WO2015022028A1 - Partikelsensor und verfahren zum herstellen eines partikelsensors - Google Patents

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WO2015022028A1
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layer
electrode
particle sensor
base body
electrically conductive
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PCT/EP2013/067036
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Achim Trautmann
Friedjof Heuck
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested

Definitions

  • the present invention relates to a particle sensor with a heatable base body.
  • the present invention further relates to a method for
  • Sensors for measuring the soot particle concentration may be based on an attachment of conductive soot particles to an electrode structure. This deposition of the electrically conductive particles may be reflected in a time decrease of the electrical resistance or in an increasing current flow between the corresponding electrodes.
  • a measuring cycle can start with an unloaded or free sensor, which is exposed to the conductive particles in the exhaust gas. A period of time during which the electrical resistance falls below a certain threshold may serve as a measure of the particulate matter concentration in the exhaust gas. In order to be able to reuse the sensor after a prolonged accumulation of electrically conductive particles, it can be heated to burn off the deposited soot, after which another measurement cycle can begin.
  • the senor can be heated to the necessary burnup temperature by using large voltages and currents in an ohmic heating element.
  • the provision of high voltage requires a big electro-technical effort.
  • thick sensors require very high voltages, but thin sensors only have limited mechanical stability.
  • the present invention relates to a particle sensor for detecting electrically conductive particles, comprising a first electrode structure having at least one electrode and a second at least one
  • Electrode having electrode structure, wherein the first electrode structure and the second electrode structure are arranged on an electrically insulating base body, wherein between an electrode of the first electrode structure and an electrode of the second electrode structure, an electrical
  • the base body has a heating structure for heating the first and the second electrode structure, which is at least partially enclosed by the base body.
  • Such a particle sensor is therefore in particular a resistive particle sensor and can be based on the property that the particles to be detected, which in particular can be formed substantially from carbon as soot particles, are in particular electrically conductive.
  • the electrical conductivity is exploited to detect the accumulated soot particles.
  • the particle sensor comprises a first electrode structure and a second electrode structure, wherein the first electrode structure and the second
  • Electron structure each have at least one electrode.
  • electrode structures or the electrodes of the electrode structures are arranged on an electrically insulating basic body.
  • An electrically insulating basic body may in particular be one which is formed from an electrically insulating material, or which may in principle be electrically conductive, but has an electrically insulating covering layer.
  • electrically insulating can be understood in particular as meaning that the specific electrical resistance is in a range of> 1 kOhm cm, whereas electrically conductive can be understood in particular if the specific electrical resistance is in a range of ⁇ 1 kOhm cm is located.
  • thermally insulating in the context of the present
  • the invention can be understood as meaning that the thermal conductivity or thermal conductivity is in a range of ⁇ 15 W / m / K, whereas thermal conductivity can be understood in particular if the thermal conductivity lies in a range of> 15 W / m / K.
  • the electrode structures arranged on the base body are then exposed to a gas flow which comprises the particles to be detected, the latter attaches to the electrode structures. Thereby, when between the first electrode structure and the second electrode structure, an electrical
  • Potential is constructed, for example by the provision and connection of a suitable voltage source, current measurements, voltage measurements, capacitance measurements and / or resistance measurements are performed.
  • a change in the flowing current, the prevailing voltage or the prevailing resistance statements about the accumulated particles and thus on the particle concentration in the gas stream can be made.
  • This measuring method can thus be based on the fact that attached electrically conductive particles have a different current flow between the electrodes
  • Reduce electrode resistance As a result, a quantification of the increase in the current flow or the reduction of the electrical resistance, for example a statement about the particles deposited on the electrode structure, can be made. This may be possible in particular by observing the change in the current flow or the resistance over time.
  • accumulated particles can be removed again from the sensor or from the electrode structure in order to remove the particles
  • such a particle sensor has a heating structure.
  • the heating structure serves in particular for heating the first and the second electrode structure in such a way that they can be brought to a burnup temperature which is sufficient to burn off or oxidize the deposited, in particular soot particles, and thus to remove them from the electrode structure.
  • suitable Burning temperatures can be in a range of 500 ° C or above.
  • the heating structure may be formed in particular of an electrically and thermally conductive material and serve as an ohmic heater.
  • the heating structure of the main body may be at least partially enclosed.
  • the heating structure is arranged in the base body and at least partially surrounded by this or the base body material.
  • thermally insulating material is formed, the
  • Heating structure electrically isolated and chemically passivated on the other.
  • the heating structure is thus stable against external corrosive attacks or other influences.
  • the heating structure is mechanically particularly stable or stabilized and thermally insulated from a mechanical connection of the active measuring range, whereby a flow of heat generated, for example, in a housing by thermal conduction minimized
  • such a particle sensor is particularly simple and inexpensive to produce, since only a few and especially inexpensive process steps are needed.
  • the heating structure is not only thermally insulated from an anchorage or mechanical connection, but can also locate the generated heat well.
  • the heat generated can be substantially focused on the environment of the heating structure, or the heating power can be substantially concentrated for the burn-off on the active sensor surface or the electrode structures, as a thermal decoupling from the environment and in particular from the coupling to a Housing is realized.
  • This allows a particularly effective heating of the electrode structures for removing deposited electrically conductive particles. This makes it possible that accumulated particles can be removed with only low voltages or currents. The requirements regarding current and / or voltage for regenerating the particle sensor can thus be kept particularly low which is a great deal in the production of a particle sensor
  • a heating of the electrode structures may be possible without difficulty, since a gradient of the heat distribution usually over the comparatively long length or Width to the height, so the areal expansion of the body material takes place, but along the height also due to the small distance between the heater layer and
  • Electrode structures which may be in particular in a range of 1 ⁇ , sufficient heat for generating the appropriate Abbrandtemperatur can get from the heating structure to the electrode structures.
  • heated body for a particle sensor even with comparatively large electrically insulating layers or substrates, such as 5 mm X 5 mm, easily burned the particles attached to the electrode structures are generated. It can be both very thin
  • Particle sensors or very thin body are formed, which have sufficient mechanical stability and require little power or voltage for a regeneration of the electrodes. Furthermore, a customized thermal, as well as electrical
  • connection of the electrode structures as well as the heating structure, for example, to the on-board electronics of a vehicle be possible.
  • a burning-off can be carried out, for example, with 12 V usual in a vehicle.
  • Such a particle sensor thus comprises a mechanically stable, with respect to an anchoring or connection thermally insulated and electrically resistive heating structure in a base body.
  • the integration of the electrically resistive heater and the production of the main body or the membrane can be carried out in the same process steps. This allows the fabrication of an active stable body for a soot particle sensor based on comparatively simple and inexpensive process steps.
  • the necessary processes are generally widely known, especially in the field of micromechanics.
  • the main body may be made of silicon dioxide and / or the heating structure may be made of silicon.
  • silicon dioxide has about 100 times worse thermal conductivity than silicon and further good electrical
  • Oxidation processes can be produced.
  • an advantage can be seen in particular in that an electrically and thermally conductive base layer can be converted at least partially chemically into an electrically and thermally insulating material which encloses the electrically resistive heater.
  • the heating structure can be completely enclosed by the main body.
  • the heating structure can be completely enclosed by the main body.
  • Heat losses are reduced by thermal conduction particularly safe. As a result, the requirements for the current flowing during a regeneration or to the voltage applied thereto can be kept particularly low. This results in a particularly cost-effective operation and installation of such a sensor result. Furthermore, a protection of
  • Heating structure particularly effective against, for example, corrosive attacks possible.
  • Completely enclosing the heating structure of the main body may in particular mean a coat-like enclosing. This can be done in the
  • heating structure which are to act on the electrode structures and are arranged adjacent to these, completely embedded in the main body or enclosed by this, but corresponding connections, for example, not from need to be enclosed enclosed in the body or may be arranged outside the body.
  • the heating structure can have a net-like line structure arranged in the main body.
  • the area to be heated can be adapted to the field of application in a particularly advantageous manner.
  • the network-like line structure which may be formed in particular from silicon, assume a size and / or position corresponding to the or to the electrode structures.
  • the line structure can cause a heating effect in particular by Joule heat or an ohmic
  • a network structure or a network-like structure can be understood in particular as meaning a structure which has an arrangement of a
  • the heating structure in particular the net-like conduction structure, may comprise conduction paths which at least partially have a width which lies in a range of ⁇ 500 nm.
  • Such pathways which may be part of the net-like structure in particular, can cause a good heating effect even at low currents. Therefore, an operation and electrical control of a
  • the cable paths do not need at every point such a width or have such a cross-section, but may also be formed with a varying along its course cross-section or width, so that they need to have such a width only in a partial area.
  • Another advantage of such conductor paths may lie in the temperature-dependent electrical resistance behavior.
  • the electrical resistance has a maximum with respect to temperature. At this maximum, the extrinsic conductivity changes to intrinsic conductivity. This maximum and the subsequent drop in electrical conductivity increase that
  • the position of the maximum can be shifted to higher temperatures, for example by a high doping, or further by a very small conductor cross-section, in particular in a range of ⁇ 500 nm, in particular in a range of 100 nm, for example due to a so-called minority charge carrier exclusion effect ".
  • a homogenization region for homogenizing the temperature of the base body may be provided, which is surrounded by the heating structure, in particular wherein the
  • Homogenization can be formed of electrically and / or thermally conductive material.
  • a particularly advantageous homogenization of the temperature can be generated, whereby the
  • Electrode structures can be heated particularly evenly.
  • temperature peaks can be avoided, whereby damage can be avoided and the required electrical power can be minimized.
  • the homogenization region can be a planar region in which a temperature plateau occurs, with temperatures of up to a maximum of +200 ° C. above the burnup temperature; in particular, temperatures in a range of more than 1000 ° C. can be avoided.
  • the homogenization region can have a suitable areal extent and in particular have an adjustable electrically and / or thermally conductive material content.
  • the homogenization region can be surrounded by an electrically insulating region surrounded by the heating structure.
  • a temperature homogenization can be realized in particular by an adjustable in design increased thermal dissipation, or by adjusting the electrical resistance, which uses the electrical introduced heating power locally targeted.
  • Heating structure disposed in a first layer and the electrode structures are arranged in a second layer, wherein the second layer is disposed on the first layer.
  • a sensor thus has layers or layers, which may in particular be immediately adjacent.
  • the layer of the electrode structure can be heated particularly advantageously and without heating losses through the heating structure.
  • a particularly compact formation of the particle sensor is possible in this embodiment. This gives a great variability in the use of such a particle sensor.
  • the invention further relates to a method for producing a
  • Particle sensor in particular a particle sensor according to the invention, comprising the method steps:
  • a base body comprising a base layer, an electrically insulating layer disposed on the base layer and an electrically conductive layer disposed on the electrically insulating layer;
  • a base body is thus initially provided which has a base layer, an electrically insulating layer arranged on the base layer and an electrically conductive layer arranged on the electrically insulating layer.
  • the base layer may serve in particular the stability of the base body, in particular during the manufacturing process and have a large thickness.
  • the corresponding thickness can be selected depending on the required stability or the thickness of the electrically insulating layer and / or the electrically conductive layer. Exemplary thicknesses are in a range of about 700 ⁇ .
  • the base layer may be electrically and / or thermally insulating or else preferably be electrically and / or thermally conductive.
  • the electrically insulating layer may have a thickness approximately in the region of 1 ⁇ m.
  • the electrically conductive layer arranged on the electrically insulating layer may have a thickness which lies in a range of> 5 to ⁇ 100 ⁇ m.
  • it can be advantageous from a manufacturing point of view for example, if the electrically conductive layer and the base layer are made of the same material.
  • the recess or the recesses can in particular extend to a depth which borders on the electrically insulating layer, so that the electrically insulating layer is exposed, but the thickness of which is not or not substantially changed.
  • Such termination of the molding of the recess at a defined depth for the patterning of the electrically conductive layer can be achieved if a sufficiently high difference of the chemical or physical properties between the two layers is selected, such as between silicon and silicon dioxide and in particular with respect to the method to be selected for forming the recesses.
  • a suitable method for such structuring or for the introduction of recesses is for example a photolithographic process for defining the recesses and a subsequent
  • Recesses in the electrically conductive layer This can be done as part of a microstructuring. For example, under a
  • Deep set method of forming the recesses in the electrically conductive layer, such as silicon advantageously due to chemical
  • the method step b) can serve to structure the base body and also to form, in particular, a plurality of functional areas.
  • step c) a cover layer is applied to the electrically conductive layer, and in particular an electrically insulating layer as a cover layer, the recesses produced can be filled with the electrically insulating material of the cover layer, whereby a substantially flat contour surface in the region of the cover layer can be generated.
  • the electrically conductive layer embedded in the electrically and thermally insulating cover layer can be used below as a heating structure.
  • the heating structure can be insulated by applying the electrically and thermally insulating covering layer in such a way that the heat generated by the heating structure can be well localized, such as in a later use on the electrode structures.
  • the electrically insulating cover layer together with the further electrically insulating layer form the base body, which at least partially surrounds the heating structure.
  • the electrode structures can be applied to the cover layer in the further method step d).
  • the electrode structures may be advantageous if the electrode structures are applied in the region in which the heating structure is arranged in order to be able to focus the heat generated on the electrode structures.
  • the electrode structures can then at a
  • a sensor thus prepared as a measuring range for detecting serve electrically conductive particles and are regenerated by the heating structures after a measuring cycle.
  • An application of the electrode structures can by physical and / or chemical deposition, such as by evaporation or sputtering, of high-melting chemically inert
  • a chemically convertible layer can be used as the electrically conductive layer, and the electrically insulating covering layer can be produced by a chemical conversion of the electrically conductive layer.
  • a chemical conversion may include oxidation or forming an oxide layer, or chemical conversion may include nitriding
  • the electrically insulating layer can also be easily deposited, such as by a chemical vapor deposition.
  • an oxide layer can be produced in particular by the chemically convertible electroconductive material which is present anyway
  • the cover layer can be applied particularly simply, namely by an easily manageable oxidation of the electrically conductive material. It may be particularly advantageous that the introduced recesses are closed by the oxidation. Because the oxide can grow on the one hand into the interior of the oxidizable material and on the other hand to the outside. Furthermore, the oxidation stops automatically when all elevations in the electrically conductive are closed by the oxide layer, which procedural
  • the cover layer can be applied particularly easily to the structures produced in the method by the introduction of the recesses, wherein no use of masks or the like is necessary. Because the location of the oxidation or the position of the application of the cover layer can be predetermined in a precise manner by the design of the structure in step b). The same applies to a nitration of the electrically conductive layer.
  • Suitable reaction conditions for a nitration such as for forming a silicon nitride layer, may include a temperature in a range of> 500 ° C to ⁇ 1000 ° C with the addition of silane and ammonia.
  • the base layer and / or the electrically conductive layer may be formed from silicon and / or the electrically insulating layer may be formed from silicon dioxide.
  • the base body may thus be a so-called “Silicon on insulator (SOI)" base body, or else an epitaxially grown silicon, or as a very cost-effective variant of a polycrystalline Silicon layer on an oxidized body.
  • SOI Silicon on insulator
  • configured layers or layers can be highly doped independently of each other, such as with phosphorus, boron, arsenic, and thus electrically very good conductivity. They are also separated from each other by a relatively thin layer of an electrically insulating material, in particular of silicon dioxide. In this embodiment, therefore, in particular cost-effective known and readily available base body can be used, which can make the manufacturing process particularly simple and inexpensive.
  • the at least one recess can be formed as a circular and in particular closed at the periphery opening.
  • Circular openings can be particularly easy to produce.
  • by forming circular openings it is particularly easy to produce a net-like line structure which is particularly suitable for a heating structure of a particle sensor.
  • the net-like conduction structure can then be formed by at least a part of the material remaining next to the openings, which is at the
  • a plurality of circular openings may be provided in the context of the present invention, wherein it is not excluded in the context of the present invention that not completely closed at the periphery openings can be provided. Furthermore, the openings
  • Recesses, in particular at circular openings, are generated, which are arranged in a hexagonal arrangement.
  • an isotropic structure can be created for a hexagonal arrangement of openings or in particular of circular openings or an arrangement of the openings in a hexagonal structure.
  • Such isotropy of this structure provides, in particular, an enlarged one
  • a hexagonal arrangement may in particular mean an arrangement according to a plan view of a hexagonal crystal structure.
  • Fig. 1 is a schematic plan view of an embodiment of a
  • Fig. 2 is a schematic sectional view taken along the distance A-A 'of Figure 1; 3a shows a method step for producing a particle sensor in one
  • FIG. 3b shows the method step from FIG. 3a in a plan view
  • 4a shows a further method step for producing a particle sensor in a cross-sectional view
  • FIG. 4b shows the method step from FIG. 4a in a plan view
  • 5a shows a further method step for producing a particle sensor in a cross-sectional view
  • FIG. 5b shows the method step from FIG. 5a in a plan view
  • 6a shows a further method step for producing a particle sensor in a cross-sectional view
  • FIG. 6b shows the method step from FIG. 6a in a plan view
  • 7 shows a further embodiment of a partial region of a particle sensor
  • Fig. 8 shows a further embodiment of a portion of a particle sensor.
  • FIG. 1 shows a particle sensor 10 according to the invention.
  • a particle sensor 10 may be arranged, for example, in the exhaust system of a motor vehicle.
  • a particle sensor 10 for example, the function of a arranged in the exhaust system of a motor vehicle
  • Particle filter or determine the particle emission.
  • Such a particle sensor 10 thus serves in particular for detecting electrically conductive particles.
  • the particle sensor 10 may have a first electrode structure 14 having at least one electrode 12 and a second electrode structure 18 having at least one electrode 16.
  • the electrode system 20 or the electrode structures 14, 18 can form a system of comb-interdigitated interdigital electrodes, as shown in FIG.
  • Electrode structure 18 are arranged on an electrically insulating base body 22. In this case, between an electrode 12 of the first
  • Electrode structure 14 and an electrode 16 of the second electrode structure 18 an electrical potential difference can be generated.
  • a voltage source may be connected to the electrodes 12, 16.
  • the current flow generated by the potential difference or resistance or capacitance between the different electrode structures 14,18 can be determined.
  • the electrode structures 14, 18 are electrically connected to an electrical connection or to an electrical outlet 24, 26.
  • the particle sensor 10 has a heating structure 28.
  • the heating structure 28 can serve in particular To heat the first electrode structure 14 and the second electrode structure 18 to a combustion temperature at which the deposited particles are oxidized and thus can be removed from the electrode structures 14,18. The person skilled in the art will thus see that the heating structure 28
  • Extension of the electrode structures 14, 18 may be adapted and thus in one to the extent of the electrode system 20 corresponding
  • the heating structure 28 can be locally replaced by a homogenization region 56, as will be explained in detail later.
  • the heating structure 28 may be at least partially, in particular completely, for example, surrounded by the base body 22, for example, like a coat. This is shown in particular in Figure 2, which is a
  • heating structure 28 is disposed within the base body 22, or completely of the material of the
  • Base body 22 is surrounded.
  • the main body 22 may be configured, for example, of silicon dioxide, whereas the heating structure 28 may be configured, for example, of silicon.
  • Alternative materials for the base body 22 include, for example, silicon nitride, aluminum oxide, or titanium oxide, whereas alternative ones
  • Materials for the heating structure 28 metals in particular with a melting point of> 1000 ° C, such as titanium may include.
  • the electrode system 20 or the electrode structures 14, 18 may be made of platinum tungsten and silicon carbide.
  • Heating structure 28 are arranged in a first layer 30, wherein the
  • Electrode structures 14, 18 are arranged in a second layer 32.
  • the second layer 32 may be arranged on the first layer 30.
  • mechanical connections 36 for fastening and electrical contacting of the particle sensor 10 may be arranged in particular below the first layer 30 arranged third layer 34.
  • a method of manufacturing such a particle sensor 10 is shown in the following FIGS. 3 to 6.
  • a base body 38 comprising a base layer 40, an electrically insulating layer 42 arranged on the base layer 40 and an electrically conductive layer 44 arranged on the electrically insulating layer 42.
  • FIG. 3 shows a cross-section of the base body 38
  • FIG. 3b shows a plan view of the base body 38 or of the electrically conductive layer 44.
  • the electrically conductive layer 44 like the base layer 40, may be formed of silicon.
  • the silicon may be highly doped, for example.
  • the silicon may include dopants, such as phosphorus, boron, and arsenic, where the doping level may extend to the silicon saturation limit. As a result, a particularly good electrical conductivity can be achieved.
  • Alternative materials for the base layer include, for example, quartz, steel and titanium.
  • Layer 42 may be configured in particular of silicon dioxide.
  • the base layer 40 is formed of the same material as the upper electrically conductive layer 44, this is due to the uniformity
  • the surface of the base body 38 or in particular the upper electrically conductive layer 44 is patterned according to FIG.
  • step b) at least one, in particular a plurality, of recesses 46 can be introduced into the electrically conductive layer 44.
  • the electrically conductive layer 44 In this case, the electrically conductive layer 44
  • the electrically conductive layer 44 can be removed substantially completely and unstructured. This may be possible by providing a very large recess 46a.
  • a complete removal of the electrically conductive material of the electrically conductive layer 44 in the region i), in particular of the silicon a reduction of the thermal coupling to the base body 22 can thus be made possible.
  • This structuring allows targeted redirecting the electrical heating power to other areas.
  • this must be configured in conjunction with a reduction in the mechanical stability of the layer of electrically insulating material, in particular a silicon dioxide membrane. In other words, care should be taken that the particle sensor 10 has sufficient stability.
  • Recesses 46 b between which projections 48 remain to be inserted.
  • the projections 48 may serve as a heating structure 28 in a later function of the particle sensor 10 and are designed in particular as a net-like structure. It can be seen in particular in FIG. 4b that in the region ii) the recesses 46b are formed as a circular and at least partially closed opening, which are configured in a mutually hexagonal arrangement. In addition, however, the openings may in principle also have other shapes than
  • the openings in particular hexagonal circular openings.
  • the openings in particular a honeycomb structure or
  • Honeycomb structure are formed. Also conceivable, for example, would be squares, lines, rectangles or even spiral-shaped structures, although this enumeration is not meant to be exhaustive. Thus, in the area ii) the production of a relatively thick layer of an electrically insulating material
  • a further functional region iii) essentially comprises a region 50 of untreated material of the electrically conductive layer 44 and, in the case of a function of the particle sensor 10, can be used, for example, as electrical connection 24, 26 or connection of the heating structure 28 and / or
  • Electrode system 20 serve.
  • the region 50 of the electrically conductive layer 44 can serve a particularly homogeneous temperature distribution on or in the base body 22.
  • the electrically conductive layer remains with a sufficient unstructured thickness.
  • This region can thus remain as a particularly highly thermally and electrically conductive region, in particular silicon region.
  • the remaining silicon is separated electrically and process-technically by the electrically insulating layer 42 from the base layer 40 or the bulk.
  • the cover layer 52 resulting from a chemical conversion, can be further reinforced by an additional deposition of a further insulating layer, which can lead to a planarization of the cover layer 52.
  • the arrangement of the functional areas is not limited to the arrangement shown. This is particularly advantageous in connection with the oxidative
  • Step c) is explained. Especially thick silicon dioxide layers> 1 ⁇ can be set very precisely and thus set an exact process control for the remaining silicon structures.
  • an electrically insulating covering layer 52 can furthermore be electrically connected to the electrically conductive covering layer 52 conductive layer 44 or on the resulting from the conductive layer 44 structures, such as the projections 48 or 50 are applied, which are indicated purely schematically, however, are understandably located below the layer 52.
  • the electrically insulating layer 52 can be applied in particular to the regions of the electrically conductive layer 44 that are left in the method step b).
  • the electrically insulating layer 52 may be formed by a particular thermal oxidation process.
  • the electrically insulating cover layer 52 can be configured for example by a particular thermal oxidation process for producing silicon dioxide. Such growth of the oxide layer may in particular depend on the size and structure of the process step b).
  • the oxidation process can be terminated automatically when no oxidizable material is exposed more or at a sufficiently short distance from the oxidizing
  • Atmosphere is because the diffusion through the oxide layer, for oxide layers
  • masks allow a defined structure.
  • an oxidation process may be advantageous in this process step c), since the oxide, such as the silicon dioxide, grows not only in the material to be oxidized, such as silicon, but also a part of the oxide layer also grows outward.
  • the oxide such as the silicon dioxide
  • the resulting oxide layer grows, in particular the
  • Silicon dioxide layer for example, 45% into the silicon and 55% out of the silicon out. If one chooses now the form and / or size of the
  • Recesses 46 such as the diameter of the circular openings and their particular hexagonal closest arrangement, so in the area ii) a closed silicon dioxide layer arise in the core of a fine network
  • highly doped silicon is buried and as a net-like
  • Heating structure 28 can serve.
  • Recesses 46 close again and the individual projections 48 may be partially or completely, depending on the design or thickness, in the oxide, in particular silicon dioxide, transferred.
  • a thick oxide layer can be produced, which may have a thickness of, for example, 20 ⁇ m.
  • an oxide layer for example, be used with such a thickness for the entire base body 22 and for the entire particle sensor 10, and does not need to be reduced to isolated island areas.
  • the base body 22 can be produced from the electrically insulating layers 42, 52.
  • the reticulated electrically conductive structure which can be used in particular as heating structure 28, is formed by, in particular, hexagonal circular openings, formed for example of silicon dioxide, with electrically conductive material formed around it.
  • the net-like line structure can be arranged in the base body 22. Furthermore, the line structure,
  • this thickness can have the smallest conductor paths arranged approximately between circular structures. As a result, they represent at least locally or partially a high electrical resistance and can thus be used as an ohmic heater for the heating structure 28.
  • FIG. 6 also shows a further optional method step.
  • a portion 54 of the base layer 40 can be removed, such as by a backside deep etching, wherein advantageously only up to the electrically insulating layer 42 material is removed, which electrically Insulating layer 42 thus remains substantially unchanged and is exposed in this area.
  • the removal of the base layer 40 may have the advantage that the heat generated by the heating structure 28 can not flow into this particular thick layer, and thus heating can be localized to the desired area. As a result, such a particle sensor 10 can heat in a particularly low-energy manner and the requirements with regard to the voltage or current used are kept low.
  • an electrode system 20 comprising at least two electrode structures 14, 18 can be applied to the electrically insulating layer 52 or to the base body 22.
  • This process step is known per se and can be realized for example by deposition and structuring.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a particle sensor 10.
  • FIG. 7 shows that a homogenization region 56 of the main body 22 may be provided in a central area of the main body 22 for homogenizing the temperature of the main body 22 generated by the heating structure 28.
  • the homogenization region 56 can be of the netlike type
  • the electrical heating power can be homogenized by unstructured regions of a thermally and / or electrically conductive material, in particular silicon. Because the
  • Homogenization region 56 includes a region of low electrical resistance and high thermal conductivity. In this area, in particular, the thermal resistance is low, so that the heat can flow well or can be distributed well in the base body 22 within the heating structure 28. Furthermore, there is little electrical heating due to the low electrical resistance.
  • the homogenization region 56 can furthermore be surrounded by an electrically insulating frame 58, which equals a closed contour lift and is produced in the same depth structuring process as the net-like heating structure, as shown in FIG.
  • the electrically insulating frame 58 in particular configured from
  • Silicon dioxide in turn, may be surrounded by the heater structure 28.
  • a temperature homogenization in the base body 22 can take place in particular by a high thermal conductivity of
  • the highly thermally conductive silicon can lead to a homogeneous temperature distribution on the electrically insulating layer 42 or the
  • Such a temperature homogenization may be advantageous because it may come to higher temperatures due to the better thermal insulation of a central region , than at the thermally better coupled membrane edges.
  • Homogenization regions 56 may, for example, have dimensions in a range of> 10 to ⁇ 20 ⁇ m. It can be a single
  • heating structure 28 may be provided, or it may be provided a plurality of homogenization regions 56, which may be arranged in a suitable manner to the temperature in the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor (10) zum Detektieren von elektrisch leitfähigen Partikeln. Ein derartiger Partikelsensor (10) umfasst eine erste wenigstens eine Elektrode (12) aufweisende Elektrodenstruktur (14) und eine zweite wenigstens eine Elektrode (16) aufweisende Elektrodenstruktur (18), wobei die erste Elektrodenstruktur (14) und die zweite Elektrodenstruktur (18) auf einem elektrisch isolierenden Grundkörper (22) angeordnet sind, wobei zwischen einer Elektrode (12) der ersten Elektrodenstruktur (14) und einer Elektrode (16) der zweiten Elektrodenstruktur (18) eine elektrische Potentialdifferenz erzeugbar ist, und wobei der Grundkörper (22) eine Heizstruktur (28) zum Erhitzen der ersten (14) und der zweiten Elektrodenstruktur (18) aufweist, die von dem Grundkörper (22) zumindest teilweise umschlossen ist. Dadurch kann die Heizstruktur (28) geschützt werden und ferner die für einen Abbrand von an den Elektrodenstrukturen (14, 18) angelagerten Partikeln benötigte Spannung reduziert werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Partikelsensors (10).

Description

Beschreibung Titel
Partikelsensor und Verfahren zum Herstellen eines Partikelsensors
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor mit einem beheizbaren Grundkörper. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum
Herstellen eines Partikelsensors mit einem beheizbaren Grundkörper.
Stand der Technik
Die aktuelle Gesetzeslage schreibt in vielen Ländern für Fahrzeuge, die mit Benzin oder Diesel betrieben werden, Sensoren zur Messung der
Rußpartikelkonzentration im Abgas vor. Das Detektions-Prinzip bekannter
Sensoren zur Messung der Rußpartikelkonzentration kann auf einer Anlagerung leitfähiger Rußpartikel an einer Elektrodenstruktur basieren. Diese Anlagerung der elektrisch leitfähigen Partikel kann sich in einem zeitlichen Abfall des elektrischen Widerstands beziehungsweise in einem ansteigenden Stromfluss zwischen den entsprechenden Elektroden widerspiegeln. Ein Messzyklus kann dabei mit einem unbeladenen beziehungsweise freien Sensor starten, der im Abgas den leitfähigen Partikeln ausgesetzt wird. Eine Zeitspanne, in der der elektrische Widerstand unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, kann als Maß für die Rußpartikelkonzentration in dem Abgas dienen. Um den Sensor nach einer anhaltenden Anlagerung elektrisch leitfähiger Partikel wieder verwenden zu können, kann er erhitzt werden, um dabei den angelagerten Ruß abzubrennen, wonach ein weiterer Messzyklus beginnen kann.
Beispielsweise kann der Sensor auf die notwendige Abbrandtemperatur erhitzt werden, indem große Spannungen und Ströme in einem Ohmschen Heizelement verwendet werden. Speziell die Bereitstellung der hohen Spannung erfordert einen großen elektrotechnischen Aufwand. Dabei gilt es zu beachten, dass dicke Sensoren besonders hohe Spannungen benötigen, dünne Sensoren jedoch nur eine eingeschränkte mechanische Stabilität aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Partikelsensor zum Detektieren von elektrisch leitfähigen Partikeln, umfassend eine erste wenigstens eine Elektrode aufweisende Elektrodenstruktur und eine zweite wenigstens eine
Elektrode aufweisende Elektrodenstruktur, wobei die erste Elektrodenstruktur und die zweite Elektrodenstruktur auf einem elektrisch isolierenden Grundkörper angeordnet sind, wobei zwischen einer Elektrode der ersten Elektrodenstruktur und einer Elektrode der zweiten Elektrodenstruktur eine elektrische
Potentialdifferenz erzeugbar ist, und wobei der Grundkörper eine Heizstruktur zum Erhitzen der ersten und der zweiten Elektrodenstruktur aufweist, die von dem Grundkörper zumindest teilweise umschlossen ist.
Ein derartiger Partikelsensor ist somit insbesondere ein resistiver Partikelsensor und kann auf der Eigenschaft basieren, dass die zu detektierenden Partikel, die insbesondere im Wesentlichen aus Kohlenstoff als Rußpartikel ausgebildet sein können, insbesondere elektrisch leitfähig sind. Die elektrische Leitfähigkeit wird dabei ausgenutzt, um die angelagerten Rußpartikel nachzuweisen. Hierzu umfasst der Partikelsensor eine erste Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur, wobei die erste Elektrodenstruktur und die zweite
Elektronenstruktur jeweils wenigstens eine Elektrode aufweisen. Die
Elektrodenstrukturen beziehungsweise die Elektroden der Elektrodenstrukturen sind dabei auf einem elektrisch isolierenden Grundkörper angeordnet. Ein elektrisch isolierender Grundkörper kann dabei insbesondere ein solcher sein, der aus einem elektrisch isolierenden Material geformt ist, oder welcher grundsätzlich elektrisch leitfähig sein kann, jedoch eine elektrisch isolierende Deckschicht aufweist. Unter elektrisch isolierend kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden werden, wenn der spezifische elektrische Widerstand in einem Bereich von > 1 kOhm cm liegt, wohingegen unter elektrisch leitend insbesondere verstanden werden kann, wenn der spezifische elektrische Widerstand in einem Bereich von < 1 kOhm cm liegt. Weiterhin kann unter thermisch isolierend im Rahmen der vorliegenden
Erfindung insbesondere verstanden werden, wenn die thermische Leitfähigkeit beziehungsweise Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von < 15 W/m/K liegt, wohingegen unter thermisch leitend insbesondere verstanden werden kann, wenn die thermische Leitfähigkeit in einem Bereich von > 15 W/m/K liegt.
Werden nun die auf dem Grundkörper angeordneten Elektrodenstrukturen einem Gasstrom ausgesetzt, der die zu detektierenden Partikel umfasst, lagern sich Letztere an den Elektrodenstrukturen an. Dadurch können, wenn zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur ein elektrisches
Potenzial aufgebaut ist, etwa durch das Vorsehen und Anschließen einer geeigneten Spannungsquelle, Strommessungen, Spannungsmessungen, Kapazitätsmessungen und/oder Widerstandsmessungen durchgeführt werden. Durch insbesondere eine Veränderung des fließenden Stroms, der herrschenden Spannung beziehungsweise des herrschenden Widerstands können Aussagen über die angelagerten Partikel und damit über die Partikelkonzentration in dem Gasstrom getroffen werden.
Dieses Messverfahren kann somit darauf beruhen, dass angelagerte elektrisch leitfähige Partikel einen Stromfluss zwischen den Elektroden unterschiedlicher
Elektrodenstrukturen ermöglichen beziehungsweise den zwischen den
Elektroden herrschenden Widerstand reduzieren. Dadurch kann über eine Quantifizierung der Vergrößerung des Stromflusses beziehungsweise der Verminderung des elektrischen Widerstands, beispielsweise eine Aussage über die an der Elektrodenstruktur sich abgelagerten Partikel getroffen werden. Dies kann insbesondere möglich sein durch eine Beobachtung der Veränderung des Stromflusses beziehungsweise des Widerstandes über die Zeit.
Nach einer gewissen Messdauer können angelagerte Partikel wieder von dem Sensor beziehungsweise von der Elektrodenstruktur entfernt werden, um den
Sensor zu regenerieren und einen weiteren Messzyklus zu starten. Hierzu weist ein derartiger Partikelsensor eine Heizstruktur auf. Die Heizstruktur dient insbesondere dem Erhitzen der ersten und der zweiten Elektrodenstruktur derart, dass diese auf eine Abbrandtemperatur gebracht werden können, die ausreicht, um die angelagerten insbesondere Rußpartikel abzubrennen beziehungsweise zu oxidieren und somit von der Elektrodenstruktur zu entfernen. Geeignete Abbrandtemperaturen können dabei in einem Bereich von 500° C oder darüber liegen. Dazu kann die Heizstruktur insbesondere aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material ausgebildet sein und als Ohmscher Heizer dienen.
Dabei kann die Heizstruktur von dem Grundkörper zumindest teilweise umschlossen sein. In anderen Worten ist die Heizstruktur in dem Grundkörper angeordnet und von diesem beziehungsweise dem Grundkörpermaterial zumindest teilweise umgeben. Durch eine derartige Integration der Heizstruktur in den Grundkörper, welcher insbesondere aus einem elektrisch und
insbesondere thermisch isolierenden Material ausgebildet ist, kann die
Heizstruktur elektrisch isoliert und zum anderen chemisch passiviert werden. Die Heizstruktur ist somit stabil gegenüber externen korrosiven Angriffen oder anderen Einflüssen. Dabei ist die Heizstruktur mechanisch besonders stabil beziehungsweise stabilisiert und gegenüber einer mechanischen Anbindung des aktiven Messbereichs thermisch isoliert, wodurch ein Abfließen der erzeugten Hitze beispielsweise in ein Gehäuse durch Wärmeleitung minimiert
beziehungsweise verhindert werden kann.
Darüber hinaus ist ein derartiger Partikelsensor besonders einfach und kostengünstig herstellbar, da nur wenige und insbesondere kostengünstige Prozessschritte benötigt werden.
Insbesondere ist die Heizstruktur jedoch nicht nur gegenüber einer Verankerung beziehungsweise mechanischen Anbindung thermisch isoliert, sondern kann die erzeugte Hitze ferner gut lokalisieren. In anderen Worten kann die erzeugte Hitze im Wesentlichen auf die Umgebung der Heizstruktur fokussiert werden, beziehungsweise kann die Heizleistung im Wesentlichen für den Abbrand auf die aktive Sensorfläche beziehungsweise die Elektrodenstrukturen konzentriert werden, da eine thermische Entkopplung von der Umgebung und insbesondere von der Ankopplung an ein Gehäuse realisiert ist. Dadurch kann ein besonders effektives Heizen der Elektrodenstrukturen zum Entfernen von angelagerten elektrisch leitfähigen Partikeln ermöglicht werden. So wird es möglich, dass angelagerte Partikel mit nur geringen Spannungen beziehungsweise Strömen entfernt werden können. Die Anforderungen bezüglich Strom und/oder Spannung zum Regenerieren des Partikelsensors können so besonders gering gehalten werden, was bei der Herstellung eines Partikelsensors einen großen
Kostenvorteil mit sich bringen kann.
Ein Heizen der Elektrodenstrukturen kann dabei trotz einer Anordnung der Heizstruktur in einem auch thermisch isolierenden Grundkörper, welcher etwa eine thermische Leitfähigkeit in einem Bereich von 1 W/mK aufweisen kann, problemlos möglich sein, da ein Gradient der Hitzeverteilung meist über die vergleichsweise große Länge beziehungsweise Breite zur Höhe, also die flächige Ausdehnung des Grundkörpermaterials stattfindet, jedoch entlang der Höhe auch aufgrund des geringen Abstands zwischen Heizerschicht und
Elektrodenstrukturen, der insbesondere in einem Bereich von 1 μηη liegen kann, ausreichend Wärme zum Erzeugen der geeigneten Abbrandtemperatur von der Heizstruktur zu den Elektrodenstrukturen gelangen kann.
Somit kann durch einen derartigen, auch als Membran bezeichneten
beheizbaren Grundkörper für einen Partikelsensor auch bei vergleichsweise großen elektrisch isolierenden Schichten beziehungsweise Substraten, wie etwa 5 mm X 5 mm, problemlos ein Abbrand der an den Elektrodenstrukturen angelagerten Partikel erzeugt werden. Dabei können sowohl sehr dünne
Partikelsensoren beziehungsweise sehr dünne Grundkörper ausgebildet werden, die eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen und nur wenig Strom beziehungsweise Spannung für eine Regenerierung der Elektroden benötigen. Weiterhin kann eine maßgeschneiderte thermische, wie auch elektrische
Anbindung beispielsweise der Elektrodenstrukturen wie auch der Heizstruktur beispielsweise an die Bordelektronik eines Fahrzeugs möglich sein. Durch die Fokussierung des Heizens auf den Bereich der Elektrodenstrukturen kann ein Abbrennen dabei etwa mit in einem Fahrzeug üblichen 12 V durchgeführt werden.
Ein derartiger Partikelsensor umfasst somit eine mechanisch stabile, gegenüber einer Verankerung beziehungsweise Anbindung thermisch isolierte und elektrisch resistive Heizstruktur in einem Grundkörper. Die Integration des elektrisch resistiven Heizers und die Herstellung des Grundkörpers beziehungsweise der Membran können in denselben Prozessschritten erfolgen. Dies erlaubt die Fabrikation eines aktiven stabilen Grundkörpers für einen Rußpartikelsensor, basierend auf vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Prozessschritten. Die dafür notwendigen Prozesse sind grundsätzlich weitläufig insbesondere aus dem Bereich der Mikromechanik bekannt.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Grundkörper aus Siliziumdioxid ausgestaltet sein und/oder kann die Heizstruktur aus Silizium ausgestaltet sein.
Derartige Materialien lassen sich besonders einfach durch an sich bekannte und in der Mikromechanik verbreitete Verfahren bearbeiten, so dass ein besonders einfaches, ausgereiftes, und kostengünstiges Herstellungsverfahren möglich ist. Darüber hinaus hat beispielsweise Siliziumdioxid eine um ungefähr 100 mal schlechtere thermisch Leitfähigkeit als Silizium und ferner eine gute elektrische
Isolationsfähigkeit, weshalb es als thermischer wie auch elektrischer Isolator besonders geeignet ist. Zusätzlich kann in dieser Ausgestaltung ein besonders einfaches Herstellungsverfahren ermöglicht werden, bei dem der Grundkörper zumindest teilweise basierend auf insbesondere thermischen
Oxidationsprozessen herstellbar sein kann. Dabei kann ein Vorteil insbesondere darin gesehen werden, dass eine elektrisch und thermisch leitfähige Basisschicht zumindest teilweise chemisch in ein elektrisch und thermisch isolierendes Material überführt werden kann, welches den elektrisch resistiven Heizer umschliesst.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Heizstruktur vollständig von dem Grundkörper umschlossen sein. In dieser Ausgestaltung können
Wärmeverluste durch thermische Leitung besonders sicher reduziert werden. Dadurch können die Anforderungen an den während einer Regenerierung fließenden Strom beziehungsweise an die hierzu angelegte Spannung besonders niedrig gehalten werden. Dies hat einen besonders kostengünstigen Betrieb und Einbau eines derartigen Sensors zur Folge. Weiterhin ist ein Schutz der
Heizstruktur gegenüber beispielsweise korrosiven Angriffen besonders wirksam möglich. Ein vollständiges Umschließen der Heizstruktur von dem Grundkörper kann insbesondere ein mantelartiges Umschließen bedeuten. Dies kann im
Sinne der vorliegenden Erfindung ferner bedeuten, dass die heißen
beziehungsweise zu erhitzenden Bereiche der Heizstruktur, welche auf die Elektrodenstrukturen wirken sollen und benachbart zu diesen angeordnet sind, vollständig in den Grundkörper eingebettet beziehungsweise von diesem umschlossen sind, jedoch entsprechende Anschlüsse beispielsweise nicht von dem Grundkörper umschlossen zu sein brauchen beziehungsweise außerhalb des Grundkörpers angeordnet sein können.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Heizstruktur eine in dem Grundkörper angeordnete netzartige Leitungsstruktur aufweisen. Durch eine insbesondere zweidimensionale netzartige Leitungsstruktur kann in besonders vorteilhafter Weise der zu erhitzende Bereich an das Anwendungsgebiet angepasst werden. Insbesondere kann die netzartige Leitungsstruktur, welche insbesondere aus Silizium ausgebildet sein kann, eine zu der beziehungsweise zu den Elektrodenstrukturen korrespondierende Größe und/oder Position annehmen. Dabei kann die Leitungsstruktur einen Heizeffekt insbesondere hervorrufen durch Joulsche Wärme beziehungsweise einen Ohmschen
Widerstand, wodurch in an sich bekannter Weise ein Abbrand beziehungsweise eine Regenerierung der Elektrodenstrukturen durch das Anlegen einer Spannung beziehungsweise durch fließenden Strom ermöglicht wird. Darüber hinaus kann durch eine netzartige Struktur ein großer Bereich gleichmäßig erhitzt werden, so dass im Wesentlichen kein oder nur ein geringer Temperaturgradient über die Länge beziehungsweise über die Breite des zu erhitzenden Bereiches entsteht. Ein weiterer Vorteil einer netzartigen Leitungsstruktur kann darin gesehen werden, dass die entsprechenden Leitungsbahnen gut miteinander vernetzt beziehungsweise miteinander verbunden sind. Daraus resultiert der Vorteil, dass selbst bei der Unterbrechung einzelner Leitungsbahnen, etwa durch eine
Beschädigung des Sensors, ein weiteres Heizen problemlos möglich sein kann. Unter einer Netzstruktur beziehungsweise einer netzartigen Struktur kann dabei insbesondere eine Struktur verstanden werden, welche eine Anordnung einer
Mehrzahl von insbesondere mehrmals miteinander verbundenen
beziehungsweise vernetzten Leitungsbahnen aufweist.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Heizstruktur, insbesondere die netzartige Leitungsstruktur, Leitungsbahnen aufweisen, die zumindest teilweise eine Breite aufweisen, die in einem Bereich von < 500 nm liegt.
Derartige Leitungsbahnen, die insbesondere Bestandteil der netzartigen Struktur sein können, können schon bei niedrigen Strömen einen guten Heizeffekt hervorrufen. Daher ist ein Betreiben und elektrischen Ansteuerung eines
Partikelsensors in dieser Ausgestaltung besonders kostengünstig möglich. Dabei brauchen die Leitungsbahnen nicht an jeder Stelle eine derartige Breite beziehungsweise einen derartigen Querschnitt aufweisen, sondern können auch mit einer entlang ihrem Verlauf variierenden Querschnitt beziehungsweise Breite geformt sein, so dass sie nur in einem Teilbereich eine derartige Breite aufweisen brauchen.
Ein weiterer Vorteil derartiger Leitungsbahnen insbesondere aus Silizium kann in dem temperaturabhängigen elektrischen Widerstandsverhalten liegen. Bei dotierten Halbleitern, beispielsweise, besitzt der elektrische Widerstand ein Maximum in Bezug zur Temperatur. In diesem Maximum geht die extrinsische Leitfähigkeit in eine intrinsische Leitfähigkeit über. Dieses Maximum und der anschließende Abfall der elektrischen Leitfähigkeit erhöhen den
regelungstechnischen Aufwand, ein definiertes Temperaturprofil einzustellen. Die Position des Maximums kann dabei zu höheren Temperaturen verschoben werden, beispielsweise durch ein hohes Dotieren, oder weiterhin durch einen sehr kleinen Leiterquerschnitt, wie insbesondere in einem Bereich von < 500 nm insbesondere in einem Bereich von 100 nm, beispielsweise aufgrund eines sogenannten„minority Charge carrier exclusion-Effekts".
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann ein Homogenisierungsbereich zum Homogenisieren der Temperatur des Grundkörpers vorgesehen sein, der von der Heizstruktur umgeben ist, insbesondere wobei der
Homogenisierungsbereich aus elektrisch und/oder thermisch leitfähigem Material ausgebildet sein kann. In dieser Ausgestaltung kann ein besonders vorteilhaftes Homogenisieren der Temperatur erzeugt werden, wodurch die
Elektrodenstrukturen besonders gleichmäßig erhitzbar sein können. Darüber hinaus können Temperaturspitzen vermieden werden, wodurch Beschädigungen vermieden werden können und die notwendige eingesetzte elektrische Leistung minimiert werden kann. Im Detail kann der Homogenisierungsbereich ein flächiger Bereich sein, in dem ein Temperaturplateau, mit Temperaturen von bis zu maximal +200 °C über der Abbrandtemperatur auftreten, insbesondere können dabei Temperaturen in einem in einem Bereich von mehr als 1000 °C vermieden werden. Dazu kann der Homogenisierungsbereich eine geeignete flächige Ausdehnung aufweisen und insbesondere einen einstellbaren elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Materialanteil aufweisen. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Homogenisierungsbereich von einem von der Heizstruktur umgebenen elektrisch isolierenden Bereich umgeben sein. In dieser Ausgestaltung kann eine Temperaturhomogenisierung insbesondere durch eine im Design einstellbare erhöhte thermische Ableitung realisiert werden, oder durch eine Einstellung des elektrischen Widerstandes, welches die elektrische eingebrachte Heizleistung lokal gezielt einsetzt.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung sind der Grundkörper und die
Heizstruktur in einer ersten Lage angeordnet und sind die Elektrodenstrukturen in einer zweiten Lage angeordnet, wobei die zweite Lage auf der ersten Lage angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung weist ein derartiger Sensor somit Lagen beziehungsweise Schichten auf, die insbesondere unmittelbar benachbart sein können. Dadurch kann die Schicht der Elektrodenstruktur besonders vorteilhaft und ohne Heizverluste durch die Heizstruktur erhitzt werden. Darüber hinaus ist in dieser Ausgestaltung ein besonders kompaktes Ausbilden des Partikelsensors möglich. Dadurch ist eine große Variabilität der Verwendung eines derartigen Partikelsensors gegeben.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Partikelsensors wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, den Figuren, sowie auf die
Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines
Partikelsensors, insbesondere eines erfindungsgemäßen Partikelsensors, umfassend die Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen eines Basiskörpers umfassend eine Basischicht, eine auf der Basisschicht angeordnete elektrisch isolierende Schicht und eine auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnete elektrisch leitfähige Schicht;
b) Einbringen wenigstens einer Ausnehmung in die elektrisch leitfähige Schicht zum Strukturieren der elektrisch leitfähigen Schicht;
c) Aufbringen einer elektrisch isolierenden Deckschicht auf die elektrisch leitfähige Schicht; und
d) Aufbringen von wenigstens zwei Elektrodenstrukturen auf die
Deckschicht. Ein derartiges Verfahren dient somit insbesondere der Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen Partikelsensors. In dem ersten Verfahrensschritt a) wird somit zunächst ein Basiskörper bereitgestellt, der eine Basisschicht, eine auf der Basisschicht angeordnete elektrisch isolierende Schicht und eine auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnete elektrisch leitfähige Schicht aufweist. Die Basisschicht kann dabei insbesondere der Stabilität des Basiskörpers insbesondere während des Herstellungsverfahrens dienen und eine große Dicke aufweisen. Die
entsprechende Dicke kann dabei in Abhängigkeit der benötigten Stabilität beziehungsweise der Dicke der elektrisch isolierenden Schicht und/oder der elektrisch leitfähigen Schicht gewählt werden. Beispielhafte Dicken liegen in einem Bereich von etwa 700 μηη. Dabei kann die Basisschicht elektrisch und/oder thermisch isolierend sein oder auch bevorzugt elektrisch und/oder thermisch leitfähig sein. Die elektrisch isolierende Schicht kann etwa eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich von 1 μηη liegt. Weiterhin kann die auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnete elektrisch leitfähige Schicht eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich von > 5 bis < 100 μηη liegt. Darüber hinaus kann es etwa aus fertigungstechnischer Sicht von Vorteil sein, wenn die elektrisch leitfähige Schicht und die Basisschicht aus dem gleichen Material ausgebildet sind.
Ausgehend von dem Basiskörper wird in dem weiteren Verfahrensschritt b) wenigstens eine, insbesondere eine Mehrzahl an Ausnehmungen in die elektrisch leitfähige Schicht eingebracht. Dabei kann die Ausnehmung beziehungsweise können die Ausnehmungen insbesondere bis zu einer Tiefe verlaufen, die an die elektrisch isolierende Schicht grenzt, so dass die elektrisch isolierende Schicht freiliegt, jedoch deren Dicke nicht oder nicht wesentlich verändert wird. Ein derartiges Beenden des Formens der Ausnehmung in einer definierten Tiefe für die Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schicht kann erreicht werden, wenn ein ausreichend hoher Unterschied der chemischen beziehungsweise physikalischen Eigenschaften zwischen den beiden Schichten gewählt wird, wie etwa zwischen Silizium und Siliziumdioxid und insbesondere mit Bezug auf das zu wählende Verfahren zum Ausbilden der Ausnehmungen.
Ein geeignetes Verfahren für eine derartige Strukturierung beziehungsweise für das Einbringen von Ausnehmungen ist beispielsweise ein photolitographisches Verfahren zur Definition der Ausnehmungen und ein anschließendes
Tiefenätzverfahren (Deep reactiv ion etching) zur Strukturierung der
Ausnehmungen in die elektrisch leitfähige Schicht. Dies kann im Rahmen einer Mikrostrukturierung geschehen. Beispielsweise kann im Rahmen eines
Tiefenatzverfahrens das Formen der Ausnehmungen in der elektrisch leitfähigen Schicht, etwa umfassend Silizium vorteilhaft aufgrund von chemischen
Unterschieden zu der elektrisch isolierenden Schicht wohldefiniert gestoppt werden. Durch das Einbringen der Ausnehmungen in die elektrisch leitfähige Schicht, welche insbesondere der Basisschicht gegenüberliegend angeordnet ist, kann beispielsweise eine netzartige und insbesondere zweidimensionale netzartige Struktur geschaffen werden. Grundsätzlich kann der Verfahrensschritt b) dabei der Strukturierung des Basiskörpers und ferner dem Ausbilden von insbesondere einer Mehrzahl an funktionalen Bereichen dienen.
Wird in dem weiteren Verfahrensschritt c) eine Deckschicht auf die elektrisch leitfähige Schicht, und insbesondere eine elektrisch isolierende Schicht als Deckschicht, aufgebracht, können die erzeugten Ausnehmungen mit dem elektrisch isolierenden Material der Deckschicht gefüllt werden, wodurch eine im Wesentlichen ebene Konturoberfläche im Bereich der Deckschicht erzeugbar ist.
Die in der elektrisch und thermisch isolierenden Deckschicht eingebettete elektrisch leitfähige Schicht kann im Folgenden als Heizstruktur verwendet werden. Dabei kann die Heizstruktur durch das Auftragen der elektrisch und thermisch isolierenden Deckschicht derart isoliert sein, dass die durch die Heizstruktur erzeugte Wärme gut lokalisiert werden kann, wie etwa in einem späteren Gebrauch auf die Elektrodenstrukturen. Dabei kann die elektrisch isolierende Deckschicht zusammen mit der weiteren elektrisch isolierenden Schicht den Grundkörper bilden, welcher die Heizstruktur zumindest teilweise ummantelt.
Die Elektrodenstrukturen können dabei in dem weiteren Verfahrensschritt d) auf die Deckschicht aufgebracht werden. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die Elektrodenstrukturen in dem Bereich aufgebracht werden, in welchem die Heizstruktur angeordnet ist, um die erzeugte Hitze auf die Elektrodenstrukturen fokussieren zu können. Die Elektrodenstrukturen können dann bei einem
Verwenden eines so hergestellten Sensors als Messbereich zum Detektieren elektrisch leitfähiger Partikel dienen und nach einem Messzyklus durch die Heizstrukturen regeneriert werden. Ein Aufbringen der Elektrodenstrukturen kann dabei durch physikalische und/oder chemische Abscheidung, wie etwa durch Verdampfen oder Sputtern, von hochschmelzenden chemisch inerten
Materialien, wie beispielsweise Platin, Wolfram oder Siliziumkarbid, erfolgen.
Durch das vorbeschriebene Verfahren ist es möglich, eine Heizstruktur in eine Grundkörperlage zu integrieren, wobei nur wenige Prozessschritte notwendig sind. Dabei kann dies durch das Verwenden weit bekannter und insbesondere in der Mikrotechnik ausgereifter Verfahren realisierbar sein. Dabei kann weiterhin durch eine geeignete Wahl des Grundkörpers die Heizstruktur in den
Grundkörper integriert werden, so dass eine abschließende Abscheidung und Strukturierung der Heizerstruktur entfällt. Im Rahmen einer Ausgestaltung kann als elektrisch leitfähige Schicht eine chemisch umwandelbare Schicht verwendet werden und kann die elektrisch isolierende Deckschicht durch eine chemische Umwandlung der elektrisch leitfähigen Schicht erzeugt werden. Beispielsweise kann eine chemische Umwandlung eine Oxidierung beziehungsweise das Bilden einer Oxidschicht umfassen oder kann das chemische Umwandeln eine Nitrierung
beziehungsweise das Bilden einer Nitridschicht umfassen. Darüber hinaus kann die elektrisch isolierende Schicht auch einfach abgeschieden werden, wie zum Beispiel durch eine chemische Gasphasenabscheidung. Eine Oxidschicht kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere erzeugt werden, indem die ohnehin vorhandene elektrisch leitfähige chemisch umwandelbare
beziehungsweise oxidierbare Schicht einem oxidierenden Milieu, wie etwa bei hohen Temperaturen, beispielsweise > 800 bis < 1200° C, unter zeitgleicher Zugabe von Sauerstoff oder Wasserdampf ausgesetzt wird. Dadurch kann die Deckschicht besonders einfach aufgetragen werden, nämlich durch eine gut handhabbare Oxidation des elektrisch leitfähigen Materials. Dabei kann es insbesondere von Vorteil sein, dass die eingebrachten Ausnehmungen durch die Oxidation geschlossen werden. Denn das Oxid kann zum Einen in das Innere des oxidierbaren Materials und zum anderen nach außen wachsen. Weiterhin endet die Oxidation automatisch, wenn sämtliche Aushebungen im elektrisch leitfähigen durch die Oxidschicht geschlossen sind, was prozesstechnische
Vorteile mit sich bringen kann, oder sobald der Prozess beendet wird. Die Deckschicht kann so ferner besonders einfach auf die in dem Verfahren durch das Einbringen der Ausnehmungen erzeugten Strukturen aufgebracht werden, wobei keine Verwendung von Masken oder ähnlichem notwendig ist. Denn der Ort der Oxidation beziehungsweise die Position des Aufbringens der Deckschicht kann in exakter Weise durch die Ausgestaltung der Struktur in Verfahrensschritt b) vorherbestimmt werden. Entsprechendes gilt für eine Nitrierung der elektrisch leitfähigen Schicht. Geeignete Reaktionsbedingungen für eine Nitrierung, etwa zum Bilden einer Siliziumnitridschicht, können dabei umfassen eine Temperatur in einem Bereich von > 500° C bis < 1000° C unter Zugabe von Silan und Ammoniak.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass durch eine geeignete chemische Umwandlung der elektrisch leitfähigen Schicht in ein elektrisch isolierende Schicht, wobei während der Umwandlung das Material der elektrisch leitfähigen Schicht verbraucht wird, Strukturen mit Dimensionen von > 1 μηη in elektrisch leitfähige Strukturen von 100 nm überführt werden können. Da die Höhe der Struktur im Vergleich zur Breite während der Umwandlung nur gering verkleinert wird, lassen sich dadurch Strukturen mit extrem hohen
Aspektverhältnissenvon 1 : 200 (Breite zu Höhe) erzeugen.
Durch das vorbeschriebene Verfahren kann es in dieser Ausgestaltung besonders vorteilhaft möglich werden, elektrisch und insbesondere thermisch isolierende Schichten, die insbesondere in einer Dicke von > 20 μηη vorliegen, auch durch eine chemische Umwandlung aufbringen zu können. Dies ist ein Vorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, da hier durch eine herkömmliche Oxidation, beispielsweise, technisch sinnvoll realisierbare Schichtdicken von bis zu 3 μηη möglich sind, beziehungsweise größere Schichtdicken bis hin zu 10 μηη, insbesondere durch eine Abscheidung, wie etwa eine chemische Abscheidung, möglich waren.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Basisschicht und/oder die elektrisch leitfähige Schicht aus Silizium ausgebildet sein und/oder kann die elektrisch isolierende Schicht aus Siliziumdioxid ausgebildet sein.
In dieser Ausgestaltung kann der Basiskörper somit ein sogenannter„Silicon on insulator (SOI)" Basiskörper sein, oder auch ein epitaktisch gewachsenes Silizium, oder als sehr kostengünstige Variante eine polykristalline Siliziumschicht auf einem oxidierten Grundkörper. Die aus Silizium
ausgestalteten Schichten beziehungsweise Lagen können dabei unabhängig voneinander hoch dotiert, wie etwa mit Phosphor, Bor, Arsen, und damit elektrisch besonders gut leitfähig sein. Sie sind ferner von einander durch eine verhältnismäßig dünne Schicht eines elektrisch isolierenden Materials, insbesondere aus Siliziumdioxid, getrennt. In dieser Ausgestaltung können somit insbesondere kostengünstige bekannte und problemlos erhältliche Basiskörper verwendet werden, was das Herstellungsverfahren besonders einfach und kostengünstig gestalten kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die wenigstens eine Ausnehmung als kreisförmige und insbesondere am Umfang geschlossene Öffnung ausgebildet werden. Kreisförmige Öffnungen lassen sich dabei besonders einfach erzeugen. Weiterhin lässt sich durch das Ausformen von kreisförmigen Öffnungen besonders einfach eine netzartige Leitungsstruktur erzeugen, die für eine Heizstruktur eines Partikelsensors besonders geeignet ist. Die netzartige Leitungsstruktur kann dann gebildet werden, durch zumindest einen Teil des neben den Öffnungen sich noch befindlichen Materials, welches bei der
Strukturierung in Verfahrensschritt b) nicht entfernt wurde. Insbesondere eine Mehrzahl an kreisförmigen Öffnungen kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, wobei es im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen ist, dass auch nicht vollständig am Umfang geschlossene Öffnungen vorgesehen sein können. Weiterhin können die Öffnungen
beispielsweise einen Durchmesser in einem Bereich von > 2 μηη bis < 3 μηη aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Mehrzahl an
Ausnehmungen, insbesondere an kreisförmigen Öffnungen, erzeugt werden, die in einer hexagonalen Anordnung angeordnet werden. Insbesondere für eine hexagonale Anordnung von Öffnungen beziehungsweise insbesondere von kreisförmigen Öffnungen beziehungsweise einer Anordnung der Öffnungen in einer hexagonalen Struktur kann eine isotrope Struktur geschaffen werden. Eine derartige Isotropie dieser Struktur schafft insbesondere eine vergrößerte
Stabilität der Struktur, wie etwa gegenüber anisotropen Spannungen, da es keine eindeutige Vorzugsichtung gibt. Darüber hinaus erlaubt sie auch ein homogenes
Oxidwachstum, da es keine Orientierung an den Kristallrichtungen erfordert. Weiterhin kann auf eine vollständige Oxidation verzichtet werden, um einen Heizer in die Lage des Grundkörpers zu integrieren. Eine hexagonale Anordnung kann dabei insbesondere eine Anordnung gemäß einer Draufsicht auf eine hexagonale Kristallstruktur bedeuten.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Partikelsensor, den Figuren, sowie auf die
Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die
Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Partikelsensors;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht entlang der Strecke A-A' aus Figur 1; Fig. 3a einen Verfahrensschritt zum Herstellen eines Partikelsensors in einer
Querschnittsansicht;
Fig. 3b den Verfahrensschritt aus Figur 3a in einer Draufsicht;
Fig. 4a einen weiteren Verfahrensschritt zum Herstellen eines Partikelsensors in einer Querschnittsansicht;
Fig. 4b den Verfahrensschritt aus Figur 4a in einer Draufsicht;
Fig. 5a einen weiteren Verfahrensschritt zum Herstellen eines Partikelsensors in einer Querschnittsansicht;
Fig. 5b den Verfahrensschritt aus Figur 5a in einer Draufsicht;
Fig. 6a einen weiteren Verfahrensschritt zum Herstellen eines Partikelsensors in einer Querschnittsansicht;
Fig. 6b den Verfahrensschritt aus Figur 6a in einer Draufsicht; Fig. 7 eine weitere Ausgestaltung eines Teilbereichs eines Partikelsensors; und
Fig. 8 eine weitere Ausgestaltung eines Teilbereichs eines Partikelsensors.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Partikelsensor 10 gezeigt. Ein derartiger Partikelsensor 10 kann beispielsweise in dem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Dabei kann ein derartiger Partikelsensor 10 beispielsweise die Funktion eines in dem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordneten
Partikelfilters, beziehungsweise die Partikelemission bestimmen.
Ein derartiger Partikelsensor 10 dient somit insbesondere zum Detektieren von elektrisch leitfähigen Partikeln. Der Partikelsensor 10 kann insbesondere eine erste wenigstens eine Elektrode 12 aufweisende Elektrodenstruktur 14 und eine zweite wenigstens eine Elektrode 16 aufweisende Elektrodenstruktur 18 aufweisen. Dabei bilden die erste Elektrodenstruktur 14 und die zweite
Elektrodenstruktur 18 ein Elektrodensystem 20 aus. Das Elektrodensystem 20 beziehungsweise die Elektrodenstrukturen 14, 18 können dabei ein System aus kammartig ineinandergreifenden Interdigitalelektroden ausbilden, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Die erste Elektrodenstruktur 14 und die zweite
Elektrodenstruktur 18 sind dabei auf einem elektrisch isolierenden Grundkörper 22 angeordnet. Dabei kann zwischen einer Elektrode 12 der ersten
Elektrodenstruktur 14 und einer Elektrode 16 der zweiten Elektrodenstruktur 18 eine elektrische Potentialdifferenz erzeugbar sein. Dazu kann beispielsweise eine nicht gezeigte Spannungsquelle an die Elektroden 12, 16 angeschlossen sein. Um die in einem Gasstrom angeordnete Partikel, wie insbesondere
Rußpartikel, zu detektieren, kann der durch die Potenzialdifferenz erzeugte Stromfluss beziehungsweise Widerstand beziehungsweise Kapazität zwischen den unterschiedlichen Elektrodenstrukturen 14,18 ermittelt werden. Dazu sind die Elektrodenstrukturen 14,18 elektrisch an einen elektrischen Anschluss beziehungsweise an eine elektrische Ableitung 24, 26 angebunden.
Um nach einem bestimmten Messzyklus beziehungsweise nach einer bestimmten Messdauer die angelagerten Partikel wieder von den
Elektrodenstrukturen 14,18 zu entfernen, weist der Partikelsensor 10 eine Heizstruktur 28 auf. Dabei kann die Heizstruktur 28 insbesondere dazu dienen, die erste Elektrodenstruktur 14 beziehungsweise die zweite Elektrodenstruktur 18 auf eine Abbrandtemperatur zu erhitzen, bei der die angelagerten Partikel oxidiert werden und somit von den Elektrodenstrukturen 14,18 entfernt werden können. Dem Fachmann ist somit ersichtlich, dass die Heizstruktur 28
insbesondere an die Größe beziehungsweise Position beziehungsweise
Ausdehnung der Elektrodenstrukturen 14, 18 angepasst sein kann und somit in einer zu der Ausdehnung des Elektrodensystems 20 entsprechenden
beziehungsweise gleichen oder größeren Ausdehnung vorgesehen sein kann, damit in vorteilhafter Weise das gesamte Elektrodensystem 20 einer
Regenerierung unterzogen werden kann. Dabei kann die Heizstruktur 28 gegebenenfalls lokal durch einen Homogenisierungsbereich 56 ersetzt werden, wie dies später im Detail erläutert wird.
Die Heizstruktur 28 kann dabei insbesondere von dem Grundkörper 22 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, beispielsweise mantelartig umschlossen sein. Dies ist insbesondere in Figur 2 gezeigt, welche eine
Schnittansicht entlang der Strecke A-A' aus Figur 1 zeigt.
In Figur 2 ist zu erkennen, dass die Heizstruktur 28 innerhalb des Grundkörpers 22 angeordnet ist, beziehungsweise vollständig von dem Material des
Grundkörpers 22 umgeben ist.
Der Grundkörper 22 kann beispielsweise aus Siliziumdioxid ausgestaltet sein, wohingegen die Heizstruktur 28 beispielsweise aus Silizium ausgestaltet sein kann. Alternative Materialien für den Grundkörper 22 umfassen beispielsweise Silizium-Nitrid, Aluminium-Oxid oder Titanoxid wohingegen alternative
Materialien für die Heizstruktur 28 Metalle insbesondere mit einem Schmelzpunkt von > 1000°C, wie beispielsweise Titan umfassen können. Ferner kann das Elektrodensystem 20 beziehungsweise die Elektrodenstrukturen 14, 18 aus Platin Wolfram und Siliziumkarbid ausgestaltet sein.
In Figur zwei ist ferner zu erkennen, dass der Grundkörper 22 und die
Heizstruktur 28 in einer ersten Lage 30 angeordnet sind, wobei die
Elektrodenstrukturen14, 18 in einer zweiten Lage 32 angeordnet sind. Dabei kann die zweite Lage 32 auf der ersten Lage 30 angeordnet sein. In einer unterhalb der ersten Lage 30 angeordneten dritten Lage 34 können ferner insbesondere mechanische Anbindungen 36 zum Befestigen und elektrischen Kontaktierung des Partikelsensors 10 angeordnet sein. Ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Partikelsensors 10 ist in den folgenden Figuren 3 bis 6 gezeigt.
In einem Verfahrensschritt a) wird gemäß Figur 3 ein Basiskörper 38 umfassend eine Basisschicht 40, eine auf der Basisschicht 40 angeordnete elektrisch isolierende Schicht 42 und eine auf der elektrisch isolierenden Schicht 42 angeordnete elektrisch leitfähige Schicht 44, bereitgestellt. Figur 3 gezeigt dabei einen Querschnitt des Basiskörpers 38, wohingegen Figur 3b eine Draufsicht auf den Basiskörper 38 beziehungsweise auf die elektrisch leitfähige Schicht 44 zeigt. Die elektrisch leitfähige Schicht 44 kann, wie auch die Basisschicht 40, aus Silizium ausgebildet sein. Dabei kann das Silizium beispielsweise hoch dotiert sein. Beispielsweise kann das Silizium Dotierungsmaterialien, wie beispielsweise Phosphor Bor und Arsen aufweisen, wobei die Dotierungsstärke bis an die Sättigungsgrenze des Siliziums reichen kann. Dadurch kann eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit erzielbar sein. Alternative Materialien für die Basisschicht umfassen beispielsweise Quarz, Stahl und Titan. Die elektrisch isolierende
Schicht 42 kann insbesondere aus Siliziumdioxid ausgestaltet sein.
Ist die Basisschicht 40 aus dem gleichen Material ausgebildet, wie die obere elektrisch leitfähige Schicht 44, hat dies aufgrund der einheitlichen
Prozessführung aus prozesstechnischer Sicht Vorteile, da die im Wesentlichen gleichen Handhabungsschritte verwendet werden können.
In einem weiteren Verfahrensschritt b) wird gemäß Figur 4 die Oberfläche des Basiskörpers 38 beziehungsweise insbesondere die obere elektrisch leitfähige Schicht 44 strukturiert. Dazu kann beispielsweise ein Photolithographie-
Verfahren und ein anschließendes Tiefenätzverfahren Verwendung finden.
Insbesondere kann in dem Verfahrensschritt b) wenigstens eine, insbesondere eine Mehrzahl, an Ausnehmungen 46 in die elektrisch leitfähige Schicht 44 eingebracht werden. Dabei kann die elektrisch leitfähige Schicht 44
beispielsweise im Wesentlichen in drei verschiedene funktionale Bereiche unterteilt werden. In einem ersten funktionalen Bereich i) kann die elektrisch leitfähige Schicht 44 im Wesentlichen vollständig und unstrukturiert entfernt werden. Dies kann möglich sein durch das Vorsehen einer sehr groß dimensionierten Ausnehmung 46a. Durch eine vollständige Entfernung des elektrisch leitfähigen Materials der elektrisch leitfähigen Schicht 44 in dem Bereich i), insbesondere des Siliziums, kann damit eine Reduktion der thermischen Ankopplung an den Grundkörper 22 ermöglicht werden. In diesem Bereich findet auch keine elektrische Heizung statt. Diese Strukturierung erlaubt damit gezielt die elektrische Heizleistung auf andere Bereiche umzulenken. Dies muss jedoch im Zusammenhang mit einer Reduktion der mechanischen Stabilität der Schicht des elektrisch isolierenden Materials, insbesondere einer Siliziumdioxidmembran, ausgestaltet werden. In anderen Worten sollte darauf geachtet werden, dass der Partikelsensor 10 eine ausreichende Stabilität aufweist.
Weiterhin können in einem weiteren funktionalen Bereich ii) strukturierte
Ausnehmungen 46b, zwischen denen Vorsprünge 48 bestehen bleiben, eingefügt werden. Die Vorsprünge 48 können dabei bei einer späteren Funktion des Partikelsensors 10 als Heizstruktur 28 dienen und sind insbesondere als netzartige Struktur ausgestaltet. Insbesondere in Figur 4b ist dabei zu erkennen, dass in dem Bereich ii) die Ausnehmungen 46b als kreisförmige und zumindest teilweise geschlossene Öffnung ausgebildet sind, die in einer zueinander hexagonalen Anordnung ausgestaltet werden. Darüber hinaus können die Öffnungen jedoch grundsätzlich auch andere Formen aufweisen, als
insbesondere hexagonal angeordnete kreisförmige Öffnungen. Somit können die Öffnungen insbesondere einer Wabenstruktur beziehungsweise
Wabenlochstruktur ausgebildet werden. Weiterhin denkbar wären beispielsweise Quadrate, Linien, Rechtecke oder auch spiralförmige Strukturen, wobei diese Aufzählung nicht abschließend zu verstehen ist. Somit kann in dem Bereich ii) die Herstellung einer relativ dicken Schicht eines elektrisch isolierenden
Materials, wie insbesondere einer Siliziumdioxidschicht, mit darin eingebundener beziehungsweise in dieser vergrabener Heizerstruktur 28 in einem
beziehungsweise zwei Prozessschritten erfolgen. Dies ermöglicht einen signifikanten prozesstechnischen Vorteil. Ein weiterer funktionaler Bereich iii) umfasst im Wesentlichen einen Bereich 50 an unbehandeltem Material der elektrisch leitfähigen Schicht 44 und kann bei einer Funktion des Partikelsensors 10 beispielsweise als elektrischer Anschluss 24, 26 beziehungsweise Anbindung der Heizstruktur 28 und/oder des
Elektrodensystems 20 dienen. Zum anderen kann der Bereich 50 der elektrisch leitfähigen Schicht 44 einer besonders homogenen Temperaturverteilung auf dem beziehungsweise in dem Grundkörper 22 dienen. In dem Bereich iii) wird die Oberfläche zwar oxidiert, da jedoch die Strukturierung fehlt, bleibt die elektrisch leitfähige Schicht mit einer ausreichenden nicht strukturierten Dicke übrig. Dieser Bereich kann damit als insbesondere hoch thermisch und elektrisch leitfähiger Bereich, wie insbesondere Siliziumbereich, bestehen bleiben. Dabei ist das übrig gebliebene Silizium elektrisch und prozesstechnisch durch die elektrisch isolierende Schicht 42 von der Basisschicht 40 beziehungsweise dem Bulk getrennt. Die Deckschicht 52, entstanden aus einer chemischen Umwandlung, kann weiterhin durch eine zusätzliche Abscheidung einer weiteren isolierenden Schicht verstärkt werden, welches zu einer Planarisierung der Deckschicht 52 führen kann.
Die grundsätzliche Möglichkeit, eine Mehrzahl, wie insbesondere drei, unterschiedliche funktionale Bereiche i), ii), iii) in einem Prozessfluss wie oben beschrieben zu realisieren, stellt dabei einen signifikanten Unterschied zu einer vollständig flächigen Abscheidung der elektrisch isolierenden Schicht, wie insbesondere Siliziumdioxid, dar. Vielmehr können den einzelnen funktionalen Bereichen auf besonders einfache Weise und dabei durch einfach
anzuwendende Verfahren spezifische Eigenschaften zugeteilt werden, wie dies mit Bezug auf die einzelnen Bereiche beschrieben ist, dabei ist die Anordnung der funktionalen Bereiche nicht auf die gezeigte Anordnung beschränkt. Dies ist in besonders vorteilhafter Weise in Zusammenhang mit der oxidativen
Erzeugung einer elektrisch isolierenden Schicht insbesondere als
Grundkörpermaterial möglich, wie dies im Folgenden mit Bezug auf den
Verfahrensschritt c) erläutert wird. Speziell dicke Siliziumdioxid Schichten > 1 μηη lassen sich sehr genau einstellen und damit eine exakte Prozessführung für die verbleibenden Silizium-Strukturen einstellen. In dem weiteren Verfahrensschritt c) kann, wie dies in den Figuren 5a und 5b gezeigt ist, weiterhin eine elektrisch isolierende Deckschicht 52 auf die elektrisch leitfähige Schicht 44 beziehungsweise auf die aus der leitfähigen Schicht 44 entstandenen Strukturen, wie beispielsweise die Vorsprünge 48 oder 50 aufgebracht werden, welche rein schematisch angedeutet sind sich jedoch in verständlicher Weise unterhalb der Schicht 52 befinden. Die elektrisch isolierende Schicht 52 kann dabei insbesondere auf die in dem Verfahrensschritt b) belassenen Bereiche der elektrisch leitfähigen Schicht 44 aufgebracht werden. Beispielsweise kann, für den Fall, dass die elektrisch leitfähige Schicht 44 eine oxidierbare Schicht ist, die elektrisch isolierende Schicht 52 durch einen insbesondere thermischen Oxidationsprozess erzeugt werden. Insbesondere für den Fall der Verwendung von Silizium als elektrisch leitfähiges Material kann die elektrisch isolierende Deckschicht 52 beispielsweise durch einen insbesondere thermischen Oxidationsvorgang zum Erzeugen von Siliziumdioxid ausgestaltet werden. Ein derartiges Aufwachsen der Oxidschicht kann dabei insbesondere abhängig von der Größe und Struktur der in dem Verfahrensschritt b)
eingebrachten Ausnehmungen 46 beziehungsweise der eingebrachten Struktur, wie etwa Durchmesser und Position der kreisförmigen Öffnungen, stattfinden. Beispielweise kann durch eine derartige Ausgestaltung der Oxidationsprozess automatisch beendet werden, wenn kein oxidierbares Material mehr frei liegt beziehungsweise in ausreichend geringem Abstand zur oxidierenden
Atmosphäre befindet, da die Diffusion durch die Oxidschicht, für Oxidschichten >
500 nm die Oxidationsrate stark begrenzt. Somit kann eine Oxidation nur dort erfolgen, wo auch oxidierbares Material in ausreichend kurzem Abstand, beispielsweise < 3 μηη, vorhanden ist, was ohne das Verwenden von
beispielsweise Masken eine definierte Struktur erlaubt.
Insbesondere ein Oxidationsvorgang kann bei diesem Verfahrensschritt c) vorteilhaft sein, da das Oxid, wie beispielsweise das Siliziumdioxid, nicht nur in das zu oxidierende Material, wie beispielsweise das Silizium, hineinwächst, sondern ferner ein Teil der Oxidschicht auch nach außen aufwächst.
Beispielsweise wächst die resultierende Oxidschicht, wie insbesondere die
Siliziumdioxidschicht, zu beispielsweise 45 % in das Silizium hinein und zu 55 % aus dem Silizium heraus. Wählt man nun die Form und/oder Größe der
Ausnehmungen 46 wie etwa den Durchmesser der kreisförmigen Öffnungen und deren insbesondere hexagonal dichteste Anordnung, so kann im Bereich ii) eine geschlossene Siliziumdioxidschicht entstehen, in deren Kern ein feines Netz aus insbesondere hochdotiertem Silizium vergraben ist und als netzartige
Heizstruktur 28 dienen kann.
Daher lassen sich die in einem vorherigen Verfahrensschritt eingefügte
Ausnehmungen 46 wieder schließen und die einzelnen Vorsprünge 48 können teilweise oder vollständig, je nach Ausgestaltung beziehungsweise Dicke, in das Oxid, wie insbesondere Siliziumdioxid, überführt werden. Diese Weise kann eine dicke Oxidschicht erzeugt werden, die eine Dicke von beispielsweise 20 μηη aufweisen kann. Dabei kann eine Oxidschicht, beispielsweise, mit einer derartigen Dicke für den gesamten Grundkörper 22 beziehungsweise für den gesamten Partikelsensor 10 verwendet werden, und braucht nicht auf vereinzelte Inselbereiche reduziert werden. Weiterhin ist für den Fachmann ersichtlich, dass der Grundkörper 22 aus den elektrisch isolierenden Schichten 42, 52 erzeugt werden kann.
In diesem Verfahrensschritt kann somit insbesondere eine netzartige Struktur des elektrisch leitenden Materials erzeugt werden. Dies ist beispielsweise in der Figur 6a gezeigt. In Figur 6a ist zu erkennen, dass die netzartige elektrisch leitfähige Struktur, welche insbesondere als Heizstruktur 28 Verwendung finden kann, von insbesondere hexagonal angeordneten kreisförmigen Öffnungen, ausgebildet etwa aus Siliziumdioxid, mit darum geformtem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet wird. Die netzartige Leitungsstruktur kann dabei in dem Grundkörper 22 angeordnet sein. Ferner kann die Leitungsstruktur,
Leitungsbahnen aufweisen, die zumindest teilweise eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich von < 500 nm beziehungsweise im Bereich von 100 nm, liegt.
Beispielsweise kann diese Dicke die geringste, etwa zwischen kreisförmigen Strukturen angeordneten Leitungsbahnen aufweisen. Dadurch stellen sie zumindest lokal beziehungsweise teilweise einen hohen elektrischen Widerstand dar und können somit als Ohmscher Heizer für die Heizstruktur 28 verwendet werden.
In Figur 6 ist ferner ein weiterer optionalen Verfahrensschritt gezeigt. In diesem Verfahrensschritt kann ein Teil 54 der Basisschicht 40 entfernt werden, wie beispielsweise durch eine rückseitige Tiefenätzung, wobei vorteilhaft nur bis an die elektrisch isolierende Schicht 42 Material entfernt wird, die elektrisch isolierende Schicht 42 somit im Wesentlichen unverändert bestehen bleibt und in diesem Bereich freiliegt.
Das Entfernen der Basisschicht 40 kann dabei den Vorteil haben, dass die durch die Heizstruktur 28 erzeugte Wärme nicht in diese insbesondere dicke Schicht abfließen kann, und somit ein Heizen auf den gewünschten Bereich lokalisiert werden kann. Dadurch kann ein derartiger Partikelsensor 10 besonders energiearm heizen, und die Anforderungen bezüglich verwendeter Spannung beziehungsweise Strom gering gehalten werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt d) kann ferner ein Elektrodensystem 20 umfassend wenigstens zwei Elektrodenstrukturen 14, 18 auf die elektrisch isolierende Schicht 52 beziehungsweise auf den Grundkörper 22 aufgebracht werden. Dieser Verfahrensschritt ist an sich bekannt und kann beispielsweise durch Abscheidung und Strukturierung realisiert werden. Dieser Verfahrensschritt
D) ist in den Figuren nicht im Detail gezeigt.
In Figur 7 ist eine weitere Ausgestaltung eines Partikelsensors 10 gezeigt. Figur 7 zeigt dabei, dass etwa in einem mittleren Bereich des Grundkörpers 22 ein Homogenisierungsbereich 56 des Grundkörpers 22 zum Homogenisieren der von der Heizstruktur 28 erzeugten Temperatur des Grundkörpers 22 vorgesehen sein kann. Der Homogenisierungsbereich 56 kann dabei von der netzartigen
Heizstruktur 28 umgeben sein. In dieser Ausgestaltung kann die elektrische Heizleistung durch unstrukturierte Bereiche eines thermisch und/oder elektrisch leitfähigen Materials, wie insbesondere Silizium, homogenisieren. Denn der
Homogenisierungsbereich 56 umfasst einen Bereich mit niedrigem elektrischen Widerstand und einer hohen thermische Leitfähigkeit. In diesem Bereich ist insbesondere der thermische Widerstand gering, so dass die Wärme gut abfließen kann beziehungsweise sich gut in dem Grundkörper 22 innerhalb der Heizstruktur 28 verteilen kann. Des Weiteren findet aufgrund des niedrigen elektrischen Widerstandes nur wenig elektrische Heizung statt.
Dabei kann der Homogenisierungsbereich 56 ferner von einer elektrisch isolierenden Umrahmung 58 umgeben sein, welche einer Aushebung mit geschlossener Kontur gleichkommt und im selben Tiefenstrukturierungsprozess wie die netzartige Heizstruktur hergestellt wird, wie dies in Figur 8 gezeigt ist. Die elektrisch isolierende Umrahmung 58, insbesondere ausgestaltet aus
Siliziumdioxid, kann wiederum von der Heizerstruktur 28 umgeben sein. In dieser Ausgestaltung kann eine Temperaturhomogenisierung in dem Grundkörper 22 erfolgen insbesondere durch eine hohe thermische Leitfähigkeit der
Siliziumflächen, jedoch nur bei kleiner Reduzierung des elektrischen
Widerstands. In diesem Bereich kann die Wärme insbesondere auf die Bereiche konzentriert sein, wo sie wirklich benötigt wird.
Somit kann in den Ausgestaltungen gemäß Figuren 7 und 8 beispielsweise das thermisch hoch leitfähige Silizium zu einer homogenen Temperaturverteilung auf der elektrisch isolierenden Schicht 42 beziehungsweise der
Siliziumdioxidmembran führen durch entweder eine geeignete Verteilung der elektrischen resistiven Heizleistung und thermischen Ableitung gemäß Figur 7 oder ausschließlich durch eine thermische Ableitung gemäß Figur 8. Eine derartige Temperaturhomogenisierung kann dabei vorteilhaft sein, da es aufgrund der besseren thermischen Isolation eines mittleren Bereichs zu höheren Temperaturen kommen kann, als an den thermisch besser angekoppelten Membranrändern. Die in den Figuren 7 und 8 gezeigten
Homogenisierungsbereiche 56 können beispielsweise Abmessungen in einem Bereich von > 10 bis < 20 μηη aufweisen. Dabei kann ein einziger
Homogenisierungsbereich etwa in der Mitte des Grundkörpers 22
beziehungsweise in der Mitte der Heizstruktur 28 vorgesehen sein, oder aber es können eine Mehrzahl an Homogenisierungsbereichen 56 vorgesehen sein, die in geeigneter weise angeordnet sein können, um die Temperatur in dem
Grundkörper 22 zu homogenisieren beziehungsweise gleichmäßig zu verteilen.

Claims

Ansprüche
1 . Partikelsensor zum Detektieren von elektrisch leitfähigen Partikeln,
umfassend eine erste wenigstens eine Elektrode (12) aufweisende
Elektrodenstruktur (14) und eine zweite wenigstens eine Elektrode (16) aufweisende Elektrodenstruktur (18), wobei die erste Elektrodenstruktur (14) und die zweite Elektrodenstruktur (18) auf einem elektrisch isolierenden Grundkörper (22) angeordnet sind, wobei zwischen einer Elektrode (12) der ersten Elektrodenstruktur (14) und einer Elektrode (16) der zweiten
Elektrodenstruktur (18) eine elektrische Potentialdifferenz erzeugbar ist, und wobei der Grundkörper (22) eine Heizstruktur (28) zum Erhitzen der ersten (14) und der zweiten Elektrodenstruktur (18) aufweist, die von dem
Grundkörper (22) zumindest teilweise umschlossen ist.
2. Partikelsensor nach Anspruch 1 , wobei der Grundkörper (22) aus
Siliziumdioxid ausgestaltet ist und/oder die Heizstruktur (28) aus Silizium ausgestaltet ist.
3. Partikelsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizstruktur (28)
vollständig von dem Grundkörper (22) umschlossen ist.
4. Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Heizstruktur (28) eine in dem Grundkörper (22) angeordnete netzartige Leitungsstruktur aufweist.
5. Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Heizstruktur (28), insbesondere die netzartige Leitungsstruktur, Leitungsbahnen aufweist, die zumindest teilweise eine Breite aufweisen, die in einem Bereich von < 500 nm liegt. 6. Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein
Homogenisierungsbereich (56) zum Homogenisieren der Temperatur des Grundkörpers (22) vorgesehen ist, der von der Heizstruktur (28) umgeben ist, insbesondere wobei der Homogenisierungsbereich (56) aus elektrisch und/oder thermisch leitfähigem Material ausgebildet ist.
Partikelsensor nach Anspruch 6, wobei der Homogenisierungsbereich (56) von einer von der Heizstruktur (28) umgebenen elektrisch isolierenden Umrahmung (58) umgeben ist.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Grundkörper (22) und die Heizstruktur (28) in einer ersten Lage (30) angeordnet sind und wobei die Elektrodenstrukturen (14, 18) in einer zweiten Lage (32) angeordnet sind und wobei die zweite Lage (32) auf der ersten Lage (30) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Partikelsensors (10), umfassend die Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen eines Basiskörpers (38) umfassend eine Basisschicht (40), eine auf der Basisschicht (40) angeordnete elektrisch isolierende Schicht (42) und eine auf der elektrisch isolierenden Schicht (42) angeordnete elektrisch leitfähige Schicht (44);
b) Einbringen wenigstens einer Ausnehmung (46) in die elektrisch
leitfähige Schicht (44) zum Strukturieren der elektrisch leitfähigen Schicht (44);
c) Aufbringen einer elektrisch isolierenden Deckschicht (52) auf die
elektrisch leitfähige Schicht (44); und
d) Aufbringen von wenigstens zwei Elektrodenstrukturen (14, 18) auf die Deckschicht (52).
0. Verfahren nach Anspruch 9, wobei als elektrisch leitfähige Schicht (44) eine chemisch umwandelbare Schicht verwendet wird und wobei die elektrisch isolierende Deckschicht (52) durch ein chemisches Umwandeln der elektrisch leitfähigen Schicht (44) erzeugt wird.
1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Basisschicht (40) und/die elektrisch leitfähige Schicht (44) aus Silizium ausgebildet sind und/oder wobei die elektrisch isolierende Schicht (42) aus Siliziumdioxid ausgebildet ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , wobei die wenigstens eine Ausnehmung (46) als kreisförmige Öffnung ausgebildet wird, insbesondere wobei die kreisförmige Öffnung am Umfang geschlossen ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei eine Mehrzahl an Ausnehmungen (46), insbesondere an kreisförmigen Öffnungen, erzeugt werden, die in einer hexagonalen Anordnung angeordnet werden.
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