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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO2), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Siliziumoxid (SiO2) enthalten können.
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Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden oder als Stickoxidsensoren ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ (Lambda) beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Stickoxid-Sensoren bestimmen sowohl die Stickoxid- als auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas.
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Bisher werden im Bereich der Abgassensorik als Lambdasonde zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas vor allem Stäbchensensoren aus Keramik verwendet, die mittels der so genannten Dickschichttechnologie hergestellt werden. Als Weiterentwicklung wurde das Konzept eines mikrostrukturierten Sensors vorgeschlagen, der einen elektrochemischen Chip auf Basis der Dünnschichttechnologie umfasst. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in der
DE 10 2012 202 783 A1 oder der
DE 10 2013 204 197 A1 beschrieben. Im Kern besteht der Sensor aus einer dünnen Membran. Letztere Technik hat gegenüber der Dickschichttechnologie Vorteile, wie beispielsweise hinsichtlich des geringeren Platzbedarfs und weniger Heizleistung. Die Membran muss jedoch beispielsweise Druckunterschieden zwischen Messgasen und Referenzluft bzw. Druckpulsen und Schwingungen standhalten.
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Die
DE 10 2013 204 463 A1 beschreibt die Anordnung einer Referenzelektrode im Messgas. Dadurch entfällt die Anbindung an eine echte Referenzluft. Allerdings wird dort keine Herstellung mittels der Dünnschichttechnologie beschrieben.
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Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente und Verfahren zum Herstellen derselben beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet, bei dem ein konkretes Design für einen Sauerstoffsensor auf Basis eines Dünnschichtelektrolyten angegeben wird und bei dem ein Chip vollständig im Abgas platziert wird.
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Ein erfindungsgemäßes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst ein Trägerelement, mindestens eine Festelektrolytschicht, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die Festelektrolytschicht auf dem Trägerelement angeordnet ist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf einer dem Trägerelement abgewandten Seite der Festelektrolytschicht angeordnet sind.
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Auf das Trägerelement kann optional eine Isolationsschicht aufgebracht sein bzw. aufgebracht werden. Diese Isolationsschicht kann unmittelbar auf das Trägerelement aufgebracht sein. Dabei ist die Dicke dieser Isolationsschicht beliebig. Als Richtwert kann die Isolationsschicht eine Dicke von 1µm aufweisen.
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Die Festelektrolytschicht weist eine Dicke von 25 nm bis 15 µm und bevorzugt von 30 nm bis 10 µm auf. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können mit Anschlusskontakten verbunden sein. Die Anschlusskontakte können außerhalb der Festelektrolytschicht angeordnet sein. Das Sensorelement kann weiterhin ein Heizelement umfassen. Das Heizelement kann zum Erwärmen der Festelektrolytschicht zwischen der Festelektrolytschicht und dem Trägerelement angeordnet sein. Zumindest zwischen dem Heizelement und der Festelektrolytschicht kann eine weitere Isolationsschicht angeordnet sein. Die weitere Isolationsschicht kann aus mindestens einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein. Die weitere Isolationsschicht kann eine Dicke von 80 nm bis 25 µm und bevorzugt von 100 nm bis 20 µm aufweisen. Das Heizelement kann eine Leiterbahn und Anschlusskontakte umfassen. Die Anschlusskontakte können nebeneinander an einer Seite bzw. einem Ende des Trägerelements oder beabstandet voneinander an gegenüberliegenden Seiten bzw. Enden des Trägerelements angeordnet sein. Die Anschlusskontakte können im Wesentlichen rechteckig oder kreisförmig ausgebildet sind. Die erste Elektrode kann die zweite Elektrode teilweise, insbesondere ringförmig, umgebend oder im Wesentlichen parallel zu der zweiten Elektrode angeordnet sein. Die erste Elektrode kann von einer ersten Abdeckschicht mit einer Porosität von 30 % bis 70 % bedeckt sein. Die zweite Elektrode kann von einer zweiten Abdeckschicht mit einer Porosität von 0,01 % bis 10 %, vorzugsweise von 0,01 % bis 5 % bedeckt sein. Durch die Anordnung der Festelektrolytschicht und der weiteren Funktionsschichten (Elektrode(n), Heizelement, weitere Isolationsschicht, Abdeckschicht) als Stapel auf dem Trägerelement, bilden diese einen Sensorchip.
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Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
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Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
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Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 450 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode oder dem Festkörperelektrolyt überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand pro Bahnlänge aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus Platin oder einer platinhaltigen Legierung hergestellt sein.
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Durch das erfindungsgemäße Design des Sensorelements können alle elektrischen Kontakte auf einer Seite des Sensorchips untergebracht werden, so dass keine Durchkontaktierung durch den Träger erforderlich ist. Es ist auch keine Verlegung von Leiterbahnen um den Sensorchip herum notwendig. Vielmehr können vorteilhaft die Anschlussleitungen von ein und derselben Seite des Sensorchips an die elektrischen Kontakte geführt werden. Dadurch vereinfacht sich vorteilhaft die Herstellung erheblich und die Fertigungssicherheit bzw. die Ausbeute kann vorteilhaft gesteigert werden. Gleichzeitig werden die Vorteile des mikrostrukturierten Sensors genutzt. Dabei handelt es sich nicht um eine freie Membran, sondern eine mechanisch stabilisierte Struktur auf einem Trägermaterial. Des Weiteren wird das Prinzip des Dünnschichtelektrolyten erweitert. So wird beispielsweise der Aufbau eines Sprungsensorelements inklusive gepumpter Referenz, dünner Schicht auf Trägermaterial anstatt einer Membran ohne Unterlage zur mechanischen Stabilisierung angegeben. Auch wird an der Referenzelektrode eine Optimierung der Sauerstoffspeicherung geschaffen. Durch die Optimierung der Elektrodenanordnung kann vorteilhaft an der Referenzelektrode besonders effizient Sauerstoff gespeichert werden. Schließlich erfolgt eine Optimierung für reduzierte Heizleistung bzw. schneller Betriebsbereitschaft durch Ausdünnen des Trägermaterials.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist das Schichtsystem auf elektrisch/ionisch nichtleitendem Träger aufzubringen. Dadurch wird der Dünnschichtelektrolyt im Vergleich mit einer freihängenden Membran mechanisch stabilisiert. Das Trägermaterial kann insbesondere Silizium umfassen, das abgedeckt mit einer nichtleitenden Schicht wie Si3N4 oder natürliches SiO2, sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Trägermaterial Glas oder Oxid-Kristalle oder ein keramisches Material umfassen. Der Träger kann auch strukturiert, wie beispielsweise ausgedünnt, sein, um die evtl. störende Wirkung als Wärmekapazität zu minimieren. Alle Kontaktpads des Heizers und der beiden Elektroden können auf einer bzw. derselben Chipseite untergebracht werden, was die Kontaktierung vereinfacht. Die Messelektrode kann als Ringelektrode ausgebildet sein, so dass die Ringelektrode eine niedrige Stromdichte an der Messelektrode ermöglicht, da die große Messelektrode die kleine Referenzelektrode umgibt. Hierdurch wird vermieden, dass eine Diffusionsbegrenzung von sauerstoffhaltigen Gasen, wie beispielsweise Wasserdampf, beim Zutritt auf die Messelektrode vorkommt. Gleichzeitig wird eine hohe Stromdichte an der Referenzelektrode erreicht, was eine effektive Sauerstoffspeicherung bezogen auf die Elektrodenfläche ermöglicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
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2A bis 2C Seitenansichten verschiedener möglicher Ausführungsformen des Sensorelements,
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3A bis 3H Verfahrensschritte zur Herstellung des Sensorelements,
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4A bis 4C verschiedene Ausführungsformen für ein Heizelement des Sensorelements,
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5A bis 5C verschiedene Ausführungsformen für Elektroden des Sensorelements und
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6A und 6B verschiedene Ausführungen des Sensorelements mit Zwischenschichten.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau bzw. eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10. Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
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Das Sensorelement 10 weist ein Trägerelement 12 auf. Das Trägerelement 12 kann mit einer optionalen Isolationsschicht 14 bedeckt sein, sofern das Trägerelement 12 aus einem Material hergestellt ist, das nicht ausreichend elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Die optionale Isolationsschicht 14 ist aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, wie beispielsweise Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid SiO2. Auf dem Trägerelement 12 oder der optionalen Isolationsschicht 14 ist ein Heizelement 16 angeordnet. Das Heizelement 16 umfasst eine Leiterbahn 18 und Anschlusskontakte 20, die mit der Leiterbahn 18 verbunden sind. Auf dem Heizelement 16 ist eine weitere Isolationsschicht 22 derart angeordnet, dass die Anschlusskontakte 20 nicht bedeckt sind. Auf der weiteren Isolationsschicht 22 und somit dem Trägerelement 12 ist mindestens eine Festelektrolytschicht 24 angeordnet. Die Festelektrolytschicht 24 ist beispielsweise aus mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid hergestellt. Auf der Festelektrolytschicht 24 sind eine erste Elektrode 26 und eine zweite Elektrode 28 angeordnet. Dabei sind die erste Elektrode 26 und die zweite Elektrode 28 gemeinsam auf einer dem Trägerelement 12 abgewandten Seite 29 der Festelektrolytschicht 24 angeordnet. Die erste Elektrode 26 und die zweite Elektrode 28 sind mit Anschlusskontakten 30 verbunden. Die Anschlusskontakte 30 sind dabei außerhalb der Festelektrolytschicht 24 angeordnet. Beispielsweise sind die Anschlusskontakte 30 auf der weiteren Isolationsschicht 22 angeordnet.
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2A zeigt eine Seitenansicht des Sensorelements 10 gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform. Die optionale Isolationsschicht 14, das Heizelement 16, die weitere Isolationsschicht 22, die Festelektrolytschicht 24 sowie die erste Elektrode 26 und die zweite Elektrode 28 bilden somit eine Art Schichtanordnung 32. Gezeigt ist das Trägerelement 12 und die Schichtanordnung 32. Wie aus der Darstellung der 2A hervorgeht, können das Trägerelement 12 und die Schichtanordnung 32 eine identische Breite aufweisen.
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2B zeigt eine Seitenansicht des Sensorelements 10 gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie dargestellt ist, kann das Trägerelement 12 breiter als die Schichtanordnung 32 ausgebildet sein.
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2C zeigt eine Seitenansicht des Sensorelements 10 gemäß einer dritten möglichen Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie dargestellt ist, kann das Trägerelement 12 unterhalb der Schichtanordnung 32 ausgedünnt sein und eine Aussparung 34 aufweisen, die unterhalb der Schichtanordnung 32 angeordnet ist. Die Aussparung 34 kann beispielsweise mittels Ätzens mit KOH oder mittels Trenchens in das Trägerelement 12 eingebracht werden. Dadurch kann die Wärmekapazität des Trägerelements 12 verringert werden. Die gezeigte Form der Ausdünnung des Trägerelements 12 ist nicht auf orthogonale oder parallele Flächen beschränkt.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 3A bis 3H Verfahrensschritte zur Herstellung des Sensorelements erläutert. Die 3A bis 3H sind dabei Draufsichten auf das Sensorelement 10 zu den jeweiligen Verfahrensschritten. Wie in 3A gezeigt, wird zunächst das Trägerelement 12 bereitgestellt. Das Trägerelement 12 kann beispielsweise aus Silizium, einem Oxidkristall, einer Keramik oder Fotouranglas hergestellt sein. Das Trägerelement 12 kann z.B. eine Länge oder Breite von 0,1 mm bis 20 mm aufweisen. Das Trägerelement 12 ist beispielsweise ein Siliziumchip mit einer Kantenlänge von 1 mm. Für die Oberfläche ist eine rechteckige oder quadratische Form nicht zwingend erforderlich, kann jedoch aus fertigungstechnischen Gründen bevorzugt werden. Grundsätzlich ist die Dicke des Trägerelements 12 beliebig. Je dicker das Trägerelement 12 ist, umso höher ist die zu erwartende mechanische Stabilität bzw. die Dicksteifigkeit, was zu einer Erhöhung der Stabilität der aufgebrachten Schichten und Strukturen führt. Das Trägerelement 12 kann auch geometrisch strukturiert sein. Hierzu kann insbesondere die Dicke des Trägerelements 12 unterhalb der nachfolgend aufzubringenden Schichtanordnung 32 reduziert werden. Hierdurch kann eine erniedrigte Wärmeabfuhr vom zu heizenden Schichtsystem in das Trägerelement 12 erreicht werden. Die Vorteile sind eine verringerte Heizleistung, um eine bestimmte Temperatur in der Festelektrolytschicht 24 aufrechtzuerhalten, und außerdem eine schnelle Betriebsbereitschaft, d.h. die Zeit zum Erreichen einer Zieltemperatur bei einem vorgegebenen Heizspannungsprofil. Eine Ausdünnung ist insoweit begrenzt, dass natürlich die Funktion der mechanischen Stabilitätserhöhung erhalten bleibt. Als Richtwert ist eine Dicke von 200 nm bis 500 µm zu bevorzugen, beispielsweise 250 µm.
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Wie in 3B gezeigt, kann auf das Trägerelement 12 die optionale Isolationsschicht 14 aufgebracht werden. Die optionale Isolationsschicht 14 ist aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, wie beispielsweise Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid SiO2. Die Dicke ist prinzipiell beliebig. Je höher die Schichtdicke ist, umso besser ist die zu erwartende elektrische Isolationswirkung. Als Richtwert kann eine Dicke von 1 µm angesehen werden. Die optionale Isolationsschicht 14 kann aber auch entfallen, falls das Material des Trägerelements 12 bereits ausreichend elektrisch nichtleitend ist. Eine vollflächige Abdeckung der Oberfläche des Trägerelements 12 ist vorteilhaft. Gegebenenfalls können jedoch aber auch einzelne Bereiche unbedeckt bleiben, wie beispielsweise in 2B oder 2C gezeigt ist.
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Wie in 3C gezeigt ist, wird auf die optionale Isolationsschicht 14 oder unmittelbar auf das Trägerelement 12 das Heizelement 16 aufgebracht. Wie oben bereits beschrieben, umfasst das Heizelement 16 eine Leiterbahn 18 und Anschlusskontakte 20. Die Leiterbahn 18 weist eine Breite von 10 µm bis 40 µm auf, beispielsweise 30 µm. Die Anschlusskontakte 20 weisen eine Dicke von beispielsweise 100 nm bis 5 µm auf, beispielsweise 500 nm. Das konkrete Design der Windungen, Leiterbahndurchmesser und Dicke können zur Optimierung einer gewünschten räumlichen Temperaturverteilung angepasst werden, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Hierbei können beispielsweise während des Aufheizvorgangs bevorzugt die erste Elektrode 26 und die zweite Elektrode 28 zuerst erhitzt werden oder auch inhomogene Temperaturverteilungen auf der Schichtanordnung 32 realisiert werden. Bei dem Heizelement 16 ist die Verwendung von Platin bzw. Platinlegierungen vorteilhaft. Gelingt es, das Heizelement 16 möglichst gasdicht einzubetten, kann auch der Einsatz von weniger edlen bzw. teuren Metallen vorteilhaft sein. Auch der Einsatz nichtmetallischer Heizelemente, die beispielsweise aus Bornitrid hergestellt sind, ist möglich.
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Wie in 3D gezeigt, wird nachfolgend die weitere Isolationsschicht 22 aufgebracht. Die weitere Isolationsschicht 22 kann beispielsweise so aufgebracht werden, dass die Anschlusskontakte 20 des Heizelements 16 nicht bedeckt werden. Die weitere Isolationsschicht 22 wird beispielsweise mit einer Fläche von 1000 µm·700 µm aufgebracht. Die weitere Isolationsschicht 22 wird aufgebracht, um den Stromkreis des Heizelements 16 vom Sensorsignal zu trennen. Aus diesem Grund wird die weitere Isolationsschicht 22 aus einem elektrisch isolierenden, aber gleichzeitig möglichst gut wärmeleitenden Material hergestellt, da durch das Heizelement 16 die darüber befindlichen Strukturen auf eine Temperatur von bis zu 900 °C aufgeheizt werden müssen. Als Material kann beispielsweise Aluminiumoxid mit möglichst wenigen Verunreinigungen verwendet werden. Die weitere Isolationsschicht 22 kann eine Schichtdicke von 80 nm bis 25 µm und bevorzugt 100 nm bis 20 µm aufweisen, beispielsweise 1 µm.
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Wie in 3E gezeigt ist, wird auf die weitere Isolationsschicht 22 die Festelektrolytschicht 24 aufgebracht. Die Festelektrolytschicht 24 ist beispielsweise aus mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid hergestellt. Die Festelektrolytschicht 24 weist eine Dicke von 25 nm bis 15 µm und bevorzugt von 30 nm bis 10 µm auf, beispielsweise 500 nm. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen bzw. unerwünschten Leckströmen reicht die Festelektrolytschicht 24 nicht vollständig an den Rand der weiteren Isolationsschicht 22, sondern kann zurückgezogen sein. Die Festelektrolytschicht 24 wird beispielsweise mittig auf die weitere Isolationsschicht 22 mit einer Fläche von 600 µm·600 µm aufgebracht. Außerdem muss Platz gelassen werden für die Anschlusskontakte 30 der Elektroden 26, 28.
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Wie in 3F gezeigt ist, werden nachfolgend die Elektroden 26, 28 auf die Festelektrolytschicht 24 aufgebracht. Dabei befinden sich die Anschlusskontakte 30 außerhalb der Festelektrolytschicht 24, wie beispielsweise auf der weiteren Isolationsschicht 22. Die Elektroden werden mit einer Dicke von 20 nm bis 1 µm aufgebracht, beispielsweise 50 nm. Die Anschlusskontakte 30 inklusive der Zuleitungen zu den eigentlichen Elektroden 26, 28 werden mit einer Dicke von 100 nm bis 5 µm aufgebracht, beispielsweise 500 nm. Die Anschlusskontakte 30 können, wie in 3F gezeigt, mit maximalem Abstand zueinander ausgerichtet sein und gleichzeitig einen großen Abstand zu den Anschlusskontakten 20 des Heizelements 16 aufweisen. So können die Anschlusskontakte 30 beispielsweise an gegenüberliegenden Rändern der weiteren Isolationsschicht 22 angeordnet werden, die zu dem Rand, an dem die Anschlusskontakte 20 des Heizelements 16 angeordnet sind, angrenzen. Bei einem großen Abstand der Anschlusskontakte 30 zueinander ist gewährleistet, dass es durch eventuelle Ablagerungen durch Abgasbestandteile auf dem Sensorelement 10 nicht zu elektrischen Leckströmen kommt, wenn ein Kurzschluss zwischen zwei Anschlusskontakten 30 erzeugt wird.
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Wie in 3G gezeigt, kann nachfolgend eine optionale Abdeckschicht 34 auf die Festelektrolytschicht 24 aufgebracht werden. Die optionale Abdeckschicht 34 wird dabei so aufgebracht, dass derjenige Teil der Festelektrolytschicht 24, auf dem sich keine Elektrode 26, 28 befindet, mit der optionalen Abdeckschicht 34 abgedeckt wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn es sich um ein Material mit niedriger Wärmeleitung und niedriger Wärmekapazität handelt, um eine Auskühlung der Festelektrolytschicht 24 zu minimieren. Die optionale Abdeckschicht 34 ist beispielsweise aus Aluminiumoxid hergestellt und weist eine Dicke von 1 µm auf.
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Wie in 3H gezeigt, wird die erste Elektrode 26 von einer ersten Abdeckschicht 36 mit einer Porosität von 30 % bis 70 % bedeckt, beispielsweise 50 %. Die erste Abdeckschicht 36 ist optional. Um die als Messelektrode dienende erste Elektrode 26 vor Verunreinigungen im Abgas zu schützen, wie beispielsweise elektrodenvergiftenden Substanzen, kann die erste Elektrode 26 mit der ersten Abdeckschicht 36 versehen werden. Die erste Abdeckschicht 36 ist beispielsweise aus porösem Aluminiumoxid hergestellt. Die erste Abdeckschicht 36 kann mit zusätzlichen Substanzen versetzt werden, wie beispielsweise Gettermaterialien, um elektrodenvergiftende Substanzen abzuhalten, oder katalytisch aktive Materialien, um das zu messende Gas in ein chemisches Gleichgewicht zu versetzen. Grundsätzlich sollte die erste Abdeckschicht 36 möglichst gasdurchlässig gestaltet sein, damit bei Gaswechseln im Messgas möglichst schnell ein entsprechender Ausgleich auf der ersten Elektrode 26 stattfindet. Die erste Abdeckschicht 36 weist eine Dicke von 1 µm bis 5 µm auf, beispielsweise 2 µm.
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Auf der zweiten Elektrode 28 wird eine zweite Abdeckschicht 38 aufgebracht. Die zweite Abdeckschicht 38 weist eine Porosität von 0,01 % bis 10 %, bevorzugt eine Porosität von 0,01 % bis 5 % auf, beispielsweise 1 %. Die zweite Abdeckschicht 38 weist eine Dicke von 1 µm bis 5 µm auf, beispielsweise 2 µm. Die zweite Abdeckschicht 38 dient als sauerstoffspeichernde Schicht auf der als Referenzelektrode dienenden zweiten Elektrode 28. An der zweiten Elektrode 28 wird mittels eines elektrochemischen Pumpstroms Sauerstoff ausgebaut und soll dort ein Sauerstoffreservoir bilden. Für die Bildung der Atmosphäre ist es erforderlich, dass die zweite Abdeckschicht 38 eine begrenzte Gasdurchlässigkeit aufweist. Zum einen soll verhindert werden, dass der gebildete Sauerstoff sofort wieder ins Messgas transportiert wird, und zum anderen soll der Zutritt von sauerstoffverzehrenden Abgaskomponenten beschränkt werden. Eine völlige Gasundurchlässigkeit ist dagegen auch nicht erwünscht, da sich ansonsten ein Überdruck aufbauen könnte, der zur mechanischen Zerstörung der zweiten Abdeckschicht 38 führen könnte. Bei der sauerstoffspeichernden Schicht kann es sich insbesondere um eine Schicht handeln, die auf die zweite Elektrode 28 aufgebracht wird. Es kann sich insbesondere um schwach porösifizierte Oxidschichten, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid, handeln. Die Schicht sollte die zweite Elektrode 28 vollständig abdecken und kann gegebenenfalls über diese herausragen und teilweise andere Schichten bedecken. Alternativ kann bereits das eigentliche Material der zweiten Elektrode 28 als sauerstoffspeichernde Schicht ausgelegt sein. Insbesondere sind poröse Edelmetalle bzw. poröse Cermet-Strukturen geeignet. Der Vorteil wäre, dass keine weitere Schicht erforderlich ist und weniger Prozessschritte vorhanden wären. In beiden Fällen kann die Sauerstoffspeicherung und der Zutritt von sauerstoffverzehrenden Abgasanteilen optimiert werden durch kleine Poren, wie beispielsweise mit einem Durchmesser von nicht mehr als 1 µm und/oder kleine Porositäten, wie beispielsweise nicht mehr als 10 %, bevorzugt höchstens 5 %, und/oder hohe Schichtdicken, wie beispielsweise mehr als 1 µm.
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4A zeigt eine Draufsicht auf das Heizelement 16 gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform. Grundsätzlich können die Anschlusskontakte 20 eine beliebige Form aufweisen. Gemäß der Darstellung der 4A ist die Leiterbahn 18 mäanderförmig angeordnet und die Anschlusskontakte 20 sind rechteckig ausgebildet. Die Anschlusskontakte 20 sind dabei nebeneinander an einer Seite 40 des Trägerelements 12 bzw. der optionalen Isolationsschicht 14 angeordnet.
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4B zeigt eine Draufsicht auf ein Heizelement 16 gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der zweiten Ausführungsform sind die Anschlusskontakte 20 rund oder kreisförmig ausgebildet.
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4C zeigt eine Draufsicht auf ein Heizelement 16 gemäß einer dritten möglichen Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der dritten Ausführungsform sind die Anschlusskontakte 20 rechteckig ausgebildet und maximal beabstandet voneinander an gegenüberliegenden Seiten 40, 42 des Trägerelements 12 bzw. der optionalen Isolationsschicht 14 angeordnet. Die Leiterbahn 18 ist dabei schlingenförmig angeordnet. Eine derartige Anordnung vermeidet die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses.
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5A zeigt eine Draufsicht auf eine erste mögliche Anordnung der Elektroden 26, 28 auf der Festelektrolytschicht 24 bzw. der weiteren Isolationsschicht 22. Die erste Elektrode 26 umgibt die zweite Elektrode 28 teilweise. Dabei ist die erste Elektrode 26 im Wesentlichen U-förmig ausgebildet. Die zweite Elektrode 28 ist im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und befindet sich in dem Bereich zwischen den Schenkeln und dem Boden der U-Form der ersten Elektrode 26.
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5B zeigt eine Draufsicht auf eine zweite mögliche Anordnung der Elektroden 26, 28. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Vergleich zu der Darstellung in 5A umgibt die erste Elektrode 26 die zweite Elektrode 28 ringförmig.
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5C zeigt eine Draufsicht auf eine dritte mögliche Anordnung der Elektroden. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie aus der Darstellung der 5C zu entnehmen ist, können die erste Elektrode 26 und die zweite Elektrode 28 rechteckig ausgebildet und parallel zueinander angeordnet sein. Dies sorgt für eine gleichmäßige Stromdichte.
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Grundsätzlich gilt, falls auf den Elektroden 26, 28 keine der ersten Abdeckschicht 36 und der zweiten Abdeckschicht 38 ein elektrischer Isolator ist, sollte der Freiraum zwischen den Elektroden 26, 28 möglichst groß sein, damit sich durch Ablagerung keine Kurzschlüsse ausbilden. Damit ein sauerstoffionenleitender Strom durch die Festelektrolytschicht 24 getrieben werden kann, ist es vorteilhaft, wenn der Widerstand der Festelektrolytschicht 24 möglichst gering ist. Dies hängt neben der Temperatur und der Dicke der Festelektrolytschicht 24 insbesondere vom Abstand zwischen den Elektroden 26, 28 ab. Aus diesem Grund sollte der Abstand eher klein sein. Hierbei wird ein Kompromiss zwischen der zuvor genannten Anforderung eingegangen. Typische Werte für den Abstand zwischen den Elektroden 26, 28 können von 100 µm bis 300 µm sein. Die Ausführungsform der 5B ermöglicht eine besonders effektive Sauerstoffspeicherung bezogen auf den Sauerstoffstrom aufgrund der ringförmigen Anordnung der ersten Elektrode 26 um die zweite Elektrode 28. Zudem weist die zweite Elektrode 28 eine vergleichsweise kleine Fläche auf. Es kann sich hierbei um tatsächlich kreisförmige Strukturen handeln oder beispielsweise auch um eckige Elektroden 26, 28. Entscheidend ist, dass eine große erste Elektrode 26 eine kleine zweite Elektrode 28 möglichst gut umschließt. Um eine bestimmte Sauerstoffstromdichte an der zweiten Elektrode 28 zu erreichen, wird die erste Elektrode 26 durch eine geringere Stromdichte weniger belastet. Außerdem ist dadurch besser gewährleistet, dass selbst bei begrenztem Zutritt eines sauerstoffhaltigen Gases, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid, Wasser oder Sauerstoff, auf die erste Elektrode 26 genug Sauerstoff zur Verfügung steht. Dieser Gaszutritt ist erforderlich, um eine bestimmte Stromstärke für das elektrochemische Pumpen zu der zweiten Elektrode 28 zu erreichen. Eine solche unerwünschte Begrenzung der sauerstoffhaltigen Gase könnte durch die erste Abdeckschicht 36 entstehen. Die erste Elektrode 26 und die zweite Elektrode 28 können aus dem gleichen Material hergestellt sein, was zur Messung einer Nernstspannung ausreichend ist. Die erste Elektrode 26 und die zweite Elektrode 28 können jedoch alternativ aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Aufgrund der Betriebsweise mit einem Referenzpumpstrom, bei der der Sauerstoff über die Festelektrolytschicht 24 elektrochemisch von der ersten Messelektrode 26 zur zweiten Elektrode 28 transportiert werden soll, kann eine Herstellung aus unterschiedlichen Materialien vorteilhaft sein. Die erste Elektrode 26 ist im Hinblick auf den Sauerstoffeinbau in die Festelektrolytschicht 24 zu optimieren und die zweite Elektrode 28 ist im Hinblick auf den Sauerstoffausbau aus der Festelektrolytschicht 24 zu optimieren.
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6A zeigt eine Seitenansicht einer weiteren möglichen Ausführungsform des Sensorelements 10. Wie zu erkennen ist, kann das Sensorelement 10 optional mindestens eine Zwischenschicht 44 aufweisen. Die Zwischenschicht 44 kann vorgesehen sein, da es aufgrund des Höhenprofils der nichtvollflächigen, teilstrukturierten Schichten, wie beispielsweise des Heizelements 16 und der darunterliegenden Oberfläche, beim Aufbringen weiterer Schichten zu einer Fortsetzung von Unebenheiten kommen könnte. Dies kann vermindert werden durch das Aufbringen von Nivellierungsmaterial als Zwischenschicht 44 in die Bereiche, in denen sich kein Material des Heizelements 16 befindet. Bei dem Material zur Nivellierung kann es sich insbesondere um das gleiche Material handeln wie die darunter befindliche optionale Isolationsschicht 14 bzw. jede weitere mögliche Schicht. Es kann aber auch ein anderes Material sein, was beispielsweise zum Ausgleich thermischer Verspannung vorteilhaft sein kann. Beispielsweise können weitere Zwischenschichten 44 vorgesehen sein, um eine Verbesserung der Haftung zwischen den anderen Schichten zu erzielen oder eine elektrische Isolation zu optimieren, wie beispielsweise zwischen der Elektrodenzuleitung und der Festelektrolytschicht 24.
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6B zeigt eine Seitenansicht einer weiteren möglichen Ausführungsform des Sensorelements 10. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 ist im Vergleich zu der Darstellung in der 6A die Zwischenschicht 44 aus dem Material der darüber befindlichen Schicht, d.h. der weiteren Isolationsschicht 22, gebildet.
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Grundsätzlich wird das Sensorelement 10 derart betrieben, dass zwischen der ersten Elektrode 26 und der zweiten Elektrode 28 über eine Stromquelle ein Strom angelegt wird, der in einem Bereich von 1nA bis 2 mA liegen kann. Alternativ kann auch eine Spannungsquelle mit vorgeschaltetem Widerstand verwendet werden. Als Messsignal wird dabei die Spannung zwischen der ersten Elektrode 26 und der zweiten Elektrode 28 ausgewertet. Das Sensorelement wird idealerwiese bei einer Temperatur von 200°C bis 900° betrieben. Um die Temperatur zu bestimmen, muss die Temperatur erfasst werden können. Bei einer ersten möglichen Messmethode für die Temperatur werden auf den Strom bzw. die Spannung zur Führung des Referenzpumpstroms zusätzliche kurze Messpulse mit einer Frequenz von 0,1 Hz bis 1 MHz mit einer Amplitude von 1mV bis 1 V aufgeprägt und entsprechend die Stromänderung betrachtet, gegebenenfalls werden bestimmte Zeitpunkte aus einem transienten Signal gewählt. Aus dem Verhältnis der Stromänderung bzw. Spannungsänderung kann auf die Temperatur der Festelektrolytschicht 24 und der Elektroden 26, 28 geschlossen werden. Bei einer zweiten möglichen Messmethode für die Temperatur wird das Heizelement 16 aufgrund der verwendeten Materialien so gestaltet, dass die Abhängigkeit von der Temperatur besonders stark ist. Dann lässt sich durch Auslesen des Widerstands des Heizelements 16 die Temperatur des Heizelements 16 ermitteln, da diese Temperatur aufgrund der räumlichen Nähe mit der Temperatur der Festelektrolytschicht 24 verknüpft ist. Beide Messmethoden können auch kombiniert werden, da beispielsweise bei Raumtemperatur der Widerstand nach der ersten Temperaturmessmethode extrem hoch sein kann und zu einem Messbereichsanschlag führen kann. In so einem Fall ist es sinnvoll, im Niedertemperaturbereich die zweite Messmethode zu verwenden und bei höheren Temperaturen die erste Messmethode.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012202783 A1 [0004]
- DE 102013204197 A1 [0004]
- DE 102013204463 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 [0003]