用于感测在测量空间中的流体介质的至少一个特性的传感器的制作方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术用于感测在测量空间中的流体介质的至少一个特性的传感器背景技术：1.从现有技术中已知大量传感器、传感器元件和用于感测在测量空间中的流体介质的至少一个特性的方法。在此，原则上能够涉及气态或液态的流体介质的任意特性，其中，能够感测一个或多个特性。在下文中，在不限制进一步的实施方式和应用的情况下，尤其是参考用于感测气体、尤其是测量气体中的h2份额的传感器来描述本发明。2.这里描述的类型的传感器应用在大量领域中，例如在汽车技术、工艺技术、化学和机械制造中，尤其是用于确定气体浓度。因此，例如确定(例如在空气氢气混合物中的)氢气浓度在氢燃料电池系统的应用中起着重要作用。在此，也应提及与安全重要相关的应用。空气氢气混合物例如在4％的氢气份额的情况下是能点燃的。用于感测氢气的传感器能够例如使用在氢燃料电池车辆中，以探测例如由于损坏或缺陷而逸出的氢气并且通过耦接到相应的系统来触发警告信号和/或保护措施。因此，每辆燃料电池车辆都需要多个氢气传感器，所述氢气传感器安置在排气管路中(exhaust)或在大气条件下工作(ambient)。3.对于此类氢气传感器能够追溯大量测量原理。这尤其包括以下测量原理：热传导、催化可燃传感器(katalytischer pellistor)、电化学电池、半传导性金属氧化物、化学电阻器、场效应晶体管。4.从de 10 2005 058 830a1和de 10 2005 058 832a1中分别已知一种用于感测包含多个成分的气态流体的一个成分的传感器。传感器包括壳体，所述壳体界定测量空间，并且在所述壳体中接收具有能加热的膜片的测量芯片。所加热的氢气传感器的原理基于所参与的气体成分的不同热导率。在热系统中的、由此产生的不对称性被转换为电压信号。5.尽管从现有技术中已知的、用于感测流体介质的至少一个特性的传感器具有优点，但是它们仍具有改进潜力。6.在当前的车辆中，不探测在排气管路中的压力。由此无法识别排气管路是否被堵塞(例如由于有意或无意带入其中的物体)。在排气管路中的压力上升会导致位于其前方的部件的损坏。7.在所描述的传感器中，膜片必须是非常薄的并且因此在大约1至2bar的超压下会发生断裂。技术实现要素：8.因此，在本发明的范畴内提出一种用于感测在测量空间中的流体介质的至少一个特性的传感器元件，所述传感器元件至少在很大程度上避免了已知的用于感测在测量空间中的流体介质的至少一个特性的传感器元件的缺点，并且所述传感器元件尤其构造为用于除了感测流体介质的特性(诸如h2的浓度)之外还感测流体介质的压力。9.根据本发明的用于感测在至少一个测量空间中的流体介质的至少一个特性的传感器包括具有至少一个能加热的膜片和电测量桥的传感器元件。所述膜片与所述电测量桥连接。所述传感器还构造为用于感测所述测量桥的电阻。所述传感器还构造为用于基于所述电测量桥的感测到的电阻来感测所述流体介质的压力。10.在本发明的范畴内，传感器元件原则上被理解为能够感测流体介质的所述至少一个特性的任意设备，并且所述设备例如能够根据感测到的特性来产生至少一个测量信号，例如像电压或电流的电测量信号。所述特性例如能够是物理特性和/或化学特性。特性的组合也能够是能感测到的。尤其地，传感器元件能够构型为用于感测气体的至少一个特性、尤其是在测量气体中的h2份额。其他特性和/或特性组合也能够是能感测到的。11.传感器元件能够尤其设置成使用在氢燃料电池车辆中。所述测量空间原则上能够是任意敞开或封闭的空间，在所述空间中接收有流体介质、尤其是测量气体，和/或，所述空间由流体介质、尤其是测量气体穿流。12.对电阻的感测能够例如借助所谓的自感测来实现。13.在本发明的范畴内，膜片能够理解为一种薄的结构，所述薄的结构如皮肤或薄膜那样与其厚度相比具有大的平面延伸尺度。14.感测尤其能够被理解为下述测量，在所述测量中，定量地求取流体介质的特性。例如，定量地求取在测量空间中的气体(如空气)的至少一个目标气体成分(如h2)的份额。所述至少一个目标气体成分的份额例如能够是目标气体成分的分压和/或百分比。目标气体成分的份额例如也能够是目标气体成分的多个份额。目标气体成分原则上能够是能够感测其在所述气体中的份额的任一种气体。优选，目标气体成分能够是氢气。所述气体原则上能够是任意气体，尤其是气体混合物。所述气体优选能够是空气，尤其是在机动车领域中。测量空间例如能够是传感器的气体室。原则上，测量空间能够被理解为下述空间，流体介质或者说气体位于所述空间中并且因此接触膜片。15.传感器能够具有壳体。所述壳体具有至少一个开口，传感器元件能够经由所述至少一个开口与流体介质接触。16.在本发明的范畴内，壳体原则上被理解围任意构件或构件组，所述构件组完全或部分地包围和/或向外封闭传感器元件并且能够赋予传感器元件机械稳定性。尤其地，壳体能够包围至少一个内部空间。例如，所述壳体能够至少部分地包围所述内部空间并且使其与其环境至少部分地隔开。壳体尤其能够完全或部分地由以下材料中的至少一种制成：半导体材料、塑料、金属。17.壳体能够是盖晶圆。在本发明的范畴内，盖晶圆应被理解为至少部分地界定内部空间的任意晶圆。盖晶圆能够具有选自以下材料组成的组中的至少一种材料：硅、氧化硅、氮化硅和碳化硅。18.传感器能够构造为用于改变施加到膜片上的电加热电压，其中，所述传感器构造为用于在将第一加热电压施加到所述膜片上的情况下感测流体介质的特性，其中，所述传感器构造为用于在将第二加热电压施加到所述膜片上的情况下感测所述流体介质的压力，其中，第二加热电压小于或大于第一加热电压。相应地，改变加热电压，以确定两个不同的测量参量。19.第一加热电压能够被选择为使得膜片的温度升高，其中，第二加热电压被选择成使得膜片的温度基本上保持恒定。对于热导率测量，给测量桥供应下述加热电压，该加热电压高到使得膜片升温。对于压力测量，给膜片供应非常小的电压，使得不会发生膜片的升温，但同时能够测量到电阻的增加。20.电测量桥能够具有电阻器，其中，电阻器布置在膜片上，使得所述电阻器的电阻值与流体介质的压力成比例。基于电测量桥的感测到的电阻来感测流体介质的压力是以下述认识为基础的：膜片在其上侧和下侧上存在压力差时发生变形并且尤其是弯曲。在此，在膜片上的电阻器变长，并且电阻值因此变大。相应地，作用到膜片上的压力与电阻器的变形成比例并且因而与电阻值成比例。21.传感器能够构造为用于基于流体介质的感测到的压力来形成用于流体介质的感测到的特性的校正值。以此能够提高传感器对要测量的气体浓度的测量精度。22.传感器还能够具有温度传感器元件，其中，所述温度传感器元件构造为用于感测传感器元件的温度。23.传感器能够构造为用于基于膜片的温度来感测流体介质的特性。以此能够可靠地感测流体介质的热导率。24.传感器能够构造为用于在感测到的压力超过或达到一预确定的阈值的情况下输出故障信号。由此，例如能够用信号向燃料电池车辆的控制系统通知在排气管路中的压力例如由于堵塞而过高。同时，传感器能够在自我诊断的意义上报告，测量膜片已经在因爆裂而失效之前经历了不允许的高压力。25.传感器还能够包括用于加热膜片的电加热元件。以此能够可靠地控制或者说调节膜片的温度。26.传感器能够构造为用于感测在测量气体中的h2份额。27.关于在所输送的测量气体中的待测量的h2浓度的信息是借助呈热导率传感器元件的形式的传感器元件生成的。气体的热导率在第一近似中与气体分子的质量的方根成反比，使得具有诸如h2分子或he原子的轻原子的气体比基本上由n2和o2分子组成的空气具有明显更高的热导率。测得的热导率越高，则轻分子的份额就越大。热导率的测量基于：膜片被待测量的气体冷却。待测量的气体的热导率越高，则膜片被越强地冷却。通过膜片的温度测量，能够推断出气体的热导率并且间接推断出其h2含量。附图说明28.本发明的其他可选的细节和特征由以下对优选实施例的描述得出，所述优选实施例在附图中示意性地示出。29.其示出了：30.图1用于感测在至少一个测量空间中的流体介质的至少一个特性的传感器的示意图，以及31.图2传感器的传感器元件的电路图的示意图，32.图3传感器元件的横截面视图，以及33.图4传感器元件的另一横截面视图。具体实施方式34.图1示出用于感测在至少一个测量空间14中流体介质12的至少一个特性的传感器10(尤其是用于感测在测量气体16中的h2份额)的示意图。传感器10尤其能够设置成使用在氢燃料电池车辆中。然而，其他应用也是可行的。传感器10尤其能够包括一个或多个在附图中未示出的、另外的功能元件，例如电极、电极引线和触头、多个层或其他元件。相应地，传感器10能够安置在氢燃料电池车辆的排气管路中(exhaust)或者在大气条件下工作(ambient)。因此，测量空间能够是氢燃料电池车辆的排气管路、阳极管路或内部空间。35.传感器10具有传感器元件18。传感器元件18具有至少一个能加热的膜片20。在膜片20上布置有第一电加热元件22。膜片20的上侧24暴露于第一参考空间26，该第一参考空间相对于测量空间14被封闭。第一参考空间26填充有已知成分的流体介质。膜片20的下侧30能暴露于流体介质12。36.传感器元件18还具有参考膜片32。在参考膜片32上布置有另外的电加热元件28。参考膜片32的上侧36暴露于第二参考空间34，该第二参考空间相对于测量空间14被封闭。第二参考空间34填充有已知成分的流体介质。参考膜片32的下侧42暴露于第三参考空间38(这能够是与在参考空间34中相同的介质)并且与流体介质12分离，例如借助介质分离部44。明确强调的是，第一加热元件22和第二加热元件28能够一体地构造。明确强调的是，参考膜片32是可选的。整个结构能够例如以硅芯片晶圆的形式实施。传感器10还能够具有壳体40，在该壳体中布置有传感器元件18。37.图2示出传感器10的传感器元件18的电路图的示意图。示出具有膜片20和参考膜片32的传感器元件18。能够将电加热电压uh施加到第一加热元件22上以加热膜片20(同样，施加到加热元件28上以加热参考膜片32)。加热电压uh是由电压源46提供的。膜片20和参考膜片32与电测量桥48连接。测量桥48例如是惠斯通电桥。为此，测量桥48例如由四个电阻器50形成，其中两个电阻器50布置在膜片20上而两个电阻器50布置在参考膜片32上。在膜片20的电阻器50和参考膜片32的电阻器50之间的两个点处，测量桥48的电桥电压ub能够被分接。38.图3示出传感器元件18的横截面视图。传感器10还具有温度传感器元件52。温度传感器元件52构造为用于感测传感器元件18的温度或者说其硅芯片的温度。为了这个目的，温度传感器元件52布置在膜片20的边缘上或者邻接到膜片20上地布置。传感器10构造为用于基于膜片20的温度来感测流体介质12的特性。39.图4示出传感器元件18的另一横截面视图。尤其地，图4示出带有变形的膜片20的传感器元件18。传感器10还构造为用于感测测量桥48的电阻。因此，传感器10还构造为用于基于电测量桥48的感测到的电阻来感测流体介质12的压力。如先前所阐释的，电测量桥48具有电阻器50。电阻器50布置在膜片20上，使得电阻器50的电阻值与流体介质12的压力成比例，如下面将更详细地阐释的那样。40.传感器10构造为用于改变施加到膜片20上的电加热电压uh。尤其地，传感器10构造为用于在将第一加热电压uh施加到膜片20上的情况下感测流体介质12的特性。传感器10构造为用于在将第二加热电压uh施加到膜片20上的情况下感测流体介质12的压力，其中，第二加热电压uh小于或大于第一加热电压uh。第一加热电压uh被选择成，使得膜片20的温度升高。第二加热电压uh被选择成，使得膜片20的温度基本上保持恒定或者说不升高。传感器10还构造为用于基于流体介质12的感测到的压力来形成用于流体介质12的感测到的特性的校正值。此外，传感器10构造为用于在感测到的压力超过或达到一预确定的阈值的情况下输出故障信号。41.下面将描述根据本发明的传感器10的运行方式或者说功能。将第一电加热电压uh施加到第一加热元件22上，以加热膜片20。在此，给测量桥48供应使得膜片20升温那么高的电压。附加地，由此，参考膜片32也能够通过第二加热元件28被加热。在此，由于接触膜片20和参考膜片32的气体的不同热导率，在膜片20的和参考膜片32的区域中出现不同的温度。传感器元件18的温度或者说其硅芯片的温度由温度传感器元件52感测。这个温度在第一近似中相应于环境温度，只要传感器元件18没有被附加地加热。如在图2中示出的，表示测量膜片20和参考膜片32的温度差的桥接信号被分接。热导率的测量基于：膜片20被待测量的流体介质12冷却。待测量的流体介质12的热导率越高，则膜片20被越强地冷却。因此，通过膜片20的温度测量能够推断出流体介质的热导率并且间接推断出其h2含量。42.为了感测流体介质12的压力，传感器10改变加热电压uh。将第二电加热电压uh施加到第一加热元件22上。在此，给测量桥48供应非常小的电压，使得不会发生膜片20的升温。如果在膜片20的下侧30上由于流体介质12而比在膜片20的上侧24上存在更高的压力，则膜片20完全弯曲，如在图4中示出的。在膜片20上的电阻器50变长，并且电阻值因此变大。在施加第二加热电压uh时，能够测量到电阻的增加。电阻器50的电阻值越大，则在膜片20的下侧30和上侧24之间的压力差就越大。对于h2测量，能够将压力份额考虑为校正因子，以提高传感器精度。43.通过分析基于热导率原理的传感器的信号，能够证明本发明。如果这样的传感器在施加压力时发出信号，则必须存在相应的压力识别(只要没有安装分开的压力传感器)。









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