DE102016213933B4

DE102016213933B4 - Sensorelement zur Erfassung wenigstens einer Eigenschaft eines Messgases

Info

Publication number: DE102016213933B4
Application number: DE102016213933.9A
Authority: DE
Inventors: Denis Kunz; Daniel PANTEL
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2036-07-29
Also published as: DE102016213933A1

Abstract

Sensorelement zur Erfassung wenigstens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (4), das Sensorelement (1) umfassend-- eine erste Kavität (11), die mittels einer Filterschicht (30) vom Messgasraum (4) getrennt ist,-- eine zweite Kavität (12), die bezüglich des Messgases stromabwärts der ersten Kavität (11) angeordnet ist und die mittels einer Diffusionsschicht (40) von der ersten Kavität (11) getrennt ist,-- eine in der zweiten Kavität (12) angeordnete sauerstoffleitende Membran (20), insbesondere eine Feststoffelektrolythmembran (21), die mit einer ersten Seite (24) der zweiten Kavität (12) zugewandt ist,wobei die Filterschicht (30) eine erste Anzahl (N1) von ersten Durchgangskanälen (31) aufweist, die die erste Kavität (11) fluidleitend mit dem Messgasraum (4) verbinden, wobei die Diffusionsschicht (40) eine zweite Anzahl (N2) von zweiten Durchgangskanälen (41) aufweist, die die zweite Kavität (12) fluidleitend mit der ersten Kavität (11) verbinden,wobei die erste Anzahl (N1) größer ist als die zweite Anzahl (N2), insbesondere wenigstens 10 Mal größer,wobei die Membran (20), die Diffusionsschicht (40) und die Filterschicht (30) mikromechanisch hergestellt sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Erfassung wenigstens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind 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 oder eines Stickoxidanteils in dem Messgas. 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.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf ionenleitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte bzw. Feststoffelektrolyte handeln.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden oder als Stickoxidsensoren ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338 -1347, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ (Lambda) beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Stickoxid-Sensoren bestimmen sowohl die Stickoxid- als auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente und Verfahren zum Herstellen derselben beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial.
Feststoffelektrolyt-Gassensoren sind aktuell in Verwendung, beispielsweise als Sauerstoffsensor in Form der Lambdasonde. Als Technologiebasis dafür wird die keramische Dickschichttechnik verwendet, die nur große Mindestabmessungen zulässt, sowohl bei den Strukturbreiten, die typischerweise mehr als 30µm betragen, als auch bei Schichtdicken, die typischerweise über 10µm liegen.
Aus der US 5 948 963 A und aus der DE 103 52 797 A1 sind Gassensoren mit mehreren Durchgangskanälen der Diffussionsschichten bekannt, wobei diese Gassensoren in herkömmlicher Dickschichttechnologie hergestellt sind.
Aus der US 5 145 566 A ist ein Gassensor zur Bestimmung einer relativen Menge eines Messgases, welches Sauerstoff enthält, in einem Gasgemisch bekannt.
Aus der DE 10 2014 226 804 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten in einem Messmedium sowie ein Verfahren und eine Gassensorvorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten in einem Messmedium bekannt.
Aus der DE 10 2004 049 874 A1 ist ein Gasmessfühler bekannt, der dem Nachweis einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, vorzugsweise der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eines Abgases einer Brennkraftmaschine, dient.
Aus der DE 10 2014 223 778 A1 sind eine Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines gasförmigen Analyten und ein Verfahren zum Herstellen derselben bekannt.
Aus der DE 199 12 102 A1 ist ein elektrochemischer Gassensor zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung von NO_x und HC bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass statt eines Sensorelements in Dickschichttechnik vorteilhaft ein mikroelektrochemisches Sensorelement (MECS) verwendet werden könnte. Als sensitives Element des Sensorelements kann dann eine im Vergleich zur Dickschichttechnologie entlang einer Schichtdickenrichtung dünne, insbesondere ionenleitende, Membran fungieren. Auf der Unterseite und auf der Oberseite der Membran können Elektroden angeordnet sein. Diese Elektroden werden im Kontext dieser Anmeldung nicht als zur Membran gehörig betrachtet. Ein System aus Elektrode, Membran und weiterer Elektrode kann als Nernst-Zelle bezeichnet werden. Durch das Abgreifen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden, die z.B. entlang einer Schichtdickenrichtung der Membran von der Membran getrennt werden, kann eine Nernst-Spannung erfasst werden. Aus dieser Nernst-Spannung kann auf ein Sauerstoffverhältnis zwischen dem Messgas und einem davon getrennten Referenzgas geschlossen werden.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, die Membran derart zu kontaktieren, dass durch die Membran und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in die Membran eingebaut und/oder aus der Membran ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf der Membran aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit der Membran in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, oder Mischungen, die mehrere Edelmetalle aufweisen, z.B. Pt-Au, sind grundsätzlich einsetzbar.
Die Membran kann an eine Kavität angrenzen. Unter einer Kavität kann dabei eine nahezu geschlossene Kammer bzw. ein Hohlraum in einer Schicht bzw. in einem Substrat bzw. in einem Trägerelement verstanden werden.
Bei derartigen Sensorelementen kann der Gaszustrom vom Messgasraum zu der Kavität und damit zur Membran z.B. auch durch eine poröse Schicht, d.h. eine Schicht mit vielen miteinander verbundenen Poren, limitiert werden - so findet nur ein diffusiver Gastransport in die Kavität statt.
Bei Sensorelementen in Mikrosystemtechnik kann die Limitierung z.B. durch ein poröses Material oder durch ein oder mehrere Löcher bzw. Durchgangskanäle in einem Silizium-Wafer (oder in Halbleiter-/Isolationsschichten, wie z.B. Si, SiO2, SiN,...) bewirkt werden. Das oder die Löcher bzw. Durchgangskanäle können z.B. durch Ätzprozesse, wie Trenchen oder KOH-Ätzen hergestellt werden.
Letztere Durchgangskanäle können im Betrieb des Sensorelements verstopfen, z.B. durch Partikel und/oder Ruß, Aschen oder Staub, z.B. wenn das Messgas ein Abgas einer Brennkraftmaschine ist. Durch eine derartige Verstopfung der diffusionslimitierenden Durchgangskanäle kann sich z.B. die Diffusionsrate bzw. das Diffusionsverhalten ändern. In Folge dessen kann sich die Gaszufuhr in die Kavität hinein ändern und damit auch der Pumpstrom, der nötig ist um den (zuströmenden) Sauerstoff aus der Kavität zu entfernen bzw. den charakteristischen Grenzstrom zu bestimmen. Ist z.B. die Hälfte der Löcher verstopft, sinkt die Diffusion auf die Hälfte und damit auch der maximale Pumpstrom. Wird diese Verstopfung der Diffusionslöcher bzw. der Durchgangskanäle nicht erkannt, könnte das elektrische Signal des Sensorelements fehlinterpretiert werden. Am obigen Beispiel eines Breitbandlambdasensorelements würde z.B. in das Signal hineininterpretiert, dass der Sauerstoffgehalt des Messgases gesunken sei.
Es kann daher der Bedarf bestehen, ein Sensorelement bereitzustellen, bei dem eine Änderung der Diffusionseigenschaften im Betrieb bzw. nach einem Grundabgleich nach Inbetriebnahme wirksam verhindert ist.
Vorteile der Erfindung
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß des unabhängigen Anspruchs gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Sensorelement zur Erfassung wenigstens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Sensorelement kann beispielsweise geeignet sein, einen Anteil einer Gaskomponente in dem Messgas oder eine Temperatur des Messgases zu erfassen. Das Sensorelement umfasst dabei eine erste Kavität, die mittels einer Filterschicht von dem Messgasraum getrennt ist. Die Filterschicht kann z.B. an den Messgasraum grenzen. Das Sensorelement umfasst weiterhin eine zweite Kavität, die bezüglich des Messgases stromabwärts der ersten Kavität angeordnet ist und die mittels einer Diffusionsschicht von der ersten Kavität getrennt ist. Die Diffusionsschicht kann z.B. an die erste Kavität angrenzen. Das Sensorelement umfasst weiterhin eine ionenleitende Membran. Die ionenleitende Membran kann beispielsweise eine sauerstoffleitende Membran sein. Die Membran kann als Feststoffelektrolytmembran ausgebildet sein. Die Membran kann in der zweiten Kavität angeordnet sein. Die Membran kann mit einer ersten Seite der zweiten Kavität zugewandt sein. Die Filterschicht weist eine erste Anzahl von ersten Durchgangskanälen auf, die die erste Kavität fluidleitend mit dem Messgasraum verbinden. Die Diffusionsschicht weist eine zweite Anzahl von zweiten Durchgangskanälen auf, die die zweite Kavität fluidleitend mit der ersten Kavität verbinden. Die erste Anzahl ist dabei größer als die zweite Anzahl. Bevorzugt ist die erste Anzahl wenigstens zehn Mal (10x) größer als die zweite Anzahl. Besonders bevorzugt ist die erste Anzahl wenigstens eintausend Mal (1000x) größer als die zweite Anzahl.
Im Kontext dieser Anmeldung ist dabei zu verstehen, dass die zweite Anzahl auch genau 1 (Eins) betragen kann. In diesem Fall umfasst das Sensorelement genau einen einzigen zweiten Durchgangskanal. Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird dennoch der Begriff „zweite Durchgangskanäle“ verwendet.
Die Membran kann die Eigenschaft eines Feststoff-Elektrolyten aufweisen. Unter einem Feststoff-Elektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere kann der Feststoffelektrolyt als Feststoffelektrolytschicht oder aus mehreren Feststoff-Elektrolytschichten ausgebildet sein.
Die Membran kann beispielsweise eine einzige Schicht aus einem ionenleitenden Feststoffelektrolyten bzw. Festelektrolyten aufweisen. Beispielsweise kann die Membran überwiegend aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) gebildet sein.
Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer „Membran“ ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht oder Schichtenfolge zu verstehen, deren laterale Ausdehnung (in einer Erstreckungsrichtung) die Dicke der Schicht oder Schichtenfolge (entlang einer zur flächigen Erstreckung der Membran senkrechten Schichtdickenrichtung) um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100, überschreiten. Die Membran kann im vorliegenden Fall wenigstens eine Schicht aufweisen. Die Membran kann jedoch auch aus mehreren aufeinander folgenden Schichten gebildet sein.
Weiterhin kann die Membran entlang der flächigen Erstreckungsrichtung aus einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Untermembranen gebildet sein. Beispielsweise können die Untermembranen vieleckige (z.B. dreieckige, viereckige, fünfeckige, sechseckige, etc.) Flächen aufweisen. Auch runde oder elliptische Formen in der Aufsicht auf die Untermembranen sind möglich. Die Untermembranen können an ihren Rändern z.B. auf einer Stützstruktur aufliegen bzw. angeordnet sein.
Beispielsweise kann die Membran eine Schichtdicke entlang der Schichtdickenrichtung von 30 nm bis 10 µm aufweisen, bevorzugt von 100 nm bis 2 µm, beispielsweise 600 nm, 700 nm, 800, nm, 900 nm oder 1000 nm. Dadurch ist eine besonders gut kontrollierbare Diffusion von z. B. Sauerstoff-Ionen durch die Membran möglich, da diese keine langen Wege durch die Membran zurücklegen müssen. Die Membran kann eine konstante Dicke aufweisen. Dadurch wird eine gleichmäßige Diffusion der Sauerstoff-Ionen über die gesamte laterale Erstreckung der Membran realisiert.
Die Abscheidung der Membran als dünner Film für das Sensorelement kann z. B. auf Siliziumnitrit (Si3N4) oder Siliziumdioxid (SiO2) als eine Art Substrat oder Trägermaterial erfolgen. Beide Materialien können auch nichtstöchiometrisch verwendet werden und können amorph ausgebildet sein. Si3N4 oder SiO2 kann als elektrischer Isolator verwendet werden, der die Membran von dem Silizium trennt, da Silizium bei hohen Temperaturen gut elektrisch leitfähig ist.
Erfindungsgemäß sind die Membran, die Diffusionsschicht und die Filterschicht mikromechanisch ausgebildet bzw. hergestellt. Unter dem Begriff „mikromechanisch“ ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft einer dreidimensionalen Struktur zu verstehen, welche Dimensionen im Mikrometerbereich (µm-Bereich), d. h. im Bereich unterhalb von 1 mm, aufweist. Beispielsweise können dies Breiten von Aussparungen, Durchgangskanälen, Schichtdicken von Membranen oder ähnliche charakteristische Dimensionen sein, welche in diesem Bereich liegen. Gegenüber herkömmlichen Sensorvorrichtungen, die in der Regel in Dickschichttechnologie unter Verwendung von Siebdruckverfahren hergestellt werden, sind mikromechanische Sensorvorrichtungen zumindest zu großen Teilen mit mikrosystemtechnischen Prozessen hergestellt. Dies können beispielsweise aus der Halbleitertechnologie bekannte fotolithografische Prozesse, Sputter- oder Verdampfungsprozesse zum Aufbringen von Schichten, sowie Ätzschritte zur Strukturierung von Oberflächen sein.
Dadurch, dass der zweiten Kavität, in welcher die Membran angeordnet ist, bezüglich der Strömungsrichtung des Messgases die erste Kavität mit der Filterschicht und der ersten Anzahl von ersten Durchgangskanälen vorgelagert ist, wird vorteilhaft bewirkt, dass Verunreinigungen in dem Messgas, beispielsweise Partikel, Aschen, Staub oder Ruß, lediglich einzelne erste Durchgangskanäle verstopfen können. Der für die Erfassung der wenigstens einen Eigenschaft des Messgases entscheidende, diffusionslimitierte Zustrom des Messgases aus der ersten Kavität in die zweite Kavität durch die diffusionslimitierenden zweiten Durchgangskanäle in der Diffusionsschicht hindurch kann daher durch die von der Filterschicht abgehaltenen Partikel nicht beeinträchtigt werden.
Selbst wenn nur noch ein einziger erster Durchgangskanal unverstopft ist, kann genügend Messgas in die erste Kavität eintreten, um das Diffusionsverhalten des in der ersten Kavität vorliegenden Messgases in die zweite Kavität durch die zweite Anzahl von Diffusionskanälen hindurch nicht zu beeinträchtigen. Grundsätzlich kann auch lediglich ein einziger zweiter Diffusionskanal in der Diffusionsschicht vorgesehen sein.
Dadurch, dass die erste Anzahl von ersten Diffusionskanälen größer ist als die zweite Anzahl von zweiten Diffusionskanälen, wird vorteilhaft bewirkt, dass selbst bei einer starken Verschmutzung des Messgases über eine lange Betriebsdauer stets wenigstens ein erster Durchgangskanal in der Filterschicht geöffnet bleibt bzw. nicht verstopft ist, und auf diese Weise der Gasaustausch zwischen der ersten Kavität und dem Messgasraum sichergestellt ist.
Mit anderen Worten: Die erste Anzahl von ersten Diffusionskanälen in der Filterschicht bewirkt, dass die Filterschicht eine Art Gitter bzw. Sieb bzw. einen Filter darstellt, der die erste Kavität und damit die zweite Anzahl von zweiten Durchgangskanälen vor Verschmutzungen aus dem Messgasraum schützt und auf diese Weise die Funktionalität des Sensorelements sicherstellt. Durch die Trennung der Funktionen der Filterschicht und der Diffusionsschicht in eine Filterung des Messgases einerseits und in die kontrollierte Diffusion des Messgases in die zweite Kavität andererseits wird vorteilhaft bewirkt, dass bei der Herstellung der Filterschicht bzw. bei der Herstellung der Diffusionsschicht jeweils besonders geeignete Herstellungsprozessschritte eingesetzt werden können. Auf diese Weise wird eine besonders gute Effizienz der Filterung in der Filterschicht einerseits und eine besonders gut kontrollierte Diffusion in der Diffusionsschicht andererseits bewirkt.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass sich die ersten Durchgangskanäle entlang einer ersten Achse erstrecken, wobei sich die zweiten Durchgangskanäle entlang einer zweiten Achse erstrecken, wobei sich die erste Achse im Wesentlichen parallel zur zweiten Achse erstreckt.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass sich die erste Achse im Wesentlichen orthogonal zur zweiten Achse erstreckt.
Die Achsrichtung der ersten Achse bzw. die Achsrichtung der zweiten Achse sind dabei derart zu verstehen, dass sie sich entlang der Öffnung des jeweiligen Durchgangskanals von der einen Seite der Diffusionsschicht bzw. der Filterschicht zu der jeweils anderen Seite erstreckt. Mit anderen Worten: Die Achsrichtung ist definiert als die Richtung, in welcher sich das Gas bei einem gradlinigen Durchtritt durch die jeweilige Durchgangsöffnung bzw. den jeweiligen Durchgangskanal von der einen Seite der Funktionsschicht bzw. der Filterschicht zur anderen Seite bewegt.
Dadurch, dass sich die erste Achse im Wesentlichen parallel zur zweiten Achse erstreckt, wird eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Sensorelements ermöglicht.
Dadurch, dass sich die erste Achse orthogonal zur zweiten Achse erstreckt, kann vorteilhaft bewirkt werden, dass selbst für den Fall, dass ein Partikel durch eine der ersten Durchgangsöffnungen bzw. Durchgangskanäle hindurch in die erste Kavität hindurchgelangt, das Risiko minimiert ist, dass dieser Partikel unmittelbar in einer geradlinigen Bewegung auf den zweiten Durchgangskanal bzw. die zweiten Durchgangskanäle auftrifft und diesen bzw. diese verstopft.
Um eine besonders lange Standzeit bzw. Betriebszeit des Sensorelements zu ermöglichen, kann es vorteilhaft sein, dass die erste Anzahl von ersten Durchgangskanälen einen ersten Unteranteil von Durchgangskanälen aufweist, deren erste Achsen im Wesentlichen parallel zur zweiten Achse ausgerichtet sind und eine zweite Unteranzahl von ersten Durchgangskanälen, deren erste Achsen im Wesentlichen orthogonal zur zweiten Achse ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann insbesondere bei einem Messgas, in welchem Staub, Ruß oder sonstige Partikel vorwiegend aus einer einzigen Richtung auf das Sensorelement eintreffen und sichergestellt werden, dass zumindest eine der beiden Teilgruppe von ersten Durchgangskanälen mit wesentlich geringerer Wahrscheinlichkeit verstopft wird als die andere Teilgruppe. Auf diese Weise lässt sich die Funktionalität des Sensorelements besonders lange sicherstellen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die ersten Durchgangskanäle eine erste Länge entlang der ersten Achse aufweisen, wobei die erste Länge 10 nm bis 50 µm beträgt. Bevorzugt beträgt die erste Länge 100 nm bis 50 µm. Besonders bevorzugt beträgt die erste Länge 200nm bis 10µm. Durch die relativ kurze erste Länge der ersten Durchgangskanäle entlang der ersten Achse wird vorteilhaft bewirkt, dass die Filterschicht lediglich Partikel, Ruß oder Aschen aus dem Messgasraum von der ersten Kavität abhält. Eine diffusionslimitierende Wirkung auf Gasbestandteile (beispielsweise Sauerstoffmoleküle oder Stickoxidmoleküle) für einen Gasdurchtritt bis in die zweite Kavität findet dagegen nicht statt. Die Filterschicht und die darin angeordneten ersten Durchgangskanäle wirken somit lediglich in der Art eines Partikelfilters. Gasmoleküle können im Wesentlichen ungehindert in die erste Kavität eintreten und von dort aus durch die Diffusionsschicht hindurch in die zweite Kavität gelangen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die zweiten Durchgangskanäle eine zweite Länge entlang der zweiten Achse aufweisen, wobei die zweite Länge 1 µm bis 500 µm beträgt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zweite Länge wenigstens fünf Mal (5x) so groß ist wie die erste Länge. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die zweite Länge wenigstens zehn Mal (10x) so groß ist wie die erste Länge. Durch die im Vergleich zur ersten Länge größere zweite Länge kann, beispielsweise bei gleichen Querschnittsflächen der ersten und zweiten Durchgangskanäle, bewirkt werden, dass die Anzahl der zweiten Durchgangskanäle bzw. der genau eine zweite Durchgangskanal für die in der ersten Kavität befindlichen Gasmoleküle bzw. Gasatome des Messgases beim Übergang bzw. Durchtritt in die zweite Kavität diffusionslimitierend wirken. Dies wird durch die folgende Relation deutlich: N1*F1/L1 » N2*F2/L2, wobei N1 und N2 die erste bzw. zweite Anzahl der ersten bzw. der zweiten Durchgangskanäle beschreibt, F1 und F2 die Fläche bzw. den Querschnitt der ersten bzw. zweiten Durchgangskanäle und L1 bzw. L2 die Länge der ersten bzw. zweiten Durchgangskanäle. Dabei ist die Diffusion bzw. die Diffusionsrate ungefähr proportional zu N*F/L. Mit anderen Worten: Der Gasstrom (Anzahl der Gasatome bzw. Gasmoleküle pro Zeit) vom Messgasraum in die zweite Kavität wird vom zweiten Durchgangskanal bzw. den zweiten Durchgangskanälen bestimmt bzw. limitiert.
Durch die geometrische Trennung von Diffusionsschicht und Filterschicht können für die beiden Schichten und ihre jeweiligen Durchgangskanäle unterschiedliche Herstellungsprozesse verwendet werden. Dies ist angesichts der unterschiedlichen Geometrien bzw. Längenverhältnisse der jeweiligen Durchgangskanäle vorteilhaft, da bei ungefähr gleichem Querschnitt die Herstellung einer um beispielsweise fünffach höheren Länge ein anderes Herstellungsverfahren erfordern kann als die Herstellung des kürzeren Durchgangskanals.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die ersten Durchgangskanäle in einer Ebene senkrecht zur ersten Achse einen runden Querschnitt oder einen quadratischen Querschnitt oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Derartige Querschnitte lassen sich besonders einfach und kostengünstig herstellen. Gleichzeitig wird dadurch eine besonders gute Reproduzierbarkeit bewirkt. Somit kann innerhalb der Serienproduktion derartiger Sensorelemente eine für alle hergestellten Sensorelemente gleichwirkende Filterschicht sichergestellt werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die ersten Durchgangskanäle in der Ebene senkrecht zur ersten Achse einen rechteckigen Querschnitt mit einer ersten Seitenlänge und mit einer zweiten Seitenlänge aufweisen. Das Verhältnis von erster Seitenlänge zu zweiter Seitenlänge beträgt dabei wenigstens 25:1. Das Verhältnis von erster Seitenlänge zu zweiter Seitenlänge kann bevorzugt wenigstens 50:1 betragen. Bei derartigen rechteckigen Durchgangskanälen mit einem großen Aspektverhältnis bzw. Seitenverhältnis wird vorteilhaft bewirkt, dass sie neben einem großen Diffusionsquerschnitt aufgrund ihrer großen ersten Seitenlänge gleichzeitig einen vollkommen ausreichenden Schutz gegenüber dem Durchtritt von Partikeln bieten, da sie eine lediglich geringe zweite Seitenlänge aufweisen. Mit anderen Worten: Die effektive Durchtrittsfläche vom Messgasraum in die erste Kavität ist sehr groß, sie limitiert daher nicht den Gasstrom bzw. die Diffusionsrate vom Messgasraum in die zweite Kavität. Gleichzeitig ist dennoch ein wirksamer Schutz vor dem Durchtritt von Partikeln bzw. Staub bzw. Asche in die erste Kavität gewährleistet.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die erste Anzahl von ersten Durchgangskanälen bei einer Projektion der ersten Durchgangskanäle auf die Diffusionsschicht entlang der zweiten Achse mit keinem der zweiten Diffusionskanäle überlappt. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass ein möglicherweise durch einen der ersten Durchgangskanäle in die erste Kavität eingetretener Partikel nicht direkt zum diffusionslimitierenden zweiten Durchgangskanal gelangen kann. Mit anderen Worten: Bei geradliniger Bewegung des in die erste Kavität eingetretenen Partikels besteht eine große Wahrscheinlichkeit dafür, dass der eingetretene Partikel auf der Diffusionsschicht bzw. an einer Wand der ersten Kavität adsorbiert wird und eben nicht in den zweiten Diffusionskanal bzw. einen der zweiten Diffusionskanäle gelangt und diesen bzw. diese verstopfen kann.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass an der Filterschicht oder auf der Filterschicht oder in der Filterschicht oder unmittelbar benachbart zur Filterschicht ein Heizelement vorgesehen ist. Dadurch kann vorteilhaft die Filterschicht beispielsweise in periodischen Zeitabständen durch ein kurzes Aufheizen von an der Filterschicht angelagerten Partikeln frei gebrannt werden. Auf diese Weise wird die Standzeit des Sensorelements besonders vorteilhaft erhöht, da nach dem Freibrennen der Filterschicht die Filterschicht eine erhöhte Durchlässigkeit für Gasmoleküle bzw. Gasatome aus dem Messgasraum aufweist.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass an derjenigen Seite der Filterschicht, welche der Diffusionsschicht zugewandt ist, wenigstens ein Abstandselement ausgebildet ist. Das wenigstens eine Abstandselement ragt in Richtung zur Diffusionsschicht hinweisend von der Filterschicht ab. Dadurch kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass die Filterschicht auch bei Vibrationen oder bei einer großen lateralen Ausdehnung oder bei plötzlichen Stößen nicht vollflächig auf die Diffusionsschicht aufprallt bzw. an der Diffusionsschicht aufliegt. Vielmehr wird durch das Abstandselement stets ein minimaler Abstand zwischen Diffusionsschicht und Filterschicht gewährleistet. Dadurch wird die die Anhaftung der Filterschicht an der Diffusionsschicht verhindert und die Lebensdauer und die Funktionalität des Sensorelements besonders vorteilhaft erhöht.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass in der ersten Anzahl von ersten Durchgangskanälen und/oder in der zweiten Anzahl von zweiten Durchgangskanälen Getter-Materialien oder Katalysator-Materialien vorgesehen sind. Beispielsweise kann in der ersten und/oder zweiten Anzahl von ersten und/oder zweiten Durchgangskanälen Platin und/oder Palladium vorgesehen sein. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass im Messgas enthaltene Stoffe, die die Elektroden der Membran bzw. die Membran selber „vergiften“ könnten, bereits im ersten Durchgangskanal und/oder im zweiten Durchgangskanal bzw. in den zweiten Durchgangskanälen mit Hilfe der Getter-Materialien bzw. der Katalysator-Materialien adsorbiert bzw. in für die Membran bzw. die Elektroden unschädliche Stoffe umgewandelt werden. Dadurch kann vorteilhaft die Lebensdauer des Sensorelements erhöht und seine Funktionalität dauerhaft sichergestellt werden.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Anzahl der ersten Durchgangskanäle mittels eines lithographischen bzw. fotolithografischen Prozesses hergestellt ist. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass eine besonders regelmäßige bzw. reproduzierbare Struktur in der Filterschicht erzeugt wird. Derartig hergestellte Sensorelemente weisen eine besonders vorhersagbare Filterwirkung auf.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die erste Anzahl der ersten Durchgangskanäle mittels eines selbst organisierten Prozesses hergestellt ist. Beispielsweise kann dafür ein Prozess verwendet werden, bei dem Edelmetall-Nanopartikel auf Silizium aufgebracht werden und anschließend ein metallinduzierter nasschemischer Ätzschritt durchgeführt wird. Durch einen derartigen selbstorganisierten Prozess (hier: beispielsweise das Aufbringen von Edelmetall-Nanopartikeln) können besonders viele, Nanometer-skalige Durchgangskanäle mit einem Durchmesser von beispielsweise 10 nm bis 500 nm hergestellt werden. Auf diese Weise kann auf einen fotolithographischen Prozess mit sehr teuren Lithographie-Masken und sehr kostenintensiven Lithographie-Steppern verzichtet werden. Insbesondere beim Abhalten von kleinen, Nanometer-skaligen Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von ca. 50 nm und einer sehr breiten Größenverteilung bis in den Mikrometerbereich hinein kann dadurch eine besonders gute Filterwirkung bewirkt werden. Der Eintritt derartiger Partikeln in die erste Kavität kann durch die Herstellung einer großen Anzahl von ersten Durchgangskanälen mittels eines derartigen selbstorganisierten Prozesses besonders kostengünstig und wirksam unterbunden werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:

1a: einen Querschnitt durch ein schematisches Sensorelement gemäß einer Ausführungsform;
1b: einen Querschnitt durch eine schematisches Sensorelements gemäß einer weiteren Ausführungsform;
2a-2h: verschiedene Schritte bei der Herstellung einer Filterschicht und einer Diffusionsschicht eines Sensorelements aus 1a im Querschnitt;
3a-3d: verschiedene Anordnungen des zweiten Durchgangskanals bzw. der zweiten Durchgangskanäle relativ zu der Anzahl der ersten Durchgangskanäle in einer Aufsicht auf ein Sensorelement gemäß 1a.

1a zeigt ein Sensorelement 1 zur Erfassung wenigstens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum 4. Dabei kann beispielsweise ein Anteil einer Gaskomponente in dem Messgas oder eine Temperatur des Messgases erfasst werden. Beispielsweise kann das Sensorelement als Lambdasonde, zum Beispiel in der Form einer Breitbandsonde ausgebildet sein. Das Sensorelement 1 kann auch als NOx-Sensor ausgebildet sein. Das Messgas kann beispielsweise das Abgas einer Brennkraftmaschine sein.
Das Sensorelement 1 umfasst dabei eine erste Kavität 11, die mittels einer Filterschicht 30 an den Messgasraum 4 grenzt. Die Filterschicht 30 trennt den Messgasraum 4 von der ersten Kavität 11. Das Sensorelement 1 umfasst weiterhin eine zweite Kavität 12, die bezüglich des Messgases stromabwärts der ersten Kavität 11 angeordnet ist und die mittels einer Diffussionsschicht 40 an die erste Kavität 11 angrenzt. Die Diffusionsschicht 40 trennt dabei die erste Kavität 11 von der zweiten Kavität. Das Sensorelement 1 umfasst in der dargestellten Ausführungsform zwei sauerstoffionenleitende Membranen 20, auch als sauerstoffleitende Membranen 20 bezeichnet. Es kann auch ein Sensorelement 1 mit lediglich einer einzigen Membran 20 vorgesehen sein. Die beiden Membranen 20 können beispielsweise als Feststoffelektrolytmembran 21 ausgestaltet sein. Sie können aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) gebildet sein. Die Membranen 20, 21 sind mittels einer Isolationsschicht 22 bzw. Haftvermittlungsschicht 22 auf einem Sensor-Substrat 2 bzw. Trägersubstrat 2 angeordnet. Das Trägersubstrat 2 bzw. Sensor-Substrat 2 kann dabei beispielsweise ein Siliziumwafer sein. Die Membranen 20, 21 sind mit einer ersten Seite 24 der zweiten Kavität zugewandt. Mit einer von der ersten Seite 24 abgewandten zweiten Seite 26 sind die Membranen 20, 21 jeweils einer Aussparung 7 im Sensor-Substrat 2 zugewandt. Dabei kann z.B. zumindest eine der beiden Aussparungen 7 mit einem Referenzgasraum 5 verbunden sein. Die Membranen 20, 21 trennen somit die zweite Kavität 12 von den Aussparungen 7 und/oder vom Messgasraum 5.
Auf zumindest einer der beiden Membranen 20, 21, im dargestellten Ausführungsbeispiel auf beiden Membranen 20, 21, sind auf der ersten Seite 24 und auf der zweiten Seite 26 Elektroden 6 angeordnet. Durch das System aus Elektroden 6 und Membranen 20, 21 kann beispielsweise Sauerstoff aus der zweiten Kavität 12 in eine der Aussparungen 7 hineingepumpt werden oder umgekehrt aus einer der Aussparungen 7 in die zweite Kavität 12 hineingepumpt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine sogenannte Nernst-Spannung abgegriffen werden, über welche der Sauerstoffgehalt in der zweiten Kavität bestimmt werden kann.
Die Filterschicht 30 weist eine erste Anzahl N1 von ersten Durchgangskanälen 31 auf. Mittels der ersten Anzahl N1 von ersten Durchgangskanälen 31 ist die erste Kavität 11 fluidleitend mit dem Messgasraum 4 verbunden. Unter fluidleitend ist dabei zu verstehen, dass zumindest Gase aus dem Messgasraum 4 durch die ersten Durchgangskanäle 31 hindurch in die erste Kavität 11 hindurchtreten können.
Die ersten Durchgangskanäle 31 erstecken sich dabei entlang ersten Achsen A1, wobei in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel alle ersten Achsen A1 parallel zueinander ausgebildet sind. Die ersten Achsen A1 verlaufen dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1a von oben nach unten, also entlang derjenigen Richtung, die ein Gasmolekül beim geradlinigen Durchtritt durch einen der Durchgangskanäle 31 vom Messgasraum 4 in die erste Kavität 11 zurücklegen würde.
Die ersten Durchgangskanäle 31 weisen entlang der ersten Achse A1 eine erste Länge L1 auf. Die erste Länge L1 beträgt dabei 10 nm bis 50 µm. Mit anderen Worten beträgt die Schichtdicke der Filterschicht 30 in demjenigen Bereich, welcher unmittelbar über der ersten Kavität 11 liegt, 10 nm bis 50 µm.
Der zweite Durchgangskanal 41 oder die zweiten Durchgangskanäle 41 weisen entlang der zweiten Achse A2 eine zweite Länge L2 auf. Die zweite Länge beträgt zwischen 1 µm und 500µm. Bevorzugt ist die zweite Länge L2 wenigstens fünfmal (5x) so groß wie die erste Länge L1. Besonders bevorzugt ist die zweite Länge L2 wenigstens zehnmal (10x) so groß wie die erste Länge L1. Dadurch wird bewirkt, dass der zweite Durchgangskanal 41 bzw. die zweiten Durchgangskanäle 41 eine diffussionslimitierende Wirkung auf das in der ersten Kavität 11 befindliche Messgas beim Übertritt in die zweite Kavität 12 bewirken.
Es ist zu verstehen, dass die zweite Anzahl N2 der zweiten Durchgangskanäle 41 genau eins (1) sein kann. In diesem Fall ist lediglich ein einziger zweiter Durchgangskanal 41 vorgesehen. Selbstverständlich kann auch eine Mehrzahl von zweiten Durchgangskanälen 41 vorgesehen sein. In diesem Fall ist die zweite Anzahl N2 größer als eins (1). Beispielsweise kann die zweite Anzahl N2 von zweiten Durchgangskanälen 41 zwischen 1 und 10 betragen.
Die erste Anzahl N1 von ersten Durchgangskanälen 31 ist größer als die zweite Anzahl N2 an zweiten Durchgangskanälen 41. Die erste Anzahl N1 kann dabei beispielsweise zwischen 100 und 1 Million liegen. Somit ist die erste Anzahl N1 wenigstens zehnmal (10x) so groß wie die zweite Anzahl N2, bevorzugt ist die erste Anzahl N1 wenigstens eintausendmal (1000x) so groß wie die zweite Anzahl N2.
Entlang einer Schichtdickenrichtung der Diffusionsschicht 40 bzw. der Filterschicht 30 bzw. der Membran 20 kann eine Höhe der ersten Kavität 11 bzw. der zweiten Kavität 12 beispielsweise zwischen 1 µm und 800 µm betragen. Die laterale Erstreckung der ersten Kavität 11 bzw. der zweiten Kavität 12, also die Erstreckung quer zur Schichtdickenrichtung kann dabei zwischen 100 µm und 2000 µm betragen.
Der Durchmesser eines ersten Durchgangskanals 31 in einer Ebene E senkrecht zur ersten Achse A1 kann dabei zwischen 10 nm und 50 µm betragen. Der Durchmesser eines zweiten Durchgangskanals 41 entlang einer weiteren Ebene senkrecht zur zweite Achse A2 kann zwischen 5 µm und 200 µm betragen. Beispielsweise kann ein zweiter Durchgangskanal 41 einen Querschnitt von 15 µm x 60 µm oder von 30 µm x 30 µm aufweisen sowie eine zweite Länge L2 von 300 µm. Für die ersten Durchgangskanäle könnte beispielsweise derselbe Querschnitt von 15 µm x 60 µm bzw. 30 µm x 30 µm gewählt werden, wobei die erste Länge L1 erheblich kürzer gewählt werden kann als die zweite Länge L2. Beispielsweise kann die erste Länge L1 in diesem Beispiel lediglich 10 µm betragen.
Auf der Filterschicht 30 kann ein Heizelement 3 bzw. Heizer 3 angeordnet sein. Sollten die ersten Durchgangskanäle 31 der Filterschicht 30 durch Partikel verstopft bzw. belegt sein, so kann mittels des Heizelements 3 bzw. des Heizers 3 die Filterschicht 30 auf eine hohe Temperatur, beispielsweise mehrerer 100° C, z.B. 500° bis 900°C, bevorzugt von 600°C bis 800°C, erwärmt werden. Dadurch können die auf der Filterschicht 30 angelagerten Partikel verbrannt werden, so dass die ersten Durchgangskanäle 31 freigelegt werden.
Weiterhin ist an derjenigen Seite der Filterschicht 30, welche der Diffusionsschicht 40 zugewandt ist, wenigstens ein Abstandselement 33 ausgebildet, im dargestellten Ausführungsbeispiel sind im dargestellten Querschnitt zwei Abstandselemente 33 zu erkennen. Die dargestellten Abstandselemente 33 ragen in Richtung zur Diffusionsschicht 40 hinweisend von der Filterschicht 30 ab. Sie können beispielsweise 10 nm bis 50 µm in die erste Kavität 11 hinein von der Filterschicht 30 abragen, z.B. 500nm oder 1µm. Bei einer Erschütterung bzw. einem Stoß oder bei thermischen Ausdehnungen des Sensorelements 1 bzw. der Filterschicht 30 relativ zur Diffusionsschicht 40 kann auf diese Weise ein großflächiges Touchieren oder ein Anhaften der Filterschicht 30 an die Diffusionsschicht 40 verhindert werden.
Befinden sich im Messgasraum 4 Partikel, Ruß oder Aschen, so verhindert die Filterschicht 30 mit ihren ersten Durchgangskanälen 31, dass derartige Partikel in die erste Kavität 11 hineingelangen. Lediglich Gasmoleküle bzw. Gasatome können in die erste Kavität 11 hineingelangen. Auf Grund der geometrischen Abmessungen der ersten Durchgangskanäle 31 ist sichergestellt, dass ein einfacher Gasaustausch zwischen dem Messgasraum 4 und der ersten Kavität stattfinden kann. Mit anderen Worten: Der Gasaustausch zwischen dem Messgasraum 4 und der ersten Kavität 11 ist nicht so groß, dass in der ersten Kavität 11 somit zumindest annährend dieselben Gaskonzentrationen vorliegen wie im Messgasraum 4.
Unterhalb der Filterschicht 30 befindet sich das eigentliche Sensorelement 1. Der Übergang von Gasatomen bzw. Gasmolekülen von der ersten Kavität 11 in die zweite Kavität 12, in welcher sich die für die Erfassung der Eigenschaft des Messgases relevanten Membranen 20, 21 befinden, kann auf Grund der Geometrie der zweiten Durchgangskanäle 41 bzw. des einzigen zweiten Durchgangskanals 41 lediglich diffusionslimitiert vonstatten gehen. Der Diffusionsquerschnitt ist also sehr gering. Das Risiko, dass die wohl definierte Diffusionsrate durch ein Verstopfen des zweiten Durchgangskanals 41 bzw. der zweiten Durchgangskanäle 41 mit Partikeln verändert wird ist durch das Vorsehen der Filterschicht 30 mit den ersten Durchgangskanälen 31 vorteilhaft minimiert. Mit anderen Worten: Der Sensor kann seine volle Funktionsfähigkeit und Genauigkeit aufrechterhalten, auch wenn eine derart hohe Partikelbelastung im Messgasraum 4 vorliegt, dass nach und nach fast sämtliche erste Durchgangskanäle 31 verstopfen. Ein einziger offener Durchgangskanal 31 reicht aus, um eine zuverlässige und genaue Messung des Sensorelements 1 zu gewährleisten.
In 1b ist eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 1 dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform von 1a sind hierbei die ersten Durchgangskanäle 31 orthogonal zu der zweiten Anzahl N2 von zweiten Durchgangskanälen 41 angeordnet. Mit anderen Worten: Die erste Achse A1 steht im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Achse A2. In der Figur weist die erste Achse A1 von links nach rechts, während die zweite Achse A2 von oben nach unten weist. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Funktionalität des Sensorelements 1 weiter erhöht. Denn selbst wenn ein Partikel durch einen der ersten Durchgangskanäle 31 in die erste Kavität 11 hineingelangt kann es nicht direkt zu der zweiten Anzahl N2 von zweiten Durchgangskanälen 41 gelangen. Vielmehr müsste es hierzu noch eine Richtungsänderung vornehmen. Wahrscheinlicher ist es vielmehr, dass ein derart in die erste Kavität 11 eingedrungenes Teilchen bzw. ein Partikel an einer der Wände der ersten Kavität 11 absorbiert oder absorbiert wird und somit für die zweiten Durchgangskanäle 41 keine Verstopfungsgefahr mehr darstellt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Heizer 3 bzw. das Heizelement 3 nicht mehr auf der Filterschicht 30, sondern radial außerhalb der Filterschicht 30 in der Nähe der ersten Durchgangskanäle 31 angeordnet. Auch ein Anordnen des Heizers 3 am Rande der Filterschicht 30, also außen, ist möglich.
Es versteht sich, dass die Ausführungsbeispiele der 1a und 1b auch kombiniert werden können: D.h. es ist möglich, dass die ersten Durchgangskanäle 31 sowohl seitlich in der Filterschicht 30 angeordnet sind wie in 1b als auch von oben nach unten die Filterschicht 30 durchdringen, wie in 1a. Gleichfalls kann das Heizelement 3 bzw. der Heizer 3 auch in der Filterschicht 30 eingebettet sein.
In den 2a bis 2h ist ein beispielhafter Prozessfluss zur Herstellung der Filterschicht 30 und der Diffusionsschicht 40 des Sensorelements 1 dargestellt.
2a zeigt ein Substrat 40a, welches zur Ausbildung der Diffusionsschicht 40 verwendet wird. Beispielsweise kann dieses Substrat ein Wafer sein. Beispielsweise ein Siliziumwafer oder ein anderer Halbleiterwafer.
2b zeigt das Substrat 40a aus 2a, auf welches nun eine Opferschicht 42 aufgebracht, bzw. abgeschieden worden ist. Eine derartige Opferschicht kann beispielsweise aus Silizium oder Siliziumdioxid (SiO₂) gebildet sein.
2c zeigt das Schichtsystem aus Substrat 40a und Opferschicht 42 nach einem Strukturierungsschritt. In die Opferschicht sind Ausnehmungen 43 eingebracht. Die Ausnehmungen 43 können beispielsweise durch KOH-Ätzen oder durch einen Trenchprozess oder durch HF-Gasphasenätzen oder durch lonenstrahlätzen gebildet sein.
In 2d ist auf das Schichtsystem aus strukturierter Opferschicht 42 und Substrat 40a die Filterschicht 30 abgeschieden worden. Die Filterschicht 30 kann z.B. aus Silizium (Si) gebildet sein oder Silizium zumindest aufweisen.
In 2e ist die auf das Schichtsystem aus Substrat 40a und Opferschicht 42 abgeschiedene Filterschicht 30 strukturiert worden. In die Filterschicht 30 ist eine erste Anzahl N1 von ersten Durchgangskanälen 31 eingebracht worden. Die ersten Durchgangskanäle 31 enden auf der Opferschicht 42. In der dargestellten Ausführungsform sind die ersten Durchgangskanäle 31 im Bild von oben nach unten in die Filterschicht 30 eingebracht worden. Es ist jedoch auch denkbar in einer hier nicht dargestellten Ausführungsform die ersten Durchgangskanäle 31 seitlich in die Filterschicht 30 einzubringen (siehe 1b). Dafür könnte ein weiterer Prozessschritt bzw. ein veränderter Prozessablauf notwendig sein, der hier nicht explizit dargestellt ist jedoch im Bereich des Fachwissens des Fachmanns liegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich somit die erste Achse A1 der ersten Durchgangskanäle 31 von oben nach unten. Das Substrat 40a ist nun auch von der Unterseite mit einer weiteren Opferschicht 44 beschichtet.
2f zeigt das Schichtsystem aus 2e, wobei in die Unterseite, d.h. auf die von der Filterschicht 30 abgewandte Seite des Substrats 40a, eine Ausnehmung eingebracht worden ist. Diese Ausnehmung kann beispielsweise durch einen Trenchprozess in das Substrat 40a und durch die zweite bzw. weitere Opferschicht 44 hindurch hergestellt sein. Die Ausnehmung bildet im fertiggestellten Sensorelement 1 am Ende die zweite Kavität 12.
2g zeigt das Schichtsystem aus 2f, in welches von der Ausnehmung bzw. zweiten Kavität 12 aus eine zweite Anzahl von zweiten Durchgangskanälen 41, im dargestellten Ausführungsbeispiel genau ein zweiter Durchführungskanal 41 in Richtung der Filterschicht 30 in das Substrat 40 hineinstrukturiert worden ist. Der zweite Durchgangskanal 41 endet in diesem Prozessschritt auf der Opferschicht 42, welche zwischen der Filterschicht 30 und dem Substrat 40a angeordnet ist. Mit diesem Prozesssierungsschritt wird aus dem Substrat 40a die Diffusionsschicht 40.
2h zeigt das Schichtsystem aus 2g, wobei die Opferschicht 42 zwischen der Filterschicht 30 und der Diffusionsschicht 40 entfernt worden ist. Durch die Entfernung der Opferschicht 42 wird die erste Kavität 11 ausgebildet. Dies kann z.B. durch HF-Gasphasenätzen bewirkt werden. Die Filterschicht 30 ist nun am Rande der ersten Kavität 11 mit der Diffusionsschicht 40 verbunden. Die Verbindungsstellen ergeben sich durch die Aussparungen 43 aus 2c, in welche die Filterschicht 30 hinein abgeschieden worden ist und mit der Diffusionsschicht 40 in Kontakt gekommen ist.
Das so ausgebildete System aus Filterschicht 30 und Diffusionsschicht 40 kann nun zum Sensorelement 1 zusammengefügt werden. Dabei ist denkbar, dass das Schichtsystem aus Diffusionsschicht 40 und Filterschicht 30 separat hergestellt ist und auf das System aus Membran 20, 21 aufgesetzt wird.
In den 3a bis 3d werden Aufsichten auf ein Sensorelement 1 dargestellt. Hierbei entspricht die Blickrichtung einer Aufsicht auf die Filterschicht 30. Die erste Anzahl N1 von ersten Durchgangskanälen 31 sind in der Ebene E angeordnet, welche sich senkrecht zur ersten Achse A1 erstreckt. Schraffiert dargestellt ist die unterhalb der Filterschicht angeordnete zweite Anzahl N2 von zweiten Durchgangskanälen 41. Diese zweite Anzahl N2 von zweiten Durchgangskanälen 41 ist entlang der Blickrichtung betrachtet unterhalb oder hinter der Filterschicht 30 angeordnet und befindet sich in der Diffusionsschicht 40.
In allen dargestellten 3a bis 3d sind die ersten Durchgangskanäle 31 rechteckig ausgebildet. Sie weisen eine erste Seitenlänge S1 und eine zweite Seitenlänge S2 auf. In den 3a bis 3c sind die ersten Durchgangskanäle 31 quadratisch ausgebildet, so dass die erste Seitenlänge S1 der zweiten Seitenlänge S2 entspricht. In 3d sind die ersten Durchgangskanäle 31 rechteckig ausgebildet, wobei die ersten Seitenlänge S1 erheblich größer ist als die zweite Seitenlänge S2. Beispielsweise kann die erste Seitenlänge 20-fach (20x) größer sein als die zweite Seitenlänge S2. Bevorzugt ist die erste Seitenlänge S1 wenigstens 25-fach (25x) größer als die zweite Seitenlänge S2, ganz besonders bevorzugt ist die erste Seitenlänge S1 wenigstens 50-fach (50x) größer als die zweite Seitenlänge S2.
In allen Ausführungsbeispielen der 3a bis 3d weisen die ersten Durchgangskanäle 31 einen großen relativen Flächenanteil in der Filterschicht 30 auf. Dieser Anteil kann wenigstens 30 % der Fläche der Filterschicht 30 über der ersten Kavität 11 betragen. Bevorzugt beträgt dieser Flächenanteil wenigstens 50%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 60%. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Filterschicht für Gasmoleküle bzw. Gasatome aus dem Messgasraum sehr gut durchdrungen werden kann und in der ersten Kavität 11 im Prinzip die Gaskonzentration aus dem Messgasraum 4 vorliegt. Gleichzeitig sind die ersten Durchgangskanäle 31 derart dünn bzw. schmal ausgebildet, d.h. sie weisen eine derart kleine erste Seitenlänge S1 oder zweite Seitenlänge S2 auf, dass im Messgasraum 4 befindliche Partikel nicht in die erste Kavität 11 eindringen können.
In allen 3a bis 3d ist die zweite Anzahl N2 von zweiten Durchgangskanälen 41 derart angeordnet, dass sie in einer Projektion entlang der zweiten Achse A2 der zweiten Durchgangskanäle 41 nicht mit den ersten Durchgangskanälen 31 fluchten. Mit anderen Worten: Wenn durch irgendeinen der ersten Durchgangskanäle 31 ein Partikel in die erste Kavität 11 gelangt, so ist durch diese exzentrische Anordnung der zweiten Durchgangskanäle 41 sichergestellt, dass dieser Partikel nicht auf geradlinigem Weg in den zweiten Durchgangskanal 41 gelangt.
In 3a ist lediglich ein einziger zweiter Durchgangskanal 41 ausgebildet. Dieser weist einen rechteckigen Querschnitt auf, welcher länger ist als breit. Die Diffusionslimitierung beim Übergang von Gasatomen bzw. Gasmolekülen von der ersten Kavität 11 in die zweite Kavität 12 wird durch eine lange zweite Länge L2 entlang der zweiten Achse A2 des zweiten Durchgangskanals 41 erzielt.
In 3b sind vier zweite Durchgangskanäle 41 um die von ersten Durchgangskanälen 31 durchlöcherte Filterschicht 30 herum angelegt. Die zweiten Durchgangskanäle 41 befinden sich im Bild eines Kompasses betrachtet auf den Positionen Nord, Ost, Süd und West. Sie weisen eine rechteckige Form auf.
In 3c ist wieder lediglich ein einziger zweiter Durchgangskanal 41 zu erkennen. Die zweite Anzahl N2 entspricht somit 1. Im Fall der 3c ist der zweite Durchgangskanal 41 zentrisch in der zweiten Kavität 12 bzw. ersten Kavität 11 angeordnet. In der Filterschicht 30 sind unmittelbar oberhalb des zweiten Durchgangskanals 41 keine ersten Durchgangskanäle 31 angeordnet.
In 3d ist wie in 3c der zweite Durchgangskanal 41 zentrisch zwischen der ersten Kavität 11 und der zweiten Kavität 12 angeordnet. Die Filterschicht 30 weist direkt oberhalb des zweiten Durchgangskanals 41 keine der spaltenförmigen, längsgestreckten ersten Durchgangskanäle 31 auf. Mit anderen Worten: Die spaltenförmigen, längsgestreckten ersten Durchgangskanäle 31 sind oberhalb des zweiten Durchgangskanals 41 unterbrochen.
Es versteht sich, dass die ersten Durchgangskanäle 31 und/oder die zweiten Durchgangskanäle 41 auch eine andere Form als eine rechteckige bzw. quadratische Form aufweisen können. Beispielsweise können die ersten Durchgangskanäle 31 und/oder zweiten Durchgangskanäle 41 auch rund, elliptisch, generell vieleckig (dreieckig, fünfeckig, sechseckig, etc.) ausgebildet sein.
Der Querschnitt bzw. die Fläche einzelner erster oder zweiter Durchgangskanäle 31, 41 kann von ca. 2 µm × 2µm bis hin zu mehreren 10 µm × 10 µm bzw. mehreren 100 µm × 100 µm betragen. Beispielsweise kann ein Querschnitt von 15 µm × 60 µm oder 30 µm × 30 µm gewählt sein. Dabei können die ersten Durchgangskanäle 31 und die zweiten Durchgangskanäle 41 die gleiche Querschnittsgröße aufweisen. Jedoch sind die zweiten Durchgangskanäle 41 im Unterschied zu den ersten Durchgangskanälen 31 bezüglich der Gasatome bzw. Gasmoleküle diffusionslimitierend. Dazu kann beispielsweise entweder der Querschnitt bzw. die Fläche der zweiten Durchgangskanäle 41 geringer gewählt sein (z.B. zweite Fläche F2 = 2 µm x 2 µm) als der Querschnitt bzw. die erste Fläche der ersten Durchgangskanäle 31 (z.B. erste Fläche F1 = 30 µm x 30 µm oder F1 = 15µm x 60 µm). Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Länge L2 der zweiten Durchgangskanäle 41 erheblich länger gewählt sein als die erste Länge L1 der ersten Durchgangskanäle 31.
Das vorgestellte Sensorelement 1 kann beispielsweise als bzw. in einer Lambdasonde, Sprunglambdasonde, Breitbandlambdasonde oder als bzw. in einem NOx-Sensor verwendet werden. Grundsätzlich kann das vorgestellte Sensorelement auch als Mikro-Brennstoffzelle Verwendung finden. In diesem Sinne ist der Begriff Sensorelement 1 synonym zum Begriff Mikro-Brennstoffzelle zu verstehen.
Es ist im Kontext der Anmeldung zu verstehen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Beispielsweise ist unter einer „zweiten Anzahl von zweiten Durchgangskanälen“ auch der Fall von genau einem einzigen zweiten Durchgangskanal, also einer Anzahl N2 von 1, umfasst. Umgekehrt kann unter dem Begriff „eine Membran“ der Begriff „wenigstens eine Membran“ umfasst sein. Dies gilt gleichermaßen beispielsweise auch für „eine erste Kavität“, „eine zweite Kavität“, „ein Abstandselement“, „ein Heizelement“, usw. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Sensorelement zur Erfassung wenigstens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (4), das Sensorelement (1) umfassend -- eine erste Kavität (11), die mittels einer Filterschicht (30) vom Messgasraum (4) getrennt ist, -- eine zweite Kavität (12), die bezüglich des Messgases stromabwärts der ersten Kavität (11) angeordnet ist und die mittels einer Diffusionsschicht (40) von der ersten Kavität (11) getrennt ist, -- eine in der zweiten Kavität (12) angeordnete sauerstoffleitende Membran (20), insbesondere eine Feststoffelektrolythmembran (21), die mit einer ersten Seite (24) der zweiten Kavität (12) zugewandt ist, wobei die Filterschicht (30) eine erste Anzahl (N1) von ersten Durchgangskanälen (31) aufweist, die die erste Kavität (11) fluidleitend mit dem Messgasraum (4) verbinden, wobei die Diffusionsschicht (40) eine zweite Anzahl (N2) von zweiten Durchgangskanälen (41) aufweist, die die zweite Kavität (12) fluidleitend mit der ersten Kavität (11) verbinden, wobei die erste Anzahl (N1) größer ist als die zweite Anzahl (N2), insbesondere wenigstens 10 Mal größer, wobei die Membran (20), die Diffusionsschicht (40) und die Filterschicht (30) mikromechanisch hergestellt sind.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei sich die ersten Durchgangskanäle (31) entlang einer ersten Achse (A1) erstrecken, wobei sich die zweiten Durchgangskanäle (41) entlang einer zweiten Achse (A2) erstrecken, wobei sich die erste Achse (A1) im Wesentlichen parallel zur zweiten Achse (A2) erstreckt und/oder wobei sich die erste Achse (A1) im Wesentlichen orthogonal zur zweiten Achse (A2) erstreckt.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Durchgangskanäle (31) eine erste Länge (L1) entlang der ersten Achse (A1) aufweisen, wobei die erste Länge (L1) 10nm bis 50µm beträgt und/oder wobei die zweiten Durchgangskanäle (41) eine zweite Länge (L2) entlang der zweiten Achse (A2) aufweisen, wobei die zweite Länge (L2) 1 µm bis 500µm beträgt, wobei insbesondere die zweite Länge (L2) wenigstens 5 Mal so groß ist wie die erste Länge (L1).
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Durchgangskanäle (31) in einer Ebene (E) senkrecht zur ersten Achse (A1) einen runden Querschnitt oder einen quadratischen Querschnitt oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Sensorelement nach Anspruch 4, wobei die ersten Durchgangskanäle (31) in der Ebene (E) senkrecht zur ersten Achse (A1) einen rechteckigen Querschnitt mit einer ersten Seitenlänge (S1) und mit einer zweiten Seitenlänge (S2) aufweisen, wobei das Verhältnis von erster Seitenlänge (S1) zu zweiter Seitenlänge (S2) wenigstens 25:1 beträgt, bevorzugt wenigstens 50:1.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Anzahl (N1) von ersten Durchgangskanälen (31) bei einer Projektion der ersten Durchgangskanäle (31) auf die Diffusionsschicht (40) entlang der zweiten Achse (A2) mit keinem der zweiten Durchgangskanäle (41) überlappt.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Filterschicht (30) oder auf der Filterschicht (30) oder in der Filterschicht (30 oder unmittelbar benachbart zur Filterschicht (30) ein Heizelement (3) vorgesehen ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an derjenigen Seite der Filterschicht (30), welche der Diffusionsschicht (40) zugewandt ist, wenigstens ein Abstandselement (33) ausgebildet ist, wobei das wenigstens eine Abstandselement (33) in Richtung zur Diffusionsschicht (40) hinweisend von der Filterschicht (30) abragt.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der ersten Anzahl (N1) von ersten Durchgangskanälen (31) und/oder in der zweiten Anzahl (N2) von zweiten Durchgangskanälen (41) Getter-Materialien oder Katalysator-Materialien, insbesondere Platin und/oder Palladium, vorgesehen sind.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Anzahl (N1) der ersten Durchgangskanäle (31) mittels eines lithografischen Prozesses hergestellt ist, oder wobei die erste Anzahl (N1) der ersten Durchgangskanäle (31) mittels eines selbstorganisierten Prozesses hergestellt ist.