(57)【要約】【課題】マイクロ電気化学的なセンサの構造を簡素化する。【解決手段】マイクロ電気化学的なセンサ１００が、支持材料１０２と、化学感応性のセンサ素子１０４と、加熱素子１０６と、マイクロ電子装置１０８とを備えており、該マイクロ電子装置１０８が、支持材料１０２内に組み込まれた導体路３０６を介してセンサ素子１０４と加熱素子１０６とに接続されており、マイクロ電子装置１０８が、加熱素子１０６とセンサ素子１０４とを作動させるために形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ電気化学的なセンサ（１００）において、該マイクロ電気化学的なセンサ（１００）が、以下の特徴：すなわち、
半導体基板から成る支持材料（１０２）または半導体プロセスによって構造化することができる材料から成る支持材料（１０２）と、
該支持材料（１０２）の第１の部分領域に配置された化学感応性のセンサ素子（１０４）と、
該センサ素子（１０４）の領域に配置されていて、該センサ素子（１０４）を温度調整するために形成された加熱素子（１０６）と、
支持材料（１０２）の第２の部分領域に配置されたマイクロ電子装置（１０８）と：を備えており、該マイクロ電子装置（１０８）が、支持材料（１０２）内に組み込まれた導体路（３０６）を介してセンサ素子（１０４）と加熱素子（１０６）とに接続されており、マイクロ電子装置（１０８）が、加熱素子（１０６）とセンサ素子（１０４）とを作動させるために形成されていることを特徴とする、マイクロ電気化学的なセンサ。
【請求項２】
マイクロ電子装置（１０８）が、センサバスに対するインタフェースを有していて、センサバスからの電気的なエネルギを利用して、加熱素子（１０６）とセンサ素子（１０４）とを作動させるために形成されている、請求項１記載のマイクロ電気化学的なセンサ。
【請求項３】
センサ素子（１０４）と、加熱素子（１０６）と、マイクロ電子装置（１０８）とが、支持材料（１０２）内に組み込まれている、請求項１または２記載のマイクロ電気化学的なセンサ。
【請求項４】
センサ素子（１０４）と加熱素子（１０６）とが、第１の基板に配置されており、マイクロ電子装置（１０８）が、第２の基板に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロ電気化学的なセンサ。
【請求項５】
支持材料（１０２）が、棒状に形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロ電気化学的なセンサ。
【請求項６】
センサ素子（１０４）が、測定すべき種に対して透過性の両側の電極（３０４）を備えた薄膜ダイヤフラム（３００）として形成されており、センサ素子（１０４）が、測定体積と参照体積との間に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロ電気化学的なセンサ。
【請求項７】
センサバスに取り付けられたマイクロ電気化学的なセンサ（１００）を作動させる方法（２００）において、該方法が、以下のステップ：すなわち、
センサ（１００）の化学感応性のセンサ素子（１０４）を温度調整するために、センサバスからセンサ（１００）のマイクロ電子装置（１０８）を介して供給された加熱電圧をセンサ（１００）の加熱素子（１０６）に印加するステップ（２０２）と、
少なくともセンサ素子（１０４）での化学種の濃度を表す、温度調整されたセンサ素子（１０４）におけるセンサ信号をマイクロ電子装置（１０８）によって検出するステップ（２０４）と、
センサ信号とセンサバスからの電気的なエネルギとを利用して、マイクロ電子装置（１０８）によって、センサバスにおいて提供するためのバス信号を算出するステップ（２０６）と：を有していることを特徴とする、センサバスに取り付けられたマイクロ電気化学的なセンサを作動させる方法。
【請求項８】
算出のステップ（２０６）において、バス信号を、センサバスからの電気的なエネルギを利用して、予め規定された増幅係数だけ増幅させる、請求項７記載の方法。
【請求項９】
算出のステップ（２０６）において、バス信号を、電気的なエネルギを利用してデジタル化する、請求項７または８記載の方法。
【請求項１０】
方法（２００）が、別のセンサ素子の少なくとも１つの別のセンサ信号を受信するステップを備えており、算出のステップ（２０６）において、バス信号を、さらに、前記少なくとも１つの別のセンサ信号を利用して算出する、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
方法（２００）が、センサバスにおいてバス信号を提供するステップを備えており、該バス信号を、センサバスにおいて要求信号に応答して提供する、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ電気化学的なセンサおよびセンサバスに取り付けられたマイクロ電気化学的なセンサを作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼プロセスに用いられる燃料量と、提供される酸素量との間の比を適合させることができるようにするためには、燃焼プロセスの排ガス内の酸素濃度に関する情報が必要になる。大抵、排ガスは測定箇所において高い温度を有しているので、酸素濃度を測定するためには、耐熱性のセンサが必要となる。
【０００３】
独国特許出願公開第１９９４１０５１号明細書には、混合気内の酸素濃度を測定するためのセンサ素子と、このセンサ素子を製作する方法とが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９４１０５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、冒頭で述べたマイクロ電気化学的なセンサおよびマイクロ電気化学的なセンサを作動させる方法を改良して、マイクロ電気化学的なセンサの構造を簡素化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題を解決するために、本発明に係るマイクロ電気化学的なセンサでは、該マイクロ電気化学的なセンサが、以下の特徴：すなわち、半導体基板から成る支持材料または半導体プロセスによって構造化することができる材料から成る支持材料と、該支持材料の第１の部分領域に配置された化学感応性のセンサ素子と、該センサ素子の領域に配置されていて、該センサ素子を温度調整するために形成された加熱素子と、支持材料の第２の部分領域に配置されたマイクロ電子装置と：を備えており、該マイクロ電子装置が、支持材料内に組み込まれた導体路を介してセンサ素子と加熱素子とに接続されており、マイクロ電子装置が、加熱素子とセンサ素子とを作動させるために形成されている。
【０００７】
本発明に係るマイクロ電気化学的なセンサの好ましい態様では、マイクロ電子装置が、センサバスに対するインタフェースを有していて、センサバスからの電気的なエネルギを利用して、加熱素子とセンサ素子とを作動させるために形成されている。
【０００８】
本発明に係るマイクロ電気化学的なセンサの好ましい態様では、センサ素子と、加熱素子と、マイクロ電子装置とが、支持材料内に組み込まれている。
【０００９】
本発明に係るマイクロ電気化学的なセンサの好ましい態様では、センサ素子と加熱素子とが、第１の基板に配置されており、マイクロ電子装置が、第２の基板に配置されている。
【００１０】
本発明に係るマイクロ電気化学的なセンサの好ましい態様では、支持材料が、棒状に形成されている。
【００１１】
本発明に係るマイクロ電気化学的なセンサの好ましい態様では、センサ素子が、測定すべき種に対して透過性の両側の電極を備えた薄膜ダイヤフラムとして形成されており、センサ素子が、測定体積と参照体積との間に配置されている。
【００１２】
さらに、前述した課題を解決するために、本発明に係る方法では、該方法が、以下のステップ：すなわち、センサの化学感応性のセンサ素子を温度調整するために、センサバスからセンサのマイクロ電子装置を介して供給された加熱電圧をセンサの加熱素子に印加するステップと、少なくともセンサ素子での化学種の濃度を表す、温度調整されたセンサ素子におけるセンサ信号をマイクロ電子装置によって検出するステップと、センサ信号とセンサバスからの電気的なエネルギとを利用して、マイクロ電子装置によって、センサバスにおいて提供するためのバス信号を算出するステップと：を有している。
【００１３】
本発明に係る方法の好ましい態様では、算出のステップにおいて、バス信号を、センサバスからの電気的なエネルギを利用して、予め規定された増幅係数だけ増幅させる。
【００１４】
本発明に係る方法の好ましい態様では、算出のステップにおいて、バス信号を、電気的なエネルギを利用してデジタル化する。
【００１５】
本発明に係る方法の好ましい態様では、方法が、別のセンサ素子の少なくとも１つの別のセンサ信号を受信するステップを備えており、算出のステップにおいて、バス信号を、さらに、前記少なくとも１つの別のセンサ信号を利用して算出する。
【００１６】
本発明に係る方法の好ましい態様では、方法が、センサバスにおいてバス信号を提供するステップを備えており、該バス信号を、センサバスにおいて要求信号に応答して提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、センサの複数のセンサコンポーネントを小型化することによって、これらのセンサコンポーネントのすぐ近くにセンサの電子装置を配置することができる。これによって、センサの構造を簡素化することができる。また、複数のセンサから成るネットワークへの本発明に係るセンサの接続を、このセンサを作動させるための介在された電子装置なしに実施することもできる。センサのセンサ素子を縮小することによって、このセンサ素子を温度調整するために必要となる加熱出力を減少させることができる。これによって、センサを作動させるために、たとえば、センサの、データ伝送のために設けられたインタフェースから電気的なエネルギを十分に受け取ることができる。
【００１８】
マイクロ電気化学的なセンサは、以下の特徴：すなわち、
半導体基板から成る支持材料または半導体プロセスによって構造化することができる材料から成る支持材料と、
この支持材料の第１の部分領域に配置された化学感応性のセンサ素子と、
このセンサ素子の領域に配置されていて、このセンサ素子を温度調整するために形成された加熱素子と、
支持材料の第２の部分領域に配置されたマイクロ電子装置と：を備えており、このマイクロ電子装置は、支持材料内に組み込まれた導体路を介してセンサ素子と加熱素子とに接続されており、マイクロ電子装置は、加熱素子とセンサ素子とを作動させるために形成されている。
【００１９】
「マイクロ電気化学的なセンサ」とは、測定量として電気的な信号を提供することができる小型化された化学感応性のセンサを意味している。このセンサは、少なくとも１つのセンサ素子を有している。
【００２０】
１つの態様によれば、センサ素子がセラミックダイヤフラムであってよい。このセラミックダイヤフラムは、特定の化学種のイオンに対して伝導性であり、両側でこの化学種がイオン化されるように形成されている。ダイヤフラムの第１の側に、化学種の第１の濃度を有する第１の流体があり、ダイヤフラムの反対の側に、化学種の第２の濃度を有する第２の流体があり、第１の濃度が第２の濃度と異なっている場合には、第１の側と第２の側との間で電気的な信号、たとえば濃度の比に比例した電圧を取り出すことができる。第１の流体の第１の濃度は、測定すべき濃度であってよい。第２の流体の第２の濃度は、参照濃度であってよい。この参照濃度は、たとえば、公知の安定した組成を有する流体によって提供することができる。センサは、特に酸素センサであってよい。この場合には、酸素イオンに対して伝導性であるダイヤフラムの両側に触媒、たとえば白金を配置することができる。この触媒によって、この触媒に触れた酸素原子がイオン化される。イオン化される原子の量は、ダイヤフラムの各側における流体内の酸素濃度に平衡している。イオン化によって、触媒において酸素イオンと電子とが遊離される。酸素イオンは、高い方の酸素濃度を有する側から、低い濃度を有する側に移動させられ、これによって、濃度勾配が補償される。ダイヤフラムは電気的に絶縁性であり、分離された電子が正の電圧電位となるのに対して、過剰のイオンは負の電圧電位となる。両電圧電位の間の電圧が電気信号を形成する。ダイヤフラムと、択一的または補足的には、このダイヤフラムに設けられたイオン化する被覆層とは、適切に機能するために、最低温度を要求する。このためには、ダイヤフラム上にかつ、択一的または補足的には、ダイヤフラムを取り囲んで、１つ以上の加熱素子が配置されていてよい。この加熱素子は、高オームの抵抗体を有していてよく、加熱素子への通電時に熱を提供することができ、これによって、ダイヤフラムが温度調整される。
【００２１】
「支持材料」とは、たとえば、導体路と、択一的または補足的には、機能素子とを組み込むことができるプレートを意味している。導体路および／または機能素子は、支持材料の表面に配置されていてもよい。半導体基板は、たとえば単結晶のまたは多結晶の半導体材料であってよい。加熱素子は信号線路から電気的に絶縁されていてよい。支持材料は１つのチップによって形成することができる。加熱素子は、たとえばセンサ素子をメアンダ状に取り囲んで配置することができ、これによって、加熱素子の使用可能な長さが増加させられている。マイクロ電子装置は、たとえば能動的な構成素子と受動的な構成素子とを有していてよい。マイクロ電子装置は、少なくとも部分的に、ドーピングされた半導体基板から成っていてよい。
【００２２】
１つの態様によれば、マイクロ電子装置が、センサバスに対するインタフェースを有していてよい。マイクロ電子装置は、センサバスからの電気的なエネルギを利用して、加熱素子とセンサ素子とを作動させるために形成されていてよい。インタフェースは、センサバスとの解離可能なかつ再び接続可能な接続部であってよい。インタフェースは規格化されていてよい。インタフェースは、バスの電気的な導体をマイクロ電子装置および／または支持材料の導体路に結合する鑞付け部として形成されていてもよい。こうして、マイクロ電子装置と加熱素子とにエネルギを供給するために、別個の複数の線路が不要となる。センサバスは、このセンサバスに接続された複数の機器と、統一された通信プロトコルを介して通信することができるデータ線路であってよい。たとえば、通信プロトコルは、センサバスにおいて通信することができるバス信号の形態を規定していてよい。センサバスは制御装置によってコントロールすることができる。センサバスは、複数の芯線を有していてよい。制御装置は、センサバスを介して供給電圧を提供することができる。センサバスの出力引渡しは、制御装置の性能と、択一的または補足的には、センサバスの芯線の線路横断面とによって制限することができる。
【００２３】
センサ素子と、加熱素子と、マイクロ電子装置とは、支持材料内に組み込まれていてよい。支持材料内へのセンサの全ての構成素子の組込みによって、センサを半導体技術によって製造することができる。これによって、少ない部品コストで大きな個数が可能となる。
【００２４】
センサ素子と加熱素子とは、第１の基板に配置されていてよい。マイクロ電子装置は、第２の基板に配置されていてよい。センサを、互いに別個に製造可能な２つのチップに分離することによって、両チップの並行した製造を行うことができる。完成したチップは、たとえば鑞付け部を介して互いに結合される。２つの別個のチップによって、センサ素子からのマイクロ電子装置の熱的な分離を達成することもできる。これによって、センサをより高い温度で使用することができる。
【００２５】
支持材料は棒状に形成されていてよい。棒状の支持材料の場合には、センサ素子を加熱素子と共に支持材料の第１の端部に配置することができるのに対して、マイクロ電子装置は支持材料の他方の端部に配置されている。センサ素子とマイクロ電子装置との間には、可能な限り大きな間隔が存在していてよい。この間隔によって、マイクロ電子装置にかかる熱負荷を少なく保つことができる。これによって、センサ素子の作業温度を高めることができる。半導体材料が少ない熱伝導率を有している場合には、等しい作業温度で等しい熱負荷を達成するために、支持材料が、より少ない長さを有することができる。マイクロ電子装置が、付加的に、より高度に耐熱性の材料から製作されている場合には、マイクロ電子装置をセンサ素子の極めて近くに配置することができるかもしくはセンサ素子に直に並べて配置することができる。これによって、センサが全体的に極めて小さな寸法を有することができる。
【００２６】
センサ素子は、測定すべき種に対して透過性の両側の電極を備えた薄膜ダイヤフラムとして形成されていてよい。センサ素子は、測定体積と参照体積との間に配置されている。センサは、薄膜技術を利用して製造することができる。薄膜ダイヤフラムによって、濃度差の変化を、特に迅速にセンサによりセンサ信号で表すことができる。
【００２７】
センサバスに取り付けられたマイクロ電気化学的なセンサを作動させる方法は、以下のステップ：すなわち、
センサの化学感応性のセンサ素子を温度調整するために、センサバスからセンサのマイクロ電子装置を介して供給された加熱電圧をセンサの加熱素子に印加するステップと、
少なくともセンサ素子での化学種の濃度を表す、温度調整されたセンサ素子におけるセンサ信号をマイクロ電子装置によって検出するステップと、
センサ信号とセンサバスからの電気的なエネルギとを利用して、マイクロ電子装置によって、センサバスにおいて提供するためのバス信号を算出するステップと：を有している。
【００２８】
加熱電圧によって、加熱素子への通電を行うことができる。加熱電圧は、マイクロ電気化学的なセンサのマイクロ電子装置によって調整することができる。このマイクロ電子装置には、センサバスの供給電圧によって給電を行うことができる。たとえば、温度センサがセンサ素子に配置されていてよい。この温度センサの信号を利用して、マイクロ電子装置が加熱電圧を調整することができる。加熱電圧は供給電圧に基づき供給することができる。たとえば、加熱電圧は、マイクロ電子装置によるパルス幅変調によって制御することができる。マイクロ電子装置はセンサ信号をバス信号に変換することもできる。たとえば、バス信号は、予め規定された期間にわたるセンサ信号の変化を表すことができる。択一的または補足的には、バス信号が、予め規定された期間の間のセンサ信号の経過を表すことができる。予め規定された期間は、たとえばセンサバスにおけるサイクル信号によって規定することができる。また、マイクロ電子装置からセンサ素子に作動電圧を供給することもできる。この作動電圧は、同じくセンサバスの供給電圧を利用して発生させることができる。たとえば、作動電圧は、種々異なる環境条件に応答するために、センサ素子のそれぞれ異なる感度を可能にすることができ、かつ／またはセンサ素子の作動点を微調整するために利用することができる。作動電圧は、センサを公知の条件を有する出発状態にするために、化学種の追出しの目的で利用されてもよい。
【００２９】
バス信号は、センサバスからの電気的なエネルギを利用して、予め規定された増幅係数だけ増幅させることができる。マイクロ電子装置は、信号品質を改善するために、センサ信号および／またはバス信号をフィルタリングすることができる。さらに、マイクロ電子装置はバス信号を、センサ素子のセンサ特性線を利用して算出することができる。このセンサ特性線は、センサ電圧と濃度との関係を表している。マイクロ電子装置は、規定通りのバス信号を獲得するために、システムに起因したセンサ信号のオフセットを補償することができる。
【００３０】
バス信号は、電気的なエネルギを利用してデジタル化することができる。センサ信号はアナログ信号であってよい。マイクロ電子装置は、バス信号を算出するために、アナログ／デジタル変換を実施することができる。デジタル信号はアナログ信号を有限個の段で表すことができる。デジタル信号は良好に後続処理することができる。
【００３１】
本発明に係る方法は、別のセンサ素子の少なくとも１つの別のセンサ信号を受信するステップを有していてよい。この態様では、バス信号を、さらに、この少なくとも１つの別のセンサ信号を利用して算出することができる。マイクロ電子装置は複数のセンサ素子に給電することができ、択一的または補足的には、これらのセンサ素子をコントロールすることができる。マイクロ電子装置は、種々異なるセンサ素子のセンサ信号を同時に評価することができる。また、マイクロ電子装置は複数のセンサ信号を互いに時間的にずらして評価することもできる。マイクロ電子装置は、少なくとも１つの別の加熱素子に別の加熱電圧を供給することもできる。センサは、少なくとも１つの別のセンサ素子がセンサから離されて配置されている場合、この少なくとも１つの別のセンサ素子に対するインタフェースを有することができる。
【００３２】
本発明に係る方法は、センサバスにおいてバス信号を提供するステップを有していてよい。この態様では、バス信号が、センサバスにおいて要求信号に応答して提供される。要求信号は、データをコントロールしてセンサバスを介して伝送することができるようにするために、制御装置から送信することができる。要求信号はセンサバスの複数の受信器にアドレッシングすることができる。要求信号はセンサに対してのみアドレッシングされていてもよい。この場合には、バス信号を、予約された時間窓内で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロ電気化学的なセンサの概略図である。
【図２】センサバスに取り付けられたマイクロ電気化学的なセンサを作動させる本発明の実施の形態に係る方法のフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態に係るマイクロ電気化学的なセンサの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るマイクロ電気化学的なセンサの立体図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。
【００３５】
本発明の好適な実施の形態の以下の説明では、種々異なる図面に示した類似に作用するエレメントに対して同一の符号または類似の符号が使用してある。なお、エレメントの繰返しの説明については省略した。
【００３６】
図１には、本発明の実施の形態に係るマイクロ電気化学的なセンサ１００の概略図が示してある。このセンサ１００は、支持材料１０２と、化学感応性のセンサ素子１０４と、加熱素子１０６と、マイクロ電子装置１０８とを有している。センサ１００はハウジング１１０内に配置されている。このハウジング１１０は排ガス通路１１２内に挿入されており、これによって、センサ素子１０４が排ガス通路１１２内に突出しており、マイクロ電子装置１０８が排ガス通路１１２の外部に配置されている。支持材料１０２は半導体基板から成っていて、棒状に成形加工されている。別の実施の形態によれば、半導体基板の代わりに、必ずしも半導体特性を有していないものの、半導体プロセスによって加工かつ／または構造化することができる基板材料が使用される。このような基板材料は、たとえば感光性のガラス、たとえば「Ｆｏｔｕｒａｎ（登録商標）」であってよい。すなわち、半導体特性を有していない基板材料が使用されてもよい。化学感応性のセンサ素子１０４は、支持材料１０２の第１の部分領域に配置されている。この第１の部分領域は、棒状の支持材料１０２の第１の端部に配置されている。加熱素子１０６は、センサ素子１０４の領域に配置されている。加熱素子１０６は、センサ素子１０４を温度調整するために形成されている。マイクロ電子装置１０８は、支持材料１０２の第２の部分領域に配置されている。この第２の部分領域は、棒状の支持材料１０２の第２の端部に配置されている。マイクロ電子装置１０８は、出力制限されたエネルギ供給容量を有するセンサバスに対するインタフェースを有している。マイクロ電子装置１０８は、支持材料１０２内に組み込まれた導体路を介してセンサ素子１０４と加熱素子１０６とに接続されている。マイクロ電子装置１０８は、センサバスからの電気的なエネルギを利用して、加熱素子１０６とセンサ素子１０４とを作動させるために形成されている。ハウジング１１０はセンサ１００を取り囲んでいる。ハウジング１１０は、センサ素子１０４が少なくとも一方の側で、作動中に排ガス通路１１２を通流する排ガス流１１４に直接接触するように形成されている。すなわち、作動中、センサ素子１０４は排ガス流１１４内ひいては高温の測定領域内に配置されている。棒状のＳｉ支持体１０２によって、より低温の電子装置１０８が得られる。ここで、支持体１０２の材料としてのシリコン（Ｓｉ）は、単に一例を挙げたに過ぎない。すでに記載したように、別種の基板材料が使用されてもよい。
【００３７】
図１に示したセンサ１００では、センサ素子１０４とマイクロ電子装置１０８とが、たとえばシリコン基板１０２に製作される。これによって、マイクロ電子装置１０８に対して約２００℃の最大の作動温度が達成される。この形態では、センサ１００が棒状体として形成される。センサ素子１０４は高温のチップ領域として一方の側に加工され、マイクロ電子装置１０８は反対の側に加工される。
【００３８】
センサ素子１０４とマイクロ電子装置１０８とは、まず、２つの個々のチップ１０２に製作されてもよい。その後、両チップ１０２が互いに、確かに、電気的には接続されているものの、熱的には十分に分離されているように、ハイブリッド構造の形に結合される。
【００３９】
本発明は、たとえばラムダ（空気過剰率）センサ１１０またはセラミックス製の別のガスセンサ、たとえばＮＯｘ（窒素酸化物）センサ、ＨＣ（炭化水素）センサおよび／またはＮＨ３（アンモニア）センサのために使用することができる。
【００４０】
図２には、センサバスに取り付けられたマイクロ電気化学的なセンサを作動させるための本発明の実施の形態に係る方法２００のフローチャートが示してある。この方法２００は、図１で説明したセンサにおいて実施することができる。方法２００は、印加のステップ２０２と、検出のステップ２０４と、算出のステップ２０６とを有している。印加のステップ２０２では、センサの化学感応性のセンサ素子を温度調整するために、センサの加熱素子に加熱電圧が印加される。その際、この加熱素子には、センサバスからセンサのマイクロ電子装置を介して加熱電圧が供給される。検出のステップ２０４では、マイクロ電子装置によって、温度調整されたセンサ素子におけるセンサ信号が検出される。このセンサ信号は、少なくともセンサ素子での化学種の濃度を表している。算出のステップ２０６では、センサバスにおいて提供するためのバス信号が算出される。このバス信号は、センサ信号とセンサバスからの電気的なエネルギとを利用して、マイクロ電子装置によって算出される。
【００４１】
本願において提案した、たとえば図１、図３および図４に示したような小型化された電気化学的なセンサの少ない所要スペースに基づき、所要加熱出力を従来のセラミックス製の排ガスセンサに比べて劇的に減少させることができる。本発明では、横方向のダイヤフラムサイズが、たとえば５〜５０００平方マイクロメートル（μｍ２）であり、特に１０〜４００平方マイクロメートルの面積を有することができる。また、これによって、センサ、すなわち、センサ素子、マイクロ電子装置およびヒータへの全エネルギ供給をバスシステムを介して行うことが可能となる。たとえば、ＰＳＩ５規格では、最大１１ボルトの電圧および最大１０５ミリアンペア（ｍＡ）の電流、すなわち、約１ワットの出力が提供される。センサの所要出力は、主として、センサ素子のヒータによって規定される。本実施の形態では、１ワットよりも小さい加熱出力、典型的には、１０〜５００ミリワット（ｍＷ）の範囲内の加熱出力が実現可能となる。したがって、この加熱出力は直接、たとえばＰＳＩ５バスを介して提供することができる。
【００４２】
組み込まれたマイクロ電子装置を介して、センサチップで直に別の機能を実現することができる。たとえば、センサチップで直に信号増幅を行うことができる。また、センサチップで直に信号フィルタリングを行うこともできる。センサ素子の信号は、アナログ／デジタル変換を利用して、チップで直にデジタル化することができる。多重化によって、多種のセンサもしくはセンサ素子を制御することができるかもしくは読み出すことができる。チップ内に組み込まれたマイクロ電子装置は、ラムダ急変特性線の線形化を実施することができる。また、マイクロ電子装置は、センサ特性線のオフセット校正を実施することもできる。さらに、マイクロ電子装置は、センサバスシステムと通信するために形成することができる。
【００４３】
図３には、本発明の実施の形態に係るマイクロ電気化学的なセンサ１００の断面図が示してある。このセンサ１００は、図１で説明したようなセンサに相当している。図３には、センサ１００の第１の部分領域が示してある。マイクロ電子装置１０８を備えた第２の部分領域は、図３には概略的に示してある。センサ１００は層状の構造を有している。支持材料１０２は、製作時に半導体技術的な方法ステップによって構造化されていて、両面に機能層を備えている。センサ素子１０４は、少なくとも一種類の化学種のイオンに対して透過性のセラミック層３００から成っている。このセラミック層３００は、少なくとも１つの中間層３０２を使用して、支持材料１０２の一方の側に被着されている。センサ素子１０４の領域では、支持材料１０２と中間層３０２とが除去されており、これによって、セラミック層３００が両側で開放して位置している。少なくともセンサ素子１０４の領域でセラミック層３００は、化学種がイオン化されるように形成されている。図示の実施の形態では、セラミック層３００の両面に触媒３０４が被着されている。センサ１００は、この実施の形態では酸素センサである。したがって、触媒３０４として、白金が被着されている。この白金から成る層３０４は多孔質である。白金は導電性であるので、触媒３０４は、この実施の形態では、二重機能を引き受けている。触媒３０４はマイクロ電子装置１０８に導体路３０６を介して導電的に接続されている。この導体路３０６は、図３には概略的に示してあるものの、実際には、支持材料１０２内に組み込まれている、すなわち、支持材料１０２上にかつ／または支持材料１０２内に配置されている。加熱素子は、本実施の形態では、触媒３０４の層によって覆い隠されている。加熱素子は、センサ素子１０４の領域に配置されていて、加熱素子に通電した際の放熱によって熱をセンサ素子１０４に放出し、これによって、このセンサ素子１０４を温度調整するために形成されている。加熱素子は給電のために同じく導体路を介してマイクロ電子装置１０８に接続されている。
【００４４】
センサ素子１０４の一方の側に、化学種、本実施の形態では酸素の、他方の側よりも高い濃度が付与されると、この濃度を補償するために、酸素イオン３０８がセラミック層３００を通って移動させられる。触媒３０４が酸素をイオン化すると同時に、その際に生じた電子を案内するので、両側の間において電圧勾配が生じる。なぜならば、一方の側では電子過多が生じ、他方の側では電子不足が生じるからである。電圧勾配はセンサ信号Ｕとしてマイクロ電子装置１０８によって取り出される。センサ信号Ｕはネルンスト電圧ＵＮｅｒｎｓｔと呼ぶことができる。センサ信号Ｕは電流線路なしに取り出されるので、センサ信号Ｕを表すバス信号を発生させるために、マイクロ電子装置１０８はセンサバスからの電気的なエネルギを利用する。
【００４５】
図３に示した小型化された電気化学的なセンサ素子１０４は、半導体基板１０２内に埋め込まれて配置されたイオン伝導性の薄膜ダイヤフラム３００を使用して実現されている。半導体プロセステクノロジでのセンサ素子１０４の製作によって、センサ信号処理のために必要となるマイクロ電子装置１０８をセンサ素子１０４の近くに組み込むことが同時に可能となる。ただし、組み合わされたセンサ素子１０４とマイクロ電子装置１０８との作動温度に対して、マイクロ電子装置１０８の最大限に許容可能な作動温度は制限されている。
【００４６】
ラムダセンサ１００としての図示の実施の形態では、セラミック層３００の上側に、排ガスを案内する容積が配置されている。排ガスは、セラミック層３００の下側でこのセラミック層３００に接触する参照空気よりも低い酸素濃度を有している。酸素イオン３０８は参照空気から排ガスに移動させられる。なぜならば、酸素イオン３０８が、参照空気内の酸素濃度から排ガス内の酸素濃度への濃度勾配によって駆動されるからである。
【００４７】
図４には、本発明の実施の形態に係るマイクロ電気化学的なセンサ１００の立体図が示してある。このセンサ１００は、図３に示したセンサに相当している。図４には、図３に対して付加的に加熱素子１０６が示してある。この加熱素子１０６はメアンダ状のまたはジグザグ状の導体路としてセンサ素子１０４を取り囲んで形成されている。加熱素子１０６は、支持材料１０２内に埋め込まれた導体路を介してマイクロ電子装置１０８に接続されている。センサ素子１０４は、本実施の形態では方形に形成されていて、同じく支持材料１０２内に埋め込まれた導体路を介してマイクロ電子装置１０８に接続されている。触媒３０４は、図３と異なり、センサ素子１０４の領域でのみセラミック層３００に被着されている。触媒３０４を備えた画定された面によって、正確な測定結果を得ることができる。支持材料１０２は耐熱性の材料から成っていて、低い熱伝導率を有している。また、セラミック層３００も耐熱性の材料から成っている。マイクロ電子装置１０８の能動的な構成素子および受動的な構成素子も耐熱性の材料から製作されている。したがって、マイクロ電子装置１０８が、本実施の形態では、センサ素子１０４に対して少ない間隔を置いて配置されている。付加的には、マイクロ電子装置１０８がセラミック層３００内に埋め込まれている。これによって、マイクロ電子装置１０８が良好に保護されている。少ない間隔によって、センサ１００が極めて小さな寸法を有している。全体として、センサ１００を、たとえば図１に示したセンサ１００よりも高い温度で作動させることができる。
【００４８】
言い換えると、図４には、電子装置１０８が組み込まれたマイクロ電気化学的なセンサ１００が示してある。このセンサ１００は、研究活動に基づく知見を利用して、高温型燃料電池（ＳＯＦＣ：固体酸化物型燃料電池）を小型化するために構想されている。センサ１００を製造するためには、従来のＳＯＦＣテクノロジに基づくセラミック材料と、半導体プロセス技術に基づくマイクロファブリケーションステップとが組み合わされており、これによって、マイクロ電気化学的なセンサが形成される。
【００４９】
図４において提案した形態によれば、小型化されたセラミックス製の排ガスセンサ１００が示してある。特にラムダセンサは、テクノロジ的にＳＯＦＣに極めて近いものである。両用途に用いられるベース材料は、大抵、イットリア安定化ジルコニアＹＳＺとして形成された酸素イオン伝導性のセラミックス３００である。電極材料として、たとえばＰｔ（白金）を使用することができる。図４において提案したセンサ１００は、半導体プロセス技術を利用して、小型化形態によって構想されている。ラムダセンサの機能は、半導体プロセスごとに製造可能な基板材料１０２（チップ）に設けられたイオン伝導性の薄膜３００によって実現される。
【００５０】
センサ素子１０４とマイクロ電子装置１０８とは、高温安定性の半導体基板１０２、たとえばＳｉＣ（炭化ケイ素）またはＧａＮ（窒化ガリウム）に製作されている。高温安定性の電子装置１０８の組込みによって、センサ素子１０４とマイクロ電子装置１０８とを１つのチップ１０２に直接かつ互いにすぐ近くに実現することが可能となる。
【００５１】
半導体プロセステクノロジによって製作される電気化学的なセンサ素子１０４は、適切なマイクロ電子装置１０８のすぐ近くに配置される。このことは、センサチップ１０２において直に行われてもよいし、第２のチップ１０２を備えたハイブリッド構造として行われてもよい。
【００５２】
これによって、全ての信号状態調整とセンサバスへの接続とをセンサチップ１０２において直に行うことができる。図４において提案した、組み込まれたマイクロ電子装置１０８を含む小型化された電気化学的なセンサ１００の出力消費量は僅かであり、センサ作動電圧として、センサバスの電圧で十分である。したがって、従来のラムダセンサにおいて、ヒータへの電圧供給だけでなく、外部のセンサ制御装置への接続のためにも必要であったコストのかかる付加的な線路が省略される。さらに、外部のセンサ制御装置を完全に不要にすることができるので、コストも構成スペースも節約することができる。
【００５３】
図面に示して説明した実施の形態は、単に一例を選択したに過ぎない。種々異なる実施の形態が、互いに完全に組み合わされてもよいし、互いに個々の特徴に関して組み合わされてもよい。また、１つの実施の形態が別の実施の形態の特徴によって補われてもよい。さらに、本発明に係る方法ステップは繰返し実施されてもよいし、前述した順序と異なる順序で実施されてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１００  センサ
１０２  支持材料
１０４  センサ素子
１０６  加熱素子
１０８  マイクロ電子装置
１１０  ハウジング
１１２  排ガス通路
１１４  排ガス流
２００  方法
２０２  印加
２０４  検出
２０６  算出
３００  セラミック層
３０２  中間層
３０４  触媒
３０６  導体路
３０８  酸素イオン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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