【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种传感器布置、特别是呈微机电系统形式的传感器布置，该传感器布置具有衬底，在该衬底中开设第一空腔和第二空腔。
技术介绍
1、随着基于氢气的系统、如例如氢气燃料电池的采用不断增多，对用于监控这样的系统的传感器的需求也增加。特别是必须设置以下传感器：所述传感器及时识别氢气泄漏，以便能够避免或提前警告在所述系统的环境中的爆炸气体生成。因此存在对用于氢气探测的可靠和快速的传感器的需求，这些传感器能够测量在空气或其他介质中的氢气浓度。
2、已知以下传感器：这些传感器能够基于不同的测量原理来测量氢气浓度。例如已知电化学单元、催化珠易燃气体探测器(pellistor)、金属氧化物气体传感器和热导性传感器。此外已知以下传感器：这些传感器能够在贮存氢气的情况下记录钯或钯合金的物理特性。
3、然而现今已知的传感器在灵敏性、针对其他气体的横向灵敏性、动态测量范围、反应时间、成本、特异性、介质鲁棒性或寿命方面具有缺点。
技术实现思路
1、可以将本专利技术所基于的任务视为提出一种传感器布置，该传感器布置使得能够实现氢气浓度的稳健的且快速的探测并且可成本高效地制造。
2、该任务借助根据本专利技术的技术方案来解决。本专利技术的有利构型是各个优选实施方式的主题。
3、根据本专利技术的第一方面提供一种传感器布置。该传感器布置例如可以呈微机电系统(mems)形式构型。
4、该传感器布置具有：衬底，在该衬底中开设第一空腔和第二空腔。此外设置有第一
5、此外，该传感器布置具有与环境相互作用的第一涂层，该第一涂层例如布置在第二膜片的背向第二空腔的侧上。
6、此外，设置有与第一膜片机械地和可选地电连接的至少一个第一可运动电极和不与第一膜片机械地和可选地电连接的至少一个第一不可运动电极，和与第二膜片机械地和可选地电连接的至少一个第二可运动电极和不与第二膜片机械地和可选地电连接的至少一个第二不可运动电极。
7、例如，第一电极和第二电极可以在初始的或者说无力的状态下分别相互具有相同的距离。该传感器布置可以呈电容mems压力传感器形式构型。
8、该传感器布置因此由至少两个独立的压力灵敏的膜片组成，所述膜片分别覆盖(überspannen)空穴或者说空腔并且将这些空穴或者说空腔相对于该传感器布置的环境气密地密封(abdichten)。至少两个空腔可以通过至少一个连接通道流体引导地相互连接，从而能够通过连接通道在所述至少两个空腔中存在相同的基准内压。
9、环境压力的变化引起第一膜片的和第二膜片的偏移(auslenkung)的或弯曲(durchbiegung)的变化。如果涂层例如处于第二膜片的背向于第二空腔的侧上，则因此可以通过该涂层进行对第二膜片的弯曲的附加的影响。通过第一膜片的与第二膜片的弯曲的比较，能够测量涂层对第二膜片的偏移/弯曲(verbiegung)的相对于存在的环境压力独立的贡献。
10、膜片弯曲的变化优选地引起通过电极形成的测量电容的变化。在每个膜片的区域中通过电极的布置构造电容器结构，其中，设置分别一个可运动电极和分别一个相对于该膜片静止的或者说不可运动的电极，以便在第一空腔的区域中构造第一测量电容和在第二空腔的区域中构造第二测量电容。
11、传感器布置对于氢气的灵敏性通过第二膜片具有在氢气方面灵敏的第一涂层来实现。在此，第一涂层可以具有钯或含钯的合金并且例如以金属薄层涂层的形式实施。第一膜片在此保持没有氢气活性的或者说氢气灵敏的涂层。在氢气贮存(einlagerung)到第一涂层中的情况下，第二膜片的偏移/弯曲通过第一涂层的体积增加或者说长度扩展进行变化，由此改变通过第二电极对所构造的第二测量电容。随着氢气分子的增加的接收，第一涂层因此导致对第二膜片的弯曲的提高的贡献。
12、特别是可以考虑在传感器布置的运行范围内在贮存的或者说吸收的氢气分子量与膜片的偏移或者说弯曲之间的比例。第二膜片的偏移或弯曲例如视第二电极对的实施和布置而定导致在第二不可运动电极与第二可运动电极之间的距离变大或距离缩小。
13、第一涂层可以实心地或多孔地构造并且由导电和/或不导电和/或半导电的材料或材料混合物和/或由合金和/或由纳米管组成并且借助已知的构造化方法由半导体技术、如示例性使用抗蚀剂掩膜和随后的蚀刻步骤来构造或者通过使用例如阴影掩模(schattenmaske)局部地施加。
14、通过根据本专利技术的传感器布置能够提供用于测量空气中的氢气浓度的快速、灵敏、稳健和成本有利的氢气传感器。传感器布置有利地是介质稳健的、例如相对于腐蚀性介质是介质稳健的，并且在结冰方面是稳健的。
15、具有至少两个膜片的传感器布置的至少两部分的结构允许差分测量。因此可实现特别高的灵敏性，其中，能够补偿进行干扰的环境因素，如压力、温度和湿度。
16、电容式测量原理此外使得能够实现降低用于传感器布置的运行的电流消耗。由此也能够将传感器布置用于便携式的应用中，在这些应用的情况下，使得能够实现更长的电池寿命。此外，可以在车辆中的具有更高采样率的使用中在待机模式中运行传感器布置。相比于具有压阻式测量原理的微机械压力传感器，电容式测量原理此外具有优点：测量信号具有更少的热依赖性，并且在膜片区域上不均匀的热分布显著更弱地影响测量信号。此外，电容式测量原理不需要单晶的硅衬底材料，这例如允许或者说简化具有多晶体的硅膜片的omm(表面微机械)压力传感器的制造。
17、因为空腔气密地与传感器布置的环境分离，所以能够除氢气浓度之外还测量和输出环境压力。为此，可以事先在传感器布置的两个测量电容中的至少一个测量电容的情况下在预限定的环境压力下执行测定(eichung)或校准，以便能够在随后的运行中根据求取的在至少一个第一电极和/或至少一个第二电极之间的电容推断环境压力。
18、根据一个实施例，第一可运动电极柔性地构型并且至少部分地固定或者说布置在第一膜片的指向第一空穴的侧上。有利地，第二可运动电极柔性地构型并且至少部分地固定或者说布置在第二膜片的指向第二空穴的侧上。通过该措施，能够根据第一膜片的和/或第二膜片的偏移/弯曲实现测量电容的线性变化。在该构型中，可运动电极可以如此构型，使得至少区域式地改变在空穴内的电极的位置，其中，电极的形状和位置变化等同于膜片的形状和位置变化。
19、如此构型的传感器布置在第二膜片上具有两侧的涂层，其中，在指向第二空腔的膜片侧上构型有能导电的涂层作为第二可运动电极。在第二膜片的反向于第二空腔指向的膜片侧上施加第一涂层，该第一涂层可以与氢原子和/或氢分子相互作用。替代或附加地，可以在第一膜片的面向第一空腔的膜片侧上设置有呈第一膜片的涂层形式的第一可运动电极。...
【技术保护点】
1.一种传感器布置(1)、特别是呈微机电系统形式的传感器布置，所述传感器布置具有：
2.根据权利要求1所述的传感器布置，其中，所述第一可运动电极(42)柔性地构型并且布置在所述第一膜片(21)的背侧(25)上，其中，所述第二可运动电极(42)柔性地构型并且布置在所述第二膜片(22)的背侧(26)上。
3.根据权利要求1所述的传感器布置，其中，所述第一可运动电极(41)刚性地构型并且通过第一连接条(45)与所述第一膜片(21)的背侧(25)间隔开地布置，其中，所述第二可运动电极(42)刚性地构型并且通过第二连接条(46)与所述第二膜片(22)的背侧(26)间隔开地布置。
4.根据权利要求3所述的传感器布置，其中，至少一个另外的第一不可运动电极(47)布置在所述第一空腔(11)中，和/或至少一个另外的第二不可运动电极(48)布置在所述第二空腔(12)中，
5.根据权利要求3或4所述的传感器布置，其中，所述第二连接条(46)延伸穿过在所述至少一个另外的第二不可运动电极(48)中的开口或者布置在所述至少一个另外的第二不可运动电极(48)旁边
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器布置，其中，所述至少一个第一可运动电极(41)、所述至少一个第一不可运动电极(43)、所述至少一个第二可运动电极(42)和所述至少一个第二不可运动电极(44)与控制单元(50)电连接并且设置为用于通过电容式测量来检测所述第一膜片(21)的和/或所述第二膜片(22)的偏移。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器布置，其中，所述第一涂层(31)构型为与至少一个气体、特别是氢气相互作用的涂层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器布置，其中，在所述衬底(10)中开设第三空腔(14)，其中，所述第三空腔(14)通过第三膜片(27)相对于所述环境(U)气密密封地封闭，其中，所述第三空腔(14)通过至少一个连接通道(13)与所述第一空腔(11)和/或与所述第二空腔(12)流体引导地连接，并且其中，在所述第三膜片(27)的前侧上布置有与所述环境(U)相互作用的第二涂层(32)。
9.根据权利要求8所述的传感器布置，其中，所述第二涂层(32)构型为湿度灵敏的涂层。
10.根据权利要求8或9所述的传感器布置，其中，在所述第三空腔(14)中布置有与所述第三膜片(27)机械耦合的至少一个第三可运动电极(40)和与所述第三膜片(27)解耦的至少一个第三不可运动电极(49)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的传感器布置，其中，所述第一可运动电极(41)、所述第二可运动电极(42)和/或所述第三可运动电极(40)导电地或电绝缘地与对应的所述第一膜片(21)、所述第二膜片(22)和/或所述第三膜片(27)连接。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的传感器布置，其中，所述第二涂层(32)为了电阻测量能够在至少两个位置处电接触，和/或在所述第三膜片的前侧上布置有至少一个能够在至少两个位置处电接触的、由所述第二涂层的材料组成的测量条(52、53)。
13.根据权利要求12所述的传感器布置，其中，所述测量条(52)直线地或蜿蜒形地伸展穿过所述第二涂层(32)的面，和/或所述测量条(53)布置在所述第二涂层(32)的面之外。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器布置，其中，所述第一涂层(31)为了电阻测量能够在至少两个位置(51)处电接触，和/或在所述第二膜片(22)的前侧(24)上布置有至少一个能够在至少两个位置处电接触的、由所述第一涂层(31)的材料组成的测量条(52、53)。
15.根据权利要求14所述的传感器布置，其中，所述测量条(52)直线地或蜿蜒形地伸展穿过所述第一涂层(31)的面，和/或所述测量条(53)布置在所述第一涂层(31)的面旁边。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的传感器布置，其中，所述传感器布置(1)具有至少一个温度测量装置(54)和/或至少一个加热结构(55)。
...【技术特征摘要】
1.一种传感器布置(1)、特别是呈微机电系统形式的传感器布置，所述传感器布置具有：
2.根据权利要求1所述的传感器布置，其中，所述第一可运动电极(42)柔性地构型并且布置在所述第一膜片(21)的背侧(25)上，其中，所述第二可运动电极(42)柔性地构型并且布置在所述第二膜片(22)的背侧(26)上。
3.根据权利要求1所述的传感器布置，其中，所述第一可运动电极(41)刚性地构型并且通过第一连接条(45)与所述第一膜片(21)的背侧(25)间隔开地布置，其中，所述第二可运动电极(42)刚性地构型并且通过第二连接条(46)与所述第二膜片(22)的背侧(26)间隔开地布置。
4.根据权利要求3所述的传感器布置，其中，至少一个另外的第一不可运动电极(47)布置在所述第一空腔(11)中，和/或至少一个另外的第二不可运动电极(48)布置在所述第二空腔(12)中，
5.根据权利要求3或4所述的传感器布置，其中，所述第二连接条(46)延伸穿过在所述至少一个另外的第二不可运动电极(48)中的开口或者布置在所述至少一个另外的第二不可运动电极(48)旁边，
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器布置，其中，所述至少一个第一可运动电极(41)、所述至少一个第一不可运动电极(43)、所述至少一个第二可运动电极(42)和所述至少一个第二不可运动电极(44)与控制单元(50)电连接并且设置为用于通过电容式测量来检测所述第一膜片(21)的和/或所述第二膜片(22)的偏移。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器布置，其中，所述第一涂层(31)构型为与至少一个气体、特别是氢气相互作用的涂层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器布置，其中，在所述衬底(10)中开设第三空腔(14)，其中，所述第三空腔(14)通过第三膜片(27)相对于所述环境(u)气密密封地封闭，其中，所述第三空腔(14)通过至少一个连接通道(13)与所述第一空腔(11)和/或与所述第二空腔(1...
【专利技术属性】
技术研发人员：C·谢林，G·许尔曼，H·韦伯，V·莫罗索夫，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：
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