有空腔和带选择性透气元件的气体通道结构的气体传感器制造技术

本公开的实施例涉及一种有空腔和带选择性透气元件的气体通道结构的气体传感器。一种气体传感器(10)，包括：空腔(11)；布置在空腔(11)与外部空间之间的气体通道结构(12)，该气体通道结构包含选择性透气元件(12A)，其中空腔(11)除气体通道结构(12)以外是气密密封的；以及一个或多个传感器元件(13)，被配置为检测空腔中一种或多种气体的存在。空腔中一种或多种气体的存在。空腔中一种或多种气体的存在。

【技术实现步骤摘要】
有空腔和带选择性透气元件的气体通道结构的气体传感器


[0001]本公开涉及一种气体传感器及其用于检测气体，特别是氢气的应用。

技术介绍

[0002]燃料电池在电动汽车领域变得越来越重要。氢气主要用于它们的操作。除了燃料电池外，使用氢气(H2)运行的燃料电池系统具有一个或多个储氢装置。例如，当在机动车辆中使用时，这种储氢装置可以设计为圆柱体，氢在大约700巴的增加压力下被储存在其中。如果在机动车辆中设置多个这样的储氢装置，则可以相应地设计机动车辆的活动范围。
[0003]对于机动车辆中燃料电池系统的操作，安全方面特别重要。由于气态氢即使点火能量很低(氢氧反应)的情况下也在宽泛的点火范围内与空气中的氧气发生放热反应，因此非常重要的是，安全可靠地检测氢气在储氢装置以及燃料电池、供给线和排放线外部的存在情况。
[0004]由于这些原因和其他原因，本公开是必要的。

技术实现思路

[0005]本公开的第一方面涉及一种气体传感器，包括：空腔；气体通道结构，被布置在空腔与外部空间之间并且包含选择性透气元件，空腔除了气体通道结构以外是气密密封的；以及一个或多个传感器元件，被配置为检测空腔中一种或多种气体的存在。
[0006]本公开的第二方面涉及根据第一方面的气体传感器用于检测氢的应用，特别是针对其中储存或运输气态氢的容器或管线情况下的应用、特别是在燃料电池中在燃料电池的入口和/或出口处的应用，在使用燃料电池运行的机动车辆的乘客舱中的应用，或通常用于泄漏检测、特别是对从上述装置之一逸出的氢气进行泄漏检测的应用。
附图说明
[0007]下面参考附图更详细地解释根据本公开的气体传感器。附图中所示的元件不必相对于彼此按比例绘制。一致的参考符号可以表示一致的组件。相同的附图标记表示相同或相似的部分。
[0008]图1示出了气体传感器的实施例的侧向截面图，该气体传感器具有由支撑结构承载的作为选择性透气元件的膜。
[0009]图2包含图2A至2C并且示出了气体通道结构和包含在其中的支撑结构以及选择性透气元件的实施例。
[0010]图3示出了气体传感器的实施例的侧向截面图，该气体传感器具有由支撑结构承载的作为选择性透气元件的膜，并且具有布置在壳体中与膜连接的电学镀通孔。
[0011]图4以侧向截面图(A)和透视俯视图(B)示出了气体传感器的另一实施例，其安放在TO型壳体中。
[0012]图5示出了基于MEMS芯片构建的气体传感器的实施例的侧向截面图。
[0013]图6示出了对应于图1的用于气体传感器的实施例的侧向截面图，以说明差分测量原理。
[0014]图7示出了对应于气体传感器的图1的实施例的侧向截面图，以说明基于膜偏移的测量原理。
具体实施方式
[0015]在下面的详细描述中，参考了构成本说明书的一部分的附图，并且其中为了说明的目的示出了可以在其中实践本公开的特定实施例。诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“领先的”、“随后的”等方向性术语与要描述的图的方向相关地使用。因为实施例的组成部分可以以各种取向定位，因此方向指定用于说明的目的，并且决不是限制性的。应当理解，在不超出本公开的范围的情况下，也可以使用其他实施例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被视为限制，并且本公开的范围由所附权利要求限定。
[0016]应当注意，除非另外明确说明，否则这里描述的各种实施例的特征可以相互组合。
[0017]本说明书中使用的术语“粘合”、“固定”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”并不意味着元件或层必须彼此直接接触；可以在“粘合”、“固定”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间提供中间元件或中间层。然而，根据本公开，上述术语还可以可选地具有特定含义，即元件或层彼此直接接触，也就是说在“粘合”、“固定”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间并不提供中间元件或中间层。
[0018]此外，例如关于形成或布置在表面“之上”的部件、元件或材料层所使用的词语“在
……
之上”在本文中可以意味着该部件、元件或材料层“间接地”在隐含表面上布置(例如、放置、形成、沉积等)，其中一个或多个附加部件、元件或层被布置在隐含表面与部分、元件或材料层之间。然而，关于形成或布置在表面“之上”的部件、元件或材料层所使用的词语“在
……
之上”可以可选地具有特定含义，即部件、元件或材料层被“直接”布置(例如，放置、形成、沉积等)在隐含表面上，例如与隐含表面直接接触。
[0019]图1示出了根据本公开的气体传感器的实施例。
[0020]根据图1的气体传感器10包括：空腔11；气体通道结构12，被布置在空腔11与外部空间之间并包含选择性透气元件12A，其中除气体通道结构12以外，空腔11是气密密封的；以及布置在空腔11中的传感器元件13，其被配置为检测一种或多种气体的存在。
[0021]一种应用情况涉及诸如氢气(H2)之类的单一气体的压力测量，为此目的，选择性透气元件12A被配置用于使氢气选择性地通过。
[0022]气体传感器10可以具有壳体14，气体通道结构12固定在该壳体处并且与气体通道结构12一起包围空腔11。例如如图所示，壳体14可以具有底板14A和侧壁14B，侧壁安置在底板14A上并且特别地可以与底板14A集成地或一件式地实施。壳体14可以由诸如硅的半导体、由玻璃、陶瓷或金属制成。壳体14本身相对于外部空间是气密密封的。
[0023]气体通道结构12具有固定在支撑结构12B处的、膜形式的选择性透气元件12A。两者在边缘区域中通过密封元件15与壳体14的侧壁14B的上表面连接。例如如图所示，支撑结构12B可以被设计使得其具有开口12B.1的规则、近似矩阵形布置，通过这些开口可以发生从外部空间进入空腔11、并且能反向进行的选择性气体流动，如下式所示双向箭头是。这种布置方式实现了待测气体在空腔11与外层空间之间的平衡状态。
[0024]如下文将进一步示出的，选择性透气元件12A可以具有与如图1实施例中的膜结构完全不同的结构。特别地，选择性透气元件12A也可以具有不连续结构。
[0025]选择性透气元件12A可以包括一种材料，使得它对于氢气的通过是选择性的。选择性透气元件12A的材料可以例如是包括石墨烯、金属、多孔材料、薄金属层、Pd(层)、Ni(层)、Ti(层)、PTFE(层)和PMMA(层)的组中的一种或多种。
[0026]传感器元件13测量空腔11中待测量气体的存在。这可以以各种方式并借助各种测量变量来完成。传感器元件13例如可以直接测量空腔11中存在的压力并且因此具有压力传感器。然而，也可以确定其他测量变量并由此导出空腔11中的压力。因此，传感器元件13可以例如具有热导传感器、声速传感器、燃烧热传感器、催化传感器、气体选择性传感器、非气体选择性传感器、电感传感器、电容传感器、电阻传感器、光学传感器或磁传感器。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器(10)，包括：空腔(11)；气体通道结构(12)，被布置在所述空腔(11)与外部空间之间并包含选择性透气元件(12A)，其中所述空腔(11)除所述气体通道结构(12)以外是气密密封的；以及一个或多个传感器元件(13)，被配置为检测所述空腔(11)中一种或多种气体的存在。2.根据权利要求1所述的气体传感器(10)，其中所述选择性透气元件(12A)包含的材料是包括石墨烯、金属、金属薄膜、Pd、Ni、Ti、PTFE和PMMA的组中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的气体传感器(10)，其中所述选择性透气元件(12A)选择性地使氢气通过。4.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(10)，其中所述气体通道结构(12)具有支撑结构(12B)，所述选择性透气元件(12A)与所述支撑结构(12B)连接。5.根据权利要求4所述的气体传感器(10)，其中所述支撑结构(12B)具有多个被所述选择性透气元件(12A)覆盖或填充的开口(12B.1)。6.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(10)，其中所述选择性透气元件(12A)是连续的。7.根据权利要求6所述的气体传感器(10)，其中所述选择性透气元件(12A)包括膜(12A)。8.根据权利要求1至5中任一项所述的气体传感器，其中所述选择性透气元件是非连续的。9.根据权利要求8所述的气体传感器，其中所述选择性透气元件具有多个非连续区域。10.在引...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：