电能力以及阻抗或电容之间的关联或者说相关性。在此，分析处理装置可以设
计成在使用气体和导电能力以及阻抗或电容之间的所存储的关联的情况下确定气体。以该
方式，可以由所获知的导电能力和电容或阻抗特别简单地推断出要探测的气体。

[0024] 只要有意义，上面的构型和扩展方案能够任意地相互组合。本发明的其他可能的构型、扩展方案和实施方式也包括本发明之前或下面关于实施例所描述的特征的未详细提
到的组合。在此，本领域技术人员尤其也将单个方面作为改善或补充添加到本发明的相应
的基本形式中。

附图说明

[0025] 下面参照在示意性附图中给出的实施例详细阐释本发明。

[0026] 在此示出：

[0027] 图1:根据实施方式的气体传感器的横截面的示意性示图；

[0028] 图2:根据实施方式的气体传感器的俯视图的示意性示图；和

[0029] 图3:根据本发明的实施方式的方法所基于的流程图的示意性示图。

具体实施方式

[0030] 在所有附图中，相同的或功能相同的元件和设备(只要没有另外说明)设有相同的附图标记。

[0031] 图1示出根据实施方式的气体传感器的横截面的示意性示图。气体传感器包括多层构造。在此，如图1所示，气体传感器可以布置在载体衬底5上。在此，在该载体衬底5上向
上以上升的顺序布置下列元件：首先在载体衬底5上布置有背面电极4。在背面电极4上布置
有介电层3并且在介电层3上布置有正面电极2。正面电极2通过气体敏感层1覆盖。此外，气
体敏感层1也可以伸入到正面电极2的中间空间中直至介电层3。在另外的实施方案中，气体
敏感层3也可以仅布置在正面电极2的单个或所有元件之间。此外可能的是，为了在正面电
极2的元件之间的填充而针对气体敏感层3使用不同的材料，所述材料的物理和/或化学特
性对不同的气体发生反应。

[0032] 为了气体的分析处理和探测，正面电极2和背面电极4可以与分析处理装置6电耦合。在此，背面电极4例如可以由金属或有机的、能导电的材料、如酞菁类材料构型。此外，背
面电极4例如可以包含铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、铑(Rh)、铼(Re)、钌(Ru)、铟(In)、钛(Ti)、氮
化钛(TiN)、一氮化钽(TaN)或这些成分中的一种或多种组成的合金。此外，背面电极4例如
也可以由半导体材料、如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)、氮化
镓(GaN)或其他半导体构成。

[0033] 在该背面电极4上方布置有介电层或者说电绝缘层。该介电层3可以由已知的、电绝缘材料构成。对于这种介电层3的材料的非限制性的例子例如是氧化物、如氧化铝(Al2O3)
和二氧化硅(SiO2)，或者是氮化物、如氮化硅(Si3N4)或类似物。在此，该介电层3的厚度例如
为最大10μm、尤其最大200nm。此外，介电层3也可以包含铁电体、如Bi3.15Sm0.85Ti3O12(BST)、
锆钛酸铅(PZT，Pb(ZrxTi1‑x)O3)、钽酸锶铋(SBT，SrBi2Ta2O9)或类似物。在这里，介电层3的厚
度可以位于约500nm或1μm的范围内。

[0034] 在该介电层3上方布置有正面电极2。在此，该正面电极2具有两个彼此电分离的电极元件2‑1和2‑2，如结合图2更详细阐释的那样。在此，正面电极2尤其可以呈叉指电极的形
式构造。这种叉指电极具有两个梳形的、彼此嵌合的导电结构。

[0035] 此外，具有它的两个电极元件2‑1和2‑2的正面电极2被气体敏感层1覆盖。该气体敏感层1例如可以是有机化合物、如酞菁、金属氧化物以及由导电电极和如碳酸盐、如碳酸
钡组成的复合材料。

[0036] 图2示出根据实施方式的气体传感器的俯视图的示意性示图。在此，正面电极的两个电极元件2‑1和2‑2尤其识别为隔开的导电结构。在此，正面电极2的两个电极元件2‑1和
2‑2相对彼此电分离。在此，在正面电极2的两个电极元件2‑1和2‑2之间的中间空间中以及
在正面电极2上方布置有气体敏感层1的材料。

[0037] 替代地，气体敏感层1也可以布置在介电层3上并且随后正面电极2的电极元件2‑1和2‑2可以沉积或布置在气体敏感层1上。

[0038] 因此，气体传感器的所描述的构造具有两个传感器元件的组合。一方面气体敏感层1的导电能力可以借助正面电极2的两个电极元件2‑1和2‑2确定。为此可以例如通过分析
处理装置6在两个电极元件2‑1和2‑2之间施加电压并且测量在此出现的电流。因此，由所测
量的电流和所施加的电压之间的关系可以计算出导电能力。如果气体敏感层1的材料是以
下材料，即该材料的导电能力与一种或多种预先确定的气态物质的浓度有关，那么可以由
导电能力的计算推断出相应的浓度或者至少推断出相应物质的存在。

[0039] 此外，前面所述的气体传感器形成由背面电极4、介电层3和正面电极2组成的另一传感器单元。在此，尤其可以通过正面电极2的两个电极元件2‑1和2‑2的电连接确定由背面
电极4、介电层3和正面电极2所形成的结构的电容或阻抗。为此例如可以通过背面电极4和
短路的电极元件2‑1和2‑2之间的分析处理装置6施加交流电压。然后可以通过出现的交流
电流的测量推断出相应的电容或阻抗。

[0040] 然而在此，对于将用于获知输出功变化的阻抗测量或电容测量和与气体相关的导电能力变化的测量组合在一起的本发明气体传感器而言，需要的是，要探测的气体不仅影
响气体敏感层1，而且要探测的气体还通过它与气体敏感层1的相互作用也产生对介电层3
的影响。为此，气体敏感层1例如可以具有多孔结构或空穴。这种空穴例如可以由此形成，使
得实现气体敏感层1的材料在电极元件2‑1或2‑2上的优选局部的沉积。这尤其可以通过以
下方式实现：尤其当气体敏感层1的材料是有机材料时，该材料优选在电极2‑1和2‑2上生
长。因此，在自由的衬底区域上方形成空腔，通过该空腔要探测的气体可以与位于正面电极
2下面的介电层3发生相互作用。该效应例如可以通过介电层3借助以下材料的附加涂层实
现，气体敏感层在该材料上特别差地粘附或生长。在气体敏感层1在衬底上的生长之后必要
时又可以除去该附加材料。

[0041] 由背面电极4、介电层3、正面电极2和气体敏感层1构成的该气体传感器例如可以布置在衬底5上。在此，该衬底5例如尤其可以包括(这里未示出的)加热装置。借助这种加热
装置可以将气体传感器加热到期望的、预先确定的温度。以该方式可以在探测气体期间建
立有针对性地控制的边界条件。尤其也可能通过加热气体传感器消除凝聚在气体传感器上
的湿气。

[0042] 因此，为了气体的定性或定量的探测可以首先相继地确定正面电极2的两个电极元件2‑1和2‑2之间的导电能力并且还获知正面电极2和背面电极4之间的电容或阻抗。在此
优选地，导电能力的确定和电容或阻抗的获知直接相继地进行。替代地，也能够同时测量导
电能力和电容或阻抗。在此，当正面电极2的电极元件2‑1和2‑2之间的电势差小于正面电极
2和气体敏感层1之间的电势差时，尤其可以考虑同时的测量。然后可以基于这两个测量、即
基于所获知的导电能力并且附加地基于所获知的电容或阻抗进行气体的定性和/或定量的
探测。对此，分析处理装置6例如可以将所获知的导电能力和所获知的电容或阻抗与之前存
储在存储器中的值相比较并且由此探测预先确定的气体的存在或确定预先确定的气态物
质的浓度。

[0043] 在进行之前描述的由导电能力测量和电容或阻抗测量的组合所形成的测量之后，可以紧接着进行下一个测量。替代地也可能的是，在这种测量之后首先进行预先确定的休
息时间。在此，在该休息时间中既不实施导电能力测量也不实施电容或阻抗的测量。此外，
必要时也可以在该休息时间期间解除或至少减少气体传感器的可能加热。以该方式能够实
现所需能量的节省。

[0044] 此外也可以考虑，连续地或者以预先确定的时间间隔周期性地借助气体传感器的一个传感器部分分别进行仅一个测量。例如可以仅实施导电能力的测量。替代地也可以仅
实施阻抗或电容的测量。在此，只有当在测量期间借助测量原理得出显著变化时，然后才会
附加地应用相应的另外的测量方法来进一步支持或验证所获知的值。

[0045] 图3示出借助根据本发明的气体传感器以用于探测气体的方法所基于的流程图的示意性示图。在此，在步骤S1中首先获知正面电极2的两个电极元件2‑1和2‑2之间的导电能
力。此外，在步骤S2中获知背面电极4和正面电极2的两个电极元件2‑1和2‑2之间的阻抗或
电容。然后在步骤S3中辨识气体。在此，该气体的辨识例如基于正面电极2的两个电极元件
2‑1和2‑2之间的导电能力的所获知的值以及背面电极4和正面电极2的两个电极元件2‑1、
2‑2之间的获知的阻抗或电容与预先确定的值的比较来实现。

[0046] 然后可以直接进行通过获知导电能力和阻抗或电容所形成的下一个测量，如之前已经阐释的那样。替代地，也可以在成功测量之后首先进行等待时间，在该等待时间中既不
测量导电能力也不测量阻抗或电容。

[0047] 总结而言，本发明涉及一种气体传感器。在此，根据本发明的气体传感器将两种单独的测量方法组合在一个共同的构造中。尤其可以通过根据本发明的气体传感器基于导电
能力的变化的测量以及基于两个电极之间的电容或阻抗的变化而产生的输出功的变化的
测量来实施气体的定性或定量的测量。