DE102014213836A1 - Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung. Diese weist zwei poröse Elektroden (2) und einen zwischen den beiden porösen Elektroden (2) eingebetteten Feststoffelektrolyten (1) auf. Die Oberfläche mindestens einer Elektrode (2), die Grenzfläche zwischen der Elektrode (2) und mindestens einer Oberfläche des Feststoffelektrolyten (1) ist mit einer ersten Stabilisierungsschicht (5) beschichtet. Ein Verfahren zur Herstellung dieser mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung umfasst ein Abscheiden des Feststoffelektrolyten (1), ein Abscheiden einer ersten porösen Elektroden (2) auf einer Seite des Feststoffelektrolyten (1), und ein Abscheiden einer ersten Stabilisierungsschicht (5) mindestens auf der Oberfläche der ersten Elektrode (2) sowie in Spalten des Feststoffelektrolyten (1) und an den Grenzflächen zwischen Feststoffelektrolyt und der ersten Elektrode (2).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung. Weiterhin betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung dieser mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Feststoffelektrolyt-Gassensoren sind im Stand der Technik z.B. als Sauerstoffsensor in Form einer Lambdasonde bekannt. Zur Herstellung solcher Sensoren wird die keramische Dickschichttechnik verwendet, die nur relativ große Mindestabmessungen zulässt und zwar sowohl bei den Strukturbreiten als auch bei den Schichtdicken. Weiterhin werden auch mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtungen beschrieben, die insbesondere eine Feststoffelektrolyt-Schicht aus YSZ (Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid) mit porösen Elektroden aufweisen. Die Herstellung der Feststoffelektrolyt-Schicht erfolgt mittels Dünnschichtverfahren, wie beispielsweise CVD (Chemical Vapor Deposition) PVD (Physical Vapor Deposition) oder PLD (Pulsed Laser (weak) Deposition). Die Feststoffelektrolyt-Schichten haben eine Dicke von typischerweise 100 nm bis 1 µm. Die Elektroden, die meistens aus einem Edelmetall, wie beispielsweise Platin bestehen, werden in einer Dicke von 30 nm bis 150 nm aufgebracht. Bei der Abscheidung der Feststoffelektrolyt-Schichten müssen die Abscheideparameter insbesondere so gewählt und angepasst werden, dass eine spätere Funktion als Sauerstoffionenleiter gewährleistet ist. Damit bestehen Einschränkungen beim Erreichen anderer Schichteigenschaften, wie beispielsweise der Gasdichtigkeit, der Oberflächenebenheit, einem geeigneten Materialstress, idealer Weise einer geringen Zugspannung, und der Zugfestigkeit.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung weist zwei poröse Elektroden und einen zwischen den beiden porösen Elektroden eingebetteten Feststoffelektrolyten auf. Die Oberfläche mindestens einer Elektrode, vorzugweise beider Elektroden, insbesondere die gaszugängliche Oberfläche, und die Grenzfläche zwischen dieser Elektrode und einer Oberfläche des Feststoffelektrolyten sind mit einer ersten Stabilisierungsschicht beschichtet. Diese erste Stabilisierungsschicht wird insbesondere mit einem Verfahren abgeschieden, das geeignet ist, sämtliche für einen gasförmigen Precursor zugänglichen Oberflächen zu bedecken. Damit wird auch die Gasdichtigkeit der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Vorrichtung verbessert, da das Material der ersten Stabilisierungsschicht auch die Poren der porösen Elektroden im Bereich bis zu mehreren Dutzend Nanometer Durchmesser verschließt. Damit werden Freiheiten für die Prozessparameter bei der Herstellung der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung eröffnet, da nicht vordergründig eine Gasdichtigkeit der porösen Elektroden erreicht werden muss. Vielmehr ist erfindungsgemäß ein nachträglicher Verschluss der Poren und dies auch noch nach Abscheiden der Elektroden möglich. Die erste Stabilisierungsschicht reduziert auch Diffusionspfade entlang von Korngrenzen der porösen Elektroden. Es wird eine gleichartige Oberfläche auf der Feststoffelektrolyt-Membran hergestellt. Diese ist weniger rau, als die unbeschichteten porösen Elektroden.
  • Die Oberfläche der insbesondere metallischen Elektroden wird durch die erste Stabilisierungsschicht umschlossen. Dies verhindert eine bei höheren Temperaturen mögliche Umkristallisation bzw. Umbildung des Elektrodenmaterials. Insbesondere bei einem metallbasierten nanoskaligen Material kann bei höheren Temperaturen ein sogenanntes Dewetting auftreten, also ein Zusammenlaufen des Metalls auf wenige voneinander isolierte Stellen. Hierbei verliert die Elektrode ihre elektrische Leitfähigkeit. Dies wird durch die auch bei höheren Temperaturen beständige, außen liegende erste Stabilisierungsschicht verhindert. Die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Elektrode wird durch die erste Stabilisierungsschicht nicht beeinflusst.
  • Gleichzeitig wird durch die Abscheidung der ersten Stabilisierungsschicht erst nach der Herstellung des Verbundes aus dem Feststoffelektrolyten und der beiden Elektroden auch die Anbindung der Elektroden an den Feststoffelektrolyten deutlich verbessert, indem Abstände zwischen den porösen Elektroden und dem Feststoffelektrolyten, beispielsweise in Abständen von bis zu 30 nm, aufgefüllt werden. Dies hat zum einen eine verbesserte mechanische Haftung zur Folge, zum anderen werden dadurch auch die elektrische Anbindung und die Elektrodenaktivität verbessert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung besteht die erste Stabilisierungsschicht aus mindestens einer Materiallage, die mindestens ein Element aus der Gruppe der Übergangsmetalle umfasst, wobei der Feststoffelektrolyt aus einem Material besteht, welches das gleiche Element umfasst. Dieses Element ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zirkonium, Thorium, Hafnium, Cer Scandium, Yttrium, Lanthan, Hafnium, Tantal, Rhenium, Ruthenium, Iridium, Cobalt. Der Feststoffelektrolyt oder die Stabilisierungsschicht kann insbesondere Beimischungen von Calcium, Magnesium, Aluminium, Silizium, Barium, Niob, Gadolinium, Bismuth, Palladium und Platin enthalten. Besonders bevorzugt besteht der Feststoffelektrolyt aus YSZ, also Yttriumoxid (Yttria) stabilisiertem Zirkoniumoxid (Zirkonia) und die erste Stabilisierungsschicht besteht aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Yttriumoxid, Zirkoniumoxid und Gemischen daraus. Dadurch ist die Zusammensetzung des Materials und des Feststoffelektrolyten ähnlich.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung bestehen die erste Stabilisierungsschicht und der Feststoffelektrolyt aus dem gleichen Material. Damit wird die Kontaktfläche zwischen den Elektroden und dem Feststoffelektrolyten vergrößert. Dies vergrößert auch die Fläche, durch die eine Ionenleitfähigkeit stattfinden kann.
  • In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung weist die Stabilisierungsschicht eine andere Phase auf, als der Feststoffelektrolyt, so dass sie eine hohe Elektrodenaffinität aufweist. Dies wird insbesondere erreicht, indem die Stabilisierungsschicht in ihrer Stöchiometrie und/oder ihrer Zusammensetzung und/oder ihrer Struktur anders gewählt wird als der Feststoffelektrolyt. So kann der Feststoffelektrolyt beispielsweise aus einer kristallinen, z.B. kubischer Phase bestehen und die Stabilisierungsschicht amorph oder teilamorph mit tetragonaler Phase sein.
  • Es ist bevorzugt, dass die erste Stabilisierungsschicht teilkristallin ist. Auf diese Weise wird eine hohe Elektrodenaffinität der ersten Stabilisierungsschicht erreicht. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Stabilisierungsschicht ionenleitfähig ist mit Werten im Bereich von 0,01 bis 10 S/m. Besonders bevorzugt liegt die Ionenleitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 10 S/m. Auch hierüber wird eine hohe Elektrodenaffinität der ersten Stabilisierungsschicht erreicht.
  • Es ist im Übrigen bevorzugt, dass die Oberfläche des Feststoffelektrolyten mit einer zweiten Stabilisierungsschicht beschichtet ist und zumindest teilweise mit dem Feststoffelektrolyten durchmischt ist. Die zweite Stabilisierungsschicht wird insbesondere vor dem Aufbringen einer Elektrodenlage abgeschieden. Das Durchmischen kann insbesondere in Form einer thermischen Behandlung erfolgen. Dies ermöglicht es, zumindest oberflächlich die Zusammensetzung bzw. Stöchiometrie des Feststoffelektrolyten gezielt zu verändern. Die Materialien für die zweite Stabilisierungsschicht entsprechen vorzugsweise den oben für die erste Stabilisierungsschicht genannten Materialien, wobei erste und zweite Stabilisierungsschicht unterschiedlich zusammengesetzt bzw. aufgebaut sein können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste und gegebenenfalls zweite Stabilisierungsschicht nur auf einer Seite der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung aufgebracht. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist auf beiden Seiten der Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung eine erste und gegebenenfalls zweite Stabilisierungsschicht aufgebracht Die Zusammensetzung und/oder der Aufbau der Stabilisierungsschichten ist dabei auf den beiden Seiten der Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung unterschiedlich. Hierdurch sind die Stabilisierungsschichten an die Funktion der auf der jeweiligen Seite befindlichen Elektrode als Anode oder Kathode angepasst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung die folgenden Schritte:
    • a) Abscheiden eines Feststoffelektrolyten,
    • b) Abscheiden von einer ersten porösen Elektroden auf einer Seite des Feststoffelektrolyten, und
    • c) Abscheiden einer ersten Stabilisierungsschicht mindestens auf der Oberfläche der ersten Elektroden sowie zwischen der ersten Elektrode und dem Feststoffelektrolyt.
  • Um eine mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung herzustellen, die zwei mit einer ersten Stabilisierungsschicht beschichtete Elektroden aufweist, umfasst das Verfahren bevorzugt weiterhin die folgenden Schritte:
    • d) Abscheiden einer porösen Elektrode (3) auf dem Feststoffelektrolyten als zweite Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrode
    • e) Abscheiden einer ersten Stabilisierungsschicht (5) mindestens auf der Oberfläche der zweiten Elektrode (3), und mindestens auf der Seite des Feststoffelektrolyten (1) mit der zweiten Elektrode (3) auf der Oberfläche sowie in Spalten des Feststoffelektrolyten sowie an den Grenzflächen zwischen Feststoffelektrolyt und der zweiten Elektrode.
  • Indem die erste Stabilisierungsschicht nacheinander jeweils nur auf einer Seite der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung aufgebracht wird, ist es möglich, ihre Zusammensetzung und/oder ihren Aufbau der Stabilisierungsschicht für die Anode und die Kathode unterschiedlich zu wählen.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es hierzu bevorzugt dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    • a) Abscheiden eines Feststoffelektrolyten (1),
    • b) Abscheiden von porösen Elektroden (2, 3) auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Feststoffelektrolyten (1), und
    • c) konformes Abscheiden einer ersten Stabilisierungsschicht (5) auf der Oberfläche beider Elektroden (2, 3), auf allen Oberflächen sowie in Spalten des Feststoffelektrolyten (1) sowie an den Grenzflächen zwischen Feststoffelektrolyt (1) und Elektroden (2, 3).
  • Das Abscheiden des Feststoffelektrolyten erfolgt vorzugsweise, indem dieser auf einem Wafer oder auf einer Hilfsmembran abgeschieden wird, insbesondere mittels eines PLD-Verfahrens. Anschließend kann das Wafersubstrat oder die Hilfsmembran entfernt werden. Alternativ kann der Wafer auch als Trägersubstrat der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung verwendet werden. Der Wafer besteht insbesondere aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Silizium, Siliziumcarbid und Saphir. Diese Materialien sind kostengünstig und einfach zu bearbeiten. Es kann vorgesehen sein, vor dem Entfernen des Wafersubstrats oder der Hilfsmembran, den Feststoffelektrolyten einer thermischen Nachbehandlung zu unterziehen, um seine Kristallinität zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Ionenleitfähigkeit des Feststoffelektrolyten verbessert werden. Wenn der Wafer auch als Trägersubstrat der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung verwendet werden soll, kann die thermische Nachbehandlung stattdessen unmittelbar vor dem Abscheiden der beiden porösen Elektroden erfolgen.
  • Die beiden Elektroden, die insbesondere aus Platin bestehen, können vorzugsweise durch ein PVD-Verfahren abgeschieden werden. Dies ermöglicht ihre einfache Herstellung. Ihre Porosität wird vorzugsweise mittels einer thermischen Nachbehandlung erreicht.
  • Das Abscheiden der ersten Stabilisierungsschicht erfolgt insbesondere mittels ALD (Atomic Layer Deposition). Unter der Oberfläche beider Elektroden wird dabei insbesondere die gaszugängige Oberfläche verstanden. Die gesamte gaszugängliche Oberfläche der beiden Elektroden kann im ALD-Verfahren von einem gasförmigen ALD-Precursor erreicht werden, so dass die Abscheidung auf der gesamten gaszugänglichen Oberfläche erfolgt.
  • Die Dicke der ersten Stabilisierungsschicht ist vorzugsweise größer als die Hälfte der maximalen im Feststoffelektrolyt auftretenden Porenabmessung, insbesondere der Porenweite. Dies ermöglicht ein zuverlässiges Verschließen der Poren im Feststoffelektrolyten und auch ein zumindest teilweises Verschließen der Poren zwischen Elektrodenschicht und Feststoffelektrolyt durch die erste Stabilisierungsschicht. Die Dicke der ersten Stabilisierungsschicht ist aber insbesondere kleiner als die Abmessungen der Poren in den Elektrodenschichten, um hier eine Gasdiffusion durch die Elektroden zu ermöglichen.
  • Die erste Stabilisierungsschicht wird bevorzugt bereits als teilkristalline Schicht abgeschieden, um ihr eine hohe Elektrodenaffinität zu verleihen. Alternativ ist es bevorzugt, die erste Stabilisierungsschicht thermisch nachzubehandeln, um ihr eine Teilkristallinität zu verleihen.
  • Es ist bevorzugt, dass eine zweite Stabilisierungsschicht auf dem Feststoffelektrolyten abgeschieden wird. Die zweite Stabilisierungsschicht wird besonders bevorzugt vor dem Abscheiden der beiden porösen Elektroden auf dem Feststoffelektrolyten abgeschieden. Dies ermöglicht eine Abscheidung auf der gesamten Oberfläche des Feststoffelektrolyten und ein Verschließen von Poren im Feststoffelektrolyten, entweder vollständig oder nur teilweise. Im zweiten Fall können dann die restlichen, bereits verkleinerten Poren durch die erste Stabilisierungsschicht vollständig verschlossen werden. Die zweite Stabilisierungsschicht wird vorzugsweise mittels ALD abgeschieden. Hierbei wird besonders bevorzugt auch die erste Stabilisierungsschicht mittels ALD abgeschieden, so dass dasselbe Abscheideverfahren für beide Stabilisierungsschichten verwendet werden kann.
  • Um die Ionenleitfähigkeit der zweiten Stabilisierungsschicht zu erhöhen, ist es bevorzugt, dass diese einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird.
  • Erfolgt eine thermische Nachbehandlung des Feststoffelektrolyten, so kann diese vor oder nach dem Abscheiden der zweiten Stabilisierungsschicht erfolgen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Feststoffelektrolyten einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß 1 vor Aufbringen einer ersten Stabilisierungsschicht.
  • 3 zeigt eine schematische Aufsicht einer Schnittebene durch das Elektrodenmaterial einer Elektrode der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß 1 parallel zur Oberfläche des Feststoffelektrolyten
  • 4 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht, wie eine Elektrode in der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß 1 einen Feststoffelektrolyten kontaktiert.
  • 5 zeigt schematisch eine Korngrenze innerhalb des Feststoffelektrolyten einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung gemäß 1 vor Aufbringen einer ersten Stabilisierungsschicht als Vergrößerung der 2..
  • 6 zeigt die Korngrenze gemäß 5 nach Aufbringen der ersten Stabilisierungsschicht in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 7 zeigt in einer schematischen Seitenansicht den Kontaktbereich zwischen einer Elektrode und dem Feststoffelektrolyten gemäß 4 nach Aufbringen einer ersten Stabilisierungsschicht in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 8 zeigt in einer schematischen Aufsicht einer Schnittebene durch das Elektrodenmaterial parallel zur Oberfläche des Feststoffelektrolyten aus 7 die poröse Elektrode im Kontaktbereich nach Aufbringen einer ersten Stabilisierungsschicht in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 9 zeigt in einer schematischen Seitenansicht den Kontaktbereich zwischen einer Elektrode und einem Feststoffelektrolyten einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer herkömmlichen mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung. Es ist ein Trägersubstrat 4 mit einer Vorderseite 41 und einer Rückseite 42 vorgesehen. Im Trägersubstrat 4 ist weiterhin eine Kaverne K vorgesehen, welche sich von der Rückseite 42 bis zur Vorderseite 41 hin erstreckt. Ein Feststoffelektrolyt 1, vorliegend YSZ, ist über die Vorderseite 41 des Trägersubstrats 4 derart aufgebracht, dass er die Kaverne K und deren peripheren Bereich abdeckt. Auf dem Feststoffelektrolyten 1 ist vorderseitig eine erste Elektrode 2 und rückseitig eine zweite Elektrode 3 aufgebracht, die vorliegend aus Platin bestehen. Die Elektroden 2, 3 sind porös und somit gasdurchlässig. Dieser Aufbau bildet eine einfache Nernst-Zelle, kann aber auch zum Pumpen von Sauerstoff verwendet werden. Das Trägersubstrat 4 ist Teil eines Wafers aus einem halbleitenden Material, vorliegend Silizium. In einem Membranbereich B der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung liegt die Dicke des Feststoffelektrolyten 1 im Bereich von 300 nm bis 2 µm. Dieser nanoskalige Festkörperelektrolyt 1 ermöglicht neben einer hohen Gasdichtigkeit auch eine geringe Betriebstemperatur der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung im Bereich von unter 500° C bzw. bis mindestens 800° C.
  • Die Herstellung des Feststoffelektrolyten 1 erfolgt durch ein PLD-Verfahren. Für die Herstellung wird zunächst auf dem Trägersubstrat 4 auf den für die Nernstzelle vorgesehenen Bereich ein Feststoffelektrolyt 1 auf der Vorderseite 41 aufgebracht. Dies erfolgt vorliegend mittels PLD-Abscheidung. Darüber wird die vorderseitige Elektrode 2 vorliegend durch Sputtern aufgebracht. Mittels Nassätzens als Strukturierungsverfahrens wird dann das Trägersubstrat 4 von der Rückseite 42 her bis auf die Vorderseite 41 entfernt. Nach der Strukturierung des Trägersubstrats 4 von der Rückseite 42 her zur Erzeugung der Kaverne K erfolgt die Beschichtung der rückseitigen Elektrode 3 durch Sputtern von der Rückseite 42 her.
  • Das Bezugszeichen P bezeichnet die Pumprichtung für ein Gas, vorliegend Sauerstoff, welche je nach Richtung einer angelegten elektrischen Spannung im Membranbereich B umkehrbar ist.
  • In 2 ist der Aufbau der Elektrolytmembran aus kristallinen und teilkristallinen Bereichen aus YSZ dargestellt. Die Kristallinität bzw. Teilkristallinität führt zum Vorliegen von Korngrenzen. Bei typischen Dicken zwischen 100 nm und 1 µm der Elektrolytmembran ergeben sich typische Korngrößen zwischen 15 nm und 200 nm, wobei aber teils auch kolumnare Strukturen, die sich durch die gesamte Dicke der Elektrolytmembran ziehen, vorhanden sind. Die einzelnen Körner sind dabei ihrerseits entweder kristallin oder teilkristallin. Zwischen den Körnern befinden sich teils amorphe Bereiche oder auch Poren. Diese Poren haben typische Abstände im Bereich von unter 30 nm. Die Funktion des mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensors ist bei Gasdurchlässigkeit für Sauerstoff nicht mehr gegeben.
  • Wie eine poröse Elektrode 2 in der mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung den Feststoffelektrolyten 1 belegt ist in 3 dargestellt. Man erkennt insbesondere die Poren 21, durch die Gas bis an die Grenzschicht zwischen Elektrodenmaterial 2 und Feststoffelektrolyt dringen kann. Die Darstellung entspricht dabei einer schematischen Aufsicht einer in 4 dargestellten Schnittebene durch das Elektrodenmaterial der Elektrode 2 parallel zur Oberfläche des Feststoffelektrolyten 1.
  • 5 zeigt eine Korngrenze mit Abstand zwischen den Körnern innerhalb des Feststoffelektrolyten 1 vor einer Abscheidung einer Stabilisierungsschicht als Ausschnittvergrößerung aus 2.
  • 6 zeigt die Korngrenze aus 5 nach der Abscheidung von Zirkoniumoxid als erste Stabilisierungsschicht 5 mittels ALD auf die (hier nicht gezeigten) Elektroden und den Elektrolyten 1 in einem Temperaturbereich von 200 bis 300°C. Die Abscheidung erfolgt vorliegend unter Verwendung eines Amidprecursors wie in D. M. Hausmann, E. Kim, J. Becker, R. G. Gordon, Chem. Mater. 2002, 14, 4350–4358 beschrieben wird. Das ALD-Verfahren führt zu einer sehr uniformen Abscheidung des Zirkoniumoxids. Die erste Stabilisierungsschicht 5 verschließt daher in der 5 dargestellten Weise auch sehr tiefe und komplett durch den Feststoffelektrolyten 1 verlaufende Poren sehr zuverlässig. Die Dicke der ersten Stabilisierungsschicht 5 ist hierzu größer als die Hälfte der Porenweite. Je nach Wahl der Abscheideparameter und der Precursoren für das ALD-Verfahren kann die erste Stabilisierungsschicht 5 als amorphe, teilamorphe oder polykristalline Schicht erzeugt werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die erste Stabilisierungsschicht 5 als teilkristalline Schicht erzeugt, um ihr eine hohe Ionenleitfähigkeit zu verleihen.
  • In 7 ist die Beschichtung der gesamten gaszugänglichen Oberfläche der Elektrode 2 durch die erste Stabilisierungsschicht 5 zu erkennen. Die erste Stabilisierungsschicht 5 füllt dabei Lücken zwischen der Elektrode 2 und dem Feststoffelektrolyten 1 auf, so dass eine gute Anbindung der Elektroden an den Feststoffelektrolyten erreicht wird, und damit eine hohe Leitfähigkeit und Elektrodenaktivität.
  • 8 zeigt die Situation aus dem Querschnitt aus 7 als Schnitt parallel zur Oberfläche des Elektrodenmaterials 2. Man erkennt die Elektrode aus porösem Material 2, die Poren 21 im Elektrodenmaterial und die Beschichtung der gesamten gaszugänglichen Oberfläche der Elektrode 2 durch die erste Stabilisierungsschicht. Die Elektrolytmembran ist hier nicht gezeichnet.
  • 9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem der Feststoffelektrolyt 1, vor dem Aufbringen der Elektroden 2 mittels ALD mit einer zweiten Stabilisierungsschicht 6 beschichtet wird. Die dargestellte zweite Stabilisierungsschicht 6 weist eine Übergangslage 7 auf. Die Übergangslage 7 wird nach Abscheiden der zweiten Stabilisierungsschicht 6 durch einen thermischen Diffusionsprozess hergestellt. Die zweite Stabilisierungsschicht 6 besteht in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus dem für die erste Stabilisierungsschicht genannten Material. Wie in 7 dargestellt ist, diffundiert die zweite Stabilisierungsschicht 6 bei dem thermischen Diffusionsprozess in der Übergangslage 7 in den Feststoffelektrolyten 1 ein und verändert in diesem Bereich vorliegend dessen Stöchiometrie. Nach Aufbringen der zweiten Stabilisierungsschicht 6 genügt es, dass die Dicke der ersten Stabilisierungsschicht 5 zumindest so groß gewählt wird, dass die Poren, die bereits mittels der zweiten Stabilisierungsschicht 6 teilweise verfüllt wurden, dann mittels der ersten Stabilisierungsschicht 5 vollständig verschlossen werden.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • D. M. Hausmann, E. Kim, J. Becker, R. G. Gordon, Chem. Mater. 2002, 14, 4350–4358 [0040]

Claims (15)

  1. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung, aufweisend zwei poröse Elektroden (2, 3) und einen zwischen den beiden porösen Elektroden eingebetteten Feststoffelektrolyten (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mindestens einer Elektrode (2, 3) und die Grenzfläche zwischen der Elektrode (2, 3) und einer Oberfläche des Feststoffelektrolyten mit einer ersten Stabilisierungsschicht (5) beschichtet sind.
  2. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stabilisierungsschicht (5) aus mindestens einer Materiallage besteht, die mindestens ein Element aus der Gruppe der Übergangsmetalle umfasst, wobei der Feststoffelektrolyt (1) aus einem Material besteht, welches das gleiche Element umfasst.
  3. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffelektrolyt (1) aus Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid besteht, und das die erste Stabilisierungsschicht (5) aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Yttriumoxid, Zirkoniumoxid und Gemischen daraus.
  4. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stabilisierungsschicht (5) und der Feststoffelektrolyt (1) aus dem gleichen Material bestehen.
  5. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stabilisierungsschicht (5) und der Feststoffelektrolyt (1) unterschiedliche Phasen aufweisen.
  6. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stabilisierungsschicht (5) teilkristallin ist.
  7. Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Feststoffelektrolyten (1) mit einer zweiten Stabilisierungsschicht (6) beschichtet ist, die zumindest teilweise mit dem Feststoffelektrolyten (1) durchmischt ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: a) Abscheiden eines Feststoffelektrolyten (1), b) Abscheiden einer ersten porösen Elektrode (2) auf einer Seite des Feststoffelektrolyten (1), und c) Abscheiden einer ersten Stabilisierungsschicht (5) mindestens auf der Oberfläche der ersten Elektrode (2) sowie in Spalten des Feststoffelektrolyten (1) sowie an den Grenzflächen zwischen dem Feststoffelektrolyt und der ersten Elektrode (2).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, mit den weiteren Schritten d) Abscheiden einer porösen Elektrode (3) auf dem Feststoffelektrolyten als zweite Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrode e) Abscheiden einer ersten Stabilisierungsschicht (5) mindestens auf der Oberfläche der zweiten Elektrode (3), und mindestens auf der Seite des Feststoffelektrolyten (1) mit der zweiten Elektrode (3) auf der Oberfläche sowie in Spalten des Feststoffelektrolyten sowie an den Grenzflächen zwischen Feststoffelektrolyt und der zweiten Elektrode.
  10. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: a) Abscheiden eines Feststoffelektrolyten (1), b) Abscheiden von porösen Elektroden (2, 3) auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Feststoffelektrolyten (1), und c) konformes Abscheiden einer ersten Stabilisierungsschicht (5) auf der Oberfläche beider Elektroden (2, 3), auf allen Oberflächen sowie in Spalten des Feststoffelektrolyten (1) sowie an den Grenzflächen zwischen Feststoffelektrolyt (1) und Elektroden (2, 3).
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der ersten Stabilisierungsschicht (5) mittels ALD erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das die erste Stabilisierungsschicht (5) als teilkristalline Schicht abgeschieden wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, weiterhin umfassend ein Thermisches Nachbehandeln der ersten Stabilisierungsschicht (5).
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Stabilisierungsschicht (6) vor dem Abscheiden einer porösen Elektrode (2, 3) auf dem Feststoffelektrolyten (1) abgeschieden wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stabilisierungsschicht (6) mittels ALD abgeschieden wird.
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