DE102007006444B4

DE102007006444B4 - Mikrotriebwerk, insbesondere zur Verwendung als Lageregelungstriebwerk, Kleintriebwerk sowie Verfahren zum Herstellen eines Mikrotriebwerks

Info

Publication number: DE102007006444B4
Application number: DE200710006444
Authority: DE
Inventors: Dr. Friedberger Alois; Georg Schulte; Dr. Müller Gerhard; Dimitri Telitschkin; Dr. Ziegenhagen Stefan
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Astrium GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; ArianeGroup GmbH
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: US8407980B2; RU2008103481A; RU2454560C2; US20090120056A1; DE102007006444A1; FR2912471A1; FR2912471B1; CN101285433A; CN101285433B

Abstract

Mikrotriebwerk (1), insbesondere zur Verwendung als Lageregelungstriebwerk, mit – einer Brennkammer (2) aus einem Substrat (3), welches insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Material oder Werkstoff gebildet ist, wobei die Brennkammer (2) einen Treibstoffeinlass und einen Gasaustritt zu einer an die Brennkammer (2) angrenzenden Schubdüse umfasst, und – einer ersten, in der Brennkammer (2) angeordneten Widerstandsheizung (8), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Widerstandsheizung (8) einem Katalysator (7) zum Zersetzen von in die Brennkammer (2) eingebrachtem Treibstoff zugeordnet ist, wobei durch die erste Widerstandsheizung (8) erste Substratmaterialabschnitte (9), welche den Katalysator (7) ausbilden und aus dem Substratmaterial der Brennkammer (2) gebildet sind, auf eine vorgegebene Temperatur oder einen vorgegebenen Temperaturbereich erwärmbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrotriebwerk, insbesondere zur Verwendung als Lageregelungstriebwerk, mit einer Brennkammer aus einem Substrat, welches insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Material/Werkstoff gebildet ist, wobei die Brennkammer einen Treibstoffeinlass und einen Gasaustritt zu einer an die Brennkammer angrenzenden Schubdüse umfasst. Das Mikrotriebwerk umfasst ferner eine erste, in der Brennkammer angeordnete Widerstandsheizung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kleintriebwerk. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrotriebwerks mit einer Brennkammer, welche einen Treibstoffeinlass und einen Gasaustritt zu einer an die Brennkammer angrenzenden Schubdüse sowie eine erste, in der Brennkammer angeordnete und einem Katalysator zugeordnete Widerstandsheizung umfasst.
Mikrotriebwerke, die als Satelliten-Laderegelungstriebwerke verwendet werden, werden bspw. durch sog. Monergol-Hydrazintriebwerke ausgebildet. Üblicherweise werden diese Mikrotriebwerke mit einer Heizung, z. B. in Form einer elektrischen Widerstandsheizung, ausgerüstet. Die Heizung wird typischerweise außen auf eine Brenn- oder Zersetzungskammer montiert. Die Heizung heizt die Brennkammer mittels Wärmetransports durch eine Kammerwandung auf eine definierte Starttemperatur. Nachteilig an der außerhalb der Brennkammer angeordneten Heizung ist eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Inneren der Brennkammer. Darüber hinaus erfordert die Trägheit der Wärmeübertragung einen verhältnismäßig hohen Zeitaufwand und dadurch bedingt einen proportionalen Aufwand an elektrischer Energie. Da die in einem Satelliten zur Verfügung stehende elektrische Energie begrenzt ist, ist ein möglichst effizienter Umgang mit dieser anzustreben.
Es ist deshalb bekannt, die Heizung im Inneren der Brennkammer vorzusehen. Dies ist bspw. in dem Artikel „Systems Design and Performance of Hot and Cold Supersonic Microjets”, Robert L. Bayt, Kenneth S. Breuer, AIAA-2001-0721, 39^th AIAA Aerospace Finances Meeting and Exhibit, 8. bis 11. Januar 2001 Reno, Nevada beschrieben.
Aus der US 3,603,093 ist ein Mikrotriebwerk mit einer Brennkammer aus einem Substrat bekannt, bei dem eine Widerstandsheizung um die Brennkammer herum angeordnet ist. Ein als separates Bauteil des Mikrotriebwerks vorgesehener Katalysator wird dabei indirekt über die Heizung des Brennkammergehäuses erwärmt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrotriebwerk, insbesondere ein als Monergol-Hydrazintriebwerk ausgebildetes Lageregelungstriebwerk für einen Satelliten, anzugeben, bei welchem mit geringem Aufwand die Effizienz des Mikrotriebwerks weiter verbessert und der Energieverbrauch verringert werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Mikrotriebwerks anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Ein gattungsgemäßes Mikrotriebwerk zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste, in der Brennkammer angeordnete Widerstandsheizung einem Katalysator zum Zersetzen von in die Brennkammer eingebrachtem Treibstoff zugeordnet ist, wobei durch die erste Widerstandsheizung erste Substratmaterialabschnitte, welche den Katalysator ausbilden und aus dem Substratmaterial der Brennkammer gebildet sind, auf eine vorgegebene Temperatur oder einen vorgegebenen Temperaturbereich erwärmbar sind. Hierdurch ist es möglich, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Katalysator herbeizuführen, wobei die Trägheit der Wärmeübertragung gering ist. Dadurch kann der Katalysator in verhältnismäßig kurzer Zeit auf die erforderliche Temperatur oder den erforderlichen Temperaturbereich erwärmt werden. Der Aufwand an elektrischer Energie hierzu ist gering.
Die erste Widerstandsheizung kann durch die ersten Substratmaterialabschnitte des Katalysators selbst ausgebildet sein. Als Material oder Werkstoff für das Substrat und die Substratmaterialabschnitte kommen insbesondere Silizium oder Silizium-Carbid (SiC) in Betracht. Alternativ kann das Substrat aus Saphir gebildet sein, wobei die Substratmaterialabschnitte in dieser Variante z. B. aus einer Keramik gebildet sind.
Die Zersetzungsgüte des Treibstoffes ist von der Temperatur des Katalysators abhängig. Zu niedrige (Start-)Temperaturen an dem Katalysator führen zu dessen schnellen Degradation, d. h. einer mechanischen Zerstörung des Katalysators. Um dies zu vermeiden, werden Brennkammern katalytischer Mikrotriebwerke mit der ersten Widerstandsheizung ausgestattet. Vor jeder Betriebsaufnahme wird der Katalysator auf eine erforderliche, minimal zulässige Betriebstemperatur aufgeheizt. Durch die direkte Ausnutzung der elektrischen Eigenschaften des Katalysators, in dem der Katalysator selbst die erste Widerstandsheizung ausbildet, können Verluste verkleinert werden, welche erforderlich zum Mitheizen der Brennkammer sind. Dadurch kann der elektrische Energiehaushalt eines Satelliten optimiert werden. Ferner kann die Lebensdauer des Katalysators vergrößert werden.
Es ist zweckmäßig, wenn die ersten Substratmaterialabschnitte zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial beschichtet sind und die erste Widerstandsheizung durch die Katalysatorschicht ausgebildet ist. Als Katalysatormaterial kann z. B. Platin verwendet werden. Hierbei ist es ferner zweckmäßig, wenn zwischen der Katalysatorschicht und den ersten Substratmaterialabschnitten zumindest teilweise eine Isolierschicht angeordnet ist. Die Isolierschicht ermöglicht es, die Katalysatorschicht als erste Widerstandsheizung auszubilden.
Die Effizienz des Katalysators wird weiterhin verbessert, wenn die ersten Substratmaterialabschnitte in der Brennkammer eine zumindest teilweise poröse Oberflächenstruktur aufweisen. Die Porosität ist durch einen elektrochemischen Prozess unter Verwendung eines Elektrolyten herstellbar. Das Durchleiten von Strom durch die ersten Substratmaterialabschnitte selbst ist unter Umständen schwierig, wenn diese derart porös sind, dass sich einzelne Körner bilden, die sich nicht mehr berühren. Dies muss bei der Erstellung der porösen Oberflächenstruktur der ersten Substratmaterialabschnitte berücksichtigt werden. Die Porosität ist durch die Wahl der Elektrolytkonzentration und/oder der Stromdichte und/oder einem spezifischen Widerstand des Substratmaterials einstellbar. Als elektrochemischer Prozess kann in bekannter Weise ein Ätzprozess angewendet werden, wobei die ersten Substratmaterialabschnitte ganz oder an deren gesamter Oberfläche porös gemacht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist eine zweite Widerstandsheizung im Inneren der Brennkammer zwischen dem Katalysator und dem Gasaustritt angeordnet, um ein den Katalysator verlassendes Gas zu erwärmen. Dies ist vorteilhaft, um den Wirkungsgrad zu steigern. Dabei wird das den Katalysator verlassende Gas noch in der Brennkammer, d. h. vor dem Eintritt in die Schubdüse, erhitzt. Dabei erfolgt die Gas-Nachbeheizung nicht von außen, sondern im Inneren der Brennkammer durch die zweite Widerstandsheizung. Die zweite Widerstandsheizung kann hierbei durch zweite Substratmaterialabschnitte ausgebildet sein, welche optional aus dem Substratmaterial gebildet sind. Hierbei wird Strom durch die insbesondere säulenförmig ausgebildeten zweiten Substratmaterialabschnitte geleitet.
Eine weitere Ausbildung sieht vor, dass die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte aus dem Substratmaterial der Brennkammer heraus durch einen mechanischen oder einen chemischen Vorgang erzeugt sind, so dass ein Boden der Brennkammer erzeugt ist, von welchem aus die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte jeweils säulenartig in das Innere eines Brennkammervolumens ragen. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn ein erster Säulenabstand der ersten Substratmaterialabschnitte unterschiedlich, insbesondere kleiner, als ein zweiter Säulenabstand der zweiten Substratmaterialabschnitte ist.
Das Brennkammervolumen ist durch eine Deckschicht der Brennkammer begrenzt, welche an die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte angrenzt. Die Deckschicht ist zweckmäßigerweise aus einem strukturierten SOI-Wafer (SOI = Silicon an Insulator) gebildet, wobei über die Deckschicht eine elektrische Kontaktierung der ersten und/oder der zweiten Widerstandsheizung erfolgt. Die Verbindung zwischen der Deckschicht und dem Substratmaterial kann bspw. durch Direktbonden oder eutektisches Bonden oder Glaslot oder Keramikkleber oder durch Löten erfolgen. Durch das Vorsehen der elektrischen Kontaktierung der ersten und/oder der zweiten Widerstandsheizung über die Deckschicht ergibt sich die Möglichkeit, die erste und die zweite Widerstandsheizung unabhängig von einander zu beheizen.
Ein SOI-Wafer besteht aus einem Silizium-Substrat, einer darauf angeordneten isolierenden SiO₂-Schicht und einer auf dieser angeordneten Silizium-Schicht. Der SOI-Wafer kann durch bekannte mikrosystemtechnische Verfahren strukturiert und mit der Grundstruktur, d. h. dem bereits bearbeiteten Substrat des Mikrotriebwerks, verbunden werden. Dabei ist es möglich, ohne Kurzschlüsse sowohl die erste Widerstandsheizung als auch die zweite Widerstandsheizung zu kontaktieren und unabhängig voneinander anzusteuern. Dennoch ist eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet.
Die Leitfähigkeit der ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte lässt sich durch eine entsprechende Dotierung des Substratmaterials einstellen. Hierdurch lässt sich der Widerstand regulieren. Bei hohen Betriebstemperaturen setzt eine Eigenleitung ein, so dass der Einfluss der Dotierung mehr und mehr in den Hintergrund tritt. Die Leitfähigkeit wird dann vor allem durch die Geometrie, d. h. den Querschnitt, die Höhe und Anzahl der ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Deckschicht einen umlaufenden Randabschnitt auf, der zumindest teilweise in einer Montageebene liegt, mit welcher die Deckschicht mit dem Substrat verbunden ist, und einen von dem Randabschnitt umlaufenen Funktionsbereich, der gegenüber der Montageebene zurückgesetzt ist, wobei in dem Funktionsbereich eine Schichtanordnung aus einer Isolationsschicht, einer Metallisierungslage und einer Passivierungsschicht vorgesehen ist, wobei die Schichtanordnung nicht über die Montageebene hinaus ragt. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die durch die Metallisierungslage ausgebildete erste und/oder zweite Widerstandsheizung auf einfache und zuverlässige Weise zu kontaktieren. Da sich unter Umständen ein Kanal ausbilden kann, welcher das Brennkammervolumen nach außen verbindet, ist es zweckmäßig, diesen Kanal vollständig mit dem Material der Passivierungsschicht aufzufüllen, und dann alles abzuschleifen und zu polieren, um eine plane Oberfläche zu erhalten. Hiernach kann der Verbindungsprozess zwischen der Deckschicht und dem vorbereiteten Substrat erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem umlaufenden Randabschnitt ein Zuleitungsabschnitt vorgesehen ist, welcher Teil des Funktionsbereichs ist, wobei ein Zwischenraum zwischen der Passivierungsschicht und der Montageebene durch Passivierungsmaterial oder Füllpaste aufgefüllt ist. Die Füllpaste kann hierbei über eine Bohrung in dem Substratmaterial eingefüllt werden. Dies erfolgt bevorzugt nach dem Verbindungsvorgang von Deckschicht und Substrat. Hierdurch wird ferner sichergestellt, dass die Brennkammer ein in sich abgeschlossenes Brennkammervolumen aufweist, wobei lediglich der Treibstoffeinlass und der Gasaustritt vorgesehen sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Widerstandsheizung und/oder die zweite Widerstandsheizung durch eine mäanderförmige Leiterstruktur aus einem Metall gebildet, welche insbesondere an der Deckschicht angeordnet ist.
Ferner kann ein erstes Mittel zum Erfassen eines ersten Widerstands der ersten Widerstandsheizung und/oder ein zweites Mittel zum Erfassen eines zweiten Widerstands der zweiten Widerstandsheizung vorgesehen sein, wobei der erste Widerstand und/oder der zweite Widerstand einem dritten Mittel zur Ermittelung einer ersten Temperatur aus dem ersten Widerstand und einer zweiten Temperatur aus dem zweiten Widerstand zuführbar sind. Auf diese Weise kann die Temperatur sowohl des Katalysators als auch der Gas-Nachheizung über den Widerstand der ersten bzw. zweiten Widerstandsheizung gemessen werden.
Dies erfolgt auf einfache Weise durch das Messen von Strom und Spannung. Hierdurch kann der Herstellungsaufwand gesenkt werden, da auf das Einbringen von Temperatursensoren in die Brennkammer verzichtet werden kann.
Zusätzlich kann ein Temperatursensor außerhalb der Brennkammer angeordnet und mit dem dritten Mittel gekoppelt sein zur Kompensation einer Widerstandsdrift des ersten und zweiten Widerstands. Immer wenn das Triebwerk nicht in Betrieb ist, d. h. Brennkammertemperatur und Temperatur des Referenz-Temperatursensors gleich sind, kann eine Offset-Korrektur erfolgen, da in diesem Falle beide Temperaturen gleich sein müssen.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine dritte Heizung, insbesondere eine Widerstandsheizung, vorgesehen, welche der Schubdüse zugeordnet ist. Hierdurch kann die Leistung des Mikrotriebwerks erhöht werden.
Wie weiter oben bereits ausgeführt, wird als Material für das Substrat Silizium oder Silizium-Carbid verwendet. Es ist möglich, sowohl Silizium als auch Silizium-Carbid zu porösizieren. Auch bei Silizium-Carbid sind sämtliche beschriebene Verbindungstechnologien einsetzbar.
Bei der Verwendung von Saphir anstelle von Silizium oder Silizium-Carbid als Material für das Substrat erreicht man eine noch höhere Temperaturbeständigkeit. Saphir erlaubt ebenfalls Bond-Prozesse zur Verbindung von Deckschicht und Substrat. Nachteilig ist jedoch eine schwierigere Bearbeitung, da die groben Strukturen mechanisch zu erzeugen sind. Zur Erzeugung eines großflächigen Katalysators ist eine entsprechend poröse und mit Katalysatormaterial beschichtete Struktur vor dem Waferbonden in die Brennkammer einzudringen, was bspw. durch eine mit Platin beschichtete poröse Keramik bewerkstelligt werden kann.
Von der Erfindung ferner umfasst ist ein Kleintriebwerk, welches eine Mehrzahl an Mikrotriebwerken der vorstehend beschriebenen Art umfasst. Dabei ist die Mehrzahl an Mikrotriebwerken bevorzugt in einem Array angeordnet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines gattungsgemäßen Mikrotriebwerks umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats, insbesondere Silizium, Silizium-Carbid oder Saphir; Erzeugen von ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitten aus dem Substrat durch einen mechanischen oder chemischen Vorgang, so dass ein Boden der Brennkammer erzeugt ist, von welchem aus die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte jeweils säulenartig in das Innere eines Brennkammervolumens ragen; zumindest teilweises Beschichten der ersten Substratmaterialabschnitte mit einem Katalysatormaterial; Bereitstellen einer strukturierten Deckschicht, insbesondere in Form eines SOI-Substrats, mit einer Metallstruktur; Aufbringen der Deckschicht auf das strukturierte Substrat und Verbinden, so dass das Brennkammervolumen durch die Deckschicht der Brennkammer begrenzt ist und die Metallstruktur nahe zu den ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitten zum Liegen kommt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Herstellung einer Heizung für einen Katalysator, sowie optional die Herstellung einer Gas-Nachbeheizung, im Inneren der Brennkammer des Mikrotriebwerks auf einfache und effiziente Weise möglich.
Die ersten Substratmaterialabschnitte werden zweckmäßigerweise vor dem Beschichten mit dem Katalysatormaterial mit einer zumindest teilweise porösen Oberflächenstruktur versehen, indem diese mit einem Elektrolyten vorgegebener Elektrolytkonzentration behandelt werden oder mit einer porösen Schicht beschichtet werden.
Zwischen den ersten Substratmaterialabschnitten und dem Katalysatormaterial wird zweckmäßigerweise eine Isolationsschicht aufgebracht, wodurch das Katalysatormaterial selbst als Widerstandsheizung dienen kann.
Durch die Metallstruktur, welche auf der Deckschicht angebracht ist, werden die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte oder das Katalysatormaterial auf den ersten Substratmaterialabschnitten elektrisch angeschlossen. Die Verwendung bekannter Herstellungsschritte aus der Mikrosystemtechnik ermöglicht dadurch eine einfache und effiziente Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrotriebwerks.
Die Deckschicht und das Substrat können durch Direktbonden, eutektisches Bonden, Glaslot, Keramikkleber oder Löten miteinander verbunden werden. Direktbonden bietet sich an, wenn die Deckschicht und das Substrat bzw. die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte aus Silizium gebildet sind. Bei der Verwendung von Glaslot ist die Temperaturbeständigkeit zu beachten. Beim Keramikkleber ist die Gasdichtheit zu beachten. Beim Löten, insbesondere einem Aktivlöten, muss der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient von Metall berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird in der Deckschicht durch einen Abtragvorgang ein umlaufender Randabschnitt erzeugt, der zumindest teilweise in einer Montageebene liegt, mit welcher die Deckschicht mit dem Substratmaterial verbunden wird, wobei ein von dem Randabschnitt umlaufender Funktionsbereich erzeugt wird, der gegenüber der Montageebene zurückgesetzt ist. Diese Vorgehensweise bietet sich an, um bspw. eine Widerstandsheizung in Form einer auf der Deckschicht aufgebrachten Metallmäander zu kontaktieren, ohne das Verbinden der Deckschicht und des Substrats, z. B. durch Direktbonden oder eutektisches Bonden, zu erschweren und dennoch eine Dichtheit der Brennkammer sicher zu stellen. Die Methode kann angewendet werden, um Strukturen analog den mäanderförmigen Heizungen als Temperatursensoren zu verwenden, um die Temperaturdaten zur Prozesskontrolle zu verwenden. Dazu kann im Rahmen des Abtragsvorganges eine wenige Mikrometer tiefe Vertiefung geätzt werden, wobei ein breiter äußerer Rand, welcher nicht dem Ätzvorgang ausgesetzt wird, den Randabschnitt ausbildet. Der Randabschnitt wird im Rahmen des Verbindungsvorgangs mit dem Substrat verbunden.
Es ist zweckmäßig, wenn in dem Funktionsbereich eine Schichtanordnung aus einer Isolationsschicht, einer Metallisierungslage und einer Passivierungsschicht derart erzeugt wird, dass die Schichtanordnung nicht über die Montageebene hinaus ragt. Im Rahmen des Abtragsvorgangs wird in dem umlaufenden Randabschnitt ein Zuleitungsabschnitt ausgebildet, welcher Teil des Funktionsbereichs ist, wobei ein Zwischenraum zwischen der Passivierungsschicht und der Montageebene durch Passivierungsmaterial aufgefüllt wird. Nach dem Aufbringen des Passivierungsmaterials der Passivierungsschicht kann die Deckschicht abgeschliffen und poliert werden, um eine plane Oberfläche zu erhalten und schließlich das Bonden mit dem Substrat zu ermöglichen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Zuleitungsabschnitt nach dem Vorgang des Verbindens von Deckschicht und Substrat mit einer Füllpaste gefüllt, wobei die Füllpaste über eine Bohrung in der Deckschicht oder dem Substrat im Bereich des Zuleitungsabschnitts eingebracht wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, zunächst die Deckschicht mit dem Substrat zu verbinden und erst hiernach eine Abdichtung der Brennkammer vorzunehmen.
Ferner ist es möglich, dass auf die Rückseite des Substrats eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht aufgebracht wird, die nur im Bereich der ersten Substratmaterialabschnitte geöffnet ist. Dies schränkt Stromfluss durch die Rückseite auf diese Öffnung ein, wodurch beim elektrochemischen Prozess nicht die gesamte Vorderseite, sondern vorzugsweise der Bereich der ersten Substratmaterialabschnitte, d. h. die Säulen, mit einer porösen Oberflächenstruktur versehen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Mikrotriebwerks,
2 einen Schnitt durch einen Abschnitt eines strukturierten Substrats eines Mikrotriebwerks in einer Seitenansicht,
3 die Draufsicht auf eine Hälfte eines Mikrotriebwerks,
4 eine Schnittansicht des in 2 gezeigten Substrats mit einer darauf aufgebrachten Deckschicht,
5 eine Deckschicht in Form eines unstrukturierten SOI-Wafers,
6 den SOI-Wafer aus 5, welcher mit einer Strukturierung versehen ist,
7 den in 6 gezeigten SOI-Wafer auf einem Substrat gemäß 2,
8 eine Schnittansicht durch einen Teil eines Mikrotriebwerks, aus der auf der Deckschicht aufgebrachte Widerstandsheizungen hervorgehen,
9 eine strukturierte und mit einer Metallisierungslage versehene Deckschicht in einer Draufsicht,
10 einen Schnitt durch die in 9 gezeigte Deckschicht,
11 die in 9 und 10 gezeigte Deckschicht, welche auf ein Substrat aufgebracht ist,
12a eine der Deckschicht aus 9 entsprechende Deckschicht,
12b ein Substrat mit einer Ausnehmung, und
12c eine schematische Darstellung eines Mikrotriebwerks nach dem Zusammenfügen der Deckschicht aus 12a und des Substrats aus 12b.
Der typische Aufbau eines Mikrotriebwerks 1, wie es als Satelliten-Lageregelungstriebwerk zum Einsatz kommt, ist in 1 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. In einem Substrat 3 ist eine länglich ausgebildete Brennkammer 2 ausgebildet. Im Inneren der Brennkammer 2 sind Substratmaterialabschnitte ausgebildet, die sich in etwa senkrecht von einem Boden 13 der Brennkammer 2 in das Innere der Brennkammer 2 (auch als Brennkammervolumen bezeichnet) erstrecken und welche einen Katalysator 7 ausbilden. An ihrem in der Figur linken, unteren Ende mündet die Brennkammer 2 in einen Gasaustritt 5, welcher an eine sich erweiternde Schubdüse 6 angrenzt. An ihrem, dem Gasaustritt 5 gegenüber liegenden Ende weist die Brennkammer 2 einen in der Figur nicht näher erkennbaren Treibstoffeinlass auf, welcher mit einem sog. Plenum verbunden ist. Zur Schaffung eines räumlich begrenzten Brennkammervolumens wird das in der beschriebenen Weise strukturierte Substrat 3 mit einer Deckschicht versehen. Das Substrat 3 kann bspw. aus einem halbleitenden Material, wie z. B. Silizium oder Silizium-Carbid gebildet sein. In diesem Fall ist es möglich, die Substratmaterialabschnitte des Katalysators 7 aus dem Substratmaterial heraus durch bekannte mikromechanische oder chemische Verfahren zu bilden. Alternativ kann als Material für das Substrat 3 Saphir verwendet werden. Dabei kann es, je nach Ausgestaltung, einer dem Katalysator 7 zugeordneten Widerstandsheizung zweckmäßig sein, wenn die ersten Substratmaterialabschnitte aus einem anderen, elektrisch leitfähigen Material gebildet sind, oder mit einem katalytisch wirkenden Material beschichtet sind.
2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung einen Schnitt durch einen Abschnitt einer Brennkammer 2 eines strukturierten Substrats 3. Nahe einem Treibstoffeinlass 4 erstrecken sich von dem Boden 13 des Substrats 3 säulenförmig die Substratmaterialabschnitte 9. Die Substratmaterialabschnitte 9 weisen eine zumindest teilweise poröse Oberflächenstruktur auf, wobei die Porosität durch einen elektrochemischen Prozess unter Verwendung eines Elektrolyten herstellbar ist. Die Porosität ist dadurch durch die Wahl der Elektrolytkonzentration und/oder der Stromdichte und/oder eines spezifischen Widerstands des Substratmaterials einstellbar, wobei letztere durch die Dotierung des Substratmaterials bzw. der Substratmaterialabschnitte bestimmbar ist. Auf die Rückseite des Substrats 3 lässt sich eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht aufbringen, die nur im Bereich der ersten Substratmaterialabschnitte 9 geöffnet ist. Dies schränkt Stromfluss durch die Rückseite auf diese Öffnung ein, wodurch beim elektrochemischen Prozess nicht die gesamte Vorderseite, sondern vorzugsweise der Bereich der ersten Substratmaterialabschnitte 9, d. h. die Säulen, mit einer porösen Oberflächenstruktur versehen werden.
Die Substratmaterialabschnitte 9 sind in einem regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet, wobei ein jeweiliger Säulenabstand durch das Bezugszeichen 14 gekennzeichnet ist. In dem Katalysator 7 wird ein über den Treibstoffeinlass 4 eingebrachter Treibstoff, z. B. Hydrazin N₂H₄, zersetzt. Die Zersetzungsgüte des Treibstoffes ist dabei von der Temperatur des Katalysators 7 abhängig. Da eine zu niedrige Temperatur am Katalysator zu einer schnellen Degradation des Katalysators 7 führt, ist dem Katalysator 7 eine Widerstandsheizung zugeordnet, durch welche der Katalysator 7 auf eine erforderliche minimal zulässige Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Zu diesem Zweck kann, wie aus der nachfolgenden Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele deutlich werden wird, durch die Substratmaterialabschnitte 9 selbst Strom geleitet werden, so dass die Widerstandsheizung durch die Substratmaterialabschnitte 9 ausgebildet ist. Alternativ kann die Widerstandsheizung durch ein Katalysatormaterial, z. B. Platin, welches zur Beschichtung der Substratmaterialabschnitte 9 auf diese aufgebracht ist, ausgebildet sein. In diesem Fall kann es, je nach Leitfähigkeit des Substratmaterialabschnittes, zweckmäßig sein, zwischen den Substratmaterialabschnitten 9 und dem Katalysatormaterial eine Isolation vorzusehen.
In der Brennkammer 2 sind ferner Substratmaterialabschnitte 12 ausgebildet, welche regelmäßig voneinander beabstandet sind, wobei der Säulenabstand mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet ist. Der Säulenabstand 15 der Substratmaterialabschnitte 12 ist dabei größer als der Säulenabstand 14 der ersten Substratmaterialabschnitte 9. Entsprechend der vorherigen Beschreibung wird durch die Substratmaterialabschnitte 12 ebenfalls Strom geleitet zur Ausbildung einer zweiten Widerstandsheizung. Hierdurch wird eine Gas-Nachbeheizung 10 gebildet, welche zwischen dem Katalysator 7 und einem in 2 nicht dargestellten Gasaustritt angeordnet ist. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Mikrotriebwerks 1 gesteigert werden. Die Gas-Nachbeheizung erfolgt vor dem Eintritt des Gases in die Schubdüse. Dabei ist die zweite Widerstandsheizung im inneren der Brennkammer 2 ausgebildet. Ein weiterer Vorteil besteht in einer möglichen Leistungssteigerung.
Zur Erzielung des abgeschlossenen Brennkammervolumens wird auf das in 2 gezeigte Substrat eine Deckschicht 16 aufgebracht, wie dies bspw. in 4 dargestellt ist. Dabei sind in die Deckschicht 16 bevorzugt Elemente zum elektrischen Anschluss der ersten und zweiten Widerstandsheizung 8 und 11 eingebracht. Aus 4 geht ferner die Richtung der Treibstoffzufuhr (Bezugszeichen A) und die Gasausströmrichtung (Bezugszeichen B) hervor.
3 zeigt ein halbes Mikrotriebwerk in einer Draufsicht. Dabei sind in der Brennkammer lediglich der Katalysator 7, gebildet durch die Substratmaterialabschnitte 9 sowie Einspritzelemente 39 dargestellt. Die Substratmaterialabschnitte 9 sind gegenüber den Einspritzelementen 39 beispielhaft in einem Winkel von etwa 45 Grad angeordnet. Der Säulenabstand 14 zwischen jeweiligen Substratmaterialabschnitten 9 ist geringer als eine Seitenlänge jeweiliger Substratmaterialabschnitte im Querschnitt. Die sich von links nach rechts erstreckende gestrichelte Linie stellt eine Spiegelachse dar. Die Ausdehnung des Mikrotriebwerks in die Blattebene hinein beträgt ca. 60 bis 300 Mikrometer. Der Gasaustritt 5 ist durch eine Einschnürung ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Schubdüse 6 ferner eine Heizung 29 zugeordnet, welche bspw. durch eine Metallmäander ausgebildet sein kann, die im Inneren der Schubdüse angeordnet ist. Die Gesamtlänge des Mikrotriebwerkes ist mit L_Thruster bezeichnet.
In den 5 und 6 ist eine besonders bevorzugte Ausbildung der Deckschicht 16 gezeigt. Die Deckschicht 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel als SOI-Wafer ausgebildet. Dieser umfasst eine Silizium-Schicht 17, eine SiO₂-Schicht 18 sowie eine weitere Silizium-Schicht 19. Der SOI-Wafer wird durch bekannte mikrosystemtechnische Verfahren strukturiert, indem von einer Außenseite her äußere Aussparungen 20, 21 und von einer Innenseite her innere Aussparungen 22, 23, 24 in diesen eingebracht werden. Die äußeren Aussparungen 20, 21 durchdringen dabei die Silizium-Schicht 17 und die SiO₂-Schicht 18. Die inneren Aussparungen 22, 23, 24 durchdringen hingegen lediglich die Silizium-Schicht 19.
In 7 ist der in 6 gezeigte und strukturierte SOI-Wafer auf das in 2 gezeigte Substrat aufgebracht. Der Boden der äußeren Aussparung 20 wird mit einem elektrischen Kontakt 25 für den Katalysator 7 versehen. In entsprechender Weise wird der Boden der äußeren Aussparung 21 mit einem elektrischen Kontakt 26 für die Gas-Nachbeheizung versehen. Aufgrund der Strukturierung der Deckschicht 16 ist eine unabhängige Kontaktierung und Beheizung der ersten und zweiten Widerstandsheizung 8, 11 möglich.
Das Verbinden der Deckschicht 16 mit dem strukturierten Substrat 3 erfolgt durch in der Mikromechanik gebräuchliche Verfahren, wie z. B. dem Silizium-Silizium-Direktbonden. Sofern aufgrund eines zu geringen Querschnitts der Substratmaterialabschnitte 9 bzw. 12 ein zuverlässiger Stromfluss durch Silizium-Silizium-Direktbonden nicht erreichbar ist, können alternative Verbindungsverfahren, wie z. B. das eutektische Bonden angewendet werden. Alternativ kann die Verbindung auch durch ein Glaslot, durch Keramikkleber oder durch Löten, z. B. Aktivlöten, erfolgen.
8 zeigt eine alternativ ausgebildete Deckschicht, auf welche mäanderförmige Leiterstrukturen 27, 28 aufgebracht sind. Diese sind auf der Seite der Deckschicht 16 angeordnet, so dass diese nach einem mechanischen Verbindungsvorgang von Deckschicht 16 und strukturiertem Substrat 3 im Inneren der Brennkammer 2 gelegen sind. Dabei treffen die Leiterstrukturen 27 auf die Substratmaterialabschnitte 9, während die Leiterstrukturen 28 auf die Substratmaterialabschnitte 12 treffen. Eine einfache Möglichkeit, die Kontaktierung der im Inneren der Brennkammer 2 angeordneten Leiterstrukturen 27, 28, 29 vornehmen zu können, ohne die Verbindung von Deckschicht 16 und strukturiertem Substrat 3 zu erschweren und dennoch die Dichtigkeit der Brennkammer 2 sicherzustellen, wird in den 9 bis 12 beschrieben.
9 zeigt eine Deckschicht 16 von der Innenseite her, in welche eine wenige Mikrometer tiefe Vertiefung eingebracht wurde. Dies kann bspw. durch Ätzen erfolgen. Hierbei wird ein in einer Montageebene 33 liegender Randabschnitt 30 ausgebildet, welcher einen Funktionsbereich 31 (die geätzte Vertiefung) umgibt. Ferner ist ein dem Funktionsbereich 31 zuzuordnender Zuleitungsabschnitt 32 vorgegeben, welcher den Funktionsbereich 31 mit der Umgebung verbindet. Der Randabschnitt 30 bildet einen sog. Bondrahmen, d. h. diese Fläche verbindet sich mit dem strukturierten Wafer, mit welchem sie verbunden wird. In dem Funktionsbereich 31 wird zunächst eine Isolationsschicht 35 aufgebracht. Auf diese wird eine Metallisierungslage 36, welche die Leiterstruktur 27 und/oder 28 ausbildet, aufgebracht. Schließlich wird eine Passivierungsschicht 37 auf die Metallisierungslage 36 bzw. die Isolationsschicht 35 aufgebracht. Die Vertiefung und die Ausbildung der Schichtanordnung 34 sind besser auf der Querschnittsdarstellung der 10 ersichtlich.
Da nach dem Verbinden von Deckschicht 16 und Substrat 3 eine undichte Brennkammer entstehen würde (vergleiche den Zwischenraum bzw. Kanal 38 in 11) muss der Zwischenraum bzw. Kanal 38 mit einem Passivierungsmaterial aufgefüllt werden. Dies erfolgt vor dem Verbinden von Deckschicht 16 und Substrat 3. Nach dem Auffüllen des Zwischenraums 38 (im Bereich des Zuleitungsabschnitts 32) wird das Passivierungsmaterial abgeschliffen und schließlich poliert, damit eine plane Montageebene 33 erhalten wird und damit eine zuverlässige Verbindung zwischen Deckschicht 16 und Substrat 3 geschaffen werden kann.
Eine alternative Methode besteht darin, das Substrat im Bereich des Zuleitungsabschnitts 32 mit einer Aussparung 41 zu versehen, Deckschicht 16 und strukturiertes Substrat 3 miteinander zu verbinden und anschließend die Aussparung 41 mit einem Abdichtmaterial 40, z. B. Glaslot oder Keramikkleber zu verschließen. Dies ist in den 12a bis 12c dargestellt, wobei in dem Substrat 3 die vorher beschriebenen funktionalen Bestandteile nicht dargestellt sind.

Claims

Mikrotriebwerk (1), insbesondere zur Verwendung als Lageregelungstriebwerk, mit – einer Brennkammer (2) aus einem Substrat (3), welches insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Material oder Werkstoff gebildet ist, wobei die Brennkammer (2) einen Treibstoffeinlass und einen Gasaustritt zu einer an die Brennkammer (2) angrenzenden Schubdüse umfasst, und – einer ersten, in der Brennkammer (2) angeordneten Widerstandsheizung (8), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Widerstandsheizung (8) einem Katalysator (7) zum Zersetzen von in die Brennkammer (2) eingebrachtem Treibstoff zugeordnet ist, wobei durch die erste Widerstandsheizung (8) erste Substratmaterialabschnitte (9), welche den Katalysator (7) ausbilden und aus dem Substratmaterial der Brennkammer (2) gebildet sind, auf eine vorgegebene Temperatur oder einen vorgegebenen Temperaturbereich erwärmbar sind.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Widerstandsheizung (8) durch die ersten Substratmaterialabschnitte (9) des Katalysators (7) selbst ausgebildet ist.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Substratmaterialabschnitte (9) zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial beschichtet sind und die erste Widerstandsheizung (8) durch die Katalysatorschicht ausgebildet ist.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Katalysatorschicht und den ersten Substratmaterialabschnitten (9) zumindest teilweise eine Isolierschicht angeordnet ist.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Substratmaterialabschnitte (9) in der Brennkammer (2) eine zumindest teilweise poröse Oberflächenstruktur aufweisen.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Widerstandsheizung (11) im Inneren der Brennkammer (2) zwischen dem Katalysator (7) und dem Gasaustritt (5) angeordnet ist, um ein den Katalysator (7) verlassendes Gas zu erwärmen.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Widerstandsheizung (11) durch zweite Substratmaterialabschnitte (12), welche optional aus dem Substratmaterial gebildet sind, ausgebildet ist.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte (9, 12) aus dem Substratmaterial der Brennkammer (2) heraus durch einen mechanischen oder einen chemischen Vorgang erzeugt sind, so dass ein Boden der Brennkammer (2) erzeugt ist, von welchem aus die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte (9, 12) jeweils säulenartig in das Innere eines Brennkammervolumens ragen.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Säulenabstand (14) der ersten Substratmaterialabschnitte (9) unterschiedlich, insbesondere kleiner, als ein zweiter Säulenabstand (15) der zweiten Substratmaterialabschnitte (12) ist.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennkammervolumen durch eine Deckschicht (16) der Brennkammer (2) begrenzt ist, welche an die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte (9, 12) angrenzt.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (16) aus einem strukturierten SOI-Wafer gebildet ist, wobei über die Deckschicht (16) eine elektrische Kontaktierung der ersten und/oder der zweiten Widerstandsheizung (11) erfolgt.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (16) einen umlaufenden Randabschnitt (30) aufweist, der zumindest teilweise in einer Montageebene (33) liegt, mit welcher die Deckschicht (16) mit dem Substrat (3) verbunden ist, und einen von dem Randabschnitt (30) umlaufenen Funktionsbereich (31), der gegenüber der Montageebene (33) zurückgesetzt ist, wobei in dem Funktionsbereich (31) eine Schichtanordnung (34) aus einer Isolationsschicht (35), einer Metallisierungslage (36) und einer Passivierungsschicht (37) vorgesehen ist, wobei die Schichtanordnung (34) nicht über die Montageebene (33) hinaus ragt.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem umlaufenden Randabschnitt (30) ein Zuleitungsabschnitt (32) vorgesehen ist, welcher Teil des Funktionsbereichs (31) ist, wobei ein Zwischenraum zwischen der Passivierungsschicht und der Montageebene (33) durch Passivierungsmaterial oder Füllpaste gefüllt ist.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Widerstandsheizung (8) und/oder die zweite Widerstandsheizung (11) durch eine mäanderförmige Leiterstruktur (27, 28) aus einem Metall gebildet ist, welche insbesondere an der Deckschicht (16) angeordnet ist.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Mittel zum Erfassen eines ersten Widerstands der ersten Widerstandsheizung (8) und/oder ein zweites Mittel zum Erfassen eines zweiten Widerstands der zweiten Widerstandsheizung (11) vorgesehen sind, und der erste Widerstand und/oder der zweite Widerstand einem dritten Mittel zur Ermittelung einer ersten Temperatur aus dem ersten Widerstand und einer zweiten Temperatur aus dem zweiten Widerstand zuführbar sind.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Temperatursensor außerhalb der Brennkammer (2) angeordnet und mit dem dritten Mittel gekoppelt ist zur Kompensation einer Widerstandsdrift des ersten und zweiten Widerstands.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Heizung (29), insbesondere eine Widerstandsheizung, vorgesehen ist, welche der Schubdüse zugeordnet ist.
Mikrotriebwerk (1) nach Anspruch 17 in Verbindung mit einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Heizung (29) an der Deckschicht (16) durch eine mäanderförmige Leiterstruktur aus einem leitfähigen Material, insbesondere Metall, gebildet ist.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) aus Silizium oder Silizium-Carbid (SiC) gebildet ist.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) aus Saphir gebildet ist.
Mikrotriebwerk (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Monergol-Hydrazintriebwerk ist.
Kleintriebwerk, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Mehrzahl an Mikrotriebwerken (1) aufweist, weliche nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet sind.
Kleintriebwerk nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Mikrotriebwerken (1) in einem Array angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Mikrotriebwerks (1) mit einer Brennkammer (2), welche einen Treibstoffeinlass (4) und einen Gasaustritt (5) zu einer an die Brennkammer (2) angrenzenden Schubdüse sowie eine erste, in der Brennkammer (2) angeordnete und einem Katalysator (7) zugeordnete Widerstandsheizung umfasst, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Substrats (3), insbesondere aus Silizium, Silizium-Carbid oder Saphir; – Erzeugen von ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitten (12) aus dem Substrat (3) durch einen mechanischen, physikalischen oder einen chemischen Vorgang, so dass ein Boden der Brennkammer (2) erzeugt ist, von welchem aus die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte (12) jeweils säulenartig in das innere eines Brennkammervolumens ragen; – zumindest teilweises Beschichten der ersten Substratmaterialabschnitte (9) mit einem Katalysatormaterial; – Bereitstellen einer strukturierten Deckschicht (16), insbesondere in Form eines SOI-Substrats (3), mit einer Metallstruktur; – Aufbringen der Deckschicht (16) auf das strukturierte Substrat (3) und Verbinden, so dass das Brennkammervolumen durch die Deckschicht (16) der Brennkammer (2) begrenzt ist und die Metallstruktur nahe zu den ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitten (9, 12) zum Liegen kommt.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Substratmaterialabschnitte (9) vor dem Beschichten mit dem Katalysatormaterial mit einer zumindest teilweise porösen Oberflächenstruktur versehen werden, indem diese mit einem Elektrolyten vorgegebener Elektrolytkonzentration behandelt werden oder beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Substratmaterialabschnitten (9) und dem Katalysatormaterial eine Isolationsschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Metallstruktur die ersten und/oder zweiten Substratmaterialabschnitte (12) oder das Katalysatormaterial auf den ersten Substratmaterialabschnitten (9) elektrisch angeschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (16) und das Substrat (3) durch Direktbonden oder eutektisches Bonden oder Glaslot oder Keramikkleber oder Löten miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass in der Deckschicht (16) durch einen Abtragvorgang ein umlaufender Randabschnitt (30) erzeugt wird, der zumindest teilweise in einer Montageebene (33) liegt, mit welcher die Deckschicht (16) mit dem Substrat (3) verbunden wird, wobei ein von dem Randabschnitt (30) umlaufender Funktionsbereich (31) erzeugt wird, der gegenüber der Montageebene (33) zurückgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Funktionsbereich (31) eine Schichtanordnung (34) aus einer Isolationsschicht, einer Metallisierungslage und einer Passivierungsschicht derart erzeugt wird, dass die Schichtanordnung (34) nicht über die Montageebene (33) hinaus ragt.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Abtragvorgangs in dem umlaufenden Randabschnitt (30) ein Zuleitungsabschnitt ausgebildet wird, welcher Teil des Funktionsbereichs ist, wobei ein Zwischenraum zwischen der Passivierungsschicht und der Montageebene (33) durch Passivierungsmaterial aufgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuleitungsabschnitt nach dem Vorgang des Verbindens von Deckschicht (16) und Substrat (3) mit einer Füllpaste gefüllt wird, wobei die Füllpaste über eine Bohrung in der Deckschicht (16) oder dem Substrat (3) im Bereich des Zuleitungsabschnitts eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Rückseite des Substrats (3) eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht aufgebracht wird, die nur im Bereich der ersten Substratmaterialabschnitte (9) geöffnet ist.