WO2016078817A1 - Sensor zum analysieren eines abgases einer verbrennungskraftmaschine, verbrennungskraftmaschine sowie verfahren und vorrichtung zum herstellen eines solchen sensors - Google Patents

Sensor zum analysieren eines abgases einer verbrennungskraftmaschine, verbrennungskraftmaschine sowie verfahren und vorrichtung zum herstellen eines solchen sensors Download PDF

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WO2016078817A1
WO2016078817A1 PCT/EP2015/072800 EP2015072800W WO2016078817A1 WO 2016078817 A1 WO2016078817 A1 WO 2016078817A1 EP 2015072800 W EP2015072800 W EP 2015072800W WO 2016078817 A1 WO2016078817 A1 WO 2016078817A1
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sensor
exhaust gas
electrode
measuring electrode
heating
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PCT/EP2015/072800
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Denis Kunz
Markus Widenmeyer
Tino Fuchs
Robert Roelver
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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    • G01N27/4072—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure characterized by the diffusion barrier

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for analyzing an exhaust gas of an internal combustion engine, to a
  • Internal combustion engine to a method for producing a sensor for analyzing an exhaust gas of an internal combustion engine, to a corresponding device and to a corresponding computer program.
  • a residual oxygen content in the exhaust gas of internal combustion engines can be measured and used to determine a
  • Combustion air ratio can be used.
  • the combustion air ratio can be adjusted so that the proportion of pollutants in the exhaust gas, such as nitrogen oxides, is as low as possible.
  • DE 10 2005 015 103 A1 describes a lambda probe with a ceramic sensor element.
  • the approach proposed here provides a sensor for analyzing an exhaust gas of an internal combustion engine, the sensor having the following
  • Characteristics comprising: a lid member having a plurality of pores in a filter region for filtering out particulate matter from the exhaust gas; a measuring electrode disposed on the lid member for determining a particle concentration in the exhaust gas; a heating element arranged on the lid element for heating the filter area and / or the measuring electrode; and a bottom member having at least one sensor element for determining a gas concentration in the exhaust gas, the cover member having the
  • Sensor element covers to prevent accumulation of the particles on the sensor element, and wherein the sensor element is coupled via the filter region fluidly with an external environment of the sensor.
  • An exhaust gas may be used in a combustion process in the
  • Heat engine such as an internal combustion engine or a
  • Turbomachine be understood. Under a cover element and a bottom element can each be understood a layer of a heat-resistant material, such as a semiconductor material.
  • the cover and the bottom element can be combined with one another, for example, in a layer composite.
  • a pore can be understood as meaning a through opening in the cover element.
  • Under a particle can be a solid
  • the measuring electrode may for example be formed from a wire, on which the particles can accumulate from the exhaust gas.
  • the particle concentration can for example, by measuring a change in resistance at the
  • Measuring electrode can be determined. Under a heating element, a heating element
  • Heating electrode be understood in the form of a wire or metal strip, which generates heat when an electrical voltage.
  • the heating element can be used for regeneration of the filter area and, additionally or alternatively, for regeneration of the measuring electrode.
  • the sensor element may, for example, be realized as a Nernst probe in order to determine the gas concentration, in particular an oxygen concentration, in the exhaust gas.
  • the approach presented here is based on the knowledge that a sensor for determining a gas concentration in an exhaust gas of a
  • the protective layer may be a gas-permeable, porous region for
  • the protective layer can be used both as a particle filter and as a particle sensor for determining a
  • the sensor element can be realized as a lambda probe.
  • the senor may be constructed monolithically to the functions lambda probe, soot particle protection of the lambda probe and
  • Soot particle sensor to link together. This makes the sensor very compact. In addition, thereby the production costs can be significantly reduced.
  • the lambda probe can be covered by a cover element in the form of a porous, heatable protective cap.
  • the protective cap can act as a filter cap to filter out soot particles from a respective sample gas.
  • Heater can serve to burn off accumulated soot particles to the
  • the soot particle sensor may be realized from interdigital contact structures and be designed to vary depending on a Resistance change to detect a soot load.
  • the soot particle sensor can be regenerated in the same way as the filter cap by means of the heater.
  • Ceramic lambda probes are generally used, which are produced, for example, in thick film technology using zirconia-based ceramics.
  • Ceramic sensor element Dimensions of such a ceramic sensor element are usually in the range of 5 mm by 5 mm, with a thickness of about 1 mm to 2 mm.
  • the sensor surface is typically dimensioned so large, approximately in the square millimeter range that individual local soot deposits do not immediately lead to sensor failure. Furthermore, the sensor surface can be provided with a porous covering layer several micrometers thick, which prevents sensor poisoning by corrosive exhaust gas constituents.
  • the size of the sensor element can be significantly reduced, for example, to about 1 mm by 2 mm by 1 mm (width times height times depth).
  • An active solid electrolyte layer may have a thickness of only 100 nm to 1 ⁇ .
  • such a reduced installation space offers the advantage of a quick operational readiness of, for example, less than 3 seconds and a low heating power of, for example, 100 mW.
  • Flue gas sensors make up a large proportion of the total production costs, such integration also brings a significant cost advantage.
  • the proposed approach the
  • Filter region to be arranged opposite the sensor element.
  • the coupling of the sensor element to a measuring gas contained in the exhaust gas can be improved.
  • the sensor can be constructed very compact in this way.
  • the measuring electrode and, additionally or alternatively, the heating element at least partially framing the filter area, in particular enclosing except for an access opening.
  • the measuring electrode or the heating element can be arranged as space-saving as possible on the cover element, d. h., a dead volume above the sensor element can be minimized.
  • the filter region or the measuring electrode can be heated efficiently in this way.
  • at least a majority of the measuring electrode can run between the heating element and the filter area.
  • the measuring electrode as
  • Interdigitalelektrode be executed.
  • An interdigital electrode can be understood to mean an electrode having a finger-like interlocking contact structure. As a result, the measuring electrode can be realized with a large surface area while still requiring little space.
  • Filter region has a lid recess.
  • the sensor element of the lid recess can be arranged opposite one another.
  • Deckelaus founded can be understood as a depression in the cover element.
  • the lid recess may be formed in that the lid member is performed in the filter area with a reduced wall thickness. In this way, the lid member can be formed cap-like with little manufacturing effort.
  • the Heat capacity and thus the heating dynamics and the required heating power to achieve and maintain a certain temperature can be minimized.
  • the sensor element may include a bottom recess in the bottom element and an electrolyte layer of a first electrode, a second electrode and an electrode disposed between the first electrode and the second electrode
  • the electrolyte layer may cover the bottom recess to a chamber for receiving a reference gas or
  • the reference gas or reference gas mixture can serve as a reference for determining the gas concentration in the exhaust gas.
  • the first electrode can be acted upon by the reference gas or reference gas mixture and the second electrode can be acted upon by the exhaust gas via the filter region.
  • the reference gas or gas mixture can either be a separate gas or gas mixture introduced into the chamber, such as ambient air, or else a reference that can be produced by means of the electrolyte layer, for example an oxygen reference for determining an oxygen concentration in the exhaust gas.
  • the sensor element can be realized in a cost-effective and space-saving manner as a Nernst probe or voltage jump probe.
  • the senor has at least one further heating element for heating the electrolyte layer.
  • the further heating element By means of the further heating element, a temperature-dependent ion diffusion through the electrolyte layer can be controlled.
  • the further heating element and the heating element may be connected to each other in series or in parallel. As a result, the manufacturing cost of the sensor can be reduced.
  • the lid member may be made of a semiconductor material. Additionally or alternatively, the bottom element may be made of the semiconductor material.
  • the semiconductor material may be about silicon.
  • the approach presented here creates an internal combustion engine with a sensor according to one of the embodiments described here.
  • the proposed approach provides a method for manufacturing a sensor for analyzing an exhaust gas of a
  • Sensor element for determining a gas concentration in the exhaust gas
  • a cover member having a plurality of pores for filtering out particulates from the exhaust gas in a filter region, a measuring electrode for determining a particle concentration in the exhaust gas and a heating element for heating the filter region and / or the Measuring electrode, wherein the
  • Measuring electrode and the heating element are arranged on the cover element, wherein the cover element covers the sensor element to a
  • the approach presented here also provides a device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • system ASIC system ASIC
  • Circuits are or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a sensor according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a sensor according to a
  • Embodiment of the present invention in plan view
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a bottom element of a sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an internal combustion engine with a sensor according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a flow chart of a method of manufacturing a sensor according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 7 is a block diagram of an apparatus for performing a
  • the sensor 100 for analyzing an exhaust gas of an internal combustion engine includes a lid member 102 and a bottom member 104, which are according to this
  • Embodiment realized as layers and combined with each other in a composite layer.
  • the cover element 102 has, in a filter region 106, only a plurality of pores 108, which are arranged, for example, in four columns and serve for filtering particles from the exhaust gas.
  • a measuring electrode 110 On the lid member 102 are also a measuring electrode 110, here a
  • the measuring electrode 110 is arranged between the heating element 112 and the filter region 106.
  • the heating element 112 is designed to heat the measuring electrode 110 and the filter region 106 for cleaning particles that accumulate on the measuring electrode 110 or on the pores 108.
  • the measuring electrode 110 is configured to determine a particle concentration in the exhaust gas.
  • the cover element 102 has on a side facing away from the heating element 112 and the measuring electrode 110 a lid recess 116, which in Fig. 1 by way of example in the region of the heating element 112, the measuring electrode
  • the lid member 102 is connected to the bottom member 104 such that the bottom member 104 is the
  • Cover recess 122 fluid-tight covering. About the pores 108 is the
  • Lid recess 122 is fluidly coupled to an external environment of the sensor 100.
  • the bottom element 104 comprises a sensor element 118, which is the
  • Cover recess 122 is disposed opposite and of the
  • the Cover element 102 is enclosed.
  • the sensor element 118 can via the Pores 108 are supplied with the exhaust gas to determine the concentration of a gas, such as oxygen, in the exhaust gas.
  • the bottom element 104 as a sensor wafer and the
  • Cover element 102 as a cap wafer made of a semiconductor material
  • an optional insulation layer 119 on the cover element 102 serves to electrically insulate the heating element 112 and the measuring electrode 110 from the cover element 102.
  • the particle concentration in the exhaust gas can now be determined by a change in resistance of the measuring electrode 110, which of the at
  • Measuring electrode 110 adhering particle quantity is determined.
  • the exhaust gas flows through the pores 108 in one of the
  • Deckelaus Principleung 116 and the bottom member 104 limited cavity of the sensor 100, in which the sensor element 118 is arranged. In this case, at least a major portion of the particles contained in the exhaust gas remains attached to the pores 108. Thus, the sensor element 118 is subjected to a particle-free or at least low-particle exhaust gas.
  • the sensor element 118 is designed as a Nernst probe.
  • the bottom element 104 a the bottom element 104 a
  • the electrolyte layer 122 is, for example, a layer composite comprising a first electrode 124, a second electrode 126 and an electrolyte 128 arranged between the electrodes 124, 126, in particular a solid electrolyte such as an yttrium-doped zirconium dioxide membrane (YSZ).
  • the electrodes 124, 126 are realized for example as platinum electrodes.
  • the bottom recess 120 in FIG. 1 is arranged opposite the filter area 106.
  • the bottom recess 120 forms, together with the electrolyte layer 122, a chamber 130 which, for example, with a reference gas or
  • Reference gas mixture is filled, hereinafter referred to as reference.
  • the first electrode 124 can be acted upon by the reference and the second electrode 126 can be acted upon by the exhaust gas via the pores 108. Due to a concentration or partial pressure difference between the chamber 130 and the in the
  • a voltage applied between the electrodes 124, 126 can now be measured to determine the concentration of the gas in the exhaust gas.
  • the chamber 130 acts as a pumping cell to the reference
  • microelectrochemical sensor element 118 with a heatable
  • Cap wafer as a lid member 102, also called protective cap or filter cap, and an interdigitated contact structure as a measuring electrode 110, English interdigitated electrodes or short ID called E.
  • Such a protective cap 102 protects the microelectrochemical sensor element 118 on the one hand from soot deposits by thermophoresis and active filtering of larger particles. In the filter area 106 deposited particles are burned during operation by active heating to above 800 ° C, thus preventing the blockage of the filter area 106. The additional protection against
  • thermophoresis Particle deposition by thermophoresis is also ensured by active heating as long as the filter cap temperature is above the immediate ambient temperature.
  • a heating process for burning the microelectrochemical cap 102 and the IDE contacts is triggered by a heating element acting as a heater 112 structure.
  • the number of firing processes initiated is proportional to the soot load and can be used to control and diagnose an exhaust aftertreatment system.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a reference to FIG. 1
  • the described sensor 100 according to an embodiment of the present invention in plan view.
  • the sensor 100 has the heatable by means of the heating element 112, porous
  • Cap wafer 102 and realized as an interdigitated contact structure
  • a further heating element serves as a sensor membrane heater for heating the electrolyte layer.
  • the filter region 106 has, for example, twelve gas-permeable pores 108, which are arranged in four columns and three rows. According to this
  • the measuring electrode 110 extends at three each other
  • the interdigitated contact structure of the measuring electrode 110 is schematically indicated by three wires running side by side.
  • the heating element 112 forms one except for one
  • Access opening 202 almost completely closed frame around the
  • a first IDE contact 212 for contacting a first IDE contact 212 for contacting a first IDE contact 212
  • FIGS. 3a to 3d show cross-sectional representations of a cover element 102 of a sensor according to an exemplary embodiment of the present invention
  • the cover element 102 is, for example, a reference to FIGS. 1 and 2
  • microelectrochemical sensor is a microelectrochemical sensor.
  • a silicon wafer is first provided.
  • pores 108 are formed to filter the particles, as shown in FIG. 3c.
  • the cap wafer 102 produced in this way can now be connected to a sensor wafer as a bottom element via wafer bonding in order to obtain the sensor described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • a sensor surface of the sensor element, d. H. an active electrode area is, for example, between ten and several hundred microns in size. Therefore, it is important to avoid any deposition of gas-blocking solids on the
  • the heating element 112 and the measuring electrode 110 should be exhaust and
  • the insulating layer 119 is formed by, for example, thermal oxidation or PECVD deposition (plasma-enhanced chemical vapor deposition;
  • ALD atomic layer deposition
  • Cap wafer 102 thinned in the range of a heated and gas-permeable surface.
  • the pores 108 are etched to remove the
  • Cap wafer 102 to make gas permeable and a certain
  • the pores 108 are produced, for example, by reactive ion deep etching (English: deep reactive ion etching, DRI E for short) or wet-chemical KOH etching of previously, for example lithographically, defined pores. Alternatively, the pores 108 may be created by laser drilling.
  • cap wafer 102 After completion of the cap wafer 102, it is connected to the sensor wafer via a suitable bonding process. For long-term and
  • Temperature-stable wafer-wafer connections are suitable, for example, for anodic silicon-silicon bonding.
  • the cap wafer heating electrode 112 can be connected to a metal layer plane on the sensor wafer via silicon via contacts as an alternative to conventional wire bonding.
  • a maximum cap size may vary from the requirements of sensor dynamics and in terms of sensor dynamics
  • Cap wafer heater and sensor heater on the chip side connected. This allows the number of sensor contacts through the heated Cap wafer filter and thus the number of costly cable connections are kept small to the outside.
  • connection of sensor and cap heaters can be carried out in series or in parallel connection.
  • Measuring electrode 110 can also be connected to the MECS sensor plane 104 via silicon through contacts. A distance within the interdigital structure of the measuring electrode 110 should be as low as possible in order to ensure a high sensitivity at low supply voltage.
  • the measuring electrode 110 may be arranged in ring or frame shape around the filter region 106.
  • 4 shows a schematic cross-sectional view of a floor element
  • the bottom element 104 which forms the basic structure of a sensor element described above as the carrier substrate, corresponds in the
  • Floor element 104 rests to cover the bottom recess 120, but is integrated into the bottom member 104 such that the first electrode 124, the chamber 130 completely lined to a bottom surface.
  • the cavern 130 has a direction in the direction of the electrolyte layer 122
  • the chamber 130 is realized as a pumping cell in order to pump oxygen through the electrolyte layer 122 by means of the electrolyte 128 realized as a solid electrolyte membrane.
  • oxygen can enter the Chamber 130 in or out of the chamber 130 are pumped out.
  • a pumping direction is shown by way of example with an arrow.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an internal combustion engine 500 with a previously described sensor 100 in accordance with FIG.
  • the sensor 100 is used to determine a concentration of a gas as well as particles in an exhaust gas of the internal combustion engine 500.
  • the sensor 100 is
  • the senor 100 is designed to be corresponding
  • the controller 502 may be configured to enter using the measurement signals 501
  • the method 600 comprises a step 602 in which a composite is formed from a base element, a cover element, a measuring electrode and a heating element.
  • the bottom element has a sensor element for determining a gas concentration in an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the cover element has in a filter region a plurality of pores, which serve to filter out particles from the exhaust gas.
  • Cover element connected to the bottom element such that the
  • Sensor element is covered by the cover element. In this way, an attachment of the particles to the sensor element is prevented.
  • the sensor element is fluidically coupled to an external environment of the sensor via the pores in the filter region. Further, in step 602, the measuring electrode and the
  • the heating element is designed to heat either the filter region or the measuring electrode or both the filter region and the measuring electrode for regeneration.
  • the cover element, the measuring electrode, the heating element or the bottom element can be provided. Accordingly, in step 602, the composite may be formed from either the bottom element, the
  • Floor element, the cover element and the measuring electrode are formed by applying the heating element or from the bottom element, the cover element and the heating element by applying the measuring electrode.
  • FIG. 7 shows a block diagram of an apparatus 700 for carrying out a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the device 700 for producing a sensor for analyzing an exhaust gas of an internal combustion engine is designed, for example, to carry out a method according to FIG. 6.
  • the device 700 comprises a unit 702, which is designed to produce a unit 702 based on FIG. 6
  • an exemplary embodiment comprises an "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (100) zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine (500). Dazu umfasst der Sensor (100) ein Deckelelement (102), das in einem Filterbereich (106) eine Mehrzahl von Poren (108) zum Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas aufweist, eine auf dem Deckelelement (102) angeordnete Messelektrode (110) zum Bestimmen einer Partikelkonzentration in dem Abgas, ein auf dem Deckelelement (102) angeordnetes Heizelement (112) zum Beheizen des Filterbereichs (106) und/oder der Messelektrode (110) sowie ein Bodenelement (104), das zumindest ein Sensorelement (118) zum Bestimmeneiner Gaskonzentration in dem Abgas aufweist. Das Sensorelement (118) ist durch das Deckelelement (102) abgedeckt, um eine Anlagerung der Partikel an dem Sensorelement (118) zu verhindern. Hierbei ist das Sensorelement (118) über den Filterbereich (106) fluidisch mit einer Außenumgebung des Sensors (100) gekoppelt.

Description

Beschreibung Titel
Sensor zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines solchen Sensors
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, auf eine
Verbrennungskraftmaschine, auf ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
Mittels einer sogenannten Lambdasonde kann ein Restsauerstoffanteil im Abgas von Verbrennungsmotoren gemessen und zur Bestimmung eines
Verbrennungsluftverhältnisses verwendet werden. Durch eine Motorsteuerung kann das Verbrennungsluftverhältnis so eingestellt werden, dass der Anteil von Schadstoffen im Abgas, etwa von Stickoxiden, möglichst gering ist.
Die DE 10 2005 015 103 AI beschreibt beispielsweise eine Lambdasonde mit keramischem Sensorelement.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Sensor zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, eine Verbrennungskraftmaschine, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensors, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der hier vorgeschlagene Ansatz schafft einen Sensor zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Sensor folgende
Merkmale aufweist: ein Deckelelement, das in einem Filterbereich eine Mehrzahl von Poren zum Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas aufweist; eine auf dem Deckelelement angeordnete Messelektrode zum Bestimmen einer Partikelkonzentration in dem Abgas; ein auf dem Deckelelement angeordnetes Heizelement zum Beheizen des Filterbereichs und/oder der Messelektrode; und ein Bodenelement, das zumindest ein Sensorelement zum Bestimmen einer Gaskonzentration in dem Abgas aufweist, wobei das Deckelelement das
Sensorelement abdeckt, um eine Anlagerung der Partikel an dem Sensorelement zu verhindern, und wobei das Sensorelement über den Filterbereich fluidisch mit einer Außenumgebung des Sensors gekoppelt ist.
Unter einem Abgas kann ein bei einem Verbrennungsprozess in der
Verbrennungskraftmaschine anfallendes, nicht mehr nutzbares Gasgemisch verstanden werden. Unter einer Verbrennungskraftmaschine kann eine
Wärmekraftmaschine wie etwa ein Verbrennungsmotor oder eine
Strömungsmaschine verstanden werden. Unter einem Deckelelement und einem Bodenelement kann je eine Lage aus einem hitzbeständigen Material, beispielsweise einem Halbleitermaterial, verstanden werden. Das Deckel- und das Bodenelement können beispielsweise in einem Lagenverbund miteinander kombiniert sein. Unter einer Pore kann eine durchgehende Öffnung in dem Deckelelement verstanden werden. Unter einem Partikel kann ein fester
Bestandteil des Abgases wie etwa Ruß oder Staub verstanden werden. Die Messelektrode kann beispielsweise aus einem Draht geformt sein, an dem sich die Partikel aus dem Abgas anlagern können. Die Partikelkonzentration kann beispielsweise durch die Messung einer Widerstandsänderung an der
Messelektrode bestimmt werden. Unter einem Heizelement kann eine
Heizelektrode, etwa in Form eines Drahts oder Metallstreifens, verstanden werden, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung Wärme erzeugt. Das Heizelement kann zur Regenerierung des Filterbereichs und, zusätzlich oder alternativ, zur Regenerierung der Messelektrode dienen. Das Sensorelement kann beispielsweise als Nernstsonde realisiert sein, um die Gaskonzentration, insbesondere eine Sauerstoffkonzentration, in dem Abgas zu bestimmen.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Sensor zum Bestimmen einer Gaskonzentration in einem Abgas einer
Verbrennungskraftmaschine mit einer Schutzschicht zum Schutz eines
Sensorelements des Sensors vor Verschmutzung realisiert werden kann. Dabei kann die Schutzschicht einen gasdurchlässigen, porösen Bereich zur
Partikelfilterung aufweisen. Durch eine geeignete Anordnung eines Heizelements und einer Messelektrode auf der Schutzschicht kann die Schutzschicht sowohl als Partikelfilter wie auch als Partikelsensor zur Bestimmung einer
Partikelkonzentration in dem Abgas fungieren.
Beispielsweise kann das Sensorelement als Lambdasonde realisiert sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Sensor monolithisch aufgebaut sein, um die Funktionen Lambdasonde, Rußpartikelschutz der Lambdasonde und
Rußpartikelsensor miteinander zu verknüpfen. Dadurch lässt sich der Sensor sehr kompakt ausführen. Zudem können dadurch die Herstellungskosten deutlich reduziert werden.
Zum Schutz vor Ruß und Wasserschlag kann die Lambdasonde durch ein Deckelelement in Form einer porösen, beheizbaren Schutzkappe abgedeckt sein. Dabei kann die Schutzkappe als Filterkappe fungieren, um Rußpartikel aus einem jeweiligen Messgas herauszufiltern. Ein in die Schutzkappe integrierter
Heizer kann dazu dienen, angelagerte Rußpartikel abzubrennen, um die
Filterkappe zu regenerieren.
Beispielsweise kann der Rußpartikelsensor aus interdigitalen Kontaktstrukturen realisiert sein und ausgebildet sein, um in Abhängigkeit von einer Widerstandsänderung eine Rußbelastung zu detektieren. Vorteilhafterweise kann der Rußpartikelsensor in gleicher Weise wie die Filterkappe mittels des Heizers regeneriert werden. Durch eine Lambdamessung kann ein Restsauerstoffanteil im Abgas eines
Verbrennungsmotors gemessen werden und ein entsprechender Messwert mit einer Motorsteuerung rückgekoppelt werden, um Schadstoffe wie Stickoxide im Abgas von Verbrennungsmotoren zu minimieren. Dazu werden in der Regel keramische Lambdasonden verwendet, die beispielsweise in Dickschichttechnik unter Verwendung zirconiumoxidbasierter Keramiken hergestellt werden. Die
Abmessungen eines solchen keramischen Sensorelements liegen üblicherweise im Bereich von 5 mm mal 5 mm, mit einer Dicke von ca. 1 mm bis 2 mm.
Um das Sensorelement und periphere elektrische Verbindungen vor Belastungen wie korrosivem Abgas, Rußanlagerungen, hohen Temperaturen und
mechanischen Belastungen zu schützen, wird die Sensorfläche typischerweise so groß dimensioniert, etwa im Quadratmillimeterbereich, dass einzelne, lokale Rußablagerungen nicht sofort zum Sensorausfall führen. Des Weiteren kann die Sensorfläche mit einer mehrere Mikrometer dicken porösen Deckschicht versehen sein, die eine Sensorvergiftung durch korrosive Abgasbestandteile verhindert.
Demgegenüber ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz die Realisierung eines miniaturisierten Gassensors, etwa eines in mikromechanischen Verfahren und Prozessen herstellbaren mikroelektrochemischen (MECS) Feststoffelektrolyt-
Gassensors. Dadurch kann die Größe des Sensorelements deutlich verringert werden, beispielsweise auf ca. 1 mm mal 2 mm mal 1 mm (Breite mal Höhe mal Tiefe). Eine aktive Festkörperelektrolytschicht kann dabei eine Dicke von nur 100 nm bis 1 μηη aufweisen.
Ein derart verringerter Bauraum bietet einerseits den Vorteil einer schnellen Betriebsbereitschaft von beispielsweise weniger als 3 Sekunden und einer geringen Heizleistung von beispielsweise 100 mW. Andererseits ist es dadurch möglich, mehrere miniaturisierte Sensorelemente mit unterschiedlichen
Funktionen im Sensor zu vereinen, etwa zur zusätzlichen Überwachung einer Stickoxidkonzentration. Da die Aufbau- und Verbindungstechnik in der
Abgassensorik einen großen Anteil der Gesamtherstellungskosten ausmacht, bringt eine solche Integration auch einen signifikanten Kostenvorteil mit sich. Gemäß einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Ansatzes kann der
Filterbereich dem Sensorelement gegenüberliegend angeordnet sein. Dadurch kann die Ankopplung des Sensorelements an ein im Abgas enthaltenes Messgas verbessert werden. Zudem kann der Sensor auf diese Weise besonders kompakt aufgebaut werden.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Messelektrode und, zusätzlich oder alternativ, das Heizelement den Filterbereich zumindest teilweise einrahmt, insbesondere bis auf eine Zugangsöffnung umschließt. Dadurch lässt sich die Messelektrode bzw. das Heizelement möglichst platzsparend auf dem Deckelelement anordnen, d. h., ein Totvolumen über dem Sensorelement kann minimiert werden.
Gleichzeitig kann auf diese Weise der Filterbereich bzw. die Messelektrode effizient erhitzt werden. Um eine gleichmäßige und gleichzeitige Erhitzung der Messelektrode und des Filterbereichs durch das Heizelement zu gewährleisten, kann zumindest ein Hauptanteil der Messelektrode zwischen dem Heizelement und dem Filterbereich verlaufen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Messelektrode als
Interdigitalelektrode ausgeführt sein. Unter einer Interdigitalelektrode kann eine Elektrode mit einer fingerförmig ineinandergreifenden Kontaktstruktur verstanden werden. Dadurch kann die Messelektrode mit einer großen Oberfläche bei dennoch geringem Platzbedarf realisiert werden.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Deckelelement zumindest im
Filterbereich eine Deckelausnehmung aufweist. Dabei kann das Sensorelement der Deckelausnehmung gegenüberliegend angeordnet sein. Unter einer
Deckelausnehmung kann eine Vertiefung in dem Deckelelement verstanden werden. Beispielsweise kann die Deckelausnehmung dadurch gebildet sein, dass das Deckelelement im Filterbereich mit einer verringerten Wandstärke ausgeführt wird. Auf diese Weise kann das Deckelelement mit geringem Fertigungsaufwand kappenartig ausgeformt werden. Durch die Deckelausnehmung kann die Wärmekapazität und damit die Heizdynamik sowie die benötigte Heizleistung zum Erreichen und Halten einer bestimmten Temperatur minimiert werden.
Das Sensorelement kann eine Bodenausnehmung in dem Bodenelement und eine Elektrolytlage aus einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten
Elektrolyt umfassen. Die Elektrolytlage kann die Bodenausnehmung abdecken, um eine Kammer zum Aufnehmen eines Referenzgases oder
Referenzgasgemischs zu bilden. Das Referenzgas oder Referenzgasgemisch kann als Referenz zur Bestimmung der Gaskonzentration in dem Abgas dienen. Dabei kann die erste Elektrode mit dem Referenzgas oder Referenzgasgemisch und die zweite Elektrode über den Filterbereich mit dem Abgas beaufschlagbar sein. Das Referenzgas oder -gasgemisch kann entweder ein in die Kammer eingeleitetes separates Gas oder Gasgemisch wie etwa Umgebungsluft oder auch eine mittels der Elektrolytlage herstellbare Referenz sein, etwa einer Sauerstoffreferenz zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration im Abgas. Auf diese Weise kann das Sensorelement kostengünstig und platzsparend als Nernstsonde oder Spannungssprungsonde realisiert werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Sensor zumindest ein weiteres Heizelement zum Beheizen der Elektrolytlage aufweist. Mittels des weiteren Heizelements kann eine temperaturabhängige lonendiffusion durch die Elektrolytlage gesteuert werden. Je nach Ausführungsform können das weitere Heizelement und das Heizelement miteinander in Reihe oder parallel geschaltet sein. Dadurch können die Herstellungskosten des Sensors gesenkt werden.
Das Deckelelement kann aus einem Halbleitermaterial gefertigt sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch das Bodenelement aus dem Halbleitermaterial gefertigt sein. Bei dem Halbleitermaterial kann es sich etwa um Silizium handeln. Dadurch kann der Sensor besonders kostengünstig und kompakt realisiert werden.
Ferner schafft der hier vorgestellte Ansatz eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Sensor gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen. Schließlich schafft der vorgeschlagene Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Analysieren eines Abgases einer
Verbrennungskraftmaschine, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bilden eines Verbunds aus einem Bodenelement, das zumindest ein
Sensorelement zum Bestimmen einer Gaskonzentration in dem Abgas aufweist, einem Deckelelement, das in einem Filterbereich eine Mehrzahl von Poren zum Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas aufweist, einer Messelektrode zum Bestimmen einer Partikelkonzentration in dem Abgas und einem Heizelement zum Beheizen des Filterbereichs und/oder der Messelektrode, wobei die
Messelektrode und das Heizelement auf dem Deckelelement angeordnet werden, wobei das Deckelelement das Sensorelement abdeckt, um eine
Anlagerung der Partikel an dem Sensorelement zu verhindern, und wobei das Sensorelement über den Filterbereich fluidisch mit einer Außenumgebung des Sensors gekoppelt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte
Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht;
Fig. 3a, 3b, 3c, 3d schematische Querschnittsdarstellungen eines
Deckelelements eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Herstellungsphasen;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Bodenelements eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen eines
Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Deckelelement 102 und ein Bodenelement 104, die gemäß diesem
Ausführungsbeispiel als Lagen realisiert und in einem Lagenverbund miteinander kombiniert sind. Das Deckelelement 102 weist in einem Filterbereich 106 lediglich eine Mehrzahl von Poren 108 auf, die beispielhaft in vier Spalten angeordnet sind und zur Filterung von Partikeln aus dem Abgas dienen. Auf dem Deckelelement 102 sind ferner eine Messeelektrode 110, hier eine
Interdigitalelektrode, sowie ein Heizelement 112 angeordnet. Dabei ist die Messelektrode 110 zwischen dem Heizelement 112 und dem Filterbereich 106 angeordnet. Das Heizelement 112 ist ausgebildet, um die Messelektrode 110 und den Filterbereich 106 zur Reinigung von an der Messelektrode 110 bzw. an den Poren 108 anlagernden Partikeln zu erhitzen. Die Messelektrode 110 ist ausgebildet, um eine Partikelkonzentration in dem Abgas zu bestimmen.
Das Deckelelement 102 weist auf einer von dem Heizelement 112 und der Messelektrode 110 abgewandten Seite eine Deckelausnehmung 116 auf, die sich in Fig. 1 beispielhaft im Bereich des Heizelements 112, der Messelektrode
110 und der Poren 108 erstreckt. Das Deckelelement 102 ist derart mit dem Bodenelement 104 verbunden, dass das Bodenelement 104 die
Deckelausnehmung 122 fluiddicht abdeckt. Über die Poren 108 ist die
Deckelausnehmung 122 fluidisch mit einer Außenumgebung des Sensors 100 gekoppelt.
Das Bodenelement 104 umfasst ein Sensorelement 118, das der
Deckelausnehmung 122 gegenüberliegend angeordnet ist und von dem
Deckelelement 102 umschlossen wird. Das Sensorelement 118 kann über die Poren 108 mit dem Abgas beaufschlagt werden, um die Konzentration eines Gases, etwa von Sauerstoff, in dem Abgas zu bestimmen.
Gemäß Fig. 1 ist das Bodenelement 104 als Sensorwafer und das
Deckelelement 102 als Kappenwafer aus einem Halbleitermaterial,
beispielsweise Silizium, gefertigt, wobei das Bodenelement 104 und das Deckelelement 102 über Waferbonding miteinander verbunden sein können. Dabei dient eine optionale Isolationsschicht 119 auf dem Deckelelement 102 zur elektrischen Isolierung des Heizelements 112 und der Messelektrode 110 vom Deckelelement 102.
Wird der Sensor 100 mit dem Abgas angeströmt, so haften die in dem Abgas enthaltenen Partikel wie Ruß- oder Staubpartikel zum einen an der
Messelektrode 110 an. Die Partikelkonzentration im Abgas kann nun anhand einer Widerstandsänderung der Messelektrode 110, die von der an der
Messelektrode 110 anhaftenden Partikelmenge abhängig ist, bestimmt werden. Zum anderen strömt das Abgas durch die Poren 108 in einen von der
Deckelausnehmung 116 und dem Bodenelement 104 begrenzten Hohlraum des Sensors 100, in dem das Sensorelement 118 angeordnet ist. Dabei bleibt zumindest ein Hauptanteil der im Abgas enthaltenen Partikel an den Poren 108 hängen. Somit wird das Sensorelement 118 mit einem partikelfreien oder zumindest partikelarmen Abgas beaufschlagt.
Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 118 als Nernstsonde ausgeführt. Dazu weist das Bodenelement 104 eine
Bodenausnehmung 120 auf, die von einer Elektrolytlage 122 abgedeckt ist. Bei der Elektrolytlage 122 handelt es sich beispielsweise um einen Lagenverbund aus einer ersten Elektrode 124, einer zweiten Elektrode 126 sowie einem zwischen den Elektroden 124, 126 angeordneten Elektrolyt 128, insbesondere einem Festelektrolyt wie etwa einer Yttrium-dotierten Zirkoniumdioxid-Membran (YSZ). Die Elektroden 124, 126 sind beispielsweise als Platinelektroden realisiert. Beispielhaft ist die Bodenausnehmung 120 in Fig. 1 dem Filterbereich 106 gegenüberliegend angeordnet. Die Bodenausnehmung 120 bildet zusammen mit der Elektrolytlage 122 eine Kammer 130 aus, die beispielsweise mit einem Referenzgas oder
Referenzgasgemisch gefüllt ist, nachfolgend kurz Referenz genannt. Dabei ist die erste Elektrode 124 mit der Referenz und die zweite Elektrode 126 über die Poren 108 mit dem Abgas beaufschlagbar. Aufgrund eines Konzentrations- oder Partialdruckunterschieds zwischen der Kammer 130 und dem in die
Deckelausnehmung 116 eingeleiteten Abgas kommt es ab einer bestimmten Temperatur der Elektrolytlage 122 zu einer lonendiffusion durch die Elektrolage 122. Dabei wandern Ionen von der hohen Konzentration zur niedrigen
Konzentration. Eine zwischen den Elektroden 124, 126 anliegende Spannung kann nun gemessen werden, um die Konzentration des Gases in dem Abgas zu bestimmen.
Alternativ fungiert die Kammer 130 als Pumpzelle, um die Referenz
bereitzustellen, wie nachfolgend anhand von Fig. 4 näher erläutert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient der Sensor 100 zur Messung eines Lambdawerts und einer Rußpartikelbelastung im Abgas von Verbrennungsmotoren. Dazu umfasst der Sensor 100 ein
mikroelektrochemisches Sensorelement 118 mit einem beheizbaren
Kappenwafer als Deckelelement 102, auch Schutzkappe oder Filterkappe genannt, und eine interdigitale Kontaktstruktur als Messelektrode 110, englisch interdigitated electrodes oder kurz ID E genannt.
Eine solche Schutzkappe 102 schützt das mikroelektrochemische Sensorelement 118 einerseits vor Rußablagerungen durch Thermophorese und aktive Filterung größerer Partikel. Im Filterbereich 106 abgelagerte Partikel werden im Betrieb durch aktives Heizen auf oberhalb von 800 °C abgebrannt und verhindern so die Verstopfung des Filterbereichs 106. Der zusätzliche Schutz vor
Partikelablagerung durch Thermophorese wird ebenfalls durch aktives Heizen gewährleistet, solange die Filterkappentemperatur oberhalb der unmittelbaren Umgebungstemperatur liegt.
Andererseits ist es durch die Integration der I DE-Struktur 110 möglich, die Belastung durch Rußpartikel im Abgas zu messen, da eine zunehmende Rußpartikelanlagerung zu einer elektrischen Widerstandsänderung zwischen den IDE-Kontakten führt. Diese Messgröße wird beispielsweise als eigenständiges Sensorsignal ausgegeben. Wird ein bestimmter Schwellenwert für den
Widerstand zwischen den im unbelasteten Fall voneinander isolierten IDE- Kontakten unterschritten, so wird ein Heizprozess zum Freibrennen der mikroelektrochemischen Schutzkappe 102 und der IDE-Kontakte über eine als Heizelement 112 fungierende Heizerstruktur ausgelöst. Die Anzahl der ausgelösten Freibrennprozesse ist proportional zur Rußbelastung und kann zur Steuerung und Diagnose eines Abgasnachbehandlungssystems genutzt werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines anhand von Fig. 1
beschriebenen Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht. Der Sensor 100 weist den mittels des Heizelements 112 beheizbaren, porösen
Kappenwafer 102 und die als interdigitale Kontaktstruktur realisierte
Messelektrode 110 auf. Ein hier nicht gezeigtes weiteres Heizelement dient als Sensor-Membranheizung zum Beheizen der Elektrolytlage. Das weitere
Heizelement und das Heizelement 112, hier ein Platin- Kappenheizer, sind über Heizdurchkontakte 200 miteinander verbunden, hier über Silizium-Durchkontakte, englisch through-silicon vias (TSV). Dadurch kann die Zahl der benötigten elektrischen Anschlüsse zum Sensorelement minimiert werden. Die IDE- Kontakte der Messelektrode 110 sind über entsprechende Messdurchkontakte 201 mit dem Bodenelement 104, auch M ECS-Sensorebene genannt, verbunden. Beispielhaft weist das Bodenelement 104 in Fig. 2 eine deutlich größere
Grundfläche als das Deckelelement 102 auf.
Der Filterbereich 106 weist beispielhaft zwölf gasdurchlässige Poren 108 auf, die in vier Spalten und drei Reihen angeordnet sind. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel verläuft die Messelektrode 110 an drei einander
angrenzenden Seiten des Filterbereichs 106. Die interdigitale Kontaktstruktur der Messelektrode 110 ist schematisch durch drei nebeneinander verlaufende Drähte angedeutet. Dabei bildet das Heizelement 112 einen bis auf eine
Zugangsöffnung 202 fast vollständig geschlossenen Rahmen um die
Messelektrode 110 und den Filterbereich 106. In Fig. 2 ist ferner eine mögliche Kontaktbelegung von Anschlusskontakten des Bodenelements 104 gezeigt. Dabei dient ein Rückkontakt 204 zur Kontaktierung eines Masseanschlusses des Sensorelements, ein erster Heizerkontakt 206 zur Kontaktierung eines gemeinsamen Versorgungsspannungsanschlusses der beiden Heizelemente, ein Vorderseitenkontakt 208 zur Kontaktierung eines Signalausgangs des Sensorelements, ein zweiter Heizerkontakt 210 zur
Kontaktierung eines gemeinsamen Masseanschlusses der beiden Heizelemente, ein erster IDE-Kontakt 212 zur Kontaktierung eines
Versorgungsspannungsanschlusses der Messelektrode 110 und ein zweiter IDE- Kontakt 214 zur Kontaktierung eines Masseanschlusses der Messelektrode 110.
Das Bodenelement 104 ist beispielsweise als Sensorwafer mit zwei Platinebenen als Elektroden, einer YSZ-Membran als Elektrodenlage (YSZ = yttria-stabilized zirconia;„mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkondioxid") und vier Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des Sensors 100 ausgeführt.
Die Figuren 3a bis 3d zeigen Querschnittsdarstellungen eines Deckelelements 102 eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung in verschiedenen Herstellungsphasen. Bei dem Deckelelement 102 handelt es sich beispielsweise um ein anhand der Figuren 1 und 2
beschriebenes Deckelelement. Die Figuren 3a bis 3d zeigen einen möglichen Prozessfluss zur Herstellung eines porösen, beheizbaren Deckelelements 102 in Form einer Schutzkappe mit einer Messelektrode 110 mit interdigitaler
Kontaktstruktur zur Messung einer Rußbelastung für einen
mikroelektrochemischen Sensor.
In einem in Fig. 3a gezeigten ersten Herstellungsschritt des Deckelelements 102 wird zunächst ein Siliziumwafer bereitgestellt.
In einem in Fig. 3b gezeigten weiteren Herstellungsschritt erfolgt das Aufbringen der Isolationsschicht 119, eines Platinheizers als Heizelement 112 und der Messelektrode 110 mit einer interdigitalen Kontaktstruktur, auch IDE-Struktur genannt, auf den Siliziumwafer des Deckelelements 102. In einem nächsten Schritt, der in Fig. 3c dargestellt ist, wird das Deckelelement 102 im Filterbereich 106 kappenförmig ausgedünnt, um die Deckelausnehmung 116 zu erhalten.
Schließlich werden die Poren 108 zur Filterung der Partikel erzeugt, wie aus Fig. 3c ersichtlich.
Der derart hergestellte Kappenwafer 102 kann nun über Waferbonding mit einem Sensorwafer als Bodenelement verbunden werden, um den anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Sensor zu erhalten.
Eine Sensorfläche des Sensorelements, d. h. eine aktive Elektrodenfläche, ist beispielsweise zwischen zehn und mehreren Hundert Mikrometern groß. Daher ist es wichtig, jegliche Ablagerung gasblockierender Feststoffen auf der
Sensorfläche zu verhindern, etwa mithilfe einer porösen Schutzkappe aus Silizium, wie sie in Fig. 3d gezeigt ist.
Das Heizelement 112 und die Messelektrode 110 sollten abgas- und
temperaturresistent sein und können deshalb aus Platin, einer Platin- Rhodium- Legierung oder Gold gefertigt sein. Wie bereits ausgeführt, kann der Sensor mit einer elektrischen Isolationsschicht 119 zur elektrischen Isolation von
Heizelement 112 und Messelektrode 110 vom halbleitenden Siliziumsubstrat, d. h. vom Deckelelement 102, ausgeführt sein. Die Isolationsschicht 119 wird etwa durch thermische Oxidation oder PECVD-Abscheidung (plasma-enhanced chemical vapour deposition;„plasmaunterstützte chemische
Gasphasenabscheidung") von Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid erzeugt. Zur Abscheidung einer Metallschicht eignen sich Verfahren wie beispielsweise Sputtern oder Atomlagenabscheidung (englisch atomic layer deposition, kurz ALD). Zur Strukturdefinition können Schattenmasken oder lithografische
Verfahren verwendet werden.
Alternativ zu den genannten Abscheide- und Strukturierungsmethoden ist es möglich, die Heizerstrukturen des Heizelements 112 über Siebdruck
edelmetallhaltiger Pasten auf dem Kappenwafer 102 zu erzeugen. Um die notwendige Heizleistung zum Erreichen der notwendigen Rußabbrandtemperatur von mindestens 800 °C gering zu halten, den Aufwand zur Erzeugung der gasdurchlässigen Poren 108 zu minimieren und die abschließende Verbindung von Kappenwafer 102 und Sensorelement zu ermöglichen, kann der
Kappenwafer 102 im Bereich einer beheizbaren und gasdurchlässigen Fläche ausgedünnt werden.
Nachfolgend auf das Ausdünnen werden die Poren 108 geätzt, um den
Kappenwafer 102 gasdurchlässig zu machen und eine gewisse
Partikelfilterwirkung zu erreichen. Die Poren 108 werden beispielsweise durch reaktives lonentiefenätzen (englisch deep reactive ion etching, kurz DRI E) oder nasschemisches KOH-Ätzen von vorher, etwa lithografisch, definierten Poren erzeugt. Alternativ können die Poren 108 durch Laserbohren erzeugt werden.
Nach Fertigstellung des Kappenwafers 102 wird dieser über ein geeignetes Bondverfahren mit dem Sensorwafer verbunden. Für langzeit- und
temperaturstabile Wafer-Wafer- Verbindungen eignet sich beispielsweise anodisches Silizium-Silizium-Bonden. Um die Verschaltung der Kappenwafer- Heizelektrode 112 mit dem restlichen Sensorelement zu vereinfachen und den Einsatz von Bonddrähten zu vermeiden, kann die Kappenwafer- Heizelektrode 112 alternativ zum klassischen Drahtbonden über Siliziumdurchkontakte mit einer Metallschichtebene auf dem Sensorwafer verbunden werden.
Falls trotz aktiver Heizung des porösen Kappenwafers 102 eine partielle Porenverstopfung über die Lebensdauer nicht ausgeschlossen werden kann, ist es möglich, die beheizte, poröse Fläche des Kappenwafers 102 so zu vergrößern, dass bis zum Ende der Lebensdauer eine ausreichende
Gasdurchlässigkeit gewährleistet ist. Eine maximale Kappengröße kann von den Anforderungen an eine Sensordynamik und einer bezüglich der
Herstellungskosten und der Aufbau- und Verbindungstechnik maximal vertretbaren Chipfläche des Sensorelements abhängen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Kontakte für
Kappenwaferheizung und Sensorheizung chipseitig miteinander verbunden. Dadurch kann die Zahl der Sensorkontakte durch den beheizten Kappenwaferfilter und damit die Zahl kostenintensiver Kabelverbindungen nach außen klein gehalten werden.
Je nach Ausführungsform kann die Verbindung von Sensor- und Kappenheizer in Serien- oder in Parallelverschaltung ausgeführt sein. Die Kontakte für die
Messelektrode 110 können ebenfalls über Siliziumdurchkontakte mit der MECS- Sensorebene 104 verbunden sein. Ein Abstand innerhalb der interdigitalen Struktur der Messelektrode 110 sollte möglichst gering gewählt werden, um eine hohe Sensitivität bei niedriger Versorgungsspannung zu gewährleisten.
Zur Integration von Rußpartikelschutzfunktion und Rußpartikelmessung ist die Fläche der Schutzkappe 102 in einen porösen Filterbereich 106 und einen unstrukturierten Bereich mit ebener Oberfläche aufgeteilt. Der Filterbereich 106 ist beispielsweise direkt über dem Sensorelement angeordnet. Auf dem unstrukturierten Bereich ist die Messelektrode 110 angeordnet. Um das
Totvolumen über dem Sensorelement, etwa einem MECS-Chip, klein zu halten, kann die Messelektrode 110 ring- oder rahmenförmig um den Filterbereich 106 angeordnet sein. Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Bodenelements
104 eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Das Bodenelement 104, das als Trägersubstrat die Grundstruktur eines vorangehend beschriebenen Sensorelements bildet, entspricht im
Wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten Bodenelement, mit dem Unterschied, dass die erste Elektrode 124 nicht, wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, auf dem
Bodenelement 104 aufliegt, um die Bodenausnehmung 120 abzudecken, sondern derart in das Bodenelement 104 integriert ist, dass die erste Elektrode 124 die Kammer 130 bis auf eine Bodenfläche vollständig auskleidet. Zudem weist die Kaverne 130 einen sich in Richtung der Elektrolytlage 122
verjüngenden Querschnitt auf.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Kammer 130 als Pumpzelle realisiert, um mittels des als Festkörperelektrolytmembran realisierten Elektrolyten 128 Sauerstoff durch die Elektrolytlage 122 zu pumpen. Je nach Richtung der an den beiden Elektroden 124, 126 anliegenden Spannung kann Sauerstoff in die Kammer 130 hinein- oder aus der Kammer 130 herausgepumpt werden. Eine Pumprichtung ist beispielhaft mit einem Pfeil gezeigt.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 500 mit einem vorangehend beschriebenen Sensor 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 dient zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases sowie von Partikeln in einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 500. Dazu ist der Sensor 100
beispielsweise in einem Abgasrohr der Verbrennungskraftmaschine 500 angeordnet. Ferner ist der Sensor 100 ausgebildet, um entsprechende
Messsignale 501 an ein Steuergerät 502 zur Steuerung der
Verbrennungskraftmaschine 500 zu übertragen. Das Steuergerät 502 kann ausgebildet sein, um unter Verwendung der Messsignale 501 ein
Verbrennungsluftverhältnis der Verbrennungskraftmaschine 500, auch
Lambdawert genannt, derart einzustellen, dass ein Schadstoffausstoß durch die
Verbrennungskraftmaschine 500 minimiert wird.
Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 600 umfasst einen Schritt 602, in dem aus einem Bodenelement, einem Deckelelement, einer Messelektrode und einem Heizelement ein Verbund gebildet wird. Dabei weist das Bodenelement ein Sensorelement zum Bestimmen einer Gaskonzentration in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine auf. Das Deckelelement weist in einem Filterbereich eine Mehrzahl von Poren auf, die dazu dienen, Partikel aus dem Abgas herauszufiltern. Im Schritt 602 wird das
Deckelelement mit dem Bodenelement derart verbunden, dass das
Sensorelement von dem Deckelelement abgedeckt wird. Auf diese Weise wird eine Anlagerung der Partikel an dem Sensorelement verhindert. Über die Poren im Filterbereich ist das Sensorelement fluidisch mit einer Außenumgebung des Sensors gekoppelt. Ferner werden im Schritt 602 die Messelektrode und das
Heizelement auf dem Deckelelement angeordnet, wobei die Messelektrode ausgebildet ist, um eine Konzentration der Partikel in dem Abgas zu bestimmen. Je nach Ausführungsform ist das Heizelement ausgebildet, um entweder den Filterbereich oder die Messelektrode oder sowohl den Filterbereich als auch die Messelektrode zur Regenerierung zu beheizen. In einem optionalen Verfahrensschritt, der dem Schritt 602 zeitlich vorangeht, können je nach Ausführungsform das Deckelelement, die Messelektrode, das Heizelement oder das Bodenelement bereitgestellt werden. Entsprechend kann im Schritt 602 der Verbund entweder aus dem Bodenelement, dem
Deckelelement, der Messelektrode und dem Heizelement oder aus dem
Bodenelement durch Aufbringen des Deckelelements, der Messelektrode und des Heizelements oder aus dem Bodenelement und dem Deckelelement durch Aufbringen der Messelektrode und des Heizelements oder aus dem
Bodenelement, dem Deckelelement und der Messelektrode durch Aufbringen des Heizelements oder aus dem Bodenelement, dem Deckelelement und dem Heizelement durch Aufbringen der Messelektrode gebildet werden.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 700 zum Durchführen eines Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 700 zum Herstellen eines Sensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise ausgebildet, um ein Verfahren gemäß Fig. 6 durchzuführen. Dazu umfasst die Vorrichtung 700 eine Einheit 702, die ausgebildet ist, um einen anhand von Fig. 6
beschriebenen Verfahrensschritt 602 des Bildens eines Verbunds durchzuführen.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Sensor (100) zum Analysieren eines Abgases einer
Verbrennungskraftmaschine (500), wobei der Sensor (100) folgende Merkmale aufweist: ein Deckelelement (102), das in einem Filterbereich (106) eine Mehrzahl von Poren (108) zum Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas aufweist; eine auf dem Deckelelement (102) angeordnete Messelektrode (110) zum Bestimmen einer Partikel konzentration in dem Abgas; ein auf dem Deckelelement (102) angeordnetes Heizelement (112) zum Beheizen des Filterbereichs (106) und/oder der Messelektrode (110); und ein Bodenelement (104), das zumindest ein Sensorelement (118) zum Bestimmen einer Gaskonzentration in dem Abgas aufweist, wobei das Deckelelement (102) das Sensorelement (118) abdeckt, um eine Anlagerung der Partikel an dem Sensorelement (118) zu verhindern, und wobei das Sensorelement (118) über den Filterbereich (106) fluidisch mit einer Außenumgebung des Sensors (100) gekoppelt ist.
2. Sensor (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Filterbereich (106) dem Sensorelement (118) gegenüberliegend angeordnet ist.
3. Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (110) und/oder das Heizelement (112) den Filterbereich (106) zumindest teilweise einrahmt, insbesondere bis auf eine Zugangsöffnung (202) umschließt.
Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (110) als Interdigitalelektrode ausgeführt ist.
Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (102) zumindest im
Filterbereich (106) eine Deckelausnehmung (116) aufweist, wobei das Sensorelement (118) der Deckelausnehmung (116) gegenüberliegend angeordnet ist.
Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (118) eine
Bodenausnehmung (120) in dem Bodenelement (104) und eine
Elektrolytlage (122) aus einer ersten Elektrode (124), einer zweiten Elektrode (126) und einem zwischen der ersten Elektrode (124) und der zweiten Elektrode (126) angeordneten Elektrolyt (128) umfasst, wobei die Elektrolytlage (122) die Bodenausnehmung (120) abdeckt, um eine Kammer (130) zum Aufnehmen eines Referenzgases oder
Referenzgasgemischs zu bilden, wobei die erste Elektrode (124) mit dem Referenzgas oder Referenzgasgemisch und die zweite Elektrode (126) über den Filterbereich (106) mit dem Abgas beaufschlagbar ist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein weiteres Heizelement zum Beheizen der Elektrolytlage (122), insbesondere wobei das weitere Heizelement und das Heizelement (112) miteinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (102) und/oder das
Bodenelement (104) aus einem Halbleitermaterial gefertigt ist. Verbrennungskraftmaschine (500) mit einem Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
Verfahren (600) zum Herstellen eines Sensors (100) zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine (500), wobei das Verfahren (600) folgenden Schritt umfasst:
Bilden (602) eines Verbunds aus einem Bodenelement (104), das zumindest ein Sensorelement (118) zum Bestimmen einer
Gaskonzentration in dem Abgas aufweist, einem Deckelelement (102), das in einem Filterbereich (106) eine Mehrzahl von Poren (108) zum Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas aufweist, einer
Messelektrode (110) zum Bestimmen einer Partikelkonzentration in dem Abgas und einem Heizelement (112) zum Beheizen des Filterbereichs (106) und/oder der Messelektrode (110), wobei die Messelektrode (110) und das Heizelement (112) auf dem Deckelelement (102) angeordnet werden, wobei das Deckelelement (102) das Sensorelement (118) abdeckt, um eine Anlagerung der Partikel an dem Sensorelement (118) zu verhindern, und wobei das Sensorelement (118) über den
Filterbereich (106) fluidisch mit einer Außenumgebung des Sensors (100) gekoppelt wird.
Vorrichtung (700), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (600) gemäß Anspruch 10 durchzuführen.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.
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