DE102015214391A1

DE102015214391A1 - Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space and method for producing the same

Info

Publication number: DE102015214391A1
Application number: DE102015214391.0A
Authority: DE
Inventors: Friedjof Heuck; Daniel PANTEL
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-02-02
Also published as: WO2017016898A1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) 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, bzw. eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) (10) vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) bzw. die Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) (10) umfasst ein Trägerelement (12) und mindestens eine Festelektrolytschicht (18). Die Festelektrolytschicht (18) ist auf dem Trägerelement (12) angeordnet. Das Trägerelement (12) weist mindestens eine Aussparung (20) auf, so dass die Festelektrolytschicht (18) mindestens einen Membranabschnitt (22) aufweist. Die Festelektrolytschicht (18) weist in dem Membranabschnitt (22) mindestens eine Strukturierung (24) auf. Es wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bzw. zur Herstellung einer Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) vorgeschlagen. A sensor element (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, or a micro fuel cell (μ-SOFC) (10) is proposed. The sensor element (10) or the micro fuel cell (μ-SOFC) (10) comprises a carrier element (12) and at least one solid electrolyte layer (18). The solid electrolyte layer (18) is arranged on the carrier element (12). The carrier element (12) has at least one recess (20), so that the solid electrolyte layer (18) has at least one membrane section (22). The solid electrolyte layer (18) has at least one structuring (24) in the membrane section (22). Furthermore, a method for producing a sensor element (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space or for producing a micro fuel cell (μ-SOFC) is proposed.

Description

Stand der Technik State of the art

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. A large number of sensor elements and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, these can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more properties being able to be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a proportion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas part. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas are detectable, such as the temperature.

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. In particular, ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, that is to ion-conducting properties of these solids. In particular, these solids may be ceramic solid electrolytes such as zirconia (ZrO ₂ ), in particular yttrium stabilized zirconia (YSZ) and scandium doped zirconia (ScSZ), the minor additions of alumina (Al ₂ O ₃ ) and / or silica (SiO ₂ ) ₂ ).

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. For example, such sensor elements can be configured as so-called lambda probes or as nitrogen oxide sensors, as they are made, for example K. Reif, Deitsche, KH. et al., Kraft Paperback, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347 , are known. With broadband lambda probes, in particular with planar broadband lambda probes, it is possible, for example, to determine the oxygen concentration in the exhaust gas over a large range and thus to deduce the air-fuel ratio in the combustion chamber. The air ratio λ (lambda) describes this air-fuel ratio. Nitric oxide sensors determine both the nitrogen oxide and the oxygen concentration in the exhaust gas.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente und Verfahren zum Herstellen derselben beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Despite the advantages of the sensor elements known from the prior art and methods for producing the same, they still have room for improvement.

Feststoffelektrolyt-Gassensoren sind aktuell in Verwendung, beispielsweise als Sauerstoffsensor in Form der Lambdasonde. Als Technologiebasis dafür wird die keramische Dickschichttechnik verwendet, die nur große Mindestabmessungen zulässt, sowohl bei den Strukturbreiten, die typischerweise mehr als 30 µm betragen, als auch bei Schichtdicken, die typischerweise über 10 µm liegen. Solid electrolyte gas sensors are currently in use, for example as an oxygen sensor in the form of the lambda probe. As the technology basis for the ceramic thick film technology is used, which allows only large minimum dimensions, both in the structure widths, which are typically more than 30 microns, as well as at layer thicknesses, which are typically above 10 microns.

In gleicher Weise sind im Stand der Technik Brennstoffzellen in Dickschichttechnologie bekannt. Similarly, prior art fuel cells are known in thick film technology.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass statt eines Sensorelements in Dickschichttechnik vorteilhaft ein mikroelektrochemisches Sensorelement (MECS) verwendet werden könnte. Als sensitives Element des Sensors kann dann eine dünne Membran fungieren. Diese Membran weist eine Dicke auf, die durch die-Schichtdicke des Membranmaterials und mögliche Elektroden gegeben ist. The invention is based on the recognition that a microelectrochemical sensor element (MECS) could be advantageously used instead of a sensor element in thick film technology. As a sensitive element of the sensor can then act a thin membrane. This membrane has a thickness which is given by the layer thickness of the membrane material and possible electrodes.

Auch in der Brennstoffzellen-Technologie können Mikrobrennstoffzellen (µ-SOFC, SOFC = „solid oxid fuel cell“) verwendet werden, die dünne Membranen aufweisen. Also in the fuel cell technology, micro fuel cells (μ-SOFC, SOFC = "solid oxide fuel cell") can be used, which have thin membranes.

Je dünner eine derartige Membran ist und je größer die lateralen Abmessungen der Membran sind, desto weniger ist sie resistent gegen Druck, der nur auf einer Seite der Membran wirkt. Auch wäre es denkbar, dass die Membran durch beispielsweise thermische Verspannungen ausbeulen könnte, wobei die Richtung der Ausbeulung von der Druckdifferenz zwischen den beiden Membranseiten abhängt. Zyklischer Druckbelastungen könnten zu einer hohen Belastung an den Membranrändern führen. The thinner such a membrane is and the larger the lateral dimensions of the membrane are, the less resistant it is to pressure acting on only one side of the membrane. It would also be conceivable that the membrane could buckle by, for example, thermal stresses, the direction of the bulge being dependent on the pressure difference between the two membrane sides. Cyclic pressure loads could lead to a high load on the membrane edges.

Es kann daher ein Bedarf bestehen, ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in Dünnschichttechnologie bereitzustellen bzw. eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC), welches robust gegen thermische Verspannungen und einseitigen Druckauftrag ist. There may therefore be a need to provide a sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in thin-film technology or a micro fuel cell (μ-SOFC), which is robust against thermal stresses and one-sided print job.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bzw. eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) und ein Verfahren zum Herstellen des Sensorelements bzw. der Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensorelemente bzw. Mikrobrennstoffzellen (µ-SOFC) und Verfahren zum Herstellen derselben zumindest weitgehend vermeiden und die insbesondere die Ausbildung einer robusteren Membran erlauben. Therefore, a sensor element is proposed for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space or a micro fuel cell (μ-SOFC) and a method for producing the sensor element or the micro fuel cell (μ-SOFC), which disadvantages the known sensor elements or micro fuel cells (μ-SOFC) and methods for producing the same at least largely avoid and in particular allow the formation of a more robust membrane.

Das 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 bzw. die Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC), umfasst ein Trägerelement und mindestens eine Festelektrolytschicht, wobei die Festelektrolytschicht auf dem Trägerelement angeordnet ist, wobei das Trägerelement mindestens eine Aussparung aufweist, so dass die Festelektrolytschicht mindestens einen Membranabschnitt aufweist, wobei die Festelektrolytschicht in dem Membranabschnitt mindestens eine Strukturierung aufweist. The sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a Proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas or the micro fuel cell (μ-SOFC) comprises a support member and at least one solid electrolyte layer, wherein the solid electrolyte layer is disposed on the support member, wherein the support member has at least one recess, so that the solid electrolyte layer has at least one membrane portion, wherein the solid electrolyte layer in the membrane portion has at least one structuring.

Hierbei kann z.B. ein Festkörperelektrolyt in Form einer dünnen Schicht von bevorzugt 0,1 µm bis 2 µm verwendet werden. Als Festkörperelektrolyt kann vorteilhaft yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) verwendet werden. Die Abscheidung von YSZ als dünnem Film für Gassensorelemente oder Mikrobrennstoffzellen (µ-SOFC) kann auf Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumdioxid (SiO₂) als eine Art Substrat oder Trägermaterial erfolgen. Beide Materialien können auch nichtstöchiometrisch verwendet werden und können amorph ausgebildet sein. Si₃N₄ oder SiO₂ kann als elektrischer Isolator verwendet werden, der den Festkörperelektrolyten von dem Silizium trennt, da Silizium bei hohen Temperaturen gut elektrisch leitfähig ist. In this case, for example, a solid electrolyte in the form of a thin layer of preferably 0.1 .mu.m to 2 .mu.m can be used. As the solid electrolyte, yttrium-stabilized zirconia (YSZ) can be advantageously used. The deposition of YSZ as a thin film for gas sensor elements or micro fuel cells (μ-SOFC) can be carried out on silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or silicon dioxide (SiO ₂ ) as a type of substrate or carrier material. Both materials can also be used non-stoichiometrically and can be made amorphous. Si ₃ N ₄ or SiO ₂ can be used as an electrical insulator which separates the solid electrolyte from the silicon, since silicon is well electrically conductive at high temperatures.

Die Festelektrolytschicht kann eine Dicke von 40 nm bis 5 µm und bevorzugt von 200 nm bis 2 µm aufweisen. Entsprechend wird eine vergleichsweise dünne Festelektrolytschicht realisiert. Dadurch ist eine besonders gut kontrollierbare Diffusion der Sauerstoff-Ionen möglich, da diese keine langen Wege durch den Festelektrolyt zurücklegen müssen. Die Festelektrolytschicht kann in dem Membranabschnitt eine konstante Dicke aufweisen. Dadurch wird eine gleichmäßige Diffusion der Sauerstoff-Ionen über die gesamte laterale Erstreckung der Festelektrolytschicht realisiert. Die Strukturierung kann einen im Wesentlichen keilförmigen, U-förmigen und/oder invertiert U-förmigen Querschnitt aufweisen. Dadurch wird die Stabilität des Membranabschnitts erhöht. Zwischen der Festelektrolytschicht und dem Trägerelement kann abschnittsweise mindestens eine Isolationsschicht angeordnet sein, wobei die Isolationsschicht aus mindestens einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere Si₃N₄ und/oder SiO₂, hergestellt ist. Die Festelektrolytschicht kann aus mindestens einem Material hergestellt sein, das mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid umfasst. The solid electrolyte layer may have a thickness of 40 nm to 5 μm and preferably 200 nm to 2 μm. Accordingly, a comparatively thin solid electrolyte layer is realized. As a result, a particularly well controllable diffusion of oxygen ions is possible because they do not have to travel long distances through the solid electrolyte. The solid electrolyte layer may have a constant thickness in the membrane portion. As a result, a uniform diffusion of the oxygen ions over the entire lateral extent of the solid electrolyte layer is realized. The structuring may have a substantially wedge-shaped, U-shaped and / or inverted U-shaped cross section. This increases the stability of the membrane section. At least one insulating layer may be arranged in sections between the solid electrolyte layer and the carrier element, wherein the insulating layer is made of at least one electrically insulating material, in particular Si ₃ N ₄ and / or SiO ₂ . The solid electrolyte layer may be made of at least one material comprising yttria-stabilized zirconia.

Es wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: das Bereitstellen eines Trägerelements, das abschnittsweise Strukturieren des Trägerelements, das Aufbringen mindestens einer Festelektrolytschicht auf das strukturierte Trägerelement sowie ein teilweises Entfernen des strukturierten Trägerelements zum Ausbilden mindestens einer Aussparung derart, dass die Festelektrolytschicht mindestens einen Membranabschnitt aufweist. Furthermore, a method is proposed for producing a sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a method for producing a micro fuel cell (μ-SOFC), the method comprising the following steps comprising: providing a carrier element, structuring the carrier element in sections, applying at least one solid electrolyte layer to the structured carrier element, and partially removing the structured carrier element to form at least one cutout such that the solid electrolyte layer has at least one membrane section.

Die Festelektrolytschicht kann mittels gepulster Laserabscheidung, Sputtern, chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition) oder Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition) auf das Trägerelement aufgebracht werden. Das teilweise Entfernen des Trägerelements kann mittels Trenchens bzw. Trockenätzen (anisotropes Verfahren) erfolgen, wobei U-förmige bzw. rechteckförmige bzw. trapezartige Strukturierungen mit steilen Flanken nahe 75° bis 90° entstehen können. Alternativ kann das teilweise Entfernen des Trägerelements mittels Ätzen mit Kalilauge (KOH) erfolgen (isotropes Verfahren), wodurch keilförmige bzw. im Wesentlichen dreieckige Strukturen mit flacheren Flanken entstehen können. Die Festelektrolytschicht kann mit einer Dicke von 40 nm bis 5 µm und bevorzugt von 200 nm bis 2 µm auf das Trägerelement aufgebracht werden. Die Festelektrolytschicht kann mit einer konstanten Dicke aufgebracht werden. Zwischen der Festelektrolytschicht und dem Trägerelement kann zumindest abschnittsweise mindestens eine Isolationsschicht angeordnet werden, wobei die Isolationsschicht aus mindestens einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere Si₃N₄ und/oder SiO₂, hergestellt wird. Die Isolationsschicht kann nach dem Aufbringen der Festelektrolytschicht teilweise entfernt werden. Die Festelektrolytschicht kann aus mindestens einem Material hergestellt werden, das mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid umfasst. The solid electrolyte layer can be applied to the carrier element by means of pulsed laser deposition, sputtering, chemical vapor deposition or atomic layer deposition. The partial removal of the carrier element can be carried out by means of trenching or dry etching (anisotropic process), whereby U-shaped or rectangular or trapezoidal structuring with steep flanks close to 75 ° to 90 ° can occur. Alternatively, the partial removal of the carrier element by means of etching with potassium hydroxide (KOH) can take place (isotropic process), whereby wedge-shaped or substantially triangular structures with flatter flanks can arise. The solid electrolyte layer can be applied to the carrier element with a thickness of 40 nm to 5 μm and preferably from 200 nm to 2 μm. The solid electrolyte layer can be applied at a constant thickness. At least in sections, at least one insulating layer can be arranged between the solid electrolyte layer and the carrier element, wherein the insulating layer is produced from at least one electrically insulating material, in particular Si ₃ N ₄ and / or SiO ₂ . The insulating layer may be partially removed after the application of the solid electrolyte layer. The solid electrolyte layer may be made of at least one material comprising yttria-stabilized zirconia.

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 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. In the context of the present invention, a solid electrolyte is to be understood as meaning a body or article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, the solid electrolyte may be formed as a solid electrolyte layer or from a plurality of solid electrolyte layers. In the context of the present invention, a layer is to be understood as a uniform mass in the areal extent of a certain height which lies above, below or between other elements.

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. An electrode in the context of the present invention is generally understood to mean an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte. typically, For example, the electrodes include a noble metal electrode which may be deposited on the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode, for example, or may otherwise be associated with the solid electrolyte. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable.

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 bzw. die Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 500 °C bis 1000 °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 bzw. der Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) senkrechten Richtung mit einer Elektrode 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 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 einem Platin-Cermet hergestellt sein. In the context of the present invention, a heating element is to be understood as meaning an element which serves for heating the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature. The functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte becomes conductive to ions and which is approximately 350 ° C. Of these, the operating temperature is to be distinguished, which is the temperature at which the sensor element or the micro fuel cell (μ-SOFC) is usually operated and which is higher than the operating temperature. The operating temperature may be, for example, from 500 ° C to 1000 ° C. The heating element may comprise a heating area and at least one feed track. In the context of the present invention, a heating region is to be understood as meaning the region of the heating element which overlaps an electrode in the layer structure along a direction perpendicular to the surface of the sensor element or micro-fuel cell (μ-SOFC). Usually, during operation, the heating area heats up more than the supply track, so that they are distinguishable. The different heating can for example be realized in that the heating area has a higher electrical resistance than the supply track. The heating area and / or the supply line are formed, for example, as an electrical resistance path and heat up by applying an electrical voltage. The heating element may for example be made of a platinum cermet.

Unter einer Strukturierung des Membranabschnitts ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine gezielt eingebrachte Veränderung der Erstreckung des Membranabschnitts zu verstehen, bei der sich der Membranabschnitt nicht mehr planar, sondern in allen drei Dimensionen des Raums erstreckt. In the context of the present invention, a structuring of the membrane section is understood to mean a deliberately introduced change in the extent of the membrane section in which the membrane section no longer extends planarly but extends in all three dimensions of the space.

Durch die Strukturierung wird eine Topographie bzw. ein Höhenprofil entlang einer Richtung senkrecht zur flächenhaften Ausdehnung der Schicht geschaffen. Durch die Strukturierung bzw. das 3D-Profil erhöht sich vorteilhaft das vertikale Flächenträgheitsmoment, also das Flächenträgkeitsmoment in einer Richtung senkrecht zur lateralen Membranerstreckung. Gleichzeitig bleibt die sensitive Fläche der Membran erhalten oder erhöht sich sogar (auf gleicher lateraler projizierter Fläche ist nun eine größere Oberfläche vorhanden). The structuring creates a topography or a height profile along a direction perpendicular to the planar extent of the layer. The structuring or the 3D profile advantageously increases the vertical area moment of inertia, that is to say the area moment of inertia in a direction perpendicular to the lateral extent of the membrane. At the same time, the sensitive surface of the membrane is maintained or even increased (a larger surface now exists on the same lateral projected area).

Unter einer keilförmigen Strukturierung kann eine im Querschnitt im Wesentlichen dreieckige Topographie verstanden werden. Unter einer U-förmigen Strukturierung kann eine im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Topographie verstanden werden. A wedge-shaped structuring can be understood as meaning a topography which is substantially triangular in cross section. A U-shaped structuring may be understood to mean a topography which is substantially rectangular in cross-section.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Festkörperelektrolytmembran, beispielsweise aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid mit einem Yttriumoxidgehalt von weniger als 10 mol-% und einer Schichtdicke von typischerweise 50 nm bis 3 µm, mit einer vorteilhaften dreidimensionalen Oberflächenstruktur zur Nutzung für Sauerstoffsensoren oder für eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) und die Herstellung einer solchen Festkörperelektrolytmembran auf einem Siliziumsubstrat. Hierzu wird yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid beispielsweise durch Laserstrahlverdampfen (PLD, plasma laser deposition) ausreichend gleichmäßig auf einer Siliziumoberfläche bzw. einer Isolationsschicht auf Silizium wie beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumoxid abgeschieden. Das Silizium wird vor Herstellung der Isolationsschicht und vor dem Laserstrahlverdampfen geeignet strukturiert und nach Abscheidung des yttriumstabilisierten Zirkoniumdioxids zumindest an einigen Stellen unter der YSZ-Schicht selektiv entfernt. Dies kann beispielsweise durch Trenchen erfolgen, also im Wesentliches anisotropes Ätzen bzw. Trockenätzen, wodurch im Wesentlichen U-förmige bzw. rechteckige Profile der Strukturierung mit steilen Flanken geschaffen werden können. Alternativ oder zusätzlich kann das Strukturieren des Siliziums durch isotropes Ätzen, z.B. mit Kalilauge (KOH) erfolgen, wodurch keilförmige bzw. im Wesentlichen dreieckige Profile der Strukturierung mit flacheren Flanken geschaffen werden. A basic idea of the present invention is the use of a solid electrolyte membrane, for example of yttrium-stabilized zirconium dioxide with an yttrium oxide content of less than 10 mol% and a layer thickness of typically 50 nm to 3 μm, with an advantageous three-dimensional surface structure for use for oxygen sensors or for a micro fuel cell ( μ-SOFC) and the production of such a solid electrolyte membrane on a silicon substrate. For this purpose, yttrium-stabilized zirconium dioxide is deposited sufficiently uniformly on a silicon surface or an insulating layer on silicon, for example silicon nitride or silicon oxide, for example by laser beam evaporation (PLD, plasma laser deposition). The silicon is suitably patterned before the isolation layer is produced and before the laser beam evaporation and, after deposition of the yttrium-stabilized zirconium dioxide, selectively removed at least at some points below the YSZ layer. This can be done for example by Trenchen, so essentially anisotropic etching or dry etching, whereby substantially U-shaped or rectangular profiles of structuring can be created with steep edges. Alternatively or additionally, the patterning of the silicon may be accomplished by isotropic etching, e.g. With potassium hydroxide (KOH) done, creating wedge-shaped or substantially triangular profiles of structuring with shallow flanks.

Bei der erfindungsgemäßen Prozessfolge zur Herstellung einer yttriumstabilisierten Zirkoniumdioxidmembran mit erfindungsgemäßer 3D-Struktur wird das Siliziumsubstrat beispielsweise durch Ätzen mit Kalilauge strukturiert, danach wird eine lsolationsschicht, beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, abgeschieden, anschließend wird yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid zur Ausbildung der Festkörperelektrolytschicht abgeschieden, bevor das Silizium von der Rückseite her mit Stopp auf der Isolationsschicht strukturiert wird. Schließlich wird die lsolationsschicht entfernt. Anschließend können noch Elektroden abgeschieden werden. Die Prozessfolge ist bis auf den ersten Schritt der Strukturierung des Siliziumsubstrates senkrecht zur flächenhaften Erstreckungsrichtung des Siliziumsubstrats die gleiche wie bei einem konventionellen mikroelektrochemischen Sensorelement. Insbesondere kann der Prozessfluss auch an andere Ausführungsformen mikroelektrochemischer Sensorelemente angepasst werden. In the process sequence according to the invention for producing a yttrium-stabilized zirconium dioxide membrane having a 3D structure according to the invention, the silicon substrate is patterned, for example, by etching with potassium hydroxide, after which an insulation layer, for example silicon dioxide or silicon nitride, is deposited, then yttrium-stabilized zirconium dioxide is deposited to form the solid electrolyte layer before the silicon from the back is structured with stop on the insulation layer. Finally, the insulation layer is removed. Subsequently, electrodes can be deposited. The process sequence is the same as in a conventional microelectrochemical sensor element except for the first step of structuring the silicon substrate perpendicular to the planar extent direction of the silicon substrate. In particular, the process flow can also be adapted to other embodiments of microelectrochemical sensor elements.

So kann beispielsweise vor dem Schritt der YSZ-Abscheidung, also nach der Abscheidung der Isolationsschicht, eine untere Elektrode abgeschieden werden, um eine elektrische Kontaktierung der Membranrückseite von der Wafervorderseite, auf der die YSZ-Schicht abgeschieden wird, einfach zu realisieren. Vorteilhaft lässt sich so ein Maskierungsschritt bei der Prozessierung der Wafer einsparen, wodurch Zeit gespart kann und auch die Ausbeute erhöht werden kann. Thus, for example, before the step of the YSZ deposition, ie after the deposition of the insulating layer, a lower electrode can be deposited in order to easily realize an electrical contacting of the membrane back side from the wafer front side on which the YSZ layer is deposited. Advantageously, such a masking step can be saved in the processing of the wafer, whereby time can be saved and also the yield can be increased.

In diesem Verfahren können verschiedene Geometrien im Querschnitt hergestellt werden. Beispielsweise können 3D-Strukturen im Siliziumsubstrat erzielt werden durch Nassätzen mit Kalilauge, um z.B. beispielsweise Dreieckstrukturen zu erhalten, oder z.B. durch Trockenätzen bzw. Trenchen, um z.B. Rechteckstrukturen zu erhalten. Diese 3D-Strukturen werden dann in die YSZ-Schicht übertragen. Durch die Geometrie und Tiefe der 3D-Strukturen kann die Stabilität und die Größe der sensitiven Oberfläche eingestellt werden. In this method, different geometries can be made in cross section. For example, 3D structures in the silicon substrate can be achieved by wet etching with potassium hydroxide solution, e.g. for example, to obtain triangular structures, or e.g. by dry etching or trenching, e.g. To obtain rectangular structures. These 3D structures are then transferred to the YSZ layer. Due to the geometry and depth of the 3D structures, the stability and size of the sensitive surface can be adjusted.

Es können auf diese Weise auch verschiedene laterale Verteilungen der 3D-Strukturierungen und/oder Gräben auf der Membran erzeugt werden. Insbesondere können Elektroden in dem Membranabschnitt außerhalb der Strukturierungen angeordnet werden. Dadurch lassen sich eine Stabilisierung des Membranabschnitts und eine gleichmäßige Dicke der Festelektrolytschicht unterhalb der sensitiven Flächen der Elektroden erzielen. Different lateral distributions of the 3D structures and / or trenches on the membrane can also be produced in this way. In particular, electrodes can be arranged in the membrane section outside the structuring. This makes it possible to achieve a stabilization of the membrane section and a uniform thickness of the solid electrolyte layer below the sensitive areas of the electrodes.

Weiterhin kann eine untere Elektrode auf das lsolator-Siliziumsubstrat abgeschieden werden, auf die dann anschließend die yttriumstabilisierte Zirkoniumdioxidschicht abgeschieden wird. So lässt sich vorteilhaft ein Maskierungsschritt in dem Herstellungsprozess einsparen, was Kosten spart und die Ausbeute verbessern kann. Furthermore, a lower electrode can be deposited on the insulator-silicon substrate, on which then the yttrium-stabilized zirconia layer is deposited. This advantageously makes it possible to save a masking step in the production process, which saves costs and can improve the yield.

Die Abscheidung des yttriumstabilisierten Zirkoniumdioxids kann beispielsweise durch Laserstrahlverdampfen (PLD), Sputtern oder Atomlagenabscheidung (ALD; atomic layer deposition) erfolgen. The deposition of the yttrium-stabilized zirconium dioxide can be carried out, for example, by laser beam evaporation (PLD), sputtering or atomic layer deposition (ALD).

In einer weiteren Ausführungsform führt die Kombination des erfindungsgemäßen Aufbaus mit mindestens einem Steg unter der Membran zu noch stabileren Membranen. Mit anderen Worten befinden sich unterhalb des Membranabschnitts noch in mehreren Bereichen stegförmig ausgebildete Teile des Trägerelements. Bevorzugt werden solche Stege aus Silizium, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid hergestellt. In a further embodiment, the combination of the structure according to the invention with at least one web under the membrane leads to even more stable membranes. In other words, web-shaped parts of the carrier element are still below the membrane portion in several areas. Such webs are preferably made of silicon, silicon oxide or silicon nitride.

In noch weiteren möglichen Ausführungsformen können durch Variation der Geometrie und der Abscheidebedingungen bzw. der Abscheideverfahren sowohl sehr gleichmäßige als auch unregelmäßige Beschichtungen der Strukturen auf dem Siliziumsubstrat erhalten werden. So lassen sich in der Membran Bereiche mit unterschiedlicher mechanischer Dicke, Struktur und Stabilität erzeugen. Durch Variation der Geometrie und der Abscheidebedingungen / Abscheideverfahren kann entweder eine sehr konforme und eine nicht sehr konforme Beschichtung der Strukturen auf dem Si-Substrat erhalten werden. Nach Freistellung lassen sich dadurch Bereiche mit unterschiedlicher vertikaler Diffusionslänge erzeugen. Aufgrund der Verkippung der Oberfläche und der Verrundung der YSZ-Schicht bei bestimmten Abscheideparametern ist die durchschnittliche vertikale Diffusionslänge beispielsweise steigend. Dadurch lassen sich in der Verwendung der Membran als Sensor weitere Informationen gewinnen, etwa die Geschwindigkeit der Diffusion. Aus der Geschwindigkeit der Diffusion der Sauerstoff-Ionen im YSZ kann der Gradient in O2-Konzentration vor und hinter der Membran bestimmt werden oder es kann eine inhomogene Temperaturverteilung auf der Membran ausgeglichen werden. An Stellen mit höherer Temperatur der Membran, die eine höhere Mobilität der Sauerstoff-Ionen bewirken, wird die Membran durch obige Ausführungsform künstlich verdickt und die Diffusionszeit durch die Membran ist bei geeigneter Ausführung an allen Stellen etwa gleich. In still other possible embodiments, by varying the geometry and the deposition conditions or the deposition processes, it is possible to obtain both very uniform and irregular coatings of the structures on the silicon substrate. Thus, areas with different mechanical thickness, structure and stability can be produced in the membrane. By varying the geometry and deposition conditions / deposition techniques, either a very conformal and a non-conformal coating of the structures on the Si substrate can be obtained. After release, this can create areas with different vertical diffusion length. Due to the tilting of the surface and the rounding of the YSZ layer at certain deposition parameters, the average vertical diffusion length is, for example, increasing. As a result, further information can be obtained in the use of the membrane as a sensor, for example the speed of diffusion. From the rate of diffusion of oxygen ions in the YSZ, the gradient in O2 concentration before and after the membrane can be determined or it can be compensated for an inhomogeneous temperature distribution on the membrane. At higher temperature sites of the membrane, which cause higher mobility of the oxygen ions, the membrane is artificially thickened by the above embodiment, and the diffusion time through the membrane is about the same at all locations with suitable design.

Vorteilhafterweise kann durch die erfindungsgemäß erzeugte 3D-Struktur ähnlich wie bei einem U-Profil die mechanische Stabilität bzw. das vertikale Flächenträgheitsmoment erhöht werden. Dies ist insbesondere bei einseitiger Druckbelastung im Vergleich zu konventionellen mikroelektrochemischen Sensorelementen mit flacher YSZ-Schicht wichtig, ohne dabei gleichzeitig einen signifikanten Teil der sensitiven Fläche zu verlieren, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn Siliziumstützstrukturen verwendet werden müssen. Advantageously, similar to a U-profile, the mechanical stability or the vertical area moment of inertia can be increased by the 3D structure produced according to the invention. This is particularly important in the case of one-sided pressure loading in comparison with conventional flat YSZ layer microelectrochemical sensor elements, without at the same time losing a significant part of the sensitive area, as is the case, for example, when silicon support structures have to be used.

Weiterhin lässt sich über eine Faltung der Membran eine mechanisch von der Aufhängung entkoppelte Membran realisieren. Damit lassen sich mechanisch einwirkende Spannungen auf das Sensorsignal reduzieren. Furthermore, can be realized via a folding of the membrane mechanically decoupled from the suspension membrane. This allows mechanical stresses to be reduced to the sensor signal.

Unter einer Faltung der Membran bzw. des Membranabschnitts ist dabei eine Anordnung von mindestens aneinander angrenzenden Strukturierungen zu verstehen. Diese Strukturierungen können z.B. keilförmig oder U-förmig ausgebildet sein. Die Faltung kann vorteilhaft z.B. wie eine Ziehharmonika wirken und so in die Membran eingetragene Spannungen abfangen bzw. von der Membran abhalten. A folding of the membrane or of the membrane section is to be understood as meaning an arrangement of at least adjoining structurings. These structurings may e.g. be wedge-shaped or U-shaped. The folding may be advantageous, e.g. act as an accordion and so intercept the stresses entered into the membrane or keep it away from the membrane.

Schließlich lässt sich im Vergleich zu konventionellen mikroelektrochemischen Sensorelementen eine größere sensitive Oberfläche bei gleichem Flächenbedarf auf dem Chip realisieren. Finally, in comparison with conventional microelectrochemical sensor elements, it is possible to realize a larger sensitive surface with the same area requirement on the chip.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen: Show it:

1A–1E Verfahrensschritte zur Herstellung eines Sensorelements bzw. einer Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 1A - 1E Method steps for producing a sensor element or a micro fuel cell (μ-SOFC) according to a first embodiment of the present invention,

2 ein Sensorelement bzw. eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 2 a sensor element or a micro fuel cell (μ-SOFC) according to a second embodiment of the present invention,

3 eine Draufsicht auf das Sensorelement bzw. auf die Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 3 a top view of the sensor element or to the micro fuel cell (μ-SOFC) according to a third embodiment of the present invention,

4 ein Sensorelement bzw. eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 4 a sensor element or a micro fuel cell (μ-SOFC) according to a fourth embodiment of the present invention,

5 eine Draufsicht des Sensorelements bzw. auf das Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 5 a top view of the sensor element or to the micro fuel cell (μ-SOFC) according to a fifth embodiment of the present invention,

6 eine Draufsicht auf ein Sensorelement bzw. auf das Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 6 a top view of a sensor element or to the micro fuel cell (μ-SOFC) according to a sixth embodiment of the present invention,

7 eine Ansicht eines Sensorelements bzw. einer Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) mit möglichen Ausbildungen des Membranabschnitts und 7 a view of a sensor element or a micro fuel cell (μ-SOFC) with possible configurations of the membrane portion and

8 eine Querschnittsansicht eines Sensorelements bzw. einer Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8th a cross-sectional view of a sensor element or a micro fuel cell (μ-SOFC) according to a seventh embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

In der nachfolgenden Offenbarung wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit meistens nur auf ein Sensorelement 10 abgestellt. Es ist dabei jedoch stets auch als alternative Ausführungsform eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 gemeint. In the following disclosure, for better readability, only one sensor element is used 10 switched off. However, it is always as an alternative embodiment, a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 meant.

Das nachstehend beschriebene Sensorelement 10 kann grundsätzlich 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. The sensor element described below 10 can in principle be used for the detection of physical and / or chemical properties of a measuring gas, wherein one or more properties can be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. In principle, however, other types of gas components are detectable, such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas can also be detected. The invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measuring gas chamber can be, in particular, an exhaust gas tract of an internal combustion engine and, in the case of the measuring gas, in particular an exhaust gas.

Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 bzw. die Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 weist grundsätzlich den nachstehend beschriebenen Aufbau auf. Der Aufbau wird dabei unter Bezugnahme auf einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung des Sensorelements 10 bzw. der Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 beschrieben. 1A zeigt eine Seitenansicht des Sensorelements 10. Zunächst wird ein Trägerelement 12 bereitgestellt, wie in 1A gezeigt ist. Das Trägerelement 12 kann aus Silizium hergestellt sein. Das Trägerelement 12 wird strukturiert. Das Strukturieren erfolgt dabei abschnittsweise. Beispielsweise wird mindestens eine Strukturierung 14 mit einem keilförmigen Querschnitt eingebracht. Wie in 1A gezeigt, können zwei voneinander beabstandete Strukturierungen 14 in das Trägerelement 12 eingebracht werden. Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, dass mehr als zwei Strukturierungen 14 in das Trägerelement 12 eingebracht werden (im Querschnitt betrachtet). The sensor element according to the invention 10 or the micro fuel cell (μ-SOFC) 10 basically has the structure described below. The structure is thereby with reference to individual process steps for the production of the sensor element 10 or the micro fuel cell (μ-SOFC) 10 described. 1A shows a side view of the sensor element 10 , First, a carrier element 12 provided as in 1A is shown. The carrier element 12 can be made of silicon. The carrier element 12 is structured. The structuring takes place in sections. For example, at least one structuring 14 introduced with a wedge-shaped cross-section. As in 1A shown, two spaced structuring 14 in the carrier element 12 be introduced. In principle, it is also conceivable that more than two structurings 14 in the carrier element 12 are introduced (viewed in cross section).

1B zeigt eine Seitenansicht des Sensorelements 10 bzw. einer Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10. Wie in 1B gezeigt, wird auf das strukturierte Trägerelement 12 eine optionale Isolationsschicht 16 aufgebracht. Die Isolationsschicht 16 kann aus mindestens einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein, wie beispielsweise Si₃N₄ und/oder SiO₂. 1B shows a side view of the sensor element 10 or a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 , As in 1B is shown on the structured support element 12 an optional insulation layer 16 applied. The insulation layer 16 may be made of at least one electrically insulating material, such as Si ₃ N ₄ and / or SiO ₂ .

1C zeigt eine Seitenansicht des Sensorelements 10 bzw. der Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10. Wie in 1C gezeigt, wird auf das bereits strukturierte Trägerelement 12 mindestens eine Festelektrolytschicht 18 aufgebracht. Die Festelektrolytschicht 18 wird mittels gepulster Laserabscheidung oder Sputtern auf das Trägerelement 12 aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt dabei auf der optionalen Isolationsschicht 16. Die Festelektrolytschicht 18 wird mit einer Dicke von 40 nm bis 5 µm und bevorzugt von 200 nm bis 2 µm auf das Trägerelement 12 aufgebracht, beispielsweise 1000 nm. Die Festelektrolytschicht 18 wird dabei mit einer konstanten oder gleichmäßigen Dicke aufgebracht. Die Festelektrolytschicht 18 wird dabei aus mindestens einem Material hergestellt, das mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid umfasst. Dabei dringt die Festelektrolytschicht 18 in die Strukturierung 14 ein. Mit anderen Worten passt sich die Festelektrolytschicht 18 der Form der Strukturierung 14 an, da diese auf die strukturierte Seite des Trägerelements 12 aufgebracht wird. 1C shows a side view of the sensor element 10 or the micro fuel cell (μ-SOFC) 10 , As in 1C is shown on the already structured carrier element 12 at least one solid electrolyte layer 18 applied. The solid electrolyte layer 18 is by means of pulsed laser deposition or sputtering on the support element 12 applied. The application is carried out on the optional insulation layer 16 , The solid electrolyte layer 18 is at a thickness of 40 nm to 5 microns and preferably from 200 nm to 2 microns on the support element 12 applied, for example, 1000 nm. The Solid electrolyte layer 18 is applied with a constant or even thickness. The solid electrolyte layer 18 is made of at least one material comprising yttria stabilized zirconia. The solid electrolyte layer penetrates 18 in structuring 14 one. In other words, the solid electrolyte layer adapts 18 the form of structuring 14 on, as these on the structured side of the support element 12 is applied.

1D zeigt eine Seitenansicht des Sensorelements 10 bzw. der Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10. Wie in 1D gezeigt, wird anschließend das strukturierte Trägerelement 12 zum Ausbilden mindestens einer Aussparung 20 derart teilweise entfernt, dass die Festelektrolytschicht 18 mindestens einen Membranabschnitt 22 aufweist. Das Entfernen erfolgt dabei mittels Trenchens oder mittels Ätzens mit KOH. Das teilweise Entfernen des Trägerelements 12 kann dabei zunächst derart erfolgen, dass die optionale Isolationsschicht 16 zunächst erhalten bleibt. 1D shows a side view of the sensor element 10 or the micro fuel cell (μ-SOFC) 10 , As in 1D subsequently, the structured carrier element is shown 12 for forming at least one recess 20 partially removed such that the solid electrolyte layer 18 at least one membrane section 22 having. The removal takes place by means of trenching or by etching with KOH. The partial removal of the carrier element 12 can initially be made such that the optional insulation layer 16 initially preserved.

1E zeigt eine Seitenansicht des Sensorelements 10 bzw. der Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10. Nachfolgend wird die optionale Isolationsschicht 16 entfernt, beispielsweise mittels Ätzens mit Flusssäure (HF) oder anderen sauren oder basischen Medien (z.B. KOH). 1E shows a side view of the sensor element 10 or the micro fuel cell (μ-SOFC) 10 , The following is the optional insulation layer 16 removed, for example by means of etching with hydrofluoric acid (HF) or other acidic or basic media (eg KOH).

1E zeigt das Trägerelement 12 mit der Aussparung 20 und der bereits entfernten Isolationsschicht 16 im Bereich des Membranabschnitts 22. Zu erkennen ist, dass die Festelektrolytschicht 18 in dem Membranabschnitt 22 ebenfalls mindestens eine Strukturierung 24 aufweist, da diese in die Strukturierung 14 des Trägerelements 12 eingebracht wurde. Wie in 1E gezeigt, sind zwei voneinander beabstandete Strukturierungen 24 vorgesehen. Die Strukturierungen 24 sind keilförmig ausgebildet. Das Sensorelement 10 weist weiterhin mindestens zwei Elektroden 26 auf, die auf der Festelektrolytschicht 18 und bevorzugt in dem Membranabschnitt 22 angeordnet sind. Beispielsweise sind zwei Elektroden 26 vorgesehen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht 18 angeordnet sind. Dabei sind die Elektroden 26 außerhalb der Strukturierung 24 in dem Membranabschnitt 22 angeordnet. Mit anderen Worten sind die Elektroden 26 nicht in einem strukturierten Bereich der Festelektrolytschicht 18, d.h. einem Bereich mit Strukturierung 24, sondern nur in einem planaren Bereich 28 der Festelektrolytschicht 18 in dem Membranabschnitt 22 angeordnet. Wie in 1E gezeigt, befindet sich der planare Bereich 28 zwischen den zwei Strukturierungen 24. 1E shows the carrier element 12 with the recess 20 and the already removed insulation layer 16 in the region of the membrane section 22 , It can be seen that the solid electrolyte layer 18 in the membrane section 22 also at least one structuring 24 has, since this in structuring 14 the carrier element 12 was introduced. As in 1E shown are two spaced structuring 24 intended. The structuring 24 are wedge-shaped. The sensor element 10 also has at least two electrodes 26 on top of the solid electrolyte layer 18 and preferably in the membrane section 22 are arranged. For example, there are two electrodes 26 provided on opposite sides of the solid electrolyte layer 18 are arranged. Here are the electrodes 26 outside the structuring 24 in the membrane section 22 arranged. In other words, the electrodes 26 not in a structured region of the solid electrolyte layer 18 ie an area with structuring 24 but only in a planar area 28 the solid electrolyte layer 18 in the membrane section 22 arranged. As in 1E shown is the planar area 28 between the two structurings 24 ,

In einer anderen, hier nicht bildlich dargestellten Ausführungsform wird eine der beiden Elektroden 26 als Schicht nach dem Schritt des Strukturierens des Trägerelements 12 (siehe 1B) und vor Auftragen der Festelektrolytschicht 18 aufgetragen, z.B. nach Auftragen der Isolationsschicht 16. Wird anschließend (siehe 1D) das strukturierte Trägerelement 12 zum Ausbilden mindestens einer Aussparung 20 derart teilweise entfernt, dass die Festelektrolytschicht 18 mindestens einen Membranabschnitt 22 aufweist und wird – falls vorhanden – dann auch noch die Isolationsschicht 16 entfernt, so ist bereits eine Elektrode 16 an der Unterseite des Membranabschnitts 22 (also der Festelektrolytschicht 18) angeordnet. Diese Elektrode kann dabei den gesamten Membranabschnitt 22 bedecken (also auch den strukturierten Bereich) oder auch nur abschnittsweise aufgebracht sein. Durch das hier beschriebene Vorgehen kann vorteilhaft ein weiterer Maskierungsschritt und ein Auftragen von Elektrodenmaterial an der bereits freigestellten Membran eingespart werden. In another, not shown here embodiment, one of the two electrodes 26 as a layer after the step of structuring the carrier element 12 (please refer 1B ) and before applying the solid electrolyte layer 18 applied, for example after application of the insulation layer 16 , Will subsequently (see 1D ) the structured carrier element 12 for forming at least one recess 20 partially removed such that the solid electrolyte layer 18 at least one membrane section 22 has and is - if any - then even the insulation layer 16 removed, there is already an electrode 16 at the bottom of the membrane section 22 (ie the solid electrolyte layer 18 ) arranged. This electrode can be the entire membrane section 22 Cover (including the structured area) or even be applied in sections. As a result of the procedure described here, it is advantageously possible to save a further masking step and to apply electrode material to the already released membrane.

2 zeigt ein Sensorelement 10 bzw. eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der zweiten Ausführungsform wurde das Trägerelements 12 mittels Trenchens strukturiert, so dass die Strukturierung 14 des Trägerelements 12 im Wesentlichen U-förmig bzw. rechteckförmig bzw. trapezförmig mit steilen Flanken ausgebildet ist. Weiterhin wurden das Trägerelement 12 und die optionale Isolierschicht 16 derart teilweise entfernt, so dass die aufgebrachte Festelektrolytschicht 18 in dem Membranabschnitt 22 eine im Wesentlichen U-förmige bzw. invertierte U-förmige Strukturierung 24 aufweist. Dabei sind die Elektroden 26 außerhalb der Strukturierung 24 in dem Membranabschnitt 22 angeordnet. Die grundsätzlichen Verfahrensschritte zur Herstellung sind die gleichen wie bei dem Sensorelement 10 der ersten Ausführungsform. Dabei sind insbesondere zwei voneinander beabstandete Strukturierungen 24 vorgesehen und die Elektroden 26 sind in dem planaren Bereich 28 zwischen den Strukturierungen 24 angeordnet. 2 shows a sensor element 10 or a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to a second embodiment of the present invention. Hereinafter, only the differences from the first embodiment will be described and the same components are given the same reference numerals. In the sensor element 10 The second embodiment has been the carrier element 12 structured by means of trenching, so that the structuring 14 the carrier element 12 is formed substantially U-shaped or rectangular or trapezoidal with steep edges. Furthermore, the carrier element 12 and the optional insulating layer 16 so partially removed, so that the applied solid electrolyte layer 18 in the membrane section 22 a substantially U-shaped or inverted U-shaped structuring 24 having. Here are the electrodes 26 except for structuring 24 in the membrane section 22 arranged. The basic process steps for the production are the same as for the sensor element 10 the first embodiment. In particular, there are two structures spaced apart from one another 24 provided and the electrodes 26 are in the planar area 28 between the structuring 24 arranged.

3 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 bzw. auf eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zu erkennen sind die Festelektrolytschicht 18 und der Membranabschnitt 22. Eine mögliche Position für die Strukturierung 24 ist ebenfalls angedeutet. Wie aus 3 zu erkennen, kann die Strukturierung 24 im Wesentlichen quadratisch in der Festelektrolytschicht 18 und genauer in dem Membranabschnitt 22 vorgesehen werden. Dabei sind die Elektroden 26 außerhalb der Strukturierung 24 in dem Membranabschnitt 22 angeordnet. 3 shows a plan view of a sensor element 10 or to a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to a third embodiment of the present invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described and like components are given the same reference numerals. Evident are the solid electrolyte layer 18 and the membrane section 22 , A possible position for structuring 24 is also indicated. How out 3 To recognize the structuring 24 essentially square in the solid electrolyte layer 18 and more specifically in the membrane section 22 be provided. Here are the electrodes 26 outside the structuring 24 in the membrane section 22 arranged.

4 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 bzw. auf eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie aus 4 zu erkennen ist, können mehrere Strukturierungen 24 in einer Art konzentrischen Weise in den Membranabschnitt 22 der Festelektrolytschicht 18 vorgesehen werden. Beispielsweise sind zwei konzentrische Strukturierungen 24 quadratisch in der Festelektrolytschicht 18 und genauer in dem Membranabschnitt 22 vorgesehen. Dabei sind die Elektroden 26 außerhalb der Strukturierung 24 in dem Membranabschnitt 22 angeordnet. 4 shows a plan view of a sensor element 10 or to a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to a fourth embodiment of the present invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components are given the same reference numerals. How out 4 It can be seen, several structuring 24 in a kind of concentric manner in the membrane section 22 the solid electrolyte layer 18 be provided. For example, there are two concentric structures 24 square in the solid electrolyte layer 18 and more specifically in the membrane section 22 intended. Here are the electrodes 26 outside the structuring 24 in the membrane section 22 arranged.

5 zeigt eine Draufsicht des Sensorelements 10 bzw. einer Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie aus 5 zu erkennen ist, kann die Strukturierung 24 in dem Membranabschnitt 22 kreisförmig vorgesehen werden. Dabei sind die Elektroden 26 außerhalb der Strukturierung 24 in dem Membranabschnitt 22 angeordnet. 5 shows a plan view of the sensor element 10 or a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to a fifth embodiment of the present invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components are given the same reference numerals. How out 5 can be seen, the structuring 24 in the membrane section 22 be provided circular. Here are the electrodes 26 outside the structuring 24 in the membrane section 22 arranged.

6 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 bzw. auf eine Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie aus der 6 zu erkennen ist, kann die Strukturierung 24 in dem Membranabschnitt 22 bezogen auf die Draufsicht im Wesentlichen U-förmig vorgesehen werden. Dabei sind die Elektroden 26 außerhalb der Strukturierung 24 in dem Membranabschnitt 22 angeordnet. Eine derartige Ausführungsform erlaubt das Aufbringen von Leiterbahnen 30 zu den Elektroden 26 in der Mitte des Membranabschnitts 22, ohne die Strukturierung 24 überdecken zu müssen. 6 shows a plan view of a sensor element 10 or to a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to a sixth embodiment of the present invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components are given the same reference numerals. Like from the 6 can be seen, the structuring 24 in the membrane section 22 are provided substantially U-shaped relative to the plan view. Here are the electrodes 26 outside the structuring 24 in the membrane section 22 arranged. Such an embodiment allows the application of printed conductors 30 to the electrodes 26 in the middle of the membrane section 22 without the structuring 24 to have to cover.

7 zeigt eine Ansicht eines Sensorelements 10 bzw. einer Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 mit möglichen Ausbildungen des Membranabschnitts 22. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. In 7 ein erster Ausschnitt 32, ein zweiter Ausschnitt 34 und ein dritter Ausschnitt 36 des Membranabschnitts 22 gezeigt. Der erste Ausschnitt 32 zeigt den Membranabschnitt 22 ohne Strukturierung bzw. in planbarer Ausbildung. Eine Ausbildung des Membranabschnitts 22 ohne jegliche Strukturierung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter anderem aus Stabilitätsgründen nicht bevorzugt. Der zweite Ausschnitt 34 zeigt den Membranabschnitt 22 mit zwei Strukturierungen 24, die einen im Wesentlichen keilförmigen Querschnitt aufweisen. Dies ist eine mögliche Ausführungsform und entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 1E. Der dritte Ausschnitt 36 zeigt den Membranabschnitt 22 mit drei Strukturierungen 24 ausgebildet die einen im Wesentlichen keilförmigen Querschnitt aufweisen und im Vergleich zu den Strukturierungen 24 des zweiten Ausschnitts 34 näher zueinander angeordnet sind. Entsprechend weist der Membranabschnitt 22 Strukturierungen 24 in Form einer Faltung auf. Unter einer Faltung des Membranabschnitts 22 ist dabei einen Anordnung von mindestens zwei keilförmigen oder U-förmigen, aneinander angrenzenden Strukturierungen 24 zu verstehen. Aufgrund der Verkippung der Oberfläche und der Verrundung der Festelektrolytschicht 18 bei bestimmten Abschnittparametern ist die durchschnittliche Schichtdicke und damit mechanische Stabilität zusätzlich zu der verbesserten Stabilität wegen der keilförmigen Profile bei dem zweiten und dem dritten Ausschnitt 34, 36 von dem ersten Ausschnitt 32 zu dem dritten Ausschnitt 36 steigend. Der Vorteil gegenüber einer vollflächig dickeren Schicht ist neben einem geringeren Materialverbrauch, dass eine möglichst dünne Festkörperelektrolytschicht 18 zu einer höheren Pumpfähigkeit der YSZ-Schicht für Sauerstoffionen führt, da diese einen kleineren Widerstand für den Sauerstoffionentransport aufweist. 7 shows a view of a sensor element 10 or a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 with possible designs of the membrane section 22 , Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components are given the same reference numerals. In 7 a first excerpt 32 , a second section 34 and a third section 36 of the membrane section 22 shown. The first part 32 shows the membrane section 22 without structuring or in plannable training. An embodiment of the membrane section 22 without any structuring is not preferred in the context of the present invention, inter alia for stability reasons. The second section 34 shows the membrane section 22 with two structurings 24 which have a substantially wedge-shaped cross-section. This is one possible embodiment and corresponds essentially to the illustration in FIG 1E , The third section 36 shows the membrane section 22 with three structurings 24 formed having a substantially wedge-shaped cross section and in comparison to the structuring 24 of the second section 34 are arranged closer to each other. Accordingly, the membrane section 22 structuring 24 in the form of a fold. Under a fold of the membrane section 22 is an arrangement of at least two wedge-shaped or U-shaped, adjacent structures 24 to understand. Due to the tilting of the surface and the rounding of the solid electrolyte layer 18 for certain section parameters, the average layer thickness and hence mechanical stability is in addition to the improved stability due to the wedge-shaped profiles in the second and third sections 34 . 36 from the first section 32 to the third section 36 rising. The advantage over a thicker layer over the entire surface is, in addition to a lower material consumption, that the thinnest possible solid electrolyte layer 18 leads to a higher pumpability of the YSZ layer for oxygen ions, since this has a smaller resistance for the oxygen ion transport.

8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelements 10 bzw. einer Mikrobrennstoffzelle (µ-SOFC) 10 gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie aus 8 zu erkennen ist, kann das Trägerelement 12 mindestens einen Steg 38 aufweisen, der unterhalb des Membranabschnitts 22 angeordnet ist. Der Steg 38 ist ein Teil des Trägerelements 12 und kann somit aus dem gleichen Material wie das Trägerelement 12 hergestellt sein. Bedingt durch das Vorsehen des Stegs 38 sind genauer zwei Membranabschnitte 22 vorgesehen, von denen sich einer rechts und einer links des Stegs 38 befindet. In jedem Membranabschnitt 22 sind zwei Elektroden 26 auf gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht 18 in jeweils einem planaren Bereich 28 zwischen zwei Gruppen von Strukturierungen 24 angeordnet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass mehr als ein Steg unter der Membran angeordnet ist. 8th shows a cross-sectional view of a sensor element 10 or a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to a seventh embodiment of the present invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components are given the same reference numerals. How out 8th can be seen, the support element 12 at least one jetty 38 have, which is below the membrane portion 22 is arranged. The jetty 38 is a part of the support element 12 and thus can be made of the same material as the carrier element 12 be prepared. Due to the provision of the bridge 38 are more exactly two membrane sections 22 provided, one of which is right and one left of the bridge 38 located. In every membrane section 22 are two electrodes 26 on opposite sides of the solid electrolyte layer 18 in each case in a planar area 28 between two groups of structuring 24 arranged. In principle, it is also conceivable that more than one web is arranged under the membrane.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

K. Reif, Deitsche, KH. et al., Automotive Handbook, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pp. 1338-1347 [0003]

Claims

Sensor element ( 10 ) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas or micro fuel cell (μ-SOFC) 10 comprising a carrier element ( 12 ) and at least one solid electrolyte layer ( 18 ), wherein the solid electrolyte layer ( 18 ) on the carrier element ( 12 ) is arranged, wherein the carrier element ( 12 ) at least one recess ( 20 ), so that the solid electrolyte layer ( 18 ) at least one membrane section ( 22 ), wherein the solid electrolyte layer ( 18 ) in the membrane section ( 22 ) at least one structuring ( 24 ) having.

Sensor element ( 10 ) or micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to the preceding claim, wherein the solid electrolyte layer ( 18 ) has a thickness of 40 nm to 5 microns, and preferably from 200 nm to 2 microns.

Sensor element ( 10 ) or micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to one of the preceding claims, wherein the solid electrolyte layer ( 18 ) in the membrane section ( 22 ) has a constant thickness.

Sensor element ( 10 ) or micro fuel cell (μ-SOFC) according to one of the preceding claims, wherein the structuring ( 24 ) has a substantially wedge-shaped, triangular, rectangular, U-shaped and / or inverted U-shaped cross-section.

Sensor element ( 10 ) or micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to one of the preceding claims, wherein between the solid electrolyte layer ( 18 ) and the carrier element ( 12 ) at least one insulation layer in sections ( 16 ), wherein the insulating layer ( 16 ) is made of at least one electrically insulating material, in particular Si ₃ N ₄ and / or SiO ₂ .

Sensor element ( 10 ) or micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to one of the preceding claims, wherein the solid electrolyte layer ( 18 ) is made of at least one material comprising yttria stabilized zirconia.

Sensor element ( 10 ) or micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to one of the preceding claims, further comprising at least two electrodes ( 26 ), wherein the electrodes in the membrane section ( 22 ) outside the structuring ( 24 ) on the solid electrolyte layer ( 18 ), the two electrodes ( 26 ) especially on opposite sides of the solid electrolyte layer ( 18 ) are arranged.

Sensor element ( 10 ) or micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to one of the preceding claims, wherein the solid electrolyte layer ( 18 ) in the membrane section ( 22 ) has a variable thickness in lateral extent

Sensor element ( 10 ) or micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to one of the preceding claims, wherein the structuring ( 24 ) is provided with a convolution.

Sensor element ( 10 ) or micro fuel cell (μ-SOFC) 10 according to one of the preceding claims, wherein the carrier element ( 12 ) at least one bridge ( 38 ), which below the membrane portion ( 22 ) is arranged.

Method for producing a sensor element ( 10 ) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas or for producing a micro fuel cell (μ-SOFC) 10 comprising - providing a carrier element ( 12 ), - sectional structuring of the carrier element ( 12 ), - applying at least one solid electrolyte layer ( 18 ) on the structured carrier element ( 12 ), - partial removal of the structured support element ( 12 ) for forming at least one recess ( 20 ) such that the solid electrolyte layer ( 18 ) at least one membrane section ( 22 ) having.

Method according to the preceding claim, wherein after the step of structuring the carrier element ( 12 ) and before the step of applying at least one solid electrolyte layer ( 18 ) an electrode layer on the carrier element ( 12 ) is applied, in particular directly on the carrier element ( 12 ) is applied.

Method according to one of the two preceding claims, wherein the solid electrolyte layer ( 18 ) in the membrane section ( 22 ) is formed in lateral extent with a variable thickness.