EP2271921A1

EP2271921A1 - Abgastaugliche schutzschichten für hochtemperatursensoren

Info

Publication number: EP2271921A1
Application number: EP09734196A
Authority: EP
Inventors: Frank Schnell; Christoph Treutler; Ralf Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2011-01-12
Also published as: CN102016558A; DE102008001394A1; JP5130398B2; WO2009130158A1; JP2011519024A

Abstract

Sensorelement (110) zur Messung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (114), insbesondere für den Nachweis mindestens einer Gaskomponente im Abgas einer Brennkraftmaschine. Das Sensorelement (110) weist einen Sensorkörper (118) mit mindestens einer von dem Messgasraum (114) zugänglichen Sensorfläche (140) auf. Das Sensorelement (110) weist weiterhin eine auf den Sensorkörper (118) aufgebrachte elektrisch isolierende Beschichtung (142) auf. Diese Beschichtung (142) umfasst mindestens eine im Wesentlichen gasdichte erste Schicht (144) und mindestens eine gasdurchlässige zweite Schicht (146). Die Sensorfläche (140) ist zumindest weitgehend unbedeckt durch die erste Schicht (144), wohingegen die Sensorfläche (140) im Wesentlichen vollständig durch die zweite Schicht (146) bedeckt ist.

Description

22. April 2008

Beschreibung

Titel

Abgastaugliche Schutzschichten für Hochtemperatursensoren

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen zur Messung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Bei dieser mindestens einen Eigenschaft soll es sich dabei um eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases handeln, insbesondere eine Zusammensetzung des Gases. Beispielsweise kann das Sensorelement eingesetzt werden, um eine Konzentration und/oder einen Partialdruck einer bestimmten Gaskomponente in dem Gas, beispielsweise im Abgas einer Brennkraftmaschine, zu messen beziehungsweise diese Gaskomponente qualitativ und/oder quantitativ nachzuweisen. Anstelle oder zusätzlich zu einer Gaskomponente lassen sich jedoch beispielsweise auch andere Arten von Analyten nachweisen, beispielsweise Analyten in anderen Aggregatszuständen als dem gasförmigen Zustand, wie beispielsweise flüssige Analyten und/oder Analytpartikel.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche derartiger Sensorelemente bekannt. Ein besonderer Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung, auf welchen die Erfindung jedoch grund- sätzlich nicht beschränkt ist, liegt dabei auf Halbleiter-Sensorelementen. Derartige Halbleiter-Sensorelemente, insbesondere zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens einer Gaskomponente in dem Gas, beruhen in der Regel auf dem Prinzip, dass Halbleiterbauelemente unter bestimmten Umständen ihre elektrischen Eigenschaften messbar ändern, wenn beispielsweise bestimmte Sensorflächen mit bestimmten Stoffen in Berührung kommen. Diese nachzuweisenden Stoffe, bei welchen es sich beispielsweise um die nachzuweisende Gaskomponente handeln kann, können auf verschiedene Weisen mit dem Sensorelement wechselwirken, beispielsweise durch Adsorption und/oder Chemisorption, chemische Reaktion oder auf andere Weise mit einer Sensorfläche des Sensorelements, beispielsweise eines Halbleiterbauelements. Diese Wechselwirkungen können auch gezielt gefördert werden, indem beispielsweise eine Sensorfläche derart präpariert wird, dass diese spezifisch mit dem nachzuweisenden Analyten, insbesondere der mindestens einen nachzuweisenden Gaskomponente, wechselwirkt. Beispiele derartiger Sensorelemente zum Nachweis von Gaskomponenten sind Sensorelemente auf der Basis von Feldeffekttransistoren, welche häufig auch als chemische Feldeffekttransistoren oder ChemFETs bezeichnet werden. Chemische Feldeffekttransistoren sind Feldeffekttransistoren, die als chemische Sensoren wirken und welche beispielsweise analog einem MOSFET aufgebaut sein können. Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors wird dabei in der Regel ganz oder teilweise ersetzt durch die Sensorfläche, wobei die Ladung auf diese Gate-Elektrode durch einen chemischen oder physikalisch-chemischen Prozess aufgebracht wird. Derartige ChemFETs können eingesetzt werden, um Atome, Moleküle oder Ionen in Flüssigkeiten und Gasen qualitativ oder quantitativ nachzuweisen. Wenn im FoI- genden von „Gasen" die Rede ist, sind hierbei neben gasförmigen Medien im eigentlichen Sinne auch andere fluide Medien zu verstehen, also insbesondere auch Flüssigkeiten.

Chemische Feldeffekttransistoren können beispielsweise mit einer speziellen Gate- Beschichtung versehen sein, welche die eigentliche Sensorfläche bildet und welche bei- spielsweise die chemische Selektivität des Nachweises erhöhen kann. Dabei können beispielsweise Gasmoleküle auf dieser Gate-Beschichtung adsorbieren, chemisorbieren oder mit dieser Gate-Beschichtung reagieren und können dadurch die Ladungsträgerdichte im Gate-Bereich des Feldeffekttransistors beeinflussen. Hierdurch wird wiederum die Kennlinie des Transistors geändert, was als Signal für die Anwesenheit des jeweiligen Gases gewertet werden kann. Beispiele derartiger chemischer Feldeffekttransistoren sind in DE 26 10 530 dargestellt, so dass für mögliche Aufbauten derartiger chemischer Feldeffekttransistoren auf diese Schrift verwiesen werden kann. Mit einem Array von chemischen Feldeffekttransistoren, welche jeweils spezifische Gate-Beschichtungen aufweisen, kann insbesondere zwischen verschiedenen Arten von Gaskomponenten unterschieden werden.

Chemische Feldeffekttransistoren sind prinzipiell auch für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich von hohem Interesse. Insbesondere kommen hier Anwendungen als Abgassensoren in Betracht, insbesondere für die Gase NO, NO2, NH₃ und für Kohlenwasserstoffe. Eine Schwierigkeit bekannter chemischer Feldeffekttransistoren liegt jedoch darin, dass an Sen- soren im Kraftfahrzeugbereich grundsätzlich harte Anforderungen bezüglich der Temperaturbelastbarkeit und der mechanischen Beständigkeit zu stellen sind. Insbesondere Abgassensoren sind dabei hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt, und auch die mechanischen Beanspruchungen, beispielsweise durch im Abgas enthaltene Partikel, sind erheblich. Bisherige Sensorelemente mit Sensorflächen werden in vielen Fällen diesen Anforderungen nicht gerecht.

Offenbarung der Erfindung Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Temperaturanforderungen, welche im Kraftfahrzeugbereich an die Sensorelemente zu stellen sind, mit Hochtemperatur- Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Siliciumcarbid (SiC) und/oder Galliumnitrid (GaN) prinzipiell erreichbar sind. Einen kritischen Punkt stellen jedoch die eigentlichen Sensorflä- chen dar, insbesondere, bei chemischen Feldeffekttransistoren, die Gate-Elektroden. Es muss also ein Konzept bereitgestellt werden, um einerseits die eigentlichen Sensorkörper, insbesondere die Halbleiterchips, inklusive deren elektrischen Kontaktierungen, zuverlässig vor den negativen Einflüssen des Abgases wie Abrasion und Vergiftung mechanisch zu schützen, andererseits aber den ungehinderten Gaszutritt zu den Sensorflächen zu ermögli- chen und damit die Messfähigkeit aufrechtzuerhalten.

Diese Grundproblematik wird erfindungsgemäß durch eine Beschichtung gelöst, welche einen mindestens zweilagigen Aufbau aufweist. Bei diesem mindestens zweilagigen Aufbau werden die Funktionen des mechanischen Schutzes und der elektrischen Isolierung funktio- nell voneinander getrennt .

Es wird dementsprechend ein Sensorelement gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, welches insbesondere für den Nachweis mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum einsetzbar sein soll. Insbesondere soll das Sensorelement für den Kraftfahrzeugbereich einsetzbar sein, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine.

Das Sensorelement weist einen Sensorkörper mit mindestens einer von dem Messgasraum zugänglichen Sensorfläche auf. Diese Sensorfläche soll derart ausgestaltet sein, dass mittels dieser Sensorfläche mindestens eine Eigenschaft des Gases messbar ist. Insbesondere soll mittels dieser Sensorfläche quantitativ und/oder qualitativ eine Konzentration mindestens einer Gaskomponente in dem Messgasraum selektiv ermittelt werden können. Zu diesem Zweck kann die Sensorfläche beispielsweise eine Halbleiteroberfläche eines anorganischen Halbleitermaterials umfassen, welche gegebenenfalls zusätzlich mit einer Nachweisbeschich- tung versehen sein kann, beispielsweise einer Nachweisbeschichtung, welche die Selektivität des Nachweises einer bestimmten Gaskomponente erhöht. Beispielsweise kann die Sensorfläche eine Gate-Fläche eines Transistorelements, insbesondere eines Feldeffekt- Transistorelements, umfassen. Vorzugsweise ist die Sensorfläche auf einer äußeren Oberfläche des Sensorkörpers angeordnet, beispielsweise auf einer äußeren Oberfläche eines anorganischen Halbleiterschichtaufbaus, insbesondere eines Halbleiterchips.

Weiterhin weist erfindungsgemäß das Sensorelement eine auf dem Sensorkörper aufgebrachte Beschichtung auf, welche insgesamt elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist und welche die oben genannten Aufgaben löst. -A-

Die Beschichtung weist mindestens eine im Wesentlichen gasdichte erste Schicht und mindestens eine gasdurchlässige zweite Schicht auf. Dabei ist die Sensorfläche zumindest weitgehend unbedeckt durch die erste Schicht und im Wesentlichen vollständig bedeckt durch die zweite Schicht. Vorzugsweise erfolgt der Schichtaufbau in der dargestellten Reihenfolge, so dass der Sensorkörper zunächst mit der gasdichten ersten Schicht beschichtet ist und anschließend mit der gasdurchlässigen zweiten Schicht. Auch eine andere Reihenfolge ist jedoch grundsätzlich denkbar, beispielsweise eine Reihenfolge, bei der der Sensorkörper zunächst mit der gasdurchlässigen zweiten Schicht und dann mit der gasdichten ersten Schicht bedeckt wird. Auch zusätzliche Schichten können vorgesehen sein. Unter „zumindest weitgehend unbedeckt" ist dabei zu verstehen, dass zumindest ein für ein ausreichendes Sensorsignal geeigneter Bereich der Sensorfläche unbedeckt bleibt, vorzugsweise ein Bereich von mindestens 80 % der Sensorfläche. Unter „im Wesentlichen vollständig bedeckt" ist dabei zu verstehen, dass vorzugsweise mindestens 95 % der Sensorfläche und besonders bevorzugt die vollständige Sensorfläche bedeckt ist.

Die Beschichtung soll insgesamt elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen, wobei beispielsweise die erste Schicht und/oder die zweite Schicht elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen können. Unter „im Wesentlichen gasdicht" ist dabei zu verstehen, dass das Gas aus dem Messgasraum von dem Sensorkörper außerhalb der Sensorfläche im Wesentlichen vollständig ferngehalten wird. Insbesondere können dabei ein Halbleiterchip des Sensorkörpers, elektrische Kontaktierungen, Kontakte und Zuleitungen des Sensorkörpers durch die mindestens eine erste Schicht und vorzugsweise auch durch die mindestens eine zweite Schicht abgedeckt sein. Die mindestens eine erste Schicht kann dabei beispielsweise verhindern, dass heiße Abgase Kontakte und sonstige Bereiche des Sensorkörpers chemisch und/oder physikalisch, insbesondere thermisch und/oder mechanisch, schädigen. Die gasdurchlässige zweite Schicht kann beispielsweise als poröse Schicht ausgestaltet sein, welche zwar einen gewissen Strömungswiderstand für Gase darstellen kann, welche jedoch einen Zutritt der Gase aus dem Messgasraum zu der Sensorfläche ermöglicht.

Das Sensorelement kann, wie oben beschrieben, insbesondere ein Halbleitersensorelement umfassen, insbesondere ein Halbleitersensorelement mit einem Halbleitermaterial, welches Siliciumcarbid und/oder Galliumnitrid umfasst. Wie oben beschrieben, kann das Sensorelement insbesondere einen Feldeffekttransistor umfassen oder ein Sensorelement, welches auf einem Feldeffekttransistor basiert, vorzugsweise einen chemischen Feldeffekttransistor.

Die mindestens eine erste Schicht kann mindestens eines der folgenden Materialien aufweisen: ein Dielektrikum, insbesondere ein anorganisches Dielektrikum; ein Glas, insbesondere ein niederschmelzendes Glas, insbesondere ein Glas mit einem Schmelzbereich im Bereich zwischen 400 und 800 ⁰C, insbesondere im Bereich zwischen 550 ⁰C und 650 ⁰C; ein keramisches Material; ein Glas-Keramik-Gemisch. Die erste Schicht kann vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 0,1 μm und 10 μm aufweisen, insbesondere im Bereich zwischen 0,5 μm und 3 μm. Diese erste, dichte Schicht, beispielsweise eines elektrisch isolierenden Glases und/oder eines elektrisch isolierenden keramischen Materials, kann dazu genutzt werden, den Hochtemperaturhalbleiterchip bis auf die eigentlichen ChemFET-Gates abzudecken.

Die vorzugsweise darüberliegende mindestens eine zweite Schicht kann ein poröses, elektrisch isolierendes Material umfassen und kann dazu genutzt werden, die Gates beziehungsweise die Sensorfläche vor mechanischen Einwirkungen zu schützen und gleichzeitig den Gaszutritt zur Sensorfiäche zu ermöglichen. Die zweite Schicht kann dementsprechend ein im Wesentlichen abriebsfestes poröses Material aufweisen, insbesondere ein poröses kera- misches Material, vorzugsweise ein Aluminiumoxid wie zum Beispiel AI2O3. Die zweite Schicht kann dementsprechend, da keine Dichtigkeitsanforderungen gestellt werden und vielmehr ein Gaszutritt durch diese Schicht ermöglicht werden soll, von erheblich höherer Dicke ausgestaltet sein als die erste Schicht, um die mechanischen Anforderungen zu erfüllen und dementsprechend das Sensorelement, insbesondere die Sensorfiäche, vor mechani- sehen Einwirkungen zu schützen und gleichzeitig den Gaszutritt zu ermöglichen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die zweite Schicht eine Dicke im Bereich zwischen 10 μm und 500 μm aufweist, insbesondere im Bereich zwischen 20 μm und 300 μm.

Das vorgeschlagene Sensorelement lässt sich besonders vorteilhaft zur Messung einer Kon- zentration mindestens einer Gaskomponente im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine einsetzen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Sensorelements gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen zur selektiven Messung (d.h. zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis) mindestens eines der folgenden Stoffe: NO, NO₂, NH₃, Kohlenwasserstoffen. Die besonderen Vorteile der Erfindung, insbesondere des erfmdungsgemäßen Sensorelements, ergeben sich aus dem zweilagigen Aufbau der Be- schichtung, welcher es erlaubt, den kompletten Chip des Sensorelements außerhalb der Sensorfläche beziehungsweise der Gate-Elektroden vor chemischen Abgasbestandteilen und damit vor Korrosion zu schützen. Dabei kann die erste, dichte Schicht beispielsweise mittels etablierter Prozesse strukturiert werden, beispielsweise mittels Druckprozessen, Spritzpro- zessen oder mittels einer nachträglichen lithografischen Strukturierung. Außerdem schützt die relativ dicke, zweite, poröse Schicht, welche selbst nicht mehr strukturiert werden muss, das Sensorelement mechanisch, beispielsweise vor Abrasion durch im Abgas enthaltene Feststoffpartikel. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements vorgeschlagen, insbesondere zur Herstellung eines Sensorelements gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Insofern kann für mögliche Details dieses Sensorelements auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Das Sensorelement weist einen Sensorkörper mit mindestens einer von dem Messgasraum zugänglichen Sensorfläche auf, wobei eine e- lektrisch isolierende Beschichtung auf dem Sensorkörper aufgebracht wird. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf, welche vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden:

a) mindestens eine im Wesentlichen gasdichte erste Schicht wird auf den Sensorkörper aufgebracht, wobei die Sensorfläche zumindest weitgehend unbedeckt durch die erste Schicht verbleibt; und b) mindestens eine gasdurchlässige zweite Schicht wird auf den Sensorkörper aufge- bracht, wobei die Sensorfläche im Wesentlichen vollständig durch die zweite Schicht bedeckt wird.

Neben der ersten Schicht und der zweiten Schicht kann die Beschichtung weitere Schichten umfassen. Besonders bevorzugt ist jedoch der genannte zweischichtige Aufbau.

Dabei kann mindestens einer der Verfahrens schritte a) und b) mindestens einen ersten Teilschritt umfassen, bei welchem mindestens ein Grundmaterial auf den Sensorkörper aufgebracht wird, und mindestens einen thermischen Aushärtungsschritt, welcher dieses Grundmaterial in die erste Schicht beziehungsweise die zweite Schicht umwandelt. Beispielsweise kann das Grundmaterial das eigentliche Material der ersten beziehungsweise zweiten Schicht umfassen, vermischt mit beispielsweise Binderanteilen, Lösungsmitteln oder ähnlichem, welche bei dem anschließenden thermischen Aushärtungsschritt entfernt werden können. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, bei dem thermischen Aushärtungsschritt auch ein Sintern, Schmelzen oder eine ähnliche Homogenisierung des Grundmaterials erfol- gen, so dass sich die erste Schicht beziehungsweise die zweite Schicht bildet.

In Verfahrensschritt a) kann zum Aufbringen der ersten Schicht beispielsweise mindestens ein strukturiertes Auftragsverfahren verwendet werden, insbesondere um eine Bedeckung der Sensorfläche zu vermeiden. Auf diese Weise kann durch das strukturierte Auftragsver- fahren beispielsweise eine nachträgliche Entfernung der ersten Schicht von der Sensorfläche vermieden werden - was jedoch, alternativ oder zusätzlich (beispielsweise durch lithografi- sche Strukturierung) dennoch möglich ist. Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn das strukturierte Auftragsverfahren ein Druckverfahren umfasst, insbesondere ein Tampondruckverfahren und/oder ein InkJet- Verfahren. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Dispenserverfahren verwendet werden, also ein Verfahren, bei welchem ein flüssiges und/oder aerosolförmiges Material mittels einer Dosiervorrichtung auf den Sensorkörper aufgebracht wird. Beispielsweise kann eine Dispensernadel bezie- hungsweise Dispenserkanüle zu diesem Zweck verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Sprühverfahren als strukturiertes Auftragsverfahren eingesetzt werden, beispielsweise ein Sprühverfahren ähnlich einem Paintbrushverfahren. Dabei kann, wie auch bei den anderen Verfahren, alternativ oder zusätzlich auch eine Maske eingesetzt werden, um Flächen, welche unbedeckt verbleiben sollen, wie insbesondere die Sensorfläche, vor einem Auftrag zu schützen. Das strukturierte Auftragsverfahren kann insbesondere eingesetzt werden, um mindestens ein Grundmaterial zur Herstellung der ersten Schicht aufzutragen, also beispielsweise wiederum eine Vorläufersubstanz, aus welcher sich nachher, nach dem thermischen Aushärtungsschritt, die eigentliche erste Schicht bilden kann.

Für die zweite Schicht, welche, wie oben beschrieben, nicht notwendigerweise strukturiert aufgebracht werden muss und welche vorzugsweise eine höhere Dicke aufweist als die erste Schicht, können andere Verfahren eingesetzt werden, welche eine höhere Auftragsrate aufweisen. So ist es besonders bevorzugt, wenn in Verfahrensschritt b) zum Auftragen der mindestens einen zweiten Schicht mindestens ein Spritzverfahren als Auftragsverfahren verwendet wird. Verschiedene Spritzverfahren sind denkbar und vorteilhaft einsetzbar, insbesondere um dicke, abriebsfeste zweite Schichten herzustellen. Besonders bevorzugt sind Plasma-Spritzprozesse, mittels derer sich beispielsweise auch mindestens eine keramische poröse Schicht, wie beispielsweise eine poröse Al₂θ3-Schicht, mit hoher Auftragsrate auftragen lässt. Auch für Verfahrensschritt a), also die Auftragung der ersten Schicht, lässt sich ein Spritzverfahren grundsätzlich einsetzen, insbesondere auch wiederum ein Plasmaspritzverfahren. Beispielsweise lassen sich für diesen Zweck Suspensions-Plasma-Spritzprozesse verwenden. Durch eine geschickte Führung des Sensorkörpers relativ zum Plasmastrahl lässt sich hierbei eine Strukturierung erzielen. Außerdem kann beim Auftragen der gasdichten ersten Schicht der Parametersatz des Plasmaverfahrens derart gewählt werden, dass eine hohe Dichtigkeit, insbesondere eine Gasdichtigkeit, gewährleistet ist, was beispielsweise durch ein vollständiges Schmelzen der Partikel durch entsprechend lange Verweildauer im Plasma und durch Wahl einer geeigneten Partikelgröße für ein Ausgangsmaterial des Plasmaverfahrens möglich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 ein dem Stand der Technik entsprechendes, unbeschichtetes Sensorelement; und

Figur 2 ein erfindungsgemäß beschichtetes Sensorelement.

Ausführungsformen

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines dem Stand der Technik entsprechenden Sensorelements 110 dargestellt. Für mögliche Details zum Aufbau und der Funktionsweise einzelner Bestandteile des Sensorelements 110 kann als Beispiel auf die DE 26 10 530 verwiesen werden.

Das Sensorelement 110 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen chemischen Feldeffekttransistor 112 auf. Dieser chemische Feldeffekttransistor kann auch in Mehrzahl vorhanden sein, beispielsweise in Form eines Arrays chemischer Feldeffekttransistoren 112, beispiels- weise zum gleichzeitigen Nachweis unterschiedlicher Gaskomponenten. Das Sensorelement 110 kann insbesondere zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis einer oder mehrerer Gaskomponenten eines Gases in einem Messgasraum 114 dienen, welcher in Figur 1 symbolisch angedeutet ist. Beispielsweise kann dieser Messgasraum 114 ein Abgastrakt einer Brennkraftmaschine sein.

Das Sensorelement 110 umfasst in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Träger Substrat 116. Das Trägersubstrat 116 kann beispielsweise ein Halbleitermaterial umfassen, beispielsweise einen Halbleiterchip, und kann darüber hinaus beispielsweise elektrische Zuleitungen, Kontaktpads oder ähnliches umfassen. Der eigentliche chemische Feldef- fekttransistor 112 ist auf diesem Trägersubstrat 116 aufgebaut oder kann ganz oder teilweise in dieses Träger Substrat 116 integriert sein.

Der chemische Feldeffekttransistor 112 umfasst einen Sensorkörper 118, welcher beispielsweise ganz oder teilweise SiC und/oder GaN als Halbleitermaterial, gegebenenfalls in ver- schiedenen Dotierungen, umfassen kann. Der Sensorkörper 118 kann dementsprechend beispielsweise als Halbleiterchip aufgebaut sein. Der Sensorkörper 118 umfasst einen Sour- ce-Bereich 120 und einen Drain-Bereich 122, welche beispielsweise durch entsprechende Dotierungen in dem Sensorkörper 118 hergestellt sein können, beispielsweise durch eine n- Dotierung in diesen Bereichen 120, 122, wohingegen beispielsweise der übrige Bereich des Sensorkörpers 118 p-dotiert sein kann. Der Source-Bereich 120 und der Drain-Bereich 122 können durch entsprechende Elektrodenkontakte 124, 126 kontaktiert und über elektrische Zuleitungen 128, 130 angesteuert werden.

Zwischen dem Source-Bereich 120 und dem Drain-Bereich 122 bildet sich im Sensorkörper 118 ein Stromkanal 132 aus. Die Ausdehnung und die elektrischen Eigenschaften dieses Stromkanals 132, und somit ein Stromfluss zwischen Source-Bereich 120 und Drain- Bereich 122 wird bei üblichen Feldeffekttransistoren beeinflusst durch eine Gate-Elektrode 134. Die Rolle dieser Gate-Elektrode 134 wird bei chemischen Feldeffekttransistoren 112 in der Regel nicht durch eine metallische Elektrode, in Verbindung mit einem Oxidmaterial, übernommen, sondern durch eine Oberfläche 136 des Sensorkörpers 118 zwischen den E- lektrodenkontakten 124, 126, welche üblicherweise mit einer Sensorbeschichtung 138 versehen ist. Diese Sensorbeschichtung 138 dient dazu, selektiv Gasmoleküle oder andere nachzuweisende Analyten zu adsorbieren, absorbieren oder chemisorbieren beziehungsweise chemische Reaktionen mit diesen Analyten auszulösen. Die Anwesenheit des nachzuweisenden Analyten, beispielsweise der Gasmoleküle der nachzuweisenden Gaskomponente im Messgasraum 114, bestimmt somit die elektrischen Eigenschaften der Gate-Elektrode 134 und damit die Lage, die Ausdehnung und die übrigen elektrischen Eigenschaften im Strom- kanal 132. Der Stromfluss zwischen Source-Bereich 120 und Drain-Bereich 122 wird somit durch die Anwesenheit oder Abwesenheit des nachzuweisenden Analyten beeinflusst. Die Oberfläche 136 beziehungsweise, bei Anwesenheit einer Sensorbeschichtung 138, die Oberfläche dieser Sensorbeschichtung 138 hin zum Messgasraum 114 stellen somit eine Sensor- fläche 140 bereit, an welcher die nachzuweisenden Analyten spezifisch adsorbiert, absorbiert beziehungsweise chemisorbiert werden können beziehungsweise mit welcher die nachzuweisenden Analyten spezifische chemische Reaktionen eingehen können.

Das in Figur 1 dargestellte Sensorelement 110 weist die oben beschriebenen Nachteile auf, da insbesondere die Elektrodenkontakte 124, 126, die elektrischen Zuleitungen 128, 130 und auch sonstige Bestandteile des Sensorkörpers 118 durch aggressive Gase im Messgasraum 110 beschädigt werden können. Weiterhin können sämtliche Oberflächen des Sensorelements 110 beispielsweise mechanisch durch Partikel in einem Abgas, welches über die Oberfläche des Sensorelements 110 strömt, beschädigt werden. Zur Behebung dieser Problematik ist in Figur 2 eine erfmdungsgemäße Ausgestaltung des Sensorelements 110 darge- stellt. Das Sensorelement 110 entspricht im Wesentlichen dem in Figur 1 dargestellten Aus- führungsbeispiel, so dass für die einzelnen Komponenten beispielsweise wiederum auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten, dem Stand der Technik entsprechenden Beispiel weist das Sensorelement 110 gemäß dem in Figur 2 dargestellten erfmdungsgemä- ßen Ausfuhrungsbeispiel eine Beschichtung 142 auf, welche insgesamt elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Diese Beschichtung 142 überdeckt in dem dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel vorzugsweise den gesamten chemischen Feldeffekttransistor 112, mitsamt seinen Elektrodenkontakten 124, 126 und zumindest teilweise den elektrischen Zuleitungen 128, 130. Die Beschichtung 142 weist erfindungsgemäß mindestens zwei einzelne Schichten auf, eine erste Schicht 144 und eine zweite Schicht 146. Die erste Schicht 144 bedeckt den chemischen Feldeffekttransistor 112 nahezu vollständig, mit Ausnahme der Sensorfiäche 140, welche in diesem Ausführungsbeispiel vollständig frei verbleibt. Diese erste Schicht 144 ist im Wesentlichen gasdicht und verhindert somit im Wesentlichen den Zutritt aggressiver Gase aus dem Messgasraum 114 zu empfindlichen Bereichen des chemischen Feldeffekttransistors 112, wie beispielsweise den Elektrodenkontakten 124, 126 und den elektrischen Zuleitungen 128, 130. Auf diese Weise wird beispielsweise eine Korrosion dieser empfindlichen Elektrodenkontakte 124, 126 und/oder der elektrischen Zuleitungen 128, 130 zumindest weitgehend verhindert.

Die zweite Schicht 146, welche gasdurchlässig ausgestaltet ist, ist erheblich dicker ausgestaltet als die erste Schicht 144 und bedeckt den chemischen Feldeffekttransistor 112 vor- zugsweise vollständig, insbesondere die Sensorfiäche 140.

Die erste, relativ dünne Schicht 144 kann typischerweise eine Dicke von 0,5 bis 3 μm aufweisen und ist im Wesentlichen gasdicht und vorzugsweise elektrisch isolierend. Sie wird insbesondere über den Elektrodenkontakten 124, 126 und dem übrigen Halbleiterchip des Sensorkörpers 118 aufgebracht, wobei der Gate-Bereich 134, insbesondere die Sensorfiäche 140, unbeschichtet bleiben. Als Auftragstechnik für diese erste Schicht 144 bietet sich eine lokale Beschichtung mit einem Dispenser- und/oder einem InkJet- Verfahren oder einer vergleichbaren Fertigungstechnik an, beispielsweise Tampondruck, da diese Beschichtungs- techniken eine 3D-Fähigkeit, also die Fähigkeit einer Beschichtung über eine Stufe hinweg, besitzen und da das Auftragen mit diesen Techniken additiv und strukturiert erfolgen kann. Somit können beispielsweise zusätzliche, nachträgliche Strukturierungsschritte, beispielsweise zum Freilegen der Sensorfiäche 140, entfallen.

Als Material für die erste Schicht 144 bieten sich insbesondere Gläser beziehungsweise Ge- mische aus Glas- und Keramikanteilen an, welche bei niedrigen Temperaturen (beispielsweise ca. 550 bis 650 ⁰C) schmelzen. Die Schmelztemperatur sollte allerdings über der späteren Betriebstemperatur des Sensorelements 110 liegen, um eine Funktion der Beschichtung 142 über die Lebensdauer des Sensorelements 110 hinweg sicherzustellen. Ein Aushärten der ersten Schicht 144 kann durch eine Temperaturbehandlung erfolgen, wobei die Maximaltemperatur dieser Temperaturbehandlung derart gewählt sein soll, dass diese auch bei Hochtemperaturhalbleitern das Sensorelement 110 nicht schädigt. Dementsprechend werden vorzugsweise niedrigschmelzende Gläser verwendet.

Über dieser ersten Schicht 144 kann in einem weiteren Verfahrensschritt, beispielsweise mittels eines Plasma-Spritzprozesses, die zweite Schicht 146 aufgetragen werden. Diese zweite Schicht 146 zeichnet sich durch eine hohe Porosität aus. Hierbei können beispielsweise keramische Pulver, wie beispielsweise Al₂O₃, beziehungsweise bei einem Suspensi- ons-Plasma-Spritzprozess Suspensionen mit keramischen Bestandteilen zum Einsatz kommen. Das Plasmaspritzen ist zum Auftragen der zweiten Schicht 146 besonders gut geeignet, da sich durch Parametervariation des Plasma-Spritzprozesses die Porosität dieser zweiten Schicht 146 gut einstellen lässt. Entscheidend ist dabei die Verweildauer des Pulvers im Plasma. Eine lange Verweildauer bewirkt eine vollständig geschmolzene Substanz und somit eine eher geschlossene, dichte zweite Schicht 146, wohingegen eine kurze Verweildauer lediglich eine oberflächlich angeschmolzene Ausgangssubstanz und somit eine poröse Schicht auf dem Sensorkörper 118 erzeugt.

Weiterhin kann bei einem Plasma-Spritzprozess auch die Auftreffgeschwindigkeit der Parti- kel auf dem Sensorkörper 118 beziehungsweise dem Sensorelement 110 variiert werden. Typisch sind Auftreffgeschwindigkeiten zwischen 150 m/s bis hin zu 450 m/s. Weiterhin lassen sich dicke Schichten erzeugen, typischerweise zwischen 80 μm und 300 μm, bei einem Suspensionsplasmaspritzen auch dünnere Schichten, beispielsweise im Bereich zwischen 20 μm und 80 μm.

Weiterhin kann durch den Plasma-Spritzprozess eine Temperaturbelastung des Sensorelements 110 bei der Herstellung der Beschichtung 142 gering gehalten werden. Trotz sehr hoher Temperaturen im Plasma von bis zu 30000 K kann die Temperatur am Sensorelement 110 beziehungsweise am Sensorkörper 118 kleiner als beispielsweise 400 ⁰C gehalten wer- den. Auf einen separaten Temperaturbehandlungsschritt, insbesondere einen Hochtemperaturschritt, zum Vernetzen einer Ausgangssubstanz, kann beim Plasmaspritzen verzichtet werden, da dies im Spritzprozess bereits umfasst ist. Zudem ist ein Plasma-Spritzprozess sehr reproduzierbar durchzuführen und kann in eine Fertigungsstraße gut integriert werden. Eine gesamte Sensorspitze eines Sensorelements 110, umfassend den gesamten chemischen Feldeffekttransistor 112, kann mittels eines Plasma- Spritzverfahrens problemlos und vollständig mit einem porösen Schutzmantel in Form der zweiten Schicht 146 umspritzt werden. Derartige Ummantelungen wirken sich vorteilhaft als Thermo schockschutz aus und vermindern eine Thermoschockbelastung durch Auftreffen kleiner Wassertröpfchen auf geheizte Sensorelemente 110.

Eine erfindungsgemäße Variante des Herstellungsverfahrens des Sensorelements 110, insbe- sondere zur Erzeugung der BeSchichtung 142, besteht darin, auch die dünne, gasdichte erste Schicht 144 mittels eines Plasma-Spritzprozesses, vorzugsweise eines Suspensions-Plasma- Spritzprozesses, aufzutragen. Hierbei ist besonderes Augenmerk auf eine lokale Strukturierung der Beschichtung zu legen, um insbesondere den Gate-Bereich 134 und die Sensorflä- che 140 unbeschichtet zu lassen. Dies kann über eine geschickte Führung des Sensorele- ments 110 relativ zum Plasmastrahl bewerkstelligt werden. Außerdem sollte beim Auftragen der gasdichten ersten Schicht 144 der Parametersatz so gewählt werden, dass diese erste Schicht 144 möglichst dicht ausgebildet ist, um die Gasdichtigkeit zu gewährleisten. Dies kann insbesondere, wie oben beschrieben, durch ein vollständiges Schmelzen der Ausgangspartikel durch möglichst lange Verweildauer im Plasma und eine Wahl einer geeigneten Par- tikelgröße, insbesondere einer möglichst kleinen Partikelgröße, realisiert werden.

Claims

Ansprüche

1. Sensorelement (110) zur Messung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (114), insbesondere für den Nachweis mindestens einer Gaskomponente im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei das Sensorelement (110) einen Sensorkörper (118) mit mindestens einer von dem Messgasraum (114) zugänglichen Sensorfläche (140) aufweist, wobei das Sensorelement (110) eine auf den Sensorkörper (118) aufgebrachte elektrisch isolierende Beschichtung (142) aufweist, wobei die Beschichtung (142) mindestens eine im Wesentlichen gasdichte erste Schicht (144) und mindestens eine gasdurchlässige zweite Schicht (146) aufweist, wobei die Sensorfläche (140) zumindest weitgehend unbedeckt durch die erste Schicht (144) ist und wobei die Sensorfläche (140) im Wesentlichen vollständig durch die zweite Schicht (146) bedeckt ist.

2. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorelement (HO) ein Halbleitersensorelement umfasst, insbesondere ein SiC und/oder GaN als

Halbleitermaterial umfassendes Halbleitersensorelement, insbesondere ein auf einem Feldeffekttransistor basierendes Sensorelement (110), vorzugsweise einen chemischen Feldeffekttransistor (1 12).

3. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (144) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: ein Dielektrikum, insbesondere ein anorganisches Dielektrikum; ein Glas, insbesondere ein niedrigschmelzendes Glas, insbesondere ein Glas mit einem Schmelzbereich im Bereich von 400 ⁰C bis 800 ⁰C, insbesondere im Bereich zwischen 550 ⁰C und 650 ⁰C; ein keramisches Ma- terial; ein Glas-Keramik-Gemisch.

4. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (144) eine Schichtdicke von zwischen 0,1 μm und 10 μm aufweist, insbesondere im Bereich zwischen 0,5 μm und 3 μm.

5. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (146) ein im Wesentlichen abriebsfestes poröses Material aufweist, insbesondere ein poröses keramisches Material, vorzugsweise ein Aluminiumoxid.

6. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (146) eine Dicke im Bereich zwischen 10 μm und 500 μm, insbesondere im Bereich zwischen 20 μm und 300 μm, aufweist.

7. Verfahren zur Messung einer Konzentration mindestens einer Gaskomponente im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur selektiven Messung mindestens eines der folgenden Stoffe: NO; NO₂; NH₃; Kohlenwasserstoffe, wobei ein Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (110) zur Messung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (114), insbesondere eines Sensorelements (110) nach einem der vorhergehenden, auf ein Sensorelement (110) gerichteten Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) einen Sensorkörper (118) mit mindestens einer von dem Messgasraum (114) zugänglichen Sensorfläche (140) aufweist, wobei eine elektrisch isolierende Beschichtung (142) auf den Sensorkörper (118) aufgebracht wird, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a) mindestens eine im Wesentlichen gasdichte erste Schicht (144) wird auf den Sensorkörper (118) aufgebracht, wobei die Sensorfläche (140) zumindest weitgehend un- bedeckt durch die erste Schicht (144) verbleibt; b) mindestens eine gasdurchlässige zweite Schicht (146) wird auf den Sensorkörper (118) aufgebracht, wobei die Sensorfläche (140) im Wesentlichen vollständig durch die zweite Schicht (146) bedeckt wird.

9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens einer der Verfahrensschritte a) und b) mindestens einen ersten Teilschritt umfasst, bei welchem mindestens ein Grundmaterial auf den Sensorkörper (118) aufgebracht wird, und mindestens einen thermischen Aushärtungsschritt.

10. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei in Verfahrens- schritt a) mindestens ein strukturiertes Auftragsverfahren verwendet wird, insbesondere mindestens eines der folgenden Auftragsverfahren: ein Druckverfahren; ein Tampon- druckverfahren; ein InkJet- Verfahren; ein Dispenserverfahren; ein Sprühverfahren; ein Spritzverfahren.

11. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei in mindestens einem der Verfahrensschritte a) und b) mindestens ein Spritzverfahren als Auftragsverfahren verwendet wird, insbesondere mindestens ein Plasmaspritzverfahren, insbesondere ein Suspensionsplasmaspritzverfahren.