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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten und auf ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten, insbesondere für eine Anwendung für eine Abgassensorik oder dergleichen.
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Zur Messung eines Restsauerstoffanteils in Abgasen von Verbrennungsmotoren und zur Rückkopplung an eine Motorsteuerung kann eine sogenannte Lambda-Messung beispielsweise durch keramische Lambda-Sonden erfolgen, die häufig in Dickschichttechnik aus Zirconoxid-basierten Keramiken realisiert sein können.
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Die
DE 10 2012 201 304 D1 offenbart mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten und ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein mikroelektrochemisches Sensorelement mit beheiztem Schutzkappenwafer bzw. einer in Mikromechanik gefertigten, gasdurchlässigen, beheizbaren Schutzkappe aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, für einen Sensorchip bereitgestellt werden. Somit kann beispielsweise eine Schutzkappe für einen Gassensor zum Erfassen mindestens eines gasförmigen Analyten in einem Messmedium bereitgestellt werden, wobei die Schutzkappe einen Zugang des gasförmigen Analyten zu einem Sensorelement des Gassensors ermöglichen und unerwünschte Stoffe des Messmediums von dem Sensorelement fernhalten kann.
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Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine poröse, beheizte Halbleiter-Schutzkappe aus z. B. Silizium auf einem mikroelektrochemischen Sensorchip verwendet werden, um Gassensorelemente durch Thermophorese und eine aktive Filterung größerer Partikel vor Rußablagerungen bzw. vor Verunreinigungen und Ablagerungen zu schützen. Kurz gesagt kann eine Gasdurchlässigkeit und Partikelfilterwirkung durch eine über einem Gassensorelement angeordnete Halbleiter-Schutzkappe erreicht werden. In der Schutzkappe bzw. Filterkappe abgelagerte Partikel können im Betrieb durch aktives Heizen auf beispielsweise über 800 °C abgebrannt werden, sodass eine Verstopfung der Filterkappe verhindert werden kann. Ein zusätzlicher Schutz vor Partikelablagerung durch Thermophorese kann durch aktives Heizen bereitgestellt werden, wenn eine Temperatur der Schutzkappe oberhalb einer unmittelbaren Umgebungstemperatur liegt. So können ein Verrußen und eine Vergiftung des Sensors durch Rußabbrandreste oder Ölasche verhindert und kann ein zuverlässiger Betrieb über eine ausreichend lange Lebensdauer ermöglicht werden. Beispielsweise kann mittels eines Sensors mit einer solchen Schutzkappe eine Messung eines Restsauerstoffanteils in Abgasen von Verbrennungsmotoren und eine Rückkopplung von Messwerten zu einer Motorsteuerung eine Minimierung von Schadstoffen, wie z. B. Stickoxiden, in Abgasen verbessert werden. Mittels einer geeigneten Aufbau-. Verbindungs-, und Gehäusetechnik können eine Langzeitstabilität und ein zuverlässiger Betrieb eines solchen mikroelektrochemischen Sensors verbessert werden. Eine Verbesserung der Langzeitstabilität kann bei Verwendung einer in Mikromechanik gefertigten, gasdurchlässigen, beheizbaren Halbleiter-Schutzkappe insbesondere durch Vermeidung von Rußablagerungen und evtl. Wasserschlag, durch Schutz vor Vergiftung, vor mechanischen Belastungen, vor zu hohen Temperaturen etc. erreicht werden. Ferner können auch auf einfache Weise mehrere kompakte Sensorelemente in ein Sensorgehäuse integriert werden.
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Anders ausgedrückt kann insbesondere ein miniaturisierter Feststoffelektrolyt-Gassenor bzw. mikroelektrochemischer Gassensor bzw. MFCS (Mikroelektronischer Chemischer Sensor) bereitgestellt werden, welcher durch den Einsatz mikromechanischer Verfahren und Prozesse gefertigt werden kann. Ein solcher miniaturisierter Feststoffelektrolyt-Gassenor kann eine Verringerung einer Sensorelementgröße sowie eine Dickenreduzierung einer aktiven Festkörperelektrolytschicht ermöglichen und zusätzlich zu einem verringerten Bauraum aufgrund verringerten Volumens bzw. Keramikvolumens noch weitere Vorteile bieten, wie beispielsweise eine schnelle Betriebsbereitschaft und eine geringe benötigte Heizleistung. Es kann somit erreicht werden, dass eine für den Sensorbetrieb erforderliche Temperatur des beispielsweise als Lambdasonde eingesetzten Gassensors durch aktives Heizen nach Einschalten mit minimierter Verzögerungszeit sowie mit verringertem Leistungsverbrauch erreicht wird.
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Der beispielsweise als Lambdasonde eingesetzte Gassensor im Abgasstrom kann an eine optimale Eignung für einen solchen Einsatzort aufweisen, um ein Sensorelement und nötige periphere elektrische Verbindungen vor Belastungen wie korrosivem Abgas, Rußanlagerungen, hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen zu schützen. Hierbei kann insbesondere vermieden werden, eine Sensorfläche so groß zu dimensionieren, dass einzelne, lokale Rußablagerungen nicht sofort zum Sensorausfall führen. Eine Sensorvergiftung durch korrosive Abgasbestandteile kann durch die Schutzkappe verhindert werden. Eine Verringerung von Abmessungen eines solchen Gassensors kann eine Integration weiterer aktiver Sensorbauelemente beispielsweise in ein Lambdasondengehäuse ermöglichen, wie zum Beispiel ein Sensorelement zur zusätzlichen Überwachung einer Stickoxid-Konzentration. Da eine Aufbau- und Verbindungstechnik im Abgassensorikbereich einen großen Anteil der Gesamtherstellkosten ausmachen kann, ist es bei Verwendung eines Gassensors mit einer solchen Schutztruppe möglich, aufgrund der Erweiterbarkeit sowohl Funktionsvorteile als auch Kostenvorteile zu bewirken.
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Es wird eine Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten vorgestellt, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen Erfassungsabschnitt, der ein Halbleitersubstrat und zumindest ein an dem Halbleitersubstrat angeordnetes Sensorelement mit zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolytschicht aufweist; und
eine Schutzkappe zum Abdecken des zumindest einen Sensorelements, wobei an der Schutzkappe zumindest eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Schutzkappe angeordnet ist, wobei die Schutzkappe aus einem Halbleitermaterial ausgeformt ist, wobei zumindest in einem Teilabschnitt der Schutzkappe ein Diffusionsabschnitt mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen für den gasförmigen Analyten angeordnet ist.
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Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um eine qualitative Erfassung und zusätzlich oder alternativ eine quantitative Erfassung des gasförmigen Analyten auszuführen. Dabei kann die Vorrichtung in einem Messmedium anordenbar sein, wobei das Messmedium den zumindest einen gasförmigen Analyten aufweisen kann. Der Erfassungsabschnitt und zusätzlich oder alternativ das zumindest eine Sensorelement können als ein mikroelektronischer chemischer Sensor ausgeführt sein. Der Erfassungsabschnitt und die Schutzkappe können miteinander stoffschlüssig verbindbar sein. Die Schutzkappe kann insbesondere aus Silizium ausgeformt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Durchgangsöffnungen Haupterstreckungsachsen aufweisen, die sich innerhalb eines Toleranzbereichs parallel zueinander erstrecken. Hierbei können die Durchgangsöffnungen einen Durchmesser aufweisen, der an eine Molekülgröße des zumindest einen gasförmigen Analyten angepasst ist. Somit können die Durchgangsöffnungen mittels eines Mikrobearbeitungsprozesses gefertigt sein. Insbesondere können die Durchgangsöffnungen einen Durchmesser aufweisen, der größer als eine Molekülgröße des zumindest einen gasförmigen Analyten ist. Dabei können die Durchgangsöffnungen einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als ein Durchmesser von Verunreinigungspartikeln in einem Messmedium ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass geeignet dimensionierte Durchgangsöffnungen geschaffen werden können, um zuverlässig sowohl einen Zutritt von Analyten zu dem Sensorelement zu ermöglichen als auch Verunreinigungen zu verhindern.
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Auch kann die Schutzkappe innerhalb des Diffusionsabschnitts eine geringere Dicke als außerhalb des Diffusionsabschnitts aufweisen. Somit kann die Schutzkappe innerhalb des Diffusionsabschnitts eine erste Dicke aufweisen und außerhalb des Diffusionsabschnitts eine zweite Dicke aufweisen, die größer als die erste Dicke ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Zutritt eines gasförmigen Analyten zu dem zumindest einen Sensorelement erleichtert werden kann, wobei zudem eine Reaktionszeit der Vorrichtung hinsichtlich eines gasförmigen Analyten verkürzt werden kann. Somit kann eine Heizleistung zum Erreichen einer Rußabbrandtemperatur, beispielsweise mehr als 800 Grad Celsius, verringert werden, ein Aufwand zur Erzeugung der gasdurchlässigen Durchgangsöffnungen minimiert werden und eine Verbindung von Schutzkappe und Erfassungsabschnitt erleichtert werden.
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Ferner kann die Schutzkappe hinsichtlich einer Fläche des Diffusionsabschnitts und zusätzlich oder alternativ eines zwischen dem Erfassungsabschnitt und der Schutzkappe einschließbaren Volumens, in dem das zumindest eine Sensorelement angeordnet ist, an zumindest einen Parameter einer Einsatzumgebung der Vorrichtung angepasst ausformbar oder ausgeformt sein. Der zumindest eine Parameter der Einsatzumgebung der Vorrichtung kann eine Zusammensetzung, Temperatur, Strömungseigenschaften etc. des Messmediums und/oder dergleichen umfassen. Im Falle eines Messmediums mit stark verunreinigender Wirkung beispielsweise kann die Fläche des Diffusionsabschnitts größer gemacht werden als in einem Fall mit einem Messmedium mit wenig verunreinigender Wirkung. Das einschließbare Volumen bzw. Einschlussvolumen kann in Abhängigkeit von dem zumindest einen gasförmigen Analyten und zusätzlich oder alternativ von dem Messmedium angepasst ausformbar bzw. dimensionierbar sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch eine Flächenvergrößerung des Diffusionsabschnittes ein zuverlässiger Zutritt eines gasförmigen Analyten auch auf Dauer realisiert werden kann. Ferner kann durch Anpassung des Einschlussvolumens eine Reaktionszeit bzw. Dynamik des zumindest einen Sensorelements geeignet an Einsatzbedingungen angepasst werden.
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Zudem kann die zumindest eine Temperiereinrichtung mittels zumindest einer Kontakteinrichtung elektrisch leitfähig mit dem Erfassungsabschnitt verbindbar oder verbunden sein. Dabei kann die zumindest eine Temperiereinrichtung benachbart zu dem Diffusionsabschnitt und zusätzlich oder alternativ zumindest teilweise innerhalb des Diffusionsabschnittes angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch eine potenzielle Anlagerung von Verunreinigungen insbesondere im Bereich des Diffusionsabschnittes thermophoretisch bzw. pyrolytisch beseitigt werden kann.
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Insbesondere kann die zumindest eine Temperiereinrichtung aus einem Metall ausgeformt sein. Dabei kann zwischen der zumindest einen Temperiereinrichtung und der Schutzkappe eine Isolatorschicht aus einem elektrisch isolierendem Material angeordnet sein. Beispielsweise kann hierbei die Temperiereinrichtung aus Platin oder einem Edelmetall ausgeformt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine solche Temperiereinrichtung unaufwendig auf der Schutzkappe erzeugbar ist und von einem Halbleitermaterial der Schutzkappe auf einfache Weise elektrisch isoliert werden kann. Somit kann die Schutzkappe wirksam und effizient beheizt werden.
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Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Erfassungsabschnitts, der ein Halbleitersubstrat und zumindest ein an dem Halbleitersubstrat angeordnetes Sensorelement mit zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolytschicht aufweist, und einer aus einem Halbleitermaterial ausgeformten Schutzkappe;
Bearbeiten der Schutzkappe, um an der Schutzkappe zumindest eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Schutzkappe anzuordnen und zumindest in einem Teilabschnitt der Schutzkappe einen Diffusionsabschnitt mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen für den gasförmigen Analyten zu erzeugen; und
Anbringen der Schutzkappe an dem Erfassungsabschnitt, um das zumindest eine Sensorelement abzudecken.
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Durch Ausführen des Verfahrens zum Herstellen ist eine Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung zum Erfassen vorteilhaft herstellbar. Die Schritte des Verfahrens können unter Verwendung mikromechanischer Prozesse durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bearbeitens eine Dicke der Schutzkappe innerhalb des Diffusionsabschnitts auf eine geringere Dicke als außerhalb des Diffusionsabschnitts reduziert werden. Hierbei kann im Schritt des Bearbeitens ein mikromechanischer Trennprozess ausgeführt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Reaktionsgeschwindigkeit bzw. ein Ansprechverhalten des zumindest einen Sensorelements der Vorrichtung verbessert werden kann, indem ein Zutritt eines gasförmigen Analyten zu dem zumindest einen Sensorelement erleichtert wird.
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Auch können im Schritt des Bearbeitens die Mehrzahl von Durchgangsöffnungen in dem Diffusionsabschnitt der Schutzkappe mittels zumindest eines mikromechanischen Prozesses gefertigt werden. Hierbei kann der zumindest eine mikromechanische Prozess Ätzen und zusätzlich oder alternativ Laserbohren umfassen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Durchgangsöffnungen hinsichtlich ihrer Abmessungen auf exakte Weise vorgabegetreu erzeugt werden können, um eine definierte Diffusionsbarriere in der Schutzkappe bereitzustellen.
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Ferner kann im Schritt des Anbringens die zumindest eine Temperiereinrichtung mittels zumindest einer Kontakteinrichtung elektrisch leitfähig mit dem Erfassungsabschnitt verbunden werden. Dabei kann die zumindest eine Temperiereinrichtung mittels der zumindest einen Kontakteinrichtung elektrisch leitfähig mit einer in oder an dem Erfassungsabschnitt angeordneten elektrischen Leitung verbunden werden. Insbesondere kann die Kontakteinrichtung eine Durchkontaktierung oder dergleichen aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bei der Vorrichtung zusätzliche externe elektrische Anschlussstellen für die zumindest eine Temperiereinrichtung vermieden werden können.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Erfassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2A bis 2E schematische Schnittdarstellungen der Erfassungsvorrichtung aus 1 in unterschiedlichen Herstellungszuständen;
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3 eine schematische Draufsichtsdarstellung der Erfassungsvorrichtung 100 aus 1 bis 2E.; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger 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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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Erfassungsvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Erfassungsvorrichtung 100 handelt es sich um eine Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten. Anders ausgedrückt ist die Erfassungsvorrichtung 100 ausgebildet, um zumindest einen gasförmigen Analyten zu erfassen. Insbesondere ist die Erfassungsvorrichtung 100 dabei ausgebildet, um den zumindest einen gasförmigen Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen bzw. erfassen. Die Erfassungsvorrichtung 100 ist hierbei als ein Feststoffelektrolyt-Gassenor bzw. mikroelektrochemischer Gassensor ausgeführt, wobei die Erfassungsvorrichtung 100 beispielsweise in einem Messmedium anordenbar ist, das den zumindest einen gasförmigen Analyten aufweist. Bei dem Messmedium handelt es sich beispielsweise um Abgase eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
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Die Erfassungsvorrichtung 100 weist einen Erfassungsabschnitt 110 auf. Der Erfassungsabschnitt 110 umfasst ein Halbleitersubstrat 112 bzw. einen Wafer oder Sensorwafer in Gestalt einer Leiterplatte bzw. Schaltungsplatine. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Erfassungsabschnitt 110 beispielhaft lediglich ein Sensorelement 120 auf, das an dem Halbleitersubstrat 112 angeordnet ist. Das Sensorelement 120 ist hierbei eine in dem Halbleitersubstrat 112 ausgeformte Kavität überspannend an dem Halbleitersubstrat 112 angebracht angeordnet.
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Das Sensorelement 120 umfasst eine erste Elektrode 122, eine zweite Elektrode 124 und eine Festelektrolytschicht 126. Dabei ist die Festelektrolytschicht 126 zwischen der ersten Elektrode 122 und der zweiten Elektrode 124 angeordnet. Die erste Elektrode 122 und die zweite Elektrode 124 sind gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Platin-Elektroden ausgeführt bzw. aus Platin (Pt) ausgeformt, wobei die Festelektrolytschicht 126 aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirconiumoxid (YSZ) ausgeformt ist. Somit ist das Sensorelement 120 ausgebildet, um die eigentliche Erfassung des zumindest einen gasförmigen Analyten, insbesondere Sauerstoff, durchzuführen.
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Die Erfassungsvorrichtung 100 weist ferner eine Schutzkappe 130 auf. Die Schutzkappe 130 ist aus einem Halbleitermaterial 132 ausgeformt. Das Halbleitermaterial 132 weist hierbei ein Halbleitersubstrat bzw. einen Wafer oder Kappenwafer in Gestalt eines Halbleiterkörpers auf. Dabei weist die Schutzkappe 130 gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein eckig-schalenförmiges bzw. U-förmig-eckiges Querschnittsprofil auf. Die Schutzkappe 130 ist ausgebildet, um das Sensorelement 120 des Erfassungsabschnitts 110 abzudecken bzw. zu überspannen. Dabei ist die Schutzkappe 130 an dem Erfassungsabschnitt 110 angebracht. Genau gesagt ist die Schutzkappe 130 mit dem Halbleitersubstrat 112 des Erfassungsabschnitts 110 stoffschlüssig verbunden. Insbesondere ist die Schutzkappe 130 ausgebildet, um einen Zutritt des zumindest einen gasförmigen Analyten zu dem Sensorelement 120 zu ermöglichen und das Sensorelement 120 vor Partikeln, Verunreinigungsstoffen etc. des Messmediums zu schützen.
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In der Schutzkappe 130 bzw. dem Halbleitermaterial 132 ist ein Diffusionsabschnitt 134 angeordnet. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Diffusionsabschnitt 134 in einem Teilabschnitt der Schutzkappe 130 ausgeformt. Dabei ist der Diffusionsabschnitt 134 benachbart zu dem Sensorelement 120 des Erfassungsabschnitts 110 angeordnet. Zwischen dem Diffusionsabschnitt 134 und dem Sensorelement 120 erstreckt sich hierbei ein Zwischenraum. Ferner weist die Schutzkappe 130 bzw. das Halbleitermaterial 132 der Schutzkappe 130 im Bereich des Diffusionsabschnitts 134 eine geringere Dicke als außerhalb des Diffusionsabschnitts 134 auf.
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Der Diffusionsabschnitt 134 weist eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 136 bzw. Poren auf. Die Durchgangsöffnungen 136 sind im Bereich des Diffusionsabschnittes 134 in der Schutzkappe 130 bzw. dem Halbleitermaterial 132 der Schutzkappe 130 ausgeformt. Dabei sind die Durchgangsöffnungen 136 mittels mikromechanischer Prozesse erzeugt. Die Durchgangsöffnungen 136 sind ausgebildet, um einen Durchtritt des zumindest einen gasförmigen Analyten von einer dem Messmedium zugewandten Seite der Schutzkappe 130 zu einer dem Sensorelement 120 zugewandten Seite der Schutzkappe 130 zu ermöglichen.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die Durchgangsöffnungen 136 sich innerhalb eines Toleranzbereichs parallel zueinander erstreckende Haupterstreckungsachsen auf. Auch weisen dabei die Durchgangsöffnungen 136 einen Durchmesser auf, der an eine Molekülgröße des zumindest einen gasförmigen Analyten angepasst ist.
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Zudem weist die Erfassungsvorrichtung 100 gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beispielhaft lediglich eine Temperiereinrichtung 140 auf. Dabei ist die Temperiereinrichtung 140 an der Schutzkappe 130 angeordnet. Genau gesagt ist die Temperiereinrichtung 140 benachbart zu dem Diffusionsabschnitt 134 der Schutzkappe 130 angeordnet. Die Temperiereinrichtung 140 ist auf einer dem Messmedium zugewandten bzw. von dem Sensorelement 120 abgewandten Seite der Schutzkappe 130 angeordnet. Die Temperiereinrichtung 140 ist ausgebildet, um die Schutzkappe 130 zu temperieren. Dabei ist die Temperiereinrichtung 140 gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft als ein Platin-Heizer ausgeführt. Optional kann die Temperiereinrichtung 140 auch aus einem anderen Metall ausgeformt sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zwischen der Temperiereinrichtung 140 und der Schutzkappe 130 bzw. dem Halbleitermaterial 132 der Schutzkappe 130 eine Isolatorschicht 150 aus einem elektrisch isolierendem Material angeordnet. Die Isolatorschicht 150 ist ausgebildet, um die Temperiereinrichtung 140 elektrisch von dem Halbleitermaterial 132 der Schutzkappe 130 zu isolieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schutzkappe 130 hinsichtlich einer Fläche des Diffusionsabschnitts 134 und zusätzlich oder alternativ hinsichtlich eines zwischen dem Erfassungsabschnitt 110 und der Schutzkappe 130 eingeschlossenen Volumens bzw. Einschlussvolumens, in dem das Sensorelement 120 angeordnet ist, an zumindest einen Parameter einer Einsatzumgebung der Erfassungsvorrichtung 100 angepasst ausgeformt sein oder werden. Auch kann gemäß einem Ausführungsbeispiel die Temperiereinrichtung 140 mittels zumindest einer Kontakteinrichtung elektrisch leitfähig mit dem Erfassungsabschnitt 110 verbunden sein oder werden.
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Anders ausgedrückt zeigt 1 eine Grundstruktur der Erfassungsvorrichtung 100 bzw. eines Gassensors. Um auf einen externen Referenzluft-Zugang verzichten zu können, kann in Betrieb der Erfassungsvorrichtung 100 die von dem Sensorelement 120 überspannte Kavität bzw. Referenzluftkaverne in dem Erfassungsabschnitt 110 durch Anlegen eines Pumpstroms zwischen den beiden Elektroden 122 und 124 bzw. Platin-Kontakten mit Sauerstoff vollgepumpt werden. So kann ein Sauerstoff-Referenzwert mit erhöhter Sauerstoff-Konzentration erhalten werden, welcher dann mit dem Sauerstoff-Partialdruck im Abgas über eine Nernst-Spannung zwischen den Elektroden 122 und 124 abgeglichen werden kann. Da eine Sensorfläche der Erfassungsvorrichtung 100 hierbei Membranflächen zwischen 10 Mikrometern und mehreren hundert Mikrometern aufweisen kann, kann mittels der porösen Schutzkappe 130 aus Silizium eine Ablagerung von Gas blockierenden Feststoffen auf dem Sensorelement 120 verhindert werden.
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2A bis 2E zeigen schematische Schnittdarstellungen von zumindest Teilen der Erfassungsvorrichtung aus 1 in unterschiedlichen Herstellungszuständen. Anders ausgedrückt zeigen die 2A bis 2E einen möglichen Prozessfluss bei einer Herstellung eines Mit einer porösen, beheizten Schutzkappe versehenen MECS-Sensorelements.
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2A zeigt dabei das Halbleitermaterial 132 bzw. den Kappenwafer bzw. Silizium-Wafer für die Schutzkappe in einem Ausgangszustand.
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2B zeigt das Halbleitermaterial 132 für die Schutzkappe aus 2A mit an dem Halbleitermaterial 132 aufgebrachter Temperiereinrichtung 140 und Isolatorschicht 150. Somit zeigt 2B die Erfassungsvorrichtung in einem teilweise hergestellten Zustand. Um bei einer Herstellung der Schutzkappe Materialbrüche im Halbleitermaterial 132 zu vermeiden, werden beispielsweise zunächst die Temperiereinrichtung 140 und die Isolatorschicht 150 erzeugt. Die Temperiereinrichtung 140 ist abgasresistent und temperaturresistent ausgeführt und beispielsweise aus Platin oder alternativ aus Gold ausgeformt. Zur elektrischen Isolation der Temperiereinrichtung 140 bzw. des Heizers von dem Halbleitermaterial 132 bzw. halbleitenden Substrat ist die Isolatorschicht 150 bzw. eine elektrische Isolationsschicht zwischen der Temperiereinrichtung 140 und dem Halbleitermaterial 132 angeordnet. Die Isolatorschicht 150 ist beispielsweise durch thermische Oxidation oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma-enhanced chemical vapour deposition, PECVD) von Siliciumdioxid (SiO2) oder Siliciumnitrid (SiN) erzeugt. Zur Abscheidung der Metallschicht für die Temperiereinrichtung 140 eignen sich z. B. Sputtern oder Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD), zur Strukturdefinition sind Schattenmasken oder lithografische Verfahren einsetzbar. Alternativ zu den genannten Abscheide- und Strukturierungsmethoden ist es möglich, die Temperiereinrichtung 140 über Siebdruck edelmetallhaltiger Pasten auf dem Halbleitermaterial 132 zu erzeugen.
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2C zeigt das Halbleitermaterial 132 für die Schutzkappe mit der Temperiereinrichtung 140 und der Isolatorschicht 150 aus 2B in einem weiter bearbeiteten Zustand. Hierbei ist das Halbleitermaterial 132 von einer von der Temperiereinrichtung 140 und der Isolatorschicht 150 abgewandten Seite her teilweise entfernt, um das eckig-schalenförmige bzw. U-förmig-eckige Querschnittsprofil des Halbleitermaterials 132 der Schutzkappe zu erzeugen. Anders ausgedrückt ist das Halbleitermaterial 132 zumindest in einem Bereich bzw. Filterbereich, der für den Diffusionsabschnitt vorgesehen ist, d. h. im Bereich eines beheizten und gasdurchlässigen Abschnitts der Schutzkappe, ausgedünnt bzw. hinsichtlich einer Materialdicke reduziert. Dieses Ausdünnen kann beispielsweise durch reaktives Ionenätzen (reactive ion etching, RIE) bzw. Trockenätzen oder nasschemisches Ätzen, insbesondere unter Verwendung von KOH, erfolgen.
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2D zeigt die Schutzkappe 130 in einem gefertigten Zustand. Anders ausgedrückt zeigt 2D das Halbleitermaterial 132 für die Schutzkappe 130 mit der Temperiereinrichtung 140 und der Isolatorschicht 150 aus 2C in einem noch weiter bearbeiteten Zustand mit der in dem Diffusionsabschnitt 134 ausgeformten Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 136. Dabei können die Durchgangsöffnungen 136 bzw. Poren durch Ätzen oder Laserbohren erzeugt werden. So kann eine Gasdurchlässigkeit und Partikelfilterwirkung der Schutzkappe 130 erreicht werden. Hierbei anwendbare Ätzverfahren umfassen reaktives Ionentiefenätzen (deep reactive ion etching, DRIE), nasschemisches KOH-Ätzen von vorher beispielsweise lithografisch definierten Poren, etc. Alternativ kann auch Laserbohren zum Ausformen der Durchgangsöffnungen 136 bzw. zur Porenerzeugung angewendet werden.
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2E zeigt die Erfassungsvorrichtung 100 in einem mikromechanisch fertig bearbeiteten Zustand. Genau gesagt zeigt 2E die Schutzkappe 130 aus 2D in einem mit dem Erfassungsabschnitt 110 verbundenen Zustand. Somit entspricht die Darstellung in 2E der Darstellung in 1. Nach Fertigstellung der Schutzkappe 130 wird diese mittels eines geeigneten Bondverfahrens mit dem Halbleitersubstrat 112 bzw. Sensorwafer des Erfassungsabschnitts 110 verbunden. Für langzeit- und temperaturstabile Wafer-Wafer-Verbindungen kann beispielsweise anodisches Silicium-Silicium-Bonden angewandt werden.
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Unter Bezugnahme auf die 2A bis 2E ist anzumerken, dass ein Durchmesser der Durchgangsöffnungen 136 bzw. eine Porengröße und das Einschlussvolumen zwischen der Schutzkappe 130 und dem Erfassungsabschnitt 110 in Abhängigkeit davon erzeugt werden können, wie beispielsweise eine Dynamik eines Gasaustausches und damit eine Reaktionsgeschwindigkeit der Erfassungsvorrichtung 100 auf Änderungen in einer Zusammensetzung des Messmediums bzw. einer Abgas-Zusammensetzung, insbesondere im Hinblick auf eine Konzentration des zumindest einen gasförmigen Analyten, definiert, vorgegeben bzw. geeignet ist. Es können somit ein Einschlussvolumen, eine Anzahl von Durchgangsöffnungen 136 und zumindest eine Abmessung der Durchgangsöffnungen 136 so erzeugt werden, dass sowohl eine minimale Anzahl von Partikeln das Sensorelement 120 erreichen kann als auch eine geeignete Sensordynamik erzielt werden kann. Da beispielsweise eine minimale Größe von Rußpartikeln in Abgasen wenige 100 Nanometer beträgt, können die Durchmesser der Durchgangsöffnungen 136 kann die bzw. Porengröße an diese minimale Größe von Rußpartikeln angenähert werden. Falls trotz aktiver Heizung der Schutzkappe 130 bzw. des porösen Kappenwafers eine partielle Porenverstopfung über eine Lebensdauer nicht ausgeschlossen werden kann, ist es möglich, den Diffusionsabschnitt 134 bzw. eine beheizte, poröse Fläche der Schutzkappe 130 um einen geeigneten Betrag zu vergrößern, damit bis zum Ende einer geplanten Lebensdauer noch genügend Gasdurchlässigkeit realisiert werden kann. Maximale Abmessungen der Schutzkappe 130 richten sich nach Anforderungen an eine Sensordynamik sowie nach einer hinsichtlich Kosten sowie einer Aufbau- und Verbindungstechnik vertretbaren Chipfläche der Erfassungsvorrichtung 100. Beispielhafte Abmessungen der Erfassungsvorrichtung 100 umfassen eine Breite von ca. 1 Millimeter, eine Höhe von ca. 2 Millimeter und eine Tiefe von ca. 1 Millimeter. Die Festkörperelektrolytschicht 126 ist beispielsweise 100 Nanometer bis 1 Mikrometer dick. Die Erfassungsvorrichtung 100 erreicht eine Betriebsbereitschaft beispielsweise in unter 3 Sekunden. Eine benötigte Heizleistung auf Betriebstemperatur beträgt beispielsweise ca. 100 Milliwatt.
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3 zeigt eine schematische Draufsichtsdarstellung der Erfassungsvorrichtung 100 aus 1 bis 2E. Hierbei sind von der Erfassungsvorrichtung 100 darstellungsbedingt das Halbleitersubstrat 112 des Erfassungsabschnitts, das Halbleitermaterial 132 der Schutzkappe, der Diffusionsabschnitt 134 mit einer beispielhaften Anzahl von Durchgangsöffnungen 136 und die Temperiereinrichtung 140 bzw. der Platin-Kappenheizer gezeigt, wobei in 3 zusätzlich lediglich beispielhaft vier externe elektrische Anschlüsse 314 der Erfassungsvorrichtung 100 und lediglich beispielhaft zwei Kontakteinrichtungen 360 der Erfassungsvorrichtung 100 dargestellt sind.
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Dabei sind die externen elektrischen Anschlüsse 314 an dem Halbleitersubstrat 112 angeordnet. Die externen elektrischen Anschlüsse 314 sind beispielsweise als Anschlussflächen bzw. Kontaktpads ausgeführt. Auch wenn es in 3 darstellungsbedingt nicht erkennbar ist, so ist das Sensorelement des Erfassungsabschnitts durch die Schutzkappe abgedeckt bzw. überlagert. Der Erfassungsabschnitt weist somit das Halbleitersubstrat 112 bzw. einen Sensorwafer mit zwei Platin-Ebenen als Elektroden, einer Festelektrolyt-Membran und den beispielhaft vier externen elektrischen Anschlüssen 314 auf.
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Die Kontakteinrichtungen 360 sind ausgebildet, um eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Temperiereinrichtung 140 und dem Erfassungsabschnitt herzustellen. Hierbei sind die Kontakteinrichtungen 360 so erzeugt bzw. angeordnet, dass die Kontakteinrichtungen 360 sowohl mit der Temperiereinrichtung 140 als auch mit elektrischen Leiterbahnen oder Leitungen, die in oder an dem Halbleitersubstrat 112 angeordnet sind, auf elektrisch leitfähige Weise verbunden sind. Gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Kontakteinrichtungen 360 als Durchkontaktierungen bzw. Durchkontakte ausgeführt. Hierbei ist die Temperiereinrichtung 140 mittels der beiden Kontakteinrichtungen 360 mit zwei Leiterbahnen an dem Halbleitersubstrat 112 verbunden, die zu zwei der externen elektrischen Anschlüsse 314 führen.
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Um eine Verschaltung der Temperiereinrichtung 140 bzw. Kappenwafer-Heizelektrode und dem Erfassungsabschnitt bzw. Sensorabschnitt zu vereinfachen, ist die Temperiereinrichtung 140 als eine Alternative zu einem Drahtbondverfahren bzw. einem Einsatz von Bonddrähten über Durchkontaktierungen, sogenannte Through-Silicon-Vias (TSV), elektrisch leitfähig mit einer Metallschichtebene auf dem Halbleitersubstrat verbunden. Um einen Aufwand hinsichtlich einer Sensorschnittstelle bzw. externen Kontaktierung der Erfassungsvorrichtung 100 gering zu halten, ist es möglich, elektrische Kontakte für die Temperiereinrichtung 140 und Mittel zum Temperieren des Erfassungsabschnitts in der Erfassungsvorrichtung 100 bzw. chipseitig zu verbinden, wodurch eine benötigte Anzahl der externen elektrischen Anschlüsse 314, und damit eine Anzahl kostenintensiver externer Kabelverbindungen für die Erfassungsvorrichtung 100, durch die Schutzkappe 130 bzw. den beheizten Kappenwaferfilter beibehalten werden kann. Die elektrische Verbindung bzw. Verschaltung der Temperiereinrichtung 140 und der Mittel zum Temperieren des Erfassungsabschnitts in der Erfassungsvorrichtung 100 ist in Serienschaltung oder Parallelschaltung ausführbar.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Verfahren 400 handelt es sich um ein Verfahren zum Herstellen einer Erfassungsvorrichtung, die wie bereits beschrieben als eine Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten verwendet werden kann. Durch Ausführen des Verfahrens 400 ist eine Erfassungsvorrichtung wie die Erfassungsvorrichtung aus 1 bis 2E vorteilhaft herstellbar. Bei einem Ausführen des Verfahrens 400 sind Herstellungszustände erreichbar, die den in 2A bis 2E dargestellten Herstellungszuständen entsprechen oder ähnlich sind.
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Das Verfahren 400 weist einen Schritt 410 des Bereitstellens eines Erfassungsabschnitts und einer aus einem Halbleitermaterial ausgeformten Schutzkappe auf. Dabei weist der Erfassungsabschnitt ein Halbleitersubstrat und zumindest ein an dem Halbleitersubstrat angeordnetes Sensorelement mit zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolytschicht auf. In einem nachfolgenden Schritt 420 des Bearbeitens wird die Schutzkappe bearbeitet, um an der Schutzkappe zumindest eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Schutzkappe anzuordnen und zumindest in einem Teilabschnitt der Schutzkappe einen Diffusionsabschnitt mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen für den gasförmigen Analyten zu erzeugen. In einem bezüglich des Schrittes 420 des Bearbeitens nachfolgend ausführbaren Schritt 430 des Anbringens wird die Schutzkappe an dem Erfassungsabschnitt angebracht, um das zumindest eine Sensorelement abzudecken.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 420 des Bearbeitens eine Dicke der Schutzkappe innerhalb des Diffusionsabschnitts auf eine geringere Dicke als außerhalb des Diffusionsabschnitts reduziert. Auch werden gemäß einem Ausführungsbeispiel im Schritt 420 des Bearbeitens die Mehrzahl von Durchgangsöffnungen in dem Diffusionsabschnitt der Schutzkappe mittels zumindest eines mikromechanischen Prozesses gefertigt, der beispielsweise Ätzen und zusätzlich oder alternativ Laserbohren aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 430 des Anbringens, oder alternativ nach dem Schritt 430 des Anbringens, die zumindest eine Temperiereinrichtung mittels zumindest einer Kontakteinrichtung auch elektrisch leitfähig mit dem Erfassungsabschnitt verbunden.
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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 die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012201304 D1 [0003]
