DE102015223654A1

DE102015223654A1 - Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space

Info

Publication number: DE102015223654A1
Application number: DE102015223654.4A
Authority: DE
Inventors: Carsten Herweg; Denis Kunz; Ramanan Ganeshananthan; Zach Byars; Timothy Schultz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-01
Also published as: WO2017093244A1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (20) vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases. Das Sensorelement (10) umfasst ein Substrat (12), eine Festelektrolytmembran (14) und eine Stützstruktur (16), wobei die Festelektrolytmembran (14) zumindest teilweise auf der Stützstruktur (16) angeordnet ist.A sensor element (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space (20) is proposed, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas. The sensor element (10) comprises a substrate (12), a solid electrolyte membrane (14) and a support structure (16), wherein the solid electrolyte membrane (14) is at least partially disposed on the support structure (16).

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. Stickoxidsensoren 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. Nitrogen oxide sensors determine both the nitrogen oxide concentration and the oxygen concentration in the exhaust gas.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So sind die oben beschriebenen Sensorelemente üblicherweise mit der so genannten keramischen Dickschichttechnik hergestellt. Diese Technik erlaubt nur vergleichsweise große Mindestabmessungen, sowohl hinsichtlich der Strukturbreiten als auch der Schichtdicken. Dadurch lassen sich nur vergleichsweise große Sensorelemente herstellen. Diese bringen eine vergleichsweise große thermische Masse mit, so dass zum Erreichen der notwendigen Betriebstemperatur von ungefähr 700 °C bis 800 °C Heizleistungen im ein- bis zweistelligen Wattbereich notwendig sind. Despite the advantages of the sensor elements known from the prior art, these still contain room for improvement. Thus, the sensor elements described above are usually made with the so-called ceramic thick film technology. This technique allows only comparatively large minimum dimensions, both in terms of structure widths and layer thicknesses. As a result, only comparatively large sensor elements can be produced. These bring a comparatively large thermal mass, so that in order to reach the required operating temperature of about 700 ° C to 800 ° C heating capacities in one to two-digit Watt range are necessary.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und das sich auch in einer miniaturisierten Bauweise stabil herstellen lässt. Da die erfindungsgemäß beschriebenen Sensorelemente im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar sein sollen und diese insbesondere im Bereich der Abgasnachbehandlung bestimmte Anforderungen erfüllen müssen, wird zugleich ein Sensorelement vorgeschlagen, das trotz der miniaturisierten Bauweise gegenüber dem Abgas robust ist. Therefore, a sensor element is proposed for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, which at least largely avoids the disadvantages of known sensor elements and which can also be produced stably in a miniaturized design. Since the sensor elements described according to the invention are to be used in the field of automotive engineering and these must meet certain requirements, in particular in the field of exhaust aftertreatment, a sensor element is proposed at the same time, which is robust despite the miniaturized construction compared to the exhaust gas.

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 Substrat, eine Festelektrolytmembran bzw. eine Festkörperelektrolythmembran und eine Stützstruktur. Die Festelektrolytmembran bzw. die Festkörperelektrolythmembran ist zumindest teilweise auf der Stützstruktur angeordnet. Mit anderen Worten stützt die Stützstruktur die Festelektrolytmembran ab. Durch das erfindungsgemäße Sensorelement lässt sich auf Basis eines Substrats, wie beispielsweise eines Siliziumsubstrats eine vergleichsweise dünne Membran aus einem ionenleitenden Material herstellen, mit deren Hilfe die Funktion gegenwärtiger Abgassensoren in einem Mikrochip abgebildet werden kann. Die daraus resultierende Miniaturisierung ermöglicht einen Betrieb mit geringen Heizleistungen, schnellen Aufheizzeiten und geringem Platzbedarf. Gleichzeitig stellt der Einsatz einer derartigen Dünnschichtmembran im Abgastrakt hohe Anforderungen an die mechanische und elektrisch funktionale Stabilität der Membranstruktur, die durch das Vorsehen der Stützstruktur erfüllt werden. So können im Abgastrakt hohe Druckschwankungen auftreten, beispielsweise mit Differenzdrücken von bis zu 6 bar, denen das erfindungsgemäße Sensorelement aufgrund der Stützstruktur standhalten kann. A sensor element according to the invention 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, comprises a substrate, a solid electrolyte membrane or a solid electrolyte membrane and a support structure. The solid electrolyte membrane or the solid electrolyte membrane is at least partially arranged on the support structure. In other words, the support structure supports the solid electrolyte membrane. By means of the sensor element according to the invention, on the basis of a substrate such as, for example, a silicon substrate, it is possible to produce a comparatively thin membrane from an ion-conducting material with the aid of which the function of current exhaust gas sensors can be imaged in a microchip. The resulting miniaturization allows operation with low heat outputs, fast heating times and small footprint. At the same time, the use of such a thin-film membrane in the exhaust gas tract places high demands on the mechanical and electrically functional stability of the membrane structure, which are fulfilled by the provision of the support structure. Thus, in the exhaust system high pressure fluctuations occur, for example, with differential pressures of up to 6 bar, which can withstand the sensor element according to the invention due to the support structure.

Die Stützstruktur kann dabei teilweise in der Festelektrolytmembran (bzw. in der synonym zu verstehenden Festkörperelektrolythmembran) angeordnet sein. Hohe Temperaturgradienten, wie sie im Abgas von Brennkraftmaschinen auftreten, können dadurch kompensiert werden. Insbesondere lassen sich dadurch thermische Spannungen innerhalb der Festelektrolytmembran bei schnellen Temperaturwechseln kompensieren. Die Stützstruktur kann insbesondere gitterförmig ausgebildet sein. Die Festelektrolytmembran kann dabei eine Mehrzahl von Membrankacheln aufweisen. Diese Membrankacheln werden von der gitterförmigen Stützstruktur umgeben. So kann es im Abgastrakt zu Wasserschlag kommen, d.h. Wasser trifft auf das bereits aufgeheizte Sensorelement. Das erfindungsgemäße Sensorelement kann solche gegebenenfalls stark lokalen Temperaturänderungen und daraus resultierende Spannungen im Festkörpermaterial ausgleichen und eine Rissbildung verhindern. The support structure may be partially arranged in the solid electrolyte membrane (or in the synonymous to be understood Festkörperelektrolytthmembran). High temperature gradients, such as occur in the exhaust gas of internal combustion engines can be compensated. In particular, this allows thermal stresses within the Compensate the solid electrolyte membrane during rapid temperature changes. The support structure may be formed in particular lattice-shaped. The solid electrolyte membrane may have a plurality of membrane roofs. These membrane roofs are surrounded by the grid-shaped support structure. This can lead to water hammer in the exhaust tract, ie water strikes the already heated sensor element. The sensor element according to the invention can compensate for such strong local temperature changes and resulting stresses in the solid state material and prevent cracking.

Die Stützstruktur kann Auflageabschnitte aufweisen. Die Festelektrolytmembran kann auf diesen Auflageabschnitten angeordnet sein. So kann es bei einer Exposition des Sensorelementes an bzw. in Abgas zu mechanischer Belastung der Membran kommen, beispielsweise durch Vibration oder durch Auftreffen von Wassertropfen, Ruß- und Aschepartikeln. Durch die besondere Ausbildung der Stützstruktur wird die Robustheit der Membran gegenüber solchen Belastungen erhöht. The support structure may have support sections. The solid electrolyte membrane may be disposed on these support sections. For example, exposure of the sensor element to or in the exhaust gas can lead to mechanical stress on the membrane, for example due to vibration or due to the impact of water droplets, soot particles and ash particles. Due to the special design of the support structure, the robustness of the membrane is increased against such loads.

Bevorzugt sind die Auflageabschnitte so ausgebildet, dass die Membrankacheln jeweils mit 20 % bis 50 %, beispielsweise 35 %, einer den Auflageabschnitten zugewandten Oberfläche auf den Auflageabschnitten aufliegen. Dadurch wird die Druckstabilität der Membran weiter erhöht, da die Auflagefläche der Membrankacheln auf der Stützstruktur vergrößert wird. Dies reduziert zwar einerseits die Elektrolytfläche, die für die Messgasionenleitung genutzt werden kann, verstärkt aber andererseits die Stabilität der Membran bei Druckstößen senkrecht zur Membranoberfläche. Dadurch können vorteilhaft Leckagen bzw. Gasdurchtritte zwischen dem Messgasraum und dem Referenzgasraum an der Membran vorbei zuverlässig vermieden werden. Dies ist wichtig, da bereits kleine Leckagen das Messsignal verfälschen können. Preferably, the support portions are formed so that the membrane roofs each rest with 20% to 50%, for example, 35%, a surface facing the support portions on the support sections. As a result, the pressure stability of the membrane is further increased, since the bearing surface of the membrane roofs on the support structure is increased. On the one hand, this reduces the electrolyte surface which can be used for the measurement gas ion conduction, but on the other hand it enhances the stability of the membrane in the case of pressure surges perpendicular to the membrane surface. As a result, leakages or gas passages between the sample gas space and the reference gas space past the membrane can be reliably avoided. This is important because even small leaks can falsify the measurement signal.

Die Stützstruktur kann die Festelektrolytmembran durchdringen. Beispielsweise weist die Stützstruktur Rippen auf, die die Festelektrolytmembran durchdringen. Dadurch kann die mechanische Festigkeit der Gesamtstruktur erhöht werden. Das Sensorelement kann einen Referenzgasraum aufweisen. Der Referenzgasraum kann z.B. mit Luft gefüllt sein. The support structure can penetrate the solid electrolyte membrane. For example, the support structure has ribs that penetrate the solid electrolyte membrane. This can increase the mechanical strength of the overall structure. The sensor element may have a reference gas space. The reference gas space may e.g. be filled with air.

Die Rippen können von der Festelektrolytmembran in Richtung zu dem Referenzgasraum vorstehen. Die Festelektrolytmembran kann dabei den Messgasraum von dem Referenzgasraum trennen. Ihre Länge wirkt sich positiv auf die Stabilität der Stützstruktur und damit auf die Stabilität des Sensorelements aus. The ribs may protrude from the solid electrolyte membrane toward the reference gas space. The solid electrolyte membrane can separate the sample gas space from the reference gas space. Their length has a positive effect on the stability of the support structure and thus on the stability of the sensor element.

Zwischen den Rippen und der Festelektrolytmembran, also z.B. entlang der lateralen Erstreckungsrichtung der Membran, kann eine Haftschicht bzw. eine Haftvermittlerschicht angeordnet sein. Die Haftschicht kann die Rippen und die Festelektrolytmembran berühren. Um beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas anhand der Nernstspannung messen zu können, muss die Membranstruktur eine gasdichte Trennung des Abgasraums von Referenzluftraum gewährleisten. Insbesondere bei hochgenauen Sauerstoffmessungen kann eine Leckage des Messgases jedoch zur Verfälschung des Sensorsignals führen. Für die Anwendung insbesondere als Abgassensorelement kann daher eine zusätzliche Haftschicht zwischen den Membrankacheln und der Stützstruktur zur Erhöhung der Dichtheit gegenüber einem Gasdurchtritt seitlich an den Membrankacheln vorbei eingesetzt werden. Between the ribs and the solid electrolyte membrane, e.g. along the lateral direction of extension of the membrane, an adhesive layer or an adhesion promoter layer can be arranged. The adhesive layer may contact the ribs and the solid electrolyte membrane. For example, in order to be able to measure the oxygen concentration in the exhaust gas on the basis of the Nernst voltage, the membrane structure must ensure a gas-tight separation of the exhaust gas space from the reference air space. However, especially with highly accurate oxygen measurements, a leakage of the measuring gas can lead to a falsification of the sensor signal. For the application, in particular as exhaust gas sensor element therefore an additional adhesive layer between the membrane roofs and the support structure to increase the tightness against a gas passage can be used laterally past the membrane roofs.

Bevorzugt ist die Haftschicht bzw. die Haftvermittlerschicht aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt. Die Haftschicht bzw. die Haftvermittlerschicht kann beispielsweise ein Material aus der Gruppe der Nitride oder Oxide, z.B. Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Hafniumoxid umfassen. Die Haftschicht wirkt dabei als Vermittlerschicht zwischen der nitridischen Stützstruktur (z.B. aus Siliziumnitrid) und der oxidischen Festelektrolytmembran (z.B. aus Zirkonoxid bzw. Zirkondioxid), indem sie chemisch sowohl an die nitridische Stützstruktur als auch an die oxidische Festelektrolytkeramik anbindet. Die Festelektrolyt-Membran kann auf diese Weise vorteilhaft stabiler und dauerhafter mit der Stützstruktur verbunden werden. Es kann sich auf diese Weise vorteilhaft z.B. eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den jeweils beteiligten Schichten ausbilden, bzw. eine höhere Verbindungsstärke zwischen den Schichtpartnern ergeben, als es ohne die Haftschicht bzw. die Haftvermittlerschicht alleine zwischen der Festelektrolythmembran und der Stützstruktur möglich wäre. Die Haftschicht kann auch unter einer Auflagefläche der Membran bzw. der Membrankachel angeordnet sein, also zwischen der Membran und der Auflagefläche der Stützstruktur. Dadurch sind weiterhin vorteilhaft die sensorsignalbildenden Bereiche, d.h. die Membrankacheln, elektrisch von der Stützstruktur entkoppelt bzw. isoliert. Dadurch können Leckströme vermieden werden, so dass die Qualität erhöht und Ansprechzeit des Sensorsignals verbessert, also verringert, wird. The adhesive layer or the adhesion promoter layer is preferably produced from an electrically insulating material. The adhesive layer or the adhesion promoter layer may, for example, be a material from the group of nitrides or oxides, e.g. Alumina, silica, hafnium oxide. The adhesive layer acts as a mediator layer between the nitridic support structure (e.g., silicon nitride) and the oxide solid electrolyte membrane (e.g., zirconia or zirconia) by chemically bonding to both the nitride support structure and the oxide solid electrolyte ceramic. The solid electrolyte membrane can be connected in this way advantageously more stable and durable with the support structure. It may be advantageous in this way e.g. Form a cohesive connection between the respective layers involved, or give a higher bond strength between the layer partners, as it would be possible without the adhesive layer or the adhesive layer alone between the solid electrolyte membrane and the support structure. The adhesive layer can also be arranged under a bearing surface of the membrane or the membrane tile, ie between the membrane and the bearing surface of the support structure. Thereby, furthermore, the sensor signal-forming regions, i. the membrane roofs, electrically decoupled from the support structure or isolated. As a result, leakage currents can be avoided, so that the quality is increased and the response time of the sensor signal is improved, ie reduced.

Die Rippen können von der Festelektrolytmembran in Richtung zu dem Messgasraum vorstehen. Die Rippen können beispielsweise mit einer Höhe von der Festelektrolytmembran in Richtung zu dem Messgasraum vorstehen, die mindestens so groß wie und bevorzugt größer als eine Dicke der Festelektrolytmembran ist. Dadurch lässt sich die mechanische Festigkeit der Gesamtstruktur zusätzlich erhöhen. Die Stützstruktur kann aus einem dielektrischen Material hergestellt sein, da so die Festelektrolytmembran gegenüber der Stützstruktur elektrisch entkoppelt bzw. isoliert ist. The ribs may protrude from the solid electrolyte membrane toward the sample gas space. The ribs may protrude, for example, with a height from the solid electrolyte membrane in the direction of the measuring gas space, which is at least as large as and preferably greater than a thickness of the solid electrolyte membrane. As a result, the mechanical strength of the overall structure can be additionally increased. The support structure may consist of a be prepared dielectric material, since so the solid electrolyte membrane with respect to the support structure is electrically decoupled or isolated.

Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytmembran oder aus mehreren Festelektrolytmembranen ausgebildet sein. 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 Ausdehnung der Membran darstellen, deutlich größer als eine Abmessung der dritten Dimension ist, die die Höhe der Membran darstellt. 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 membrane or of a plurality of solid electrolyte membranes. In the context of the present invention, a membrane is to be understood as meaning a uniform mass in the areal extent of a certain height. A membrane is thus a three-dimensional body in which dimensions of two dimensions representing the areal extent of the membrane are significantly larger than a dimension of the third dimension representing the height of the membrane.

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, the electrodes comprise a noble metal electrode which may, for example, be deposited on the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication 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 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 ausgebildet, insbesondere Siliziumwafer, also als Wafer, der aus Silizium hergestellt ist. Das Substrat kann alternativ aus einem keramischen Material hergestellt sein. Hier kann das Substrat z.B. als Träger für die Festelektrolyt-Membran dienen. In the context of the present invention, a substrate is to be understood as meaning a component which carries the electronic or electrical components of the sensor chip. Usually, the substrate is formed as a so-called wafer, in particular silicon wafer, that is, as a wafer, which is made of silicon. The substrate may alternatively be made of a ceramic material. Here, the substrate may be e.g. serve as a carrier for the solid electrolyte membrane.

Ein Vorteil der Miniaturisierung des Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass es schnell auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden kann. Dies ist beispielsweise für eine schnelle Betriebsbereitschaft des Sensors nach einem Motorstart von großer Bedeutung. Bei Hybridfahrzeugen kann darüber hinaus gewährleistet werden, dass bei Phasen des rein elektrischen Fahrens die Beheizung des Sensors vollständig ausgeschaltet und beim Übergang in den Betrieb mit Verbrennungsmotor eine erneute schnelle Betriebsbereitschaft sichergestellt ist. Das schnelle Aufheizen des Sensors ist jedoch aufgrund interner Stresszustände der verwendeten Materialien mit erheblichen Schichtspannungen verbunden. Ein schnelles Aufheizen und damit die oben genannten Anwendungsvorteile sind daher nur möglich, wenn die Dünnschichtmembran entsprechend der vorliegenden Erfindung stabilisiert wird und somit ausreichend robust gegenüber den Temperaturänderungen während des Aufheizvorgangs ausgeführt ist. Eine große Auflagefläche und/oder eine Haftschicht zwischen der Membran und der Stützstruktur bzw. den Rippen der Stützstruktur können hierbei die Stabilität der Membran und die Dichtheit gegenüber einem Gasdurchtritt vom Messgasraum zum Referenzgasraum seitlich an der Membran bzw. an Membrankacheln vorbei erheblich verbessern. An advantage of miniaturizing the sensor element according to the present invention is that it can be heated up quickly to operating temperature. This is of great importance, for example, for a quick operational readiness of the sensor after an engine start. In hybrid vehicles can also be ensured that in phases of purely electric driving, the heating of the sensor is completely switched off and the transition to operation with internal combustion engine, a quick readiness to operate is ensured. However, the rapid heating of the sensor is associated with significant stress due to internal stress conditions of the materials used. Rapid heating and thus the abovementioned application advantages are therefore only possible if the thin-film membrane is stabilized in accordance with the present invention and is therefore sufficiently robust to the temperature changes during the heating process. A large contact surface and / or an adhesive layer between the membrane and the support structure or the ribs of the support structure can significantly improve the stability of the membrane and the seal against gas passage from the sample gas space to the reference gas space laterally on the membrane or on membrane roofs.

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:

1 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 1 a plan view of a sensor element according to a first embodiment of the invention,

2 eine Querschnittsansicht des Sensorelements der ersten Ausführungsform, 2 a cross-sectional view of the sensor element of the first embodiment,

3 eine Draufsicht auf eine Fotomaske zur Herstellung der Struktur aus 1, 3 a plan view of a photomask for the preparation of the structure 1 .

4 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Zelle der Fotomaske aus 3, 4 a plan view of an exemplary cell of the photomask from 3 .

5 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, 5 a top view of a sensor element according to a second embodiment of the invention,

6 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, 6 a top view of a sensor element according to a third embodiment of the invention,

7 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, 7 a top view of a sensor element according to a fourth embodiment of the invention,

8 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, 8th a top view of a sensor element according to a fifth embodiment of the invention,

9 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, und 9 a plan view of a sensor element according to a sixth embodiment of the invention, and

10 eine Querschnittsansicht des Sensorelements der sechsten Ausführungsform. 10 a cross-sectional view of the sensor element of the sixth embodiment.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 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. 1 shows a plan view of a sensor element according to the invention 10 according to a first embodiment of the invention. The sensor element according to the invention 10 can be used to detect physical and / or chemical properties of a sample 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.

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 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 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, 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 Sensorelement 10 weist ein Substrat 12, wie beispielsweise ein Siliziumsubstrat, eine Festelektrolytmembran 14 und eine Stützstruktur 16 auf. Die Festelektrolytmembran 14 ist mit dem Substrat 12 verbunden bzw. an diesem aufgehängt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Die Festelektrolytmembran 14 ist beispielsweise aus YSZ hergestellt. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, ist die Festelektrolytmembran 14 zumindest teilweise auf der Stützstruktur 16 angeordnet. The sensor element 10 has a substrate 12 , such as a silicon substrate, a solid electrolyte membrane 14 and a support structure 16 on. The solid electrolyte membrane 14 is with the substrate 12 connected or suspended, as will be described in more detail below. The solid electrolyte membrane 14 is made of YSZ, for example. As described in more detail below, the solid electrolyte membrane is 14 at least partially on the support structure 16 arranged.

Die Festelektrolytmembran 14 weist eine Mehrzahl von Membrankacheln 18 auf. Die Membrankacheln 18 sind in einem regelmäßigen Muster ausgebildet. Bei dem Sensorelement 10 der ersten Ausführungsform sind die Membrankacheln 18 wabenförmig oder hexagonal ausgebildet. Die Stützstruktur 16 ist gitterförmig ausgebildet. Beispielsweise ist die Stützstruktur bezogen auf die Draufsicht der 1 ebenfalls wabenförmig oder hexagonal ausgebildet und umgibt die einzelnen Membrankacheln 18. Die Festelektrolytmembran 14, d.h. die YSZ-Schicht, muss nicht zwangsläufig mit dem Substrat 12, d.h. mit dem Silizium, verbunden sein. So sind insbesondere die Membrankacheln 18 als separate Membranelemente anzusehen, d.h. es besteht hier keine durchgängige Festelektrolytmembranschicht. Es ist vielmehr von Vorteil, wenn zwischen dem YSZ der Festelektrolytmembran 14 und Silizium des Substrats 12 eine elektrisch isolierende Schicht wie bspw. die Stützstruktur 16 liegt. The solid electrolyte membrane 14 has a plurality of membrane roofs 18 on. The membrane roofs 18 are formed in a regular pattern. In the sensor element 10 The first embodiment is the membrane roof 18 formed honeycomb or hexagonal. The support structure 16 is formed lattice-shaped. For example, the support structure with respect to the top view of 1 also honeycomb or hexagonal and surrounds the individual membrane roofs 18 , The solid electrolyte membrane 14 ie the YSZ layer does not necessarily have to be with the substrate 12 , ie be connected to the silicon. So are in particular the membrane roofs 18 As a separate membrane elements, ie there is no continuous solid electrolyte membrane layer here. It is rather advantageous if between the YSZ of the solid electrolyte membrane 14 and silicon of the substrate 12 an electrically insulating layer such as the support structure 16 lies.

2 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorelements 10. Wie in 2 zu erkennen ist, ist die Festelektrolytmembran 14 mit dem Substrat 12 verbunden bzw. an diesem aufgehängt. Die Festelektrolytmembran 14 trennt einen Messgasraum 20 von einem Referenzgasraum 22, wobei sich der Referenzgasraum 22 bezogen auf die Darstellung der 2 unterhalb der Festelektrolytmembran 14 befindet und der Messgasraum 20 oberhalb der Festelektrolythmembran 14. In dem Referenzgasraum 22 befindet sich ein Referenzgas bekannter Zusammensetzung, z.B. Luft. In dem Messgasraum 20 befindet sich z.B. Abgas, dessen Sauerstoffanteil erfasst werden soll. Der Referenzgasraum 22 ist beispielsweise in Form einer Kaverne ausgebildet. Es ist zu verstehen, dass in einem anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, der Messgasraum 20 unterhalb der Festelektrolythmembran 14 und der Referenzgasraum 22 oberhalb der Festelektrolythmembran 14 angeordnet sein können. 2 shows a cross-sectional view of the sensor element 10 , As in 2 can be seen, is the solid electrolyte membrane 14 with the substrate 12 connected or hung on this. The solid electrolyte membrane 14 separates a sample gas chamber 20 from a reference gas space 22 , where the reference gas space 22 referring to the representation of 2 below the solid electrolyte membrane 14 located and the sample gas space 20 above the solid electrolyte membrane 14 , In the reference gas space 22 there is a reference gas of known composition, eg air. In the sample gas chamber 20 For example, there is exhaust gas whose oxygen content is to be detected. The reference gas space 22 is formed for example in the form of a cavern. It is to be understood that in another, not shown embodiment, the sample gas space 20 below the solid electrolyte membrane 14 and the reference gas space 22 above the solid electrolyte membrane 14 can be arranged.

Alternativ kann der Referenzgasraum 22 als Messgasraum ausgebildet sein, so dass sich in dem Referenzgasraum das eigentlich zu erfassende Messgas befindet. In diesem Fall ist die dem Referenzgasraum 22 abgewandte Seite der Festelektrolytmembran 14 einem Referenzgas ausgesetzt bzw. zugewandt. Mit anderen Worten können der Messgasraum 20 und der Referenzgasraum 22 umgekehrt zu der Darstellung in 2 angeordnet sein. Alternatively, the reference gas space 22 be designed as a sample gas space, so that is located in the reference gas space actually to be detected sample gas. In this case, that is the reference gas space 22 opposite side of the solid electrolyte membrane 14 exposed or facing a reference gas. In other words, the sample gas space 20 and the reference gas space 22 vice versa to the illustration in 2 be arranged.

Wie aus der Darstellung der 2 zu entnehmen ist, ist die Stützstruktur 16 zumindest teilweise in der Festelektrolytmembran 14 angeordnet. Die Stützstruktur 16 kann dabei die Festelektrolytmembran 14 durchdringen. So weist die Stützstruktur 16 beispielsweise Rippen 24 auf, die die Festelektrolytmembran 14 durchdringen. Die Rippen 24 stehen dabei von der Festelektrolytmembran 14 in Richtung zu dem Messgasraum 20 vor. Eine gesamte Höhe 26 der Stützstruktur 16 ist dabei deutlich größer als eine Dicke 28 der Festelektrolytmembran 14. Beispielsweise ist die Höhe 26 der Stützstruktur 16 mindestens dreimal größer als die Dicke 28 der Festelektrolytmembran 14. Insbesondere stehen die Rippen 24 mit einer Höhe 30 von der Festelektrolytmembran 14 in Richtung zu dem Messgasraum 20 vor, die mindestens so groß wie und bevorzugt größer als eine Dicke 28 der Festelektrolytmembran 14 ist. Beispielsweise ist die Höhe 30 1,5-mal größer als die Dicke 28. Die Stützstruktur 16 ist dabei aus einem dielektrischen Material hergestellt, wie beispielsweise Siliziumnitrid oder Titandioxid. As from the representation of 2 it can be seen, is the support structure 16 at least partially in the solid electrolyte membrane 14 arranged. The support structure 16 can the solid electrolyte membrane 14 penetrate. So has the support structure 16 for example, ribs 24 on which the solid electrolyte membrane 14 penetrate. Ribs 24 stand thereby from the solid electrolyte membrane 14 towards the sample gas chamber 20 in front. An entire height 26 the support structure 16 is significantly larger than a thickness 28 the solid electrolyte membrane 14 , For example, the height 26 the support structure 16 at least three times larger than the thickness 28 the solid electrolyte membrane 14 , In particular, the ribs are 24 with a height 30 from the solid electrolyte membrane 14 towards the sample gas chamber 20 which is at least as large as and preferably greater than a thickness 28 the solid electrolyte membrane 14 is. For example, the height 30 1.5 times larger than the thickness 28 , The support structure 16 is made of a dielectric material, such as silicon nitride or titanium dioxide.

Weiterhin stehen die Rippen 24 in Richtung zu dem Referenzgasraum 22 vor. Wichtig für die Stabilisierung sind vor allem die Rippen 24, die in Richtung des Referenzgasraumes 22, also in Richtung Chipunterseite ausgeprägt sind. Ihre Länge wirkt sich positiv auf die Stabilität der Stützstruktur 16 und damit auf die Stabilität des Sensorelements 10 aus. Je größer die Länge der Rippen 24 innerhalb des Referenzgasraumes 22 ist, desto stabiler ist die Festelektrolytmembran 14 bzw. ist die Anordnung der Membrankacheln 18. Bevorzugt beträgt die Länge der Rippen innerhalb des Referenzgasraums 22 wenigstens das 1,5-fache der Dicke der Festelektrolytmembran 14, besonders bevorzugt wenigstens das 10-fache bis 50-fache der Dicke der Festelektrolytmembran 14. Continue to stand the ribs 24 towards the reference gas space 22 in front. Especially important for the stabilization are the ribs 24 moving in the direction of the reference gas space 22 , so are pronounced towards the chip bottom. Their length has a positive effect on the stability of the support structure 16 and thus on the stability of the sensor element 10 out. The larger the length of the ribs 24 within the reference gas space 22 is, the more stable is the solid electrolyte membrane 14 or is the arrangement of the membrane roofs 18 , The length of the ribs is preferably within the reference gas space 22 at least 1.5 times the thickness of the solid electrolyte membrane 14 , more preferably at least 10 to 50 times the thickness of the solid electrolyte membrane 14 ,

Die Stützstruktur 16 weist weiterhin Auflageabschnitte 32 auf. Auf diesen Auflageabschnitten 32 ist die Festelektrolytmembran 14 angeordnet. Die Auflageabschnitte 32 sind dabei vergleichsweise groß ausgebildet. Insbesondere sind die Auflageabschnitte 32 so ausgebildet, dass die Membrankacheln 18 jeweils mit 20 % bis 50 % einer den Auflageabschnitten 32 zugewandten Oberfläche 34 auf den Auflageabschnitten 32 aufliegen. Mit anderen Worten liegt jede Membrankachel 18 mit ihrer den Auflageabschnitten 32 zugewandten Oberfläche 34 in einem Maß von 20 % bis 50 %, beispielsweise 35 %, auf. Entsprechend werden die Membrankacheln 18 entlang ihres Umfangs gleichmäßig abgestützt. The support structure 16 still has support sections 32 on. On these support sections 32 is the solid electrolyte membrane 14 arranged. The support sections 32 are formed comparatively large. In particular, the support sections 32 designed so that the membrane roofs 18 each with 20% to 50% of the support sections 32 facing surface 34 on the support sections 32 rest. In other words, every membrane tile lies 18 with their support sections 32 facing surface 34 at a level of 20% to 50%, for example 35%. Accordingly, the membrane roofs 18 evenly supported along its circumference.

Wie oben erwähnt, trennt die Festelektrolytmembran 14 den Messgasraum 20 von Referenzgasraum 22 gasdicht. Die Gasdichtheit kann weiter erhöht werden durch das Vorsehen einer optionalen Haftschicht 36 zwischen den Rippen 24 und der Festelektrolytmembran 14, also entlang der lateralen Richtung betrachtet zwischen den Rippen 24 und der Festelektrolytmembran 14. Dabei berührt die Haftschicht 36 die Rippen 24 und die Festelektrolytmembran 14. Gemäß der Darstellung der 2 ist die Haftschicht 36 auch auf den Auflageabschnitten 32 aufgebracht, so dass die Membrankacheln 18 nicht unmittelbar mit ihrer Oberfläche 34 auf den Auflageabschnitten 32 aufliegen, sondern auf der Haftschicht 36. Die Haftschicht 36 ist bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, wie beispielsweise Siliziumdioxid. Die Haftschicht wirkt dabei als Vermittlerschicht zwischen der nitridischen Stützstruktur (z.B. aus Siliziumnitrid) und der oxidischen Festelektrolytmembran (z.B. aus Zirkonoxid bzw. aus Zirkondioxid), indem sie chemisch sowohl an die nitridische Stützstruktur als auch an die oxidische Festelektrolytkeramik anbindet. As mentioned above, the solid electrolyte membrane separates 14 the sample gas chamber 20 from reference gas space 22 gas-tight. The gas tightness can be further increased by the provision of an optional adhesive layer 36 between the ribs 24 and the solid electrolyte membrane 14 , ie viewed along the lateral direction between the ribs 24 and the solid electrolyte membrane 14 , The adhesive layer touches 36 Ribs 24 and the solid electrolyte membrane 14 , According to the presentation of the 2 is the adhesive layer 36 also on the support sections 32 applied, leaving the membrane roofs 18 not directly with its surface 34 on the support sections 32 rest but on the adhesive layer 36 , The adhesive layer 36 is preferably made of an electrically insulating material, such as silicon dioxide. The adhesive layer acts as a mediator between the nitridic support structure (eg, silicon nitride) and the oxide solid electrolyte membrane (eg, zirconia or zirconia) by chemically bonding both to the nitridic support structure and to the oxide solid electrolyte ceramic.

Das Sensorelement 10 kann wie nachstehend beschrieben hergestellt werden. Zunächst wird das Substrat 12 bereitgestellt. Das Substrat 12 wird insbesondere als durchgehender Festkörper bereitgestellt. Optional kann auf das Substrat 12 eine Opferschicht aufgebracht werden. Dies ist jedoch nicht zwingend. In jedem Fall wird auf das Substrat 12 ein Fotolack aufgebracht. Beispielsweise wird der Fotolack mit einer Dicke von ungefähr 2 µm aufgebracht. The sensor element 10 can be prepared as described below. First, the substrate 12 provided. The substrate 12 is provided in particular as a continuous solid. Optionally, on the substrate 12 a sacrificial layer are applied. However, this is not mandatory. In any case, on the substrate 12 applied a photoresist. For example, the photoresist is applied with a thickness of about 2 μm.

Der Fotolack wird durch eine Fotomaske 38 hindurch belichtet. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte Fotomaske 38. Die Fotomaske 38 weist ein gitterförmiges Muster 40 auf, das mehrere Zellen 42 definiert. Jede Zelle 42 weist eine vorbestimmte Form auf. The photoresist is passed through a photomask 38 illuminated through. 3 shows a plan view of an exemplary photomask 38 , The photomask 38 has a grid pattern 40 on that, several cells 42 Are defined. Every cell 42 has a predetermined shape.

4 zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte Zelle 42. Da die Fotomaske 38 zur Herstellung der oben beschriebenen Membrankacheln 18 verwendet wird, weisen die Zellen 42 bei der beispielhaften Fotomaske 38 eine hexagonale Form auf. 4 shows a plan view of an exemplary cell 42 , Because the photomask 38 for producing the membrane roofs described above 18 the cells are used 42 in the exemplary photomask 38 a hexagonal shape.

Durch Bestrahlung mittels Lichts, werden z.B. diejenigen Bereiche des Fotolacks entfernbar bzw. löslich, die von der Fotomaske 38 abgedeckt wurden. Die Entfernung dieser Bereiche kann in einem Entwicklungsprozess in an sich bekannter Weise erfolgen. By irradiation by means of light, for example, those areas of the photoresist become soluble or soluble, that of the photomask 38 were covered. The removal of these areas can be done in a development process in a conventional manner.

Die so freigelegten Bereiche des Fotolacks bilden ein regelmäßiges Gittermuster, das bei der Herstellung der Stützstruktur 16 verwendet wird. Mittels isotropen Ätzens wird an den Stellen der so freigelegten Bereiche des Fotoloacks eine Mehrzahl von Vertiefungen in das Substrat 12 eingebracht. Da das Substrat 12 aus Silizium hergestellt ist, werden die Vertiefungen eingebracht, beispielsweise mittels Schwefelhexafluorid (SF₆). Die Vertiefungen werden dabei derart eingebracht, dass diese gitterförmig ausgebildet werden, da diese die später vorzusehende Stützstruktur 16 bilden. Um die in 2 gezeigte Form der Stützstruktur zu erzielen, werden zwei unterschiedliche Ätzprozesse mit zwei unterschiedlichen Anisotropiegraden verwendet: Ein Ätzprozess mit hoher Anisotropie wird eingesetzt, um die geradlinigen Vertiefungen (Rippen) herzustellen. Die kelchförmige Struktur hingegen wird mit Hilfe eines weniger anisotropen bzw. mit Hilfe eines isotropen Ätzprozesses erzeugt. Anschließend wird der restliche Fotolack entfernt, beispielsweise mittels Strippens. The thus exposed areas of the photoresist form a regular grid pattern, which in the preparation of the support structure 16 is used. By means of isotropic etching, a plurality of depressions are formed in the substrate at the locations of the thus exposed regions of the photoresist 12 brought in. Because the substrate 12 is made of silicon, the wells are introduced, for example by means of sulfur hexafluoride (SF ₆ ). The depressions are introduced in such a way that they are formed like a lattice, since this is the later to be provided support structure 16 form. To the in 2 To achieve the shape of the support structure shown, two different etching processes with two different anisotropy levels are used: An etching process with high anisotropy is used to produce the rectilinear depressions (ribs). In contrast, the cup-shaped structure is produced by means of a less anisotropic or by means of an isotropic etching process. Subsequently, the remaining photoresist is removed, for example by stripping.

Die Vertiefungen werden mit Material für die Stützstruktur 16 gefüllt. Beispielsweise wird Siliziumnitrid oder Titandioxid mittels chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition) oder plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) abgeschieden. Ein oberer Bereich des so aufgebrachten Materials für die Stützstruktur 16 wird mittels Trockenätzens entfernt, beispielsweise mittels Nitridätzens. Das Entfernen erfolgt dabei selektiv, so dass die Rippen 24 gebildet werden. Zwischen die Rippen 24 wird daraufhin das Material für die Festelektrolytmembran 14 abgeschieden, wie beispielsweise ein Elektrolytmaterial, insbesondere YSZ. Das Abscheiden kann beispielsweise mittels Elektronenstrahlverdampfens erfolgen. Optional kann vor dem Aufbringen des Materials für die Festelektrolytmembran 14 das Material für die Haftschicht 36 aufgebracht werden. Schließlich werden auf der Rückseite des Substrats 12 ausgewählte Bereiche entfernt, die den Referenzgasraum 22 bilden. Das Entfernen kann mittels Nassätzens erfolgen, wie beispielsweise mittels Kaliumhydroxid (KOH). The indentations are made with material for the support structure 16 filled. For example, silicon nitride or titanium dioxide is deposited by means of chemical vapor deposition or plasma-enhanced chemical vapor deposition. An upper portion of the material thus applied for the support structure 16 is removed by dry etching, for example by nitride etching. The removal takes place selectively, so that the ribs 24 be formed. Between the ribs 24 then becomes the material for the solid electrolyte membrane 14 deposited, such as an electrolyte material, in particular YSZ. The deposition can be done for example by means of electron beam evaporation. Optionally, prior to application of the material for the solid electrolyte membrane 14 the material for the adhesive layer 36 upset become. Finally, be on the back of the substrate 12 removed selected areas that the reference gas space 22 form. Removal may be by wet etching, such as by potassium hydroxide (KOH).

Die oben beschriebene Stützstruktur 16 und die Membrankacheln 18 sind nicht auf die hexagonale Form beschränkt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. The support structure described above 16 and the membrane roofs 18 are not limited to the hexagonal shape, as described in more detail below.

5 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteil sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der zweiten Ausführungsform weisen die Membrankacheln 18 ebenfalls eine hexagonale Form auf. Hierbei sind im Unterschied zur 1 benachbarte hexagonalen Zellen jedoch weiter voneinander beabstandet. Ein Abstand 44 zwischen benachbarten Membrankacheln 18 kann dabei kleiner als eine Abmessung 46 zwischen parallelen Seiten der hexagonalen Form der Membrankacheln sein. Die Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Membrankacheln 18 erlaubt. 5 shows a plan view of a sensor element 10 according to a second embodiment of the invention. Hereinafter, only the differences from the foregoing embodiment will be described, and like components will be denoted by like reference numerals. In the sensor element 10 In the second embodiment, the membrane roofs 18 also a hexagonal shape. Here are in contrast to 1 however, adjacent hexagonal cells are more widely spaced. A distance 44 between adjacent membrane roofs 18 can be smaller than one dimension 46 between parallel sides of the hexagonal shape of the membrane roofs. The preparation is carried out analogously to the production of the sensor element 10 the first embodiment with the only difference that a photomask is used, the formation of the previously described form for the support structure 16 and the membrane roofs 18 allowed.

6 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der dritten Ausführungsform weisen die Membrankacheln 18 eine quadratische Form auf. 6 shows a plan view of a sensor element 10 according to a third embodiment of the invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiment will be described and the same components are given the same reference numerals. In the sensor element 10 In the third embodiment, the membrane roofs 18 a square shape.

Die Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Membrankacheln 18 erlaubt. The preparation is carried out analogously to the production of the sensor element 10 the first embodiment with the only difference that a photomask is used, the formation of the previously described form for the support structure 16 and the membrane roofs 18 allowed.

7 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der vierten Ausführungsform weisen die Membrankacheln 18 eine dreieckige Form auf. Die Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Membrankacheln 18 erlaubt. 7 shows a plan view of a sensor element 10 according to a fourth embodiment of the invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiment will be described and the same components are given the same reference numerals. In the sensor element 10 In the fourth embodiment, the membrane roofs 18 a triangular shape. The preparation is carried out analogously to the production of the sensor element 10 the first embodiment with the only difference that a photomask is used, the formation of the previously described form for the support structure 16 and the membrane roofs 18 allowed.

8 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der fünften Ausführungsform weisen die Membrankacheln 18 eine Kreisform auf. Die Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Membrankacheln 18 erlaubt. 8th shows a plan view of a sensor element 10 according to a fifth embodiment of the invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiment will be described and the same components are given the same reference numerals. In the sensor element 10 of the fifth embodiment, the membrane roofs 18 a circular shape. The preparation is carried out analogously to the production of the sensor element 10 the first embodiment with the only difference that a photomask is used, the formation of the previously described form for the support structure 16 and the membrane roofs 18 allowed.

9 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der sechsten Ausführungsform ist das Substrat 12 derart ausgebildet, dass es mehrere Festelektrolytmembranen 14 mit den Membrankacheln 18 und mehrere Stützstrukturen 16 gibt. Mit anderen Worten bildet das Substrat 12 mehrere Rahmenabschnitte 48, die die einzelnen Festelektrolytmembranen 14 und Stützstrukturen 16 voneinander trennen, insbesondere räumlich trennen. Die einzelnen Festelektrolytmembranen 14 und Stützstrukturen 16 können dabei in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein. Lediglich beispielhaft ist das Substrat 12 mit den Rahmenabschnitten 48 so ausgebildet, dass 16 Festelektrolytmembranen 14 und 16 Stützstrukturen in einem rechteckigen Muster aus 4 Zeilen und 4 Spalten angeordnet sind. Jede der Festelektrolytmembranen 14 und jede der Stützstrukturen 16 ist wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben ausgebildet. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform ist die eine große Festelektrolytmembran 14 in mehrere kleinere Festelektrolytmembranen 14 unterteilt, denen jeweils eine eigene Stützstruktur zugeordnet ist. 9 shows a plan view of a sensor element 10 according to a sixth embodiment of the invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components are given the same reference numerals. In the sensor element 10 The sixth embodiment is the substrate 12 designed so that there are several solid electrolyte membranes 14 with the membrane roofs 18 and several support structures 16 gives. In other words, the substrate forms 12 several frame sections 48 containing the individual solid electrolyte membranes 14 and support structures 16 separate, in particular spatially separate. The individual solid electrolyte membranes 14 and support structures 16 can be arranged in a regular pattern. By way of example only, the substrate is 12 with the frame sections 48 so educated that 16 Solid electrolyte membranes 14 and 16 Support structures in a rectangular pattern 4 Lines and 4 Columns are arranged. Each of the solid electrolyte membranes 14 and each of the support structures 16 is formed as described in the first embodiment. Compared to the first embodiment, it is a large solid electrolyte membrane 14 into several smaller solid electrolyte membranes 14 subdivided, each of which has its own support structure assigned.

10 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorelements 10 der sechsten Ausführungsform der Erfindung. Wie aus 8 zu erkennen ist, sind bedingt durch die Rahmenabschnitte 48 des Substrats 12 mehrere Referenzgasräume 22 ausgebildet, die sich jeweils unterhalb der Festelektrolytmembranen 14 befinden. Die Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Festelektrolytmembranen 14 mit den Membrankacheln 18 erlaubt. Da die Festelektrolytmembranen 14 an mehreren Stellen durch die Rahmenabschnitte 48 abgestützt sind im Vergleich zu einer großen Festelektrolytmembran 14 mit den gleichen Abmessungen wie die Summe der Festelektrolytmembranen 14 der sechsten Ausführungsform, sind diese besonders stabil gegenüber Druckschwankungen. 10 shows a cross-sectional view of the sensor element 10 the sixth embodiment of the invention. How out 8th can be seen, are conditioned by the frame sections 48 of the substrate 12 several reference gas rooms 22 formed, each below the solid electrolyte membranes 14 are located. The preparation is carried out analogously to the production of the sensor element 10 the first embodiment with the only difference that a photomask is used, the formation of the previously described form for the support structure 16 and the solid electrolyte membranes 14 with the membrane roofs 18 allowed. As the solid electrolyte membranes 14 in several places by the frame sections 48 are supported compared to a large solid electrolyte membrane 14 with the same dimensions as the sum of the solid electrolyte membranes 14 In the sixth embodiment, these are particularly stable against pressure fluctuations.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

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 measuring gas in a measuring gas space ( 20 ), in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprising a substrate ( 12 ), a solid electrolyte membrane ( 14 ) and a support structure ( 16 ), wherein the solid electrolyte membrane ( 14 ) at least partially on the support structure ( 16 ) is arranged.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the support structure ( 16 ) partially in the solid electrolyte membrane ( 14 ) is arranged.

Sensor element ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the support structure ( 16 ) is formed lattice-shaped.

Sensor element ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the solid electrolyte membrane ( 14 ) a plurality of membrane tiles ( 18 ) having.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the support structure ( 16 ) Support sections ( 32 ), wherein the solid electrolyte membrane ( 14 ), in particular the membrane roofs ( 18 ), on the support sections ( 32 ) is arranged.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the support sections ( 32 ) are formed so that the membrane roofs ( 18 ) with between 20% and 50% of each of the overlay sections ( 32 ) facing surface ( 34 ) rest on the support sections.

Sensor element ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the support structure ( 16 ) the solid electrolyte membrane ( 14 ) penetrates.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the support structure ( 16 ) Ribs ( 24 ) having the solid electrolyte membrane ( 14 penetrate).

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, further comprising a reference gas space ( 22 ), the ribs ( 24 ) from the solid electrolyte membrane ( 14 ) towards the reference gas space ( 22 ), wherein the solid electrolyte membrane ( 14 ), in particular the sample gas space ( 20 ) from the reference gas space ( 22 ) separates.

Sensor element ( 10 ) according to one of the two preceding claims, wherein between the ribs ( 24 ) and the solid electrolyte membrane ( 14 ) an adhesive layer ( 36 ) is arranged.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the adhesive layer ( 36 ) Ribs ( 24 ) and the solid electrolyte membrane ( 14 ) touched.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the adhesive layer ( 36 ) is made of an electrically insulating material.

Sensor element ( 10 ) according to one of the five preceding claims, wherein the ribs ( 24 ) from the solid electrolyte membrane ( 14 ) in the direction of the sample gas space ( 20 ) protrude.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the ribs ( 24 ) with a height ( 30 ) from the solid electrolyte membrane ( 14 ) in the direction of the sample gas space ( 20 ), which is at least as large as and preferably larger than a thickness of the solid electrolyte membrane ( 14 ).

Sensor element ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the support structure ( 16 ) is made of a dielectric material.