EP2329256A1 - Abgastaugliche schutzschichten für hochtemperatur chemfet abgassensoren - Google Patents

Abgastaugliche schutzschichten für hochtemperatur chemfet abgassensoren

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Publication number
EP2329256A1
EP2329256A1 EP09780679A EP09780679A EP2329256A1 EP 2329256 A1 EP2329256 A1 EP 2329256A1 EP 09780679 A EP09780679 A EP 09780679A EP 09780679 A EP09780679 A EP 09780679A EP 2329256 A1 EP2329256 A1 EP 2329256A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
protective layer
sensitive component
temperature
layer
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09780679A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Wahl
Oliver Wolst
Alexander Martin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2329256A1 publication Critical patent/EP2329256A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a sensor element, comprising at least one sensitive component. Furthermore, the invention is based on a sensor element according to the preamble of claim 11.
  • Sensor elements which comprise a sensitive component are used, for example, for measuring at least one property of a gas in a measuring gas space.
  • This at least one property may be a physical and / or chemical property of the gas, in particular a composition of the gas.
  • a sensor element can be used to measure a concentration and / or a partial pressure of a specific gas component in the gas, for example in the exhaust gas of an internal combustion engine, or to qualitatively and / or quantitatively detect these gas components.
  • a gas component instead of or in addition to a gas component, however, it is also possible, for example, to detect other types of analytes, for example analytes in states other than the gaseous state, for example liquid analytes and / or analyte particles.
  • the sensor elements In order to determine at least one property of a gas in a measurement gas space, the sensor elements generally comprise a component with a gas-sensitive layer, in particular a gas-sensitive layer semiconductor component.
  • Such semiconductor devices with a gas sensitive layer are generally gas sensitive field effect transistors.
  • the gate electrode In such gas-sensitive field effect transistors, the gate electrode is provided with a coating on which gas molecules can adsorb, which lead to a potential change at the gate, which in turn changes the charge carrier density in the transistor channel and thus the characteristic of the transistor. This is a signal for the presence of the respective gas.
  • a coating in each case a material is selected which is selective for certain gases to be detected.
  • the coating generally contains a catalytically active material.
  • the gases to be detected can interact in various ways with the sensor element, in particular with the gas-sensitive layer, for example by adsorption and / or chemisorption, chemical reactions or else in other ways.
  • the interaction of the gas to be detected with the gas-sensitive layer causes the potential change at the gate, which influences the charge carrier density of the field effect transistor in the channel region below.
  • the potential change at the gate is caused by the changed work function of the gate metal with respect to the gate dielectric and / or the change in the interface state density between the dielectric (insulator) and the semiconductor material.
  • the characteristic of the transistor is changed, which can be interpreted as a signal for the presence of the respective gas. Examples of such gas-sensitive field-effect transistors are shown for example in DE 26 10 530, so that reference may be made to this document for possible structures of such gas-sensitive field-effect transistors.
  • Sensor elements are used for the detection of gas components, for example also in exhaust gas lines of motor vehicles. With such sensor elements, for example, the presence of nitrogen oxides, ammonia or hydrocarbons in the exhaust gas can be determined. Due to the high temperatures of the exhaust gas of the internal combustion engine, however, high demands are placed on the sensor elements. In addition, particles may also be present in the exhaust gas, for example, which can lead to abrasion of the gate coatings. This requires protection of the gate coatings, but the function must not be impaired by such protection.
  • An inventive method for producing a sensor element, comprising at least one sensitive component comprises the following steps:
  • the sensitive component is applied to a carrier substrate.
  • the carrier substrate usually comprises conductor tracks, with which the sensitive component is contacted.
  • the carrier substrate is made of a ceramic material.
  • the carrier substrate when used in low temperature applications, it is also possible for the carrier substrate to be, for example, a polymeric carrier substrate, as commonly used in printed circuit board manufacturing.
  • the material for the protective layer is the same material as the material for the carrier substrate.
  • the temperature-stable material for the protective layer is thus preferably a ceramic material, particularly preferably silicon nitride, silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide or mixtures thereof.
  • the residue-free thermally decomposable material from which the masking layer is made is preferably a thermally decomposable polymer.
  • suitable thermally decomposable polymers which can be used as a masking layer are, for example, polyesters, polyethers such as polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyethylene oxide or polypropylene oxide.
  • co- or ter-polymers of the material classes mentioned here are co- or ter-polymers of the material classes mentioned here.
  • the decomposable material is photosensitive or photostructurable, such as a resist.
  • a photoimageable resist may be one of the following combinations of a base polymer and a photoactive component.
  • Suitable photoactive components are diazoketones, diazoquinones, triphenylsulfonium salts or diphenyliodonium salts.
  • the resist can be patterned, for example by lithography and etching.
  • Suitable solvents for obtaining coatable polymeric solutions or mixtures of a base polymer and a photoactive component are, for example, methoxypropyl acetate, ethoxypropyl cetate, ethoxyethyl propionate, N-methylpyrrolidone, ⁇ -butyrolactone, cyclohexanone, cyclopentanone or ethyl acetate.
  • the layer thickness with which the residue-free thermally decomposable material for the masking layer is applied to the sensitive component is preferably in the range from 1 ⁇ m to 2 mm.
  • the small layer thickness of the masking layer makes it possible in particular to realize a compact construction.
  • the masking has the advantage that in the subsequent application method of the ceramic protective layer the sensitive semiconductor component is protected by its mechanically sensitive electrodes and a partially occurring abrasion of the electrode materials during the protective layer production is avoided.
  • the thermally decomposable material may be removed during the application process, e.g. in thermal plasma spraying, already thermally decomposed and thus act as pore formers. If the coating process takes place at temperatures below the decomposition point of the marking layer, the protective layer is preferably set up in such a way that it is already permeable to decomposable material.
  • the sensitive component Since the sensitive component has a three-dimensional structure, it is necessary for applying the masking layer of the residue-free thermally decomposable material to use a method that is 3D-capable, that is, in which a coating over at least one stage is possible.
  • Suitable methods for applying the residue-free thermally decomposable material are, for example, dispensing, ink-jet printing, pad printing, spin-coating or dipping. Dispensing, inkjet printing or pad printing also have the advantage that additive application is possible in order to produce the desired layer thickness.
  • the polymer used for the layer is dissolved, for example, in a solvent or dispersed in a solvent.
  • the application of the residue-free thermally decomposable material is followed in this case by a drying step in order to remove the solvent from the thermally decomposable material, in particular the polymer.
  • Suitable monomers and / or polymers with radiation are those which contain epoxide groups, acrylate groups and / or methacylate groups as functional groups.
  • the protective layer of the temperature-stable material is applied to the masking layer.
  • a spraying method is usually used as the application method.
  • various spraying methods are conceivable and advantageously usable.
  • Preference is given to plasma spraying processes with which the protective layer of the temperature-stable material is applied to the masking layer.
  • the masking layer avoids uncontrolled action of the plasma on the gas-sensitive layer during the plasma spraying process, which leads to a more robust design of the protective layer production process and thus to a cost reduction.
  • the action of the plasma during the plasma spraying process results, for example, from a mechanical loading of the sensitive component during application.
  • the advantage of using a plasma spraying method is that a defined porosity of the protective layer can be set.
  • the porosity of the protective layer is necessary so that the gas to be detected or the gas mixture to be examined passes through the protective layer to the gas-sensitive component. However, particles contained in the gas stream are retained by the sensitive component through the protective layer, so that mechanical damage to the sensitive component is prevented.
  • the masking layer is removed by pyrolysis or a low-temperature-controlled oxygen plasma.
  • the gaseous product formed in the pyrolysis or the low-temperature-controlled oxygen plasma can be removed through the pores of the porous protective layer.
  • the protective layer is sintered during the pyrolysis or through the low-temperature-guided oxygen plasma.
  • a porous sintering is usually carried out to adjust the porosity of the protective layer.
  • the pyrolysis for removing the masking layer may be carried out, for example, in air or in an oxygen-rich atmosphere. It is also possible to change the composition of the atmosphere during pyrolysis. As an oxygen-rich atmosphere, for example, pure oxygen or oxygen-enriched air is introduced. puts. In the case of oxygen-enriched air, the oxygen content in the atmosphere is preferably in the range of 21 to 100% by volume, more preferably in the range of 22 to 50% by volume. In addition, a pyrolysis in a hydrogen-rich atmosphere is possible.
  • the required decomposition temperature is mainly dependent on the choice of thermally decomposable masking materials. However, the temperature can be influenced via the pyrolysis parameters, for example the ambient pressure.
  • An inventively designed sensor element which is produced for example by the method described above, comprises at least one sensitive component and a protective layer of a temperature-stable material, wherein the sensitive component is covered by the protective layer of the temperature-stable material.
  • the sensitive device and the protective layer are spaced apart. As described above, with the sensitive component and the protective layer spaced from each other, thermal stresses due to high temperature stress or temperature changes are avoided.
  • the sensitive component is preferably a semiconductor sensor element, in particular a semiconductor sensor element with a semiconductor material comprising silicon carbide and / or gallium nitride.
  • the sensitive component may in particular comprise a field effect transistor or a sensor component based on a field effect transistor.
  • the sensitive component is particularly preferably a chemosensitive field effect transistor, in particular a gas sensitive field effect transistor.
  • a sensitive component has, for example, a sensor body with at least one sensor surface accessible to the gas to be measured.
  • the sensor surface is usually designed so that at least one property of the gas can be measured with the sensor surface.
  • a concentration of at least one gas component in the gas to be measured can be determined quantitatively and / or qualitatively selectively.
  • the sensor surface comprises a semiconductor surface of an inorganic semiconductor material, which may optionally be additionally provided with a sensitive coating.
  • a sensitive coating may be included which increases the selectivity of detecting a particular gas component.
  • the sensor surface may be a gate surface of a transistor element, in particular of a field-effect transistor.
  • the sensor surface is arranged on an outer surface of the sensor body, for example on an outer surface of an inorganic semiconductor layer structure, in particular of a semiconductor chip.
  • the gas-sensitive layer generally contains a catalytically active material, so that upon contact with the gas to be measured, a chemical reaction is initiated, by which the electrical property of the gas-sensitive layer changes.
  • the protective layer of the temperature-stable material is porous.
  • the protective layer preferably has a porosity in the range of 2 to 50%, in particular in the range of 10 to 30%.
  • FIG. 1-4 Method steps for producing a sensor element according to the invention using the example of a gas-sensitive field-effect transistor.
  • a sensor element 1 comprises a sensitive component 3, which is connected to a carrier substrate 5.
  • the sensitive component 3 is a gas-sensitive field-effect transistor in the embodiment shown here.
  • a field effect transistor as a sensitive component 3
  • An array of gas-sensitive field-effect transistors is used, for example, for the simultaneous detection of different gas components.
  • the sensor element 1 can serve, for example, for the qualitative and / or quantitative detection of one or more gas components of a gas in a gas-containing environment.
  • the gaseous environment may be, for example, an exhaust system of an internal combustion engine.
  • the sensitive component 3 designed as a gas-sensitive field-effect transistor comprises a sensor body 7 which is formed completely or partially from silicon carbide (SiC) and / or gallium nitride (GaN) as semiconductor material, optionally in different dopings.
  • the sensor body 7 is constructed as a semiconductor chip.
  • the sensor body 7 comprises a source region 9 and a drain region 11, which are produced, for example, by corresponding dopants in the sensor body 7. can be.
  • the sensor body 7 has an n-doping in the source region 9 and drain region 11, whereas the remaining region of the sensor body 7 may be p-doped, for example.
  • the application of the residue-free thermally decomposable material for the masking layer 31 is carried out by any method with which a coating of a three-dimensional element is possible. This is necessary because the sensitive component 3 is higher than the carrier substrate to which the sensitive component 3 is applied.
  • the application method for the masking layer 31 must therefore be able to overcome at least one stage. Suitable methods for applying the masking layer 31 are, for example, dispensing, ink jet printing, pad printing, spin coating or dipping. Any other suitable methods which are known to the person skilled in the art can also be used for applying the masking layer.
  • an entire sensor tip of a sensor element 1, which comprises the entire sensitive component 3 can be overmoulded completely and easily with a porous protective layer 33.
  • a protective layer 33 has an advantageous effect, for example, even when used in an exhaust system of an internal combustion engine as a thermal shock protection and prevents thermal shock loading, for example, by impinging small water droplets on the heated sensor element.
  • a sensor element 1 manufactured in accordance with the method described above can be used particularly advantageously for measuring a concentration in at least one gas component in an exhaust gas line of an internal combustion engine. Particularly preferred is the use of the sensor element 1 for selective measurement, that is for the qualitative and / or quantitative detection of nitrogen oxides, ammonia or hydrocarbons in the exhaust gas.
  • the inventive protective layer 33 which is formed spaced apart from the sensitive component 3, makes it possible to protect the complete sensitive component 3 from abrasion, for example from particles contained in the exhaust gas. A protection of the sensitive component 3 against chemical constituents of the exhaust gas and thus against corrosion takes place through the passivation layer 29.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (1), umfassend mindestens ein sensitives Bauelement (3), bei dem eine Maskierungsschicht (31) aus einem rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Material auf das sensitive Bauelement (3) aufgebracht wird, wobei das sensitive Bauelement (3) durch die Maskierungsschicht (31) im Wesentlichen vollständig abgedeckt wird, auf die Maskierungsschicht (31) eine Schutzschicht (33) aus einem temperaturstabilen Material aufgebracht wird und die Maskierungsschicht (31) durch Pyrolyse oder ein niedertemperaturgeführtes Sauerstoffplasma entfernt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Sensorelement, umfassend mindestens ein sensitives Bauelement (3) und eine Schutzschicht (33) aus einem temperaturstabilen Material, wobei das sensitive Bauelement (3) von der Schutzschicht (33) aus dem temperaturstabilen Material abgedeckt ist, wobei das sensitive Bauelement (3) und die Schutzschicht (33) voneinander beabstandet sind.

Description

Beschreibung
Titel
Abgastaugliche Schutzschichten für Hochtemperatur ChemFET Abgassensoren
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, umfassend mindestens ein sensitives Bauelement. Weiterhin geht die Erfindung aus von einem Sensorelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Sensorelemente, die ein sensitives Bauelement umfassen, werden zum Bespiel zur Messung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum eingesetzt. Bei dieser mindestens einen Eigenschaft kann es sich um eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases handeln, insbesondere eine Zusammensetzung des Gases. So kann ein der- artiges Sensorelement zum Beispiel eingesetzt werden, um eine Konzentration und/oder einen Partialdruck einer bestimmten Gaskomponente in dem Gas, beispielsweise im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, zu messen bzw. diese Gaskomponenten qualitativ und/oder quantitativ nachzuweisen. Anstelle oder zusätzlich zu einer Gaskomponente lassen sich jedoch beispielsweise auch andere Arten von Analyten nachweisen, beispielsweise Ana- lyten in anderen Aggregatszuständen als dem gasförmigen Zustand, beispielsweise flüssige Analyten und/oder Analytpartikel.
Um mindestens eine Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum zu bestimmen, umfassen die Sensorelemente im Allgemeinen ein Bauelement mit einer gassensitiven Schicht, insbesondere ein Halbleiterbauelement mit gassensitiver Schicht. Derartige Halbleiterbauelemente mit einer gassensitiven Schicht sind im Allgemeinen gassensitive Feldeffekttransistoren. Bei solchen gassensitiven Feldeffekttransistoren ist die Gate-Elektrode mit einer Be- schichtung versehen, auf der Gasmoleküle adsorbieren können, die zu einer Potentialänderung am Gate führen, die wiederum die Ladungsträgerdichte im Transistorkanal und damit die Kennlinie des Transistors ändern. Dies ist ein Signal für die Anwesenheit des jeweiligen Gases. Als Beschichtung wird dabei jeweils ein Material gewählt, das selektiv für bestimmte zu detektierende Gase ist. Hierzu enthält die Beschichtung im Allgemeinen ein katalytisch aktives Material. Durch den Einsatz unterschiedlicher gassensitiver Feldeffekttransistoren, die jeweils spezifische Gate-Beschichtungen aufweisen, können unterschiedliche Gase de- tektiert werden.
Die zu detektierenden Gase können auf verschiedene Weisen mit dem Sensorelement, insbe- sondere mit der gassensitiven Schicht, wechselwirken, beispielsweise durch Adsorption und/oder Chemisorption, chemische Reaktionen oder auch auf andere Weise. Durch die Wechselwirkung des zu detektierenden Gases mit der gassensitiven Schicht kommt es zur Potentialänderung am Gate, die im darunter liegenden Kanalbereich die Ladungsträgerdichte des Feldeffekttransistors beeinflusst. Die Potentialänderung am Gate wird hervorgerufen durch die veränderte Austrittsarbeit des Gatemetalls gegenüber dem Gate-Dielektrikum und/oder der Veränderung in der Grenzflächenzustandsdichte zwischen Dielektrikum (Isolator) und Halbleitermaterial. Hierdurch wird die Kennlinie des Transistors geändert, was als Signal für die Anwesenheit des jeweiligen Gases gewertet werden kann. Beispiele solcher gassensitiver Feldeffekttransistoren sind zum Beispiel in DE 26 10 530 dargestellt, so dass für mögliche Aufbauten derartiger gassensitiver Feldeffekttransistoren auf diese Schrift verwiesen werden kann.
Einsatz finden Sensorelemente zur Detektion von Gaskomponenten zum Beispiel auch in Abgassträngen von Kraftfahrzeugen. Mit solchen Sensorelementen kann zum Bespiel die Anwesenheit von Stickoxiden, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen im Abgas ermittelt werden. Aufgrund der hohen Temperaturen des Abgases der Verbrennungskraftmaschine werden jedoch hohe Anforderungen an die Sensorelemente gestellt. Zudem können im Abgas beispielsweise auch Partikel enthalten sein, die zu einer Abrasion der Gate- Beschichtungen führen können. Dies macht einen Schutz der Gate-Beschichtungen erforder- lieh, wobei jedoch die Funktion durch einen solchen Schutz nicht beeinträchtigt werden darf.
Um die Gate-Beschichtungen zu schützen, ist zum Beispiel bekannt, eine gassensitive Be- schichtung auf den gassensitiven Feldeffekttransistor aufzubringen. Ein solcher gassensitiver Feldeffekttransistor mit einer offenporig porösen sensitiven Schicht ist zum Beispiel in DE- A 10 2005 008 051 beschrieben. Das Aufbringen einer porösen Schicht auf den gassensitiven Feldeffekttransistor hat jedoch den Nachteil, dass die sehr empfindliche Gate- Beschichtung beschädigt werden kann. Zudem ist es insbesondere beim Einsatz des Sensorelementes bei hohen Temperaturen möglich, dass aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdeh- nungskoeffizienten des Halbleiterbauelements und der Schutzschicht Spannungen auftreten, die insbesondere bei Schichtdicken von einigen Mikrometern bis wenigen Millimetern zu Rissen in der Schutzschicht oder sogar zum Abplatzen der Schutzschicht führen können. Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, umfassend mindestens ein sensitives Bauelement, umfasst folgende Schritte:
(a) Aufbringen einer Maskierungsschicht aus einem rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Material auf das sensitive Bauelement, wobei das sensitive Bauelement durch die Maskierungsschicht vollständig abgedeckt wird,
(b) Aufbringen einer Schutzschicht aus einem temperaturstabilen Material auf die Maskierungsschicht,
(c) Entfernen der Maskierungsschicht durch Pyrolyse oder ein niedertemperaturgeführtes Sauerstoffplasma.
Durch das Entfernen der Maskierungsschicht nach dem Aufbringen der Schutzschicht wird ein Hohlraum zwischen dem sensitiven Bauelement und der Schutzschicht erzeugt. Die Schutzschicht liegt nicht direkt auf dem sensitiven Bauelement auf. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass bei hoher Temperaturbelastung und Temperaturwechseln bei großen Unterschieden des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schutzschicht und des sensitiven Bauelementes thermische Spannungen vermieden werden. Dies führt gleichzeitig zu einer Stabilisierung der Schutzschicht, da keine Risse in der Schutzschicht entstehen und kein Abplat- zen der Schutzschicht erfolgt, wenn sich die Schutzschicht und das sensitive Bauelement aufgrund von hoher Temperaturbelastung und Temperaturwechsels unterschiedlich ausdehnen.
Im Allgemeinen ist das sensitive Bauelement auf ein Träger Substrat aufgebracht. Das Trä- gersubstrat umfasst üblicherweise Leiterbahnen, mit denen das sensitive Bauelement kontaktiert ist. Insbesondere bei Hochtemperatureinsatz des Sensorelementes ist das Trägersubstrat aus einem keramischen Material gefertigt. Bei Einsatz in Niedertemperaturanwendungen ist es jedoch auch möglich, dass das Trägersubstrat zum Beispiel ein polymeres Trägersubstrat ist, wie es im Allgemeinen in der Leiterplattenfertigung eingesetzt wird.
Wenn das Sensorelement jedoch in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt wird, beispielsweise zur Untersuchung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, ist das Material, aus dem das Träger Substrat gefertigt ist, eine Keramik. Geeignete keramische Materia- lien zur Herstellung des Trägersubstrats sind zum Beispiel Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid (AI2O3) oder Zirkonoxid (ZrO) oder Mischungen aus zweien oder mehrerer dieser Materialien. Um einen Schutz des sensitiven Bauelementes zu erzielen, ist es notwendig, dass das sensitive Bauelement allseitig umschlossen ist. Um einen entspre- chenden Schutz zu realisieren, ist die Schutzschicht mit dem Träger Substrat verbunden. Um zu vermeiden, dass aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der Schutzschicht und des Materials des Trägersubstrates thermische Spannungen auftreten, die zu einer Schädigung der Schutzschicht, beispielsweise einem Brechen der Schutzschicht führen können, ist es bevorzugt, dass das Material für die Schutzschicht das gleiche Material ist wie das Material für das Trägersubstrat.
Das temperaturstabile Material für die Schutzschicht ist somit vorzugsweise ein keramisches Material, besonders bevorzugt Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Mischungen daraus.
Das rückstandsfrei thermisch zersetzbare Material, aus dem die Maskierungs Schicht gefertigt ist, ist vorzugsweise ein thermisch zersetzbares Polymer. Materialien bzw. Materialklassen geeigneter thermisch zersetzbarer Polymere, die als Maskierungsschicht eingesetzt werden können, sind zum Beispiel Polyester, Polyether wie Polyethylenglykol, Polypropy- lenglykol, Polyethylenoxid oder Polypropylenoxid. Ferner sind geeignet Polyacrylate, PoIy- acetate, Polyketale, Polycarbonate, Polyurethane, Polyetherketone, cycloaliphatische Polymere, aliphatische Polyamide, Polyvinylphenole und Epoxy- Verbindungen. Ebenfalls geeignet sind Co- bzw. Ter-Polymere der hier genannten Materialklassen.
Vorzugsweise ist das zersetzbare Material photosensitiv oder photostrukturierbar, wie beispielsweise ein Resist.
Insbesondere kann ein photostrukturierbarer Resist eine der folgenden Kombinationen aus einem Basispolymer und einer photoaktiven Komponente sein. Als Basispolymer können z.B. Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyacetate, Polyacetale, Co-Polymere mit Maleinanhydrid, aliphatische, aromatische oder cycloaliphatische Polymere mit tert-Butylester (COOC(CnH2n+I)3 mit n = 1, 2, 3) wie z.B. tert-Butylmethacrylat, oder mit tert- Butoxycarbonyloxy-Gruppen (OCOO(CnH2n+I)3) wie tert-Butoxycarbonyloxystyrol eingesetzt werden. Als photoaktive Komponenten eignen sich beispielsweise Diazoketone, Dia- zochinone , Triphenylsulfoniumsalze oder Diphenyliodioniumsalze. Somit kann der Resist strukturiert werden, beispielsweise durch Lithographie- und Ätzverfahren. Als Lösungsmittel zum Erhalt auftragbarer polymerer Lösungen oder Mischungen aus einem Basispolymer und einer photoaktiven Komponente eignen sich z.B. Methoxypropylacetat, Ethoxypropyla- cetat, Ethoxyethylpropionat, N-Methylpyrrolidon, γ-Butyrolacton, Cyclohexanon, Cyclo- pentanon oder Ethylacetat.
Die Schichtdicke, mit der das rückstandsfrei thermisch zersetzbare Material für die Maskie- rungsschicht auf das sensitive Bauelement aufgebracht wird, liegt vorzugsweise im Bereich von 1 μm bis 2 mm. Durch die geringe Schichtdicke der Maskierungsschicht lässt sich insbesondere ein kompakter Aufbau realisieren. Weiterhin birgt die Maskierung den Vorteil, dass beim nachfolgenden Auftragungsverfahren der keramischen Schutzschicht das sensitive Halbleiterbauelement mit seinen mechanisch empfindlichen Elektroden geschützt ist und eine teilweise auftretende Abrasion der Elektrodenmaterialien während der Schutzschichtherstellung vermieden wird. Zudem kann das thermisch zersetzbare Material während des Auftragungsverfahrens, z.B. beim thermischen Plasmasprühen, bereits thermisch zersetzt werden und somit als Porenbildner agieren. Erfolgt der Beschichtungsvorgang bei Temperaturen unterhalb des Zersetzungspunktes der Markierungsschicht, ist die Schutzschicht vor- zugsweise derart eingerichtet, dass sie für zersetzbares Material bereits durchlässig ist.
Da das sensitive Bauelement eine dreidimensionale Struktur aufweist, ist es zum Aufbringen der Maskierungsschicht aus dem rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Material erforderlich, ein Verfahren einzusetzen, das 3D-fähig ist, das heißt bei dem eine Beschichtung über mindestens eine Stufe möglich ist. Geeignete Verfahren zum Aufbringen des rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Materials sind zum Beispiel Dispensen, Tintenstrahldruck, Tampondruck, Aufschleudern oder Tauchen. Dispensen, Tintenstrahldruck oder Tampondruck haben zudem den Vorteil, dass ein additives Auftragen möglich ist, um so die gewünschte Schichtdicke zu erzeugen. Um das rückstandsfrei thermisch zersetzbare Material durch ei- nes der vorstehend genannten Verfahren auf das sensitive Bauelement aufzubringen, wird das für die Schicht eingesetzte Polymer zum Beispiel in einem Lösungsmittel gelöst oder in einem Lösungsmittel dispergiert. An das Aufbringen des rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Materials folgt in diesem Fall ein Trockenschritt, um das Lösungsmittel aus dem thermisch zersetzbaren Material, insbesondere dem Polymer, zu entfernen.
Neben dem Einsatz von Polymeren, die in einem Lösungsmittel gelöst oder dispergiert werden, ist es alternativ auch möglich, zum Beispiel Monomere und/oder Polymere mit strah- lungshärtenden Eigenschaften, insbesondere UV-härtenden Eigenschaften, einzusetzen, um die Maskierungsschicht zu bilden. In diesem Fall wird nach dem Auftragen der Monomere und/oder Polymere für die Maskierungsschicht, ein Belichtungsschritt durchgeführt, durch den die Monomere und/oder Polymere vernetzen und so zu einer starren, im Allgemeinen unlöslichen Polymerschicht aushärten. Geeignete Monomere und/oder Polymere mit strah- lungshärtenden Eigenschaften sind zum Beispiel solche, die als funktionelle Gruppen Epo- xid-Gruppen, Acrylat-Gruppen und/oder Methacylat-Gruppen enthalten.
Nach dem Trocknen, das heißt dem Entfernen von Lösungsmittel, und/oder dem Aushärten, zum Beispiel durch einen Belichtungsschritt, wird die Schutzschicht aus dem temperaturstabilen Material auf die Maskierungsschicht aufgebracht. Zum Aufbringen der Schutzschicht wird üblicherweise ein Spritzverfahren als Auftragsverfahren eingesetzt. Zur Herstellung einer dicken, abriebsfesten Schutzschicht sind verschiedene Spritzverfahren denkbar und vorteilhaft einsetzbar. Bevorzugt sind Plasma-Spritzprozesse, mit denen die Schutzschicht aus dem temperaturstabilen Material auf die Maskierungsschicht aufgebracht wird. Durch die Maskierungsschicht wird ein unkontrolliertes Einwirken des Plasmas während des Plasma-Spritzverfahrens auf die gassensitive Schicht vermieden, was zu einer robusteren Gestaltung des Herstellungsprozesses der Schutzschicht führt und damit zu einer Kostenreduktion. Die Einwirkung des Plasmas während des Plasma-Spritzverfahrens ergibt sich zum Bei- spiel durch eine mechanische Belastung des sensitiven Bauelements während des Auftragens.
Vorteil des Einsatzes eines Plasma-Spritzverfahrens ist es, dass sich eine definierte Porosität der Schutzschicht einstellen lässt. Die Porosität der Schutzschicht ist notwendig, damit das zu detektierende Gas bzw. das zu untersuchende Gasgemisch durch die Schutzschicht zum gassensitiven Bauelement gelangt. Jedoch werden im Gasstrom enthaltene Partikel vom sensitiven Bauelement durch die Schutzschicht zurückgehalten, so dass eine mechanische Schädigung des sensitiven Bauelements verhindert wird.
Nach dem Aufbringen der Schutzschicht wird die Maskierungsschicht durch Pyrolyse oder ein niedertemperaturgesteuertes Sauerstoffplasma entfernt. Das bei der Pyrolyse bzw. dem niedertemperaturgeführten Sauerstoffplasma entstehende gasförmige Produkt kann durch die Poren der porösen Schutzschicht entfernt werden. Weiterhin ist es auch möglich, die Porosität der Schutzschicht durch die Pyrolyse bzw. das niedertemperaturgeführte Sauer- stoffplasma einzustellen. Insbesondere bei einer Schutzschicht aus einem keramischen Material ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Schutzschicht während der Pyrolyse bzw. durch das niedertemperaturgeführte Sauerstoffplasma versintert wird. Hierbei erfolgt üblicherweise eine poröse Versinterung, um die Porosität der Schutzschicht einzustellen.
Die Pyrolyse zum Entfernung der Maskierungsschicht kann zum Beispiel in Luft oder in einer sauerstoffreichen Atmosphäre durchgeführt werden. Auch ist es möglich, die Zusammensetzung der Atmosphäre während der Pyrolyse zu ändern. Als sauerstoffreiche Atmosphäre wird zum Beispiel reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft einge- setzt. Bei mit Sauerstoff angereicherter Luft liegt der Anteil an Sauerstoff in der Atmosphäre vorzugsweise im Bereich von 21 bis 100 Vol-%, insbesondere im Bereich von 22 bis 50 Vol-%. Zudem ist auch eine Pyrolyse in einer wasserstoffreichen Atmosphäre möglich. Die erforderliche Zersetzungstemperatur ist vor allem von der Wahl der thermisch zersetzbaren Maskierungsmaterialien abhängig. Die Temperatur kann dabei jedoch über die Pyrolyseparameter, beispielsweise den Umgebungsdruck, beeinflusst werden.
Ein erfmdungsgemäß ausgebildetes Sensorelement, das beispielsweise durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt wird, umfasst mindestens ein sensitives Bauelement und eine Schutzschicht aus einem temperaturstabilen Material, wobei das sensitive Bauelement von der Schutzschicht aus dem temperaturstabilen Material abgedeckt ist. Das sensitive Bauelement und die Schutzschicht sind voneinander beabstandet. Wie vorstehend beschrieben, werden dadurch, dass das sensitive Bauelement und die Schutzschicht voneinander beabstandet sind, thermische Spannungen aufgrund hoher Temperaturbelastung oder bei Temperaturwechseln vermieden.
Das sensitive Bauelement ist vorzugsweise ein Halbleitersensorelement, insbesondere ein Halbleitersensorelement mit einem Halbleitermaterial, das Siliziumcarbid und/oder Galliumnitrid umfasst. Das sensitive Bauelement kann insbesondere einen Feldeffekttransistor um- fassen oder ein Sensorbauteil, das auf einem Feldeffekttransistor basiert. Besonders bevorzugt ist das sensitive Bauelement ein chemosensitiver Feldeffekttransistor, insbesondere ein gassensitiver Feldeffekttransistor.
Ein sensitives Bauelement weist zum Beispiel einen Sensorkörper mit mindestens einer dem zu messenden Gas zugänglichen Sensorfläche auf. Die Sensorfläche ist üblicherweise so ausgeführt, dass mit der Sensorfläche mindestens eine Eigenschaft des Gases messbar ist. Insbesondere soll mit der Sensorfläche eine Konzentration mindestens einer Gaskomponente im zu messenden Gas quantitativ und/oder qualitativ selektiv ermittelt werden können. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, dass die Sensorfläche eine Halbleiteroberfläche eines anorganischen Halbleitermaterials umfasst, die gegebenenfalls zusätzlich mit einer sensitiven Beschichtung versehen sein kann. So kann zum Beispiel eine sensitive Beschichtung umfasst sein, die die Selektivität des Nachweises einer bestimmten Gaskomponente erhöht. So kann die Sensorfläche zum Beispiel eine Gate-Fläche eines Transistorelements, insbesondere eines Feldeffekttransistors sein. Vorzugsweise ist die Sensorfläche an einer äußeren Oberflä- che des Sensorkörpers angeordnet, beispielsweise auf einer äußeren Oberfläche eines anorganischen Halbleiterschichtaufbaus, insbesondere eines Halbleiterchips. Die gassensitive Schicht enthält im Allgemeinen ein katalytisch aktives Material, so dass bei Kontakt mit dem zu messenden Gas eine chemische Reaktion initiiert wird, durch die sich die elektrische Eigenschaft der gassensitiven Schicht ändert.
Um einen Zutritt des zu messenden Gases zur gassensitiven Oberfläche zu ermöglichen, ist die Schutzschicht aus dem temperaturstabilen Material porös. Die Schutzschicht weist dabei vorzugsweise eine Porosität im Bereich von 2 bis 50 %, insbesondere im Bereich von 10 bis 30 % auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1-4 Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelementes am Beispiel eines gassensitiven Feldeffekttransistors.
In der Figur 1 ist ein Sensorelement noch ohne Beschichtung dargestellt. Ein Sensorelement 1 umfasst ein sensitives Bauelement 3, das mit einem Trägersubstrat 5 verbunden ist.
Das sensitive Bauelement 3 ist in der hier dargestellten Ausführungsform ein gassensitiver Feldeffekttransistor. Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform mit einem Feldef- fekttransistor als sensitivem Bauelement 3 ist es auch möglich, mehrere Feldeffekttransistoren 3, zum Beispiel in Form eines Arrays gassensitiver Feldeffekttransistoren, einzusetzen. Ein Array von gassensitiven Feldeffekttransistoren wird zum Beispiel eingesetzt zum gleichzeitigen Nachweis unterschiedlicher Gaskomponenten. Das Sensorelement 1 kann zum Beispiel zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis einer oder mehrerer Gaskomponen- ten eines Gases in einer gashaltigen Umgebung dienen. Die gashaltige Umgebung kann beispielsweise ein Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine sein.
Das als gassensitiver Feldeffekttransistor ausgebildete sensitive Bauelement 3 umfasst einen Sensorkörper 7, der beispielsweise vollständig oder teilweise aus Siliziumcarbid (SiC) und/oder Galliumnitrid (GaN) als Halbleitermaterial, gegebenenfalls in verschiedenen Dotierungen, ausgebildet ist. Üblicherweise ist der Sensorkörper 7 als Halbleiterchip aufgebaut. Im Allgemeinen umfasst der Sensorkörper 7 einen Source-Bereich 9 und einen Drain- Bereich 11, die beispielsweise durch entsprechende Dotierungen im Sensorkörper 7 herge- stellt sein können. So weist der Sensorkörper 7 beispielsweise eine n-Dotierung im Source- Bereich 9 und Drain-Bereich 11 auf, wohingegen der übrige Bereich des Sensorkörpers 7 beispielsweise p-dotiert sein kann. Zur elektrischen Ansteuerung ist der Source-Bereich 9 mit einer Source-Elektrode 13 verbunden und der Drain-Bereich 11 mit einer Drain- Elektrode 15. Die elektrische Ankontaktierung der Source-Elektrode 13 bzw. der Drain- Elektrode 15 erfolgt über Kontaktiermittel 17. Als Kontaktiermittel 17 können zum Beispiel Leiterbahnstrukturen auf das sensitive Bauelement 3 aufgedruckt sein, die die Source- Elektrode 13 bzw. die Drain-Elektrode 15 mit Leiterbahnen 19 auf dem Trägersubstrat 5 verbinden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, als Kontaktiermittel 17 zum Beispiel Ver- drahtungen in Form von Draht-Bondings oder jede beliebige andere Kontaktierung, die dem Fachmann bekannt ist, einzusetzen, um die Source-Elektrode 13 bzw. die Drain-Elektrode 15 mit den Leiterbahnen 19 zu verbinden. Zudem ist in einer speziellen Ausführungsform ein Flip-Chip-Aufbau denkbar. Die Sensoroberfläche mit der gassensitiven Beschichtung 25 zeigt in Richtung des keramischen Trägers 5, wobei der Gaszutritt über einen zusätzlichen Kanal im Träger 5 gesichert ist.
Bei der elektrischen Ansteuerung des Sensorelementes 1 bildet sich zwischen dem Source- Bereich 9 und dem Drain-Bereich 11 im Sensorkörper 7 ein Stromkanal aus. Die Ausdehnung und die elektrischen Eigenschaften dieses Stromkanals und somit ein Stromfluss zwi- sehen dem Source-Bereich 9 und dem Drain-Bereich 11 werden bei üblichen Feldeffekttransistoren durch eine Gate-Elektrode 21 beeinflusst. Die Rolle der Gate-Elektrode 21 wird bei einem gassensitiven Feldeffekttransistor zum einen durch eine metallische Elektrode in Verbindung mit einem Halbleiter-Oxidmaterial übernommen, oder zum anderen beispielsweise durch einen Gateschicht-Stapel 23, der mit einer gassensitiven Beschichtung 25 versehen ist. Der Gateschicht-Stapel ist üblicherweise aus einem dielektrischen Material, beispielsweise SiC>2, SΪ3N4, SiOxNy, AI2O3, Hfθ2, Zrθ2 und Mischungen daraus gefertigt. Als Gateschicht- Stapel 23 eignet sich jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Gateschicht-Stapel, wie er für gassensitive Feldeffekttransistoren gemäß dem Stand der Technik eingesetzt wird.
Die gassensitive Beschichtung 25 dient üblicherweise dazu, selektiv Gasmoleküle oder andere nachzuweisende Analyten zu adsorbieren, absorbieren oder chemisorbieren bzw. chemische Reaktionen mit diesen Analyten auszulösen. Die Anwesenheit des nachzuweisenden Analyten, beispielsweise der Gasmoleküle der nachzuweisenden Gaskomponente im zu untersuchenden Gas bestimmt somit die elektrischen Eigenschaften der Gate-Elektrode 21 und damit die Lage, die Ausdehnung und die übrigen elektrischen Eigenschaften im Stromkanal zwischen dem Source-Bereich 9 und dem Drain-Bereich 11. Der Stromfluss zwischen dem Source-Bereich 9 und dem Drain-Bereich 11 wird somit durch die Anwesenheit oder Abwesenheit des nachzuweisenden Analyten beeinflusst. Neben der hier dargestellten Ausfuhrungsform mit Gateschicht-Stapel 23, auf dem die gassensitive Beschichtung 25 aufgetragen ist, ist es alternativ jedoch zum Beispiel auch möglich, dass die gassensitive Beschichtung 25 direkt auf eine Oberfläche 27 des Sensorkörpers 7 aufgebracht wird. Üblicherweise wird jedoch ein Gateschicht- Stapel 23 eingesetzt.
Die Source-Elektrode 13 und die Drain-Elektrode 15 sind üblicherweise Ohmsche Kontakte, die aus einem gut leitfähigen Material gefertigt sind. Üblicherweise als Materialien für die Source-Elektrode 13 und die Drain-Elektrode 15 werden Metalle, beispielsweise Tantal, Tantalsilizid, Chrom, Titan, Nickel, Aluminium, Titannitrid, Platin, Suizide, Gold oder alle möglichen Schichtabfolgen eingesetzt.
Um die Source-Elektrode 13, die Drain-Elektrode 15, den Gateschicht-Stapel 23 und den Sensorkörper 7 vor aggressiven Medien im zu untersuchenden Gas zu schützen, ist vor- zugsweise auf den Sensorkörper 7, die Source-Elektrode 13 und die Drain-Elektrode 15 eine Passivierungsschicht 29 aufgebracht. Auf die Passivierungsschicht 29 kann verzichtet werden, wenn das Sensorelement 1 in nichtaggressiven Medien eingesetzt wird. Als Material für die Passivierungsschicht 29 werden üblicherweise keramische Materialien, beispielsweise Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxid (SiC^), Aluminiumoxid (AI2O3), Titandioxid (TiC>2) und Mischungen daraus eingesetzt. Eine bevorzugte Mischung ist eine Mischung aus Siliziumnitrid und Siliziumoxid. Um die gassensitive Eigenschaft des sensitiven Bauelements 3 nicht zu beeinträchtigen, deckt die Passivierungsschicht 29 die gassensitive Beschichtung 25 jedoch nicht ab.
Das in Figur 1 dargestellte Sensorelement 1 weist jedoch noch die zuvor beschriebenen Nachteile auf, da insbesondere die Source-Elektrode 13 und Drain-Elektrode 15 sowie die Kontaktiermittel 17 und die gassensitive Beschichtung 25 durch aggressive Medien beschädigt werden können. Zudem können sämtliche Oberflächen des Sensorelements 1 auch mechanisch durch Partikel in einem zu untersuchenden Gasstrom, beispielsweise einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, das über die Oberfläche des Sensorelements 1 strömt, beschädigt werden. Zur Behebung dieser Problematik wird das sensitive Bauelement 3 mit einer Schutzschicht überdeckt. Die erfmdungsgemäße Herstellung der Schutzschicht ist in den Figuren 2 bis 4 dargestellt.
Ein erster Schritt zum Aufbringen der Schutzschicht ist in Figur 2 dargestellt.
In einem ersten Schritt wird das Sensorelement 1 mit einer Maskierungsschicht 31 abgedeckt. Die Maskierungsschicht wird dabei aus einem rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Material hergestellt. Als rückstandsfrei thermisch zersetzbares Material wird vorzugsweise ein Polymer eingesetzt. Geeignete Polymere sind, wie vorstehend beschrieben, zum Beispiel Polyester, Polyether wie Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polyethylenoxid, Polypropylenoxid, Polyacrylate, Polyacetate, Polyketale, Polycarbonate, Polyurethane, Polyetherke- tone, cycloaliphatische Polymere, aliphatische Polyamide, Polyvinylphenole und Epoxy- Verbindungen sowie deren Co- bzw. Ter-Polymere. Um die Maskierungsschicht 31 aufzubringen, ist es zum Beispiel möglich, das Polymer in einem Lösungsmittel zu lösen oder zu dispergieren. In diesem Fall erfolgt nach dem Auftragen des rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Materials ein Trockenschritt, um das Lösungsmittel zu entfernen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, zum Beispiel Strahlungshärtende oder wärmeaushärtende Monomere und/oder Polymere zu verwenden, die die Maskierungsschicht bilden. In diesem Fall wird nach dem Auftragen des Materials für die Maskierungsschicht das Sensorelement 1 bestrahlt oder erwärmt, um die Polymere auszuhärten. Geeignete Strahlungshärtende oder wärmeaushärtende Monomere und/oder Polymere sind solche, die, wie vorstehend bereits beschrie- ben, als funktionelle Gruppen beispielsweise Epoxid-Gruppen, Acrylat-Gruppen und/oder Methacylat-Gruppen enthalten.
Das Aufbringen des rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Materials für die Maskierungsschicht 31 erfolgt durch ein beliebiges Verfahren, mit dem eine Beschichtung eines dreidi- mensionalen Elementes möglich ist. Dies ist erforderlich, da das sensitive Bauelement 3 höher ist als das Trägersubstrat, auf welches das sensitive Bauelement 3 aufgebracht ist. Das Auftragsverfahren für die Maskierungsschicht 31 muss somit zumindest eine Stufe überwinden können. Geeignete Verfahren zum Auftragen der Maskierungs Schicht 31 sind zum Beispiel Dispensen, Tintenstrahldruck, Tampondruck, Aufschleudern oder Tauchen. Auch be- liebige andere geeignete Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, können zum Aufbringen der Maskierungsschicht eingesetzt werden.
Nach dem Aufbringen der Maskierungsschicht wird eine Schutzschicht 33 aus einem temperaturstabilen Material auf die Maskierungsschicht 31 aufgetragen. Ein Sensorelement 1 mit auf die Maskierungsschicht 31 aufgebrachter Schutzschicht 33 ist in Figur 3 dargestellt.
Das Aufbringen der Schutzschicht 33 erfolgt vorzugsweise durch ein Spritzverfahren, insbesondere durch ein Plasmaspritzverfahren. Die mit dem Plasmaspritzverfahren aufgetragene Schutzschicht 33 zeichnet sich vorzugsweise durch eine hohe Porosität aus. Zur Herstellung der Schutzschicht 33 können zum Beispiel keramische Pulver oder bei einem Suspensi- onsplasmaspritzverfahren Suspensionen mit keramischen Bestandteilen eingesetzt werden. Vorteil des Plasmaspritzverfahrens zum Herstellen der Schutzschicht 33 ist, dass sich hierdurch die Porosität durch Parametervariation des Plasmaspritzverfahrens gut einstellen lässt. Entscheidend ist dabei die Verweildauer des Pulvers bzw. der Suspension im Plasma. Eine lange Verweildauer bewirkt eine vollständig geschmolzene Ausgangssubstanz und somit eine eher geschlossene Schutzschicht 33, wohingegen eine kurze Verweildauer lediglich eine oberflächlich angeschmolzene Ausgangssubstanz und somit eine poröse Schicht auf der Maskierungs Schicht 31 erzeugt.
Weiterhin kann bei einem Plasmaspritzverfahren auch die Auftreffgeschwindigkeit der Partikel variiert werden. Typisch sind Auftreffgeschwindigkeiten zwischen 150 m/s bis hin zu 450 m/s. Auch lassen sich dicke Schichten erzeugen, typischerweise zwischen 80 μm und 2 mm, bei einem Suspensionsplasmaspritzen auch dünnere Schichten, beispielsweise im Bereich zwischen 20 μm und 300 μm.
Durch die Maskierungsschicht 31 können Beschädigungen des sensitiven Bauelements 3 aufgrund der hohen Auftreffgeschwindigkeit der Partikel während des Plasmaspritzverfah- rens vermieden werden.
Auch kann durch das Plasmaspritzverfahren eine Temperaturbelastung des Sensorelements 1 bei der Herstellung der Schutzschicht 33 gering gehalten werden. Trotz sehr hoher Temperaturen im Plasma von bis zu 30000 K kann die Temperatur am Sensorelement 1 bzw. am Sensorkörper 7 kleiner als beispielsweise 400 0C gehalten werden. Die Temperatur am Sensorelement 1 ist dabei insbesondere vom Abstand des maskierten Sensors von der Plasmaquelle abhängig. Auf einen separaten Temperaturbehandlungsschritt, insbesondere einen Hochtemperaturschritt, zum Vernetzen der Ausgangssubstanz zur porösen Schicht der Schutzschicht 33, kann bei einem Plasmaspritzverfahren verzichten werden, da dieser im Spritzprozess bereits umfasst ist. Zudem ist ein Plasmaspritzverfahren sehr reproduzierbar durchzuführen und kann in eine Fertigungsstraße gut integriert werden. Auch ist durch eine gezielte Bewegung des Sensorelements 1 im Plasma eine präzise Beschichtung zur Herstellung der Schutzschicht 33 möglich.
Mit einem Plasmaspritzverfahren kann beispielsweise eine gesamte Sensorspitze eines Sensorelements 1 , die das gesamte sensitive Bauelement 3 umfasst, problemlos und vollständig mit einer porösen Schutzschicht 33 umspritzt werden. Eine derartige Schutzschicht 33 wirkt sich zum Beispiel auch bei Einsatz in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine vorteilhaft als Thermoschockschutz aus und verhindert eine Thermoschockbelastung bei- spielsweise durch Auftreffen kleiner Wassertröpfchen auf das geheizte Sensorelement 1.
Als Material für die Schutzschicht 33 werden üblicherweise keramische Materialien, beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titandioxid oder Mi- schungen daraus, eingesetzt. Vorzugsweise wird das gleiche Material verwendet, aus dem auch das Trägersubstrat 5 gefertigt ist. Die Verwendung eines keramischen Materials für das Träger Substrat 5 ist insbesondere bevorzugt, wenn das Sensorelement 1 hohen Temperaturen ausgesetzt werden soll, da die keramischen Materialien gegenüber hohen Tempera- turen beständig sind. Insbesondere kann so auch eine Schädigung des Trägersubstrats 5 in einem Pyrolyseschritt vermieden werden, der nach dem Aufbringen der Schutzschicht 33 durchgeführt wird, um die Maskierungs Schicht 31 zu entfernen. Ein Sensorelement 1, bei dem die Maskierungsschicht 31 entfernt wurde, ist in Figur 4 dargestellt.
Durch den Pyrolyseschritt wird die Maskierungsschicht 31 pyrolysiert und das dabei entstehende gasförmige Produkt wird durch die poröse Schicht 33 entfernt. Um eine vollständige und rückstandsfreie Zersetzung der organischen Bestandteile der Maskierungsschicht 31 zu erzielen, wird die Pyrolyse vorzugsweise in Luft und/oder einer sauerstoffreichen oder wasserstoffreichen Atmosphäre durchgeführt. Um eine sauerstoffreiche Atmosphäre zu erhal- ten, ist es zum Beispiel möglich, den Sauerstoffgehalt in der Luft zu erhöhen oder alternativ reinen Sauerstoff einzusetzen. Der Pyrolyseschritt, während dem die Maskierungsschicht 31 entfernt wird, kann gleichzeitig zur porösen Versinterung der Schutzschicht 33 eingesetzt werden. Zudem ist es möglich, dass durch die Pyrolyse der Maskierungsschicht 31 die Porosität der Schutzschicht 33 eingestellt wird. So kann hierdurch zum Beispiel die Porosität der Schutzschicht 33 noch vergrößert werden. Alternativ zur Pyrolyse der Maskierungsschicht 31 ist es auch möglich, eine Behandlung in einem niedertemperaturgeführten Sauerstoffplasma durchzuführen. Im niedertemperaturgeführten Sauerstoffplasma wird die Maskierungsschicht 31 ebenfalls zersetzt und das Zersetzungsprodukt wird durch die Schutzschicht 33 entfernt.
Ein gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestelltes Sensorelement 1 lässt sich besonders vorteilhaft zur Messung einer Konzentration in mindestens einer Gaskomponente in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine einsetzen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Sensorelements 1 zur selektiven Messung, das heißt zum quali- tativen und/oder quantitativen Nachweis, von Stickoxiden, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen im Abgas. Die erfmdungsgemäße Schutzschicht 33, die vom sensitiven Bauelement 3 beabstandet ausgebildet ist, ermöglicht es, das vollständige sensitive Bauelement 3 vor Abrasion, zum Beispiel von im Abgas enthaltenen Partikeln, zu schützen. Ein Schutz des sensitiven Bauelements 3 vor chemischen Bestandteilen des Abgases und damit vor Korro- sion erfolgt durch die Passivierungsschicht 29.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (1), umfassend mindestens ein sensitives Bauelement (3), folgende Schritte umfassend:
(a) Aufbringen einer Maskierungsschicht (31) aus einem rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Material auf das sensitive Bauelement (3), wobei das sensitive Bauelement (3) durch die Maskierungsschicht (31) im Wesentlichen vollständig abgedeckt wird,
(b) Aufbringen einer Schutzschicht (33) aus einem temperaturstabilen Material auf die Maskierungsschicht (31),
(c) Entfernen der Maskierungsschicht (31) durch Pyrolyse oder ein niedertempera- turgeführtes Sauerstoffplasma.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rückstandsfrei thermisch zersetzbare Material ein thermisch zersetzbares Polymer ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturstabile Material ein keramisches Material, insbesondere Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titandioxid oder Mischungen daraus, ist.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rück- standsfrei thermisch zersetzbare Material mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 μm bis 2 mm auf das sensitive Bauelement (3) aufgebracht wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das rückstandsfrei thermisch zersetzbare Material durch Dispensen, Tintenstrahldruck, Tam- pondruck, Aufschleudern oder Tauchen auf das sensitive Bauelement (3) aufgebracht wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das rückstandsfrei thermisch zersetzbare Material zum Aufbringen auf das sensitive Bauelement (3) in einem Lösungsmittel gelöst ist oder als Suspension in einem Lösungsmittel vorliegt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Bauelement (3) nach dem Aufbringen der Maskierungsschicht (31) aus dem rückstandsfrei thermisch zersetzbaren Material getrocknet wird, um das Lösungsmittel zu entfernen.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturstabile Material für die Schutzschicht (33) durch ein Plasmaspritzverfahren aufgebracht wird.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das tem- peraturstabile Material der Schutzschicht (33) während der Pyrolyse in Schritt (c) gesintert wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse in Schritt (c) in Gegenwart einer sauerstoffreichen Atmosphäre durchgeführt wird.
11. Sensorelement, umfassend mindestens ein sensitives Bauelement (3) und eine Schutzschicht (33) aus einem temperaturstabilen Material, wobei das sensitive Bauelement (3) von der Schutzschicht (33) aus dem temperaturstabilen Material abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Bauelement (3) und die Schutzschicht (33) vonein- ander beabstandet sind.
12. Sensorelement gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Bauelement (3) ein gassensitver Feldeffekttransistor ist.
13. Sensorelement gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (33) aus dem temperaturstabilen Material porös ist.
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