-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement und ein Sensorelement mit einem Halbleiter-Bauelement
-
Stand der Technik
-
In Halbleiter-Bauelementen, z.B. für Sensorelemente zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum kann es erforderlich sein, Heizstrukturen bzw. Heiz-Leiterbahnen vorzusehen. Durch diese Heiz-Leiterbahnen können Bereiche des Halbleiter-Bauelements auf Temperaturen von mehr als 300°C aufgeheizt werden, indem elektrischer Strom durch die Heiz-Leiterbahnen geleitet wird. Derartige, z.B. mikrosystemtechnisch hergestellte, Halbleiter-Bauelemente können bei höheren Anforderungen an die Heizleistung große Heizbahnbreiten aufweisen. Um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung der zu beheizenden Fläche zu ermöglichen können die Heiz-Leiterbahnen einen Krümmungs-Abschnitt aufweisen, in welchem die Leiterbahn zumindest abschnittsweise in der Ebene eine Richtungsänderung aufweist.
-
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass es bei einem Heizbahnverlauf bzw. dem Verlauf einer Heiz-Leiterbahn mit einer Richtungsänderung zu einer Konzentration des elektrischen Stroms entlang des kürzesten Strompfades kommen kann. Vor allem bei Richtungsänderungen um einen betragsmäßig großen Winkel (z.B. in bogenförmigen Krümmungs-Abschnitten, in denen die Richtungsänderung erfolgt) kann es dadurch unter Umständen zu lokalen Überhöhungen in der Temperaturverteilung kommen. Eine erhöhte Anfälligkeit für Elektromigration kann die Folge sein.
-
Denn der elektrische Strom in einer Leiterbahn weist grundsätzlich die Eigenschaft auf, dem Weg des geringsten Widerstands zu folgen, d.h. entlang des Gradienten des elektrischen Potenzials. Bei konstanter Dicke und homogenen Materialeigenschaften der Leiterbahn bedeutet das, dass der Strom beim Eintritt in einen Krümmungsbereich, z.B. den Krümmungs-Abschnitt und dort in den Bereich der Richtungsänderung, eine Radialkomponente zum Innenradius und beim Austritt zum Außenradius hin besitzt. Wegen des Ladungserhaltungssatzes kann dies zu einer lokalen Überhöhung der Stromdichte J am Innenradius des Krümmungsbereichs führen. Radialkomponenten des elektrischen Stroms im Heizer werden am Innenradius wegen der Randbedingung der verschwindenden Radialstromdichte in Azimutalkomponenten umgewandelt. Beim Einsatz als Heizelement ist ein Maximum der Stromdichte J in der Regel auch mit einem Maximum der Joule-Wärme und einem Maximum in der Temperaturverteilung verbunden. Dadurch kann die oben erwähnte Elektromigration verstärkt werden.
-
Es kann daher ein Bedarf bestehen, ein Halbleiter-Bauelement mit einer Heiz-Leiterbahn bereitzustellen, in dem eine sehr lokale Konzentration von elektrischem Strom, also eine hohe Stromdichte J, möglichst vermieden wird, um so eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und ein geringeres Risiko für Elektromigration zu bewirken.
-
Vorteile der Erfindung
-
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Halbleiter-Bauelement mit einer in einer Ebene angeordneten Heiz-Leiterbahn zur Durchleitung von elektrischem Strom vorgeschlagen, welches im Vergleich zum Stand der Technik so gestaltet ist, dass ein Stromfluss auch im Krümmungs-Abschnitt der Heiz-Leiterbahn ohne die übliche Radialkomponente des elektrischen Stroms erfolgt bzw. dass diese Radialkomponente stark reduziert ist. Dadurch kann vorteilhaft eine ungleichmäßige Temperaturverteilung bzw. ungewünschte Stromdichtekonzentrationen in der Heiz-Leiterbahn verhindert werden. Das Halbleiter-Bauelement kann bevorzugt mikromechanisch hergestellt sein bzw. ein mikromechanisches Halbleiter-Bauelement sein.
-
Mit anderen Worten setzt die Heiz-Leiterbahn ihren Verlauf kontinuierlich fort mit dem Unterschied zu einer kontinuierlichen Heiz-Leiterbahn, dass im Krümmungs-Abschnitt die Heizleiterbahn durch z.B. weggeätzte Unterbrechungen parallel zur Stromflussrichtung in eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Teilleiterbahnen aufgespalten bzw. aufgefächert ist.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Sensorelement bzw. ein Festkörperelektrolyt-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 vorgeschlagen. Dabei umfasst das Sensorelement ein erfindungsgemäßes Halbleiter-Bauelement bzw. weist das Sensorelement ein erfindungsgemäßes Halbleiter-Bauelement auf. Dadurch kann vorteilhaft eine ungleichmäßige Temperaturverteilung bzw. ungewünschte Stromdichtekonzentrationen in der Heiz-Leiterbahn verhindert werden, wodurch das Sensorelement vorteilhaft eine verbesserte Genauigkeit und eine erhöhte Lebensdauer aufweisen kann. Das Sensorelement kann mikromechanisch hergestellt sein.
-
Dies wird dadurch erreicht, dass das Halbleiter-Bauelement, z.B. für ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, eine in einer Ebene angeordnete Heiz-Leiterbahn zur Durchleitung von elektrischem Strom aufweist bzw. umfasst. Dabei weist die Heiz-Leiterbahn einen Krümmungs-Abschnitt auf, in welchem die Leiterbahn zumindest abschnittsweise in der Ebene eine Richtungsänderung aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Heiz-Leiterbahn im Krümmungs-Abschnitt in eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Teilleiterbahnen (TL_1, TL_2, ..., TL_i, ..., TL_n) aufgeteilt ist. Dabei ist „i“ ein Laufindex und „n“ stellt die Anzahl der Teilleiterbahnen im Krümmungsabschnitt dar. Die Heiz-Leiterbahn kann z.B. im Abschnitt der Richtungsänderung bzw. in demjenigen Bereich mit der Krümmung, in die Mehrzahl der Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) derart aufgeteilt sein, dass im Abschnitt der Richtungsänderung keine quer zur Stromflussrichtung zusammenhängende Heiz-Leiterbahn mehr besteht. Dabei sind die Abmessungen der einzelnen Teilleiterbahnen (TL_i) derart gestaltet, dass eine Breite (b_i) einer einzelnen Teilleiterbahn (TL_i) in Abhängigkeit von einer Gesamtlänge (l_i) dieser Teilleiterbahn variiert. Mit anderen Worten hängt die Breite (b_i) von der Gesamtlänge (l_i) der Teilleiterbahn (TL_i) ab: b_i = F(l_i). die Breite b_i ist eine Funktion der Gesamtlänge l_i.
-
Unter dem Begriff „Halbleiter-Bauelement“ kann im Sinne dieser Anmeldung ein Bauelement verstanden werden, das zumindest als ein Trägermaterial ein halbleitendes Material umfasst, z.B. aus bzw. auf einem Silizium-Substrat gestaltet ist. Das Trägermaterial kann aus einem Silizium-Wafer in einem Halbleiter-Verfahren hergestellt sein durch verschiedene Maskierungsschritte, Ätzschritte, Bedampfungsschritte, etc. Statt Silizium kann auch Germanium verwendet werden. Das Halbleiter-Bauelement kann dabei in einem Verfahren der Halbleiter-Prozessierung bzw. der mikrosystemtechnischen Prozessierung hergestellt sein. Die Funktionsschicht für das Sensorelement (z.B. eine Lambda-Sonde) kann z.B. eine Festelektrolytschicht sein, z.B. yttriumstabilisiertes Zrirkoniumoxid (YSZ), die durch eine Vielzahl von durch Stützstrukturen gestützte Untermembranen bzw. Membranwaben als eine Funktionsmembran ausbildet ist. Das Halbleiter-Bauelement kann als ein Funktionselement verstanden werden, das in einem größeren Bauelement, z.B. einem Sensorelement oder in einer Brennstoffzellenanordnung verbaut wird bzw. eingebaut wird.
-
Unter einem “Festkörperelektrolyten“ bzw. einem „Festelektrolyten“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt bzw. der Festelektrolyt eingerichtet sein, um Sauerstoffionen zu leiten. Beispielsweise kann es sich um einen keramischen Festkörperelektrolyten handeln.
-
Unter einem “Festkörperelektrolyt-Sensorelement“ ist allgemein ein Sensorelement zu verstehen, welches mindestens einen Festkörperelektrolyten verwendet. Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens eine Eigenschaft eines Gases in einem Messraum zu erfassen, insbesondere einen Sauerstoffanteil und/oder eine Luftzahl. Auch andere Festkörperelektrolyt-Sensorelemente sind jedoch grundsätzlich denkbar.
-
Unter einer “Membran“ bzw. „Untermembran“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Element mit einer beliebigen Grundfläche und einer definierten Dicke zu verstehen, wobei die Dicke vorzugsweise von 100 nm bis 5 µm liegt, besonders bevorzugt von 300 nm bis 1 µm. Die Membran bzw. Untermembran kann beispielsweise für mindestens einen oder mehrere Stoffe in eine Richtung durchlässig sein. Beispielsweise kann die Membran bzw. die Untermembran für mindestens einen oder mehrere Stoffe in beide Richtungen durchlässig sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Die Membran weist dabei quer zu Ihrer Dicke eine Ebene auf. Dabei erstreckt sich die Membran bzw. die Untermembran in dieser Ebene um ein Vielfaches von der Dicke der Membran bzw. der Untermembran. Beispielsweise erstreckt sich die Membran in der Ebene um wenigstens das 10-fache ihrer Dicke, bevorzugt um wenigstens das 20-fache Ihrer Dicke und ganz besonders bevorzugt um wenigstens das 30-fache ihrer Dicke. Eine Untermembran weist, um Spannungen und Risse zu vermeiden, eine Erstreckung von höchstens dem 40-fachen ihrer Dicke auf.
-
Unter dem Begriff "mikromechanisch" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Eigenschaft einer dreidimensionalen Struktur zu verstehen, Dimensionen im Mikrometerbereich, insbesondere in einem Bereich von 1 µm bis 1000 µm, aufzuweisen. Beispielsweise können dies Breiten von Kavernen oder laterale Ausdehnungen von Membranen sein, welche in diesem Bereich liegen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass hierbei auch zusätzliche größere oder kleinere Dimensionen auftreten können.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle bzw. eine Brennstoffzellenanordnung, vorgeschlagen. Dabei umfasst die Brennstoffzellenanordnung ein erfindungsgemäßes Halbleiter-Bauelement bzw. weist die Brennstoffzellenanordnung ein erfindungsgemäßes Halbleiter-Bauelement auf. Dadurch kann vorteilhaft eine ungleichmäßige Temperaturverteilung bzw. ungewünschte Stromdichtekonzentrationen in der Heiz-Leiterbahn verhindert werden, wodurch das Sensorelement vorteilhaft eine verbesserte Genauigkeit und eine erhöhte Lebensdauer aufweisen kann. Die Brennstoffzellenanordnung kann mikromechanisch hergestellt sein.
-
Dabei kann die Breite (b_i) einer einzelnen Teilleiterbahn (TL_i) entlang ihrer Gesamtlänge (l_i) bzw. entlang ihrer Erstreckung im Wesentlichen konstant sein.
-
Die Teilleiterbahnen können im Wesentlichen zueinander parallel verlaufen. Mit anderen Worten kann dabei ein Abstand (d_i, j) zwischen zwei Teilleiterbahnen (TL_i, TL_j), insbesondere zwischen zwei benachbarten Teilleiterbahnen, wenigstens abschnittsweise konstant sein. Beispielsweise kann dieser Abstand (d_i, j) über eine Länge von wenigstens 85% der kürzeren Gesamtlänge der beiden Leiterbahnen konstant sein.
-
Dabei kann die Heiz-Leiterbahn als Dünnschichtsystem ausgebildet sein. Sie kann mikrosystemtechnisch hergestellt sein, z.B. durch einen Laserstrukturierprozess oder durch ein photolithografisches Verfahren. Die Heiz-Leiterbahn kann eine Höhe (H) senkrecht zur Ebene, in der die Heiz-Leiterbahn angeordnet ist, von weniger als 3µm, bevorzugt weniger als 2µm und ganz besonders bevorzugt von weniger als 1µm aufweisen. Die Höhe H kann z.B. in einem Bereich von 0,1µm bis 0,8µm liegen. Die Heiz-Leiterbahn kann eine Breite von 1µm bis 500µm aufweisen. Z.B. kann die Breite in einem Bereich von 100µm bis 400µm für besonders große Strukturen liegen. Für kleinere Strukturen bzw. zu beheizende Bereiche kann die Breite auch in einem Bereich von 1µm bis 50µm oder sogar in einem Bereich von 2µm bis 20µm liegen.
-
Die Heiz-Leiterbahn kann dazu ausgebildet sein, Temperaturen von wenigstens 300°C, bevorzugt von wenigstens 500°C und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 700°C zu erzeugen.
-
Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Heiz-Leiterbahn in Teilleiterbahnen, z.B. in parallele Teilleiterbahnen, im Krümmungs-Abschnitt wird vorteilhaft bewirkt, dass keine oder nur geringe Radialanteile des Stroms auftreten können. Es wird vorteilhaft eine spürbare Homogenisierung der Stromdichte erreicht wird. Daraus resultiert vorteilhaft eine Homogenisierung der Temperatur und das Risiko einer Elektromigration wird nachweislich verringert.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Eine Weiterbildung des Halbleiter-Bauelements sieht vor, dass die Richtungsänderung wenigstens 45°, insbesondere wenigstens 80° und bevorzugt wenigstens 135° beträgt. Dadurch ist es möglich, die Heiz-Leiterbahn auch auf engem Raum so auszubilden, dass eine gewünschte Temperaturverteilung überall erreicht werden kann, ohne z.B. mehrere Heiz-Leiterbahnen vorzusehen bzw. ohne mehr als zwei Heiz-Leiterbahn-Anschlüsse bzw. Kontaktflächen für die Stromzufuhr und die Stromabfahr vorsehen zu müssen. Gleichzeitig kann auch bei derart großen Richtungsänderungen durch die Aufspaltung der Heiz-Leiterbahn im Abschnitt der Richtungsänderung bzw. im Krümmungs-Abschnitt das Risiko für Elektromigration gesenkt werden.
-
Eine Weiterbildung des Halbleiter-Bauelements sieht vor, dass benachbarte Teilleiterbahnen (TL_i, TL_i + 1) durch einen Abstand (d_i, i + 1) voneinander getrennt sind, wobei der Abstand (d_i, i + 1) höchstens 10µm, insbesondere höchstens 2,5µm beträgt, unabhängig von der Breite (b_i, b_i + 1) der beiden benachbarten Teilleiterbahnen (TL_i, TL_i + 1). Der Abstand (d_i, i + 1) wird dabei von den einander zugewandten Außenkanten der benachbarten Teilleiterbahnen (TL_i, TL_i + 1) bemessen. Dadurch wird vorteilhaft eine möglichst gute Ausnutzung der verfügbaren Fläche bewirkt. Ein derart geringer Abstand ist bei Halbleiter-Bauelementen möglich, da bei der Herstellung der Heiz-Leiterbahn die Temperatur auf dem Substrat, auf dem die Heiz-Leiterbahn aufgebracht wird, z.B. durch einen Abscheidungsprozess, in der Regel nicht wärmer ist als 300°C. Dadurch kommt es beim Abkühlen, aber auch beim Aufheizen der Heiz-Leiterbahnen im Anwendungsfall nicht zu allzu starken Änderungen in den Abmessungen zwischen dem Substrat und den Teilleiterbahnen. So wird auch übergroßer thermischer Stress zwischen dem Substrat und den Teilleiterbahnen vermieden, im Unterschied z.B. zum Abscheiden von Leiterbahnen auf Keramiken, die bei Temperaturen von mehr als 600°C gesintert werden und bei diesen Temperaturen im stressfreien Zustand sind. Hier wäre ein deutlich größerer Abstand notwendig, um z.B. Kurzschlüsse der Teilleiterbahnen untereinander zu vermeiden.
-
Durch die Beabstandung sind die Teilleiterbahnen vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert. Die elektrische Isolierung zwischen den Leiterbahnen gegeneinander durch den Abstand ist dabei gewährleistet sowohl bei Nicht-Betrieb der Heiz-Leiterbahn als auch im Betrieb, in dem die Heiz-Leiterbahn von Strom durchflossen wird und hohe Temperaturen erzeugt werden.
-
Der Abstand (d_i, i + 1) der zwei benachbarten Teilleiterbahnen (TL_i, TL_i + 1) kann im Wesentlichen konstant sein, also z.B. um maximal 10%, vorzugsweise um maximal 5% variieren, was vorteilhaft die Herstellung vereinfacht und die Temperaturverteilung vergleichmäßigt. Denn durch den geringen Abstand ist nur ein sehr geringer Flächenanteil nicht beheizt. Die Außenkontur im Krümmungsabschnitt entspricht somit ungefähr der Außenkontur der Heiz-Leiterbahn außerhalb des Krümmungs-Abschnitts, wodurch die verfügbare Fläche optimal ausgenutzt wird.
-
Die Breite (b_i) einer einzelnen Teilleiterbahn (TL_i) kann in einem Bereich zwischen 0,3µm und 30µm liegen, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,5µm und 10µm. Besonders vorteilhaft liegt die Breite (b_i) in einem Bereich von 1µm und 4µm. Gerade bei kleinen Breiten der Leiterbahn kann durch eine Auffächerung im Krümmungsbereich in eine Mehrzahl von Teilleiterbahnen besonders gut dem Risiko einer Schädigung durch Elektromigration vorgebeugt werden. Denn gerade bei kleinen Breiten ist es schwieriger, die Strukturen präzise, d.h., mit exakt der gewünschten Breite herzustellen.
-
Elektromigration stellt hier ein größeres Risiko dar, als bei sehr breiten Leiterbahnen, da eine Verengung des Querschnitts in Folge der Elektromigration v.a. bei geringen Breiten sehr rasch eine deutliche Erhöhung des elektrischen Widerstandes zur Folge hat. Grundsätzlich sind aber auch größere Strukturbreiten möglich, z.B. eine Breite (b_i) bis zu 100µm für eine einzelne Teilleiterbahn (TL_i).
-
Eine Weiterbildung des Halbleiter-Bauelements sieht vor, dass jede Teilleiterbahn (TL_i) einen Ausgangspunkt (TL_i_A) und einen Endpunkt (TL_i_E) aufweist. Dabei weist der Krümmungs-Abschnitt entlang der Stromflussrichtung ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Dabei ist in Stromflussrichtung betrachtet dem erste Ende ein Vor-Abschnitt der Heiz-Leiterbahn vorgelagert. Dabei ist in Stromflussrichtung betrachtet dem zweiten Ende ein Nach-Abschnitt der Heiz-Leiterbahn nachgelagert.
-
Dabei weist die Heiz-Leiterbahn im Vor-Abschnitt und im Nach-Abschnitt weniger Teilleiterbahnen (TL_1, TL_2, ...TL_n) auf als im Krümmungs-Abschnitt. Beispielsweise kann die Heiz-Leiterbahn im Vor-Abschnitt und/oder im Nach-Abschnitt als genau eine Leiterbahn ausgebildet sein.
-
Mit anderen Worten kann die Heiz-Leiterbahn derart gestaltet sein, dass sie im Vor-Abschnitt und/oder im Nach-Abschnitt im Querschnitt als eine zusammenhängende, ununterbrochene Leiterbahn ausgebildet ist, was die Herstellung vereinfacht. Im Krümmungsabschnitt kann sie dann in die Teilleiterbahnen aufgespalten werden, um eine homogene Stromdichte in allen Teilleiterbahnen, d.h. entlang des gesamten Querschnitts der Heiz-Leiterbahn im Krümmungs-Abschnitt, aufzuweisen. Aus herstellungstechnischen Gründen kann die Heiz-Leiterbahn im Vor-Abschnitt und/oder im Nach-Abschnitt auch mehr als eine Teilleiterbahn aufweisen, z.B. zwei oder drei Teilleiterbahnen. In dieser Ausführungsform teilen sich diese Teilleiterbahnen dann in eine noch größere Anzahl von Teilleiterbahnen im Krümmungs-Abschnitt auf.
-
Eine Weiterbildung des Halbleiter-Bauelements sieht vor, dass für einen Querschnitt senkrecht zur Stromflussrichtung im Krümmungs-Abschnitt die Gesamtquerschnittsflächen der Teilleiterbahnen (TL_1, TL_2, ..., TL_n) um höchstens 10%, bevorzugt um höchstens 5%, ganz besonders bevorzugt um höchstens 2%, von einer Gesamtquerschnittsfläche der Heiz-Leiterbahn im Vor-Abschnitt abweicht. Alternativ oder zusätzlich kann für einen Querschnitt senkrecht zur Stromflussrichtung im Krümmungs-Abschnitt die Gesamtquerschnittsflächen der Teilleiterbahnen (TL_1, TL_2, ..., TL_n) um höchstens 10%, bevorzugt um höchstens 5%, ganz besonders bevorzugt um höchstens 2%, von einer Gesamtquerschnittsfläche der Heiz-Leiterbahn im Nach-Abschnitt abweichen. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass entlang der gesamten Heiz-Leiterbahn, also auch in dem Krümmungs-Abschnitt überall dieselbe thermische Verlustleistung abfällt. Die Temperaturverteilung kann so besonders gut homogenisiert werden.
-
Eine Weiterbildung des Halbleiter-Bauelements sieht vor, dass alle Teilleiterbahn-Ausgangspunkte (TL_i_A) in dem Vor-Abschnitt liegen. Alternativ oder zusätzlich können alle Teilleiterbahn-Endpunkte (TL_i_E) in dem Nach-Abschnitt liegen.
-
Eine Weiterbildung des Halbleiter-Bauelements sieht vor, dass sich alle Teilleiterbahn-Ausgangspunkte (TL_i_A) in einem Bereich befinden, dessen Erstreckung entlang der Stromflussrichtung betrachtet höchstens einer ersten Breite (B1) des Vor-Abschnitts quer zur Stromflussrichtung entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass sich alle Teilleiterbahn-Endpunkte (TL_i_E) in einem Bereich befinden, dessen Erstreckung entlang der Stromflussrichtung betrachtet höchstens einer zweiten Breite (B2) des Nach-Abschnitts quer zur Stromflussrichtung entspricht.
-
Mit anderen Worten erfolgt die Aufteilung der Heiz-Leiterbahn in die Teilleiterbahnen gabelartig bzw. fächerartig ausgehend z.B. von einer im Wesentlichen quer zur Stromflussrichtung ausgerichteten Stirnseite des Vor-Abschnitts bzw. des Nach-Abschnitts. Dadurch wird vorteilhaft eine einfache Herstellung bewirkt und es kommt im Bereich der Aufspaltung in die Teilleiterbahnen nicht zu unerwünschten erhöhten Stromdichten in der Heiz-Leiterbahn.
-
Eine Weiterbildung des Halbleiter-Bauelements sieht vor, dass die Widerstände bzw. die elektrischen Widerstände (R_1, ..., R_n) der Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) um höchstens 5%, bevorzugt um höchstens 2,5%, voneinander abweichen. Dadurch wird eine besonders gute Homogenisierung der Stromdichte erreicht. Außerdem wird so die Temperaturverteilung entlang der Heiz-Leiterbahn verbessert.
-
Eine Weiterbildung des Halbleiter-Bauelements sieht vor, dass der Widerstand bzw. der elektrische Widerstand einer Teilleiterbahnen (TL_i) mit zunehmender Gesamtlänge (l_i) abnimmt. Mit anderen Worten weist die Teilleiterbahn mit der größten Gesamtlänge den geringsten elektrischen Widerstand auf. Dies kann z.B. die äußerste Teilleiterbahn in einem Kreisbogensegment sein, die am weitesten von einer innen im Kreissegment liegenden zu heizenden Fläche entfernt ist. Durch diese Weiterbildung kann vorteilhaft bewirkt werden, dass auf der zu beheizenden Fläche auch dann die gewünschte Temperaturverteilung zuverlässig sichergestellt werden kann und z.B. besonders homogen sein kann, wenn in der Nähe der zunehmend längeren Teilleiterbahnen Wärmesenken vorhanden sind, z.B. metallisch ausgebildete Kontaktflächen oder Bondpads.
-
Mit anderen Worten kann so die Temperaturverteilung in der Umgebung der Heiz-Leiterbahn sehr gezielt eingestellt werden, ohne dass die grundsätzliche Kontur der Heiz-Leiterbahn verändert werden muss.
-
Eine Weiterbildung des Halbleiter-Bauelements sieht vor, dass die Heiz-Leiterbahn mehrere Krümmungs-Abschnitte aufweist. Dabei grenzt wenigstens ein Krümmungsabschnitt an einen, vorzugsweise geraden, Abschnitt an, in dem die Heiz-Leiterbahn weniger Teilleiterbahnen aufweist als in dem wenigstens einen Krümmungs-Abschnitt. Unter einem „geraden“ Abschnitt ist hierbei ein Abschnitt zu verstehen, der über eine Länge in Stromflussrichtung von wenigstens der ersten Breite (B1) bzw. der zweiten Breite (B2), vorzugsweise über wenigstens dem zweifachen der ersten Breite (B1) bzw. der zweiten Breite (B2), keine Krümmung bzw. keine Richtungsänderung aufweist.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass jeder Krümmungs-Abschnitt an einen Abschnitt der Heiz-Leiterbahn angrenzt, bevorzugt an einen geraden Abschnitt der Heiz-Leiterbahn. In jedem dieser Abschnitte (z.B. einem Vor-Abschnitt oder einem Nach-Abschnitt) weist die Heiz-Leiterbahn quer zur Stromflussrichtung weniger Teilleiterbahnen auf als in dem jeweils angrenzenden Krümmungsabschnitt. Z.B. können einer oder mehrere dieser Abschnitte als quer zur Stromflussrichtung zusammenhängender Abschnitt, also als eine unzerteilte Heiz-Leiterbahn, ausgebildet sein.
-
Mit anderen Worten wechselt sich so wenigstens ein Abschnitt der Heiz-Leiterbahn mit einer Aufspaltung in eine Mehrzahl von Teilleiterbahnen mit wenigstens einem Abschnitt ab, in dem die Heiz-Leiterbahn nicht oder nur in geringerem Maße quer zur Stromflussrichtung strukturiert ist. Bzw. es sind abwechselnd gerade, unstrukturierte Abschnitte und Krümmungs-Abschnitte mit einer Aufspaltung in eine Mehrzahl von Teilleiterbahnen vorgesehen. Auf diese Weise kann vorteilhaft die Strukturierung auf den bzw. die Krümmungs-Abschnitte beschränkt werden, was die Herstellung vereinfacht. In den geraden Abschnitten tritt auch keine Radialkomponente des Stroms auf, so dass hier eine Aufspaltung in eine Mehrzahl von Teilleiterbahnen nicht zwingend erforderlich ist.
-
Eine Weiterbildung des Sensorelements sieht vor, dass das Sensorelement eine aus einem Festelektrolyten gebildete Membranstruktur aufweist, die aus einer Vielzahl von wabenförmig ausgebildeten Untermembranen ausgebildet ist. Beispielsweise können die Untermembranen seitlich auf Stützstrukturen aufliegen. Auf diese Weise kann ein besonders kostengünstiges und robustes Sensorelement hergestellt werden, z.B. mit den Verfahrensschritten einer Halbleiter-Fertigung bzw. einer mikromechanischen Fertigung.
-
Eine Weiterbildung des Sensorelements sieht vor, dass die Heiz-Leiterbahn an wenigstens zwei Seiten der Membranstruktur angrenzt. Alternativ oder zusätzlich kann die Heiz-Leiterbahn die Membranstruktur an wenigstens drei Seiten umschließen, z.B. in der Art, dass die Membranstruktur im Zentrum einer U-förmig ausgebildeten Heiz-Leiterbahn angeordnet ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Membranstruktur erzeugt werden, wodurch die Messgenauigkeit des Sensorelements vorteilhaft verbessert wird. Auch eine fast vollständige Umschließung der Membranstruktur durch die Heiz-Leiterbahn ist möglich, so dass ein Winkelsegment von wenigstens 320° um die Membranstruktur von der Heiz-Leiterbahn umschlossen ist. Diese Umschließung kann z.B. in der Form eines Omegas (Ω-Form) ausgebildet sein.
-
Zeichnungen
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
-
Es zeigen:
-
1a: eine Aufsicht auf eine gekrümmte Heiz-Leiterbahn eines Halbleiter-Bauelements aus dem Stand der Technik mit einer Darstellung der elektrischen Spannungs-Verteilung;
-
1b: eine Aufsicht auf eine gekrümmte Heiz-Leiterbahn eines Halbleiter-Bauelements aus dem Stand der Technik mit einer Darstellung der elektrischen Stromdichte-Verteilung;
-
1c: ein Ausschnitt aus 1b mit einer Darstellung der Stromdichte J in Form von Vektorpfeilen;
-
2: eine Aufsicht auf eine gekrümmte Heiz-Leiterbahn eines Halbleiter-Bauelements k gemäß der Erfindung;
-
3a: eine schematische Ansicht von Teilleiterbahnen in einem Krümmungs-Abschnitt der Heiz-Leiterbahn;
-
3b: eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Halbleiter-Bauelements;
-
3c: eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Halbleiter-Bauelements;
-
4a: eine Aufsicht auf ein Sensorelement gemäß der Erfindung,
-
4b: ein Querschnitt durch das Sensorelement aus 4a;
-
4c: eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Sensorelements.
-
1a zeigt ein Halbleiter-Bauelement 100, z.B. für ein Sensorelement 900. Dabei ist beispielsweise auf der Oberfläche eines Silizium-Wafers eine Heiz-Leiterbahn 200 angeordnet, die senkrecht zur Oberflächenebene eine Dicke bzw. Höhe (H) aufweist. Die Heiz-Leiterbahn 200 weist einen kreisbogenförmigen Krümmungs-Abschnitt 300 auf, in welchem die Heiz-Leiterbahn 200 eine Richtungsänderung aufweist. Wird an einem ersten Ende 260 (in der Figur unten) der Heiz-Leiterbahn 200 eine erste elektrische Spannung U1 angelegt und liegt an einem vom ersten Ende 260 abgewandten zweiten Ende 262 (in der Figur nach rechts zeigend) der Heiz-Leiterbahn 200 eine zweite elektrische Spannung U2 an, welche von der ersten Spannung U1 verschieden ist, so ergibt sich entlang der Erstreckung der Heiz-Leiterbahn 200 ein elektrisches Potenzialfeld. Dieses Potenzialfeld ist in der Figur durch unterschiedliche Schattierungen dargestellt. Aufgrund der Potenzialdifferenz ∆U aus der ersten Spannung U1 und der zweiten Spannung U2 mit ∆U = U1 – U2 kommt es zu einem Stromfluss entlang einer Stromflussrichtung 280, welche der Heiz-Leiterbahn 200 folgt. Das Potenzialfeld U mit der Einheit Volt [V] ist schattiert von einem Maximum bis zu einem Minimum dargestellt.
-
1b zeigt die Verteilung der Stromdichte J in der Einheit mA/µm2 in der Heiz-Leiterbahn 200 nach Anlegen der Potenzialdifferenz ∆U, wobei die unterschiedlichen Stromdichten J durch unterschiedliche Schattierungen zwischen einem Maximumwert und einem Minimumwert dargestellt sind. Es ergibt sich ein lokales Maximum der Stromdichte J am Innenradius des Krümmungs-Abschnitts 300. Eine derartige Inhomogenität der Stromdichte J kann zu einer lokalen Inhomogenität der Temperatur führen. Ebenfalls kann es an den Stellen mit hoher Stromdichte J zu einer verstärkten Elektromigration kommen.
-
1c zeigt einen Ausschnitt der Stromdichteverteilung aus 1b im Krümmungs-Abschnitt 300. Die Stromdichte J ist hierbei in Form von Vektorpfeilen dargestellt, wobei im dargestellten Querschnitt die Stromrichtung und Stromstärke für verschiedene Punkte des Querschnitts gezeigt sind. Anhand dieser Darstellung ist das lokale Maximum der Stromdichte J am Innenradius des Krümmungs-Abschnitts 300 ebenfalls deutlich zu erkennen, ebenso die Radialkomponente der Stromvektoren kurz vor Eintritt in den Abschnitt mit der Richtungsänderung.
-
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbleiter-Bauelement 100, welches beispielsweise in einem Sensorelement 900 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum verwendet werden kann. Das Halbleiter-Bauelement 100 weist eine in einer Ebene angeordnete Heiz-Leiterbahn 200 zur Durchleitung von elektrischem Strom auf. Mit anderen Worten ist die Heiz-Leiterbahn 200 planar ausgebildet. Das Halbleiter-Bauelement 100 kann beispielsweise Silizium umfassen bzw. können Elemente des Halbleiter-Bauelements 100 auf einem Silizium-Wafer als Trägerelement bzw. als Trägerstruktur angeordnet sein. Das Halbleiter-Bauelement 100 kann mit Halbleiter-Prozessen bzw. mikrosystemtechnischen Fertigungsprozessen hergestellt sein. Zwischen der Heiz-Leiterbahn 200 und der Oberfläche des Silizium-Wafers kann eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolierung angeordnet sein. Die Heiz-Leiterbahn 200 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein. Beispielsweise kann die Heiz-Leiterbahn Platin umfassen. An der Heiz-Leiterbahn 200 kann zwischen einem ersten Ende 260 und einem zweiten Ende 262 eine elektrische Spannungsdifferenz ∆U = U1 – U2 aus einer ersten elektrischen Spannung U1 und einer zweiten elektrischen Spannung U2 anliegen. Aufgrund der Spannungsdifferenz ∆U ergibt sich entlang der Erstreckungsrichtung der Heiz-Leiterbahn 200 ein Stromfluss entlang einer Stromflussrichtung 280.
-
Die Heiz-Leiterbahn 200 weist einen Krümmungs-Abschnitt 300 auf, in welchem die Leiterbahn Heiz-Leiterbahn 200 in einem Richtungsänderungsabschnitt 330 in der Ebene ihrer Erstreckung eine Richtungsänderung aufweist. Die dargestellte Richtungsänderung beträgt ungefähr 90°. Die Richtungsänderung kann wenigstens 30°, bevorzugt wenigstens 45°, besonders bevorzugt wenigstens 80° und ganz besonders bevorzugt wenigstens 135° betragen.
-
Der Krümmungs-Abschnitte 300 weist entlang der Stromflussrichtung 280 ein erstes Ende 310 und ein davon abgewandtes zweites Ende 320 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Krümmungs-Abschnitt 300 an seinem ersten Ende 310 und an seinem zweiten Ende 320 gerade ausgebildet, d.h. dort weist er keine Richtungsänderung auf. Die Heiz-Leiterbahn 200 ist im Krümmungs-Abschnitt 300 in eine Mehrzahl voneinander beabstandet und elektrisch voneinander isolierter Teilleiterbahnen (TL_1, TL_2, ..., TL_i, ..., TL_n) aufgeteilt bzw. aufgefächert. Dabei bezeichnet „n“ die Anzahl der Teilleiterbahnen im Krümmungs-Abschnitt 300 und „i“ einen Laufindex, welcher zwischen 1 und n liegen kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt n = 9. es sind auch andere Ausführungsformen denkbar, in denen n = 2, n = 3 oder n = 4 oder n z.B. eine ganzzahlige Zahl zwischen 5 und 20 ist. Dabei sind die Abmessungen der einzelnen Teilleiterbahnen (TL_i) derart gestaltet, dass eine Breite (b_i) einer einzelnen Teilleiterbahn (TL_i) in Abhängigkeit von einer Gesamtlänge (l_i) dieser Teilleiterbahn (TL_I) variiert.
-
Benachbarte Teilleiterbahnen (TL_i, TL_i + 1) sind durch einen Abstand (d_i, i + 1) voneinander getrennt. Dieser Abstand (d_i, i + 1) beträgt höchstens 10 µm, insbesondere höchstens 2,5 µm. Durch die Trennung der Teilleiterbahnen sind die Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) im Krümmungs-Abschnitt 300 gegeneinander elektrisch isoliert. Die Trennung der Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) kann prozesstechnisch beispielsweise dadurch realisiert werden, dass zunächst die Heiz-Leiterbahn 200 auch im Krümmungs-Abschnitt 300 zusammenhängend, d.h. ununterbrochen hergestellt wird. Anschließend können die einzelnen Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) beispielsweise durch einen photolithographischen Prozess und einen nachfolgenden Ätzschritt voneinander getrennt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Teilleiterbahnen im Wesentlichen parallel zueinander. Mit anderen Worten: der Abstand zwischen je zwei Leiterbahnen bleibt im Wesentlichen konstant über ihre Gesamtlänge.
-
In Stromflussrichtung 280 betrachtet ist dem ersten Ende 310 des Krümmungs-Abschnitts 300 ein Vor-Abschnitt 210 der Heiz-Leiterbahn 200 vorgelagert. In Stromflussrichtung 280 betrachtet ist weiterhin dem zweiten Ende 320 des Krümmungs-Abschnitts 300 ein Nach-Abschnitt 220 der Heiz-Leiterbahn 200 nachgelagert. Im Vor-Abschnitt 210 und im Nach-Abschnitt 220 weist die Heiz-Leiterbahn 200 weniger Teilleiterbahnen auf, als im Krümmung-Abschnitt 300. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Heiz-Leiterbahn 200 im Vor-Abschnitt 210 und im Nach-Abschnitt 220 im Querschnitt betrachtet zusammenhängend ausgebildet, d.h. sie ist aus einer einzigen Leiterbahn gebildet. In anderen hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Heiz-Leiterbahn 200 im Vor-Abschnitt 210 und/oder im Nach-Abschnitt 220 allerdings auch aus zwei oder mehr Teilleiterbahnen gebildet sein, wobei die Anzahl dieser Teilleiterbahnen geringer ist als im Krümmungs-Abschnitt 300.
-
Jede Teilleiterbahn (TL_i) weist in Stromflussrichtung 280 betrachtet einen Ausgangspunkt (TL_i_A) und einen Endpunkt (TL_i_E) auf. Dabei liegen alle Teilleiterbahn-Ausgangspunkte in dem Vor-Abschnitt 210. Weiterhin liegen alle Teilleiterbahn-Endpunkte in dem Nach-Abschnitt 220. Die Teilleiterbahn-Ausgangspunkte befinden sich in einem Bereich des Vor-Abschnitts 210, dessen Erstreckung entlang der Stromflussrichtung 280 betrachtet ungefähr einer Linie entspricht. Sie liegen in anderen Worten ungefähr in einer Ebene. Dabei ist die Stromflussrichtung 280 die Flächennormale der Ebene. In anderen Ausführungsbeispielen beträgt die Erstreckung des Bereichs, in dem sich alle Teilleiterbahn-Ausgangspunkte befinden entlang der Stromflussrichtung 280 betrachtet höchstens einer ersten Breite B1 des Vor-Abschnitts 210 quer zur Stromflussrichtung 280.
-
In gleicher Weise befinden sich im dargestellten Ausführungsbeispiel die Teilleiterbahn-Endpunkte in einem Bereich des Nach-Abschnitts 220, dessen Erstreckung entlang der Stromflussrichtung 280 betrachtet ungefähr einer Linie entspricht. Sie liegen in anderen Worten ungefähr in einer Ebene. Dabei ist die Stromflussrichtung 280 die Flächennormale der Ebene. In anderen Ausführungsbeispielen beträgt die Erstreckung des Bereichs, in dem sich alle Teilleiterbahn-Endpunkte befinden entlang der Stromflussrichtung 280 betrachtet höchstens einer zweiten Breite B2 des Nach-Abschnitts 220 quer zur Stromflussrichtung 280.
-
3a ist eine schematische Darstellung der Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) im Krümmungs-Abschnitt 300. Die Gesamtlänge (l_i) einer Teilleiterbahn (TL_i) ist durch die Strecke zwischen ihrem Ausgangspunkt (TL_i_A) und ihrem Endpunkt (TL_i_E) gegeben. Die Breite (b_i) einer Teilleiterbahn (TL_i) wird dabei quer bzw. senkrecht zur Stromflussrichtung 280 bestimmt.
-
3b zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Breite (b_i) einer Teilleiterbahn (TL_i) mit zunehmender Gesamtlänge (l_i) dieser Teilleiterbahn (TL_i) ansteigt, z.B. gemäß einer linearen Proportionalitäts-Relation b_i ~ c1 × l_i, wobei c1 ein Proportionalitätsfaktor ist. Die Breite kann auch proportional sein z.B. zum Quadrat der Gesamtlänge oder zur Wurzel der Gesamtlänge sein. Auch andere Proportionalitäts-Relationen sind denkbar.
-
Dabei kann z.B. die Breite (b_i) in Abhängigkeit von der Gesamtlänge (l_i) derart ansteigen, dass die elektrischen Widerstände (R_1, ..., R_n) der einzelnen Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) um höchstens 5 %, bevorzugt um höchstens 2,5 % voneinander abweichen. Der elektrische Widerstand (R_i) einer Teilleiterbahn (TL_i) wird dabei zwischen Ausgangspunkt (TL_i_A) und Endpunkt (TL_i_E) der Teilleiterbahn (TL_i) bestimmt.
-
Es kann jedoch auch eine Zunahme der Breite einer Teilleiterbahn in Abhängigkeit ihrer Gesamtlänge derart erfolgen, dass mit zunehmender Gesamtlänge der elektrische Widerstand abnimmt. In 3b würden damit die weiter außen laufenden um den Mittelpunkt Z konzentrischen Teilleiterbahnen einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen, als weiter innen liegende Teilleiterbahnen. Eine derartige Gestaltung der Breite der Teilleiterbahnen in Abhängigkeit von ihrer Gesamtlänge kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn es in der Umgebung der Heiz-Leiterbahn 200 Wärmesenken gibt, die einer homogenen Temperaturverteilung ansonsten entgegenwirken würden. Bei derartigen Wärmesenken kann es sich beispielsweise um Bond-Pads oder relativ großflächige Kontaktierflächen aus Metall handeln. Dies kann aufgrund der dünnen Trägerelemente und geringer Flächen derartiger Halbleiter-Bauelemente bzw. Sensorelemente eine große Rolle spielen. Denn diese umfassen große Anteile von gut wärmeleitendem Halbleitermaterial. Da sie insgesamt dünn und relativ klein sind weisen sie darüber hinaus nur eine geringe Wärmekapazität auf. Somit steht nur wenig Wärmekapazität zur Verfügung, um plötzliche Wärmeabflüsse zu kompensieren bzw. die Temperatur durch die Wärmekapazität zu verstetigen. Der Ausgleich von Wärmesenken über die Breite (b_i) und/oder die Dicke bzw. Höhe (H) von Teilleiterbahnen ist eine sehr vorteilhafte Lösung, um diese Schwierigkeiten zu überwinden.
-
Vorteilhaft kann auf diese Weise durch das Auffächern bzw. Aufspalten der zunächst zusammenhängenden Heiz-Leiterbahn 200 in eine Mehrzahl von Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) gezielt eine verbesserte Temperaturverteilung bei gleichzeitig minimiertem Risiko für Elektromigration hergestellt werden, ohne dass die Außenkontur der Heiz-Leiterbahn 200 verändert werden müsste.
-
In gleicher Weise kann selbstverständlich die Breite der Teilleiterbahnen eine Abhängigkeitsbeziehung von der Gesamtlänge derart aufweisen, dass mit zunehmender Gesamtlänge der elektrische Widerstand zunimmt. Auch eine derartige Ausgestaltungsform kann besonders vorteilhaft sein, um beispielsweise im Bereich einer Membran eines Sensorelements 900, welches mit der Heiz-Leiterbahn 200 geheizt werden soll, auch dann eine möglichst homogene Temperaturverteilung zu erzielen, wenn lokale Wärmesenken ansonsten eine aufwändige Umkonstruktion des Pfades der Heiz-Leiterbahn 200 erfordern würden.
-
3c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Heiz-Leiterbahn. Die Heiz-Leiterbahn 200 weist an ihrem ersten Ende 260 eine Kontaktfläche 264 auf, welche mit einer Stromzuführung, z.B. für Gleichstrom, verbunden werden kann. Die Heiz-Leiterbahn 200 weist weiterhin an ihrem zweiten Ende 262 eine weitere Kontaktfläche 266 auf, welche der Stromabführung dient. Die Heiz-Leiterbahn 200 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mäanderförmig ausgebildet. Sie weist drei Krümmungs-Abschnitte 300, 300‘, 300‘‘ auf. In jedem der Krümmungs-Abschnitte 300, 300‘, 300‘‘ ist die Heiz-Leiterbahn in eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Teilleiterbahnen (TL_i, TL_i‘, TL_i‘‘) aufgeteilt. Die Anzahl n, n‘, n‘‘ der Teilleiterbahnen kann in jedem Krümmungs-Abschnitt 300, 300‘, 300‘‘ verschieden sein.
-
Die Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) des ersten Krümmungs-Abschnitts 300 beginnen alle mit ihrem Ausgangspunkt (TL_i_A) an einer quer zur Stromflussrichtung 280 orientierten Stirnfläche eines ersten Vor-Abschnitts 210. Dieser erste Vor-Abschnitt 210 erstreckt sich zwischen der Kontaktfläche 260 und der Stirnfläche, an welcher die Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) ihren Ausgang nehmen. Der erste Abschnitt 210 erstreckt sich entlang der Stromflussrichtung 280 betrachtet entlang einer Länge L1 und weist eine Breite B1 auf. Die Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL_n) des ersten Krümmungs-Abschnitts 300 enden mit ihren Endpunkten (TL_i_E) an einer Stirnfläche eines ersten Nach-Abschnitts 220, welcher eine Breite B2 und eine Länge L2 aufweist. Der erste Nach-Abschnitt 220 entspricht gleichzeitig dem zweiten Vor-Abschnitt 210‘, der eine Länge L1‘ = L2 und eine Breite B1‘ = B2 aufweist. An seiner vom ersten Krümmungs-Abschnitt 300 abgewandten Stirnseite quer zur Stromflussrichtung 280 haben die Teilleiterbahnen (TL_i‘) des zweiten Krümmungs-Abschnitts 300‘ ihren Ausgangspunkt. Die Teilleiterbahnen (TL_i‘) des zweiten Krümmungs-Abschnitts 300‘ enden mit ihren Endpunkten (TL_i_E‘) an einer Stirnseite des zweiten Nach-Abschnitts 220‘, welcher eine Breite B2‘aufweist. Der zweite Nach-Abschnitt 220‘ ist gleichzeitig der dritte Vor-Abschnitt 210‘‘ mit einer Länge L3 und einer dritten Breite B1‘‘, welche der Breite B2‘des zweiten Nach-Abschnitts 220’ entspricht. Die Teilleiterbahnen (TL_i‘‘) des dritten Krümmungs-Abschnitts 300‘‘ weisen ihren Anfangspunkt (TL_i_A‘‘) an der vom zweiten Krümmungs-Abschnitt 300‘ abgewandten Stirnseite des dritten Vor-Abschnitts 210‘‘ auf und enden im dritten Nach-Abschnitt 220‘‘. Am Ende des dritten Nach-Abschnitts 220‘‘ ist die weitere Kontaktfläche 266 angeordnet. Die Vor-/Nach-Abschnitte sind in diesem Ausführungsbeispiel sämtlich als gerade Abschnitte ausgebildet, deren Länge wenigstens ihrer Breite, vorzugsweise dem zweifachen ihrer Breite, entspricht.
-
4a und 4b zeigen ein Sensorelement 900 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 in einer Aufsicht (4a) bzw. in einem Querschnitt (4b). Dabei weist das Sensorelement 900 ein Halbleiter-Bauelement 100 mit einer Heiz-Leiterbahn 200 auf. Alternativ können die 4a bis 4c schematisch eine Brennstoffzellenanordnung darstellen.
-
Der Aufbau des Sensorelements 900 im Querschnitt ist wie folgt: zunächst ist unter einem Trägerelement 912 eine elektrisch isolierende Isolationsschicht 920, die z.B. Silizium-Nitrid (SiN) umfasst, angeordnet. Oberhalb des Trägerelements 912 ist eine weitere elektrisch isolierende Isolationsschicht 920‘ angeordnet, die z.B. SiN umfassen kann.
-
Als funktionales Element des Sensorelements 900 dient z.B. eine Festelektrolytschicht bzw. Festkörperelektrolytschicht 914, wobei die Festelektrolytschicht bzw. Festkörperelektrolytschicht 914 auf dem Trägerelement 912 bzw. auf der weiteren Isolationsschicht 920‘ angeordnet ist. Die Festelektrolytschicht 914 kann z.B. YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkonium(oxid)) umfassen. Das Trägerelement 912 kann z.B. Silizium umfassen oder ein Si-Wafer sein. Die Heiz-Leiterbahn 200 ist ebenfalls auf dem Trägerelement 912 angeordnet, ggf. unter Zwischenlage der weiteren Isolationsschicht 920‘.
-
Das Trägerelement 912 kann mindestens eine Aussparung 916 aufweisen, so dass die Festelektrolytschicht 914 als eine Membranstruktur 800 ausgebildet sein kann. Die Membranstruktur 800 ist dabei z.B. aus einer Vielzahl von wabenförmigen, z.B. hexagonalen, Untermembranen 810 ausgebildet. Die Membranstruktur 800 kann dabei z.B. aus wenigstens 12 Untermembranen 810, bevorzugt aus wenigstens 25 Untermembranen 810 und ganz besonders bevorzugt aus wenigstens 40 Untermembranen 810 gebildet sein. Die Untermembranen 810 sind dabei an ihren Seiten auf zur Oberfläche senkrechten Stützstrukturen 830, die z.B. Silizium-Nitrid (SiN) umfassen kann, mit seitlich abragenden Stützarmen bzw. Stützflächen 832 angeordnet. Die Untermembranen 810 liegen somit seitlich bzw. mit ihren Randflächen auf den Stützstrukturen 830 bzw. auf den Stützarmen bzw. den Stützflächen 832 auf, z.B. in der Art eines Simses. Auf diese Weise kann selbst bei hohen Temperaturunterschieden, z.B. in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs der auftretende thermische Stress derart abgefangen werden, dass die Membranstruktur 800 nicht beschädigt wird. Die Form der Untermembranen 810 ist dabei nicht auf eine hexagonale Form beschränkt. Vielmehr können die Untermembranen 810 z.B. auch als Dreiecke, Rechtecke oder allgemein als Vielecke oder sogar rund bzw. elliptisch ausgebildet sein.
-
Die Heiz-Leiterbahn 200 umgibt die Membranstruktur 800 an wenigstens zwei Seiten der Membranstruktur 800. Sie weist dabei eine Dicke bzw. Höhe (H) senkrecht zur Oberfläche auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Membranstruktur 800 an drei Seiten von der Heiz-Leiterbahn 200 umgeben in der Form eines „U“ bzw. eines umgedrehten „U“. Die Heiz-Leiterbahn 200 ist in ihrem Krümmungs-Abschnitt 300, der die Membranstruktur 800 an drei Seiten umgibt in eine Vielzahl von Teilleiterbahnen (TL_1, ..., TL3) aufgespalten bzw. aufgefächert, ohne dass die äußere Kontur der Heiz-Leiterbahn 200 von der einer zusammenhängenden Heiz-Leiterbahn 200 stark abweicht. Wie oben dargestellt kann die Breite (b_i) der Teilleiterbahnen (TL_i) derart von ihrer Gesamtlänge (l_i) abhängen, dass eine gleichmäßige Stromdichte und/oder eine gewünschte Temperaturverteilung auf der Membranstruktur 800 erzielt wird. Die Anzahl der Teilleiterbahnen (TL_i) ist hier lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit auf n = 3 gesetzt worden. Es ist selbstverständlich möglich, dass die mit „TL_2“ bezeichnete Teilleiterbahn als „Platzhalter“ „i“ für eine Mehrzahl von Teilleiterbahnen gelesen werden kann und dann z.B. n = 4, n = 5, n = 6 oder „n“ eine natürliche Zahl z.B. im Bereich von 7 bis 20 ist.
-
4c zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensorelements 900. Im Unterschied zur Ausführung in 4b weist die Heiz-Leiterbahn 200 hier auch gerade Abschnitte auf, so dass es in zwei Krümmungs-Abschnitten 300, 300‘, in denen eine Richtungsänderung erfolgt, zu einer Aufteilung der Heiz-Leiterbahn 200 aus zusammenhängenden Leiterbahn-Abschnitten in aufgespaltene Teilleiterbahnen (TL_i, TL_i‘) kommt – in dieser Figur sind die Teilleiterbahnen als durchgezogene Striche lediglich schematisch dargestellt. In dem geraden Abschnitt, der zwischen den zwei Krümmungs-Abschnitten 300, 300‘ angeordnet ist, ist die Heiz-Leiterbahn 200 wieder zusammenhängend als eine einzige Leiterbahn ausgeführt. Auf diese Weise kann eine besonders homogene Temperaturverteilung auf der aus wabenförmigen Untermembranen 810 zusammengesetzten Membranstruktur 800 erzielt werden.
-
Das vorgeschlagene Halbleiter-Bauelement 100 mit der Heiz-Leiterbahn 200 bzw. das vorgeschlagene Sensorelement 900 mit einem Halbleiter-Bauelement 100 können zum Beispiel in Sensorelementen für elektrochemische Messfühler, z.B. für Lambdasonden verwendet werden. Lambdasonden können für die Erfassung bzw. Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen verwendet werden: Auch die Verwendung in Brennstoffzellen bzw. in Brennstoffzellenanordnungen ist denkbar.
-
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. So ist z.B. der Begriff „eine Heiz-Leiterbahn“ aus Gründen der besseren Lesbarkeit synonym zu dem Begriff „wenigstens eine Heiz-Leiterbahn“ zu verstehen, Analog gilt dies auch für andere Begriffe, z.B. für Krümmungs-Abschnitt, Membranstruktur, etc. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
