WO2017093244A1 - Sensorelement zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum - Google Patents

Sensorelement zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum Download PDF

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WO2017093244A1
WO2017093244A1 PCT/EP2016/079121 EP2016079121W WO2017093244A1 WO 2017093244 A1 WO2017093244 A1 WO 2017093244A1 EP 2016079121 W EP2016079121 W EP 2016079121W WO 2017093244 A1 WO2017093244 A1 WO 2017093244A1
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WO
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solid electrolyte
sensor element
electrolyte membrane
membrane
support structure
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/079121
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English (en)
French (fr)
Inventor
Timothy John SCHULTZ
Denis Kunz
Zach Byars
Ramanan Ganeshananthan
Carsten Herweg
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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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
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte

Definitions

  • Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space
  • Method for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space known.
  • these can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more properties being able to be detected.
  • the invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a portion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of a
  • Oxygen content in the sample gas part can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the sample gas part.
  • Measuring gas detected such as the temperature.
  • ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, that is to ion-conducting properties of these solids.
  • these solids may be ceramic solid electrolytes such as zirconia (ZrC), especially yttria-stabilized zirconia (YSZ) and scandium-doped
  • ScSZ Zirconia
  • Al2O3 alumina
  • S1O2 silica
  • the sensor elements described above are usually with the so-called ceramic
  • Thick film technology produced. This technique allows only comparatively large minimum dimensions, both in terms of structure widths and layer thicknesses. As a result, only comparatively large sensor elements can be produced. These bring a comparatively large thermal mass, so that in order to reach the required operating temperature of about 700 ° C to 800 ° C heating capacities in one to two-digit Watt range are necessary.
  • a sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, which at least largely avoids the disadvantages of known sensor elements and which can also be produced stably in a miniaturized design. Since the sensor elements described according to the invention are to be used in the field of automotive engineering and these must meet certain requirements, in particular in the field of exhaust aftertreatment, a sensor element is proposed at the same time, which is robust despite the miniaturized construction compared to the exhaust gas.
  • a sensor element according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space comprises a substrate, a solid electrolyte membrane or a solid electrolyte membrane and a support structure.
  • Solid electrolyte membrane or the solid electrolyte membrane is at least partially disposed on the support structure.
  • Support structure from the solid electrolyte membrane Due to the sensor element according to the invention can be based on a substrate such as a silicon substrate, a comparatively thin membrane of a
  • the support structure may be formed in particular lattice-shaped.
  • the solid electrolyte membrane may have a plurality of membrane roofs. These membrane roofs are surrounded by the grid-shaped support structure. So it may come to water hammer in the exhaust tract, i. Water meets the already heated
  • the sensor element according to the invention can be such
  • the support structure may have support sections.
  • the solid electrolyte membrane may be disposed on these support sections.
  • exposure of the sensor element to or in the exhaust gas can lead to mechanical stress on the membrane, for example due to vibration or due to the impact of water droplets, soot particles and ash particles. Due to the special design of the support structure, the robustness of the membrane is increased against such loads.
  • the support portions are formed so that the membrane roofs each rest with 20% to 50%, for example, 35%, a surface facing the support portions on the support sections.
  • the pressure stability of the membrane is further increased because the contact surface of the
  • Membrane roofs on the support structure is enlarged. On the one hand, this reduces the electrolyte surface which can be used for the measurement gas ion conduction, but on the other hand it enhances the stability of the membrane in the case of pressure surges perpendicular to the membrane surface. As a result, leakages or gas passages between the sample gas space and the reference gas space past the membrane can be reliably avoided. This is important because even small leaks can falsify the measurement signal.
  • the support structure can penetrate the solid electrolyte membrane.
  • the support structure has ribs that penetrate the solid electrolyte membrane. This can increase the mechanical strength of the overall structure.
  • the sensor element may have a reference gas space.
  • Reference gas space may be filled with air, for example. _.
  • the ribs can move from the solid electrolyte membrane toward the
  • the solid electrolyte membrane can separate the sample gas space from the reference gas space. Their length has a positive effect on the stability of the supporting structure and thus on the stability of the
  • an adhesive layer or an adhesion promoter layer can be arranged between the ribs and the solid electrolyte membrane, e.g. along the lateral direction of extension of the membrane.
  • the adhesive layer may be the ribs and the
  • Touch solid electrolyte membrane For example, to be able to measure the oxygen concentration in the exhaust gas based on the Nernst voltage, the
  • Membrane structure a gas-tight separation of the exhaust gas space of
  • the adhesive layer or the adhesion promoter layer is preferably produced from an electrically insulating material.
  • the adhesive layer or the adhesion promoter layer may, for example, be a material from the group of nitrides or oxides, e.g. Alumina, silica, hafnium oxide.
  • the adhesive layer acts as an intermediary layer between the nitridic support structure (e.g.
  • the solid electrolyte membrane can be connected in this way advantageously more stable and durable with the support structure. It may be advantageous in this way e.g. Form a cohesive connection between the respective layers involved, or give a higher bond strength between the layer partners, as it would be possible without the adhesive layer or the adhesive layer alone between the solid electrolyte membrane and the support structure.
  • the adhesive layer can also under a bearing surface of the membrane or the
  • Membrane tile can be arranged, ie between the membrane and the
  • sensor signal forming areas i. the membrane roofs, electrically decoupled from the support structure or isolated.
  • leakage currents can be avoided, so that the quality is increased and the response time of the sensor signal is improved, ie reduced.
  • the ribs can move from the solid electrolyte membrane toward the
  • the ribs may protrude, for example, with a height from the solid electrolyte membrane in the direction of the measuring gas space, which is at least as large as and preferably greater than a thickness of
  • the support structure may consist of a
  • Solid electrolyte as a solid electrolyte membrane or several
  • a membrane is to be understood as meaning a uniform mass in the areal extent of a certain height.
  • a membrane is thus one
  • an electrode in the context of the present invention is generally understood to mean an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode.
  • the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte.
  • the electrodes comprise a noble metal electrode which may, for example, be deposited on the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte.
  • Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable.
  • a substrate is to be understood as meaning a component which carries the electronic or electrical components of the sensor chip.
  • the substrate is formed as a so-called wafer, in particular silicon wafer, that is, as a wafer, which is made of silicon.
  • the substrate may alternatively be made of a ceramic material.
  • the substrate can serve, for example, as a carrier for the solid electrolyte membrane.
  • An advantage of miniaturizing the sensor element according to the present invention is that it can be heated up quickly to operating temperature. This is of great importance, for example, for a quick operational readiness of the sensor after an engine start. In hybrid vehicles can also be ensured that in phases of purely electric driving the heating of the sensor completely off and when
  • FIG. 1 shows a plan view of a sensor element according to a first embodiment
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the sensor element of the first
  • FIG. 3 shows a plan view of a photomask for producing the structure from FIG. 1,
  • FIG. 4 is a plan view of an exemplary cell of the photomask of FIG. 3;
  • Figure 5 is a plan view of a sensor element according to a second
  • Figure 6 is a plan view of a sensor element according to a third
  • Figure 7 is a plan view of a sensor element according to a fourth
  • Figure 8 is a plan view of a sensor element according to a fifth
  • Figure 9 is a plan view of a sensor element according to a sixth
  • Figure 10 is a cross-sectional view of the sensor element of the sixth
  • FIG. 1 shows a plan view of a sensor element 10 according to the invention in accordance with a first embodiment of the invention.
  • the sensor element 10 according to the invention can be used to detect physical and / or chemical properties of a measurement gas, wherein one or more properties can be detected.
  • the invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas.
  • the oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage.
  • other types of gas components are detectable, such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen.
  • other properties of the measuring gas can also be detected.
  • the invention is particularly applicable in the field of automotive technology, so that it is in the
  • Measuring gas chamber can act in particular to an exhaust gas tract of an internal combustion engine and the measuring gas in particular to an exhaust gas.
  • the sensor element 10 has a substrate 12, such as a
  • Solid electrolyte membrane 14 Silicon substrate, a solid electrolyte membrane 14 and a support structure 16 on.
  • the solid electrolyte membrane 14 is bonded to the substrate 12, as will be described in more detail below.
  • the solid electrolyte membrane 14 is made of, for example, YSZ. As will be described in more detail below, the solid electrolyte membrane 14 is at least partially disposed on the support structure 16.
  • the solid electrolyte membrane 14 has a plurality of membrane roofs 18.
  • the membrane roofs 18 are formed in a regular pattern.
  • the membrane roofs are formed in a regular pattern.
  • the support structure 16 is formed in a grid shape.
  • the support structure is also honeycombed or hexagonal with respect to the top view of Figure 1 and surrounds the individual membrane covers 18.
  • the solid electrolyte membrane 14, i. the YSZ layer does not necessarily have to be bonded to the substrate 12, i. be connected to the silicon.
  • the membrane roofs 18 are to be regarded as separate membrane elements, i. there is no consistent one here
  • Solid electrolyte membrane layer It is rather advantageous if between the YSZ of the solid electrolyte membrane 14 and silicon of the substrate 12 is an electrically insulating layer such as.
  • the support structure 16 is located.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the sensor element 10.
  • the solid electrolyte membrane 14 is connected to the substrate 12 and suspended therefrom.
  • the solid electrolyte membrane 14 separates one
  • Reference gas space 22 is based on the illustration of Figure 2 below the solid electrolyte membrane 14 and the sample gas chamber 20 above the Solid electrolyte membrane 14.
  • a reference gas of known composition eg air.
  • the oxygen content to be detected is eg exhaust gas.
  • the reference gas space 22 is formed, for example, in the form of a cavern. It is to be understood that in another, not shown here
  • Solid electrolyte membrane 14 may be arranged.
  • the reference gas space 22 may be formed as a sample gas space, so that the measurement gas actually to be detected is located in the reference gas space.
  • the side facing away from the reference gas chamber 22 of the solid electrolyte membrane 14 is exposed to a reference gas or facing.
  • the sample gas space 20 and the reference gas space 22 may be arranged inversely to the illustration in FIG.
  • the support structure 16 is at least partially disposed in the solid electrolyte membrane 14.
  • Support structure 16 can penetrate the solid electrolyte membrane 14.
  • the support structure 16 for example, ribs 24, the
  • An overall height 26 of the support structure 16 is significantly greater than a thickness 28 of the solid electrolyte membrane 14.
  • the height 26 of the support structure 16 is at least three times greater than the thickness 28 of the solid electrolyte membrane 14.
  • the ribs 24 are at a height 30 of the
  • Solid electrolyte membrane 14 is.
  • the height 30 is 1.5 times greater than the thickness 28.
  • the support structure 16 is made of a dielectric material, such as silicon nitride or titanium dioxide.
  • the ribs 24 project in the direction of the reference gas space 22. Especially important for the stabilization are the ribs 24, which are pronounced in the direction of the reference gas space 22, ie in the direction of the chip underside. Your
  • Length has a positive effect on the stability of the support structure 16 and thus on the stability of the sensor element 10.
  • the length of the ribs within the reference gas space 22 is at least 1.5 times the thickness of the solid electrolyte membrane 14, more preferably at least 10 times to 50 times the thickness of the
  • the support structure 16 also has support portions 32. On this case
  • Support sections 32 are formed comparatively large.
  • the support portions 32 are formed so that the membrane roofs 18 each with 20% to 50% of the support portions 32 facing
  • each diaphragm tile 18 has its surface 34 facing the support sections 32 at a level of 20% to 50%, for example 35%.
  • the membrane roofs 18 are along their circumference
  • the solid electrolyte membrane 14 separates the measurement gas space 20 of the reference gas space 22 in a gastight manner.
  • the gas-tightness can be further increased by providing an optional adhesive layer 36 between the ribs 24 and the solid electrolyte membrane 14, that is, viewed along the lateral direction between the ribs 24 and the solid electrolyte membrane 14.
  • the adhesive layer 36 contacts the ribs 24 and the solid electrolyte membrane 14. According to the representation of FIG. 2, the adhesive layer 36 is also applied to the support sections 32, so that the membrane roofs 18 are not directly connected to their
  • Adhesive layer 36 is preferably made of an electrically insulating material, such as silicon dioxide.
  • the adhesive layer acts as an intermediary layer between the nitridic support structure (e.g.
  • Silicon nitride Silicon nitride
  • oxide solid electrolyte membrane e.g., zirconia and zirconia, respectively
  • the sensor element 10 can be manufactured as described below.
  • the substrate 12 is provided.
  • the substrate 12 is provided in particular as a continuous solid.
  • a sacrificial layer are applied on the substrate 12 .
  • a photoresist is applied to the substrate 12.
  • the photoresist is applied with a thickness of approximately 2 ⁇ m.
  • FIG. 3 shows a plan view of an exemplary photomask 38.
  • the photomask 38 has a grid-shaped pattern 40 that defines a plurality of cells 42. Each cell 42 has a predetermined shape.
  • Figure 4 shows a top view of an exemplary cell 42. Since the photomask 38 is used to fabricate the membrane capsules 18 described above, the cells 42 in the exemplary photomask 38 have a hexagonal shape.
  • those areas of the photoresist that were covered by the photomask 38 are removable.
  • the removal of these areas can be done in a development process in a conventional manner.
  • the thus exposed areas of the photoresist form a regular grid pattern used in the manufacture of the support structure 16.
  • isotropic etching a plurality of depressions are introduced into the substrate 12 at the locations of the thus exposed regions of the photoresist. Since the substrate 12 is made of silicon, the depressions are introduced, for example by means of sulfur hexafluoride (SFe). The depressions are introduced in such a way that they are formed in a lattice shape, since these form the later to be provided support structure 16.
  • two different etching processes with two different anisotropy levels are used: A high anisotropic etching process is used to produce the rectilinear depressions (ribs).
  • the cup-shaped structure is produced by means of a less anisotropic or by means of an isotropic etching process. Subsequently, the remaining photoresist is removed, for example by stripping.
  • the recesses are filled with material for the support structure 16.
  • silicon nitride or titanium dioxide by means of chemical
  • Chemical vapor deposition or plasma enhanced deposited by chemical vapor deposition plasma enhanced chemical vapor deposition (plasma enhanced chemical vapor deposition).
  • An upper portion of the thus deposited material for the support structure 16 is removed by dry etching, for example by nitride etching. The removal takes place selectively, so that the ribs 24 are formed. Between the ribs 24 is then the material for the
  • Solid electrolyte membrane 14 deposited such as a
  • Electrolyte material in particular YSZ.
  • the deposition can be done for example by means of electron beam evaporation.
  • the material for the adhesion layer 36 may be applied prior to application of the material for the solid electrolyte membrane 14.
  • 12 selected areas are removed on the back of the substrate, which form the reference gas space 22. Removal may be by wet etching, such as by means of
  • support structure 16 and membrane covers 18 are not limited to the hexagonal shape, as will be described in more detail below.
  • FIG. 5 shows a plan view of a sensor element 10 according to a second embodiment of the invention.
  • the membrane roofs 18 also have a hexagonal shape. In contrast to FIG. 1, however, adjacent hexagonal cells are more widely spaced from each other. A distance 44 between adjacent membrane roofs 18 may be smaller than a dimension 46 between parallel sides of the hexagonal shape of the membrane roofs.
  • the production takes place analogously to the production of the sensor element 10 of the first embodiment with the only difference that a photomask is used, which allows the formation of the previously described form for the support structure 16 and the membrane roofs 18.
  • FIG. 6 shows a plan view of a sensor element 10 according to a third embodiment of the invention.
  • the membrane roofs 18 have a square shape. The production takes place analogously to the production of the sensor element 10 of the first embodiment with the only difference that a photomask is used, which allows the formation of the previously described form for the support structure 16 and the membrane roofs 18.
  • FIG. 7 shows a plan view of a sensor element 10 according to a fourth embodiment of the invention.
  • the membrane roofs 18 have a triangular shape.
  • Manufacturing is analogous to the production of the sensor element 10 of the first embodiment with the only difference that a photomask is used, which allows the formation of the previously described form for the support structure 16 and the membrane roof 18.
  • FIG. 8 shows a plan view of a sensor element 10 according to a fifth embodiment of the invention.
  • the membrane roofs 18 have a circular shape.
  • Manufacturing is analogous to the production of the sensor element 10 of the first embodiment with the only difference that a photomask is used, which allows the formation of the previously described form for the support structure 16 and the membrane roof 18.
  • FIG. 9 shows a plan view of a sensor element 10 according to a sixth embodiment of the invention.
  • the substrate 12 is formed such that there are a plurality of solid electrolyte membranes 14 with the membrane roofs 18 and a plurality of support structures 16.
  • the substrate 12 forms a plurality of frame sections 48, which separate the individual solid electrolyte membranes 14 and support structures 16 from each other, in particular spatially separate.
  • the individual solid electrolyte membranes 14 and support structures 16 may be arranged in a regular pattern.
  • the substrate 12 is formed with the frame portions 48 such that 16 Solid electrolyte membranes 14 and 16 support structures are arranged in a rectangular pattern of 4 rows and 4 columns.
  • Solid electrolyte membranes 14 and each of the support structures 16 are formed as described in the first embodiment. Compared to the first embodiment, the one large solid electrolyte membrane 14 is divided into a plurality of smaller solid electrolyte membranes 14, each of which is assigned its own support structure.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional view of the sensor element 10 of the sixth embodiment of the invention.
  • a number of reference gas spaces 22 are formed due to the frame sections 48 of the substrate 12, which are each below the solid electrolyte membranes 14.
  • the preparation is carried out analogously to the preparation of the
  • the support structure 16 and the solid electrolyte membranes 14 with the membrane roof 18 allowed. Since the solid electrolyte membranes 14 are supported at multiple locations by the frame portions 48 as compared with a large solid electrolyte membrane 14 having the same dimensions as the sum of the solid electrolyte membranes 14 of the sixth embodiment, they are particularly stable against pressure fluctuations.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (20) vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases. Das Sensorelement (10) umfasst ein Substrat (12), eine Festelektrolytmembran (14) und eine Stützstruktur (16), wobei die Festelektrolytmembran (14) zumindest teilweise auf der Stützstruktur (16) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und
Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines
Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des
Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrC ), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes
Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (AI2O3) und/oder Siliziumoxid (S1O2) enthalten können.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte
Lambdasonden oder als Stickoxidsensoren ausgestaltet sein, wie sie
beispielsweise aus K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338 -1347, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband- Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ (Lambda) beschreibt dieses Luft- Kraftstoff- Verhältnis . Stickoxidsensoren bestimmen sowohl die Stickoxid- als auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So sind die oben beschriebenen Sensorelemente üblicherweise mit der so genannten keramischen
Dickschichttechnik hergestellt. Diese Technik erlaubt nur vergleichsweise große Mindestabmessungen, sowohl hinsichtlich der Strukturbreiten als auch der Schichtdicken. Dadurch lassen sich nur vergleichsweise große Sensorelemente herstellen. Diese bringen eine vergleichsweise große thermische Masse mit, so dass zum Erreichen der notwendigen Betriebstemperatur von ungefähr 700 °C bis 800 °C Heizleistungen im ein- bis zweistelligen Wattbereich notwendig sind.
„
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und das sich auch in einer miniaturisierten Bauweise stabil herstellen lässt. Da die erfindungsgemäß beschriebenen Sensorelemente im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar sein sollen und diese insbesondere im Bereich der Abgasnachbehandlung bestimmte Anforderungen erfüllen müssen, wird zugleich ein Sensorelement vorgeschlagen, das trotz der miniaturisierten Bauweise gegenüber dem Abgas robust ist.
Ein erfindungsgemäßes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst ein Substrat, eine Festelektrolytmembran bzw. eine Festkörperelektrolythmembran und eine Stützstruktur. Die
Festelektrolytmembran bzw. die Festkörperelektrolythmembran ist zumindest teilweise auf der Stützstruktur angeordnet. Mit anderen Worten stützt die
Stützstruktur die Festelektrolytmembran ab. Durch das erfindungsgemäße Sensorelement lässt sich auf Basis eines Substrats, wie beispielsweise eines Siliziumsubstrats eine vergleichsweise dünne Membran aus einem
ionenleitenden Material herstellen, mit deren Hilfe die Funktion gegenwärtiger Abgassensoren in einem Mikrochip abgebildet werden kann. Die daraus resultierende Miniaturisierung ermöglicht einen Betrieb mit geringen
Heizleistungen, schnellen Aufheizzeiten und geringem Platzbedarf. Gleichzeitig stellt der Einsatz einer derartigen Dünnschichtmembran im Abgastrakt hohe Anforderungen an die mechanische und elektrisch funktionale Stabilität der Membranstruktur, die durch das Vorsehen der Stützstruktur erfüllt werden. So können im Abgastrakt hohe Druckschwankungen auftreten, beispielsweise mit Differenzdrücken von bis zu 6 bar, denen das erfindungsgemäße Sensorelement aufgrund der Stützstruktur standhalten kann. Die Stützstruktur kann dabei teilweise in der Festelektrolytmembran (bzw. in der synonym zu verstehenden Festkörperelektrolythmembran) angeordnet sein. Hohe Temperaturgradienten, wie sie im Abgas von Brennkraftmaschinen _
auftreten, können dadurch kompensiert werden. Insbesondere lassen sich dadurch thermische Spannungen innerhalb der Festelektrolytmembran bei schnellen Temperaturwechseln kompensieren. Die Stützstruktur kann insbesondere gitterförmig ausgebildet sein. Die Festelektrolytmembran kann dabei eine Mehrzahl von Membrankacheln aufweisen. Diese Membrankacheln werden von der gitterförmigen Stützstruktur umgeben. So kann es im Abgastrakt zu Wasserschlag kommen, d.h. Wasser trifft auf das bereits aufgeheizte
Sensorelement. Das erfindungsgemäße Sensorelement kann solche
gegebenenfalls stark lokalen Temperaturänderungen und daraus resultierende Spannungen im Festkörpermaterial ausgleichen und eine Rissbildung
verhindern.
Die Stützstruktur kann Auflageabschnitte aufweisen. Die Festelektrolytmembran kann auf diesen Auflageabschnitten angeordnet sein. So kann es bei einer Exposition des Sensorelementes an bzw. in Abgas zu mechanischer Belastung der Membran kommen, beispielsweise durch Vibration oder durch Auftreffen von Wassertropfen, Ruß- und Aschepartikeln. Durch die besondere Ausbildung der Stützstruktur wird die Robustheit der Membran gegenüber solchen Belastungen erhöht.
Bevorzugt sind die Auflageabschnitte so ausgebildet, dass die Membrankacheln jeweils mit 20 % bis 50 %, beispielsweise 35 %, einer den Auflageabschnitten zugewandten Oberfläche auf den Auflageabschnitten aufliegen. Dadurch wird die Druckstabilität der Membran weiter erhöht, da die Auflagefläche der
Membrankacheln auf der Stützstruktur vergrößert wird. Dies reduziert zwar einerseits die Elektrolytfläche, die für die Messgasionenleitung genutzt werden kann, verstärkt aber andererseits die Stabilität der Membran bei Druckstößen senkrecht zur Membranoberfläche. Dadurch können vorteilhaft Leckagen bzw. Gasdurchtritte zwischen dem Messgasraum und dem Referenzgasraum an der Membran vorbei zuverlässig vermieden werden. Dies ist wichtig, da bereits kleine Leckagen das Messsignal verfälschen können.
Die Stützstruktur kann die Festelektrolytmembran durchdringen. Beispielsweise weist die Stützstruktur Rippen auf, die die Festelektrolytmembran durchdringen. Dadurch kann die mechanische Festigkeit der Gesamtstruktur erhöht werden.
Das Sensorelement kann einen Referenzgasraum aufweisen. Der
Referenzgasraum kann z.B. mit Luft gefüllt sein. _.
Die Rippen können von der Festelektrolytmembran in Richtung zu dem
Referenzgasraum vorstehen. Die Festelektrolytmembran kann dabei den Messgasraum von dem Referenzgasraum trennen. Ihre Länge wirkt sich positiv auf die Stabilität der Stützstruktur und damit auf die Stabilität des
Sensorelements aus.
Zwischen den Rippen und der Festelektrolytmembran, also z.B. entlang der lateralen Erstreckungsrichtung der Membran, kann eine Haftschicht bzw. eine Haftvermittlerschicht angeordnet sein. Die Haftschicht kann die Rippen und die
Festelektrolytmembran berühren. Um beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas anhand der Nernstspannung messen zu können, muss die
Membranstruktur eine gasdichte Trennung des Abgasraums von
Referenzluftraum gewährleisten. Insbesondere bei hochgenauen
Sauerstoffmessungen kann eine Leckage des Messgases jedoch zur
Verfälschung des Sensorsignals führen. Für die Anwendung insbesondere als Abgassensorelement kann daher eine zusätzliche Haftschicht zwischen den Membrankacheln und der Stützstruktur zur Erhöhung der Dichtheit gegenüber einem Gasdurchtritt seitlich an den Membrankacheln vorbei eingesetzt werden.
Bevorzugt ist die Haftschicht bzw. die Haftvermittlerschicht aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt. Die Haftschicht bzw. die Haftvermittlerschicht kann beispielsweise ein Material aus der Gruppe der Nitride oder Oxide, z.B. Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Hafniumoxid umfassen. Die Haftschicht wirkt dabei als Vermittlerschicht zwischen der nitridischen Stützstruktur (z.B. aus
Siliziumnitrid) und der oxidischen Festelektrolytmembran (z.B. aus Zirkonoxid bzw. Zirkondioxid), indem sie chemisch sowohl an die nitridische Stützstruktur als auch an die oxidische Festelektrolytkeramik anbindet. Die Festelektrolyt- Membran kann auf diese Weise vorteilhaft stabiler und dauerhafter mit der Stützstruktur verbunden werden. Es kann sich auf diese Weise vorteilhaft z.B. eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den jeweils beteiligten Schichten ausbilden, bzw. eine höhere Verbindungsstärke zwischen den Schichtpartnern ergeben, als es ohne die Haftschicht bzw. die Haftvermittlerschicht alleine zwischen der Festelektrolythmembran und der Stützstruktur möglich wäre. Die Haftschicht kann auch unter einer Auflagefläche der Membran bzw. der
Membrankachel angeordnet sein, also zwischen der Membran und der
Auflagefläche der Stützstruktur. Dadurch sind weiterhin vorteilhaft die „
sensorsignalbildenden Bereiche, d.h. die Membrankacheln, elektrisch von der Stützstruktur entkoppelt bzw. isoliert. Dadurch können Leckströme vermieden werden, so dass die Qualität erhöht und Ansprechzeit des Sensorsignals verbessert, also verringert, wird.
Die Rippen können von der Festelektrolytmembran in Richtung zu dem
Messgasraum vorstehen. Die Rippen können beispielsweise mit einer Höhe von der Festelektrolytmembran in Richtung zu dem Messgasraum vorstehen, die mindestens so groß wie und bevorzugt größer als eine Dicke der
Festelektrolytmembran ist. Dadurch lässt sich die mechanische Festigkeit der
Gesamtstruktur zusätzlich erhöhen. Die Stützstruktur kann aus einem
dielektrischen Material hergestellt sein, da so die Festelektrolytmembran gegenüber der Stützstruktur elektrisch entkoppelt bzw. isoliert ist. Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein
Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann der
Festelektrolyt als Festelektrolytmembran oder aus mehreren
Festelektrolytmembranen ausgebildet sein. Unter einer Membran ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen. Eine Membran ist somit ein
dreidimensionaler Körper, bei dem Abmessungen von zwei Dimensionen, die die flächenhafte Ausdehnung der Membran darstellen, deutlich größer als eine Abmessung der dritten Dimension ist, die die Höhe der Membran darstellt.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Unter einem Substrat ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zu verstehen, das die elektronischen oder elektrischen Bauteile des Sensorchips trägt. Üblicherweise ist das Substrat als so genannter Wafer ausgebildet, insbesondere Siliziumwafer, also als Wafer, der aus Silizium hergestellt ist. Das Substrat kann alternativ aus einem keramischen Material hergestellt sein. Hier kann das Substrat z.B. als Träger für die Festelektrolyt-Membran dienen.
Ein Vorteil der Miniaturisierung des Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass es schnell auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden kann. Dies ist beispielsweise für eine schnelle Betriebsbereitschaft des Sensors nach einem Motorstart von großer Bedeutung. Bei Hybridfahrzeugen kann darüber hinaus gewährleistet werden, dass bei Phasen des rein elektrischen Fahrens die Beheizung des Sensors vollständig ausgeschaltet und beim
Übergang in den Betrieb mit Verbrennungsmotor eine erneute schnelle
Betriebsbereitschaft sichergestellt ist. Das schnelle Aufheizen des Sensors ist jedoch aufgrund interner Stresszustände der verwendeten Materialien mit erheblichen Schichtspannungen verbunden. Ein schnelles Aufheizen und damit die oben genannten Anwendungsvorteile sind daher nur möglich, wenn die Dünnschichtmembran entsprechend der vorliegenden Erfindung stabilisiert wird und somit ausreichend robust gegenüber den Temperaturänderungen während des Aufheizvorgangs ausgeführt ist. Eine große Auflagefläche und/oder eine Haftschicht zwischen der Membran und der Stützstruktur bzw. den Rippen der Stützstruktur können hierbei die Stabilität der Membran und die Dichtheit gegenüber einem Gasdurchtritt vom Messgasraum zum Referenzgasraum seitlich an der Membran bzw. an Membrankacheln vorbei erheblich verbessern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den
Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen: Figur 1 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung, Figur 2 eine Querschnittsansicht des Sensorelements der ersten
Ausführungsform,
Figur 3 eine Draufsicht auf eine Fotomaske zur Herstellung der Struktur aus Fig. 1,
Figur 4 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Zelle der Fotomaske aus Fig. 3,
Figur 5 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 6 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 7 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer vierten
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 8 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer fünften
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 9 eine Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einer sechsten
Ausführungsform der Erfindung, und
Figur 10 eine Querschnittsansicht des Sensorelements der sechsten
Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem
Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas. Das Sensorelement 10 weist ein Substrat 12, wie beispielsweise ein
Siliziumsubstrat, eine Festelektrolytmembran 14 und eine Stützstruktur 16 auf. Die Festelektrolytmembran 14 ist mit dem Substrat 12 verbunden bzw. an diesem aufgehängt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Die Festelektrolytmembran 14 ist beispielsweise aus YSZ hergestellt. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, ist die Festelektrolytmembran 14 zumindest teilweise auf der Stützstruktur 16 angeordnet.
Die Festelektrolytmembran 14 weist eine Mehrzahl von Membrankacheln 18 auf. Die Membrankacheln 18 sind in einem regelmäßigen Muster ausgebildet. Bei dem Sensorelement 10 der ersten Ausführungsform sind die Membrankacheln
18 wabenförmig oder hexagonal ausgebildet. Die Stützstruktur 16 ist gitterförmig ausgebildet. Beispielsweise ist die Stützstruktur bezogen auf die Draufsicht der Figur 1 ebenfalls wabenförmig oder hexagonal ausgebildet und umgibt die einzelnen Membrankacheln 18. Die Festelektrolytmembran 14, d.h. die YSZ- Schicht, muss nicht zwangsläufig mit dem Substrat 12, d.h. mit dem Silizium, verbunden sein. So sind insbesondere die Membrankacheln 18 als separate Membranelemente anzusehen, d.h. es besteht hier keine durchgängige
Festelektrolytmembranschicht. Es ist vielmehr von Vorteil, wenn zwischen dem YSZ der Festelektrolytmembran 14 und Silizium des Substrats 12 eine elektrisch isolierende Schicht wie bspw. die Stützstruktur 16 liegt.
Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorelements 10. Wie in Figur 2 zu erkennen ist, ist die Festelektrolytmembran 14 mit dem Substrat 12 verbunden bzw. an diesem aufgehängt. Die Festelektrolytmembran 14 trennt einen
Messgasraum 20 von einem Referenzgasraum 22, wobei sich der
Referenzgasraum 22 bezogen auf die Darstellung der Figur 2 unterhalb der Festelektrolytmembran 14 befindet und der Messgasraum 20 oberhalb der Festelektrolythmembran 14. In dem Referenzgasraum 22 befindet sich ein Referenzgas bekannter Zusammensetzung, z.B. Luft. In dem Messgasraum 20 befindet sich z.B. Abgas, dessen Sauerstoffanteil erfasst werden soll. Der Referenzgasraum 22 ist beispielsweise in Form einer Kaverne ausgebildet. Es ist zu verstehen, dass in einem anderen, hier nicht dargestellten
Ausführungsbeispiel, der Messgasraum 20 unterhalb der
Festelektrolythmembran 14 und der Referenzgasraum 22 oberhalb der
Festelektrolythmembran 14 angeordnet sein können. Alternativ kann der Referenzgasraum 22 als Messgasraum ausgebildet sein, so dass sich in dem Referenzgasraum das eigentlich zu erfassende Messgas befindet. In diesem Fall ist die dem Referenzgasraum 22 abgewandte Seite der Festelektrolytmembran 14 einem Referenzgas ausgesetzt bzw. zugewandt. Mit anderen Worten können der Messgasraum 20 und der Referenzgasraum 22 umgekehrt zu der Darstellung in Figur 2 angeordnet sein.
Wie aus der Darstellung der Figur 2 zu entnehmen ist, ist die Stützstruktur 16 zumindest teilweise in der Festelektrolytmembran 14 angeordnet. Die
Stützstruktur 16 kann dabei die Festelektrolytmembran 14 durchdringen. So weist die Stützstruktur 16 beispielsweise Rippen 24 auf, die die
Festelektrolytmembran 14 durchdringen. Die Rippen 24 stehen dabei von der Festelektrolytmembran 14 in Richtung zu dem Messgasraum 20 vor. Eine gesamte Höhe 26 der Stützstruktur 16 ist dabei deutlich größer als eine Dicke 28 der Festelektrolytmembran 14. Beispielsweise ist die Höhe 26 der Stützstruktur 16 mindestens dreimal größer als die Dicke 28 der Festelektrolytmembran 14.
Insbesondere stehen die Rippen 24 mit einer Höhe 30 von der
Festelektrolytmembran 14 in Richtung zu dem Messgasraum 20 vor, die mindestens so groß wie und bevorzugt größer als eine Dicke 28 der
Festelektrolytmembran 14 ist. Beispielsweise ist die Höhe 30 1,5-mal größer als die Dicke 28. Die Stützstruktur 16 ist dabei aus einem dielektrischen Material hergestellt, wie beispielsweise Siliziumnitrid oder Titandioxid.
Weiterhin stehen die Rippen 24 in Richtung zu dem Referenzgasraum 22 vor. Wichtig für die Stabilisierung sind vor allem die Rippen 24, die in Richtung des Referenzgasraumes 22, also in Richtung Chipunterseite ausgeprägt sind. Ihre
Länge wirkt sich positiv auf die Stabilität der Stützstruktur 16 und damit auf die Stabilität des Sensorelements 10 aus. Je größer die Länge der Rippen 24 innerhalb des Referenzgasraumes 22 ist, desto stabiler ist die Festelektrolytmembran 14 bzw. ist die Anordnung der Membrankacheln 18.
Bevorzugt beträgt die Länge der Rippen innerhalb des Referenzgasraums 22 wenigstens das 1,5-fache der Dicke der Festelektrolytmembran 14, besonders bevorzugt wenigstens das 10-fache bis 50-fache der Dicke der
Festelektrolytmembran 14.
Die Stützstruktur 16 weist weiterhin Auflageabschnitte 32 auf. Auf diesen
Auflageabschnitten 32 ist die Festelektrolytmembran 14 angeordnet. Die
Auflageabschnitte 32 sind dabei vergleichsweise groß ausgebildet. Insbesondere sind die Auflageabschnitte 32 so ausgebildet, dass die Membrankacheln 18 jeweils mit 20 % bis 50 % einer den Auflageabschnitten 32 zugewandten
Oberfläche 34 auf den Auflageabschnitten 32 aufliegen. Mit anderen Worten liegt jede Membrankachel 18 mit ihrer den Auflageabschnitten 32 zugewandten Oberfläche 34 in einem Maß von 20 % bis 50 %, beispielsweise 35 %, auf.
Entsprechend werden die Membrankacheln 18 entlang ihres Umfangs
gleichmäßig abgestützt.
Wie oben erwähnt, trennt die Festelektrolytmembran 14 den Messgasraum 20 von Referenzgasraum 22 gasdicht. Die Gasdichtheit kann weiter erhöht werden durch das Vorsehen einer optionalen Haftschicht 36 zwischen den Rippen 24 und der Festelektrolytmembran 14, also entlang der lateralen Richtung betrachtet zwischen den Rippen 24 und der Festelektrolytmembran 14. Dabei berührt die Haftschicht 36 die Rippen 24 und die Festelektrolytmembran 14. Gemäß der Darstellung der Figur 2 ist die Haftschicht 36 auch auf den Auflageabschnitten 32 aufgebracht, so dass die Membrankacheln 18 nicht unmittelbar mit ihrer
Oberfläche 34 auf den Auflageabschnitten 32 aufliegen, sondern auf der
Haftschicht 36. Die Haftschicht 36 ist bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, wie beispielsweise Siliziumdioxid. Die Haftschicht wirkt dabei als Vermittlerschicht zwischen der nitridischen Stützstruktur (z.B. aus
Siliziumnitrid) und der oxidischen Festelektrolytmembran (z.B. aus Zirkonoxid bzw. aus Zirkondioxid), indem sie chemisch sowohl an die nitridische
Stützstruktur als auch an die oxidische Festelektrolytkeramik anbindet. Das Sensorelement 10 kann wie nachstehend beschrieben hergestellt werden.
Zunächst wird das Substrat 12 bereitgestellt. Das Substrat 12 wird insbesondere als durchgehender Festkörper bereitgestellt. Optional kann auf das Substrat 12 eine Opferschicht aufgebracht werden. Dies ist jedoch nicht zwingend. In jedem Fall wird auf das Substrat 12 ein Fotolack aufgebracht. Beispielsweise wird der Fotolack mit einer Dicke von ungefähr 2 μηη aufgebracht.
Der Fotolack wird durch eine Fotomaske 38 hindurch belichtet. Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte Fotomaske 38. Die Fotomaske 38 weist ein gitterförmiges Muster 40 auf, das mehrere Zellen 42 definiert. Jede Zelle 42 weist eine vorbestimmte Form auf.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte Zelle 42. Da die Fotomaske 38 zur Herstellung der oben beschriebenen Membrankacheln 18 verwendet wird, weisen die Zellen 42 bei der beispielhaften Fotomaske 38 eine hexagonale Form auf.
Durch Bestrahlung mittels Lichts, werden z.B. diejenigen Bereiche des Fotolacks entfernbar bzw. löslich, die von der Fotomaske 38 abgedeckt wurden. Die Entfernung dieser Bereiche kann in einem Entwicklungsprozess in an sich bekannter Weise erfolgen.
Die so freigelegten Bereiche des Fotolacks bilden ein regelmäßiges Gittermuster, das bei der Herstellung der Stützstruktur 16 verwendet wird. Mittels isotropen Ätzens wird an den Stellen der so freigelegten Bereiche des Fotoloacks eine Mehrzahl von Vertiefungen in das Substrat 12 eingebracht. Da das Substrat 12 aus Silizium hergestellt ist, werden die Vertiefungen eingebracht, beispielsweise mittels Schwefelhexafluorid (SFe). Die Vertiefungen werden dabei derart eingebracht, dass diese gitterförmig ausgebildet werden, da diese die später vorzusehende Stützstruktur 16 bilden. Um die in Fig. 2 gezeigte Form der Stützstruktur zu erzielen, werden zwei unterschiedliche Ätzprozesse mit zwei unterschiedlichen Anisotropiegraden verwendet: Ein Ätzprozess mit hoher Anisotropie wird eingesetzt, um die geradlinigen Vertiefungen (Rippen) herzustellen. Die kelchförmige Struktur hingegen wird mit Hilfe eines weniger anisotropen bzw. mit Hilfe eines isotropen Ätzprozesses erzeugt. Anschließend wird der restliche Fotolack entfernt, beispielsweise mittels Strippens.
Die Vertiefungen werden mit Material für die Stützstruktur 16 gefüllt.
Beispielsweise wird Siliziumnitrid oder Titandioxid mittels chemischer
Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition) oder plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) abgeschieden. Ein oberer Bereich des so aufgebrachten Materials für die Stützstruktur 16 wird mittels Trockenätzens entfernt, beispielsweise mittels Nitridätzens. Das Entfernen erfolgt dabei selektiv, so dass die Rippen 24 gebildet werden. Zwischen die Rippen 24 wird daraufhin das Material für die
Festelektrolytmembran 14 abgeschieden, wie beispielsweise ein
Elektrolytmaterial, insbesondere YSZ. Das Abscheiden kann beispielsweise mittels Elektronenstrahlverdampfens erfolgen. Optional kann vor dem Aufbringen des Materials für die Festelektrolytmembran 14 das Material für die Haftschicht 36 aufgebracht werden. Schließlich werden auf der Rückseite des Substrats 12 ausgewählte Bereiche entfernt, die den Referenzgasraum 22 bilden. Das Entfernen kann mittels Nassätzens erfolgen, wie beispielsweise mittels
Kaliumhydroxid (KOH).
Die oben beschriebene Stützstruktur 16 und die Membrankacheln 18 sind nicht auf die hexagonale Form beschränkt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteil sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der zweiten Ausführungsform weisen die Membrankacheln 18 ebenfalls eine hexagonale Form auf. Hierbei sind im Unterschied zur Figur 1 benachbarte hexagonalen Zellen jedoch weiter voneinander beabstandet. Ein Abstand 44 zwischen benachbarten Membrankacheln 18 kann dabei kleiner als eine Abmessung 46 zwischen parallelen Seiten der hexagonalen Form der Membrankacheln sein. Die Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Membrankacheln 18 erlaubt.
Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der dritten Ausführungsform weisen die Membrankacheln 18 eine quadratische Form auf. Die Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Membrankacheln 18 erlaubt.
Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der vierten Ausführungsform weisen die Membrankacheln 18 eine dreieckige Form auf. Die
Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Membrankacheln 18 erlaubt.
Figur 8 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der fünften Ausführungsform weisen die Membrankacheln 18 eine Kreisform auf. Die
Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Membrankacheln 18 erlaubt.
Figur 9 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der sechsten Ausführungsform ist das Substrat 12 derart ausgebildet, dass es mehrere Festelektrolytmembranen 14 mit den Membrankacheln 18 und mehrere Stützstrukturen 16 gibt. Mit anderen Worten bildet das Substrat 12 mehrere Rahmenabschnitte 48, die die einzelnen Festelektrolytmembranen 14 und Stützstrukturen 16 voneinander trennen, insbesondere räumlich trennen. Die einzelnen Festelektrolytmembranen 14 und Stützstrukturen 16 können dabei in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein. Lediglich beispielhaft ist das Substrat 12 mit den Rahmenabschnitten 48 so ausgebildet, dass 16 Festelektrolytmembranen 14 und 16 Stützstrukturen in einem rechteckigen Muster aus 4 Zeilen und 4 Spalten angeordnet sind. Jede der
Festelektrolytmembranen 14 und jede der Stützstrukturen 16 ist wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben ausgebildet. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform ist die eine große Festelektrolytmembran 14 in mehrere kleinere Festelektrolytmembranen 14 unterteilt, denen jeweils eine eigene Stützstruktur zugeordnet ist.
Figur 10 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorelements 10 der sechsten Ausführungsform der Erfindung. Wie aus Figur 8 zu erkennen ist, sind bedingt durch die Rahmenabschnitte 48 des Substrats 12 mehrere Referenzgasräume 22 ausgebildet, die sich jeweils unterhalb der Festelektrolytmembranen 14 befinden. Die Herstellung erfolgt dabei analog der Herstellung des
Sensorelements 10 der ersten Ausführungsform mit lediglich dem Unterschied, dass eine Fotomaske verwendet wird, die die Ausbildung der zuvor
beschriebenen Form für die Stützstruktur 16 und der Festelektrolytmembranen 14 mit den Membrankacheln 18 erlaubt. Da die Festelektrolytmembranen 14 an mehreren Stellen durch die Rahmenabschnitte 48 abgestützt sind im Vergleich zu einer großen Festelektrolytmembran 14 mit den gleichen Abmessungen wie die Summe der Festelektrolytmembranen 14 der sechsten Ausführungsform, sind diese besonders stabil gegenüber Druckschwankungen.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines
Messgases in einem Messgasraum (20), insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Substrat (12), eine Festelektrolytmembran (14) und eine Stützstruktur (16), wobei die Festelektrolytmembran (14) zumindest teilweise auf der Stützstruktur (16) angeordnet ist.
2. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Stützstruktur (16) teilweise in der Festelektrolytmembran (14) angeordnet ist.
3. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützstruktur (16) gitterförmig ausgebildet ist.
4. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Festelektrolytmembran (14) eine Mehrzahl von Membrankacheln (18) aufweist.
5. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Stützstruktur (16) Auflageabschnitte (32) aufweist, wobei die
Festelektrolytmembran (14), insbesondere die Membrankacheln (18), auf den Auflageabschnitten (32) angeordnet ist.
6. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Auflageabschnitte (32) so ausgebildet sind, dass die Membrankacheln (18) jeweils mit 20 % bis 50 % einer den Auflageabschnitten (32) zugewandten Oberfläche (34) auf den Auflageabschnitten aufliegen.
7. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützstruktur (16) die Festelektrolytmembran (14) durchdringt.
8. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Stützstruktur (16) Rippen (24) aufweist, die die Festelektrolytmembran (14) durchdringen.
9. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, weiterhin
umfassend einen Referenzgasraum (22), wobei die Rippen (24) von der Festelektrolytmembran (14) in Richtung zu dem Referenzgasraum (22) vorstehen, wobei die Festelektrolytmembran (14) insbesondere den
Messgasraum (20) von dem Referenzgasraum (22) trennt.
10. Sensorelement (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Rippen (24) und der Festelektrolytmembran (14) eine Haftschicht (36) angeordnet ist.
11. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Haftschicht (36) die Rippen (24) und die Festelektrolytmembran (14) berührt.
12. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Haftschicht (36) aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.
13. Sensorelement (10) nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rippen (24) von der Festelektrolytmembran (14) in Richtung zu dem Messgasraum (20) vorstehen.
14. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Rippen
(24) mit einer Höhe (30) von der Festelektrolytmembran (14) in Richtung zu dem Messgasraum (20) vorstehen, die mindestens so groß wie und bevorzugt größer als eine Dicke der Festelektrolytmembran (14) ist.
15. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Stützstruktur (16) aus einem dielektrischen Material hergestellt ist.
PCT/EP2016/079121 2015-11-30 2016-11-29 Sensorelement zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum WO2017093244A1 (de)

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