DE102012201304A1 - Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren Download PDF

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DE102012201304A1
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Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung weist ein mikromechanisches Trägersubstrat (1; 1a; 1b) mit einer Vorderseite (VS; VSa; VSb) und einer Rückseite (RS; RSa; RSb); eine erste poröse Elektrode (E1, E1‘; E1‘‘) und eine zweite poröse Elektrode (E2; E2‘; E2‘‘); und einen zwischen der ersten porösen Elektrode (E1, E1‘; E1‘‘) und der zweiten porösen Elektrode (E2; E2‘; E2‘‘) eingebetten Feststoffelektrolyten (5) auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
  • Stand der Technik
  • Feststoffelektrolyt-Gassensoren sind im Stand der Technik bekannt, z.B. als Sauerstoff-Sensor in Form der Lambda-Sonde. Eine als Nernstsonde ausgebildete Lambda-Sonde misst die Spannung eines Feststoffelektrolyten, wobei Zirkoniumdioxid als Membran verwendet wird. Dabei nutzt man die Eigenschaft von Zirkoniumdioxid, bei hoher Temperatur (bei keramischen Sonden typischerweise 650 °C) Sauerstoffionen elektrolytisch transportieren zu können, wodurch eine messbare Spannung entsteht.
  • Die DE 199 41 051 A1 offenbart einen Gassensor, der als Breitband-Lambda-Sonde ausgebildet ist, welcher eine keramische Feststoffelektrolytbasis und mehrere Elektroden aufweist, welche in Kammern und an der Außenseite des Feststoffelektrolyten aufgebracht sind.
  • Als Technologie für derartige bekannte Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtungen wird die keramische Dickschichttechnik verwendet, die nur relativ große Mindestabmessungen zulässt, und zwar sowohl bei den Strukturbreiten (typischerweise größer 30 µm) als auch bei den Schichtdicken (typischerweise größer 10 µm). Durch die Kombination mehrerer Zellen lassen sich neben Sauerstoffsensoren auch andere Gassensoren, beispielsweise für Stickoxide, herstellen, die aber kostenaufwendig sind und eine komplizierte Auswerteelektronik erfordern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft eine mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 7.
  • Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht in der Anwendung mikromechanischer Technologien für Feststoffelektrolyt-basierte Gassensoren. Die Erfindung ermöglicht somit eine weitere Miniaturisierung derartiger Sensoren, verringert die Kosten und erhöht die Zuverlässigkeit durch Integrationsmöglichkeiten für weitere Sensorelemente, wie z.B. für Auswerte- und Ansteuerschaltungen.
  • Insbesondere kombiniert die Erfindung chemische Funktionsmaterialien und Funktionsmechanismen von keramischen Dickschicht-Gassensoren, z.B. einen Feststoffelektrolyten als sauerstoffleitfähiges Material, mit Prozessen, Strukturen und Materialien der Mikrosystemtechnik, beispielsweise mikrostrukturierte Membranen zur Realisierung besagter Gassensoren. Die Realisierung von viel geringeren Dimensionen bei Elektroden- und Feststoffelektrolytmaterialien erlaubt eine gezielte Nutzung von Materialeigenschaften und erlaubt z.B. die Erweiterung des Temperaturbereichs.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Vorrichtung und des angegebenen Verfahrens möglich.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das Trägersubstrat eine offene Kaverne zum Festlegen eines Membranbereiches aufweist und die zweite poröse Elektrode durch die Kaverne verläuft. Dies ermöglicht die Fertigung einer Sensorstruktur durch Rückseitenmikromechanik, so dass eine Vielzahl von kleinen und stabilen Membranen auf einem Wafer ausgebildet und später in einem Sensor gleichzeitig kontaktiert (durch die vorderseitig und rückseitig durchlaufende Elektrode) genutzt werden können.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Trägersubstrat einen porosifizierten Bereich aufweist, über dem die erste poröse Elektrode, die zweite poröse Elektrode und der zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode eingebettete Feststoffelektrolyt vorgesehen sind. Durch diese Maßnahme entfällt die Rückseitenmikromechanik, das Trägersubstrat bleibt stabiler, und es gibt keine druckanfällige Membran. Durch die Porosifizierung gelangt trotzdem das nachzuweisende Gas an den Sensor bzw. bei Pumpbetrieb kann das durch den Elektrolyt gepumpte Gas abströmen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Trägersubstrat eine geschlossene Kaverne aufweist und die zweite poröse Elektrode durch die geschlossene Kaverne verläuft. Dies Maßnahme ermöglicht einen diffusionsbegrenzten Betrieb des Sensors. Mit der porösen Elektrode wird eine elektrische Verbindung hergestellt, gleichzeitig kann durch die poröse Schicht auch definiert Gas nachströmen bzw. abfließen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das mikromechanisches Trägersubstrat Teil eines Wafers ist. Durch diese Maßnahme ist eine parallele Herstellung von vielen Sensoren gleichzeitig auf einem Wafer möglich, und zwar über alle Arbeitsschrite (Aufbringen Festelektrolyt, Elektroden, Erzeugung Kavitäten etc.) hinweg. Im Wafer können außerdem noch elektronische Schaltungen integriert werden, eine entsprechende Prozessierung kann bevorzugt bereits vorher stattfinden, so dass die aktiven Sensorschichten nicht beeinträchtigt werden.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Wafer aus Si, SiC oder Saphir ist. Vorteilhaft an dieser Maßnahme ist, dass ein kostengünstiges Substrat hergestellt werden kann, welches einfach zu bearbeiten ist und eine einfache Integration der Elektronik ermöglicht. SiC ist ferner sehr hochtemperaturstabil und ermöglicht elektronische Bauelemente im Sensor bei Temperaturen bis zu und über 500°C. Saphir ist auch ohne zusätzliches Isolationsmaterial nichtleitend.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, wenn vor dem Bilden der Kaverne eine Hilfsmembran auf der Vorderseite des Trägersubstrats vorgesehen wird, anschließend die Kaverne geätzt wird, danach der Feststoffelektrolyt und die erste poröse Elektrode auf der Vorderseite vorgesehen werden, dann die Hilfsmembran von der Rückseite her entfernt wird und schließlich die zweite poröse Elektrode derart aufgebracht, dass sie durch die Kaverne verläuft. Diese Maßnahme ermöglicht eine einfachere und zuverlässigere Fertigung. Gemäß dem Stand der Technik wird als erster Schritt eine Membran in einem rückseitenmikromechanischen Prozess (z.B. Nassätzen Si mit KOH-Ätze) hergestellt. Die Ausfallsquote ist hier vergleichsweise hoch (im Vergleich zum Abscheiden der Sensorschichten). Wenn mit diesem Prozessschritt begonnen wird, kann ein Verlust minimiert werden, da bei einem Fehler nur wenig bearbeitete Wafer zerstört werden. Außerdem wird bei diesem Vorgehen keine später im Sensor aktive Schicht (z.B. der Festelektrolyt) dem Ätzmittel oder dem Ätzverfahren für den Wafer ausgesetzt. Das Membranmaterial kann so ausgewählt werden, dass die Selektivität des Ätzens der Membran gegenüber dem Festelektrolyt optimal ist. Da die Membran auch viel dünner ist als der Wafer kann ein eventuell notwendiges Überätzen der Membran viel kürzer ausfallen als bei einem direkten Ätzen des Wafers. Dabei kann das außerhalb des Membranbereichs verbleibende, nicht entfernte Hilfsmembranmaterial die Isolation des Festelektrolyten vom Substrat übernehmen.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, wenn vor dem Bilden der Kaverne der Feststoffelektrolyt und die erste poröse Elektrode auf der Vorderseite vorgesehen werden, anschließend eine Hilfsmembran auf der Vorderseite des Trägersubstrats vorgesehen wird, dann die Kaverne geätzt wird, danach die zweite poröse Elektrode derart aufgebracht, dass sie durch die Kaverne verläuft, und schließlich die Hilfsmembran auf der Vorderseite entfernt wird. Hierbei handelt es sich um ein besonders vorteilhaftes Verfahren für die Integration von Elektronik auf den Wafern für die Sensoren. Die Wafer mit Elektronik werden komplett (vor)prozessiert. Dann werden auf diesen Wafern die Sensorschichten (bevorzugt nur lokal begrenzt) und eine Hilfsmembran z.B. aus einem Polymer entweder lokal begrenzt oder ganzflächig aufgebracht. Nach Abschluss der Prozessierung der Kaverne wird die Hilfsmembran aus einem Polymer z.B. mit einem Lösemittel entfernt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4a), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 5a), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Trägersubstrat mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS. Im Trägersubstrat 1 vorgesehen ist eine Kaverne K, welche sich von der Rückseite RS bis zur Vorderseite VS hin erstreckt. Eine Feststoffelektrolyt-Membran 5 ist über die Vorderseite VS des Trägersubstrats 1 derart aufgebracht, dass sie die Kaverne K und deren peripheren Bereich abdeckt. Auf der Feststoffelektrolyt-Membran 5 ist vorderseitig eine erste Elektrode E1 und rückseitig eine zweite Elektrode E2 aufgebracht, wobei die Elektroden E1, E2 porös bzw. gasdurchlässig sind. Dieser Aufbau bildet eine einfache Nernstzelle. Das Trägersubstrat 1 ist insbesondere Teil eines Wafers aus einem halbleitenden oder isolierenden Material, z.B. Si, SiC oder auch Saphir.
  • Durch die Verwendung von Dünnschichtverfahren bzw. durch im Halbleiterbereich übliche Verfahren sowohl für die Funktionsmaterialien der Feststoffelektrolyt-Membran 5 und der Elektroden E1, E2 wie auch für das Trägersubstrat 1 können Strukturbreiten und Schichtdicken signifikant verringert werden.
  • Beispielsweise ist eine Schichtdicke für die Feststoffelektrolyt-Membran 5 von wenigen Nanometern, z.B. 10 nm, bis zu mehreren Mikrometern, z.B. 10 µm, möglich. Für die Ausbildung des Membranbereichs B ist ein Dickenbereich von 300 nm bis 2 µm bevorzugt. Die lateralen Abmessungen einer einzigen derartigen Nernstzelle können von 1 µm bis mehreren 100 µm variieren.
  • Insbesondere durch die Verwendung eines Feststoffelektrolyten für die Feststoffelektrolyt-Membran 5 mit geringer Schichtdicke können parasitäre Serienwiderstände reduziert werden, wodurch auch höhere Nernstströme möglich sind. Über die geringeren Schichtdicken sind auch die Korngrößen begrenzt. Für die so möglichen nanoskaligen Festkörperelektrolyten lassen sich deshalb neben hoher Gasdichtigkeit auch geringere Betriebstemperaturen im Bereich von unter 500 °C bzw. bis mindestens 800 °C realisieren.
  • Als Herstellungsverfahren für die Feststoffelektrolyt-Membran 5 können physikalische Abscheideverfahren, wie z.B. Sputtern oder Laserablation oder chemische Abscheideverfahren, insbesondere Chemical Vapor Deposition und Atomic Layer Deposition, eingesetzt werden. Größere Schichtdicken für den Feststoffelektrolyten können auch über konventionelle keramische Dickschichttechnologie, z.B. per Siebdruck, auf mikromechanischen Trägersubstraten 1 realisiert werden, was ein hybrides Gesamtsystem ergibt. Dabei erfolgt der Druck bzw. die Abscheidung des Feststoffelektrolyten bevorzugt vor der Ausbildung der Kaverne und der Aufbringung der rückseitigen Elektrode E2.
  • Bevorzugt wird eine einzelne Nernstzelle möglichst klein ausgeführt, um eine hohe Stabilität im Membranbereich B zu erreichen.
  • Durch eine Kombination vieler einzelner Membranen lässt sich eine Pumpzelle mit großer Fläche und großem Stromsignal erzielen. Hierzu müssen nur die Elektrodenbeschichtungen in den einzelnen Nernstzellen verbunden werden, was am einfachsten dadurch geschieht, dass die Elektroden E1, E2 flächig über ein Trägersubstrat 1 mit einer Mehrzahl von Kavernen K und entsprechenden Membranbereichen B hinweg ausgeführt werden.
  • Wenn das Trägersubstrat 1 nicht gasdurchlässig ist, so sollte es gegenüber den Feststoffelektrolyten eine Isolationsschicht haben, da ansonsten auch in den Bereichen ohne Gasdurchlässigkeit ein Pumpvorgang stattfindet, der die Nernstzelle zerstören kann. Diese Isolationsschicht kann entweder elektrischer Natur sein, sodass in Feststoffelektrolyten lokal kein Feld entsteht, über das ein Gas gepumpt werden kann. Alternativ kann eine gasdichte Schicht verwendet werden, die verhindert, dass Gas Bereiche der Feststoffelektrolytschicht erreicht.
  • Für die Herstellung wird sinnvollerweise zunächst auf einem Trägersubstrat 1 auf den für die Nernstzelle oder die Nernstzellen vorgesehenen Bereichen ein Feststoffelektrolyt auf der Vorderseite VS aufgebracht und darüber die vorderseitige Elektrode E1. Mittels eines Strukturierungsverfahrens, z.B. Nassätzen oder DRIE (Deep Reactive Ion Edging), wird dann das Trägersubstrat 1 von der Rückseite RS her bis auf die Vorderseite VS entfernt. Das Strukturierungsverfahren kann bei mehrlagigem Aufbau des Trägersubstrats 1 (z.B. bei einer oben erwähnten Isolationsschicht auf dem Trägersubstrat 1 auf der Vorderseite VS unter der Feststoffelektrolyt-Membran 5) mehrere Stufen umfassen. Nach der Strukturierung des Trägersubstrats 1 von der Rückseite her zur Erzeugung der Kaverne K bzw. der Kavernen K erfolgt die Beschichtung der rückseitigen Elektrode E2 von der Rückseite RS her.
  • Es sei bemerkt, dass in 1 Bezugszeichen P die Pumprichtung für das Gas bezeichnet, hier den Sauerstoff, welche je nach Richtung der angelegten Spannung im Membranbereich B umkehrbar ist.
  • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 2 bezeichnet Bezugszeichen 1a ein Trägersubstrat, welches eine Vorderseite VSa und eine Rückseite RSa aufweist. Von der Rückseite RSa zur Vorderseite VSa erstreckt sich ein poröser Bereich PO. Das Trägersubstrat 1a dient bei der Nernstzelle gemäß 2 einerseits als Träger für die Feststoffelektrolyt-Membran 5 und die Elektroden E1', E2' und gleichzeitig als Diffusionsbarriere für die Funktion der Nernstzelle.
  • Zur Herstellung wird auf der Vorderseite VSa des Trägersubstrats 1a die rückseitige Elektrode E2' abgeschieden, darüber der Feststoffelektrolyt für die Feststoffelektrolyt-Membran 5 abgeschieden und darüber die vorderseitige Elektrode E1'.
  • Vorteilhafterweise wird mindestens eine der Elektroden E1', E2' lateral strukturiert. Schließlich wird das Trägersubstrat von der Rückseite RSa porosifiziert, und zwar mindestens in einem Bereich PO, auf dem beide Elektroden E1', E2' vorhanden sind und in dem durch die Feststoffelektrolyt-Membran 5 ein Pumpen stattfindet.
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bei der dritten Ausführungsform bezeichnet Bezugszeichen 1b ein Trägersubstrat, welches eine Vorderseite VSb und eine Rückseite RSb aufweist. Das Trägersubstrat 1b weist eine geschlossene Kaverne CV auf, über die auf der Vorderseite VSb die Feststoffelektrolyt-Membran 5 gespannt ist. Innerhalb der geschlossenen Kaverne CV und unterhalb der Feststoffelektrolyt-Membran 5 ist die rückseitige Elektrode E2" vorgesehen, welche durch eine entsprechende Öffnung O aus der geschlossenen Kaverne CV herausgeführt ist.
  • Vorderseitig auf die Feststoffelektrolyt-Membran 5 aufgebracht ist die vorderseitige Elektrode E1".
  • In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform kann auch nur ein lokal porosifizierter und rückseitig geschlossener Bereich als Kavität bzw. Kaverne genutzt werden.
  • 4a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bei der vierten Ausführungsform wird vor der Ätzung der Kaverne K eine Hilfsmembran 50, z.B. aus Siliziumnitrid oder -oxid, auf der Vorderseite VS des Substrats 1 vorgesehen.
  • Anschließend wird die Kaverne K geätzt und dann der Feststoffelektrolyt 5 und die erste poröse Elektrode E1 auf der Vorderseite VS vorgesehen, was zum Prozesszustand gemäß 4a) führt.
  • Weiter mit Bezug auf 4b) wird die Hilfsmembran 50 von der Rückseite RS her im Membranbereich B entfernt und anschließend die zweite poröse Elektrode E2 auf der Rückseite RS vorgesehen.
  • Bei dieser Ausführungsform verbleibt die Hilfsmembran 50 außerhalb des Sensorbereichs 50, was jedoch für die Sensorfunktion nicht störend wirkt.
  • 5a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bei der fünften Ausführungsform werden vor der Ätzung der Kaverne K der Feststoffelektrolyt 5 und die erste poröse Elektrode E1 auf der Vorderseite VS des Substrats 1 vorgesehen. Anschließend wird als Ätzschutz eine Hilfsmembran 55, z.B. aus Siliziumnitrid oder -oxid oder einem Polymer, auf der Vorderseite VS des Substrats 1, nämlich auf der ersten porösen Elektrode E1, vorgesehen, was zum Prozesszustand gemäß 5a) führt.
  • Weiter mit Bezug auf 5b) wird die Kaverne K geätzt und dann die zweite poröse Elektrode E2 auf der Rückseite RS vorgesehen. Schließlich wird die Hilfsmembran 55 auf der Vorderseite 55 entfernt.
  • Als Material für das Trägersubstrat 1 der geschilderten Ausführungsformen kann bevorzugt ein hochtemperaturfestes und chemisch inertes Material eingesetzt werden, beispielsweise Wafer aus monokristallinem Siliziumcarbid (SiC).
  • Hier besteht der Vorteil, dass auf den Wafern insbesondere außerhalb der Bereiche für die Nernstzellen bzw. Pumpzellen integrierte Halbleiterschaltungen aufgebracht werden können, die eine Signalvorverarbeitung übernehmen, z.B. in Form von Verstärkerschaltungen, Regel- oder Steuerschaltungen. Sinnvollerweise werden diese Schaltungen bereits vor der Realisierung der Pumpzellen im Substrat realisiert und prozessiert. Mit diesen Schaltungen kann z.B. ein oszillierender Betrieb einer Pumpzelle realisiert werden, bei dem angelegte Spannung und Pumprichtung regelmäßig geändert werden. Die Signalauswertung kann dabei auf Basis der Zeit- und/oder Spannungsabhängigkeit des Pumpstroms erfolgen.
  • Auch polykristalline Materialien, beispielsweise polykristalline SiC-Wafer, oder mehrphasige Materialien, beispielsweise SiC in einer Siliziummatrix, können als Material für das Trägersubstrat eingesetzt werden, wobei Schaltungen hier nur in zusätzlichen epitaktisch gewachsenen Schichten realisiert werden können. Bei mehrphasigen Materialien kann eine Porosifizierung vereinfacht oder durch Herauslösen einer Phase erfolgen.
  • Die gasdurchlässigen Elektroden E1, E2 bzw. E1‘, E2‘ bzw. E1‘‘, E2‘‘ können z.B. durch Gasfluss-Sputtern von Metallen und bevorzugt Edelmetallen hergestellt werden, was eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei hohen Einsatztemperaturen ermöglicht. Durch das Gasfluss-Sputtern kann eine elektrisch leitfähige, aber poröse Schicht als Elektrode E1, E2 aufgebracht werden. Andere Verfahren zur Elektrodenherstellung wären z.B. die Aufbringung von Edelmetall-Nanopartikeln in organischer Lösung und ein nachfolgender Ausheizschritt zur Verdichtung der Partikel.
  • Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von MEMS-Strukturen für die Kombination mehrerer chemischer Sensoren oder unterschiedlicher Funktionen für einen Sensor, z.B. in Verwendung als Stickoxid-Gassensor. Bei einer Ausführungsform dieses Gassensors wird ein miniaturisierter Doppelkammersensor mit Pump- und Nernstzelle realisiert. Durch die Miniaturisierung können die vorteilhafteren Verhältnisse zwischen Volumen und Oberfläche bei der Pumpzelle für den Nachweis von z.B. NO genutzt werden. Die Verwendung von SiC-Halbleitermaterial als Grundmaterial ermöglicht die Integration von elektrischen Schaltungen innerhalb des Sensorchips zum Betrieb des Sensors und zur Verstärkung und Vorverarbeitung der Signale. Dadurch kann eine zusätzliche Elektronikeinheit zwischen Sensorelement und Motorsteuergerät vereinfacht werden oder ganz entfallen.
  • Neben chemischen Sensoren, z.B. in einem SiC-Trägersubstrat realisierten ChemFET mit einer nanostrukturierten Beschichtung, können auf den Halbleitersubstraten auch Aufnehmer für elektrische, thermische oder mechanische Informationen untergebracht werden, z.B. feldsensitive Transducer, piezoresistive Elemente und Thermowiderstände. Damit lassen sich auf einer Membran weitere physikalische Sensoren für Druck, Temperatur oder Strömung unterbringen und mit den chemischen Sensorelementen in einem Bauteil, z.B. als Abgassensoren für mehrere chemische und physikalische Parameter, integrieren. Ebenso können im mikromechanischen Verfahren hergestellten bzw. weiter verarbeiteten Trägersubstrat Aktoren integriert werden, z.B. für miniaturisierte Ventile oder als Heizwiderstände.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19941051 A1 [0003]

Claims (13)

  1. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung, welche aufweist: ein mikromechanisches Trägersubstrat (1; 1a; 1b) mit einer Vorderseite (VS; VSa; VSb) und einer Rückseite (RS; RSa; RSb); eine erste poröse Elektrode (E1, E1‘; E1‘‘) und eine zweite poröse Elektrode (E2; E2‘; E2‘‘); und einen zwischen der ersten porösen Elektrode (E1, E1‘; E1‘‘) und der zweiten porösen Elektrode (E2; E2‘; E2‘‘) eingebetteten Feststoffelektrolyten (5).
  2. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat (1) eine offene Kaverne (K) zum Festlegen eines Membranbereiches (B) aufweist und die zweite poröse Elektrode (E2) durch die Kaverne (K) verläuft.
  3. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat (1a) einen porosifizierten Bereich (PO) aufweist, über dem die erste poröse Elektrode (E1‘), die zweite poröse Elektrode (E2‘) und der zwischen der ersten porösen Elektrode (E1‘) und der zweiten porösen Elektrode (E2‘) eingebettete Feststoffelektrolyt (5) vorgesehen sind.
  4. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat (1b) eine geschlossene Kaverne (CV) aufweist und die zweite poröse Elektrode (E2‘‘) durch die geschlossene Kaverne (CV) verläuft.
  5. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanisches Trägersubstrat (1; 1a; 1b) Teil eines Wafers ist.
  6. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Wafer aus Si, SiC oder Saphir ist.
  7. Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen eines mikromechanischen Trägersubstrats (1; 1a; 1b) mit einer Vorderseite (VS; VSa; VSb) und einer Rückseite (RS; RSa; RSb);
  8. Aufbringen einer ersten porösen Elektrode (E1, E1‘; E1‘‘) und einer zweiten porösen Elektrode (E2; E2‘; E2‘‘) und eines zwischen der ersten porösen Elektrode (E1, E1‘; E1‘‘) und der zweiten porösen Elektrode (E2; E2‘; E2‘‘) eingebetteten Feststoffelektrolyten (5) auf das mikromechanische Trägersubstrat (1; 1a; 1b).
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Trägersubstrat (1) mit einer offenen Kaverne (K) versehen wird und die zweite poröse Elektrode (E2) derart aufgebracht wird, dass sie durch die Kaverne (K) verläuft.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Trägersubstrat (1a) mit einem porosifizierten Bereich (PO) versehen wird, über dem die erste poröse Elektrode (E1‘), die zweite poröse Elektrode (E2‘) und der zwischen der ersten porösen Elektrode (E1‘) und der zweiten porösen Elektrode (E2‘) eingebettete Feststoffelektrolyt (5) aufgebracht werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Trägersubstrat (1b) mit einer geschlossenen Kaverne (CV) versehen wird und die zweite poröse Elektrode (E2‘‘) derart aufgebracht wird, dass sie durch die geschlossene Kaverne (CV) verläuft.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor dem Bilden der Kaverne (K) eine Hilfsmembran (50) auf der Vorderseite (VS) des Trägersubstrats (1) vorgesehen wird, anschließend die Kaverne (K) geätzt wird, danach der Feststoffelektrolyt (5) und die erste poröse Elektrode (E1) auf der Vorderseite (VS) vorgesehen werden, dann die Hilfsmembran (50) von der Rückseite (RS) her entfernt wird und schließlich die zweite poröse Elektrode (E2) derart aufgebracht, dass sie durch die Kaverne (K) verläuft.
  13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor dem Bilden der Kaverne (K) der Feststoffelektrolyt (5) und die erste poröse Elektrode (E1) auf der Vorderseite (VS) vorgesehen werden, anschließend eine Hilfsmembran (55) auf der Vorderseite (VS) des Trägersubstrats (1) vorgesehen wird, dann die Kaverne (K) geätzt wird, danach die zweite poröse Elektrode (E2) derart aufgebracht, dass sie durch die Kaverne (K) verläuft, und schließlich die Hilfsmembran (55) auf der Vorderseite (VS) entfernt wird.
DE201210201304 2012-01-31 2012-01-31 Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren Withdrawn DE102012201304A1 (de)

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