[發明專利]廢氣適用的、高溫傳感器的保護層

在審

• 申請號: 200980114234.6
• 申請日: 2009-04-16
• 公開（公告）號: CN102016558A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: F·施內爾;C·特魯特勒;R·施密特
• 申請（專利權）人: 羅伯特.博世有限公司
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李少丹;李家麟

現有技術

本發明從已知的用于測量在測量氣室中至少一個氣體特征的傳感器元件出發。所述至少一個特征在此應該是氣體的物理和/或化學特征，尤其是氣體的成分。比如該傳感器元件可以用于測量在氣體中、比如在內燃機廢氣中確定氣體成分的濃度和/或分壓力，以及定性和/或定量地檢定該氣體成分。然而對于氣體成分代替地或附加地，比如也可以檢定其他種類的分析物，比如以不同于氣態的物態的分析物比如液態分析物和/或分析物微粒。

根據現有技術，已知有許多這種傳感器元件。在此本發明的、但原則上并不局限于此的一個特殊重點是半導體傳感器元件。尤其用于定性和/或定量地檢定氣體中至少一種氣體成分的這種半導體傳感器元件通常所基于的原理是：如果比如確定的傳感器表面與確定的材料相接觸，那么該半導體元件就在確定情況下可測量地改變其電特征。要檢定的材料(其比如是要檢定的氣體成分)可以以不同的方式與該傳感器元件相互作用，比如通過與諸如半導體元件的傳感器元件的傳感器表面相吸附和/或化學吸附、化學反應或以其他的方式。這種相互作用也可以有針對性地進行，其方式是，比如傳感器表面如此來進行準備，使得其尤其與要檢定的分析物、尤其至少一種要檢定的氣體成分相互作用。

用于檢定氣體成分的這種傳感器元件比如是基于場效應晶體管的傳感器元件，其通常也被稱為化學場效應晶體管或ChemFET。化學場效應晶體管是能夠用作化學傳感器并比如類似于MOSFET來構造的場效應晶體管。該場效應晶體管的柵極電極在此通常全部或部分地被替換為傳感器表面，其中至該柵極電極上的裝載通過一種化學或物理化學過程而被施加。這種ChemFET能夠用于定性或定量地檢定在液體和氣體中的原子、分子或離子。如果在下文中談到“氣體”，那么在此除了氣態的介質之外，還可以在實際意義上理解為其他流體介質，也即尤其也理解為液體。

化學場效應晶體管比如可以設置有一個特殊的柵極涂層，其構成了實際的傳感器表面并能夠比如提高檢定的化學選擇性。在此氣體分子比如能夠吸附、化學吸附在該柵極涂層上，或者與該柵極涂層相反應，并從而能夠影響在該場效應晶體管的柵極區域中的載流子密度。由此再次改變了該晶體管的特征曲線，這可以被評估為存在相應氣體的信號。在DE?2610530中示出了這種化學場效應晶體管的例子，從而對于這種化學場效應晶體管的可能構造可以參見該文獻。利用分別具有特定柵極涂層的化學場效應晶體管陣列尤其能夠區分不同種類的氣體成分。

化學場效應晶體管原則上對于汽車領域中的應用也是高度受關注的。在此尤其考慮作為廢氣傳感器的應用，尤其針對氣體NO、NO₂、NH₃和碳氫化合物。但已知的化學場效應晶體管的難點在于，在汽車領域中原則上必須在耐溫性和機械可靠性方面對傳感器提出嚴格的要求。廢氣傳感器在此尤其承受高的溫度載荷，并且比如由于在廢氣中所包含的微粒而使機械應力也是顯著的。現有的具有傳感器表面的傳感器元件在很多情況下都不滿足這些要求。

本發明的公開

本發明所基于的知識是，在汽車領域中對傳感器元件所必須提的溫度要求原則上可以利用高溫半導體材料比如碳化硅(SiC)和/或氮化鎵(GaN)來實現。但關鍵點是實際的傳感器表面，尤其在化學場效應晶體管中是柵極電極。從而必須提出的一個概念，以便一方面在機械上可靠地保護實際的傳感器體尤其是半導體芯片、包括其電接觸部以防廢氣的負面影響如磨損和污染，而另一方面能夠無阻礙地實現至傳感器表面的氣體接觸，并從而保持測量能力。

根據本發明，該基本問題通過具有一種至少兩層構造的涂層而得到解決。在所述至少兩層的構造中，機械保護的功能和電絕緣功能相互分開。

相應地推薦了根據上文說明的一種傳感器元件，其尤其應該能夠用于檢定在測量氣室中氣體的至少一種氣體成分。該傳感器元件尤其應該能夠應用于汽車領域，尤其在內燃機廢氣中。

該傳感器元件具有傳感器體，該傳感器體具有從測量氣室可到達的至少一個傳感器表面。該傳感器表面應該被構造為，使得借助該傳感器表面能夠測量氣體的至少一個特征。尤其應該能夠借助該傳感器表面定量和/或定性地選擇性確定測量氣室中至少一個氣體成分的濃度。為此，該傳感器表面比如可以包含有無機半導體材料的半導體表面，該半導體表面在必要時可以附加地設置有檢定涂層，比如提高檢定確定氣體成分選擇性的檢定涂層。比如該傳感器表面可以包含有晶體管單元、尤其是場效應晶體管的柵極表面。優選地，該傳感器表面設置在該傳感器體的外表面上，比如在無機半導體層構造尤其是半導體芯片的外表面上。