【技术实现步骤摘要】
本申请涉及用于氢测量的半导体设备和用于借助于这种半导体设备测量介质中的氢浓度的方法。
技术介绍
1、氢测量对于不同的应用领域都是重要的。在安全方面，例如必须测量氢的浓度，以识别是否会造成氢氧爆炸。但在其他应用中，有利的是检测氢浓度或氢量，以确保需要氢的技术功能。
技术实现思路
1、本申请的目的是创建一种用于氢测量的半导体设备和一种用于氢测量的改进的方法。
2、提出一种用于借助传感器芯片测量氢的半导体设备，其中该传感器芯片具有传感器，传感器具有在与氢接触时改变其机械应力的传感器层。该传感器被设计用于：经由膜片来检测传感器层的机械应力的变化，并且为了检测而提出：通过周期性信号激励膜片。在与氢接触时改变其机械应力的传感器层也称为氢活性的传感器层。该膜片具有薄的结构，所述结构与其厚度相比具有大的面扩展。该膜片具有带有振荡能力的表面。传感器层的机械应力的变化可以改变膜片的特性，例如强度、刚度、弹性模量、弹性常数、电特性。通过借助周期性信号激励膜片可以良好地通过以下方式检测膜片的至少一个特性的这种变化：例如，通过改进测量的精度，和/或只有通过激励才进行测量。
3、此外，提出一种借助这种半导体设备来测量介质中的氢浓度的方法，其中在第一步骤中，使传感器层与介质接触，并且在第二步骤中，借助于传感器检测传感器层的应力变化。
4、半导体设备可以被理解为：具有传感器芯片，但是还具有传感器芯片施加在其上的结构。此外，可能存在的空腔壳体和/或浇注料以及电端子或者其他附件也属
5、这种传感器芯片具有带有传感器层的传感器，传感器层在与氢接触时改变其机械应力。即，使用如下效应：在一些材料中，氢可以改变层中的机械应力，例如通过扩散和/或吸附。传感器层由h2活性材料构成。h2活性材料由于h2扩散和/或h2吸附而产生机械应力。这种材料的示例是pd、pt、y或者具有pd、pt、y作为基础材料的合金。但铁氧体、特定的硅结构或氮化硅也表现出这种效应。另一组可用于传感器层的h2活性材料在与氢接触时具有所谓的膨胀效应。该组例如包括氧化铟(iii)或氧化锡(iv)。
6、传感器芯片的传感器经由膜片来检测传感器层的机械应力的变化，膜片通过周期性信号激励以进行检测。为此，传感器层例如被施加在膜片上。传感器层可以部分或完全覆盖膜片。同样可行的是：传感器层伸出超过膜片的边缘。传感器层的机械应力的变化改变其上施加有传感器层的膜片的至少一个特性。为了检测机械应力变化，除了传感器层之外，传感器还可以具有电路，该电路周期性地激励膜片，并且根据膜片的至少一个特性的变化而产生变化的电信号，例如电压或电流。
7、传感器芯片特别是可以被设计为mems芯片。mems芯片(mems＝微机电系统)是将逻辑元件和微机械结构结合在一个芯片中的器件。mems芯片可以处理机械和电气信息，并且可以具有微米范围内的非常小的结构。特别地，传感器芯片可以具有带膜片的mems结构，mems结构借助交流电压形式的周期性信号激励以进行电容式压力测量，或者mems结构借助振荡形式的周期性信号激励以检测膜片的偏转。因此，可以使用基于mems麦克风或mems压力传感器的传感器芯片来测量氢。
8、传感器可以例如被设计用于：通过周期性信号将膜片置于振荡，以检测机械应力的变化。振荡对应于膜片的周期性空间偏转。然后，通过传感器可以检测膜片的振荡特性，振荡特性随着施加在膜片上的传感器层的机械应力的变化而变化。为此，传感器尤其可以检测谐振频率的变化和/或膜片的品质因数的变化，这两者都可以取决于传感器层的机械应力的变化。品质因数、也称为q因子是振荡阻尼程度的量度。如果关于不同的振荡频率绘制最大幅度，则高质量的膜片在特定频率处具有限定的峰值，类似于无阻尼的振荡。在品质因数较低的情况下，峰值较宽且总体上不那么高。经由品质因数的变化(如经由谐振频率的变化)，可以求出施加在膜片上的传感器层的机械应力的变化。
9、在本专利技术的一个实施方式中，膜片是电容的一部分。该传感器被设计用于检测电容的变化。在此，电容的变化取决于施加到膜片上的传感器层的机械应力的变化。特别地，传感器可以被设计用于：通过将交流电压施加到电容处来激励膜片，以检测电容变化。该方法经由电容性交流电流测量来检测电容。
10、在此提出：膜片被设计为电容的电极，并且传感器具有膜片的至少一个反电极。反电极(英文backplate)可以相对于膜片是刚性的并且是固定的。反电极可以是穿孔的，即其可以具有穿口。经由反电极可以通过以下方式更好地检测由于氢影响而产生的膜片特性的变化：例如在膜片和反电极之间执行电容测量。
11、膜片还可以被布置在两个反电极之间，其中膜片本身不代表电容的电极。可选地，除了两个反电极之外，膜片也可以被设计为电容的电极。
12、在另一实施例中，至少一个反电极被布置在膜片和另一膜片之间。在此，膜片和/或另一膜片可以可选地被设计为电容的电极。传感器层被施加在膜片上，并且可选地，另一传感器层被施加在另一膜片上，所述另一传感器层在与氢接触时改变其机械应力。
13、此外提出：通过与另一传感器比较来检测机械应力的变化，其中另一传感器与该传感器在关于传感器层的结构上不同。特别地，传感器和另一传感器可以分别具有膜片。另一传感器与传感器的不同之处例如可以为：其膜片没有传感器层，或者具有与氢接触不发生反应的层。通过两个传感器处的比较测量，于是可以精确求出传感器膜片的机械应力的变化。
14、此外，提出一种半导体设备的结构，该结构为传感器提供免受其他机械应力的保护。在此可以提出：为传感器、特别是传感器层提供保护以免受其他的机械应力。半导体设备的结构被设计为，使得其为传感器提供保护以免受其他的机械应力。其他的机械应力对于测量是不期望的，即不是由传感器层处或传感器层中的氢引起的。其他的机械应力可以例如经由半导体设备的结构或固定而引起，进而影响根据本测量原理的氢的测量，这是不期望的。
15、在此提出：半导体设备具有塑性和/或弹性可变形的机构，可变形的机构为传感器提供免受其他机械应力的保护。可变形的机构应当使不期望的机械应力远离传感器或者至少显著地将其衰减，使得其他机械应力对于氢或氢浓度的测量不具有显著影响。塑性或弹性可变形的机构例如可以被设计为芯片上的应力去耦结构和/或半导体设备的低应力结构。
16、此外提出：传感器芯片还具有其上附接有传感器的衬底，其中可变形的机构在衬底中具有一个或多个沟槽，所述沟槽至少部分地包围传感器。通过所述沟槽，可以将不期望的机械应力引导绕过传感器，机械短路或至少被衰减。例如，沟槽的变形吸收弹性应力，然后向外输出。然而，也可以发生塑性变形，塑性变形然后将吸收的机械应力转化为变形能。这种沟槽可以通过合适的结构化技术以半导体技本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于借助传感器芯片(10)测量氢的半导体设备(20)，所述传感器芯片具有带有传感器层(14)的传感器，所述传感器层在与氢接触时改变其机械应力，其中所述传感器被设计用于经由膜片(15)检测所述传感器层(14)的所述机械应力的变化，其中为了所述检测而设置通过周期性信号激励所述膜片(15)。
2.根据权利要求1所述的半导体设备，其中所述传感器芯片(10)被设计为MEMS芯片，和/或所述传感器层(14)被施加在所述膜片(15)上。
3.根据权利要求1或2所述的半导体设备，其中所述传感器被设计用于：为了检测所述机械应力的变化，通过所述周期性信号将所述膜片(15)置于振荡中。
4.根据权利要求3所述的半导体设备，其中所述传感器被设计用于：检测所述膜片(15)的振荡特性、特别是谐振频率和/或品质因数，其中所述振荡特性取决于所述传感器层(14)的所述机械应力的变化。
5.根据权利要求3所述的半导体设备，其中所述膜片(15)是电容的一部分，并且所述传感器被设计用于：检测所述电容的变化，其中所述电容的变化取决于所述传感器层(14)的所述机械应力
6.根据权利要求5所述的半导体设备，其中所述传感器被设计用于：通过将交流电压施加到所述电容来激励所述膜片(15)。
7.根据权利要求5或6所述的半导体设备，其中所述膜片(15)被设计为所述电容的电极，并且所述传感器具有至所述膜片(15)的至少一个反电极(B，B1，B2，SB)。
8.根据权利要求5、6或7所述的半导体设备，其中所述膜片被布置在两个反电极(B1，B2)之间。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的半导体设备，其中所述至少一个反电极(SB)被布置在所述膜片(15)和另一膜片(16)之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的半导体设备，其中通过与另一传感器比较来检测所述机械应力的变化，其中所述另一传感器与所述传感器在关于所述传感器层的结构上不同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体设备，其中所述半导体设备(20)的结构为所述传感器提供免受其他机械应力的保护。
12.根据权利要求11所述的半导体设备，其中所述半导体设备(20)具有塑性和/或弹性可变形的机构(TR，24，28，30)，所述可变形的机构为所述传感器提供免受其他机械应力的保护。
13.根据权利要求12所述的半导体设备(20)，其中所述传感器芯片(10)具有衬底(12)，在所述衬底上附接所述传感器，其中所述可变形的机构在所述衬底(12)中具有沟槽(TR)，所述沟槽至少部分地包围所述传感器。
14.根据权利要求12或13所述的半导体设备(20)，所述半导体设备具有空腔壳体(HG)，所述空腔壳体具有开口(O)，空腔(HR)经由所述开口(O)与环境相连，其中所述可变形的机构包括所述传感器芯片(10)的布线(24)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的半导体设备(20)，所述半导体设备具有空腔壳体(HG)，所述空腔壳体具有开口(O)，空腔(HR)经由所述开口与环境相连，其中所述可变形的机构包括所述传感器芯片(10)与所述空腔壳体(HG)的壁的粘合连接(28)、特别是所述传感器芯片(10)的所述衬底(12)与所述空腔壳体(HG)的壁的粘合连接(28)。
16.根据权利要求11、12或13所述的半导体设备(20)，其中所述半导体设备(20)的结构具有所述传感器芯片(10)的带有暴露的传感器层(14)的浇注区域，其中浇注料(30)的热膨胀系数被选择为，使得所述浇注料为所述传感器提供免受热引起的其他机械应力的保护。
17.一种用于借助于根据权利要求1至16中任一项所述的半导体设备(20)测量介质中的氢浓度的方法，所述方法具有以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种用于借助传感器芯片(10)测量氢的半导体设备(20)，所述传感器芯片具有带有传感器层(14)的传感器，所述传感器层在与氢接触时改变其机械应力，其中所述传感器被设计用于经由膜片(15)检测所述传感器层(14)的所述机械应力的变化，其中为了所述检测而设置通过周期性信号激励所述膜片(15)。
2.根据权利要求1所述的半导体设备，其中所述传感器芯片(10)被设计为mems芯片，和/或所述传感器层(14)被施加在所述膜片(15)上。
3.根据权利要求1或2所述的半导体设备，其中所述传感器被设计用于：为了检测所述机械应力的变化，通过所述周期性信号将所述膜片(15)置于振荡中。
4.根据权利要求3所述的半导体设备，其中所述传感器被设计用于：检测所述膜片(15)的振荡特性、特别是谐振频率和/或品质因数，其中所述振荡特性取决于所述传感器层(14)的所述机械应力的变化。
5.根据权利要求3所述的半导体设备，其中所述膜片(15)是电容的一部分，并且所述传感器被设计用于：检测所述电容的变化，其中所述电容的变化取决于所述传感器层(14)的所述机械应力的变化。
6.根据权利要求5所述的半导体设备，其中所述传感器被设计用于：通过将交流电压施加到所述电容来激励所述膜片(15)。
7.根据权利要求5或6所述的半导体设备，其中所述膜片(15)被设计为所述电容的电极，并且所述传感器具有至所述膜片(15)的至少一个反电极(b，b1，b2，sb)。
8.根据权利要求5、6或7所述的半导体设备，其中所述膜片被布置在两个反电极(b1，b2)之间。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的半导体设备，其中所述至少一个反电极(sb)被布置在所述膜片(15)和另一膜片(16)之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的半导体设备，其中通过与另一传感器比较来检...
【专利技术属性】
技术研发人员：H·托伊斯，R·沙勒，
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：
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