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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen zur Messung mindestens
einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Bei dieser mindestens
einen Eigenschaft soll es sich dabei um eine physikalische und/oder
chemische Eigenschaft des Gases handeln, insbesondere eine Zusammensetzung
des Gases. Beispielsweise kann das Sensorelement eingesetzt werden,
um eine Konzentration und/oder einen Partialdruck einer bestimmten
Gaskomponente in dem Gas, beispielsweise im Abgas einer Brennkraftmaschine,
zu messen beziehungsweise diese Gaskomponente qualitativ und/oder
quantitativ nachzuweisen. Anstelle oder zusätzlich zu einer
Gaskomponente lassen sich jedoch beispielsweise auch andere Arten
von Analyten nachweisen, beispielsweise Analyten in anderen Aggregatszuständen
als dem gasförmigen Zustand, wie beispielsweise flüssige
Analyten und/oder Analytpartikel.
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Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche derartiger Sensorelemente
bekannt. Ein besonderer Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung,
auf welchen die Erfindung jedoch grundsätzlich nicht beschränkt
ist, liegt dabei auf Halbleiter-Sensorelementen. Derartige Halbleiter-Sensorelemente,
insbesondere zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens
einer Gaskomponente in dem Gas, beruhen in der Regel auf dem Prinzip,
dass Halbleiterbauelemente unter bestimmten Umständen ihre elektrischen
Eigenschaften messbar ändern, wenn beispielsweise bestimmte
Sensorflächen mit bestimmten Stoffen in Berührung
kommen. Diese nachzuweisenden Stoffe, bei welchen es sich beispielsweise
um die nachzuweisende Gaskomponente handeln kann, können
auf verschiedene Weisen mit dem Sensorelement Wechselwirken, beispielsweise durch
Adsorption und/oder Chemisorption, chemische Reaktion oder auf andere
Weise mit einer Sensorfläche des Sensorelements, beispielsweise
eines Halbleiterbauelements. Diese Wechselwirkungen können
auch gezielt gefördert werden, indem beispielsweise eine
Sensorfläche derart präpariert wird, dass diese
spezifisch mit dem nachzuweisenden Analyten, insbesondere der mindestens
einen nachzuweisenden Gaskomponente, wechselwirkt.
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Beispiele
derartiger Sensorelemente zum Nachweis von Gaskomponenten sind Sensorelemente
auf der Basis von Feldeffekttransistoren, welche häufig
auch als chemische Feldeffekttransistoren oder ChemFETs bezeichnet
werden. Chemische Feldeffekttransistoren sind Feldeffekttransistoren, die
als chemische Sensoren wirken und welche beispielsweise analog einem
MOSFET aufgebaut sein können. Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors wird
dabei in der Regel ganz oder teilweise ersetzt durch die Sensorfläche,
wobei die Ladung auf diese Gate-Elektrode durch einen chemischen
oder physikalisch-chemischen Prozess aufgebracht wird. Derartige
ChemFETs können eingesetzt werden, um Atome, Moleküle
oder Ionen in Flüssigkeiten und Gasen qualitativ oder quantitativ
nachzuweisen. Wenn im Folgenden von „Gasen” die
Rede ist, sind hierbei neben gasförmigen Medien im eigentlichen
Sinne auch andere fluide Medien zu verstehen, also insbesondere
auch Flüssigkeiten.
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Chemische
Feldeffekttransistoren können beispielsweise mit einer
speziellen Gate-Beschichtung versehen sein, welche die eigentliche
Sensorfläche bildet und welche beispielsweise die chemische Selektivität
des Nachweises erhöhen kann. Dabei können beispielsweise
Gasmoleküle auf dieser Gate-Beschichtung adsorbieren, chemisorbieren oder
mit dieser Gate-Beschichtung reagieren und können dadurch
die Ladungsträgerdichte im Gate-Bereich des Feldeffekttransistors
beeinflussen. Hierdurch wird wiederum die Kennlinie des Transistors
geändert, was als Signal für die Anwesenheit des jeweiligen
Gases gewertet werden kann. Beispiele derartiger chemischer Feldeffekttransistoren
sind in
DE 26 10 530 dargestellt,
so dass für mögliche Aufbauten derartiger chemischer
Feldeffekttransistoren auf diese Schrift verwiesen werden kann.
Mit einem Array von chemischen Feldeffekttransistoren, welche jeweils
spezifische Gate-Beschichtungen aufweisen, kann insbesondere zwischen
verschiedenen Arten von Gaskomponenten unterschieden werden.
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Chemische
Feldeffekttransistoren sind prinzipiell auch für den Einsatz
im Kraftfahrzeugbereich von hohem Interesse. Insbesondere kommen
hier Anwendungen als Abgassensoren in Betracht, insbesondere für
die Gase NO, NO2, NH3 und
für Kohlenwasserstoffe. Eine Schwierigkeit bekannter chemischer
Feldeffekttransistoren liegt jedoch darin, dass an Sensoren im Kraftfahrzeugbereich
grundsätzlich harte Anforderungen bezüglich der
Temperaturbelastbarkeit und der mechanischen Beständigkeit
zu stellen sind. Insbesondere Abgassensoren sind dabei hohen Temperaturbelastungen
ausgesetzt, und auch die mechanischen Beanspruchungen, beispielsweise
durch im Abgas enthaltene Partikel, sind erheblich. Bisherige Sensorelemente
mit Sensorflächen werden in vielen Fällen diesen
Anforderungen nicht gerecht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Temperaturanforderungen,
welche im Kraftfahrzeugbereich an die Sensorelemente zu stellen sind,
mit Hochtemperatur-Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Siliciumcarbid
(SiC) und/oder Galliumnitrid (GaN) prinzipiell erreichbar sind.
Einen kritischen Punkt stellen jedoch die eigentlichen Sensorflächen
dar, insbesondere, bei chemischen Feldeffekttransistoren, die Gate-Elektroden.
Es muss also ein Konzept bereitgestellt werden, um einerseits die eigentlichen
Sensorkörper, insbesondere die Halbleiterchips, inklusive
deren elektrischen Kontaktierungen, zuverlässig vor den
negativen Einflüssen des Abgases wie Abrasion und Vergiftung
mechanisch zu schützen, andererseits aber den ungehinderten
Gaszutritt zu den Sensorflächen zu ermöglichen
und damit die Messfähigkeit aufrechtzuerhalten.
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Diese
Grundproblematik wird erfindungsgemäß durch eine
Beschichtung gelöst, welche einen mindestens zweilagigen
Aufbau aufweist. Bei diesem mindestens zweilagigen Aufbau werden
die Funktionen des mechanischen Schutzes und der elektrischen Isolierung
funktionell voneinander getrennt.
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Es
wird dementsprechend ein Sensorelement gemäß der
obigen Beschreibung vorgeschlagen, welches insbesondere für
den Nachweis mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum
einsetzbar sein soll. Insbesondere soll das Sensorelement für
den Kraftfahrzeugbereich einsetzbar sein, insbesondere im Abgas
einer Brennkraftmaschine.
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Das
Sensorelement weist einen Sensorkörper mit mindestens einer
von dem Messgasraum zugänglichen Sensorfläche
auf. Diese Sensorfläche soll derart ausgestaltet sein,
dass mittels dieser Sensorfläche mindestens eine Eigenschaft
des Gases messbar ist. Insbesondere soll mittels dieser Sensorfläche
quantitativ und/oder qualitativ eine Konzentration mindestens einer
Gaskomponente in dem Messgasraum selektiv ermittelt werden können.
Zu diesem Zweck kann die Sensorfläche beispielsweise eine
Halbleiteroberfläche eines anorganischen Halbleitermaterials
umfassen, welche gegebenenfalls zusätzlich mit einer Nachweisbeschichtung
versehen sein kann, beispielsweise einer Nachweisbeschichtung, welche
die Selektivität des Nachweises einer bestimmten Gaskomponente
erhöht. Beispielsweise kann die Sensorfläche eine
Gate-Fläche eines Transistorelements, insbesondere eines
Feldeffekt-Transistorelements, umfassen. Vorzugsweise ist die Sensorfläche
auf einer äußeren Oberfläche des Sensorkörpers
angeordnet, beispielsweise auf einer äußeren Oberfläche
eines anorganischen Halbleiterschichtaufbaus, insbesondere eines
Halbleiterchips.
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Weiterhin
weist erfindungsgemäß das Sensorelement eine auf
dem Sensorkörper aufgebrachte Beschichtung auf, welche
insgesamt elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist und welche
die oben genannten Aufgaben löst.
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Die
Beschichtung weist mindestens eine im Wesentlichen gasdichte erste
Schicht und mindestens eine gasdurchlässige zweite Schicht
auf. Dabei ist die Sensorfläche zumindest weitgehend unbedeckt
durch die erste Schicht und im Wesentlichen vollständig
bedeckt durch die zweite Schicht. Vorzugsweise erfolgt der Schichtaufbau
in der dargestellten Reihenfolge, so dass der Sensorkörper
zunächst mit der gasdichten ersten Schicht beschichtet ist
und anschließend mit der gasdurchlässigen zweiten
Schicht. Auch eine andere Reihenfolge ist jedoch grundsätzlich
denkbar, beispielsweise eine Reihenfolge, bei der der Sensorkörper
zunächst mit der gasdurchlässigen zweiten Schicht
und dann mit der gasdichten ersten Schicht bedeckt wird. Auch zusätzliche
Schichten können vorgesehen sein. Unter „zumindest
weitgehend unbedeckt” ist dabei zu verstehen, dass zumindest
ein für ein ausreichendes Sensorsignal geeigneter Bereich
der Sensorfläche unbedeckt bleibt, vorzugsweise ein Bereich
von mindestens 80% der Sensorfläche. Unter „im
Wesentlichen vollständig bedeckt” ist dabei zu
verstehen, dass vorzugsweise mindestens 95% der Sensorfläche
und besonders bevorzugt die vollständige Sensorfläche bedeckt
ist.
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Die
Beschichtung soll insgesamt elektrisch isolierende Eigenschaften
aufweisen, wobei beispielsweise die erste Schicht und/oder die zweite Schicht
elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen können.
Unter „im Wesentlichen gasdicht” ist dabei zu
verstehen, dass das Gas aus dem Messgasraum von dem Sensorkörper
außerhalb der Sensorfläche im Wesentlichen vollständig
ferngehalten wird. Insbesondere können dabei ein Halbleiterchip
des Sensorkörpers, elektrische Kontaktierungen, Kontakte
und Zuleitungen des Sensorkörpers durch die mindestens
eine erste Schicht und vorzugsweise auch durch die mindestens eine
zweite Schicht abgedeckt sein. Die mindestens eine erste Schicht
kann dabei beispielsweise verhindern, dass heiße Abgase
Kontakte und sonstige Bereiche des Sensorkörpers chemisch
und/oder physikalisch, insbesondere thermisch und/oder mechanisch,
schädigen. Die gasdurchlässige zweite Schicht
kann beispielsweise als poröse Schicht ausgestaltet sein,
welche zwar einen gewissen Strömungswiderstand für
Gase darstellen kann, welche jedoch einen Zutritt der Gase aus dem Messgasraum
zu der Sensorfläche ermöglicht.
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Das
Sensorelement kann, wie oben beschrieben, insbesondere ein Halbleitersensorelement
umfassen, insbesondere ein Halbleitersensorelement mit einem Halbleitermaterial,
welches Siliciumcarbid und/oder Galliumnitrid umfasst. Wie oben beschrieben,
kann das Sensorelement insbesondere einen Feldeffekttransistor umfassen
oder ein Sensorelement, welches auf einem Feldeffekttransistor basiert,
vorzugsweise einen chemischen Feldeffekttransistor.
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Die
mindestens eine erste Schicht kann mindestens eines der folgenden
Materialien aufweisen: ein Dielektrikum, insbesondere ein anorganisches Dielektrikum;
ein Glas, insbesondere ein niederschmelzendes Glas, insbesondere
ein Glas mit einem Schmelzbereich im Bereich zwischen 400 und 800°C,
insbesondere im Bereich zwischen 550°C und 650°C;
ein keramisches Material; ein Glas-Keramik-Gemisch. Die erste Schicht
kann vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 0,1 μm und
10 μm aufweisen, insbesondere im Bereich zwischen 0,5 μm und
3 μm. Diese erste, dichte Schicht, beispielsweise eines
elektrisch isolierenden Glases und/oder eines elektrisch isolierenden
keramischen Materials, kann dazu genutzt werden, den Hochtemperaturhalbleiterchip
bis auf die eigentlichen ChemFET-Gates abzudecken.
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Die
vorzugsweise darüberliegende mindestens eine zweite Schicht
kann ein poröses, elektrisch isolierendes Material umfassen
und kann dazu genutzt werden, die Gates beziehungsweise die Sensorfläche
vor mechanischen Einwirkungen zu schützen und gleichzeitig
den Gaszutritt zur Sensorfläche zu ermöglichen.
Die zweite Schicht kann dementsprechend ein im Wesentlichen abriebsfestes
poröses Material aufweisen, insbesondere ein poröses keramisches
Material, vorzugsweise ein Aluminiumoxid wie zum Beispiel Al2O3. Die zweite Schicht
kann dementsprechend, da keine Dichtigkeitsanforderungen gestellt
werden und vielmehr ein Gaszutritt durch diese Schicht ermöglicht
werden soll, von erheblich höherer Dicke ausgestaltet sein
als die erste Schicht, um die mechanischen Anforderungen zu erfüllen
und dementsprechend das Sensorelement, insbesondere die Sensorfläche,
vor mechanischen Einwirkungen zu schützen und gleichzeitig
den Gaszutritt zu ermöglichen. Besonders bevorzugt ist
es, wenn die zweite Schicht eine Dicke im Bereich zwischen 10 μm und
500 μm aufweist, insbesondere im Bereich zwischen 20 μm
und 300 μm.
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Das
vorgeschlagene Sensorelement lässt sich besonders vorteilhaft
zur Messung einer Konzentration mindestens einer Gaskomponente im
Abgasstrang einer Brennkraftmaschine einsetzen. Besonders bevorzugt
ist die Verwendung des Sensorelements gemäß einer
oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen
zur selektiven Messung (d. h. zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis)
mindestens eines der folgenden Stoffe: NO, NO2,
NH3, Kohlenwasserstoffen. Die besonderen
Vorteile der Erfindung, insbesondere des erfindungsgemäßen
Sensorelements, ergeben sich aus dem zweilagigen Aufbau der Beschichtung,
welcher es erlaubt, den kompletten Chip des Sensorelements außerhalb
der Sensorfläche beziehungsweise der Gate-Elektroden vor
chemischen Abgasbestandteilen und damit vor Korrosion zu schützen.
Dabei kann die erste, dichte Schicht beispielsweise mittels etablierter
Prozesse strukturiert werden, beispielsweise mittels Druckprozessen,
Spritzprozessen oder mittels einer nachträglichen lithografischen
Strukturierung. Außerdem schützt die relativ dicke,
zweite, poröse Schicht, welche selbst nicht mehr strukturiert werden
muss, das Sensorelement mechanisch, beispielsweise vor Abrasion
durch im Abgas enthaltene Feststoffpartikel.
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Weiterhin
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements vorgeschlagen,
insbesondere zur Herstellung eines Sensorelements gemäß einer oder
mehrerer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Insofern
kann für mögliche Details dieses Sensorelements
auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Das Sensorelement weist
einen Sensorkörper mit mindestens einer von dem Messgasraum
zugänglichen Sensorfläche auf, wobei eine elektrisch
isolierende Beschichtung auf dem Sensorkörper aufgebracht
wird. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf,
welche vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise in der dargestellten
Reihenfolge durchgeführt werden:
- a)
mindestens eine im Wesentlichen gasdichte erste Schicht wird auf
den Sensorkörper aufgebracht, wobei die Sensorfläche
zumindest weitgehend unbedeckt durch die erste Schicht verbleibt; und
- b) mindestens eine gasdurchlässige zweite Schicht wird
auf den Sensorkörper aufgebracht, wobei die Sensorfläche
im Wesentlichen vollständig durch die zweite Schicht bedeckt
wird.
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Neben
der ersten Schicht und der zweiten Schicht kann die Beschichtung
weitere Schichten umfassen. Besonders bevorzugt ist jedoch der genannte
zweischichtige Aufbau.
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Dabei
kann mindestens einer der Verfahrensschritte a) und b) mindestens
einen ersten Teilschritt umfassen, bei welchem mindestens ein Grundmaterial
auf den Sensorkörper aufgebracht wird, und mindestens einen
thermischen Aushärtungsschritt, welcher dieses Grundmaterial
in die erste Schicht beziehungsweise die zweite Schicht umwandelt.
Beispielsweise kann das Grundmaterial das eigentliche Material der
ersten beziehungsweise zweiten Schicht umfassen, vermischt mit beispielsweise
Binderanteilen, Lösungsmitteln oder ähnlichem,
welche bei dem anschließenden thermischen Aushärtungsschritt
entfernt werden können. Weiterhin kann, alternativ oder
zusätzlich, bei dem thermischen Aushärtungsschritt
auch ein Sintern, Schmelzen oder eine ähnliche Homogenisierung
des Grundmaterials erfolgen, so dass sich die erste Schicht beziehungsweise
die zweite Schicht bildet.
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In
Verfahrensschritt a) kann zum Aufbringen der ersten Schicht beispielsweise
mindestens ein strukturiertes Auftragsverfahren verwendet werden, insbesondere
um eine Bedeckung der Sensorfläche zu vermeiden. Auf diese
Weise kann durch das strukturierte Auftragsverfahren beispielsweise
eine nachträgliche Entfernung der ersten Schicht von der
Sensorfläche vermieden werden – was jedoch, alternativ oder
zusätzlich (beispielsweise durch lithografische Strukturierung)
dennoch möglich ist. Besonders bevorzugt ist es im Rahmen
der vorliegenden Erfindung, wenn das strukturierte Auftragsverfahren
ein Druckverfahren umfasst, insbesondere ein Tampondruckverfahren
und/oder ein Inkjet-Verfahren. Alternativ oder zusätzlich
kann auch ein Dispenserverfahren verwendet werden, also ein Verfahren,
bei welchem ein flüssiges und/oder aerosolförmiges
Material mittels einer Dosiervorrichtung auf den Sensorkörper
aufgebracht wird. Beispielsweise kann eine Dispensernadel beziehungsweise
Dispenserkanüle zu diesem Zweck verwendet werden. Alternativ
oder zusätzlich kann auch ein Sprühverfahren als
strukturiertes Auftragsverfahren eingesetzt werden, beispielsweise
ein Sprühverfahren ähnlich einem Paintbrushverfahren.
Dabei kann, wie auch bei den anderen Verfahren, alternativ oder
zusätzlich auch eine Maske eingesetzt werden, um Flächen,
welche unbedeckt verbleiben sollen, wie insbesondere die Sensorfläche,
vor einem Auftrag zu schützen. Das strukturierte Auftragsverfahren
kann insbesondere eingesetzt werden, um mindestens ein Grundmaterial
zur Herstellung der ersten Schicht aufzutragen, also beispielsweise
wiederum eine Vorläufersubstanz, aus welcher sich nachher,
nach dem thermischen Aushärtungsschritt, die eigentliche
erste Schicht bilden kann.
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Für
die zweite Schicht, welche, wie oben beschrieben, nicht notwendigerweise
strukturiert aufgebracht werden muss und welche vorzugsweise eine höhere
Dicke aufweist als die erste Schicht, können andere Verfahren
eingesetzt werden, welche eine höhere Auftragsrate aufweisen.
So ist es besonders bevorzugt, wenn in Verfahrensschritt b) zum
Auftragen der mindestens einen zweiten Schicht mindestens ein Spritzverfahren
als Auftragsverfahren verwendet wird. Verschiedene Spritzverfahren
sind denkbar und vorteilhaft einsetzbar, insbesondere um dicke,
abriebsfeste zweite Schichten herzustellen. Besonders bevorzugt
sind Plasma-Spritzprozesse, mittels derer sich beispielsweise auch
mindestens eine keramische poröse Schicht, wie beispielsweise eine
poröse Al2O3-Schicht,
mit hoher Auftragsrate auftragen lässt. Auch für
Verfahrensschritt a), also die Auftragung der ersten Schicht, lässt
sich ein Spritzverfahren grundsätzlich einsetzen, insbesondere
auch wiederum ein Plasmaspritzverfahren. Beispielsweise lassen sich
für diesen Zweck Suspensions-Plasma-Spritzprozesse verwenden.
Durch eine geschickte Führung des Sensorkörpers
relativ zum Plasmastrahl lässt sich hierbei eine Strukturierung erzielen.
Außerdem kann beim Auftragen der gasdichten ersten Schicht
der Parametersatz des Plasmaverfahrens derart gewählt werden,
dass eine hohe Dichtigkeit, insbesondere eine Gasdichtigkeit, gewährleistet
ist, was beispielsweise durch ein vollständiges Schmelzen
der Partikel durch entsprechend lange Verweildauer im Plasma und
durch Wahl einer geeigneten Partikelgröße für
ein Ausgangsmaterial des Plasmaverfahrens möglich ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
dem Stand der Technik entsprechendes, unbeschichtetes Sensorelement;
und
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2 ein
erfindungsgemäß beschichtetes Sensorelement.
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Ausführungsformen
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In
1 ist
ein Ausführungsbeispiel eines dem Stand der Technik entsprechenden
Sensorelements
110 dargestellt. Für mögliche
Details zum Aufbau und der Funktionsweise einzelner Bestandteile des
Sensorelements
110 kann als Beispiel auf die
DE 26 10 530 verwiesen werden.
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Das
Sensorelement 110 weist in diesem Ausführungsbeispiel
einen chemischen Feldeffekttransistor 112 auf. Dieser chemische
Feldeffekttransistor kann auch in Mehrzahl vorhanden sein, beispielsweise
in Form eines Arrays chemischer Feldeffekttransistoren 112,
beispielsweise zum gleichzeitigen Nachweis unterschiedlicher Gaskomponenten. Das
Sensorelement 110 kann insbesondere zum qualitativen und/oder
quantitativen Nachweis einer oder mehrerer Gaskomponenten eines
Gases in einem Messgasraum 114 dienen, welcher in 1 symbolisch
angedeutet ist. Beispielsweise kann dieser Messgasraum 114 ein
Abgastrakt einer Brennkraftmaschine sein.
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Das
Sensorelement 110 umfasst in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel ein Trägersubstrat 116.
Das Trägersubstrat 116 kann beispielsweise ein
Halbleitermaterial umfassen, beispielsweise einen Halbleiterchip,
und kann darüber hinaus beispielsweise elektrische Zuleitungen,
Kontaktpads oder ähnliches umfassen. Der eigentliche chemische Feldeffekttransistor 112 ist
auf diesem Trägersubstrat 116 aufgebaut oder kann
ganz oder teilweise in dieses Trägersubstrat 116 integriert
sein.
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Der
chemische Feldeffekttransistor 112 umfasst einen Sensorkörper 118,
welcher beispielsweise ganz oder teilweise SiC und/oder GaN als
Halbleitermaterial, gegebenenfalls in verschiedenen Dotierungen,
umfassen kann. Der Sensorkörper 118 kann dementsprechend
beispielsweise als Halbleiterchip aufgebaut sein. Der Sensorkörper 118 umfasst
einen Source-Bereich 120 und einen Drain-Bereich 122, welche
beispielsweise durch entsprechende Dotierungen in dem Sensorkörper 118 hergestellt
sein können, beispielsweise durch eine n- Dotierung in diesen
Bereichen 120, 122, wohingegen beispielsweise
der übrige Bereich des Sensorkörpers 118 p-dotiert
sein kann. Der Source-Bereich 120 und der Drain-Bereich 122 können
durch entsprechende Elektrodenkontakte 124, 126 kontaktiert
und über elektrische Zuleitungen 128, 130 angesteuert
werden.
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Zwischen
dem Source-Bereich 120 und dem Drain-Bereich 122 bildet
sich im Sensorkörper 118 ein Stromkanal 132 aus.
Die Ausdehnung und die elektrischen Eigenschaften dieses Stromkanals 132, und
somit ein Stromfluss zwischen Source-Bereich 120 und Drain-Bereich 122 wird
bei üblichen Feldeffekttransistoren beeinflusst durch eine
Gate-Elektrode 134. Die Rolle dieser Gate-Elektrode 134 wird
bei chemischen Feldeffekttransistoren 112 in der Regel nicht
durch eine metallische Elektrode, in Verbindung mit einem Oxidmaterial, übernommen,
sondern durch eine Oberfläche 136 des Sensorkörpers 118 zwischen
den Elektrodenkontakten 124, 126, welche üblicherweise
mit einer Sensorbeschichtung 138 versehen ist. Diese Sensorbeschichtung 138 dient
dazu, selektiv Gasmoleküle oder andere nachzuweisende Analyten
zu adsorbieren, absorbieren oder chemisorbieren beziehungsweise
chemische Reaktionen mit diesen Analyten auszulösen. Die
Anwesenheit des nachzuweisenden Analyten, beispielsweise der Gasmoleküle
der nachzuweisenden Gaskomponente im Messgasraum 114, bestimmt
somit die elektrischen Eigenschaften der Gate-Elektrode 134 und
damit die Lage, die Ausdehnung und die übrigen elektrischen Eigenschaften
im Stromkanal 132. Der Stromfluss zwischen Source-Bereich 120 und
Drain-Bereich 122 wird somit durch die Anwesenheit oder
Abwesenheit des nachzuweisenden Analyten beeinflusst. Die Oberfläche 136 beziehungsweise,
bei Anwesenheit einer Sensorbeschichtung 138, die Oberfläche
dieser Sensorbeschichtung 138 hin zum Messgasraum 114 stellen
somit eine Sensorfläche 140 bereit, an welcher
die nachzuweisenden Analyten spezifisch adsorbiert, absorbiert beziehungsweise
chemisorbiert werden können beziehungsweise mit welcher
die nachzuweisenden Analyten spezifische chemische Reaktionen eingehen
können.
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Das
in 1 dargestellte Sensorelement 110 weist
die oben beschriebenen Nachteile auf, da insbesondere die Elektrodenkontakte 124, 126,
die elektrischen Zuleitungen 128, 130 und auch
sonstige Bestandteile des Sensorkörpers 118 durch
aggressive Gase im Messgasraum 110 beschädigt
werden können. Weiterhin können sämtliche
Oberflächen des Sensorelements 110 beispielsweise
mechanisch durch Partikel in einem Abgas, welches über
die Oberfläche des Sensorelements 110 strömt,
beschädigt werden. Zur Behebung dieser Problematik ist
in 2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Sensorelements 110 dargestellt. Das Sensorelement 110 entspricht
im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel,
so dass für die einzelnen Komponenten beispielsweise wiederum
auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.
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Im
Unterschied zu dem in 1 dargestellten, dem Stand der
Technik entsprechenden Beispiel weist das Sensorelement 110 gemäß dem
in 2 dargestellten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel eine Beschichtung 142 auf,
welche insgesamt elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
Diese Beschichtung 142 überdeckt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
vorzugsweise den gesamten chemischen Feldeffekttransistor 112,
mitsamt seinen Elektrodenkontakten 124, 126 und
zumindest teilweise den elektrischen Zuleitungen 128, 130.
Die Beschichtung 142 weist erfindungsgemäß mindestens zwei
einzelne Schichten auf, eine erste Schicht 144 und eine
zweite Schicht 146. Die erste Schicht 144 bedeckt
den chemischen Feldeffekttransistor 112 nahezu vollständig,
mit Ausnahme der Sensorfläche 140, welche in diesem
Ausführungsbeispiel vollständig frei verbleibt.
Diese erste Schicht 144 ist im Wesentlichen gasdicht und
verhindert somit im Wesentlichen den Zutritt aggressiver Gase aus
dem Messgasraum 114 zu empfindlichen Bereichen des chemischen
Feldeffekttransistors 112, wie beispielsweise den Elektrodenkontakten 124, 126 und
den elektrischen Zuleitungen 128, 130. Auf diese
Weise wird beispielsweise eine Korrosion dieser empfindlichen Elektrodenkontakte 124, 126 und/oder
der elektrischen Zuleitungen 128, 130 zumindest
weitgehend verhindert.
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Die
zweite Schicht 146, welche gasdurchlässig ausgestaltet
ist, ist erheblich dicker ausgestaltet als die erste Schicht 144 und
bedeckt den chemischen Feldeffekttransistor 112 vorzugsweise
vollständig, insbesondere die Sensorfläche 140.
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Die
erste, relativ dünne Schicht 144 kann typischerweise
eine Dicke von 0,5 bis 3 μm aufweisen und ist im Wesentlichen
gasdicht und vorzugsweise elektrisch isolierend. Sie wird insbesondere über
den Elektrodenkontakten 124, 126 und dem übrigen Halbleiterchip
des Sensorkörpers 118 aufgebracht, wobei der Gate-Bereich 134,
insbesondere die Sensorfläche 140, unbeschichtet
bleiben. Als Auftragstechnik für diese erste Schicht 144 bietet
sich eine lokale Beschichtung mit einem Dispenser- und/oder einem
Inkjet-Verfahren oder einer vergleichbaren Fertigungstechnik an,
beispielsweise Tampondruck, da diese Beschichtungstechniken eine
3D-Fähigkeit, also die Fähigkeit einer Beschichtung über
eine Stufe hinweg, besitzen und da das Auftragen mit diesen Techniken
additiv und strukturiert erfolgen kann. Somit können beispielsweise
zusätzliche, nachträgliche Strukturierungsschritte,
beispielsweise zum Freilegen der Sensorfläche 140,
entfallen.
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Als
Material für die erste Schicht 144 bieten sich
insbesondere Glaser beziehungsweise Gemische aus Glas- und Keramikanteilen
an, welche bei niedrigen Temperaturen (beispielsweise ca. 550 bis 650°C)
schmelzen. Die Schmelztemperatur sollte allerdings über
der späteren Betriebstemperatur des Sensorelements 110 liegen,
um eine Funktion der Beschichtung 142 über die
Lebensdauer des Sensorelements 110 hinweg sicherzustellen.
Ein Aushärten der ersten Schicht 144 kann durch
eine Temperaturbehandlung erfolgen, wobei die Maximaltemperatur dieser
Temperaturbehandlung derart gewählt sein soll, dass diese
auch bei Hochtemperaturhalbleitern das Sensorelement 110 nicht
schädigt. Dementsprechend werden vorzugsweise niedrigschmelzende Gläser
verwendet.
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Über
dieser ersten Schicht 144 kann in einem weiteren Verfahrensschritt,
beispielsweise mittels eines Plasma-Spritzprozesses, die zweite Schicht 146 aufgetragen
werden. Diese zweite Schicht 146 zeichnet sich durch eine
hohe Porosität aus. Hierbei können beispielsweise
keramische Pulver, wie beispielsweise Al2O3, beziehungsweise bei einem Suspensions-Plasma-Spritzprozess
Suspensionen mit keramischen Bestandteilen zum Einsatz kommen. Das
Plasmaspritzen ist zum Auftragen der zweiten Schicht 146 besonders
gut geeignet, da sich durch Parametervariation des Plasma-Spritzprozesses
die Porosität dieser zweiten Schicht 146 gut einstellen
lässt. Entscheidend ist dabei die Verweildauer des Pulvers
im Plasma. Eine lange Verweildauer bewirkt eine vollständig
geschmolzene Substanz und somit eine eher geschlossene, dichte zweite
Schicht 146, wohingegen eine kurze Verweildauer lediglich eine
oberflächlich angeschmolzene Ausgangssubstanz und somit
eine poröse Schicht auf dem Sensorkörper 118 erzeugt.
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Weiterhin
kann bei einem Plasma-Spritzprozess auch die Auftreffgeschwindigkeit
der Partikel auf dem Sensorkörper 118 beziehungsweise
dem Sensorelement 110 variiert werden. Typisch sind Auftreffgeschwindigkeiten
zwischen 150 m/s bis hin zu 450 m/s. Weiterhin lassen sich dicke
Schichten erzeugen, typischerweise zwischen 80 μm und 300 μm,
bei einem Suspensionsplasmaspritzen auch dünnere Schichten,
beispielsweise im Bereich zwischen 20 μm und 80 μm.
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Weiterhin
kann durch den Plasma-Spritzprozess eine Temperaturbelastung des
Sensorelements 110 bei der Herstellung der Beschichtung 142 gering gehalten
werden. Trotz sehr hoher Temperaturen im Plasma von bis zu 30000
K kann die Temperatur am Sensorelement 110 beziehungsweise
am Sensorkörper 118 kleiner als beispielsweise
400°C gehalten werden. Auf einen separaten Temperaturbehandlungsschritt,
insbesondere einen Hochtemperaturschritt, zum Vernetzen einer Ausgangssubstanz, kann
beim Plasmaspritzen verzichtet werden, da dies im Spritzprozess
bereits umfasst ist. Zudem ist ein Plasma-Spritzprozess sehr reproduzierbar
durchzuführen und kann in eine Fertigungsstraße
gut integriert werden. Eine gesamte Sensorspitze eines Sensorelements 110,
umfassend den gesamten chemischen Feldeffekttransistor 112,
kann mittels eines Plasma-Spritzverfahrens problemlos und vollständig mit
einem porösen Schutzmantel in Form der zweiten Schicht 146 umspritzt
werden. Derartige Ummantelungen wirken sich vorteilhaft als Thermoschockschutz
aus und vermindern eine Thermoschockbelastung durch Auftreffen kleiner
Wassertröpfchen auf geheizte Sensorelemente 110.
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Eine
erfindungsgemäße Variante des Herstellungsverfahrens
des Sensorelements 110, insbesondere zur Erzeugung der
Beschichtung 142, besteht darin, auch die dünne,
gasdichte erste Schicht 144 mittels eines Plasma-Spritzprozesses,
vorzugsweise eines Suspensions-Plasma-Spritzprozesses, aufzutragen.
Hierbei ist besonderes Augenmerk auf eine lokale Strukturierung
der Beschichtung zu legen, um insbesondere den Gate-Bereich 134 und
die Sensorfläche 140 unbeschichtet zu lassen.
Dies kann über eine geschickte Führung des Sensorelements 110 relativ
zum Plasmastrahl bewerkstelligt werden. Außerdem sollte
beim Auftragen der gasdichten ersten Schicht 144 der Parametersatz
so gewählt werden, dass diese erste Schicht 144 möglichst dicht
ausgebildet ist, um die Gasdichtigkeit zu gewährleisten.
Dies kann insbesondere, wie oben beschrieben, durch ein vollständiges
Schmelzen der Ausgangspartikel durch möglichst lange Verweildauer
im Plasma und eine Wahl einer geeigneten Partikelgröße,
insbesondere einer möglichst kleinen Partikelgröße,
realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2610530 [0004, 0026]