用于分析氣體的方法

用于分析氣體的方法
【專利摘要】本發明涉及用于分析氣體的方法，其中所述方法具有提供步驟、測量步驟和確定步驟。在提供步驟中氣體傳感器被提供。所述氣體傳感器具有半導體襯底和第一薄層離子導體，所述半導體襯底具有電路。第一薄層離子導體將用于參考氣體的參考空間與用于氣體的測量空間分開。第一薄層離子導體具有參考電極和測量電極。參考電極朝向參考空間。測量電極朝向測量空間。參考電極和測量電極與所述電路連接。在測量步驟中測量空間中的氣體的化學種類的濃度被測量。在此在參考電極和測量電極之間的電壓被量取，以便測量所述濃度。在確定步驟中氣體中的化學種類的分壓力被確定。在此，所述電壓在電路中在使用所存放的處理規則的情況下被處理，以便確定分壓力。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于分析氣體的方法以及一種相應的計算機程序產品。 用于分析氣體的方法

【背景技術】
[0002] 為了能夠適配用于燃燒過程的燃料量和可供使用的氧氣量之間的比例，需要關于 燃燒過程的廢氣中的氧氣濃度的信息（Aussage )。
[0003] DE 199 41 051 A1描述用于確定混合氣體中的氧氣濃度的傳感器元件和用于制 造該傳感器元件的方法。


【發明內容】

[0004] 在該背景下，利用本發明介紹根據獨立權利要求的用于分析氣體的方法以及相應 的計算機程序產品。有利的擴展方案從相應的從屬權利要求和以下的描述中得出。
[0005] 氣體傳感器可以被用于分析氣體。通過氣體傳感器，作為氣體的組成部分的化學 種類的至少一種濃度可以被檢測。該氣體傳感器可以將該濃度映射為電信號。
[0006] 氣體傳感器的傳感器元件可以在使用微系統或半導體技術的情況下來制造。在此 具有向下直至幾個原子層的小厚度的層可以過程安全地被沉積。在氣體傳感器的半導體襯 底中或在氣體傳感器的自身的芯片上可以集成電路，該電路可以編輯傳感器元件的電信號 并且可以作為標準化的數據在數據線上提供該電信號。通過電路與傳感器元件的空間上的 接近，電信號的很弱的變化也可以被記錄，所述變化在分離的控制設備中進行信號處理時 也許在噪聲中或由于電磁干擾的原因將丟失。通過基于半導體技術或微系統技術的高制造 精度，可以制造大量具有小的制造偏差（Fertigungsstreuung)的氣體傳感器。在電路中可 以以少的花費提供標準化的數據。
[0007] 介紹一種用于分析氣體的方法，其中該方法具有以下步驟： 提供氣體傳感器，其中該氣體傳感器具有用于第一薄層離子導體和電路的載體材料， 其中該第一薄層離子導體將用于參考氣體的參考空間與用于氣體的測量空間分開，其中該 第一薄層離子導體具有參考電極和測量電極，其中該參考電極朝向參考空間并且該測量電 極朝向測量空間，其中該參考電極和該測量電極與電路連接； 測量參考電極和測量電極之間的電壓，以便測量濃度；以及 確定氣體中的化學種類的分壓力，其中電壓在電路中在使用所存放的處理規則的情況 下被處理，以便確定分壓力。
[0008] 氣體傳感器可以被理解為微電化學氣體傳感器，該微電化學氣體傳感器在使用微 系統技術的工藝的情況下以最小的樣本偏差來制造。該載體材料可以是晶圓或芯片。載體 材料可以是半導體。載體材料可以是精確的可結構化的材料、諸如Foturan玻璃。如果載 體材料是半導體襯底，那么電路可以被集成到該半導體襯底中。于是電路可以在使用半導 體襯底的半導體特性的情況下被實現。薄層離子導體可以是液密的薄膜，該薄膜封閉載體 材料中的開口，以便將第一體積與第二體積分開。該第一體積和第二體積可以是相互分開 的室或通道。第一體積可以被稱為參考空間。參考空間可以被構造用于運載具有已知成分 的氣體、即參考氣體。參考空間例如可以包含空氣。于是參考空間可以與周圍環境流體連 接。參考空間同樣可以包含具有已知成分的其它氣體。例如參考空間可以運載純氧氣。第 二體積可以被稱為測量空間。測量空間可以被構造用于運載具有未知成分的氣體或要測量 的氣體。測量空間例如可以運載燃燒廢氣。薄層離子導體可以在兩側利用電極導電地被涂 覆。電極可以是透氣的。電極可以具有催化的特性。例如電極可以包含催化有效的金屬或 由該金屬組成。電極可以被構造用于電離至少一種化學種類。薄層離子導體可以具有陶瓷 材料。薄層離子導體對于化學種類的離子可以是可穿透的。薄層離子導體可以是電絕緣的 或具有很小的導電率。薄層離子導體的電阻可以依賴于頻率。電極可以在電離時輸送解離 的載流子。在電極之間可以施加電壓，該電壓依賴于兩個體積中的至少一種化學種類的濃 度差。分壓力可以代表每單位體積的化學種類的量。處理規則可以映射電壓和分壓力之間 的相互關系。
[0009] 分壓力可以在使用被存放在電路中的用于補償氣體傳感器的制造公差的補償特 性曲線的情況下被確定。例如氣體傳感器可以在受控制的條件下被校準。在已知濃度差的 情況下電壓與所期望的電壓的在校準時所確定的偏差可以被保存在補償特性曲線中。特性 曲線可以映射電壓和濃度差之間的關系。該特性曲線可以具有獨特的變化曲線。例如該特 性曲線可以在λ = 1附近的范圍內具有大斜率。補償特性曲線可以被存放在數據庫中。中 間值可以被內插。通過補償特性曲線，氣體傳感器可以直接提供標準化的信號。由此可以 取消控制設備中的迄今后置的信號處理。可以實現傳感器的替換，而不必實行控制設備上 的變化。
[0010] 電壓可以以被存放在電路中的因子或數學函數被放大，以便確定分壓力。電壓可 以在第一范圍λ〈1內和/或在第二范圍λ >1內具有小的或減小的變化。通過電壓的放 大，電壓的可測量性可以被放大。各個λ值的可分辨性同樣可以被改進。通過薄層離子 導體和電路之間的小的距離，具有小的噪聲的電壓可以被電路放大。
[0011] 氣體傳感器可以被提供有第二薄層離子導體。測量空間可以被構造為布置在載體 材料中的空腔。第二薄層離子導體可以將測量空間與用于氣體的氣體空間分開。測量空間 可以通過擴散勢壘與氣體空間連接。擴散勢壘能夠實現氣體在測量空間和氣體空間之間的 受控制的擴散。第二薄層離子導體可以具有第一泵電極和第二泵電極。第一泵電極可以朝 向測量空間被布置。第二泵電極可以朝向氣體空間被布置。第一泵電極和第二泵電極可以 與電路連接。用于分析氣體的方法可以具有泵送步驟和檢測步驟。在泵送步驟中，化學種 類的離子可以通過第二薄層離子導體被泵送，直至在測量空間中存在化學種類的被存放在 電路中的濃度。在此可以在第一泵電極和第二泵電極之間施加泵電壓，以便通過第二薄層 離子導體泵送離子。在檢測步驟中，通過第二薄層離子導體的離子流可以被檢測，其中在第 一泵電極和第二泵電極之間的通過電流被測量，以便檢測離子流。分壓力此外可以在使用 泵電壓和通過電流的情況下被確定。第二薄層離子導體可以如第一薄層離子導體那樣封閉 載體材料中的開口。擴散勢壘例如可以由多孔的材料組成。通過擴散勢壘，預先確定的氣 流可以最大限度地從氣體空間到達測量空間中或者反之亦然。在泵送步驟中，薄層離子導 體的作用原理可以通過以下方式從測量步驟被反轉，即在能量花費的情況下離子通過第二 薄層離子導體被傳送。泵送可以在兩個方向上實現，以便從空腔中引出或添加至少一種化 學種類。因為離子是載流子，所以在泵送時載流子作為離子流從第一泵電極向第二泵電極 移動或者相反地移動。載流子的移動導致泵電極之間的通過電流。該通過電流可以與通過 第二薄層離子導體的離子流成比例。
[0012] 泵電壓可以在使用第一薄層離子導體上的電壓的情況下被調節。例如泵電壓可以 在測量空間中被調節到λ = 1的值。也可以被調節到λ〈1或λ >1的值。為了調節，電路 可以具有比例和/或積分和/或微分調節部分。
[0013] 當化學種類從空腔中被泵出時，可以一直被泵送，直到在空腔中只還存在化學種 類的原子和/或分子的極低的量。在第二薄層離子導體上的泵電壓可以在以下情況下被減 小，即空腔中的物質的分壓力小于控制值。當空腔中的種類的濃度小于額定值時，泵電壓可 以被反轉，以便將所述種類泵送到室中。在氧氣的情況下，可以直接涉及氧氣或含氧的分子 (例如水)，所述含氧的分子在裝入到電解質中之前在電極處被分解成氧。
[0014] 如果由于應用而已知始終λ> = 1，那么可以取消調節并且例如利用恒定電壓泵 送種類。該電壓在以下情況下是足夠的，即盡管有小的電壓變化而不再得出電流變化。在 該情況下也可以取消具有測量/參考電極的第一薄層電解質和參考空間。
[0015] 該方法可以具有確定第一薄層離子導體和/或第二薄層離子導體的溫度的步驟。 分壓力此外可以在使用溫度的情況下被確定。薄層離子導體的溫度可以在使用自己的溫度 傳感器的情況下在薄膜處或上被檢測。例如可以在薄層離子導體處、在薄層離子導體的范 圍內或在薄層離子導體中布置熱敏電阻或熱電偶。同樣，溫度可以通過薄層離子導體的依 賴于頻率的電阻被檢測。為此，薄層離子導體之一的電極可以由電路施加交流電壓信號。交 流電壓信號可以利用不同的頻率來提供，以便排除電極之間的電容效應。交流電壓信號也 可以是電壓脈沖序列。根據薄層離子導體的溫度，化學種類的電離可以以不同的速度進行。 薄層離子導體的導電率可以由于離子傳導機制而依賴于溫度。
[0016] 該方法可以具有對第一薄層離子導體和/或第二薄層離子導體調溫的步驟。在 此，第一薄層離子導體被調溫到第一溫度，以便測量濃度。替代地或補充地，第二薄層離子 導體被調溫到第二溫度，以便泵送離子。為了調溫，第一薄層離子導體可以具有第一加熱 器。第二薄層離子導體可以具有第二加熱器。替代地，共同的加熱器可以對兩個薄層離子 導體調溫。加熱器可以是具有所定義的電阻的電導體，該電導體在通過電流的情況下將電 能轉換為熱能。電導體可以被布置在薄層離子導體處、在薄層離子導體的范圍內或在薄層 離子導體中。加熱器可以由電路供電。加熱器可以通過加熱器中的電阻測量也被用于測量 溫度。通過加熱器，氣體可以不依賴于氣體的溫度而被分析。
[0017] 第一薄層離子導體可以被調溫到其它溫度，以便測量其它化學種類的其它濃度。 替代地或補充地，第二薄層離子導體可以被調溫到其它溫度，以便泵送其它化學種類。在確 定步驟中，可以確定其它化學種類的其它的分壓力。通過第一薄層離子導體和/或第二薄 層離子導體的溫度的變化可以設定被改變的工作范圍。在被改變的溫度下，薄層離子導體 和/或其電極可以具有被改變的化學特性。例如在較高的溫度下，原子之間具有較高的結 合能的分子可以被電離。在電極表面處的依賴于溫度的機制的其它實例是吸附、解離、解吸 附、與其它種類的反應和擴散特性。
[0018] 第一溫度和其它的溫度可以在預先給定的時間間隔內被轉變。第二溫度和其它的 溫度可以以預先給定的節奏被轉變。不同的溫度可以由于薄層離子導體和載體材料的小的 層厚而以小的延遲來設定。由此可以快速地在溫度之間進行轉變。在溫度之間的周期性的 轉變的情況下，利用氣體傳感器可以依次分析不同的氣體組成部分。也可以實現溫度之間 的非周期性的轉變。
[0019] 具有程序代碼的計算機程序產品也是有利的，該程序代碼可以被存儲在機器可讀 的載體、如半導體存儲器、硬盤存儲器或光學存儲器上并且當該程序產品在計算機或裝置 上被實施時，該程序代碼被用于執行根據前面所述的實施方式之一的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 下面借助附圖示例性地進一步闡述本發明。其中： 圖1示出根據本發明的一個實施例的用于分析氣體的氣體傳感器的框圖； 圖2示出根據本發明的一個實施例的用于分析氣體的方法的流程圖； 圖3示出氣體傳感器的特性曲線的圖示； 圖4示出根據本發明的一個實施例的具有工作范圍的氣體傳感器的特性曲線的圖示； 圖5示出根據本發明的一個實施例的具有擴展的工作范圍的氣體傳感器的特性曲線 的圖示； 圖6示出氣體傳感器的多個特性曲線的一部分的圖示； 圖7示出根據本發明的一個實施例的具有補償的氣體傳感器的多個特性曲線的一部 分的圖不； 圖8示出氣體傳感器的平坦的特性曲線的一部分的圖示； 圖9示出根據本發明的一個實施例在放大之后的氣體傳感器的特性曲線的一部分的 圖示； 圖10示出寬帶傳感器的特性曲線的圖示； 圖11示出寬帶傳感器的多個特性曲線的一部分的圖示； 圖12示出根據本發明的一個實施例的具有補償的寬帶傳感器的多個特性曲線的一部 分的圖不； 圖13示出根據本發明的一個實施例在加熱薄層離子導體時氣體傳感器的溫度變化曲 線的圖示；以及 圖14示出根據本發明的一個實施例在冷卻薄層離子導體時氣體傳感器的溫度變化曲 線的圖示。
[0021] 在本發明的優選實施例的以下的描述中，為在不同的圖中被示出的并且相似地起 作用的元件使用相同或相似的附圖標記，其中放棄對這些元件的重復的描述。

【具體實施方式】
[0022] 圖1示出根據本發明的一個實施例的用于分析氣體102的氣體傳感器100的框 圖。該氣體傳感器具有用于第一薄層離子導體108和電路106的載體材料104。該第一薄 層離子導體108將用于參考氣體112的參考空間110與用于氣體102的測量空間114分開。 該第一薄層離子導體108具有參考電極116和測量電極118。該參考電極116朝向參考空 間110。該測量電極118朝向測量空間114。該參考電極116和該測量電極118與電路106 連接。在這里被示出的實施例中，氣體傳感器100附加地具有第二薄層離子導體120。氣 體傳感器100也可以在沒有第二薄層離子導體120的情況下被提供。在此，測量空間114 被構造為被布置在載體材料104中的空腔114。該空腔114可以直接連接到襯底材料104 上。然而，該空腔114也可以通過由其它材料構成的層/層系統與襯底材料104分開。該 第二薄層離子導體120將測量空間114與用于氣體102的氣體空間122分開。該測量空間 114通過擴散勢壘124與氣體空間122連接。該擴散勢壘124能夠實現氣體102在測量空 間114和氣體空間122之間受控制的擴散。該第二薄層離子導體120具有第一泵電極126 和第二泵電極128。該第一泵電極126朝向測量空間114。該第二泵電極128朝向氣體空 間122。第一泵電極126和第二泵電極128與電路106連接。該電路106具有用于通過數 據線進行通信的接口 130。
[0023] 換句話說，圖1示出基于薄層離子導體108U20的傳感器100的基本結構。薄層 離子導體1〇8、120可以作為跳躍探針（Sprungsonde)來運行，在該跳躍探針的情況下測量 電極118和參考電極116之間的電壓信號被測量。該參考電極116也可以作為泵送的參考 來運行，由此可以在參考側形成氧氣儲氣罐。同樣，薄層離子導體108U20可以作為寬帶探 針來運行，在該寬帶探針的情況下通過電化學泵單元的泵電流被測量，其中該電流對應于 通過前置的擴散勢壘124擴散進入的氣體分子的極限電流。在此所介紹的方案描述用于表 征燃燒氣體中的剩余氧氣份額的、特別是具有作為跳躍Lambda探針和作為寬帶Lambda探 針的功能的氣體傳感器100以及用于內燃機的廢氣中的碳氫化合物和NH 3的傳感器100。
[0024] 圖2示出根據本發明的一個實施例的用于分析氣體的方法200的流程圖。該方法 200可以在使用圖1中的氣體傳感器的情況下被實施。該方法200具有提供步驟202、測量 步驟204和確定步驟206。在提供步驟202中氣體傳感器被提供。該氣體傳感器不同于在 圖1中具有半導體襯底，該半導體襯底具有電路和第一薄層離子導體。該第一薄層離子導 體將用于參考氣體的參考空間與用于氣體的測量空間分開。該第一薄層離子導體具有參考 電極和測量電極。該參考電極朝向參考空間。該測量電極朝向測量空間。該參考電極和該 測量電極與該電路連接。在測量步驟204中，測量空間中的氣體的化學種類的濃度被測量。 在此，參考電極和測量電極之間的電壓被量取，以便測量濃度。在確定步驟206中，氣體中 的化學種類的分壓力被確定。在此，該電壓在電路中在使用所存放的處理規則的情況下被 處理，以便確定分壓力。
[0025] 換句話說，圖2示出基于薄層離子導體的氣體傳感器的運行策略。迄今，陶瓷厚層 技術用作Lambda探針的技術基礎。通過使用薄層離子導體，氣體傳感器可以被微型化。在 此所介紹的方案描述基于薄層離子導體的氣體傳感器的運行方式。在此，這樣的傳感器的 特別的特性被充分利用。該氣體傳感器可以利用微系統技術的精確的方法來制造。微電子 設備可以被集成到芯片上或集成在相鄰的芯片中。該氣體傳感器由于小的結構尺寸而具有 小的熱容。
[0026] 在基于薄層離子導體的傳感器的情況下，可以實行由迄今的Lambda探針已知的 運行方式和信號評估。附加地，跳躍傳感器的跳躍特性曲線的分析范圍可以被擴展。由于 低的制造偏差和用于平衡特性曲線的集成的微電子設備的利用，在氣體特性曲線中樣本偏 差的補償可以被實現。此外，對傳感器特性曲線的溫度影響可以通過利用集成的微電子設 備被補償。此外，為了運行組合的混合電位傳感器，用于測量其它物質、特別是碳水化合物 和氨氣的溫度調制可以在組合的傳感器中被執行。
[0027] 圖3示出氣體傳感器的特性曲線300的圖示。該氣體傳感器可以是如在圖1中被 示出的氣體傳感器。特性曲線300表征該氣體傳感器的薄層離子導體處的兩個電極之間的 電壓302和燃燒空氣比例λ (Lambda)的關系。電壓302在縱坐標上被提供，λ在橫坐標 上被提供。燃燒空氣比例λ描述空氣質量與燃料質量的質量比例，其中λ = 1的值代表均 衡的、化學計算的比例，即包含在空氣質量中的全部氧氣在燃料質量燃燒時可以反應成反 應產物。燃燒廢氣在λ = 1的情況下在完全燃燒之后具有百分之零的氧氣份額。在λ >1 的情況下，廢氣還包含剩余氧氣，存在"稀"混合物，在λ〈1的情況下，廢氣還包含未燃燒的 燃料，在此存在"濃"混合物。
[0028] 在低的λ值的情況下，電壓302具有高的值。特性曲線300幾乎平行于橫坐標延 伸并且具有小的負斜率。隨著λ的值增大，特性曲線300變得更陡峭。在固定的λ值、例 如λ = 1的情況下，特性曲線300最陡峭。特性曲線300在此幾乎平行于縱坐標延伸。從 固定的λ值起，特性曲線300變得更平坦，直至特性曲線300在高的λ值的情況下又幾乎 平行于橫坐標延伸。因此特性曲線300在固定的λ值處具有躍變點304,在該躍變點處電 壓302在小的λ范圍之內很強烈地變化。
[0029] 在圖3中標記了一部分306,該部分在圖6到9中被示出。該部分在躍變點304的 右邊被布置在過渡范圍內，在該過渡范圍內特性曲線成水平。
[0030] 圖4示出根據本發明的一個實施例的具有工作范圍400的氣體傳感器的特性曲線 300的圖示。該特性曲線300對應于圖3中的特性曲線。附加于圖3,工作范圍400被畫入， 該工作范圍被布置在躍變點304的范圍內并且在那里該特性曲線300是陡峭的。在工作范 圍400之內，λ可以在電壓302上很精確地被分辨。
[0031] 跳躍探針在λ = 1附近有陡峭的特性曲線300,其中該特性曲線300代表λ和探 針電壓302之間的分配。迄今只利用電壓躍變304附近的窄帶的陡峭的范圍400。
[0032] 圖5示出根據本發明的一個實施例的具有擴展的工作范圍500的氣體傳感器的特 性曲線300的圖示。該特性曲線300對應于圖3中的特性曲線。附加于圖3,擴展的工作范 圍500被畫入，該工作范圍不同于圖4中的工作范圍在寬的λ范圍上伸展。該擴展的工作 范圍500在躍變點304的兩側伸展直至特性曲線300的如下范圍內，在這些范圍內特性曲 線300的斜率具有很小的值。
[0033] 在基于薄層離子導體的氣體傳感器的情況下，測量范圍500可以被擴展，因此使 特性曲線300的較平坦的范圍也用于λ測量。這是可能的，因為微系統技術中的精確的制 造方法導致具有高精度的結構。低的幾何的樣本偏差可以導致特性曲線300的偏差的減 小。在理想情況下導致不同的樣本之間的疊合的傳感器特性曲線300。微電化學傳感器也 可以具有集成的電子設備。微電子設備、如薄層離子導體可以被安置在相同的載體材料或 相鄰的芯片中。平坦的范圍通過薄層傳感器的特性也被用于λ測量。
[0034] 圖6示出氣體傳感器的多個特性曲線300的一部分的圖示。在圖6中，圖3中的 部分放大地被示出。特性曲線300具有偏差。由此單個的電壓值600在每個特性曲線300 中代表不同的λ值。λ值λρ λ 2、λ 3由此同樣具有偏差。λ值的偏差被特別清楚地顯 示，因為特性曲線300在所示出的部分內具有很小的斜率。
[0035] 圖7示出根據本發明的一個實施例的具有補償的氣體傳感器的多個特性曲線300 的一部分的圖示。在圖7中，如在圖6中那樣，圖3中的部分放大地被示出。特性曲線300 在此由于在薄層離子導體的情況下的補償和/或小的制造公差而具有很小的偏差。電壓值 600在每個特性曲線300中同樣代表不同的λ值。然而，λ值λρ λ 2、λ 3具有減小的樣 本偏差。如果偏差足夠小，那么電壓值600可以直接被進一步處理。如果精確度由于偏差 而不夠，那么在氣體傳感器的電路中該偏差可以被補償。
[0036] 相應的傳感器樣本的校準特性曲線可以被存儲在微電子設備中并且補償功能被 集成到微電子設備中。被補償的信號300從傳感器作為測量信號被輸出。施加在測量單元 上的電壓或在信號變換之后被改變的信號可以被用作在補償之前的信號。
[0037] 圖8示出氣體傳感器的平坦的特性曲線300的一部分的圖示。在圖8中，圖3中 的部分放大地被示出。所示出的特性曲線300對應于圖6中的特性曲線之一。圖6中的電 壓值在此作為電壓帶800被示出，因為電化學單元的電壓302只能以有限的精確度、例如 以電壓步長被分辨。該電壓帶800代表具有有限的精確度的被傳輸的信號。特性曲線300 在電壓帶800之內具有很小的斜率。因此特性曲線300在低的λ值Amin時進入到電壓帶 800內。在較高的λ值λ_時，特性曲線300又從電壓帶800中退出。在低的λ值 和較高的λ值λ_之間是大的λ范圍802。該電壓值因此可以只被分配給λ范圍802。 由此在特性曲線300的小的斜率的情況下得出系統的不精確性。
[0038] 在特性曲線300的平坦的部分中，使得所測量的電壓302的不精確性作為λ的不 精確性明顯可察覺。
[0039] 圖9示出根據本發明的一個實施例在放大之后的氣體傳感器的特性曲線900的一 部分的圖示。如在圖8中那樣，圖3中的部分放大地被示出。該特性曲線900基于圖8中 的特性曲線。電壓值302以一個因子被縮放。由此該特性曲線900具有比在圖8中更陡峭 的斜率。然而，該電壓帶800被保持同樣寬。由于更陡峭的特性曲線900,特性曲線900到 電壓帶800中的進入點λ min和特性曲線900從電壓帶800出來的退出點λ max更靠近地毗 鄰并且λ范圍802更小。通過放大，系統的不精確性被減小并且λ可以更精確地被確定。
[0040] 集成的分析電路可以實行薄層離子導體的電極的電壓302的變換并且將小的電 壓差轉換為更大的電壓差。被變換的信號900可以被用于表征氣體。電壓302的較小的差 因此可以被區分。各個修正因子可以被存儲在微電子設備中（在芯片上/處)。被補償的信 號從傳感器被輸出。
[0041] 圖10示出寬帶傳感器的特性曲線1000的圖示。該寬帶傳感器對應于圖1中的氣 體傳感器并且具有作為泵膜的薄層離子導體。該特性曲線1000在笛卡爾坐標系中被示出。 該特性曲線1000在坐標系的第一和第三象限中延伸。在橫坐標上，在第一象限內，λ、即0 2 含量或〇2不足額被提供。在第三象限內，氣體傳感器處的氣體中的其它化學種類的濃度被 提供。在縱坐標上，電化學單元中的泵電流Ι ρ被提供，該泵電流在泵電極之間在泵膜上被檢 測。該特性曲線1000在第一象限內從原點近似直線地延伸。因此該泵電流Ι ρ近似地與氧 氣含量成比例。在第三象限內，該特性曲線1000同樣近似直線地從原點延伸。然而，該特 性曲線1000在此具有不同的斜率。因此該特性曲線1000在原點中具有轉彎。在圖10中， 特性曲線1000的部分1002在第一象限內被標記。該部分1002在圖11和圖12中放大地 被示出。
[0042] 在寬帶傳感器的情況下，樣本偏差可以以氣體特性曲線1000的不同的斜率來反 映，這限制精確度，其中該斜率代表根據氧氣供給的通過電化學泵單元的電流。
[0043] 圖11示出寬帶傳感器的多個特性曲線1000的一部分的圖示。在圖11中，圖10 中的部分放大地被示出。特性曲線1000由于制造公差而分別具有略微不同的斜率。因為 特性曲線1000從原點出發，單個的電流值1100在每個特性曲線1000中代表不同的λ值。 λ值λρ λ2、λ3具有偏差。
[0044] 為了減小偏差，可以在傳感器處使用微調方法(例如通過在傳感器處的平衡電阻） 或替代地通過補償，該補償通過外部分析電子設備中的軟件實現。
[0045] 圖12示出根據本發明的一個實施例的具有補償的寬帶傳感器的多個特性曲線 1200的一部分的圖示。如在圖11中那樣，圖10中的部分放大地被示出。通過存放在處理 規則中的補償，特性曲線1200全部具有相同的斜率并且因此是疊合的，其中該補償由氣體 傳感器的電子電路執行。泵電流的修正由（芯片上/處的)微電子設備實現。同樣可以通過 半導體技術的薄層技術在制造氣體傳感器時遵循很小的公差，這減少用于補償的花費或者 甚至可以使該花費變得多余，因為氣體傳感器的薄層離子導體可以具有幾乎同樣的電化學 特性。
[0046] 在基于薄層離子導體的傳感器的情況下，用于補償的其它的解決方案是可能的。 在此也適用的是，由于微系統技術中的精確的制造方法可以期待具有高精度的結構。低的 幾何的樣本偏差也將導致特性曲線1200的偏差的減小。在理想情況下將導致不同的樣本 之間的疊合的傳感器特性曲線1200。因此在傳感器處的平衡過程將不是必需的。于是可以 直接（即在沒有修正因子的情況下）使用通過電化學泵單元的電流，以便測量λ (或氧氣過 量/不足)。為了進一步的改進，可以將電子設備集成到微電化學傳感器中以便進行信號評 估。由此可以在傳感器處執行微調方法。微電子設備、如薄層離子導體可以被安置在相同 或相鄰的芯片內。在該情況下，樣本的校準特性曲線可以被存儲在微電子設備中并且補償 功能可以被集成到微電子設備中。被補償的信號1200從傳感器作為測量信號被輸出。
[0047] 此外，可以實現溫度依賴性的補償。Lambda傳感器(不僅作為跳躍探針而且作為寬 帶探針）在其信號中顯示出溫度的依賴性。用于測量溫度的裝置可以位于芯片上。替代地 或補充地，可以使用薄層電解質的內電阻，以便確定溫度。
[0048] 傳感器的測量信號的溫度特性可以作為功能被保存在微電子設備中。在此用于跳 躍傳感器的被存放的功能與在寬帶傳感器的情況下不同。如果不僅電化學單元的信號而且 溫度存在，那么可以執行微電子設備的信號的修正。被補償的信號從傳感器被輸出。
[0049] 如果不使用溫度調節，那么該溫度補償可能是特別有意義的。當目標溫度在接通 探針的情況下還沒有達到時，該溫度補償同樣可能是有意義的。當（要測量的氣體的）環境 溫度高于目標溫度時同樣如此。如果不使用加熱器并且僅通過測量氣體/環境實現加熱， 那么該溫度補償可能是重要的。
[0050] 利用基于薄層的氣體傳感器可以比在基于厚層的氣體傳感器的情況下更快速地 設定不同的運行溫度。因為新的溫度更快速地被達到，所以可以更快速地在穩定的條件下 被測量。
[0051] 圖13示出根據本發明的一個實施例在加熱薄層離子導體時氣體傳感器的溫度變 化曲線1300的圖示。該溫度變化曲線1300在曲線圖中被示出。在橫坐標上時間被描繪。 在縱坐標上溫度被描繪。由加熱器加熱薄層離子導體以便改變溫度。該溫度變化曲線1300 在低的溫度T1時開始并且恒定地停留在溫度T1上。然后溫度線性地上升，直到達到較高 的溫度T2。緊接著溫度停留在高水平T2上。該溫度變化曲線1300代表以薄層技術制造 的具有薄層離子導體的很小的熱容的氣體傳感器上的加熱階段。因此，溫度變化曲線1300 在低的溫度Τ1和高的溫度Τ2之間的斜率是大的。直至達到溫度Τ2,經過少許時間。在該 曲線圖中另一溫度變化曲線1302被示出。該另一溫度變化曲線1302代表具有比具有溫度 變化曲線1300的氣體傳感器更高的熱容的另一氣體傳感器。在該另一溫度變化曲線1302 中，溫度同樣線性地從值Τ1上升到值Τ2。然而，在此上升更緩慢地、S卩比在溫度變化曲線 1300的情況下更平坦地實現。因為溫度變化曲線1300更快速地達到溫度T2,所以相對于 該另一溫度變化曲線1302得出時間增益1304。
[0052] 圖14示出根據本發明的一個實施例在冷卻薄層離子導體時氣體傳感器的溫度變 化曲線1400的圖示。如在圖13中那樣，溫度變化曲線1400在具有橫坐標上的時間和縱坐 標上的溫度的曲線圖中被示出。溫度變化曲線1400在高的溫度T2時開始并且恒定地停留 在溫度T2上。為了溫度變化，或者去激活加熱器或者以減小的功率來運行。于是溫度指數 地衰減，直至達到較低的溫度T1。緊接著溫度停留在低的水平T1上。該溫度變化曲線1400 代表以薄層技術制造的具有薄層離子導體的很小的熱容的氣體傳感器上的冷卻階段。因此 經過少許時間，直至達到溫度T1。該溫度變化曲線快速地接近低的溫度T1。
[0053] 在該曲線圖中，另一溫度變化曲線1402被示出。該另一溫度變化曲線1402代表 具有比具有溫度變化曲線1400的氣體傳感器更高的熱容的另一氣體傳感器。在該另一溫 度變化曲線1402中，溫度同樣指數地從值T2衰減到值T1。然而，在此下降更緩慢地、8葉匕 在溫度變化曲線1400的情況下更平坦地實現。因為溫度變化曲線1400更快速地達到溫度 T1，所以相對于該另一溫度變化曲線1302得出時間增益1304。
[0054] 換句話說，圖13和圖14示出用于運行組合的混合電位傳感器的溫度調制。例如 根據跳躍Lambda探針的模式的電化學傳感器也可以被用于探測其它的氣體和/或不同的 物質。在此混合電位傳感器特別是可以被用作NH3或HC傳感器。
[0055] 在基于薄層離子導體的傳感器的情況下，可以組合用于不同的物質的不同的混合 電位單元。為了要檢查的物質，可以將優化的測量電極安裝在薄層離子導體上。在此可以 為每種物質設置特有的測量電極。或者測量電極可以被設計用于多于僅僅一種物質。可檢 測的物質之一可以是氧氣，其中于是存在作為Lambda傳感器的功能。對于用于探測物質的 最優的功能，有確定的最優的工作溫度Ti。通過設定溫度Ti以便評估相應測量電極處的測 量信號，可以確定要測量的物質的濃度。在基于薄層離子導體的傳感器的情況下，由于傳感 器的小的熱容，在從溫度T1加熱到溫度T2時可以比具有更高的熱容的傳感器(厚層技術） 更快速地達到溫度T2。由于相同的原因，該傳感器在從T2冷卻到T1時可以更快速地給出 溫度，因為由于較小的熱容，較小的散熱導致強烈的溫度下降。目標溫度Ti的該更快速的 達到可以與溫度分布或溫度調制通過以下方式被組合，即不斷地在溫度水平ΤΙ、T2和可選 地其它的水平之間的溫度斜坡上轉變。在此可以實現所有物質的濃度的相應快速的測量。 由于微型化的傳感器的特性可能的是，溫度轉變明顯更快速地進行，并且因此可以檢測用 于不同的物質的準連續的信號。
[0056] 通過在此所介紹的方案，可以影響在信號電極處和在加熱器線路處的電流和/或 電壓變化曲線。
[0057] 所描述的和在圖中被示出的實施例僅示例性地被選擇。不同的實施例可以完全地 或關于單個的特征相互被組合。一個實施例也可以通過其它實施例的特征被補充。
[0058] 此外，根據本發明的方法步驟可以被重復以及以與所描述的順序不同的順序被實 施。
[0059] 如果一個實施例包括第一特征和第二特征之間的"和/或"連接，那么這應這樣來 理解，使得該實施例根據一種實施方式不僅具有第一特征而且具有第二特征，而根據另一 種實施方式或者僅僅具有第一特征或者僅僅具有第二特征。
【權利要求】
1. 用于分析氣體（102)的方法（200)，其中所述方法（200)具有以下步驟： 提供（202)氣體傳感器（100)，其中所述氣體傳感器（100)具有用于第一薄層離子導 體（108)和電路（106)的載體材料（104)，其中所述第一薄層離子導體（108)將用于參考氣 體（112)的參考空間（110)與用于所述氣體（102)的測量空間（114)分開，其中所述第一 薄層離子導體（108)具有參考電極（116)和測量電極（118)，其中所述參考電極（116)朝向 所述參考空間（110)并且所述測量電極（118)朝向所述測量空間（114)，其中所述參考電極 (116)和所述測量電極（118)與所述電路（106)連接； 測量（204)所述參考電極（116 )和所述測量電極（118 )之間的電壓（302 );以及 確定（206)所述氣體（102)中的化學種類的分壓力，其中所述電壓（302)在所述電路 (106)中在使用所存放的處理規則的情況下被處理，以便確定所述分壓力。
2. 根據權利要求1所述的方法（200)，其中在確定步驟（206)中所述分壓力在使用存放 在所述電路（106)中的、用于補償所述氣體傳感器（100)的制造公差的補償特性曲線的情 況下被確定。
3. 根據上述權利要求之一所述的方法（200)，其中在確定步驟（206)中所述電壓（302) 以存放在所述電路（106)中的因子或數學函數被放大，以便確定所述分壓力。
4. 根據上述權利要求之一所述的方法（200)，其中在提供（202)步驟中所述氣體傳感 器（100)具有第二薄層離子導體（120)并且所述測量空間（114)被構造為布置在半導體襯 底（104)中的空腔，其中所述第二薄層離子導體（120)將所述測量空間（114)與用于所述氣 體（102)的氣體空間（122)分開，其中所述測量空間（114)通過擴散勢壘（124)與所述氣體 空間（122)連接，其中所述擴散勢壘（124)能夠實現所述氣體（102)在所述測量空間（114) 和所述氣體空間（122)之間的受控制的擴散并且所述第二薄層離子導體（120)具有第一泵 電極（126)和第二泵電極（128)，其中所述第一泵電極（126)朝向所述測量空間（114)并且 所述第二泵電極（128)朝向所述氣體空間（122)并且所述第一泵電極（126)和所述第二泵 電極（128)與所述電路（106)連接，其中所述方法（200)具有泵送步驟和檢測步驟，其中在 泵送步驟中化學種類的離子通過所述第二薄層離子導體（120)被泵送，直至在所述測量空 間（114)中存在所述化學種類的存放在所述電路（106)中的濃度，其中在所述第一泵電極 (126)和所述第二泵電極（128)之間施加泵電壓，以便通過所述第二薄層離子導體（120)泵 送所述離子并且在檢測步驟中通過所述第二薄層離子導體（120)的離子流被檢測，其中在 第一泵電極（126)和第二泵電極（128)之間的通過電流（I p)被測量，以便檢測所述離子流， 其中所述分壓力此外在使用泵電壓和通過電流（Ip)的情況下被確定。
5. 根據上述權利要求之一所述的方法（200)，其中在泵送步驟中所述泵電壓在使用所 述第一薄層離子導體（108)上的電壓（302)的情況下被調節。
6. 根據上述權利要求之一所述的方法（200)，具有確定所述第一薄層離子導體（108) 和/或所述第二薄層離子導體（120)的溫度（T)的步驟，其中在確定步驟（206)中所述分壓 力此外在使用所述溫度（T)的情況下被確定。
7. 根據上述權利要求之一所述的方法（200)，具有對所述第一薄層離子導體（108)和 /或第二薄層離子導體（120)調溫的步驟，其中所述第一薄層離子導體（108)被調溫到第一 溫度（T)，以便測量所述濃度和/或所述第二薄層離子導體被調溫到第二溫度（T)，以便泵 送所述離子。
8. 根據權利要求7所述的方法（200)，其中在調溫步驟中所述第一薄層離子導體（108) 被調溫到其它溫度（T)，以便測量其它化學種類的其它濃度和/或所述第二薄層離子導體 (120)被調溫到另外的溫度（T)，以便泵送所述其它化學種類，其中在確定步驟（206)中所 述其它化學種類的其它的分壓力被確定。
9. 根據權利要求8所述的方法（200)，其中在調溫步驟中所述第一溫度（T1)和所述其 它溫度（T2)在預先給定的時間間隔內被轉變和/或所述第二溫度（T)和所述另外的溫度 (T)以預先給定的節奏被轉變。
10. 具有程序代碼的計算機程序產品，當所述程序產品在裝置上被實施時，所述程序代 碼用于執行根據權利要求1到9之一所述的方法。
【文檔編號】G01N27/62GK104101643SQ201410147360
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月14日 優先權日:2013年4月15日
【發明者】R.菲克斯, D.孔茨, A.克勞斯, K.薩納, P.諾爾特 申請人:羅伯特·博世有限公司