用于制造用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的气体传感器设备的方法以及用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的方法和气体传感器设备

摘要

本发明涉及一种用于制造用于检测测量介质（M）中的至少一种气态分析物的气体传感器设备（100）的方法。该方法包括以下步骤：在使用至少一种分离工艺和至少一种涂层工艺的情况下加工第一半导体衬底（101）和第二半导体衬底（102），以便在第一半导体衬底（101）和第二半导体衬底（102）中产生凹槽区段、固体电解质层和电极。该方法还具有以下步骤：将第一半导体衬底（101）和第二半导体衬底（102）拼接，以便在第一半导体衬底（101）和第二半导体衬底（102）之间产生用于调节测量介质（M）的气体组成的调节腔（111）、用于检测气态分析物的检测腔（112）和用于控制测量介质（M）在调节腔（111）和检测腔（112）之间的扩散的扩散区段（113）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的气体传感器设备的方法、一种用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的气体传感器设备、一种用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的方法、一种相应的设备以及一种相应的计算机程序。

背景技术

特别是在机动车中可以使用陶瓷氮氧化物传感器、例如基于氧化锆的传感器，以便监控或调节废气后处理系统。在此，传感器元件可以借助厚层技术来生产，其中尺寸例如可以仅仅为大约4毫米乘50毫米乘3毫米。由于这样的尺寸、即由于热质量，为了达到所需的运行温度、例如大约700摄氏度，一位数至两位数瓦特范围内的加热功率可能是典型的。DE10 2012 201 304 A1公开了一种微机械固体电解质传感器设备和一种相应的制造方法。

发明内容

在该背景下，利用在此提出的方案提出根据独立权利要求的一种用于制造用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的气体传感器设备的方法、一种用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的气体传感器设备、一种用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的方法、此外一种使用该方法的设备以及最后一种相应的计算机程序。有利的设计方案由相应的从属权利要求和随后的描述得出。

根据本发明的实施方式可以提供一种微电化学气体传感器、特别是微电化学氮氧化物传感器或基于半导体的借助微系统技术生产的薄层气体传感器或氮氧化物传感器或双腔氮氧化物传感器。因此，例如可以以微系统技术加工半导体衬底，以便生产这样的传感器，或者这样的传感器可以由以微系统技术加工的半导体衬底来生产。在这种情况下也可以实现具有氧离子传导的功能陶瓷以及具有多个腔的功能原理。

有利地，根据本发明的实施方式，关于这样的气体传感器特别是可以减小几何尺寸、加热功率需求以及制造成本，因为这样的气体传感器可以借助微系统技术基于半导体衬底来实现。在制造这样的气体传感器时可以实现高的微型化程度和半导体技术的标准工艺的有利利用。由于减小的几何尺寸，特别是相较于常规的陶瓷厚层传感器可以实现待加热的热质量的减小。因此可以实现在传感器运行期间的减小的加热功率需求。这样的气体传感器以半导体技术的生产特别是在高的件数的情况下相对于常规使用的厚层技术可以提供成本优点，特别是当多个传感器功能集成在一个传感器元件上时，例如在附加集成的压力检测、颗粒检测、λ传感装置等的情况下如此。由于所述微型化和标准化的半导体工艺，相对于丝网印刷方法也可以实现提高的生产收益。

提出一种用于制造用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的气体传感器设备的方法，其中该方法包括以下步骤：

在使用至少一种分离工艺和至少一种涂层工艺的情况下加工第一半导体衬底和第二半导体衬底，以便在第一半导体衬底和第二半导体衬底中产生凹槽区段、固体电解质层和电极；和

将第一半导体衬底和第二半导体衬底拼接，以便在第一半导体衬底和第二半导体衬底之间产生用于调节测量介质的气体组成的调节腔、用于检测气态分析物的检测腔和用于控制测量介质在调节腔和检测腔之间的扩散的扩散区段。

气体传感器设备可以被构造用于在质上并且附加地或替代地在量上检测至少一种气态分析物。至少一种气态分析物例如可以包括氧气并且附加地或替代地包括氮氧化物。特别是气体传感器设备可以被实施为氮氧化物传感器。在此，气体传感器设备例如可以用于在机动车中的废气传感装置、在例如静止的加热设施中的废气传感装置、火灾报警系统、移动电子设备（诸如移动电话）中的气体传感装置、呼吸气分析、工业过程监控等。特别是气体传感器设备例如可以用在机动车中并且被构造用于监控或调节废气后处理系统。测量介质可以是机动车的废气或废气混合物、环境空气或类似的。半导体衬底可以由以下材料成型，所述材料能够借助半导体加工领域中的工艺来加工。固体电解质层可以具有离子传导的例如陶瓷材料、特别是氧离子传导的陶瓷材料。在加工的步骤中，至少一种分离工艺可以具有挖槽、蚀刻等，并且至少一种涂层工艺可以具有脉冲激光沉积（PLD）、溅镀、原子层沉积（ALD）、湿法化学沉积法等。在拼接的步骤中，半导体衬底可以被拼接成，使得由凹槽区段的至少一个子集形成调节腔、检测腔和扩散区段。在拼接的步骤中，特别是可以建立在半导体衬底之间的材料决定的连接。替代地，可以使用高温稳定的气密密封的玻璃来连接和密封半导体衬底。

根据一种实施方式，在第一半导体衬底上并且附加地或替代地在第二半导体衬底上进行加工的步骤中，可以产生：用于关于伴生气体调节测量介质的气体组成的具有第一电极对之间的第一固体电解质层的调节装置、用于确定测量介质中的伴生气体的含量的具有第二电极对之间的第二固体电解质层的确定装置和用于检测气态分析物的具有第三电极对之间的第三固体电解质层的检测装置。在这种情况下，确定装置、调节装置和检测装置可以彼此电分离地布置，使得在第一半导体衬底和第二半导体衬底的拼接状态下确定装置和调节装置成型为调节腔的壁部并且检测装置成型为检测腔的壁部。至少一种气态分析物例如可以包括氮氧化物并且伴生气体可以是氧气。确定装置、调节装置和检测装置也可以代表能斯特单元或泵单元。这样的实施方式提供以下优点，即一方面分析物也可以间接地通过伴生气体来检测并且另一方面能够实现至少一种气态分析物的特别准确并且不昂贵的检测。相对于厚层氮氧化物传感器（该厚层氮氧化物传感器的衬底或体材料可以由离子传导的二氧化锆构成），确定装置、调节装置和检测装置由于其彼此电分离的布置而彼此去耦地控制，这能够导致气体传感器设备的传感器信号的提高的信号质量。

在加工的步骤中，在朝向调节腔和检测腔布置的电极上也可以连接共同的电信号导线。此外，在这种情况下，自身的电信号导线可以连接在背向调节腔和检测腔布置的电极上。这样的实施方式提供以下优点，即通过共同的信号导线可以减少气体传感器设备的布线花费。

此外，在加工的步骤中，用于调温固体电解质层和替代地或附加地调温电极的至少一个调温装置可以布置在第一半导体衬底的范围内并且附加地或替代地布置在第二半导体衬底的范围内。至少一个调温装置可以实施为微系统技术的薄膜加热器。因此，由于气体传感器设备的减小的热质量，整个气体传感器设备不需要被加热到运行温度上，而是以下有利地就足够了，即各个能斯特单元或泵单元或确定装置、调节装置和检测装置局部地借助至少一个调温装置而被置于运行温度上。高的温度例如可以仅仅在气体传感器设备的内部中出现，而同一气体传感器设备的外围设备由于小的热质量例如可以仅仅轻微地被一同加热。由此气体传感器设备的应用可以由诸如废气传感装置的具有本来热的环境的应用来扩展，并且能够实现这样的气体传感器设备用在其他应用领域、诸如火灾传感装置、工业过程监控、移动电话中的气体传感装置或医疗技术中。

此外，在加工的步骤中，可以在第一半导体衬底的范围内并且附加地或替代地在第二半导体衬底的范围内集成分析装置。因此可以通过以下方式进一步改进信号质量，即缩短从电极至分析装置的引线长度。在具有适度的环境温度的应用的情况下，分析装置或分析电子装置或者可以集成到气体传感器设备中，特别是直接集成在同一气体传感器设备的传感器芯片上或者可以替代地与气体传感器设备相邻地布置。

此外提出一种用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的气体传感器设备，其中该气体传感器设备具有以下特征：

第一半导体衬底和第二半导体衬底，它们具有在使用至少一种分离工艺和至少一种涂层工艺的情况下产生的凹槽区段、固体电解质层和电极，其中第一半导体衬底和第二半导体衬底被拼接，其中在拼接状态下在第一半导体衬底和第二半导体衬底之间布置有用于调节测量介质的气体组成的调节腔、用于检测气态分析物的检测腔和用于控制测量介质在调节腔和检测腔之间的扩散的扩散区段。

气体传感器设备可以通过实施前述方法的实施方式来制造。

根据一种实施方式，第一半导体衬底可以具有：用于调节腔的第一凹槽区段；用于检测腔的第二凹槽区段；用于第一凹槽区段和第二凹槽区段之间的扩散区段的第三凹槽区段；用于至测量介质的调节腔的进入开口的第四凹槽区段；用于关于伴生气体调节测量介质的气体组成的具有第一电极对之间的第一固体电解质层的调节装置，其中该调节装置被成型为第一凹槽区段中的调节腔的壁部；和用于调节装置的第五凹槽区段。此外，在此第二半导体衬底可以具有：用于调节腔的第六凹槽区段；用于检测腔的第七凹槽区段；用于确定测量介质中的伴生气体的含量的具有第二电极对之间的第二固体电解质层的确定装置，其中该确定装置被成型为第六凹槽区段中的调节腔的壁部；用于检测气态分析物的具有第三电极对之间的第三固体电解质层的检测装置，其中该检测装置被成型为第七凹槽区段中的检测腔的壁部；用于确定装置的第八凹槽区段和用于检测装置的第九凹槽区段。这样的实施方式提供以下优点，即可以提供特别节省空间的或微型化的、能够成本适宜并且以大的件数制造的具有高的检测精度的气体传感器设备。

还提出一种用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的方法，其中该方法具有以下步骤：

提供前述气体传感器设备的一种实施方式；

确定调节腔中的测量介质的伴生气体的含量；

关于伴生气体调节调节腔中的测量介质的气体组成；和

检测扩散到检测腔中的测量介质中的气态分析物。

该方法因此可以结合前述气体传感器设备的实施方式来有利地实施，以便检测测量介质中的至少一种气态分析物。

在此提出的方案还实现一种设备，该设备被构造用于在相应的装置中执行、控制或实现在此提出的方法的变型方案的步骤。通过设备形式的本发明的所述实施变型方案也可以快速并且有效地解决本发明所基于的任务。

设备当前可以理解为一种电设备，该电设备处理传感器信号并且据此输出控制信号和/或数据信号。设备可以具有以硬件和/或软件方式构造的接口。在硬件方式构造的情况下，接口例如可以是所谓的系统ASIC的包含设备的极不同功能的部分。然而也可以的是，接口是自身的集成电路或者至少部分由分立器件构成。在软件方式构造的情况下，接口可以是例如在微控制器上除了其他软件模块之外存在的软件模块。

一种计算机程序产品或具有程序代码的计算机程序也是有利的，该程序代码可以存储在机器可读的载体或存储介质、如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且特别是当程序产品或程序在计算机或设备上实施时被用于执行、实现和/或控制根据前述实施方式之一的方法的步骤。

根据本发明的实施方式，前述气体传感器设备的一种实施方式可以在微系统技术中用作平台或基础部件，以便在唯一的芯片上集成并且组合地分析其他传感器功能、诸如压力检测、颗粒检测、λ传感装置、碳氢化合物检测等。

附图说明

随后借助附图示例性地详细解释在此提出的方案。其中：

图1至4G示出根据本发明的一个实施例的气体传感器设备的示意性截面图；和

图5和6示出根据本发明的实施例的方法的流程图。

在本发明的适宜的实施例的随后描述中，对于在不同图中示出的起相似作用的元件使用相同或相似的附图标记，其中放弃对这些元件的重复描述。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的气体传感器设备100的示意性截面图。气体传感器设备100被构造用于检测测量介质M中的至少一种气态分析物。在此，气体传感器设备100被构造用于检测机动车的废气中的例如氮氧化物。因此，在此至少一种气态分析物示例性包括氮氧化物。

根据本发明的在图1中示出的实施例，气体传感器设备100部分地布置在测量介质M中并且部分地布置在参考介质R或参考空气、例如环境空气中。在此，气体传感器设备100能够在使用位置处被布置成，使得气体传感器设备100的第一侧朝向测量介质M并且气体传感器设备100的第二侧朝向参考介质R。替代地，参考介质也可以被实施为闭合的或部分闭合的参考空间。

气体传感器设备100具有第一半导体衬底101和第二半导体衬底102。第一半导体衬底101和第二半导体衬底102例如由硅成型。在此，第一半导体衬底101和第二半导体衬底102例如通过接合、晶片接合、粘贴或类似的被拼接或材料决定地相互连接。仅仅示例性地，在此第一半导体衬底101朝向或能朝向测量介质M来布置并且第二半导体衬底102朝向或能朝向参考介质R来布置。

在气体传感器设备100中布置或成型有调节腔111，以便调节测量介质M的气体组成或能够实现测量介质M的气体组成的调节。在气体传感器设备100中还布置或成型有检测腔112。检测腔112被构造用于检测气态分析物或能够实现气态分析物的检测。此外，在气体传感器设备100中布置或成型有扩散区段113或扩散势垒。扩散区段113被构造用于控制测量介质M在调节腔111和检测腔112之间的扩散。因此调节腔111和检测腔112借助扩散区段113流体上相互连接。扩散区段113是调节腔111和检测腔112之间的壁中的缝隙或类似的。此外，在气体传感器设备100中布置或成型有用于测量介质M进入或用于气体进入到调节腔111中的进入开口114。因此对于测量介质M来说通过进入开口114可到达调节腔111。进入开口114在此可以被实施成，使得该进入开口同样用作扩散势垒。

调节腔111、检测腔112和扩散区段113布置在拼接的半导体衬底101和102之间。在此，调节腔111、检测腔112和扩散区段113在使用至少一种分离工艺、特别是半导体技术、微加工等领域内的工艺之一来产生。

此外，气体传感器设备100具有在使用至少一种分离工艺和至少一种涂层工艺的情况下产生的凹槽区段、固体电解质层和电极，它们参考根据本发明的在图1中示出的实施例的气体传感器设备100、随后也参考图2A至4G来详细描述。

在第一半导体衬底101上布置或产生调节装置121。在此，调节装置121被成型为调节腔111的壁部。调节装置121具有第一固体电解质层和第一电极对。在此，第一固体电解质层布置在第一电极对之间。调节装置121被构造用于关于测量介质M中的伴生气体来调节调节腔111中的测量介质M的气体组成。

在第二半导体衬底102上布置或产生确定装置122。在此，确定装置122被成型为调节腔111的另外的壁部。确定装置122具有第二固体电解质层和第二电极对。在此，第二固体电解质层布置在第二电极对之间。确定装置122被构造用于确定调节腔111中的测量介质M中的伴生气体的含量。

在第二半导体衬底102上还布置或产生检测装置123。在此，检测装置123被成型为检测腔112的壁部。检测装置123具有第三固体电解质层和第三电极对。在此，第三固体电解质层布置在第三电极对之间。检测装置123被构造用于检测检测腔112中的气态分析物。

因此气体传感器设备100也具有调节装置121、确定装置122和检测装置123。在此，调节装置121、确定装置122和检测装置123彼此电分离地布置。

根据一个实施例，气体传感器设备100可以具有至少一个用于调温固定电解质层和附加地或替代地调温电极的调温装置。这样的调温装置可以布置在第一半导体衬底101的范围内和附加地或替代地布置在第二半导体衬底102的范围内。可选地，气体传感器设备100还可以具有用于分析调节装置121、确定装置122和检测装置123的信号的分析装置。这样的分析装置可以集成或布置在第一半导体衬底101的范围内和附加地或替代地集成或布置在第二半导体衬底102的范围内。

根据一个实施例，气体传感器设备100可以具有一个共同的电信号导线和多个单独的电信号导线，该共同的电信号导线能够连接在朝向调节腔和检测腔布置的电极上，所述多个单独的电信号导线能够连接在背向调节腔和检测腔布置的电极上。

图2A示出图1中的气体传感器设备的第一半导体衬底101的示意性截面图。在此，第一半导体衬底101与气体传感器设备的第二半导体衬底分开地示出。还有，在图2A中更详细地示出第一半导体衬底101。关于第一半导体衬底101的制造步骤的图示参考图3A至3H来示出并且详细描述。

在图2A中示出调节装置121中的第一固体电解质层221A和第一电极对，第一电极对具有在调节腔侧在第一固体电解质层221A上布置的第一内电极221B和在测量介质侧在第一固体电解质层221A上布置的第一外电极221C。

从第一半导体衬底101的能够与第二半导体衬底连接的侧出发，在第一半导体衬底101中例如通过挖槽和蚀刻成型或产生用于调节腔的第一凹槽区段231、用于检测腔的第二凹槽区段232和在第一凹槽区段231与第二凹槽区段232之间的用于扩散区段的第三凹槽区段233。

从第一半导体衬底101的可朝向测量介质的侧出发，在第一半导体衬底101中例如通过挖槽和蚀刻成型或产生用于至调节腔的进入开口114的第四凹槽区段234和用于调节装置121的第五凹槽区段235。在此，第四凹槽区段234和第五凹槽区段235参考第一半导体衬底101的主延伸平面被布置在第一凹槽区段231的范围内。

调节装置121在第一凹槽区段231和第五凹槽区段235中作为调节腔的壁部来布置或产生，例如通过从第一凹槽区段231侧切割第一固体电解质层221A和第一内电极221B以及从第五凹槽区段235侧切割第一外电极221C来产生。

此外，在图2A中在第一半导体衬底101的范围内示出气体传感器设备的至少一个蚀刻阻挡层240的多个子区段。在此，蚀刻阻挡层240在第一半导体衬底101的可朝向测量介质的侧上在凹槽区段234和235的范围之外布置或施加在第一半导体衬底101上。此外，蚀刻阻挡层240在第一半导体衬底101的能够与第二半导体衬底连接的侧上除了第一外电极221C的区域之外布置或施加在第一固体电解质层221A和第一半导体衬底101之间。

图2B示出图1中的气体传感器设备的第二半导体衬底102的示意性截面图。在此，第二半导体衬底102与气体传感器设备的第一半导体衬底分开地示出。还有，在图2B中更详细地示出第二半导体衬底102。关于第二半导体衬底102的制造步骤的图示参考图4A至4G来示出并且详细描述。

在图2B中示出确定装置122中的第二固体电解质层222A和第二电极对，第二电极对具有在调节腔侧在第二固体电解质层222A上布置的第二内电极222B和在参考介质侧在第二固体电解质层222A上布置的第二外电极222C。此外，示出检测装置123中的第三固体电解质层223A和第三电极对，第三电极对具有在调节腔侧在第三固体电解质层223A上布置的第三内电极223B和在参考介质侧在第三固体电解质层223A上布置的第三外电极223C。

从第二半导体衬底102的能够与第一半导体衬底连接的侧出发，在第二半导体衬底102中例如通过挖槽和蚀刻成型或产生用于调节腔的第六凹槽区段236、用于检测腔的第七凹槽区段237。

从第二半导体衬底102的可朝向参考介质的侧出发，在第二半导体衬底102中例如通过挖槽和蚀刻成型或产生用于确定装置122的第八凹槽区段238和用于检测装置123的第九凹槽区段239。在此，第八凹槽区段238参考第二半导体衬底102的主延伸平面被布置在第六凹槽区段236的范围内，其中第九凹槽区段239参考第二半导体衬底102的主延伸平面被布置在第七凹槽区段237的范围内。

确定装置122在第六凹槽区段236和第八凹槽区段238中作为调节腔的壁部来布置或产生，例如通过从第六凹槽区段236侧切割第二固体电解质层222A和第二内电极222B以及从第八凹槽区段238侧切割第二外电极222C来产生。

检测装置123在第七凹槽区段237和第九凹槽区段239中作为检测腔的壁部来布置或产生，例如通过从第七凹槽区段237侧切割第三固体电解质层223A和第三内电极223B以及从第九凹槽区段239侧切割第三外电极223C来产生。

此外，在图2B中在第二半导体衬底102的范围内示出气体传感器设备的至少一个蚀刻阻挡层240的多个子区段。在此，蚀刻阻挡层240在第二半导体衬底102的可朝向参考介质的侧上在凹槽区段238和239的范围之外布置或施加在第二半导体衬底102上。此外，蚀刻阻挡层240在第二半导体衬底102的能够与第一半导体衬底连接的侧上除了第二外电极222C的区域之外布置或施加在第二固体电解质层222A和第二半导体衬底102之间以及除了第三外电极223C的区域之外布置或施加在第三固体电解质层223A和第二半导体衬底102之间。

在图2A中示出的第一半导体衬底101和在图2B中示出的第二半导体衬底102可拼接或可连接，以便提供图1中示出的气体传感器设备。因此通过两个半导体衬底101和102或半芯片的拼接可以制造被实施为薄层氮氧化物传感器芯片的气体传感器设备。

图3A至3H示出关于图2A中的第一半导体衬底101的制造的方法步骤或制造状态的截面图。

图3A在此示出未加工状态下的第一半导体衬底101的截面图。第一半导体衬底101例如由硅成型。

图3B示出图3A中的第一半导体衬底101具有第三凹槽区段233的截面图，该第三凹槽区段通过微结构化、例如借助挖槽在第一半导体衬底101中成型。在此，第三凹槽区段233具有第一凹槽深度。

图3C示出图3B中的第一半导体衬底101具有第一凹槽区段231和第二凹槽区段232的部分截面图，所述第一凹槽区段231和第二凹槽区段232通过微结构化、例如借助挖槽在第一半导体衬底101中成型。第一凹槽区段231和第二凹槽区段232在此具有第二凹槽深度，其大于第三凹槽区段233的第一凹槽深度。

图3D示出图3C中的第一半导体衬底101具有至少一个蚀刻阻挡层240的子区段的截面图，该蚀刻阻挡层例如通过沉积和结构化来施加到第一半导体衬底101的表面的部分区域上。至少一个蚀刻阻挡层240例如具有氮化硅（Si₃N₄）。

图3E示出图3D中的第一半导体衬底101具有第四凹槽区段234和第五凹槽区段235的截面图，所述第四凹槽区段234和第五凹槽区段235例如通过蚀刻在第一半导体衬底101中成型。在此，第四凹槽区段234和第五凹槽区段235在使用至少一个蚀刻阻挡层240的情况下被蚀刻。特别是第四凹槽区段234和第五凹槽区段235在该实施例中借助KOH蚀刻来产生。替代地，第四凹槽区段234和/或第五凹槽区段235也可以被分开。在第一凹槽区段231和第五凹槽区段235之间布置有蚀刻阻挡层240的子区段作为辅助薄膜。更确切地说，第一凹槽区段231通过蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜与第五凹槽区段235分开。换句话说，第一凹槽区段231和第五凹槽区段235在蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜处相邻。

图3F示出图3E中的第一半导体衬底101具有第一固体电解质层221A的截面图，所述第一固体电解质层在第一凹槽区段231侧沉积在蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜上。在此，第一固体电解质层221A例如借助脉冲激光沉积（PLD）、溅镀或类似的来沉积。第一固体电解质层221A例如具有离子传导的钇掺杂的氧化锆或ZrO₂陶瓷（YSZ）。

图3G示出图3F中的第一半导体衬底101的截面图，其中从第一固体电解质层221A上部分地去除或清除蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜。更确切地说，蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜在第五凹槽区段235的范围内从第一固体电解质层221A上去除。

图3H示出图3G中的第一半导体衬底101具有第一内电极221B和第一外电极221C的截面图，所述第一内电极221B和第一外电极221C沉积在第一固体电解质层221A上。在此，第一内电极221B在第一凹槽区段231侧布置在第一固体电解质层221A上，其中第一外电极221C在第五凹槽区段235侧布置在第一固体电解质层221A上。在图3H中示出的第一半导体衬底101在这种情况下对应于图2A中的第一半导体衬底。

图4A至4G示出关于图2B中的第二半导体衬底102的制造的方法步骤或制造状态的截面图。

图4A在此示出未加工状态下的第二半导体衬底102的截面图。第二半导体衬底102例如由硅成型。

图4B示出图4A中的第二半导体衬底102具有第六凹槽区段236和第七凹槽区段237的截面图，所述第六凹槽区段236和第七凹槽区段237通过微结构化、例如借助挖槽在第二半导体衬底102中成型。

图4C示出图4B中的第二半导体衬底102具有至少一个蚀刻阻挡层240的子区段的截面图，该蚀刻阻挡层例如通过沉积和结构化来施加到第二半导体衬底102的表面的部分区域上。至少一个蚀刻阻挡层240例如具有氮化硅（Si₃N₄）。

图4D示出图4C中的第二半导体衬底102具有第八凹槽区段238和第九凹槽区段239的截面图，所述第八凹槽区段238和第九凹槽区段239例如通过蚀刻在第二半导体衬底102中成型。在此，第八凹槽区段238和第九凹槽区段239在使用至少一个蚀刻阻挡层240的情况下被蚀刻。特别是第八凹槽区段238和第九凹槽区段239借助KOH蚀刻来产生。在第六凹槽区段236和第八凹槽区段238之间以及在第七凹槽区段237和第九凹槽区段239之间分别布置有蚀刻阻挡层240的子区段作为辅助薄膜。更确切地说，第六凹槽区段236和第八凹槽区段238以及第七凹槽区段237和第九凹槽区段239通过蚀刻阻挡层240的相应子区段或相应辅助薄膜而彼此分开。换句话说，第六凹槽区段236和第八凹槽区段238在蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜处相邻并且第七凹槽区段237和第九凹槽区段239在蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜处相邻。

图4E示出图4C中的第二半导体衬底102具有第二固体电解质层222A和第三固体电解质层223A的截面图，所述第二固体电解质层222A在第六凹槽区段236侧沉积在蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜上，所述第三固体电解质层223A在第七凹槽区段237侧沉积在蚀刻阻挡层240的另外的子区段或另外的辅助薄膜上。在此，第二固体电解质层222A和第三固体电解质层223A例如借助脉冲激光沉积（PLD）、溅镀或类似的来沉积。第二固体电解质层222A和第三固体电解质层223A例如具有离子传导的钇掺杂的氧化锆或ZrO₂陶瓷（YSZ）。

图4F示出图4E中的第二半导体衬底102的截面图，其中从第二固体电解质层222A和第三固体电解质层223A上部分地去除或清除蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜。更确切地说，蚀刻阻挡层240的子区段或辅助薄膜在第八凹槽区段238的范围内从第二固体电解质层222A上去除，其中蚀刻阻挡层240的另外的子区段或另外的辅助薄膜在第九凹槽区段239的范围内从第三固体电解质层223A上去除。

图4G示出图4F中的第二半导体衬底102具有第二内电极222B和第二外电极222C以及第三内电极223B和第三外电极223C的截面图，所述第二内电极222B和第二外电极222C沉积在第二固体电解质层222A上，所述第三内电极223B和第三外电极223C沉积在第三固体电解质层223A上。在此，第二内电极222B在第六凹槽区段236侧布置在第二固体电解质层222A上，其中第二外电极222C在第八凹槽区段238侧布置在第二固体电解质层222A上。此外，第三内电极223B在第七凹槽区段237侧布置在第三固体电解质层223A上，其中第三外电极223C在第九凹槽区段239侧布置在第三固体电解质层223A上。在图4G中示出的第二半导体衬底102在这种情况下对应于图2B中的第二半导体衬底。

参照图1至图4G示出和描述根据本发明的一个实施例的被实施为薄层NOx传感器的气体传感器设备100。基于半导体的薄层NOx传感器或气体传感器设备100在此由两个半导体衬底101和102或微芯片构造。这样的气体传感器设备100的制造和运行随后参照图1至图4G来解释。

借助典型的微结构化工艺、例如挖槽、KOH蚀刻等在半导体衬底101和102中制造合适的凹槽区段231至239或空腔。对于半导体衬底101和102例如可以使用硅（Si）、碳化硅（SiC）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）以及其他能够借助半导体技术中的工艺来加工的材料。传感器功能基于被沉积为薄层的固体电解质层221A、222A和223A的离子传导的钇掺杂的ZrO₂陶瓷（YSZ）。可能的沉积方法例如包括脉冲激光沉积（PLD）、溅镀、原子层沉积（ALD）或类似的。用于电极221B、221C、222B、222C、223B和223C的电极材料例如包括由Pt、Rh、Au、Re、Hf、Zr等构成的化合物，其中沉积例如借助溅镀法或湿法化学沉积法来实现。

两个半导体衬底101和102借助晶片接合、例如Si直接接合来拼接。在此产生调节腔111、检测腔112和扩散区段113。在调节腔111和检测腔112之间的作为扩散区段113的细的缝隙在此用作扩散势垒。第八凹槽区段238和第九凹槽区段239可以实施为参考空气腔。这样的参考空气腔可以类似于常规的氧气传感器实施为真实的参考，即具有参考空气通道，或者封闭地实施为被泵吸的参考。

为了运行气体传感器设备100或为了传感器运行，在腔111和112内布置的电极、即内电极221B、222B和223B可以互连，使得仅需要一个共同的信号导线来电接触这些内电极。在腔111和112外布置的电极、即外电极221C、222C和223C分别与自身的导线连接。因此对于气体传感器设备100的电极总共得出仅仅四个信号导线。可以添加两个另外的信号导线，其用于控制加热器或调温装置。在此，气体传感器设备100可以作为整体被加热或者可以借助例如三个并联或串联的薄膜加热器仅仅加热被实施为能斯特单元或泵单元的调节装置121、确定装置122和检测装置123。气体传感器设备100具有例如大约3毫米乘3毫米乘1毫米的几何尺寸。

在检测作为气态分析物的氮氧化物时，如其例如参照图6所描述的那样，测量介质M或待测量的气体通过第一半导体衬底101中的裸露蚀刻的开口到达调节腔111中。在此，可以借助确定装置122的第二内电极222B和第二外电极222C之间的能斯特电压测量当前在调节腔111中存在的作为伴生气体的氧气的含量。通过将泵电压施加到第一内电极221B（其对于O₂是选择性灵敏的，例如是Au-Pt金属陶瓷）和第一外电极221C上，氧气可以从调节腔111中出来或被泵吸到调节腔111中。例如调节泵电压，使得在调节腔111中尽可能恒定地存在低的氧含量。通过调节腔111和检测腔112之间的被实施为细的缝隙的扩散区段113（该扩散区段用作扩散势垒），关于氧含量调节的测量介质M到达检测腔112中。在例如由Pt-Rh金属陶瓷成型的第三内电极223B上，由于其催化活性，在检测腔112中当前的氮氧化物分解成氮气和氧气并且当前的分子氧分解成原子氧。通过将泵电压施加到第三内电极223B和第三外电极223C上，氧从检测腔112中去除。因为调节腔112中的作为伴生气体的分子氧的浓度被调节到额定值上并且是已知的，所以借助第三内电极223B和第三外电极223C之间的泵电流可以推断出测量介质M中的氮氧化物的浓度。

图5示出根据本发明的一个实施例的方法500的流程图。该方法500是用于制造用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的气体传感器设备的方法。通过实施方法500可以制造如图1至图4G中的气体传感器设备那样的气体传感器设备。特别是，当实施方法500时，在此得出在图3A至4G中示出的制造状态的至少一个子集。

在步骤510中，在使用至少一种分离工艺和至少一种涂层工艺的情况下加工第一半导体衬底和第二半导体衬底，以便在第一半导体衬底和第二半导体衬底中产生凹槽区段、固体电解质层和电极。

在随后的步骤520中，将第一半导体衬底和第二半导体衬底拼接，以便在第一半导体衬底和第二半导体衬底之间产生用于调节测量介质的气体组成的调节腔、用于检测气态分析物的检测腔和用于控制测量介质在调节腔和检测腔之间的扩散的扩散区段。

图6示出根据本发明的一个实施例的方法600的流程图。该方法600是用于检测测量介质中的至少一种气态分析物的方法。方法600能够有利地结合如图1至图4G中的气体传感器设备那样的气体传感器设备来实施。

在步骤610中提供如图1至图4G中的气体传感器设备那样的气体传感器设备。在随后的步骤620中，确定气体传感器设备的调节腔中的测量介质的伴生气体的含量。然后，在随后的步骤630中，关于伴生气体调节调节腔中的测量介质的气体组成。然后，在步骤640中，检测扩散到检测腔中的测量介质中的气态分析物。

实施为基于氧化锆的氮氧化物传感器的气体传感器设备（该气体传感器设备被实施为双腔系统）的功能例如特别是基于固体电解质层的ZrO₂陶瓷的氧离子传导能力。在调节腔中，借助选择性的泵电极和测量电极将氧含量调节到尽可能恒定的低的值上。测量介质的气体混合物通过扩散区段到达检测腔中。在那里的内电极上，在气体混合物中包含的氮氧化物分解。在此变得自由的氧连同在调节腔中被调节的氧含量被泵出。所产生的泵电流直接与测量介质中的氮氧化物浓度成比例并且因此用作传感器信号。

所描述的并且在附图中示出的实施例仅仅示例性地选择。不同的实施例可以完全或关于各个特征相互组合。一个实施例也可以通过另外实施例的特征来补充。

此外，在此提出的方法步骤可以被重复以及以不同于所描述的顺序来实施。

如果实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”连接，则这应该理解为：根据一种实施方式的实施例不仅具有第一特征而且具有第二特征，而根据另一种实施方式的实施例或者仅具有第一特征或者仅具有第二特征。