WO2017042034A1 - Mikromechanisches festkörperelektrolyt-sensorelement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Mikromechanisches festkörperelektrolyt-sensorelement und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO2017042034A1
WO2017042034A1 PCT/EP2016/070055 EP2016070055W WO2017042034A1 WO 2017042034 A1 WO2017042034 A1 WO 2017042034A1 EP 2016070055 W EP2016070055 W EP 2016070055W WO 2017042034 A1 WO2017042034 A1 WO 2017042034A1
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WO
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solid electrolyte
micromechanical
caverns
carrier substrate
sensor element
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PCT/EP2016/070055
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Inventor
Christian Doering
Radoslav Rusanov
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1097—Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Solid state electrolyte known. For example, these are used as so-called lambda sensors in the automotive sector, in particular for detecting an air ratio of an air-fuel mixture.
  • Such sensors may typically comprise at least one solid electrolyte membrane comprising a solid state electrolyte material.
  • Solid electrolyte membrane as electrolyte Solid electrolyte membrane as electrolyte.
  • micromechanical solid electrolyte sensor element for detecting a Component of a gas or a fuel cell assembly and a method for their production, which overcomes the above-mentioned disadvantages and limitations of known devices and methods at least partially proposed.
  • solid-state electrolyte is to be understood as meaning a solid having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties.
  • the solid electrolyte may be configured to conduct oxygen ions.
  • it may be a ceramic solid electrolyte.
  • solid electrolyte sensor element is generally a
  • the solid-state electrolyte sensor element may in particular be designed to provide at least one property of a gas in one
  • the fuel may be e.g. Be hydrogen, but it may also be in the form of other combustible gases.
  • oxidizing agent or oxidant e.g. Oxygen can be used. It can at the
  • Fuel cell arrangement the fuel on one side of a membrane structure and the oxidant on another side of the membrane structure.
  • the membrane may e.g. be formed as a solid electrolyte membrane.
  • the fuel cell assembly may be e.g. as micromechanical
  • Fuel cell assembly may be formed.
  • micromechanical generally refers to a property of a three-dimensional structure having dimensions in the micrometer range, in particular in a range from 1 ⁇ m to 1000 ⁇ m. For example, these may be widths of caverns or lateral dimensions of membranes which are in this range. However, this does not rule out that additional larger or smaller dimensions may occur here.
  • solid-state electrolyte sensor element In the following text of the application, for reasons of better readability, only a “solid-state electrolyte sensor element” may be described in some instances, but the term “fuel cell arrangement” is always meant as an alternative for the term “solid-state electrolyte sensor element” and thus also disclosed.
  • a micromechanical solid electrolyte sensor element or a fuel cell arrangement comprising:
  • first electrodes and second electrodes are first electrodes and second electrodes
  • At least one solid electrolyte membrane which is at least partially disposed between the first electrodes and the second electrodes;
  • micromechanical support structure which has at least one insulation material, wherein the micromechanical support structure is set up to mechanically fasten the solid electrolyte layer
  • Insulation material of the micromechanical support structure is embedded.
  • Electrode is generally in the context of the present invention, an element for the exchange of ions between the element and a
  • the electrode ions can be introduced into the solid electrolyte membrane, for example oxygen ions, which is also referred to as "incorporation" of the ions, and / or ions are discharged from the solid electrolyte membrane and
  • the electrodes may thus be, in particular, electrical contacts for the electrical and / or ionic contacting of a solid electrolyte.
  • it may be a porous, electrically conductive
  • a "porous" electrically conductive electrode material is generally to be understood as meaning materials which have pores, such that a gas passage occurs through the porous, electrically conductive electrode material is possible.
  • a gas passage through the porous, electrically conductive electrode material is possible.
  • Electrode material is carried out, wherein the gas is converted into ions at an interface between the electrode and the solid electrolyte, wherein the ions can be incorporated into a grid of the solid electrolyte.
  • first and second electrodes are as pure
  • the first electrodes and the second electrodes may each have a current collector.
  • the current collector may in particular be made of a porous material.
  • the material may include, for example, platinum. Other materials are also conceivable.
  • the first electrodes and / or the second electrodes can be coated with one or more further layers, for example one or more layers, which are set up for a catalytic conversion.
  • the layers may in particular be made porous.
  • the layers may comprise rhodium. Other materials are conceivable in principle.
  • At least one material selected from the group consisting of: highly doped silicon carbide, highly doped polysilicon can be used for the conductivity material.
  • the conductivity layer may be formed to have a thickness of 100 nm to 1000 nm, preferably 300 nm to 800 nm, and more preferably 500 nm.
  • the conductive layer may preferably be configured to provide a guide for a heating current which may be arranged to heat the solid electrolyte membrane.
  • the conductive layer may also be configured to provide an electrical contact, preferably to a functional element, which may be arranged in particular on the solid electrolyte membrane.
  • the Invention basically a material which is adapted to electrically and / or thermally isolate a region which fills the insulation material.
  • the insulation material may be arranged to be a
  • At least one material selected from the group consisting of: silicon nitride, low-stress silicon nitride may be used for the insulating material.
  • low-stress here denotes that the low-stress silicon nitride by an annealing step after deposition of the
  • Silicon nitride is treated so that residual stresses are completely or at least partially degraded.
  • the micromechanical support structure may in particular have a honeycomb-shaped basic structure.
  • the micromechanical may in particular have a honeycomb-shaped basic structure.
  • the cavities may have at least one cross section selected from the group consisting of: a polygon, in particular a triangle, a quadrangle, a pentagon or a hexagon; a circle; an ellipse.
  • the cross-section may in particular have an average width of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably from 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, particularly preferably from 15 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the micromechanical support structure can transversely,
  • the micromechanical support structure may further transversely, in particular perpendicular, to the extension direction of the micromechanical
  • Solid-state electrolyte sensor element or the fuel cell assembly having at least one profile.
  • the profile may have a first portion having a first width B1 and a second portion having a second width B2.
  • the first section may adjoin the solid electrolyte membrane.
  • the second section, separated from the solid electrolyte membrane, may adjoin the first section.
  • the first width B1 may exceed the second width B2 by at least twice.
  • Width B1 and the second width B2 are respectively determined to the carrier substrate surface.
  • the micromechanical support structure may in particular be designed such that a reference gas space is formed in which one or more reference gases can be located.
  • membrane in the context of the present invention is basically an element with an arbitrary surface area and a defined thickness to understand, the thickness is preferably from 100 nm to 5 ⁇ , more preferably from 300 nm to 1 ⁇ .
  • the membrane may, for example, be permeable to at least one or more substances in one direction.
  • the membrane may be permeable to at least one or more substances in both directions.
  • Other embodiments are conceivable in principle.
  • a method for producing at least one micromechanical solid electrolyte sensor element or a fuel cell arrangement is disclosed.
  • the method according to the invention can comprise the method steps which are described below.
  • the method steps may preferably be carried out in the predetermined order. In this case, one or even several method steps can be performed simultaneously or overlapping in time. Furthermore, one, several or all of the method steps can be carried out simply or repeatedly.
  • the method may additionally comprise further method steps.
  • Solid electrolyte sensor element or a fuel cell assembly comprises the following steps:
  • Caverns whereby at least one insulating layer is formed on the surfaces of the caverns; d) applying at least one solid electrolyte membrane to a carrier substrate surface of the carrier substrate such that the
  • Solid-state electrolyte membrane partly covering the caverns
  • step c) at least one conductive material is applied to the insulating layer such that forms a bonded conductive layer within the caverns, and further insulating material is applied to the conductive layer, that the insulating layer, the conductive layer from both the support substrate and the caverns separates.
  • a “carrier substrate” is generally to be understood as an element which is set up to carry one or more further elements and which accordingly has a mechanical stability.
  • it may be a semiconductor substrate which is micromechanically structured and which, for example, has a cavity.
  • the carrier substrate may be, for example, a disk-shaped or plate-shaped semiconductor substrate.
  • the carrier substrate may be formed in particular as a chip.
  • the carrier substrate may comprise silicon or germanium.
  • Other semiconductor materials such as silicon carbide, in particular temperature-stable silicon carbide, or gallium nitride are conceivable in principle.
  • the carrier substrate for example, a thickness of 50 ⁇ to 1000 ⁇ and have a lateral dimension of 1 mm to 200 mm or even up to 300 mm. Other dimensions are also conceivable.
  • at least one of the carrier substrate for example, a thickness of 50 ⁇ to 1000 ⁇ and have a lateral dimension of 1 mm to 200 mm or even up to 300 mm. Other dimensions are also conceivable.
  • Sacrificial layer are applied to the carrier substrate.
  • the sacrificial layer can be applied to the carrier substrate surface
  • the sacrificial layer may comprise at least one material selected from the group consisting of: silicon dioxide, Silicon nitride, aluminum oxide and aluminum nitride.
  • the sacrificial layer can in particular be set up as a barrier during the formation of the caverns.
  • the sacrificial layer may, for example, have a layer thickness of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, preferably of 1 ⁇ m to 3 ⁇ m, particularly preferably 2 ⁇ m. Other dimensions are also conceivable in principle.
  • the first photoresist layer can, for example, by means of at least one
  • Exposure mask can be treated such that windows in the first
  • Photoresist layer arise.
  • the windows can completely penetrate the first photoresist layer and partially clear the sacrificial layer.
  • the windows may have, for example, a round or oval cross-section. Other embodiments are conceivable in principle.
  • the windows may, for example, have a diameter of from 0.5 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, particularly preferably from 1.5 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • caverns in the context of the present invention refers to free and / or open cavities. Preferably, it can be cavities protruding into the carrier substrate from the carrier substrate surface.
  • the caverns may in principle have any basic shape in cross-section, for example a wine glass shape, i. a first cup-like or cup-like shape, which is followed by an elongated, stalk-like second form.
  • the caverns can be introduced into the carrier substrate in such a way that the caverns preferably have a shape which has a first volume and a second volume.
  • the first volume may be adjacent to the sacrificial layer and / or the carrier substrate surface, and the second volume may be adjacent to the first volume separated from the sacrificial layer and / or the carrier substrate surface.
  • the first volume can be a first
  • the diameter and the second diameter can each be determined parallel to the carrier substrate surface.
  • the first diameter may, for example, a size of 2 ⁇ to 20 ⁇ lie, preferably from 5 ⁇ to 10 ⁇ have. Other dimensions are also conceivable.
  • the terms "first" and “second” volume as well as “first” and “second” diameter are to be considered as pure descriptions without indicating any order or ranking and, for example, without the possibility
  • first volume and / or first diameters exclude that several types of first volume and / or first diameters and a plurality of types of second volume and / or second diameters or each of exactly one type may be provided. Furthermore, additional volumes and / or diameters, for example one or more third volumes and / or diameters, may be present.
  • the introduction of caverns into the carrier substrate can be effected in particular by means of at least one etching process.
  • the etching process may be selected from the group consisting of: an isotropic etch process, an anisotropic etch process. Other methods, such as a removal of the carrier substrate by means of laser techniques, are conceivable in principle.
  • the etching process may include, for example, reactive ion etching.
  • reactive ion etching in the context of the present invention basically refers to an ion-assisted reactive etching process in which reactive ions are used to remove material from the carrier substrate.
  • the etching process can be carried out primarily physically in this method and there may be some preferential direction in the etching attack. Accordingly, the introduction of caverns in step b) can in particular be designed wholly or partly as an anisotropic etching process.
  • step c) may comprise in particular the following substeps:
  • Carrier substrate is separated
  • first and second part are to be regarded as pure descriptions without indicating a sequence or ranking and
  • first parts and second parts for example, without precluding the possibility that several types of first parts and several types of second parts, or each of exactly one type may be provided.
  • additional parts for example, a third part may be present.
  • the partial steps can each be carried out in such a way that the caverns are at least partially filled up and after filling have a free volume.
  • free volume refers to the present invention
  • Invention basically a portion of a volume within the caverns, which is not filled with the insulating material and / or conductive material.
  • One or more of the sub-steps can by means of at least one chemical vapor deposition, in particular a chemical
  • a pressure of 1 Pa to 1000 Pa can be used.
  • the method may further include removing excess
  • Insulating material and / or excess conductive material include. Of the
  • the term "excess" basically refers to insulating material and / or conductive material which rests on the sacrificial layer and / or on the first photoresist layer
  • Conductive material may comprise at least one process selected from the group consisting of: a chemical mechanical polishing process, a wet-chemical etching process, a dry-chemical etching process, an ion etching.
  • the term "chemical-mechanical polishing method” refers to a method which comprises polishing a surface by a polishing cloth having a defined pressure, in particular, the polishing cloth may be made of a polyurethane foam
  • Polishing method preferably a colloidal polish are added.
  • a “dry chemical etching process” basically refers to a process in which the material is removed by accelerated particles, in particular by argon ions, or by plasma-activated gases, physical effects and / or chemical effects, in particular chemical reactions between accelerated particles and the surface of the substrate.
  • the removal of excess insulating material or conductive material can take place.
  • other process steps are generally conceivable.
  • the sacrificial layer can be removed before carrying out substep d.
  • the removal of the sacrificial layer may include at least one process selected from the group consisting of: a chemical mechanical polishing process, a wet chemical etching process, a dry chemical etching process, an ion etching. Removing the
  • Sacrificial layer may be made such that after removal of bulges are defined over the caverns comprising the insulating material and the conductive material.
  • Step d) can be carried out in particular by means of an electron beam evaporator.
  • the term "electron beam evaporator” basically refers to any device for evaporating solids, which is a thermal process under vacuum in which evaporation energy is introduced by means of an electron gun into a material to be vaporized.
  • the isolation of the insulating material may include applying at least a second photoresist layer to the back of the carrier substrate.
  • first and second photoresist layer are as pure
  • first photoresist layers for example, without precluding the possibility that several types of first photoresist layers and several types of second photoresist layers, or just one type in each case can be provided. Furthermore, additional photoresist layers, for example a third photoresist layer may be present.
  • a removal of the carrier substrate can take place such that the insulating material defines a micromechanical support structure.
  • the removal of the carrier substrate can be carried out, for example, by at least one dry-chemical etching process. Other methods are conceivable in principle.
  • At least one current collector can be applied to the micromechanical support structure.
  • the proposed device and method have numerous advantages over known devices and methods. Thus, in particular in modern exhaust gas sensors, a desired heating of the micromechanical solid electrolyte sensor element or the
  • micromechanical support structure of the solid electrolyte membrane can basically be maintained their active surface and at the same time necessary for a desired excess heat transfer into the micromechanical solid electrolyte sensor element due to a higher thermal conductivity of the solid electrolyte membrane may be much lower than when the Edelleiterbahnen is disposed outside of the solid electrolyte membrane.
  • the solid electrolyte membrane has a relatively high thermal resistance.
  • Support structure arranged conductivity layers the e.g. act as heat conductors that generate heat directly at the places where the heat is needed.
  • a heating of even places in the middle of the membrane is thus readily possible. In this way, the heating can be done faster and with less heating power compared to conventional devices. This can save energy that
  • Conductivity structures can be made smaller and the
  • Control dynamics can be improved (shorter response).
  • the caverns can be introduced into the carrier substrate by means of a special sequence of isotropic and anisotropic etching processes, which cavities are then deposited by means of a plurality of chemical vapor depositions, in particular chemical vapor depositions
  • Gas phase deposits under low pressure are filled to the free volume with the insulating material.
  • This process step can be supplemented by an intermediate step in which a gas is changed and an approximately
  • the conductive layer can in particular be used to guide a heating current or else to contact further functional elements on the membrane.
  • Figure 2 shows a preferred embodiment of a
  • Figure 3 shows the embodiment of the micromechanical
  • solid-state electrolyte sensor element In the following text of the application, for reasons of better readability, only a “solid-state electrolyte sensor element” may be described in some instances, but the term “fuel cell arrangement” is always meant as an alternative for the term “solid-state electrolyte sensor element” and thus also disclosed.
  • FIGS. 1 A to 1 R show an embodiment of a method according to the invention for producing at least one micromechanical device
  • FIG. 1 R the micromechanical solid state electrolyte sensor element 1 10 or the fuel cell assembly 1 10.
  • At least one carrier substrate 12 is provided.
  • the carrier substrate 1 12 a Semiconductor substrate, in particular a silicon substrate be.
  • the provision may take the form of at least one wafer.
  • the carrier substrate 1 12 may have at least one carrier substrate surface 14.
  • at least one sacrificial layer 16 can be applied to the carrier substrate.
  • the sacrificial layer 16 may comprise, for example, silicon oxide. Other materials are also conceivable.
  • the sacrificial layer 1 16 can each be applied to a front side 1 18 and a rear side 120 of the carrier substrate 1 12.
  • At least one first photoresist layer 121 can be applied to the sacrificial layer 16, which is applied to the front side 1 18 of the carrier substrate 12.
  • the first photoresist layer 121 may be treated, for example, by means of at least one exposure mask such that windows 122 are formed within the first photoresist layer 121.
  • the windows 122 may be the first
  • Photo resist layer 121 completely penetrate.
  • the windows 122 may have a polygonal basic shape, e.g. in the manner of a triangle, a quadrangle, a pentagon, a hexagon or even an octagon.
  • the window preferably has a diameter of 2 ⁇ to 3 ⁇ , in particular of 2.5 ⁇ have. Other dimensions are also conceivable.
  • parts of the sacrificial layer 16 which are exposed through the windows 122 can be removed in such a way that the windows 122 are delimited by the carrier substrate surface 14.
  • the removal can be carried out in particular by a reactive ion etching. It is also conceivable to use further methods.
  • Caverns 124 are introduced into the carrier substrate 12 in a further method step. This is shown in FIGS. 1E to 1F.
  • the caverns 124 can be etched into the carrier substrate 12 from the front side 18. This etching can be done through the windows 122.
  • the caverns 124 can be introduced into the carrier substrate 12 in such a way that the caverns 124 have a shape that has a first volume 126 and a second volume 128.
  • the first volume 126 may adjoin the front side 1 18 of the carrier substrate 1 12 and the second volume 128 may be adjacent to the first volume 126, separated from the front side 18.
  • the first volume 126 may have a first diameter d1.
  • Diameter d1 may exceed at least twice a second diameter d2 that the second volume 128 has.
  • the first diameter d1 and the second diameter d2 can each be determined in particular parallel to the carrier substrate surface 14.
  • the first volume 126 can first be introduced into the carrier substrate 12.
  • the first volume 126 may be generated by at least one isotropic etching process.
  • the first diameter d1 of the first volume 126 may, for example, have a size of 2 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably from 5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the first volume 126 may have a depth of 1 ⁇ to 10 ⁇ , preferably from 3 ⁇ to 4 ⁇ . Other dimensions are also conceivable.
  • the second volume 128 can be introduced into the carrier substrate 12, for example by at least one anisotropic etching process.
  • the second volume may preferably have a depth of 10 ⁇ to 80 ⁇ , preferably from 30 ⁇ to 40 ⁇ .
  • At least one insulating material 130 is applied to surfaces 132 of caverns 124.
  • at least one insulating layer 134 is formed on the surfaces 132 of the caverns 124.
  • at least one conductive material 136 is applied to the insulating layer 134 such that a bonded conductive layer 138 is formed.
  • further insulating material 130 is thus applied to the conductive layer
  • This method step may comprise a plurality of sub-steps, which are illustrated in FIGS. 1 G to 1 K.
  • a first part 140 of the insulating material 130 may first be applied to the surfaces 132 of the caverns 124 be applied.
  • the insulating material 130 may be at least one
  • Silicon nitride, low-stress silicon nitride It can continue a first
  • the insulating material 130 can be effected in particular by chemical vapor deposition. Other methods are conceivable in principle.
  • excess insulating material 130 e.g. outside the caverns 124.
  • the removal of excess insulating material 130 may include at least one process selected from the group consisting of: a chemical mechanical polishing process, a wet chemical etching process, a dry chemical etching process, an ion etching.
  • a chemical mechanical polishing process e.g. a wet chemical etching process
  • a dry chemical etching process e.g. etching
  • an ion etching e.g. within this substep the first photoresist layer 121 can be removed from the carrier substrate 12 at the same time.
  • Conductive material 136 are applied to the first continuous insulating layer 142.
  • the conductive material 136 at least one material selected from the group consisting of:
  • the conductive layer 138 can be formed, which is separated from the carrier substrate 12.
  • the conductivity layer 138 may be formed to have a thickness of 100 nm to 1000 nm, preferably 300 nm to 800 nm, more preferably 500 nm.
  • excess conductive material 136 such, e.g. outside the caverns 124, take place so that the sacrificial layer 1 16 is released.
  • a second part 144 of the insulating material 130 can be applied to the conductive layer 138.
  • a second continuous insulation layer 146 can be formed, which separates the conductivity layer 138 from the cavity 124.
  • the sub-steps according to FIGS. 1 G, 1 1 and 1 K can each be carried out in such a way that the caverns 124 are at least partially filled up and after filling have a free volume 148. These free volumes 148 are shown in FIGS. 1 K to 1 R as empty white areas in the first volume 126, see also FIGS. 2 and 3.
  • one or more of the substeps may be formed by at least one chemical reaction
  • Vapor deposition in particular by a chemical vapor deposition
  • the sacrificial layer 16 can be removed such that the carrier substrate surface 114 is exposed.
  • the removal of the sacrificial layer 1 16 can be carried out in particular by a wet-chemical etching process. Other methods are conceivable in principle. Removal may be made such that after removal over the cavities 124, protrusions 150 are defined that include the insulating material 130 and the conductive material 136.
  • At least one solid electrolyte membrane 152 is applied to the carrier substrate surface 14 in such a way that the solid electrolyte membrane 152 partially covers the caverns 124.
  • the solid electrolyte membrane 152 may preferably comprise a ceramic material, particularly alumina and / or zirconia, preferably scandium stabilized zirconia, most preferably yttria stabilized zirconia. Also other materials are conceivable.
  • the application of the solid electrolyte membrane 152 may
  • Insulation material 130 can, as shown in FIG. 10, comprise an application of at least one second photoresist layer 154, for example on the back side 120 of the carrier substrate 1 12.
  • the application of the second Photoresist layer 154 by at least one structured deposition done, in particular by a shadow mask process.
  • the carrier substrate 12 can be at least partially removed such that the
  • Insulation material 130 defines a micromechanical support structure 156.
  • the removal may e.g. from the back 120 through windows formed in the second photoresist layer 154. Subsequently, as shown in FIG. 1 Q, the second photoresist layer 154 and the sacrificial layer material 16 can be removed.
  • first electrodes 158 and second electrodes 160 are applied in such a way that the
  • Solid electrolyte membrane 152 at least partially between the first
  • Electrodes 158 and the second electrodes 160 is arranged.
  • the first electrodes 158 and the second electrodes 160 may each be made of a material selected from the group consisting of: platinum, palladium. Also other materials are conceivable.
  • at least one current collector 162 can be applied, which ensures a continuous electrical connection of the first electrodes 158 to each other and each of the second electrodes 160 with each other.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the micromechanical support structure 156 with the solid electrolyte membrane 152.
  • the micromechanical support structure 156 comprises the at least one insulation material 130.
  • the at least one continuous conductive layer 138 is embedded in the insulation material 130.
  • the conductivity layer 138 is particularly adapted to the
  • the conductive layer 138 may comprise at least one material selected from the group consisting of highly doped silicon carbide, highly doped polysilicon.
  • the conductivity layer 138 may have a thickness of 100 nm to 1000 nm,
  • the micromechanical support structure 156 may in particular have a honeycomb-shaped basic structure 166.
  • the micromechanical support structure may have a plurality of cavities 168.
  • the cavities 168 can be
  • micromechanical support structure 156 can furthermore be transverse, in particular perpendicular, to an extension direction 170 of FIG.
  • micromechanical support structure 156 have at least one profile.
  • the profile may include a first portion 172 having a first width B1 and a second portion 174 having a second width B2.
  • the first portion 172 may be adjacent to the solid electrolyte membrane 152.
  • the second portion 174, separated from the solid electrolyte membrane 152, may adjoin the first portion 172.
  • the first width B1 may exceed the second width B2 by at least twice. In this case, the first width B1 and the second width B2 can each be determined parallel to the solid electrolyte membrane 152.
  • FIG. 3 shows an embodiment for a micromechanical
  • the micromechanical solid-state electrolyte sensor element 10 here comprises the micromechanical support structure 156.
  • FIGS. 1-10 For further details of the micromechanical support structure 156, reference is made to FIGS.
  • micromechanical solid electrolyte sensor element 1 10 or the
  • Fuel cell assembly 1 10 further includes first electrodes 158 and second electrodes 160 and the solid electrolyte membrane 152, which is at least partially disposed between the first electrodes 158 and second electrodes 160. Furthermore, the first electrodes 158 and the second electrodes 160 may each have the current collector 162.

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Abstract

Es wird ein mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement (110) zum Nachweis einer Komponente eines Gases oder eine Brennstoffzellenanordnung (110) sowie ein Verfahren zu deren Herstellung vorgeschlagen. Das mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorelement (110) oder die Brennstoffzellenanordnung (110) umfasst − erste Elektroden (158) und zweite Elektroden (160); − mindestens eine Festkörperelektrolytmembran (152), welche zumindest teilweise zwischen den ersten Elektroden (158) und den zweiten Elektroden (160) angeordnet ist; − mindestens eine mikromechanische Stützstruktur (156), welche mindestens ein Isolationsmaterial (130) aufweist, wobei die mikromechanische Stützstruktur (156) eingerichtet ist, um die Festkörperelektrolytmembran (152) mechanisch zu stabilisieren; wobei mindestens eine durchgängige Leitfähigkeitsschicht (138) in das Isolationsmaterial (130) der mikromechanischen Stützstruktur (156) eingebettet ist, wobei die Leitfähigkeitsschicht (138) insbesondere eingerichtet ist, um die Festkörperelektrolytmembran (152) zu heizen.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Sauerstoffsensoren auf Basis eines
Festkörperelektrolyten bekannt. Beispielsweise werden diese als so genannte Lambdasonden im Automobilbereich eingesetzt, insbesondere zur Erfassung einer Luftzahl eines Luft-Kraftstoff-Gemischs. Derartige Sensoren können typischerweise mindestens eine Festkörperelektrolytmembran umfassen, welche ein Festkörperelektrolytmaterial aufweist.
Aus EP 1 682 253 B1 ist eine Mikrobrennstoffzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt, bei denen eine derartige Festkörperelektrolytmembran eingesetzt wird, welche durch eine wabenartige Stützstruktur mechanisch stabilisiert ist. Hierbei fungiert die durch Hochtemperatur belastete
Festkörperelektrolytmembran als Elektrolyt.
Insbesondere aus dem Bereich der Abgassensorik sind weitere Anwendungen denkbar, bei denen neben einer Stabilisierung der Festkörperelektrolytmembran ein Heizen der Festkörperelektrolytmembran gewünscht sein kann.
Herkömmliche Festkörperelektrolytsensorelemente weisen typischerweise Leiterbahnen außerhalb der Festkörperelektrolytmembran auf. Dies kann insbesondere zu einer hohen Heizleistung und einer geringen Regeldynamik führen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden dementsprechend ein mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement zum Nachweis einer Komponente eines Gases oder eine Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, welche die oben genannten Nachteile und Einschränkungen bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest teilweise überwindet, vorgeschlagen.
Unter einem "Festkörperelektrolyten" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt eingerichtet sein, um Sauerstoffionen zu leiten. Beispielsweise kann es sich um einen keramischen Festkörperelektrolyten handeln.
Unter einem "Festkörperelektrolyt-Sensorelement" ist allgemein ein
Sensorelement zu verstehen, welches mindestens einen Festkörperelektrolyten verwendet. Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens eine Eigenschaft eines Gases in einem
Messraum zu erfassen, insbesondere einen Sauerstoffanteil und/oder eine Luftzahl. Auch andere Festkörperelektrolyt-Sensorelemente sind jedoch grundsätzlich denkbar. Unter einer„Brennstoffzellenanordnung" ist dabei allgemein eine galvanische
Zelle zu verstehen, die die chemische Reaktionsenergie eines vorzugsweise kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Dabei kann der Brennstoff z.B. Wasserstoff sein, er kann jedoch auch in Form anderer, brennbarer Gase vorliegen. Als Oxidationsmittel oder Oxidant kann z.B. Sauerstoff verwendet werden. Dabei kann bei der
Brennstoffzellenanordnung der Brennstoff auf einer Seite einer Membranstruktur und der Oxidanten auf einer anderen Seite der Membranstruktur vorliegen. Die Membran kann z.B. als Festkörperelektrolytmembran ausgebildet sein. Die Brennstoffzellenanordnung kann z.B. als mikromechanische
Brennstoffzellenanordnung ausgebildet sein.
Unter dem Begriff "mikromechanisch" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Eigenschaft einer dreidimensionalen Struktur zu verstehen, Dimensionen im Mikrometerbereich, insbesondere in einem Bereich von 1 μηι bis 1000 μηι, aufzuweisen. Beispielsweise können dies Breiten von Kavernen oder laterale Ausdehnungen von Membranen sein, welche in diesem Bereich liegen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass hierbei auch zusätzliche größere oder kleinere Dimensionen auftreten können.
Im folgenden Text der Anmeldung kann aus Gründen der besseren Lesbarkeit an einigen Stellen lediglich ein„Festkörperelektrolyt-Sensorelement" beschrieben sein. Dabei ist jedoch stets als Alternative für den Begriff„Festkörperelektrolyt- Sensorelement" der Begriff „Brennstoffzellenanordnung" synonym gemeint und somit auch offenbart.
Es wird ein mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement oder eine Brennstoffzellenanordnung offenbart, umfassend:
- erste Elektroden und zweite Elektroden;
- mindestens eine Festkörperelektrolytmembran, welche zumindest teilweise zwischen den ersten Elektroden und den zweiten Elektroden angeordnet ist;
- mindestens eine mikromechanische Stützstruktur, welche mindestens ein Isolationsmaterial aufweist, wobei die mikromechanische Stützstruktur eingerichtet ist, um die Festkörperelektrolytschicht mechanisch zu
stabilisieren;
wobei mindestens eine durchgängige Leitfähigkeitsschicht in das
Isolationsmaterial der mikromechanischen Stützstruktur eingebettet ist.
Unter einer "Elektrode" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zum Austausch von Ionen zwischen dem Element und einem
Festkörperelektrolyten zu verstehen. Insbesondere können mittels der Elektrode Ionen in die Festkörperelektrolytmembran eingebracht werden, beispielsweise Sauerstoffionen, was auch als "Einbau" der Ionen bezeichnet wird, und/oder Ionen aus der Festkörperelektrolytmembran ausgetragen werden und
beispielsweise in ein Gas umgewandelt werden, beispielsweise Sauerstoffgas, wobei dieser Vorgang auch als "Ausbau" der Ionen bezeichnet werden kann. Bei den Elektroden kann es sich somit insbesondere um elektrische Kontakte zur elektrischen und/oder ionischen Kontaktierung eines Festkörperelektrolyten handeln.
Insbesondere kann es sich um ein poröses, elektrisch leitfähiges
Elektrodenmaterial handeln. Unter einem "porösen" elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterial sind allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung Materialien zu verstehen, welche Poren aufweisen, derart, dass ein Gasdurchtritt durch das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial möglich ist. So kann beispielsweise ein Gasdurchtritt durch das poröse, elektrisch leitfähige
Elektrodenmaterial erfolgen, wobei das Gas an einer Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Festkörperelektrolyten in Ionen umgewandelt wird, wobei die Ionen in ein Gitter des Festkörperelektrolyten eingebaut werden können.
Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Elektroden sind als reine
Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Elektroden und mehrere Arten von zweiten Elektroden oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Elektroden, beispielsweise ein oder mehrere dritte Elektroden vorhanden sein.
Die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden können jeweils über einen Stromkollektor verfügen. Der Stromkollektor kann insbesondere aus einem porösen Material hergestellt sein. Das Material kann beispielsweise Platin umfassen. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar.
Die ersten Elektroden und/oder die zweiten Elektroden können mit ein oder mehreren weiteren Schichten beschichtet sein, beispielsweise einer oder mehreren Schichten, welche für eine katalytische Umsetzung eingerichtet sind. Die Schichten können insbesondere porös ausgestaltet sein. Beispielsweise können die Schichten Rhodium umfassen. Auch weitere Materialien sind grundsätzlich denkbar.
Für das Leitfähigkeitsmaterial kann mindestens ein Material eingesetzt werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: hochdotiertem Siliziumcarbid, hochdotiertem Polysilizium. Die Leitfähigkeitsschicht kann derart ausgebildet werden, dass sie eine Dicke von 100 nm bis 1000 nm aufweist, vorzugsweise von 300 nm bis 800 nm und besonders bevorzugt von 500 nm.
Die Leitfähigkeitsschicht kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, um eine Führung für einen Heizstrom bereitzustellen, welcher dazu vorgesehen sein kann, die Festkörperelektrolytmembran zu heizen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leitfähigkeitsschicht auch dazu eingerichtet sein, einen elektrischen Kontakt vorzugsweise zu einem funktionalen Element, welches insbesondere auf der Festkörperelektrolytmembran angeordnet sein kann, bereitzustellen. _.
Der Begriff "Isolationsmaterial" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden
Erfindung grundsätzlich ein Material, welches eingerichtet ist, um einen Bereich, welchen das Isolationsmaterial ausfüllt, elektrisch und/oder thermisch zu isolieren. Insbesondere kann das Isolationsmaterial eingerichtet sein, um einen
Übertrag von Wärme und/oder elektrischen Strömen zumindest weitgehend zu vermeiden. Für das Isolationsmaterial kann mindestens ein Material eingesetzt werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumnitrid, stressarmem Siliziumnitrid. Der Begriff "stressarm" bezeichnet hierbei, dass das stressarme Siliziumnitrid durch einen Annealing-Schritt nach einem Abscheiden des
Siliziumnitrids so behandelt ist, dass Eigenspannungen ganz oder zumindest teilweise abgebaut sind.
Die mikromechanische Stützstruktur kann insbesondere eine wabenförmige Grundstruktur aufweisen. Insbesondere kann die mikromechanische
Stützstruktur eine Vielzahl von Hohlräumen aufweisen. Die Hohlräume können mindestens einen Querschnitt aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Polygon, insbesondere einem Dreieck, einem Viereck, einem Fünfeck oder einem Sechseck; einem Kreis; einer Ellipse. Der Querschnitt kann insbesondere eine durchschnittliche Breite von 5 μηι bis 100 μηι aufweisen, vorzugsweise von 10 μηι bis 50 μηι, besonders bevorzugt von 15 μηι bis 25 μηι. Weiterhin kann die mikromechanische Stützstruktur eine Höhe quer,
insbesondere senkrecht, zu einer Erstreckungsrichtung des mikromechanischen Festkörperelektrolyt-Sensorelements oder der Brennstoffzellenanordnung, insbesondere von 10 μηι bis 200 μηι, vorzugsweise von 20 μηι bis 100 μηι, besonders bevorzugt von 30 μηι bis 50 μηι, aufweisen. Auch andere
Dimensionen sind grundsätzlich denkbar.
Die mikromechanische Stützstruktur kann weiterhin quer, insbesondere senkrecht, zu der Erstreckungsrichtung des mikromechanischen
Festkörperelektrolyt-Sensorelements oder der Brennstoffzellenanordnung mindestens ein Profil aufweisen. Das Profil kann einen ersten Abschnitt mit einer ersten Breite B1 und einem zweiten Abschnitt mit einer zweiten Breite B2 aufweisen. Der erste Abschnitt kann an die Festkörperelektrolytmembran angrenzen. Der zweite Abschnitt kann, von der Festkörperelektrolytmembran getrennt, an den ersten Abschnitt angrenzen. Die erste Breite B1 kann die zweite Breite B2 um mindestens das Doppelte übersteigen. Hierbei können die erste „
Breite B1 und die zweite Breite B2 jeweils zu der Trägersubstratoberfläche bestimmt werden.
Die mikromechanische Stützstruktur kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass dadurch ein Referenzgasraum ausgebildet wird, in welchem sich ein oder mehrere Referenzgase befinden können.
Unter einer "Membran" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Element mit einer beliebigen Grundfläche und einer definierten Dicke zu verstehen, wobei die Dicke vorzugsweise von 100 nm bis 5 μηι liegt, besonders bevorzugt von 300 nm bis 1 μηι. Die Membran kann beispielsweise für mindestens einen oder mehrere Stoffe in eine Richtung durchlässig sein.
Beispielsweise kann die Membran für mindestens einen oder mehrere Stoffe in beide Richtungen durchlässig sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines mikromechanischen Festkörperelektrolyt-Sensorelements oder einer Brennstoffzellenanordnung offenbart.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Hierbei können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Das Verfahren zur Herstellung mindestens eines mikromechanischen
Festkörperelektrolyt-Sensorelements oder einer Brennstoffzellenanordnung umfasst die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen mindestens eines Trägersubstrats;
b) Einbringen von Kavernen in das Trägersubstrat;
c) Aufbringen mindestens eines Isolationsmaterials auf Oberflächen der
Kavernen, wodurch mindestens eine Isolationsschicht auf den Oberflächen der Kavernen gebildet wird; d) Aufbringen mindestens einer Festkörperelektrolytmembran derart auf eine Trägersubstratoberfläche des Trägersubstrats, dass die
Festkörperelektrolytmembran die Kavernen teilweise bedeckt;
e) Freistellen des Isolationsmaterials und/oder der Isolationsschicht;
f) Aufbringen von ersten Elektroden und von zweiten Elektroden derart, dass die Festkörperelektrolytmembran zumindest teilweise zwischen den ersten Elektroden und den zweiten Elektroden angeordnet ist;
wobei während in Schritt c) mindestens ein Leitfähigkeitsmaterial derart auf die Isolationsschicht aufgebracht wird, dass sich innerhalb der Kavernen eine verbundene Leitfähigkeitsschicht ausbildet, und weiteres Isolationsmaterial so auf die Leitfähigkeitsschicht aufgebracht wird, dass die Isolationsschicht die Leitfähigkeitsschicht sowohl von dem Trägersubstrat als auch von den Kavernen trennt.
Unter einem "Trägersubstrat" ist allgemein ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um ein oder mehrere weitere Elemente zu tragen und welches dementsprechend eine mechanische Stabilität aufweist. Insbesondere kann es sich, wie unten ausgeführt, um ein Halbleitersubstrat handeln, welches mikromechanisch strukturiert ist und welches beispielsweise eine Kaverne aufweist. Das Trägersubstrat kann beispielsweise ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Halbleitersubstrat sein. Das Trägersubstrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Insbesondere kann das Trägersubstrat Silizium oder Germanium umfassen. Auch andere Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid, insbesondere temperaturstabiles Siliziumcarbid, oder Galliumnitrid sind grundsätzlich denkbar. Das Trägersubstrat kann beispielsweise eine Dicke von 50 μηι bis 1000 μηι und eine laterale Abmessung von 1 mm bis 200 mm oder sogar bis zu 300 mm aufweisen. Auch andere Dimensionen sind grundsätzlich denkbar. Insbesondere vor einer Durchführung des Schritts b) kann mindestens eine
Opferschicht auf das Trägersubstrat aufgebracht werden. Insbesondere kann die Opferschicht auf die Trägersubstratoberfläche aufgebracht werden,
beispielsweise auf eine Vorderseite und/oder auf eine Rückseite des
Trägersubstrats. Beispielsweise können zwei oder mehrere Opferschichten direkt oder unter Zwischenschaltung einer oder mehrerer Zwischenschichten aufeinander aufgebracht sein. Die Opferschicht kann mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid. Die Opferschicht kann insbesondere als Barriere während des Ausbildens der Kavernen eingerichtet sein. Die Opferschicht kann beispielsweise eine Schichtdicke von 0,5 μηι bis 5 μηι, vorzugsweise von 1 μηι bis 3 μηι, besonders bevorzugt von 2 μηι aufweisen. Auch andere Dimensionen sind grundsätzlichen denkbar.
Auf die Opferschicht, welche auf der Vorderseite des Trägersubstrats
aufgebracht ist, kann mindestens eine erste Fotolackschicht aufgebracht werden. Die erste Fotolackschicht kann beispielsweise mittels mindestens einer
Belichtungsmaske derart behandelt werden, dass Fenster in der ersten
Fotolackschicht entstehen. Die Fenster können die erste Fotolackschicht vollständig durchdringen und die Opferschicht teilweise freistellen. Die Fenster können beispielsweise einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Die Fenster können beispielsweise einen Durchmesser von 0,5 μηι bis 100 μηι, vorzugsweise von 1 μηι bis 50 μηι, besonders bevorzugt von 1 ,5 μηι bis 20 μηι, aufweisen.
Der Begriff "Kavernen" bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf frei und/oder offen gestaltete Hohlräume. Vorzugsweise kann es sich um in das Trägersubstrat von der Trägersubstratoberfläche aus hineinragende Hohlräume handeln. Die Kavernen können im Querschnitt grundsätzlich eine beliebige Grundform aufweisen, beispielsweise eine Weinglasform, d.h. eine erste becherartige oder kelchartige Form, an welche sich eine längliche, stielartige zweite Form anschließt.
Die Kavernen können derart in das Trägersubstrat eingebracht werden, dass die Kavernen bevorzugt eine Form aufweisen, welche über ein erstes Volumen und über ein zweites Volumen verfügen. Das erste Volumen kann an die Opferschicht und/oder an die Trägersubstratoberfläche angrenzen und das zweite Volumen kann, von der Opferschicht und/oder der Trägersubstratoberfläche getrennt, an das erste Volumen angrenzen. Das erste Volumen kann einen ersten
Durchmesser aufweisen, welcher einen zweiten Durchmesser, den das zweite Volumen aufweist, um mindestens das Doppelte übersteigt. Der erste
Durchmesser und der zweite Durchmesser können jeweils parallel zu der Trägersubstratoberfläche bestimmt werden. Der erste Durchmesser kann beispielsweise eine Größe von 2 μηι bis 20 μηι liegen, vorzugsweise von 5 μηι bis 10 μηι, aufweisen. Auch andere Dimensionen sind grundsätzlich denkbar. Die Bezeichnungen "erstes" und "zweites" Volumen sowie "erster" und "zweiter" Durchmesser sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit
auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Volumen und/oder ersten Durchmessern und mehrere Arten von zweiten Volumen und/oder zweiten Durchmessern oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Volumen und/oder Durchmesser, beispielsweise ein oder mehrere dritte Volumen und/oder Durchmesser vorhanden sein.
Das Einbringen von Kavernen in das Trägersubstrat kann insbesondere mittels mindestens eines Ätzprozesses erfolgen. Der Ätzprozess kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: einem isotropen Ätzprozess, einem anisotropen Ätzprozess. Auch andere Verfahren, wie beispielsweise ein Abtrag des Trägersubstrats mittels Lasertechniken, sind grundsätzlich denkbar. Der Ätzprozess kann beispielsweise ein reaktives lonenätzen umfassen. Der Begriff "reaktives lonenätzen" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen ionenunterstützten Reaktivätzprozess, bei welchem reaktive Ionen verwendet werden, um Material des Trägersubstrats abzutragen. Der Ätzvorgang kann bei diesem Verfahren primär physikalisch erfolgen und es kann eine gewisse Vorzugsrichtung im Ätzangriff entstehen. Dementsprechend kann das Einbringen von Kavernen in Schritt b) insbesondere ganz oder teilweise als anisotroper Ätzprozess ausgestaltet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann Schritt c) insbesondere folgende Teilschritte umfassen:
c1 ) Aufbringen eines ersten Teils des Isolationsmaterials auf die Oberflächen der Kavernen, wobei die erste durchgängige Isolationsschicht auf den Oberflächen der Kavernen gebildet wird;
c2) Aufbringen des Leitfähigkeitsmaterials auf die erste Isolationsschicht, wodurch sich die Leitfähigkeitsschicht ausbildet, welche von dem
Trägersubstrat getrennt ist;
c3) Aufbringen eines zweiten Teils des Isolationsmaterials auf die
Leitfähigkeitsschicht, wobei die zweite Isolationsschicht gebildet wird, welche die Leitfähigkeitsschicht von den Kavernen trennt. Die Bezeichnungen "erster" und "zweiter" Teil sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und
beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Teilen und mehrere Arten von zweiten Teilen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Teile, beispielsweise ein dritter Teil vorhanden sein.
Die Teilschritte können jeweils derart durchgeführt werden, dass die Kavernen zumindest teilweise aufgefüllt werden und nach dem Auffüllen ein freies Volumen aufweisen. Der Begriff "freies Volumen" bezeichnet im Sinne der vorliegenden
Erfindung grundsätzlich einen Teils eines Volumens innerhalb der Kavernen, welches nicht mit dem Isolationsmaterial und/oder Leitfähigkeitsmaterial gefüllt ist. Ein oder mehrere der Teilschritte können mittels mindestens einer chemischen Gasphasenabscheidung, insbesondere einer chemischen
Gasphasenabscheidung unter Niederdruck, erfolgen.
Der Begriff "chemische Gasphasenabscheidung" bezeichnet grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, bei dem auf einer
Oberfläche, insbesondere auf den Oberflächen der Kavernen und/oder auf der Trägersubstratoberfläche, Materialien aufgrund einer chemischen Reaktion aus einer Gasphase, vorzugsweise bei einer bestimmten Reaktionstemperatur, abgeschieden werden. Insbesondere kann die chemische Reaktion auf der Oberfläche stattfinden. Eine chemische Gasphasenabscheidung unter
Niederdruck kann insbesondere vorteilhaft sein, um gewünschte chemische Reaktionen an der Oberfläche zu fördern und unerwünschte chemische
Reaktionen an der Oberfläche zumindest weitgehend zu unterdrücken.
Insbesondere kann ein Druck von 1 Pa bis 1000 Pa eingesetzt werden.
Das Verfahren kann weiterhin ein Entfernen von überschüssigem
Isolationsmaterial und/oder überschüssigen Leitfähigkeitsmaterial umfassen. Der
Begriff„überschüssig" bezeichnet in diesem Zusammenhang grundsätzlich Isolationsmaterial und/oder Leitfähigkeitsmaterial, welches auf der Opferschicht und/oder auf der ersten Fotolackschicht aufliegt. Das Entfernen von
überschüssigem Isolationsmaterial und/oder von überschüssigen
Leitfähigkeitsmaterial kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemisch-mechanischen Polierverfahren, einem nasschemischen Atzprozess, einem trockenchemischen Atzprozess, einem lonenätzen.
Der Begriff „chemisch-mechanisches Polierverfahren" bezeichnet insbesondere ein Verfahren, welches ein Polieren einer Oberfläche durch ein Poliertuch mit einem definierten Druck umfasst. Insbesondere kann das Poliertuch aus einem Polyurethanschaum hergestellt sein. Weiterhin kann während des
Polierverfahrens ein vorzugsweise kolloidales Poliermittel zugegeben werden.
Unter einem„trockenchemischen Atzprozess" ist grundsätzlich ein Verfahren zu verstehen, bei welchem der Materialabtrag durch beschleunigte Teilchen, insbesondere durch Argon-Ionen, oder mithilfe plasmaaktivierter Gase erfolgt. Es können hierbei physikalische Effekte und/oder chemische Effekte, insbesondere chemische Reaktionen zwischen beschleunigten Teilchen und der Oberfläche des Substrats, ausgenutzt werden.
Vorzugsweise kann nach jedem der Teilschritte c1 ) bis c2) jeweils das Entfernen von überschlüssigem Isolationsmaterial bzw. Leitfähigkeitsmaterial erfolgen. Auch andere Verfahrensschritte sind jedoch grundsätzlich denkbar.
Insbesondere vor Durchführung des Teilschritts d) kann ein Entfernen der Opferschicht erfolgen. Das Entfernen der Opferschicht kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemischmechanischen Polierverfahren, einem nasschemischen Atzprozess, einem trockenchemischen Atzprozess, einem lonenätzen. Das Entfernen der
Opferschicht kann derart erfolgen, dass nach dem Entfernen Ausbuchtungen über den Kavernen definiert werden, welche das Isolationsmaterial und das Leitfähigkeitsmaterial umfassen.
Schritt d) kann insbesondere mittels eines Elektronenstrahlverdampfers erfolgen. Der Begriff „Elektronenstrahlverdampfer" bezeichnet grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung zum Verdampfen von Feststoffen. Es handelt sich dabei um ein thermisches Verfahren unter Vakuum, bei welchem Verdampfungsenergie mittels einer Elektronenkanone in ein zu verdampfendes Material eingebracht wird. Das Freistellen des Isolationsmaterials kann ein Aufbringen mindestens einer zweiten Fotolackschicht an der Trägersubstratrückseite umfassen.
Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Fotolackschicht sind als reine
Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Fotolackschichten und mehrere Arten von zweiten Fotolackschichten oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Fotolackschichten, beispielsweise eine dritte Fotolackschicht vorhanden sein.
Zumindest teilweises kann ein Entfernen des Trägersubstrats derart erfolgen, dass das Isolationsmaterial eine mikromechanische Stützstruktur definiert. Das Entfernen des Trägersubstrats kann beispielsweise durch mindestens einen trockenchemischen Ätzprozess erfolgen. Auch andere Verfahren sind grundsätzlich denkbar.
Nach Durchführung des Teilschritts f) kann mindestens ein Stromkollektor auf die mikromechanische Stützstruktur aufgebracht werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So kann insbesondere bei modernen Abgassensoren eine erwünschte Aufheizung des mikromechanischen Festkörperelektrolyt-Sensorelements oder der
Brennstoffzellenanordnung mit einer niedrigen Heizleistung und einer hohen Dynamik erfolgen. Insbesondere kann dies durch eine Anordnung in einem
Inneren der mikromechanischen Stützstruktur der Festkörperelektrolytmembran realisiert werden. Durch eine Integration von Heizleiterbahnen in die
mikromechanische Stützstruktur der Festkörperelektrolytmembran kann grundsätzlich deren aktive Fläche beibehalten werden und gleichzeitig kann der für eine gewünschte Übertemperatur notwendige Wärmeübertrag in das mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorelement wegen eines höheren Wärmeleitwiderstands der Festkörperelektrolytmembran viel niedriger sein, als wenn die Heizleiterbahnen außerhalb der Festkörperelektrolytmembran angeordnet ist.
Mit anderen Worten: die Festkörperelektrolytmembran weist einen relativ hohen Wärmeleitwiderstand auf. Wenn nun die Heizleiterbahnen wie in herkömmlichen Anwendungen nur außerhalb der Membran angeordnet werden, z.B. die
Membran ringförmig umgeben, dann wird eine sehr hohe Heizleistung benötigt, um auch z.B. in der Mitte der Membran gelegene Bereiche schnell und dauerhaft auf die gewünschte Temperatur von z.B. mehreren hundert Grad Celsius zu bringen. Es ist somit eine für die eigentlich erforderliche Temperatur
überdimensionierte Heizung bzw. Heizleistung notwendig. Dies ist nicht effizient. Im Gegensatz dazu können mit der vorgeschlagenen Lösung die in der
Stützstruktur angeordneten Leitfähigkeitsschichten, die z.B. als Heizleiterbahnen wirken, die Wärme direkt an den Orten erzeugen, wo die Wärme benötigt wird. Eine Erwärmung auch von Stellen mitten in der Membran (die Membran wird dabei als aus einer Vielzahl von Untermembranen zusammengesetzt betrachtet) ist so ohne Weiteres möglich. Auf diese Weise kann die Erwärmung schneller erfolgen und auch mit weniger Heizleistung im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen. Dadurch kann Energie eingespart werden, die
Leitfähigkeitsstrukturen können kleiner dimensioniert werden und die
Regelungsdynamik kann verbessert werden (kürzeres Ansprechverhalten).
Bei dem Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Festkörperelektrolyt- Sensorelements oder der Brennstoffzellenanordnung können durch eine spezielle Abfolge von isotropen und anisotropen Ätzprozessen die Kavernen in das Trägersubstrat eingebracht werden, welche dann mittels mehreren chemischen Gasphasenabscheidungen, insbesondere chemischen
Gasphasenabscheidungen unter Niederdruck, bis auf das freie Volumen mit dem Isolationsmaterial gefüllt werden. Dieser Verfahrensschritt kann durch einen Zwischenschritt ergänzt werden, in welchem ein Gas gewechselt und eine etwa
500 nm dicke Schicht aus hochdotiertem Siliziumcarbid oder Polysilizium auf das vorher abgeschiedene Isolationsmaterial abgeschieden und nach einem erneuten Gaswechsel wiederum mit dem Isolationsmaterial abgedeckt wird. Die Leitfähigkeitsschicht kann insbesondere zu einer Führung eines Heizstroms genutzt werden oder auch zu einer Kontaktierung weiterer funktionaler Elemente auf der Membran.
Kurze Beschreibung der Figuren Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, insbesondere in Kombination mit den Ansprüchen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Es zeigen:
Figuren 1 A bis 1 R ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung mindestens eines mikromechanischen Festkörperelektrolyt-Sensorelements oder einer mikromechanischen Brennstoffzellenanordnung sowie eine bevorzugte Ausführungsform des
Festkörperelektrolyt-Sensorelements oder der
Brennstoffzellenanordnung (Figur 1 R);
Figur 2 eine bevorzugte Ausführungsform einer
mikromechanischen Stützstruktur mit einer
Festkörperelektrolytmembran; und
Figur 3 die Ausführungsform des mikromechanischen
Festkörperelektrolyt-Sensorelements oder der
Brennstoffzellenanordnung aus Figur 1 R in
perspektivischer Darstellung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Im folgenden Text der Anmeldung kann aus Gründen der besseren Lesbarkeit an einigen Stellen lediglich ein„Festkörperelektrolyt-Sensorelement" beschrieben sein. Dabei ist jedoch stets als Alternative für den Begriff „Festkörperelektrolyt- Sensorelement" der Begriff „Brennstoffzellenanordnung" synonym gemeint und somit auch offenbart.
In den Figuren 1 A bis 1 R ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung mindestens eines mikromechanischen
Festkörperelektrolyt-Sensorelements 1 10 oder der Brennstoffzellenanordnung 1 10 dargestellt. Während die Figuren 1 A bis 1 Q Zwischenprodukte zeigen, zeigt
Figur 1 R das mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorelement 1 10 oder die Brennstoffzellenanordnung 1 10. Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement 1 10 bzw. die Brennstoffzellenanordnung 1 10 kann jedoch noch weitere Elemente umfassen.
In einem ersten, in Figur 1 A dargestellten Verfahrensschritt wird mindestens ein Trägersubstrat 1 12 bereitgestellt. Vorzugsweise kann das Trägersubstrat 1 12 ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat, sein. Insbesondere kann die Bereitstellung in Form mindestens eines Wafers erfolgen. Das Trägersubstrat 1 12 kann mindestens eine Trägersubstratoberfläche 1 14 aufweisen. In einem in Figur 1 B dargestellten Verfahrensschritt kann auf das Trägersubstrat mindestens eine Opferschicht 1 16 aufgebracht werden. Die Opferschicht 1 16 kann beispielsweise Siliziumoxid umfassen. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Insbesondere kann die Opferschicht 1 16 jeweils auf einer Vorderseite 1 18 und einer Rückseite 120 des Trägersubstrats 1 12 aufgebracht werden.
In einem weiteren, in Figur 1 C dargestellten Verfahrensschritt kann auf die Opferschicht 1 16, welche auf der Vorderseite 1 18 des Trägersubstrats 1 12 aufgebracht ist, mindestens eine erste Fotolackschicht 121 aufgebracht werden. Die erste Fotolackschicht 121 kann beispielsweise mittels mindestens einer Belichtungsmaske derart behandelt werden, dass Fenster 122 innerhalb der ersten Fotolackschicht 121 entstehen. Die Fenster 122 können die erste
Fotolackschicht 121 vollständig durchdringen. Beispielsweise können die Fenster 122 eine polygonale Grundform aufweisen, z.B. in der Art eines Dreiecks, eines Vierecks, eines Fünfecks, eines Sechsecks oder auch eines Achtecks.
Verschiedene Fenster können verschiedene polygonale Grundformen aufweisen. Auch sind kreisrunde oder elliptische Grundformen denkbar. In diesem
Ausführungsbeispiel kann das Fenster vorzugsweise einen Durchmesser von 2 μηι bis 3 μηι, insbesondere von 2,5 μηι, aufweisen. Auch andere Dimensionen sind grundsätzlich denkbar.
In einem nächsten, in Figur 1 D dargestellten Verfahrensschritt können Teile der Opferschicht 1 16, welche durch die Fenster 122 freigestellt sind, derart entfernt werden, dass die Fenster 122 durch die Trägersubstratoberfläche 1 14 begrenzt werden. Das Entfernen kann insbesondere durch ein reaktives lonenätzen erfolgen. Auch ein Einsatz von weiteren Verfahren ist grundsätzlich denkbar.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden Kavernen 124 in das Trägersubstrat 1 12 eingebracht. Dies ist in den Figuren 1 E bis 1 F dargestellt. Die Kavernen 124 können von der Vorderseite 1 18 her in das Trägersubstrat 1 12 geätzt werden. Dieses Ätzen kann durch die Fenster 122 hindurch erfolgen. Die Kavernen 124 können derart in das Trägersubstrat 1 12 eingebracht werden, dass die Kavernen 124 eine Form aufweisen, welche über ein erstes Volumen 126 und über ein zweites Volumen 128 verfügen. Das erste Volumen 126 kann an die Vorderseite 1 18 des Trägersubstrats 1 12 angrenzen und das zweite Volumen 128 kann, von der Vorderseite 1 18 getrennt, an das erste Volumen 126 angrenzen. Das erste Volumen 126 kann einen ersten Durchmesser d1 aufweisen. Der erste
Durchmesser d1 kann einen zweiten Durchmesser d2, den das zweite Volumen 128 aufweist, um mindestens das Doppelte übersteigen. Der erste Durchmesser d1 und der zweite Durchmesser d2 können jeweils insbesondere parallel zu der Trägersubstratoberfläche 1 14 bestimmt werden.
Wie in Figur 1 E dargestellt, kann zunächst das erste Volumen 126 in das Trägersubstrat 1 12 eingebracht werden. Insbesondere kann das erste Volumen 126 durch mindestens einen isotropen Ätzprozess in erzeugt werden. Der erste Durchmesser d1 des ersten Volumens 126 kann beispielsweise eine Größe von 2 μηι bis 20 μηι aufweisen, vorzugsweise von 5 μηι bis 10 μηι. Weiterhin kann das erste Volumen 126 eine Tiefe von 1 μηι bis 10 μηι aufweisen, vorzugsweise von 3 μηι bis 4 μηι. Auch andere Dimensionen sind grundsätzlich denkbar.
Anschließend kann, wie in Figur 1 F dargestellt, das zweite Volumen 128 in das Trägersubstrat 1 12 eingebracht werden, beispielsweise durch mindestens einen anisotropen Ätzprozess. Beispielsweise kann das zweite Volumen vorzugsweise eine Tiefe von 10 μηι bis 80 μηι aufweisen, vorzugsweise von 30 μηι bis 40 μηι.
In einem weiteren, in den Figuren 1 G bis 1 K dargestellten Verfahrensschritt wird mindestens ein Isolationsmaterial 130 auf Oberflächen 132 der Kavernen 124 aufgebracht. Dadurch wird mindestens eine Isolationsschicht 134 auf den Oberflächen 132 der Kavernen 124 gebildet. Während dieses Verfahrensschritts wird mindestens ein Leitfähigkeitsmaterial 136 derart auf die Isolationsschicht 134 aufgebracht, dass sich eine verbundene Leitfähigkeitsschicht 138 ausbildet. Weiterhin wird weiteres Isolationsmaterial 130 so auf die Leitfähigkeitsschicht
138 aufgebracht, dass die Isolationsschicht 134 die Leitfähigkeitsschicht 138 sowohl von dem Trägersubstrat 1 12 als auch von der Kaverne 124 trennt. Dieser Verfahrensschritt kann mehrere Teilschritte umfassen, welche in den Figuren 1 G bis 1 K dargestellt sind.
In einem in Figur 1 G dargestellten Teilschritt kann zunächst ein erster Teil 140 des Isolationsmaterials 130 auf die Oberflächen 132 der Kavernen 124 aufgebracht werden. Für das Isolationsmaterial 130 kann mindestens ein
Material eingesetzt werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
Siliziumnitrid, stressarmem Siliziumnitrid. Es kann weiterhin eine erste
durchgängige Isolationsschicht 142 auf den Oberflächen 132 der Kavernen 124 gebildet werden. Das Isolationsmaterial 130 kann insbesondere durch eine chemische Gasphasenabscheidung erfolgen. Auch weitere Verfahren sind grundsätzlich denkbar.
In einem in Figur 1 H dargestellten Teilschritt kann ein Entfernen von
überschüssigem Isolationsmaterial 130 erfolgen, z.B. außerhalb der Kavernen 124. Das Entfernen von überschüssigem Isolationsmaterial 130 kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemisch-mechanischen Polierverfahren, einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Ätzprozess, einem lonenätzen. Beispielsweise kann, wie ebenfalls in Figur 1 H dargestellt, innerhalb dieses Teilschritts die erste Fotolackschicht 121 gleichzeitig von dem Trägersubstrat 1 12 entfernt werden.
In einem weiteren, in Figur 1 1 dargestellten Teilschritt kann das
Leitfähigkeitsmaterial 136 auf die erste durchgängige Isolationsschicht 142 aufgebracht werden. Für das Leitfähigkeitsmaterial 136 kann mindestens ein Material eingesetzt werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
hochdotiertem Siliziumcarbid, hochdotiertem Polysilizium. Dadurch kann sich die Leitfähigkeitsschicht 138 ausbilden, welche von dem Trägersubstrat 1 12 getrennt ist. Die Leitfähigkeitsschicht 138 kann derart ausgebildet werden, dass sie eine Dicke von 100 nm bis 1000 nm, vorzugsweise von 300 nm bis 800 nm, besonders bevorzugt von 500 nm, aufweist.
Anschließend kann, wie in Figur 1 J dargestellt, ein Entfernen von
überschüssigem Leitfähigkeitsmaterial 136 derart, z.B. außerhalb der Kavernen 124, erfolgen, dass die Opferschicht 1 16 freigestellt wird.
In einem weiteren, in Figur 1 K dargestellten Teilschritt kann ein zweiter Teil 144 des Isolationsmaterials 130 auf die Leitfähigkeitsschicht 138 aufgebracht werden. Dadurch kann eine zweite durchgängige Isolationsschicht 146 gebildet werden, welche die Leitfähigkeitsschicht 138 von der Kaverne 124 trennt. Die Teilschritte gemäß den Figuren 1 G, 1 1 und 1 K können jeweils derart durchgeführt werden, dass die Kavernen 124 zumindest teilweise aufgefüllt werden und nach dem Auffüllen ein freies Volumen 148 aufweisen. Diese freien Volumen 148 sind in den Figuren 1 K bis 1 R als leere weiße Flächen im ersten Volumen 126 dargestellt, siehe auch Figuren 2 und 3. Weiterhin können ein oder mehrere der Teilschritte durch mindestens eine chemische
Gasphasenabscheidung, insbesondere durch eine chemische
Gasphasenabscheidung unter Niederdruck, erfolgen.
Anschließend kann, wie in Figur 1 L dargestellt, wiederum ein Entfernen von überschüssigem Isolationsmaterial 130, z.B. außerhalb der Kavernen 124, derart erfolgen, dass die Opferschicht erneut 1 16 freigestellt wird.
In einem nächsten Schritt kann, wie in Figur 1 M dargestellt, ein Entfernen der Opferschicht 1 16 derart erfolgen, dass die Trägersubstratoberfläche 1 14 freigestellt wird. Das Entfernen der Opferschicht 1 16 kann insbesondere durch einen nasschemischen Ätzprozess erfolgen. Auch weitere Verfahren sind grundsätzlich denkbar. Das Entfernen kann derart erfolgen, dass nach dem Entfernen über den Kavernen 124 Ausbuchtungen 150 definiert werden, welche das Isolationsmaterial 130 und das Leitfähigkeitsmaterial 136 umfassen.
In einem weiteren, in Figur 1 N dargestellten Schritt, wird mindestens eine Festkörperelektrolytmembran 152 derart auf die Trägersubstratoberfläche 1 14 aufgebracht, dass die Festkörperelektrolytmembran 152 die Kavernen 124 teilweise bedeckt. Die Festkörperelektrolytmembran 152 kann vorzugsweise ein keramisches Material, insbesondere Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumdioxid, vorzugsweise Scandium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, besonders bevorzugt Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, umfassen. Auch weitere Materialien sind denkbar. Das Aufbringen der Festkörperelektrolytmembran 152 kann
insbesondere mittels mindestens eines Elektronenstrahlverdampfers erfolgen. Auch ein Einsatz von anderen Verfahren ist grundsätzlich denkbar.
In einem nächsten, in den Figuren 10 bis 1 Q dargestellten, Verfahrensschritt wird das Isolationsmaterial 130 freigestellt. Das Freistellen des
Isolationsmaterials 130 kann, wie in Figur 10 dargestellt, ein Aufbringen mindestens einer zweiten Fotolackschicht 154 umfassen, z.B. auf der Rückseite 120 des Trägersubstrats 1 12. Beispielsweise kann das Aufbringen der zweiten Fotolackschicht 154 durch mindestens eine strukturierte Abscheidung erfolgen, insbesondere durch einen Schattenmaskenprozess.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann, wie in Figur 1 P dargestellt, das Trägersubstrat 1 12 zumindest teilweise entfernt werden, derart, dass das
Isolationsmaterial 130 eine mikromechanische Stützstruktur 156 definiert. Das Entfernen kann z.B. von der Rückseite 120 durch in der zweiten Fotolackschicht 154 ausgebildete Fenster. Anschließend können, wie in Figur 1 Q dargestellt, die zweite Fotolackschicht 154 sowie das Opferschichtmaterial 1 16 entfernt werden.
In weiteren Verfahrensschritten, wie in Figur 1 R dargestellt, werden erste Elektroden 158 und zweite Elektroden 160 derart aufgebracht, dass die
Festkörperelektrolytmembran 152 zumindest teilweise zwischen den ersten
Elektroden 158 und den zweiten Elektroden 160 angeordnet ist. Die ersten Elektroden 158 und die zweiten Elektroden 160 können jeweils aus einem Material hergestellt sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin, Palladium. Auch weitere Materialien sind denkbar. Weiterhin kann mindestens ein Stromkollektor 162 aufgebracht werden, welcher für eine durchgehend elektrische Verbindung jeweils der ersten Elektroden 158 untereinander und jeweils der zweiten Elektroden 160 untereinander sorgt.
In Figur 2 ist eine Ausführungsform für die mikromechanische Stützstruktur 156 mit der Festkörperelektrolytmembran 152 dargestellt. Die mikromechanische
Stützstruktur ist eingerichtet, um die Festkörperelektrolytmembran 152 zu stabilisieren. Die mikromechanische Stützstruktur 156 umfasst hierbei das mindestens eine Isolationsmaterial 130. In das Isolationsmaterial 130 ist die mindestens eine durchgängige Leitfähigkeitsschicht 138 eingebettet. Die Leitfähigkeitsschicht 138 ist insbesondere dazu eingerichtet, um die
Festkörperelektrolytmembran 152 zu heizen. Die Leitfähigkeitsschicht 138 kann mindestens ein Material aufweisen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: hochdotiertem Siliziumcarbid, hochdotiertem Polysilizium. Die Leitfähigkeitsschicht 138 kann eine Dicke von 100 nm bis 1000 nm,
vorzugsweise von 300 nm bis 800 nm, besonders bevorzugt von 500 nm, aufweisen. Die mikromechanische Stützstruktur 156 kann insbesondere eine wabenförmige Grundstruktur 166 aufweisen. Die mikromechanische Stützstruktur kann eine Vielzahl von Hohlräumen 168 aufweisen. Die Hohlräume 168 können
beispielsweise einen sechseckigen Querschnitt aufweisen. Es sind jedoch auch dreieckige, viereckige, fünfeckige, achteckige oder runde oder elliptische
Querschnitte denkbar. Die mikromechanische Stützstruktur 156 kann weiterhin quer, insbesondere senkrecht, zu einer Erstreckungsrichtung 170 der
mikromechanischen Stützstruktur 156 mindestens ein Profil aufweisen. Das Profil kann einen ersten Abschnitt 172 mit einer ersten Breite B1 und einen zweiten Abschnitt 174 mit einer zweiten Breite B2 aufweisen. Der erste Abschnitt 172 kann an die Festkörperelektrolytmembran 152 angrenzen. Der zweite Abschnitt 174 kann, von der Festkörperelektrolytmembran 152 getrennt, an den ersten Abschnitt 172 angrenzen. Die erste Breite B1 kann die zweite Breite B2 um mindestens das Doppelte übersteigen. Hierbei können die erste Breite B1 und die zweite Breite B2 jeweils parallel zu der Festkörperelektrolytmembran 152 bestimmt werden.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform für ein mikromechanisches
Festkörperelektrolyt-Sensorelement 1 10 bzw. eine Brennstoffzellenanordnung 1 10 in perspektivischer Darstellung. Das mikromechanische Festkörperelektrolyt- Sensorelement 1 10 umfasst hierbei die mikromechanische Stützstruktur 156. Für weitere Details der mikromechanischen Stützstruktur 156 wird auf die
Beschreibung zur Figur 2 verwiesen.
Das mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorelement 1 10 bzw. die
Brennstoffzellenanordnung 1 10 umfasst weiterhin erste Elektroden 158 und zweite Elektroden 160 sowie die Festkörperelektrolytmembran 152, welche zumindest teilweise zwischen den ersten Elektroden 158 und zweiten Elektroden 160 angeordnet ist. Weiterhin können die ersten Elektroden 158 und die zweiten Elektroden 160 jeweils über den Stromkollektor 162 verfügen.

Claims

Ansprüche
Mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement (1 10) zum Nachweis einer Komponente eines Gases oder
Brennstoffzellenanordnung (1 10), umfassend:
- erste Elektroden (158) und zweite Elektroden (160);
- mindestens eine Festkörperelektrolytmembran (152), welche zumindest teilweise zwischen den ersten Elektroden (158) und den zweiten Elektroden (160) angeordnet ist;
- mindestens eine mikromechanische Stützstruktur (156), welche mindestens ein Isolationsmaterial (130) aufweist, wobei die mikromechanische Stützstruktur (156) eingerichtet ist, um die Festkörperelektrolytmembran (152) mechanisch zu stabilisieren; wobei mindestens eine durchgängige Leitfähigkeitsschicht (138) in das Isolationsmaterial (130) der mikromechanischen Stützstruktur (156) eingebettet ist.
Mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement (1 10) oder Brennstoffzellenanordnung (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Leitfähigkeitsschicht (138) eingerichtet ist, um die
Festkörperelektrolytmembran (152) zu heizen oder einen elektrischen Kontakt bereitzustellen.
Mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement (1 10) oder Brennstoffzellenanordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitfähigkeitsschicht (138) mindestens ein Material aufweist, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
hochdotiertem Siliziumcarbid, hochdotiertem Polysilizium.
Mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement (1 10) oder Brennstoffzellenanordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitfähigkeitsschicht (138) eine Dicke von 100 nm bis 1000 nm aufweist. Mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement (1 10) oder Brennstoffzellenanordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mikromechanische Stützstruktur (156) eine wabenförmige Grundstruktur (166) aufweist.
Mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement (1 10) oder Brennstoffzellenanordnung (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mikromechanische Stützstruktur (156) eine Vielzahl von Hohlräumen (168) aufweist, wobei die Hohlräume (168) mindestens einen Querschnitt aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
einem Polygon, insbesondere einem Dreieck, einem Viereck, einem Fünfeck oder einem Sechseck, einem Kreis.
Mikromechanisches Festkörperelektrolyt-Sensorelement (1 10) oder Brennstoffzellenanordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mikromechanische Stützstruktur (156) quer zu einer Erstreckungsrichtung (170) des mikromechanischen Festkörperelektrolyt- Sensorelements (1 10) oder der Brennstoffzellenanordnung (1 10) mindestens ein Profil aufweist, wobei das Profil einen ersten Abschnitt (172) mit einer ersten Breite B1 und einen zweiten Abschnitt (174) mit einer zweiten Breite B2 aufweist, wobei der erste Abschnitt (172) der Festkörperelektrolytmembran (152) zugewandt ist, wobei der zweite Abschnitt (174), von der Festkörperelektrolytmembran (152) getrennt, an den ersten Abschnitt (172) angrenzt, wobei die die erste Breite B1 die zweite Breite B2 um mindestens das Doppelte übersteigt, wobei die erste Breite B1 und die zweite Breite B2 jeweils parallel zu der
Festkörperelektrolytmembran (152) bestimmt werden.
Verfahren zur Herstellung mindestens eines mikromechanischen
Festkörperelektrolyt-Sensorelements (1 10) oder einer
Brennstoffzellenanordnung (1 10), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Bereitstellen mindestens eines Trägersubstrats (1 12);
b) Einbringen von Kavernen (124) in das Trägersubstrat (1 12);
c) Aufbringen mindestens eines Isolationsmaterials (130) auf
Oberflächen (132) der Kavernen (124), wodurch mindestens eine Isolationsschicht (134) auf den Oberflächen (132) der Kavernen (124) gebildet wird;
d) Aufbringen mindestens einer Festkörperlelektrolytmembran (152) derart auf eine Trägersubstratoberfläche (1 14) des
Trägersubstrats (1 12), dass die Festkörperelektrolytmembran (152) die Kavernen (124) teilweise bedeckt,
e) Freistellen des Isolationsmaterials (130) und/oder der
Isolationsschicht (134);
f) Aufbringen von ersten Elektroden (158) und von zweiten
Elektroden (160) derart, dass die Festkörperelektrolytmembran (152) zumindest teilweise zwischen den ersten Elektroden (158) und den zweiten Elektroden (160) angeordnet ist;
wobei während Schritt c) mindestens ein Leitfähigkeitsmaterial (136) derart auf die Isolationsschicht (134) aufgebracht wird, dass sich innerhalb der Kavernen (124) eine verbundene Leitfähigkeitsschicht (138) ausbildet, und weiteres Isolationsmaterial (130) so auf die
Leitfähigkeitsschicht (138) aufgebracht wird, dass die Isolationsschicht (134) die Leitfähigkeitsschicht (138) sowohl von dem Trägersubstrat (1 12) als auch von den Kavernen (124) trennt.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Schritt c) folgende Teilschritte umfasst:
c1 ) Aufbringen eines ersten Teils (140) des Isolationsmaterials (130) auf die Oberflächen (132) der Kavernen (124), wobei eine erste durchgängige Isolationsschicht (142)auf den Oberflächen (132) der Kavernen (124) gebildet wird;
c2) Aufbringen des Leitfähigkeitsmaterials (136) auf die erste Isolationsschicht (142), wodurch sich die Leitfähigkeitsschicht (138) ausbildet, welche von dem Trägersubstrat (1 12) getrennt ist;
c3) Aufbringen eines zweiten Teils (144) des Isolationsmaterials (130) auf die Leitfähigkeitsschicht (138), wobei eine zweite durchgängige Isolationsschicht (146) gebildet wird, welche die Leitfähigkeitsschicht (138) von den Kavernen (124) trennt.
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Teilschritte jeweils derart durchgeführt werden, dass die Kavernen (124) zumindest teilweise aufgefüllt werden und nach dem Auffüllen ein freies Volumen aufweisen (148). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Kavernen (124) derart in das Trägersubstrat (1 12) eingebracht werden, dass die Kavernen (124) eine Form aufweisen, welche über ein erstes Volumen (126) und über ein zweites Volumen (128) verfügen, wobei das erste Volumen (126) an eine Vorderseite (1 18) des Trägersubstrats (1 12) angrenzt und das zweite Volumen (128), von der
Trägersubstratoberfläche (1 14) getrennt, an das erste Volumen (126) angrenzt, wobei das erste Volumen (126) einen ersten Durchmesser d1 aufweist, welcher einen zweiten Durchmesser d2, den das zweite
Volumen (128) aufweist, um mindestens das Doppelte übersteigt, wobei der erste Durchmesser d1 und der zweite Durchmesser d2 jeweils parallel zu der Trägersubstratoberfläche (1 14) bestimmt werden.
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