用于氢测量的半导体设备和测量介质中的氢浓度的方法与流程

本技术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。

背景技术：

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、本技术的目的是创建一种用于氢测量的半导体设备，该半导体设备独立于外部影响执行氢测量。

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层，传感器层在与氢接触时改变其机械应力，并且其中传感器芯片还具有用于检测应力变化的传感器，其中半导体设备的结构为传感器层和/或传感器提供免受其他机械应力的保护。在与氢接触时改变其机械应力的传感器层也称作氢活性传感器层。

3、此外，提出了一种用于借助于这种半导体设备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于半导体设备。因此，例如可以将半导体设备理解为可作为氢传感器出售的设备。可以特别有利地借助基本上由半导体制造的传感器芯片来实现氢测量，所述传感器芯片可以容易地以高件数廉价且可靠地制造。

5、这种传感器芯片具有传感器层，传感器层在与氢接触时改变其机械应力。即，使用如下效应：即在一些材料中，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、为了检测传感器层的机械应力的变化，传感器芯片具有传感器。在此，可以是根据传感器层中的机械应力的变化而输出变化的电信号(即电压或电流)的电路。

7、在下文中详述实现测量机械应力变化的物理效应。例如，桥式电路也可以用作用于检测应力变化的传感器，应力变化在机械应力变化的情况下例如产生差分电压，于是差分电压代表该机械应力变化。半导体设备的结构被设计为，使得其为传感器层或传感器提供免受其他机械应力的保护。其他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。

8、氢测量例如可以通过将传感器层与具有压电效应的基于半导体的压力敏感的传感器耦合，其例如具有带有压阻通道或蜿蜒型压阻器的基于cmos的晶体管结构。磁传感器也是可行的，传感器例如基于磁阻效应。对此的示例是使用压磁效应的传感器，例如压电霍尔效应，或者例如xmr传感器。

9、用于借助于半导体设备测量介质中的氢浓度的方法实现对氢(h2)的检测。用于测量氢浓度的半导体设备或方法可以进行校准，以便可以将测量值直接例如与氢浓度相关联。

10、通过在本文中列出的措施和改进形式可以有利地改进上述半导体设备。

11、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层和/或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芯片或传感器层或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。

12、此外提出：传感器芯片还具有其上附接有传感器层和传感器的衬底，其中可变形的机构在衬底中具有一个或多个沟槽，沟槽至少部分地包围传感器层和传感器。通过沟槽，可以将不期望的机械应力引导绕过传感器或传感器层，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术制造。例如，可以通过干法或湿法化学的蚀刻来制造沟槽。一个或多个沟槽不必完全包围传感器或传感器层，而是通过沟槽进行部分包围就足够。

13、衬底例如是未掺杂的硅或二氧化硅或其他电绝缘材料。

14、在多个实施方式中设有空腔壳体，空腔壳体具有开口，空腔经由开口与环境相连，其中可变形的机构包括传感器芯片的布线。在此，空腔和环境可以具有气态介质。在此，氢测量应当测量在介质中存在的氢分子。在此提出：使氢分子经由开口朝传感器层的方向到达。借助布线表示电连接，例如施加的导线或键合线，电连接对传感器或传感器层供电并传输信号。

15、此外提出：设有空腔壳体，空腔壳体具有开口，空腔经由开口与环境相连，其中可变形的机构包括传感器芯片与空腔壳体的壁的粘合连接、特别是传感器芯片的衬底与空腔壳体的壁的粘合连接。借助粘合连接，可以在没有输送热能量的情况下可靠且持久地连接要连接部件。粘合连接尤其可以被设计为是软的，使得其提供免受其他机械应力的保护。

16、在多个实施方式中，传感器的应力变化的检测取决于压阻效应和/或压磁效应。即，传感器具有显示压阻效应或压磁效应的区域。氢引起传感器层中的机械应力变化。传感器层与传感器连接，例如机械连接，并且由此将机械应力变化传输到传感器。机械应力变化通过压阻效应或压磁效应通过传感器直接或间接地转化为至少一个电参数的变化，例如电压或电流的变化。压电效应将机械应力变化变换成电和/或磁变化。

17、例如，氧化铟或氧化锡可以用作这种具有压电效应的传感器的材料。

18、在压阻效应的情况下，如果将机械应力施加到这种材料上，则改变半导体或金属的电阻。压阻效应已经应用于半导体本身。然而，还存在对于金属硅混合结构的所谓的大压阻效应。

19、压磁效应是在一些反铁磁和铁磁晶体中观察到的现象。在此，磁极化受机械应力的影响。另一方面，还可以通过使用磁场来引起这种材料中的物理变形。

20、在一个实施方式中，传感器的应力变化的检测包括差值测量。使用差值测量在测量技术中是用以消除由不期望的影响所造成的效应的可靠方法。因此，如果在要减去的变量中以相同的程度出现所述效应，则其通过形成差值来消除。此外，可以通过差值测量来提高精度。

21、此外提出：传感器具有带有压阻通道的晶体管，例如场效应晶体管中的漏极和源极。借此，可以通过相应的晶体管电路进行精确测量。在此，例如可以使用所谓的电流镜，其中输出电流根据具有压阻通道的晶体管而受到影响。

22、此外可行的是：半导体设备的结构具有传感器芯片的带有暴露的传感器层的浇注区域，其中浇注料的热膨胀系数被选择为，使得浇注料为传感器和/或传感器层提供免受热引起的其他机械应力的保护。在此，浇注料例如可以具有树脂，特别是浇注树脂。

23、为了制造这种半导体设备，其中半导体设备的结构具有传感器芯片的具有暴露的传感器层的浇注区域，并且其中浇注料的热膨胀系数被选择为，使得其为传感器和/或传感器层提供免受热引起的其他机械应力的保护，例如可以选择膜辅助模塑方法或针模塑方法。