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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Sensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer derartigen Sensorvorrichtung.
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Seit einigen Jahren laufen Forschungsaktivitäten zur Miniaturisierung der Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC, solid oxide fuel cell). Ziel hierbei ist, Ionen leitende keramische Materialien aus konventioneller SOFC-Technologie und Mikrofabrikationsschritte aus der Halbleiterprozesstechnik zu kombinieren und eine Mikro-SOFC darzustellen. Parallel zu diesen Forschungsaktivitäten findet auch eine zunehmende Miniaturisierung keramischer Abgassensoren statt. Basismaterial für beide Anwendungen ist eine Sauerstoffionen leitende Keramik (zumeist yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, YSZ), als Elektrodenmaterial kommt z. B. Pt infrage.
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Die
DE 102 47 857 A1 offenbart einen Gassensor in keramischer Mehrlagentechnologie. Der Gassensor umfasst eine Hot-Plate zur Gasdetektion, die an einem oder mehreren mit der Hot-Plate monolithisch verbunden schmalen Armen befestigt ist, wobei die Hot-Plate und die Arme zumindest teilweise in keramischer Mehrlagentechnologie ausgeführt sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases, ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases sowie ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Mit einer Anordnung eines klein dimensionierten Erfassungsbereichs eines Gassensors in einer von einem Auslesebereich des Gassensors umgebenen Ausnehmung eines den Gassensor bildenden Halbleitersubstrats kann eine ionenleiterbasierte Sensierung für Niedertemperaturanwendungen realisiert werden.
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Gemäß dem hier vorgestellten Konzept ist es möglich, mit Methoden der Mikrosystemtechnik den sensitiven Bereich bzw. Erfassungsbereich des Ionenleiter-basierten Sensors so zu miniaturisieren, dass eine möglichst geringe Wärmekapazität des sensitiven Bereiches erreicht und gleichzeitig eine möglichst hohe thermische Abkopplung von der umgebenden Chip-Peripherie erzielt wird.
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Der sensitive Bereich, der beispielsweise eine Ionen leitende Dünnschicht mit einer oder mehreren Elektroden beinhaltet kann und gegebenenfalls für eine ausreichende Sensorfunktion beheizt werden kann, stellt gemäß dem hier vorgestellten Ansatz nur einen Teilbereich des Sensorchips bzw. der Sensorvorrichtung dar. Somit liegt ein ganz wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass mit der erreichten geringen Wärmekapazität des sensitiven Bereichs auch ein Betrieb des Sensors mit sehr kurzzeitigen Temperaturspitzen bzw. Temperaturpeaks möglich ist, sodass eine mittlere Gesamtsensortemperatur viel niedriger bleiben kann als die kurzzeitige Peaktemperatur des sensitiven Bereiches. Kurzzeitig kann also bei sehr hohen Temperaturen ein Messwert aufgenommen werden, ohne dass viel Leistung benötigt wird bzw. eine makroskopische Erwärmung der Umgebung des sensitiven Bereiches stattfindet.
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Insgesamt ermöglicht der hier vorgeschlagene Ansatz den Einsatz Ionenleiterbasierter Sensoren in Sensoranwendungen, bei denen der Sensorchip nur unwesentlich Energie benötigen bzw. unwesentlich Betriebswärme erzeugen darf, was z. B. für einen Einsatz in Brandmeldern oder Mobiltelefonen unerlässlich ist. Darüber hinaus sind durch das hier vorgeschlagene Miniaturisierungskonzept sehr kostengünstige Sensoren realisierbar, und es kann durch die selektive Ionenleitfähigkeit eine hohe Selektivität der Sensoren erreicht werden.
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Beispielsweise empfiehlt sich der hier vorgeschlagene Ansatz für die Gestaltung von Gassensoren im Zusammenhang mit der Lambdasonde eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang ist die Tatsache wichtig, dass für eine ausreichende Funktion sowohl der Elektrode als auch des Ionenleiters üblicherweise deutlich höhere Temperaturen als Raumtemperatur erforderlich sind. Üblich ist beispielsweise bei Lambdasonden eine Beheizung auf 600 bis 700 °C. Zwar wurde auch für die Lambdasonde bereits ein Miniaturisierungsansatz unter Nutzung der Halbleiterprozesstechnik beschrieben, und durch Verbesserung der Materialqualitäten ist eine Senkung um mehrere Hundert Grad möglich. Eine ausreichende Funktion der Materialien bei Raumtemperatur erscheint jedoch nach wie vor sehr unwahrscheinlich. Mit dem hier vorgeschlagenen Konzept kann diese Problematik gelöst werden, da der Heizleistungsbedarf wesentlich geringer ausfällt und so das hier vorgeschlagene Messprinzip auch für Anwendungen infrage kommt, in denen die gesamte makroskopische Sensoreinheit keine wesentlich höhere Temperatur als Raumtemperatur aufweisen darf.
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Eine Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases umfasst einen Erfassungsbereich und einen über einen Verbindungssteg mit dem Erfassungsbereich elektrisch und mechanisch verbundenen Auslesebereich, wobei der Auslesebereich, der Erfassungsbereich und der Verbindungssteg aus einem Substrat gebildet sind und der Erfassungsbereich und der Verbindungssteg durch eine Ausnehmung aus dem Substrat freigestellt sind, wobei der Erfassungsbereich einen ionenleitenden Bereich zum Bereitstellen eines von dem Gas abhängigen Messsignals aufweist und der Auslesebereich zum Auslesen des Messsignals ausgebildet ist.
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Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise als eine Lambdasonde oder in Verbindung mit einer Lambdasonde in einem Fahrzeug eingesetzt werden, um eine Zusammensetzung eines Abgasgemisches des Fahrzeugs zu ermitteln. Zur Sensierung des Gases kann die Sensorvorrichtung in oder nahe bei einem Strom des Gases angeordnet sein. Das die Sensorvorrichtung bildende Substrat kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat oder ein Glassubstrat sein. Beispielsweise kann das Substrat aus Silizium bestehen oder Silizium umfassen. Das Substrat kann einen Außenumfang eines Quaders oder eines Plättchens aufweisen. Der Erfassungsbereich der Sensorvorrichtung kann zur Detektion eines oder mehrerer Bestandteile des Gases ausgebildet sein. Der Erfassungsbereich kann ausgebildet sein, um das Messsignal beispielsweise abhängig von einem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Gases oder von einer Konzentration des Gases bereitzustellen. Das Messsignal kann ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung sein. Der den ionenleitende Bereich kann einen Ionenleiter ausbilden. Der ionenleitende Bereich kann beispielsweise als ein Festkörper-Elektrolyt ausgebildet sein. Insbesondere kann der ionenleitende Bereich eine Elektrode aufweisen, die zum Aufbau eines elektrischen Feldes sowie zum Beheizen des Erfassungsbereichs eingesetzt werden kann. Der ionenleitende Bereich, der auch als sensitiver Bereich bezeichnet werden kann, kann sich dadurch auszeichnen, dass er in Mikrosystemtechnik gefertigt ist und lediglich einen kleinen Bruchteil eines Gesamtvolumens der Sensorvorrichtung ausmacht. Der Erfassungsbereich kann in einem zentralen Abschnitt der Sensorvorrichtung angeordnet sein. Als Herstellungsverfahren für einen ionenleitenden Bereich können physikalische Abscheideverfahren, wie z. B. Sputtern oder Laserablation oder chemische Abscheideverfahren, insbesondere Chemical Vapor Deposition und Atomic Layer Deposition, eingesetzt werden. Der Auslesebereich kann um den Erfassungsbereich herum angeordnet oder angrenzend an den Verbindungssteg angeordnet sein. Der Auslesebereich kann ausgebildet sein, um das Messsignal über den Verbindungssteg zu empfangen. Der Auslesebereich kann ausgebildet sein, um das Messsignal an eine Auswerteschaltung weiterzuleiten. Alternativ kann der Auslesebereich ausgebildet sein, um basierend auf dem Messsignal eine Information über eine Qualität und/oder Zusammensetzung des Gases zu ermitteln. Beispielsweise kann der Auslesebereich eine Auswerteschaltung zum Auswerten des Messsignals und zum Bereitstellen von auf dem Messsignal basierenden Messdaten aufweisen. Der Auslesebereich kann beispielsweise eine Transistorschaltung zur Auswertung des Messsignals aufweisen oder durch eine entsprechende integrierte Schaltung gebildet sein. Eine solche integrierte Schaltung kann mit Verfahren der Halbleitertechnik in das Substrat prozessiert werden. Die Ausnehmung kann beispielsweise mittig in dem Substrat angeordnet und als eine Aussparung oder ein Durchgangsloch durch das Substrat ausgebildet sein. Ein durch die Ausnehmung gebildeter Freiraum kann größere Abmessungen als der Erfassungsbereich aufweisen. Der Erfassungsbereich kann so in der Ausnehmung angeordnet sein, dass er von die Ausnehmung begrenzenden Wänden des Halbleitersubstrats, beispielsweise gleichmäßig beabstandet ist und somit ein Luftspalt zwischen dem Erfassungsbereich und dem Auslesebereich besteht. Der Verbindungssteg kann ausgebildet sein, um den Luftspalt zu überbrücken und somit eine Funktion einer Trägerstruktur für den Erfassungsbereich und gleichzeitig eine Funktion der Koppelung des Erfassungsbereichs mit dem Auslesebereich zu erfüllen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung kann eine Wärmeleitfähigkeit des Erfassungsbereichs größer sein als eine Wärmeleitfähigkeit des Verbindungsstegs und/oder des Auslesebereichs. So kann nur der zur Messgrößenaufnahme bestimmte Bereich der Sensorvorrichtung einer zur Messgrößenaufnahme erforderlichen erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, während die übrigen Bereiche der Sensorvorrichtung auf einem niedrigeren Temperaturniveau verbleiben können. Die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise durch eine geeignete Materialwahl realisiert werden. Auf diese Weise kann eine Lebensdauer der Sensorvorrichtung vorteilhaft verlängert werden und ihr Einsatz in Geräten ermöglicht werden, auf die sich eine Temperaturerhöhung funktionsbeeinträchtigend auswirken würde.
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Beispielsweise kann der Auslesebereich eine in das Substrat integrierte Schaltung umfassen. So kann auf minimalem Bauraum eine Auswertung des von dem Erfassungsbereich bereitgestellten Messsignals erfolgen.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Auslesebereich zumindest einen Anschluss zum Weiterleiten des Messsignals an eine Auswerteschaltung umfasst, wobei die Auswerteschaltung ausgebildet ist, um das von dem Erfassungsbereich bereitgestellte Messsignal auszuwerten. Die Auswerteschaltung kann als eine auf einem separaten Substrat angeordnete Schaltung ausgebildet sein. Die Auswerteschaltung kann eine integrierte Schaltung, ein sogenannter Chip, darstellen. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise auf den Auslesebereich aufgesetzt sein und über eine Leitung, beispielsweise einen Bonddraht oder eine Lötverbindung mit dem Anschluss des Auslesebereichs verbunden sein. Der Auslesebereich und die Auswerteschaltung können von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sen.
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Die Sensorvorrichtung kann als ein Mikrosystemtechnik-Element ausgeführt sein. Somit können Prozesse der Mikrosystemtechnik verwendet werden, um Strukturen der Sensorvorrichtung herzustellen. Dabei können auch Prozesse der Halbleitertechnologie zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann der ionenleitende Bereich unter Verwendung von Prozessen der Mikrosystemtechnik hergestellt sein. Eine Strukturauflösung von funktionalen Strukturen der Sensorvorrichtung kann im Mikrometerbereich liegen oder kleiner sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Verbindungssteg zumindest eine elektrische Leitung zur elektrischen Koppelung des Erfassungsbereichs mit dem Auslesebereich aufweisen. Beispielsweise kann die zumindest eine elektrische Leitung in den Verbindungssteg eingebettet sein und/oder vollumfänglich von diesem umgeben sein. So kann ohne Weiteres eine platzsparende und kurzschlusssichere elektrische Verbindung zwischen dem Erfassungsbereich und dem Auslesebereich hergestellt werden.
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Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung einen weiteren ionenleitenden Bereich zum Bereitstellen eines von dem Gas abhängigen weiteren Messsignals aufweisen und der Auslesebereich kann zum Auslesen des weiteren Messsignals ausgebildet sein. Dabei können die ionenleitenden Bereiche unterschiedliche ionenleitende Materialien aufweisen. Beispielsweise können die ionenleitenden Bereiche unter Verwendung unterschiedlicher Elektrodenmaterialien hergestellt sein. So kann auf einfache und kostengünstige Weise gewährleistet werden, dass die Sensorvorrichtung zur Untersuchung unterschiedlicher Gase eingesetzt werden kann.
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Ferner kann Sensorvorrichtung einen weiteren Verbindungssteg aufweisen. Entsprechend kann der Verbindungssteg eine dem Auslesebereich zugewandte Seitenfläche des Erfassungsbereichs mit einer die Ausnehmung bildenden Seitenfläche des Auslesebereichs verbinden und der weitere Verbindungssteg eine dem Auslesebereich zugewandte der Seitenfläche des Erfassungsbereichs gegenüberliegende weitere Seitenfläche des Erfassungsbereichs mit einer die Ausnehmung bildenden der Seitenfläche des Auslesebereichs gegenüberliegenden weiteren Seitenfläche des Auslesebereichs verbinden. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass der Erfassungsbereich besonders robust in der Sensorvorrichtung verankert werden kann und zudem eine galvanische Trennung der elektrischen Leitungen zur Kopplung des Erfassungsbereichs und des Auslesebereichs sicher gewährleistet ist.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung gemäß einer der im Vorangegangenen erläuterten Ausführungsformen weist die folgenden Schritte auf:
Erwärmen des Erfassungsbereichs; und
Auslesen eines das Messsignal repräsentierenden Messwertes aus dem Auslesebereich der Sensorvorrichtung.
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Der Schritt des Erwärmens kann beispielsweise durch in dem Erfassungsbereich angeordnete Elektroden ausgeführt werden. Der Schritt des Auslesens kann beispielsweise ausgeführt werden, wenn der Erfassungsbereich infolge des Erwärmens eine Temperatur erreicht hat, die einen Ionenfluss in dem Erfassungsbereich bewirkt, basierend auf dem eine zu erfassende Messgröße bzw. zu erfassenden Messgrößen in dem Gasstrom detektiert werden können. Das Verfahren zum Betreiben der Sensorvorrichtung kann beispielsweise mittels eines mit der Sensorvorrichtung gekoppelten Steuergeräts gesteuert bzw. geregelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann der Schritt des Erwärmens kurzzeitig innerhalb einer Betriebszeit der Sensorvorrichtung durchgeführt werden. Der Schritt des Erwärmens kann eine Dauer eines Bruchteils einer Betriebszeit der Sensorvorrichtung aufweisen. Die Dauer kann dabei kleiner oder gleich 10 Sekunden betragen. So kann der Erfassungsbereich nur kurz zur Messwertaufnahme erwärmt werden, um ihn anschließend sofort wieder abkühlen zu lassen. Auf diese Weise können Lebensdauer sowie Energieeffizienz der Sensorvorrichtung vorteilhaft verlängert bzw. verbessert werden.
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Ferner kann in dem Schritt des Erwärmens der Erfassungsbereich zeitlich nacheinander auf ein erstes Temperaturniveau und ein zweites Temperaturniveau erwärmt werden. Entsprechend kann in dem Schritt des Auslesens der Messwert während einer Dauer des ersten Temperaturniveaus ausgelesen werden und ein weiterer Messwert während einer Dauer des zweiten Temperaturniveaus ausgelesen werden. Mit dieser Ausführungsform können beispielsweise ohne Weiteres unterschiedliche Stoffe in einem Gasgemisch durch die Sensorvorrichtung bestimmt werden.
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Ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases weist folgende Schritte auf:
Bereitstellen eines Substrats mit einem Erfassungsbereich zum Tragen eines ionenleitenden Bereichs zum Bereitstellen eines von dem Gas abhängigen Messsignals, einem Auslesebereich zum Auslesen des Messsignals und einem Verbindungssteg zum elektrischen und mechanischen Verbinden des Erfassungsbereichs mit dem Auslesebereich; und
Herstellen einer Ausnehmung aus dem Substrat, um den Erfassungsbereich und den Verbindungssteg aus dem Substrat freizustellen.
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Der Schritt des Herstellens der Ausnehmung kann beispielsweise maschinell mittels eines Ätzprozesses ausgeführt werden.
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Das Herstellungsverfahren kann einen Schritt des Aufbringens des ionenleitenden Bereichs auf den Erfassungsbereich, zeitlich nach dem Schritt des Herstellens der Ausnehmung umfassen. Alternativ kann der Erfassungsbereich den ionenleitenden Bereich bereits umfassen, bevor der Erfassungsbereich freigestellt wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des Verfahrens zum Betreiben einer Sensorvorrichtung in Verbindung mit Einrichtungen des Steuergeräts durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1A eine Aufsicht auf eine Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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1B einen Querschnitt durch die Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases aus 1A;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1A zeigt in einer Aufsicht eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 100 zum Sensieren eines Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Sensorvorrichtung 100 ist quaderförmig und setzt sich aus einem Erfassungsbereich 102, einem Auslesebereich 104 und zwei Verbindungsstegen 106 zusammen. Die Sensorvorrichtung 100 besteht im Ganzen aus einem Substrat, beispielsweise einem Halbleitersubstrat und erhielt in einem Ätzprozess die in der Darstellung gezeigte Ausprägung. Der Erfassungsbereich bzw. sensitive Bereich 102 sowie die Verbindungsstege 106 sind durch eine im Ätzprozess gebildete Ausnehmung 108 aus dem Substrat freigestellt. Die Verbindungsstege 106 verbinden an gegenüberliegenden Seiten den Erfassungsbereich 102 mit dem Auslesebereich 104 und bilden damit eine mechanische Aufhängung des in dem freigestellten Bereich 108 angeordneten sensitiven Bereichs 102. Zusätzlich stellen die Verbindungsstege 106 über in oder an ihnen angeordnete elektrische Leitungen bzw. Zuleitungen 112 eine elektrische Verbindung zwischen dem Erfassungsbereich 102 und dem Auslesebereich 104 her. Der Auslesebereich 104 weist eine integrierte Schaltung auf und wird somit auch als Sensor-Chip bezeichnet.
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Die Sensorvorrichtung 100 kann zur Sensierung eines Gases in einem Gasstrom angeordnet werden. Der Erfassungsbereich bzw. sensitive Bereich 102 ist als ein Ionenleiter ausgebildet und weist eine oder mehrere Elektroden sowie ein Heizelement 110 auf und kann somit auf eine erforderliche Betriebstemperatur zum Erfassen einer Messgröße aus dem Gasstrom aufgeheizt werden. Eine aus dem Gasstrom erfasste Messgröße wird über die Leitungen 112 als ein Messsignal an den Auslesebereich 104 übermittelt und dort ausgewertet. Die schematische Darstellung in 1A verdeutlicht, dass der in Mikrosystemtechnik hergestellte Erfassungsbereich 102 wesentlich kleiner als der Auslesebereich 104 der Sensorvorrichtung 100 ausgebildet ist, womit die vorteilhafte geringe Wärmekapazität der Sensorvorrichtung 100 erreicht werden kann. Die Ausnehmung 108 unterstützt zudem ein schnelles Abkühlen des sensitiven Bereichs beispielsweise nach der Messwertaufnahme.
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Zur Sensierung des Gases kann gemäß einem Ausführungsbeispiel ein erster Abschnitt des Erfassungsbereichs 102 in Kontakt mit dem zu sensierenden Gas und ein durch den Ionenleiter von dem ersten Abschnitt räumlich getrennt angeordneter zweiter Abschnitt des Erfassungsbereichs in Kontakt mit einem Referenzgas gebracht werden. Das Messsignal kann durch Ionen erzeugt werden, die zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt durch den Ionenleiter wandern. Der Ionenleiter kann als eine Membran ausgeführt sein, die zwischen zwei einander gegenüberliegenden Elektroden zum Abgreifen des Messsignals angeordnet sein kann.
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Wie die Darstellung in 1 zeigt, ist der sensitive Bereich 102 mit Ionenleiter mittels der hier durch Ätzprozesse hergestellten Freistellung 108 von dem den Hauptbereich des Substrats bildenden Auslesebereich 104 entkoppelt. Durch die Verbindungsstege bzw. Aufhängungen 106, die vorzugsweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet sind, ist der Erfassungsbereich 102 mechanisch und elektrisch, z. B. mittels der metallischen Leiterbahnen 112 oder implantierten, dotierten Bereichen, mit dem Rest des Substrats verbunden. Die Temperatur des sensitiven Bereichs 102 kann z. B. durch den Widerstand des Heizelements 110 oder die Impedanz des Ionenleiters oder ein zusätzlich integriertes Temperaturmesselement erfasst werden. Den Auslesebereich 104 bildet hier einen Si-basierter Chip.
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1B zeigt die Sensorvorrichtung 100 zum Sensieren eines Gases anhand einer schematischen Querschnittdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Diese Darstellungsform zeigt anschaulich, dass eine Bauhöhe des Auslesebereichs 104 größer als eine Bauhöhe des Erfassungsbereichs 102 ist und eine Bauhöhe des Erfassungsbereichs 102 größer als eine Bauhöhe der Verbindungsstege 106 ist. Mit dieser Ausprägung der Sensorvorrichtung 100 kann die vorteilhafte geringe Wärmekapazität des Erfassungsbereichs 102 optimal hergestellt werden, da die mittels des Ätzprozesses im Herstellungsverfahren gebildete Ausnehmung 108 ausreichend Volumen für die Freistellung des Erfassungsbereichs 102 bietet und durch die Miniaturisierung des Erfassungsbereichs 102 dieser besonders schnell und auch kurzzeitig beheizt werden kann. Die Verbindungsstege 106 sind bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung 100 durch den Ätzprozess so ausgebildet und angeordnet, dass jeder Verbindungssteg 106 eine jeweils dem Auslesebereich 104 zugewandte Seitenfläche 114 des Erfassungsbereichs 102 mit einer die Ausnehmung 108 bildenden Seitenfläche 116 des Auslesebereichs 104 verbindet.
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In einer vorteilhaften Erweiterung der in den 1A und 1B gezeigten Sensorvorrichtung 100 zum Sensieren eines Gases können z. B. mehrere sensitive Bereiche 102 auf einem Chip bzw. Halbleitersubstrat mit unterschiedlichen Elektrodenmaterialien verwendet werden, um mehrere Gase gleichzeitig zu messen. Ebenso denkbar ist eine Zyklierung der Messwerterfassung über mehrere Temperaturniveaus, um Temperaturabhängigkeiten der sensitiven Eigenschaften für mehr Sensorinformation auszunutzen, z. B. in puncto Selektivität, Erfassung mehrerer Gase, unterschiedliche Kalibrierungen, etc.
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Ein beliebiges Ausführungsbeispiel der anhand der 1A und 1B erläuterten Ionenleiter-basierten Sensorvorrichtung 100 ist in jedem Falle so gestaltet, dass ein Einsatz auch in Anwendungen möglich ist, die keine hohe Sensortemperatur und/oder hohe Leistungsaufnahme zulassen.
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Die Darstellung in den 1A und 1B zum prinzipiellen Aufbau der Sensorvorrichtung 100 sind schematisch und nicht maßstabgetreu.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens 200 zum Betreiben einer Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases. In einem Schritt 202 wird ein Erfassungsbereich bzw. sensitiver Bereich der Sensorvorrichtung erwärmt. Ein Messwert bzw. eine Messgröße aus einem die Sensorvorrichtung durchströmenden Gas wird in einem Schritt 204 erfasst. In einem Schritt 206 wird der in Schritt 204 erfasste Messwert in einem Auslesebereich der Sensorvorrichtung ausgewertet.
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Das in dem Schritt 206 durchzuführende Auslesen und Auswerten des Ionenleiters kann insbesondere über das entstehende Nernstpotenzial oder über den bei bekannter Spannung fließenden Ionenstrom erfolgen.
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Die Schritte 202 und 204 des Verfahrens 200 können in den Einrichtungen der anhand der 1A und 1B erläuterten Sensorvorrichtung ausgeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens 200 wird in dem Schritt des Erwärmens 202 für einen dynamischen Betrieb der Sensorvorrichtung eine elektrische Spannung zur Beheizung des Erfassungsbereichs zu weniger als 100 % der Betriebszeit mit der zur Erreichen einer Mindest-Messtemperatur notwendigen Leistung angelegt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante wird in dem Schritt des Erwärmens 202 nur für 1 % der Gesamtbetriebszeit die Heizleistung angelegt und nach Erreichen der minimal erforderlichen Messtemperatur des sensitiven Bereiches das Sensorsignal ausgewertet. Anschließend kühlt der sensitive Bereich sofort wieder ab und der Sensor ist für die verbleibenden 99 % der Betriebszeit ausgeschaltet. So wird in Summe auch nur 1 % der Wärmeleistung abgeführt, die sonst bei konstantem Betrieb erforderlich wäre.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens 300 zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zum Sensieren eines Gases, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt ist.
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In einem Schritt 302 wird ein Substrat bereitgestellt, in das ein als Ionenleiter ausgebildeter Erfassungsbereich, ein Auslesebereich und ein Verbindungssteg zum elektrischen und mechanischen Verbinden des Erfassungsbereichs mit dem Auslesebereich prozessiert sind. In einem Schritt 304 werden der Erfassungsbereich und der Verbindungssteg aus dem Halbleitersubstrat freigestellt.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann im Schritt 302 ein Substrat bereitgestellt werden, in das insbesondere noch nicht der ionenleitende Bereich prozessiert ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können der ionenleitende Bereich und gegebenenfalls weitere funktionale Bereiche der Sensorvorrichtung, wie beispielsweise leitende Verbindungen des Verbindungsstegs in einem weiteren Schritt prozessiert werden, der nach dem Schritt 304 des Freistellens ausgeführt wird.
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Ist in dem Auslesebereich keine Auswerteschaltung zum Auswerten des Messsignals integriert, so kann der Auslesebereich in einem weiteren Schritt, der beispielsweise ebenfalls zeitlich nach dem Schritt 304 ausgeführt werden kann, mit einer geeigneten Auswerteschaltung verbunden werden. Beispielsweise kann ein die Auswerteschaltung umfassendes Element, beispielsweise ein Chip, auf das Substrat aufgesetzt werden.
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Ein Einsatz des anhand vorstehender Figuren erläuterten und beschriebenen lonenleiter-basierten Sensors für Niedertemperaturanwendungen ist in Kfz- und Nicht-Kfz-Anwendungen denkbar, z. B. als mobile und stationäre Lambdasonde oder als ein 02-, NOx-, HC- oder NH3-Sensor. Auch ein Einsatz z. B. in Motorsägen, Backöfen, Kühlschränken, Mobiltelefonen, Mikrowellen, Sportuhren, Toastern, Brandmeldern sowie in der Medizintechnik oder in einem Alkomat bietet sich an.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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