具有桥结构的多参数传感器制造技术

本公开涉及一种用于检测和/或分析气体的传感器。该传感器包括基板(1)、布置在基板(1)中的凹陷或开口(2)、第一桥结构(3a)以及第二桥结构(3b)。第一桥结构(3a)和第二桥结构(3b)在所述凹陷或开口(2)上方延伸并且锚定在基板(1)中。第一桥结构(3a)形成第一加热板(6a)，并且包括布置在第一加热板(6a)上的感测材料，特别是金属氧化物材料，的第一贴片(8a)、适于测量第一贴片(8a)的电特性的电极(30，31)以及适于加热第一加热板的加热器(20)。第二桥结构(3b)包括温度传感器(34)。该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。该传感器提供第一操作模式和第二操作模式，所述第一操作模式被配置为执行对第一贴片(8a)的电特性的测量，所述第二操作模式被配置为以感测模式操作第二桥结构(3b)，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。

Multi-parameter sensor with bridge structure

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有桥结构的多参数传感器
本专利技术涉及一种传感器，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。
技术介绍
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。本专利技术的目的是提供具有增强的测量能力的传感器。
技术实现思路
根据本专利技术第一方面的实施例，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。根据又一个实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测和/或分析气体的传感器，所述传感器包括：基板(1)；凹陷或开口(2)，布置在基板(1)中；第一桥结构(3a)和第二桥结构(3b)，在所述凹陷或开口(2)上方延伸并锚定在基板(1)中；其中所述第一桥结构(3a)形成第一加热板(6a)，并且包括感测材料的，特别是金属氧化物材料的第一贴片(8a)，布置在第一加热板(6a)上；电极(30，31)，适于测量第一贴片的电特性；加热器(20)，适于加热第一加热板(6a)；所述第二桥结构(3b)包括至少温度传感器(34)；传感器包括用于驱动加热器和用于处理来自电极(30，31)和温度传感器(34)的信号的电路系统(4a，4b)；并且所述传感器提供：第一操作模式，被配置为执行对第一贴片(8a)的电特性的测量；以及第二操作模式，被配置为以感测模式操作第二桥结构(3b)，以执行对气体的热特性的测量，其中所述热特性是气体的热容量和/或热导率和/或热扩散率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.31 EP 16196586.81.一种用于检测和/或分析气体的传感器，所述传感器包括：基板(1)；凹陷或开口(2)，布置在基板(1)中；第一桥结构(3a)和第二桥结构(3b)，在所述凹陷或开口(2)上方延伸并锚定在基板(1)中；其中所述第一桥结构(3a)形成第一加热板(6a)，并且包括感测材料的，特别是金属氧化物材料的第一贴片(8a)，布置在第一加热板(6a)上；电极(30，31)，适于测量第一贴片的电特性；加热器(20)，适于加热第一加热板(6a)；所述第二桥结构(3b)包括至少温度传感器(34)；传感器包括用于驱动加热器和用于处理来自电极(30，31)和温度传感器(34)的信号的电路系统(4a，4b)；并且所述传感器提供：第一操作模式，被配置为执行对第一贴片(8a)的电特性的测量；以及第二操作模式，被配置为以感测模式操作第二桥结构(3b)，以执行对气体的热特性的测量，其中所述热特性是气体的热容量和/或热导率和/或热扩散率。2.如权利要求1所述的传感器，其中所述第二操作模式被配置为以加热模式操作第一加热板(6a)，以加热气体。3.如权利要求1或权利要求2所述的传感器，其中所述第二操作模式被配置为以加热模式操作第一加热板(6a)和/或第三桥结构(3c)的加热板，以加热气体；以及以感测模式操作第二桥结构(3b)，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，并且根据所述温度改变和/或所述温度参数来确定气体的热特性。4.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述第二桥结构(3b)形成第二加热板(6b)，并且包括感测材料的，特别是金属氧化物材料的第二贴片(8b)，布置在第二加热板(6b)上；电极(30，31)，适于测量第二贴片(8b)的电特性；加热器(20)，适于加热第二加热板(6b)；其中所述第一操作模式被配置为执行对第一贴片(8a)和第二贴片(8b)的电特性的测量。5.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述传感器包括第三桥结构，所述第三桥结构包括加热板和加热器，并且其中所述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(6c)，以加热气体。6.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述传感器能够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。7.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述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，以确定气体的气体成分和/或气体浓度。8.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述传感器能够操作以使用第二操作模式的测量结果来确定气体的压力。9.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述传感器被配置为在第一操作模式下执行第一加热板(6a)和/或第二加热板(6b)和/或第三桥结构(3c)的加热板(6c)的连续或脉冲加热。10.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述传感器被配置为在第二操作模式下执行第一加热板(6a)和/或第三桥结构(3c)的加热板(6c)的连续加热；以及对响应于第一加热板(6a)的加热和/或第三桥结构(3c)的加热板(6c)的加热的第二桥结构(6b)的温度改变的测量。11.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述传感器被配置为在第二操作模式下执行第一加热板(6a)和/或第三桥结构(3c)的加热板(6c)的非连续加热，特别是脉冲或正弦加热；以及对第二桥结构(3b)的一个或多个温度参数的测量。12.如权利要求11所述的传感器，其中所述传感器被配置为在第二操作模式下执行对第一加热板(6a)和/或第三桥结构(3c)的加热板(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。13.如权利要求11或权利要求12所述的传感器，其中所述传感器被配置为在第二操作模式下执行对第一桥结构、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。14.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述传感器包括用于测量气体的相对湿度的湿度传感器(101)和/或用于确定围绕传感器的气体的压力的压力传感器(102)。15.如前述权利要求中任一项所述的传...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·梅兹，M·霍尔农，F·赫内，
申请(专利权)人：盛思锐股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH