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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO2), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Siliziumdioxid (SiO2) enthalten können.
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Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden oder als Stickoxidsensoren ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ (Lambda) beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Stickoxidsensoren bestimmen sowohl die Stickoxid- als auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas.
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Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So werden derartige Sensorelemente üblicherweise aus mehreren funktionalen Schichten aufgebaut. Die elektrischen Verbindungen werden in die jeweiligen Schichten eingebaut bzw. eingebettet und werden zu unterschiedlichen Seiten des Sensorelements nach außen geführt, um diese elektrisch kontaktieren zu können. Dies erhöht jedoch den Aufwand für die Herstellung und somit die Herstellungskosten. Außerdem erschwert dies die elektrische Kontaktierung.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden kann. Insbesondere wird ein Sensorelement vorgeschlagen, das günstiger herzustellen ist und dessen elektrische Kontaktierung erleichtert ist.
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Ein erfindungsgemäßes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst ein Trägerelement und einen Sensorchip. Der Sensorchip weist mindestens ein Substrat, eine Membran, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, einen ersten Anschlusskontakt, einen zweiten Anschlusskontakt und ein Verbindungsstück auf. Die erste Elektrode befindet sich auf einer ersten Seite der Membran. Die zweite Elektrode befindet sich auf einer der ersten Seite der Membran gegenüberliegenden zweiten Seite der Membran. Der erste Anschlusskontakt, der zweite elektrische Anschlusskontakt und die erste Elektrode befinden sich dabei auf einer gemeinsamen bzw. derselben Seite des Substrats. Der erste Anschlusskontakt ist mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden. Das Verbindungsstück ist zumindest teilweise in der Membran angeordnet und verbindet die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschlusskontakt elektrisch. Dadurch lassen sich alle metallischen Schichten bzw. Bauteile, wie hier beispielsweise die Anschlusskontakte und entsprechende Zuleitungen dazu auf der gleichen Seite des Sensorchips anordnen, was die Anzahl der Verfahrensschritte und somit die Kosten zum Herstellen senkt. Des Weiteren lassen sich auch alle metallischen Schichten bzw. Bauteile auf der gleichen Seite des Trägerelements anordnen, was die Anzahl der Verfahrensschritte und somit die Kosten zum Herstellen senkt. Des Weiteren lässt sich das gesamte Sensorelement kleiner als herkömmliche Sensorelemente realisieren, ohne Einschränkungen bei der elektrischen Kontaktierbarkeit hinnehmen zu müssen. Dadurch wird die Menge an vergleichsweise teuren Edelmetallen und somit die Herstellungskosten gesenkt. Des Weiteren wird Platz auf dem Sensorchip im Vergleich zu einer Kontaktierung von beiden Seiten des Sensorchips eingespart. Auch lässt sich dadurch eine vergrößerte Membranfläche realisieren, ohne Einbußen bei der Stabilität hinnehmen zu müssen. Dies ist insbesondere bei Anwendungen im Abgas von Bedeutung.
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Zusätzlich kann das Verbindungsstück die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschlusskontakt mechanisch verbinden, so dass eine sichere Verbindung realisiert wird. Unter einer mechanischen Verbindung ist dabei eine Verbindung zu verstehen, bei der sich die miteinander verbundenen Elemente nicht zueinander bewegen können. Eine solche Verbindung kann beispielsweise durch eine formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung realisiert sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verbindet das Verbindungsstück die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschlusskontakt gasdicht, so dass kein Gas von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode und umgekehrt gelangen kann, was zu einer Verfälschung des Messsignals führen könnte. Eine besonders zuverlässige gasdichte Verbindung wird geschaffen, wenn die Membran aus einem Material hergestellt ist, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des Substrats. Dabei kann besonders vorteilhaft der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Membran wenigstens doppelt so groß sein wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Substrats. Durch diese Fortbildung kann sich das Material des Verbindungsstücks bei Wärmeeinwirkung relativ zur Umgebung stärker ausdehnen und eine besonders starke Abdichtung bewirkt.
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So kann das Material des Verbindungsstücks z.B. Platin umfassen mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei der hohen Betriebstemperatur von mehr als 300°C von ca. 10 × 10–6 K–1. Eine z.B. yttriumstabilisiertes Zirkon(di)oxid umfassende Festelektrolythmembran weist z.B. einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ebenfalls ca. 10 × 10–6 K–1 auf, der ungefähr im Bereich des Materials des Verbindungsstücks liegt und auch etwas geringer oder etwas höher sein kann als der des Verbindungsstücks. Als Substrat kann z.B. ein Material verwendet werden, welches z.B. Silizium umfasst und welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 3 bis 4 × 10–6 K–1 aufweist (bei der Betriebstemperatur), also deutlich geringer ist als derjenige der Membran und des Verbindungsstücks. Die gasdichte Wirkung kann so vorteilhaft dadurch zu Stande kommen, dass die gesamte Membran über den Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten relativ zum Substrat unter kompressiven Stress gebracht wird (insbes. bei hohen Temperaturen). Da die Verbindungsstücke sehr klein sind und bei einer Ausführung aus einem Metall, z.B. Platin, Titan oder Gold, auch sehr duktil sind, können sie sich dem Druckstress geringfügig anpassen, sodass der Bereich zwischen dem Verbindungsstück und der Membran abgedichtet wird, ohne das Verbindungsstück zu zerstören.
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Das Verbindungsstück kann einen oberen oder ersten Abschnitt, einen unteren oder zweiten Abschnitt und einen Schaft aufweisen. Der obere Abschnitt kann mit dem zweiten Anschlusskontakt verbunden sein. Der untere Abschnitt kann mit der zweiten Elektrode verbunden sein. Der Schaft kann in der Membran angeordnet sein. Entsprechend weist das Verbindungsstück sowohl mit dem zweiten Anschlusskontakt als auch mit der zweiten Elektrode elektrischen Kontakt auf und durchdringt dabei mit dem Schaft die Membran vollständig, so dass eine zuverlässige Kontaktierung geschaffen wird. Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung weisen der obere Abschnitt und der untere Abschnitt jeweils einen größeren Außendurchmesser als der Schaft auf, so dass sich das Verbindungsstück nicht lösen kann. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass der obere Abschnitt und der untere Abschnitt im Wesentlichen kappenförmig oder kalottenförmig ausgebildet werden. Der obere Abschnitt kann zumindest teilweise in dem zweiten Anschlusskontakt angeordnet sein und/oder der untere Abschnitt kann zumindest teilweise in der zweiten Elektrode angeordnet sein. Mit anderen Worten können der obere Abschnitt und/oder der untere Abschnitt in dem zweiten Anschlusskontakt bzw. der zweiten Elektrode zumindest teilweise eingebettet sein, so dass eine stabile und besonders zuverlässige elektrische Kontaktierung geschaffen wird. Die Membran kann zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem zweiten Anschlusskontakt angeordnet sein. Entsprechend befinden sich der erste Anschlusskontakt und der zweite Anschlusskontakt auf der gleichen Seite des Substrats, liegen sich jedoch mit der Membran dazwischen gegenüber, so dass diese voneinander beabstandet sind. Dies erleichtert eine elektrische Kontaktierung aufgrund der verbesserten Zugänglichkeit der Anschlusskontakte.
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Der Sensorchip kann auch eine Mehrzahl von Verbindungsstücken aufweisen, wobei die Verbindungsstücke zumindest teilweise in der Membran angeordnet sind und die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschlusskontakt elektrisch verbinden. Dadurch lassen sich mehrere redundante elektrische Verbindungen mit der auf der Rückseite des Sensorchips angeordneten zweiten Elektrode schaffen, die stabiler als eine einzige Verbindung sind.
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Der Sensorchip kann zumindest teilweise in dem Trägerelement angeordnet sein. Entsprechend lässt sich dadurch eine modulare Bauweise realisieren, bei der der Sensorchip und das Trägerelement separat herstellbar sind und erst bei der Herstellung des Sensorelements zusammengefügt werden. Dadurch lässt sich auch ein defekter Sensorchip austauschen.
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Die Membran kann eine Festelektrolytmembran aufweisen oder zumindest teilweise oder abschnittsweise als Festelektrolytmembran ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Membran zweiteilig ausgebildet sein bzw. aus zwei verschiedenen Materialien hergestellt sein. So kann die Membran vollständig oder teilweise bzw. abschnittsweise elektrolytische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise weist die Membran einen Abschnitt auf, der aus einem elektrolytischen Material hergestellt ist, wie beispielsweise YSZ. Die restliche Membran kann aus einem beliebig anderen Material hergestellt sein, beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid. In einem solchen Fall sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf sich gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytmembran angeordnet. Das Verbindungsstück muss nicht zwingend das Material der Festelektrolytmembran durchdringen, sondern kann die Membran außerhalb der Festelektrolytmembran durchdringen. Eine solche Ausbildung ermöglicht eine bauliche Flexibilität, da die Festelektrolytmembran an jeder geeigneten Stelle der Membran vorgesehen sein kann. Das Verbindungsstück durchdringt die Membran, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch zu kontaktieren, weshalb eine Durchdringung der Festelektrolytmembran nicht zwingend erforderlich ist. Es versteht sich jedoch, dass die Membran aus einem elektrolytischen Material hergestellt sein kann und somit vollständig als Festelektrolytmembran ausgebildet sein kann.
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Unter einem Trägerelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich jedes Bauteil zu verstehen, das geeignet ist, einen Sensorchip zu tragen.
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Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytmembran oder aus mehreren Festelektrolytmembranen ausgebildet sein.
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Unter einer Membran ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen. Eine Membran ist somit ein dreidimensionaler Körper, bei dem Abmessungen von zwei Dimensionen, die die flächenhafte Ausbildung der Membran darstellen, deutlich größer als eine Abmessung der dritten Dimension ist, die die Höhe der Membran darstellt.
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Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
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Unter einem Substrat ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zu verstehen, das die elektronischen oder elektrischen Bauteile des Sensorchips trägt. Üblicherweise ist das Substrat als so genannter Wafer, insbesondere Siliziumwafer, ausgebildet.
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Unter einem Verbindungsstück ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zu verstehen, das aus einem Material mit einem niedrigen elektrischen Widerstand bzw. elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist und das ausgebildet ist, die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschlusskontakt elektrisch zu verbinden. Das Verbindungsstück kann insbesondere, aber nicht ausschließlich aus Platin und/oder Lanthanchromit hergestellt sein.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die elektrischen Anschlusskontakte auf derselben Seite des Sensorchips anzuordnen und die zweite Elektrode mittels mindestens eines Verbindungsstücks zu kontaktieren, das die Membran durchdringt. Dadurch kann auch die zweite Elektrode von der gleichen Seite ausgehend elektrisch kontaktiert werden wie die erste Elektrode. Alternativ zu der hier vorgeschlagenen Durchkontaktierung mittels Verbindungsstück wären Leiterbahnen auf beiden Seiten des Chips erforderlich. Für die Abgassensoranwendung muss der Chip gasdicht auf ein Substrat aufgebracht werden, um so die Herstellung eines Referenzluftraums zu ermöglichen. Ohne Verbindungsstück wäre dies nur deutlich aufwändiger und teurer zu realisieren, da in diesem Fall eine strukturierte, da mit Leiterbahnen versehene, Chiprückseite gasdicht ans Substrat angebunden werden müsste. Mit Hilfe des hier vorgeschlagenen Verbindungsstücks bleibt die Chiprückseite eine ebene Fläche und kann somit sehr gut gasdicht mit dem Trägermaterial verbunden werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
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2 eine Querschnittsansicht eines Sensorchips des Sensorelements,
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3 eine Draufsicht auf den Sensorchip des Sensorelements und
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4 eine Querschnittsansicht durch die Festelektrolytmembran und ein Verbindungsstück des Sensorelements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10. Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
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Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 weist ein Trägerelement 12 und einen Sensorchip 14 auf. Auf einer Oberseite 16 des Trägerelements 12 ist zur elektrischen Kontaktierung des Sensorchips 14 mindestens eine elektrische Leitung 18 angeordnet. Die elektrische Leitung kann als Leiterbahn ausgebildet sein. Beispielsweise sind zwei elektrische Leitungen 18 angeordnet. Das Trägerelement 12 weist weiterhin eine Aussparung 20 auf, in der der Sensorchip 14 zumindest teilweise angeordnet werden kann. Dabei ist die Aussparung 20 so ausgebildet, dass zwischen dem Sensorchip 14 und dem Trägerelement 12 bedingt durch die Aussparung 20 ein Hohlraum gebildet wird, der mit einem Referenzgas bekannter Zusammensetzung gefüllt ist. Der Sensorchip 14 weist ein Substrat 22, eine erste Elektrode 24 und eine zweite Elektrode 26 auf.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorchips 14. Wie in 2 gezeigt, weist der Sensorchip 14 weiterhin eine Membran 28, einen ersten Anschlusskontakt 30 und einen zweiten Anschlusskontakt 32 auf. Der erste Anschlusskontakt 30 und der zweite Anschlusskontakt 32 sind als sogenannte Pads oder Bondinseln ausgebildet. Die Membran 28 ist mit dem Substrat 22 verbunden bzw. an diesem aufgehängt. Die Membran 28 ist zwischen dem ersten Anschlusskontakt 30 und dem zweiten Anschlusskontakt 32 angeordnet. Die erste Elektrode 24 befindet sich auf einer Oberseite oder ersten Seite 34 der Membran 28. Die zweite Elektrode 26 befindet sich auf einer Unterseite oder zweiten Seite 36 der Membran 28 angeordnet. Die zweite Seite 36 der Membran 28 liegt der ersten Seite 34 der Membran 28 gegenüber. Die Membran 28 weist eine Festelektrolytmembran auf oder ist zumindest teilweise bzw. abschnittsweise als Festelektrolytmembran ausgebildet. Die erste Elektrode 24 und die zweite Elektrode 26 sind auf sich gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytmembran angeordnet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Membran 28 vollständig als Festelektrolytmembran ausgebildet.
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Wie aus 2 weiter zu erkennen ist, sind der erste Anschlusskontakt 30 und der zweite Anschlusskontakt 32 zumindest teilweise auf dem Substrat 22 angeordnet. Dabei befinden sich der erste Anschlusskontakt 30, der zweite Anschlusskontakt 32 und die erste Elektrode 24 auf einer gemeinsamen Seite 38 bzw. derselben Seite des Substrats 22.
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Der erste Anschlusskontakt 30 ist mit der ersten Elektrode 24 elektrisch verbunden, beispielsweise über nicht näher gezeigte Bonddrähte oder unmittelbaren Kontakt dieser Bauteile. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, ist die zweite Elektrode 26 mit dem zweiten Anschlusskontakt 32 elektrisch verbunden. So weist der Sensorchip 14 mindestens ein Verbindungsstück 40 auf. Das Verbindungsstück 40 ist zumindest teilweise in der Membran 28 angeordnet und verbindet die zweite Elektrode 26 mit dem zweiten Anschlusskontakt 32 elektrisch. Aus diesem Grund ist das Verbindungsstück 40 aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, wie beispielsweise Platin. Zusätzlich verbindet das Verbindungsstück 40 die zweite Elektrode 26 mit dem zweiten Anschlusskontakt 32 mechanisch. So ist das Verbindungsstück 40 sowohl mit der zweiten Elektrode 26 als auch mit dem zweiten Anschlusskontakt 32 formschlüssig verbunden. Wie oben beschrieben ist die Membran 28 vollständig als Festelektrolytmembran ausgebildet. Alternativ ist es jedoch möglich, dass die Membran 28 einen Abschnitt aufweist, der aus einem elektrolytischen Material hergestellt ist. Die beiden Elektroden 24, 26 sind dann auf gegenüberliegenden Seiten dieses Abschnitts angeordnet und das Verbindungsstück kann die Membran 28 an einer Stelle außerhalb dieses Abschnitts durchdringen.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung, bei der das Verbindungsstück 40 die zweite Elektrode 26 mit dem zweiten Anschlusskontakt 32 gasdicht verbindet. Eine besonders zuverlässige gasdichte Verbindung wird geschaffen, wenn die Membran 28 und/oder das Verbindungsstück 40 aus einem Material hergestellt sind, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) als die das Verbindungsstück umgebenden Materialien, also insbesondere das Substrat 22, aufweist. Die gasdichte Wirkung kommt dadurch zu Stande, dass die gesamte Membran 28 über einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) im Vergleich zu dem Substrat 22 unter kompressiven Stress gebracht wird, insbesondere bei den hohen Temperaturen, die bei Betrieb des Sensorelements 10 herrschen. Beispielsweise weist das Material der Membran 28 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) als das Material des Substrats 22 auf (z.B. αYSZ ca. 10 × 10–6 K–1 vs. αSi ca. 3 bis 4 × 10–6 K–1). Beispielsweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (α) von YSZ als Material für die Membran mehr als doppelt so groß wie derjenige für Silizium als Material für das Substrat 22. Da das Verbindungsstück 40 sehr klein und duktil ist (z.B. hergestellt aus einem Material, welches z.B. Platin, Titan oder Gold oder eine Metalllegierung umfasst), kann es sich dem Druckstress geringfügig anpassen, so dass der Bereich zwischen dem Verbindungsstück 40 und der Membran 28 abgedichtet wird, ohne das Verbindungsstück 40 zu zerstören.
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3 zeigt eine Draufsicht auf den Sensorchip 14. Wie aus 3 zu erkennen ist, kann der Sensorchip 14 eine Mehrzahl von Verbindungsstücken 40 aufweisen. Die Verbindungsstücke 40 sind jeweils zumindest teilweise in der Festelektrolytmembran 28 angeordnet und verbinden jeweils die zweite Elektrode 26 mit dem zweiten Anschlusskontakt 32 elektrisch. Entsprechend werden mehrere redundante elektrische Verbindungen zwischen der zweiten Elektrode 26 und dem zweiten Anschlusskontakt 32 realisiert. Das Verbindungsstück 40 ist dabei aus einem Material mit einem niedrigen elektrischen Widerstand bzw. einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, wie beispielsweise Platin und/oder Lanthanchromit.
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4 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht der Membran 28 und eines Verbindungsstücks 40. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 4 die erste Elektrode 24, die zweite Elektrode 26 sowie der zweite Anschlusskontakt 32 nicht dargestellt. Das Verbindungsstück weist einen ersten oder oberen Abschnitt 42, einen unteren Abschnitt 44 und einen Schaft 46 auf. Der obere Abschnitt 42 ist mit dem zweiten Anschlusskontakt 32 verbunden. Der untere Abschnitt 44 ist mit der zweiten Elektrode 26 verbunden. Der Schaft 46 ist in der Membran 28 angeordnet. Der obere Abschnitt 42 und der untere Abschnitt 44 können jeweils einen größeren Außendurchmesser 48 als ein Außendurchmesser 50 des Schafts 46 aufweisen. Beispielsweise weist das Verbindungsstück 40 einen kreisförmigen Querschnitt mit unterschiedlichen Außendurchmessern im Bereich des oberen Abschnitts bzw. unteren Abschnitts im Vergleich zu dem Schaft 46 auf. Der obere Abschnitt 42 und der untere Abschnitt 44 können beispielsweise kappen- oder kalottenförmig ausgebildet sein, wohingegen der Schaft 46 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein kann. Die Membran 28 kann eine Dicke 52 von 0,05 µm bis 500 µm aufweisen, beispielsweise 0,8 µm. Der obere Abschnitt 42 und der untere Abschnitt 44 können eine Höhe 54, 56 von jeweils 0,1 µm bis 100 µm aufweisen, beispielsweise 4 µm. Entsprechend weisen der obere Abschnitt 42 und der untere Abschnitt 44 jeweils eine größere Höhe 54, 56 als die Dicke 52 der Festelektrolytmembran 28 auf. Der obere Abschnitt 42 bzw. der untere Abschnitt 44 können einen Außendurchmesser 48 von 0,01 bis 200 µm aufweisen, beispielsweise 8 µm. Es wird explizit betont, dass sich der Außendurchmesser 48 des oberen Abschnitts 42 von dem Außendurchmesser 48 des unteren Abschnitts 44 unterscheiden kann. Der Schaft 46 weist einen Außendurchmesser 50 von 0,01 µm bis 100 µm auf, beispielsweise 4 µm.
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Das Sensorelement 10 kann wie folgt hergestellt werden. In an sich bekannter Weise wird das Trägerelement 12 bereitgestellt. Der Sensorchip 14 wird wie folgt hergestellt. Zunächst wird das Substrat 22 bereitgestellt, wie beispielsweise ein Siliziumwafer. Auf das Substrat 22 wird die Membran 28 abgeschieden. Das Abscheiden kann beispielsweise mittels Sputtern, Vakuumverdampfen, chemischer Dampfabscheidung, Laserablation, Tauchbeschichten und Plasma- oder Dampfsprühverfahren erfolgen. Dann werden Durchkontaktierlöcher in die Membran 28 wie nachstehend beschrieben eingebracht. So wird ein positiver Fotoaktiver Fotolack auf die Membran 28 aufgebracht und ausgehärtet. Die Dicke des Fotolacks kann von 1 µm bis 50 µm sein. Dann wird der Bereich des Fotolacks, der sich oberhalb der Durchkontaktierlöcher befindet, unter Verwendung einer Fotomaske sichtbarem Licht ausgesetzt. Daraufhin wird eine Entwicklungslösung aufgebracht, die den Fotolack in den Bereichen, die dem Licht durch die Fotomaske ausgesetzt wurden, entfernt. Die übrigen Bereiche des Fotolacks schützen die darunter befindlichen Bereiche der Membran, wenn die Durchkontaktierlöcher eingebracht werden.
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Daraufhin werden die Durchkontaktierlöcher mittels Ätzens eingebracht. Das Ätzen kann beispielsweise mittels Ionendünnung erfolgen, bei der ein Strom von Argonionen auf die Membran 28 geführt wird. Der Argonionenstrom kann eine Flussstärke von mehr als 10 mA pro cm2 und eine Beschleunigungsspannung von mehr als 500 V aufweisen. Alternativ können die Durchkontaktierlöcher mittels Nassätzens mit einer Flusssäurelösung (HF) ausgebildet werden. Alternativ kann eine Kombination von Flusssäure und Hydrochlorsäure und Plasmaätzen und/oder Laserablation verwendet werden.
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Daraufhin wird eine Aussparung für den unteren Abschnitt 44 des Verbindungsstücks 40 geschaffen, beispielsweise unter Verwendung eines Plasmas mit Schwefelhexafluorid. Daraufhin werden die Durchkontaktierlöcher und die Aussparung für den unteren Abschnitt 44 elektroplattiert. Schließlich wird der Fotolack entfernt und das Material für das Verbindungsstück in das Durchkontaktierloch und die Aussparung für den unteren Abschnitt 44 eingebracht, bis sich auch der obere Abschnitt 42 gebildet hat.
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Schließlich wird das Substrat 22 partiell entfernt, um eine Aussparung unter der Membran 28 zu bilden. So wird beispielsweise ein negativer Fotolack auf eine Unterseite des Substrats 22 aufgebracht. Der Fotolack wird sichtbarem Licht durch eine Fotomaske ausgesetzt und dann werden diejenigen Bereiche des Fotolacks unter Verwendung einer Entwicklungslösung entfernt und geätzt, die nicht durch den Fotolack geschützt wurden. Dadurch bleibt ein Bereich, der nicht durch die Fotomaske dem sichtbaren Licht ausgesetzt wurde. Entsprechend wird dadurch das Substrat 22 mit der eigentlichen Membran 28 gebildet. Schließlich wird das Material für die erste Elektrode 24 und die zweite Elektrode 26 sowie den ersten Anschlusskontakt 30 und den zweiten Anschlusskontakt 32 aufgebracht. Das Material kann beispielsweise in Form einer Tinte mittels einer Nadel aufgebracht werden. Nachfolgend kann ein Härten oder Ausheizen erfolgen, um die Elektroden 24 und 26 mit einer bestimmten Porosität zu versehen. Das Ausheizen kann beispielsweise bei einer Temperatur von ungefähr 800 °C erfolgen. Der so hergestellte Sensorchip 14 wird dann in die Aussparung 20 des Trägerelements 20 eingesetzt. Abschließend werden dann der erste Anschlusskontakt 30 und der zweite Anschlusskontakt 32 jeweils mit einer der Leitungen 18 verbunden, beispielsweise mittels Bonddrähten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 [0003]