DE102015210659A1 - Method of making a solid electrolyte sensing element - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements (110) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
a) Bereitstellen mindestens eines Halbleitersubstrats (112);
b) Ausbilden mindestens einer Kaverne (114) in mindestens einer Oberfläche (116) des Halbleitersubstrats (112);
c) zumindest teilweises Auffüllen der Kaverne (114) mit mindestens einem Opferschichtmaterial (120);
d) Aufbringen mindestens eines Schichtaufbaus (122) des Festkörperelektrolyt-Sensorelements (110) auf das Opferschichtmaterial (120), wobei der Schichtaufbau (122) mindestens eine Schicht (124) eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht (126) umfasst,
e) zumindest teilweises Entfernen des Opferschichtmaterials (120), wobei die Kaverne (114) zumindest teilweise wieder freigelegt wird, so dass die Kaverne (114) zumindest teilweise von dem Schichtaufbau (122) abgedeckt ist. A method for producing at least one solid electrolyte sensor element (110) is proposed. The method comprises the following steps:
a) providing at least one semiconductor substrate (112);
b) forming at least one cavern (114) in at least one surface (116) of the semiconductor substrate (112);
c) at least partially filling the cavern (114) with at least one sacrificial layer material (120);
d) applying at least one layer structure (122) of the solid electrolyte sensor element (110) to the sacrificial layer material (120), wherein the layer structure (122) comprises at least one layer (124) of an electrically conductive electrode material and at least one solid electrolyte layer (126),
e) at least partially removing the sacrificial layer material (120), wherein the cavern (114) is at least partially exposed again so that the cavern (114) is at least partially covered by the layer structure (122).
Description
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements. Derartige Festkörperelektrolyt-Sensorelemente können beispielsweise im Bereich der Abgassensorik und in On-Board-Diagnosesystemen eingesetzt werden. Auch andere Einsatzbereiche sind grundsätzlich denkbar. The invention relates to a method for producing a solid electrolyte sensor element. Such solid electrolyte sensor elements can be used for example in the field of exhaust gas sensors and in on-board diagnostic systems. Other applications are conceivable in principle.
Festkörperelektrolyt-Sensorelemente sind im Stand der Technik bekannt, zum Beispiel als Lambda-Sonde. Eine Messung eines Restsauerstoffanteils in einem Abgas eines Verbrennungsmotors und eine Rückkopplung des Messwerts mit einer Motorsteuerung kann für eine Minimierung von Schadstoffen, insbesondere von Stickstoffoxiden, erwünscht sein. Die Lambda-Sonden können insbesondere keramische Materialien, insbesondere Zirkoniumoxid, umfassen. Grundsätzlich können hierbei Dickschichttechniken als Herstellverfahren eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise aus
Eine als Nernstsonde ausgebildete Lambda-Sonde kann beispielsweise eine Spannung zwischen zwei über einen Festkörperelektrolyten verbundenen Elektroden messen, wobei beispielsweise Yttrium- oder Scandium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid als Membran verwendet werden kann. Dabei wird beispielsweise eine Eigenschaft von Zirkoniumdioxid genutzt, welche darin besteht, dass bei einer hohen Temperatur, üblicherweise bei 650 °C, Sauerstoffionen elektrolytisch transportiert werden können. For example, a lambda probe designed as a Nernst probe can measure a voltage between two electrodes connected via a solid electrolyte, it being possible, for example, to use yttrium- or scandium-stabilized zirconium dioxide as a membrane. In this case, for example, a property of zirconium dioxide is used, which consists in that at a high temperature, usually at 650 ° C, oxygen ions can be transported electrolytically.
Bekannte Herstellverfahren weisen jedoch eine Mehrzahl an technischen Herausforderungen auf. Dickschichttechniken können grundsätzlich nur relativ große Mindestabmessungen zulassen, und zwar sowohl hinsichtlich der Strukturbreiten, welche typischerweise größer sind als 30 µm, als auch hinsichtlich der Schichtdicken, welche üblicherweise größer sind als 10 µm. Weiterhin können die Festkörperelektrolyt-Sensorelemente grundsätzlich bei bekannten Herstellverfahren hohen Belastungen, insbesondere hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Die Belastungen können zu einer Beschädigung des Festkörperelektrolyt-Sensorelements, insbesondere der Membran des Festkörperelektrolyt-Sensorelements, führen. However, known manufacturing methods have a number of technical challenges. In principle, thick-film techniques can only permit relatively large minimum dimensions, both with regard to the structure widths, which are typically greater than 30 μm, and also with regard to the layer thicknesses, which are usually greater than 10 μm. Furthermore, the solid-state electrolyte sensor elements can basically be exposed to high loads, in particular high mechanical loads, in known production methods. The stresses can lead to damage of the solid electrolyte sensor element, in particular of the membrane of the solid electrolyte sensor element.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Es wird daher ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements vorgeschlagen, welches die oben genannten Herausforderungen bekannter Verfahren adressiert. Therefore, a method is proposed for producing at least one solid electrolyte sensor element which addresses the above-mentioned challenges of known methods.
Unter einem Festkörperelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festkörperelektrolyten handeln. In the context of the present invention, a solid electrolyte is to be understood as meaning a solid having electrolytic properties, ie having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können beispielsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Eine andere Reihenfolge ist jedoch ebenfalls denkbar. Weiterhin 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. The method according to the invention can comprise the method steps which are described below. The method steps can be carried out, for example, in the predetermined order. However, another order is also conceivable. Furthermore, one or even more process 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.
Das Verfahren zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen mindestens eines Halbleitersubstrats;
- b) Ausbilden mindestens einer Kaverne in mindestens einer Oberfläche des Halbleitersubstrats;
- c) zumindest teilweises Auffüllen der Kaverne mit mindestens einem Opferschichtmaterial;
- d) Aufbringen mindestens eines Schichtaufbaus des Festkörperelektrolyt-Sensorelements auf das Opferschichtmaterial, wobei der Schichtaufbau mindestens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht umfasst;
- e) zumindest teilweises Entfernen des Opferschichtmaterials, wobei die Kaverne zumindest teilweise wieder freigelegt wird, so dass die Kaverne zumindest teilweise von dem Schichtaufbau abgedeckt ist.
- a) providing at least one semiconductor substrate;
- b) forming at least one cavern in at least one surface of the semiconductor substrate;
- c) at least partially filling the cavern with at least one sacrificial layer material;
- d) applying at least one layer structure of the solid electrolyte sensor element to the sacrificial layer material, the layer structure comprising at least one layer of an electrically conductive electrode material and at least one solid electrolyte layer;
- e) at least partially removing the sacrificial layer material, wherein the cavern is at least partially exposed again, so that the cavern is at least partially covered by the layer structure.
Unter einem "Halbleitersubstrat" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebig geformter Halbleiter zu verstehen, welcher im weiteren Verlauf des Verfahrens einem oder mehreren Bearbeitungs- oder Beschichtungsschritten unterzogen wird. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Halbleitersubstrat sein. Das Halbleitersubstrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Das Halbleitersubstrat kann beispielsweise ganz oder teilweise aus Silizium bestehen. Auch andere Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid, insbesondere temperaturstabiles Siliziumcarbid, oder Galliumnitrid sind grundsätzlich denkbar. In the context of the present invention, a "semiconductor substrate" is basically an arbitrarily shaped semiconductor, which is subjected to one or more processing or coating steps in the further course of the process. For example, the semiconductor substrate may be a disk-shaped or plate-shaped semiconductor substrate. The semiconductor substrate may be formed in particular as a chip. For example, the semiconductor substrate may be wholly or partly made of silicon. Other semiconductor materials such as silicon carbide, in particular temperature-stable silicon carbide, or gallium nitride are conceivable in principle.
Der Begriff "Kaverne" bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einen frei und/oder offen gestalteten Hohlraum. Vorzugsweise kann es sich um einen in das Basiselements hineinragenden Hohlraum handeln. Die Kaverne kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform oder auch pyramidenstumpfförmige Grundform aufweisen. Auch andere Grundformen sind grundsätzlich denkbar. The term "cavern" in the context of the present invention refers to a free and / or open cavity. Preferably, it can be a cavity projecting into the base element. The cavern may, for example, have a cuboidal basic shape or also a truncated pyramidal basic shape. Other basic forms are conceivable in principle.
Das Ausbilden der Kaverne kann beispielsweise durch einen Ätzprozess erfolgen. Der Ätzprozess kann beispielsweise mindestens einen nasschemischen und/oder mindestens einen trockenchemischen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann beispielsweise ein reaktives Ionenätzen umfassen. Der Begriff "reaktives Ionenätzen" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen ionenunterstützten Reaktivätzprozess, bei welchem reaktive Ionen verwendet werden, um Material des Halbleitersubstrats oder eines anderen Werkstoffs abzutragen. Der Ätzvorgang kann bei diesem Verfahren primär physikalisch erfolgen, und es kann eine gewisse Vorzugsrichtung im Ätzangriff entstehen. Dementsprechend kann der Ätzprozess zur Ausbildung der Kaverne im Schritt b) insbesondere ganz oder teilweise als anisotroper Ätzprozess ausgestaltet sein. Eine Formgebung der Strukturen kann durch eine Maskierung, insbesondere durch eine mittels Fotolithographie erzeugte Maskierung, unterstützt werden. Auch ein Einsatz von weiteren Ätzprozessen ist denkbar. The formation of the cavern can be done, for example, by an etching process. The etching process may comprise, for example, at least one wet-chemical and / or at least one dry-chemical etching process. The etching process may include, for example, reactive ion etching. The term "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 semiconductor substrate or from another material. The etching process can be done primarily physically in this method, and there may be some preferential direction in the etching attack. Accordingly, the etching process for forming the cavern in step b) can in particular be designed wholly or partly as an anisotropic etching process. Shaping of the structures may be assisted by masking, in particular by masking produced by photolithography. It is also conceivable to use further etching processes.
Zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Opferschichtmaterial kann mindestens eine Ätzstoppschicht eingebracht werden. Die Ätzstoppschicht kann mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Das Material der Ätzstoppschicht kann chemisch verschieden zu dem Opferschichtmaterial sein und kann vorzugsweise eine deutlich niedrigere Ätzrate bei dem verwendeten Ätzprozess als das Opferschichtmaterial aufweisen. Die Ätzstoppschicht kann vorzugsweise in einem separaten Prozess auf das Halbleitersubstrat aufgebracht werden. Die Ätzstoppschicht kann insbesondere als Barriere während des Ausbildens der Kaverne eingerichtet sein. Insbesondere lässt sich über die Lage der Ätzstoppschicht eine Tiefe der Kaverne einstellen. At least one etch stop layer may be introduced between the semiconductor substrate and the sacrificial layer material. The etch stop layer may comprise at least one material selected from the group consisting of: silicon dioxide, silicon nitride, aluminum oxide or aluminum nitride. The material of the etch stop layer may be chemically different than the sacrificial layer material, and may preferably have a significantly lower etch rate in the used etch process than the sacrificial layer material. The etch stop layer may preferably be applied to the semiconductor substrate in a separate process. The etch stop layer may in particular be designed as a barrier during the formation of the cavern. In particular, a depth of the cavern can be adjusted via the position of the etching stop layer.
Das Verfahren kann weiterhin ein Ausbilden mindestens eines Ätzkanals umfassen. Die Kaverne und eine Umgebung des Halbleitersubstrats können über den Ätzkanal miteinander verbunden sein. Der Begriff "Ätzkanal" bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Hohlraum auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlraum handeln. Der Ätzkanal kann insbesondere eingerichtet sein, dass in Schritt e) das Opferschichtmaterial durch den Ätzkanal hindurch aus der Kaverne entfernt werden kann. Schritt d) kann derart durchgeführt werden, dass der Schichtaufbau das Opferschichtmaterial lediglich unvollständig bedeckt und der Ätzkanal mindestens einen unbedeckten Bereich des Opferschichtmaterials umfasst. The method may further include forming at least one etch channel. The cavern and an environment of the semiconductor substrate may be interconnected via the etch channel. The term "etch channel" basically refers to any cavity on the surface of the semiconductor substrate. In particular, it may be an elongated cavity. In particular, the etching channel can be set up such that in step e) the sacrificial layer material can be removed from the cavern through the etching channel. Step d) can be carried out such that the layer structure covers the sacrificial layer material only incompletely and the etching channel comprises at least one uncovered region of the sacrificial layer material.
Unter einem „Opferschichtmaterial“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Material zu verstehen, welches zunächst während des Verfahrens zum Zwecke einer Strukturierung des herzustellenden Bauelements auf- oder eingebracht wird und auf welches beispielsweise ein oder mehrere weitere Schichten oder Bauteile aufgebracht werden, welches jedoch anschließend und vor Vollendung des Bauelements wieder ganz oder teilweise entfernt wird. Das Opferschichtmaterial dient also beispielsweise als vorübergehender Träger für nachfolgende Schichten oder Bauteile des Bauelements, hier also des Festkörperelektrolyt-Sensorelements, und wird später wieder ganz oder teilweise entfernt. In the context of the present invention, a "sacrificial layer material" basically refers to any material which is initially applied or introduced during the process for the purpose of structuring the component to be produced and to which, for example, one or more further layers or components are applied but then completely and partially removed before and after completion of the device. The sacrificial layer material thus serves, for example, as a temporary support for subsequent layers or components of the component, in this case the solid electrolyte sensor element, and is later removed completely or partially.
Das Opferschichtmaterial kann mindestens ein Material umfassen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: ein Oxid, insbesondere ein Siliziumoxid; ein Halbmaterial, insbesondere ein Mischhalbleitermaterial, insbesondere Siliziumgermanium; ein Nitrid, insbesondere Siliziumnitrid. Das Opferschichtmaterial kann eine deutlich höhere Ätzrate in dem Ätzprozess aufweisen, als das Material des Halbleitersubstrats. Alternativ oder zusätzlich kann bei dem Einbringen der Ätzstoppschicht das Opferschichtmaterial eine deutlich höhere Ätzrate in dem Ätzprozess aufweisen als das Ätzstoppmaterial. Auch weitere Materialien sind denkbar. Das Opferschichtmaterial kann insbesondere eingerichtet sein, um Teile des Halbleitersubstrats, insbesondere die Kaverne, zu bedecken. Weiterhin kann das Opferschichtmaterial in einem späteren Verfahren wieder ganz oder teilweise von dem Halbleitersubstrat entfernt werden. The sacrificial layer material may comprise at least one material selected from the group consisting of: an oxide, in particular a silicon oxide; a semi-finished material, in particular a mixed semiconductor material, in particular silicon germanium; a nitride, in particular silicon nitride. The sacrificial layer material may have a significantly higher etching rate in the etching process than the material of the semiconductor substrate. Alternatively or additionally, when introducing the etching stop layer, the sacrificial layer material may have a significantly higher etching rate in the etching process than the etching stop material. Also other materials are conceivable. The sacrificial layer material may in particular be designed to cover parts of the semiconductor substrate, in particular the cavern. Furthermore, in a later method, the sacrificial layer material can be completely or partially removed from the semiconductor substrate again.
Die Kaverne kann ganz oder teilweise mit dem Opferschichtmaterial aufgefüllt werden. Das Opferschichtmaterial kann weitere Teile der Oberfläche des Halbleitersubstrats ganz oder teilweise bedecken. Das Opferschichtmaterial kann grundsätzlich durch ein beliebiges geeignetes Abscheideverfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch eine chemische Gasphasenabscheidung, ein Sputterverfahren, ein Elektronenstrahlverdampfen, eine gepulste Laserdeposition oder eine Atomlagendeposition. The cavern can be completely or partially filled with the sacrificial layer material. The sacrificial layer material may be further parts of the surface Cover the semiconductor substrate in whole or in part. The sacrificial layer material may in principle be applied by any suitable deposition method, for example by chemical vapor deposition, sputtering, electron beam evaporation, pulsed laser deposition or atomic layer deposition.
Das Verfahren kann vor Durchführung des Schritts d) weiterhin ein Entfernen von überschüssigem Opferschichtmaterial umfassen, derart, dass das Halbleitersubstrat und das in der Kaverne befindliche Opferschichtmaterial eine gemeinsame ebene Oberfläche bilden, auf welche der Schichtaufbau aufgebracht wird. Das Entfernen des überschüssigen Opferschichtmaterials kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemisch-mechanischen Polierverfahren, einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Ätzprozess, einem Ionenätzen. The method may further include removing excess sacrificial layer material prior to performing step d) such that the semiconductor substrate and the sacrificial layer material located in the cavity form a common planar surface to which the layer structure is applied. The removal of the excess sacrificial layer material 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.
Der Begriff "chemisch-mechanisches Polierverfahren" bezeichnet insbesondere ein Verfahren, welches ein Polieren des Halbleitersubstrats 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. In particular, the term "chemical mechanical polishing method" refers to a method which comprises polishing the semiconductor substrate by a polishing cloth having a defined pressure. In particular, the polishing cloth can be made of a polyurethane foam. Furthermore, during the polishing process, a preferably colloidal polishing agent may be added.
Unter einem "trockenchemischen Ätzprozess" 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. A "dry-chemical etching process" is basically a process in which the removal of material takes place by means of accelerated particles, in particular by argon ions, or by means of plasma-activated gases. In this case, physical effects and / or chemical effects, in particular chemical reactions between accelerated particles and the surface of the substrate, can be exploited.
Der Begriff "Ionenätzen" bezeichnet grundsätzlich ein Verfahren, bei welchem das Halbleitersubstrat mit Ionen beschossen wird. Beispielsweise kann es sich um das reaktive Ionenätzen handeln. The term "ion etching" basically refers to a process in which the semiconductor substrate is bombarded with ions. For example, it may be reactive ion etching.
Unter einem "Schichtaufbau" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Aufeinanderfolge von ein oder mehreren Schichten zu verstehen. Beispielsweise können die Schichten übereinander angeordnet sein. Die Schichten können sich ganz oder teilweise bedecken. Beispielsweise können die Schichten nebeneinander angeordnet sein. Der Schichtaufbau kann weiterhin Schichten verschiedener Materialien aufweisen. Der Schichtaufbau kann mehrere Schichten desselben Materials aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Under a "layer structure" in the context of the present invention is basically any sequence of one or more layers to understand. For example, the layers can be arranged one above the other. The layers can be completely or partially covered. For example, the layers may be arranged next to one another. The layer structure may further comprise layers of different materials. The layer structure may comprise several layers of the same material. Other embodiments are conceivable in principle.
Unter einer "Porosität" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches als dimensionslose Messgröße zu verstehen. Diese Messgröße kann insbesondere in Prozent angegeben werden. Beispielsweise kann das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial eine Porosität von mindestens 20 % aufweisen, bevorzugt von mindestens 30 % und besonders bevorzugt von mindestens 40 %. Bei einer Einstellung der Porosität kann es wünschenswert sein, dass zumindest teilweise eine durchgängige Leitfähigkeit der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Materials vorliegt und eine Bildung von isolierten Inseln zumindest weitgehend reduziert wird. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens eine Keramikmetallverbindung, insbesondere Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen mit einer metallischen Matrix, umfassen. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens ein Metall aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; Palladium; eine Legierung. Weiterhin kann Stickstoff-dotiertes Graphen eingesetzt werden. Insbesondere kann Stickstoff-dotiertes Graphen aufgrund einer katalytischen Wirkung eingesetzt werden. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann weiterhin mindestens ein keramisches Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich einsetzbar. In the context of the present invention, a "porosity" is to be understood as meaning a ratio of void volume to total volume of a substance or mixture of substances as a dimensionless measured variable. This measure can be specified in particular in percent. For example, the porous, electrically conductive electrode material may have a porosity of at least 20%, preferably of at least 30% and particularly preferably of at least 40%. In the case of a setting of the porosity, it may be desirable for there to be at least partial continuous conductivity of the first layer and / or the second layer of at least one porous, electrically conductive material and formation of isolated islands at least substantially reduced. The porous, electrically conductive electrode material may comprise at least one ceramic metal compound, in particular composite materials of ceramic materials with a metallic matrix. The porous electrically conductive electrode material may comprise at least one metal selected from the group consisting of: platinum; Palladium; an alloy. Furthermore, nitrogen-doped graphene can be used. In particular, nitrogen-doped graphene can be used due to a catalytic effect. Other materials are also conceivable. The porous electrically conductive electrode material may further comprise at least one ceramic material selected from the group consisting of: alumina, zirconia. Other materials are basically usable.
Der Schichtaufbau kann insbesondere mindestens eine Sensorzelle bilden, welche mindestens eine erste Schicht mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials aufweist und weiterhin mindestens eine zweite Schicht mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials. Der Schichtaufbau kann weiterhin mindestens eine Festkörperelektrolytschicht aufweisen. Die erste Schicht des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und die zweite Schicht des mindestens einen porösen elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials können über die Festkörperelektrolytschicht miteinander verbunden sein. Die erste Schicht kann auf einer der Kaverne zugewandten Seite des Schichtaufbaus angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht kann zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht kann mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid; Scandium-dotiertes Zirkoniumoxid. The layer structure may in particular form at least one sensor cell, which has at least one first layer of at least one porous, electrically conductive electrode material, and furthermore at least one second layer of at least one porous, electrically conductive electrode material. The layer structure may further comprise at least one solid electrolyte layer. The first layer of the at least one porous, electrically conductive electrode material and the second layer of the at least one porous electrically conductive electrode material can be connected to one another via the solid electrolyte layer. The first layer may be arranged on a side of the layer structure facing the cavern. The solid electrolyte layer may be disposed between the first layer and the second layer. The solid state electrolyte layer may comprise at least one material selected from the group consisting of: yttria-stabilized zirconia; Scandium-doped zirconia.
Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Schicht sind als reine Bezeichnungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Schichten und mehrere Arten von zweiten Schichten oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Schichten, beispielsweise eine oder mehrere dritte Schichten, in dem Schichtaufbau vorhanden sein. The designations "first" and "second" layer are to be regarded as pure designations without indicating an order or ranking and, for example, without precluding the possibility that several types of first layers and several types of second layers or in each case exactly one type may be provided. Farther For example, additional layers, for example one or more third layers, may be present in the layer structure.
Schritt d) kann folgende Teilschritte umfassen:
- d1) Aufbringen mindestens einer ersten Schicht eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die erste Schicht die Kaverne ganz oder teilweise bedeckt;
- d2) Aufbringen mindestens einer Festkörperelektrolytschicht auf der ersten Schicht, wobei die Festkörperelektrolytschicht die erste Schicht zumindest teilweise bedeckt;
- d3) Aufbringen mindestens einer zweiten Schicht eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Festkörperelektrolytschicht, wobei die zweite Schicht die Festkörperelektrolytschicht zumindest teilweise bedeckt.
- d1) depositing at least a first layer of a porous, electrically conductive electrode material on the surface of the semiconductor substrate, wherein the first layer completely or partially covers the cavern;
- d2) applying at least one solid electrolyte layer on the first layer, wherein the solid electrolyte layer at least partially covers the first layer;
- d3) applying at least one second layer of a porous, electrically conductive electrode material on the solid electrolyte layer, wherein the second layer at least partially covers the solid electrolyte layer.
Mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus kann durch eine strukturierte Abscheidung erfolgen. Die strukturierte Abscheidung kann beispielsweise mindestens einen Schattenmaskenprozess umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus nach dem Aufbringen strukturiert werden, insbesondere durch mindestens einen lithografischen Prozess. At least one layer of the layer structure can take place by a structured deposition. For example, the structured deposition may include at least one shadow mask process. Alternatively or additionally, at least one layer of the layer structure can be structured after application, in particular by means of at least one lithographic process.
Schritt d) kann weiterhin ein Aufbringen mindestens eines Heizelements umfassen. Insbesondere kann Schritt d) ein Aufbringen mindestens einer Heizerisolationsschicht umfassen. Die Heizerisolationsschicht kann zumindest teilweise eine weitere Schicht des Schichtaufbaus bedecken. Die Heizerisolationsschicht kann aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Aluminiumoxid hergestellt sein. Auch andere Materialien sind denkbar. Step d) may further comprise applying at least one heating element. In particular, step d) may comprise applying at least one heater insulation layer. The heater insulation layer may at least partially cover another layer of the layer structure. The heater insulation layer may be made of silicon nitride, silicon oxide or aluminum oxide. Other materials are conceivable.
Schritt e) kann mindestens einen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann insbesondere einen isotropen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Ätzprozess und dabei insbesondere einem reaktiven Ionenätzen. Step e) may comprise at least one etching process. The etching process may in particular comprise an isotropic etching process. The etching process may comprise at least one process selected from the group consisting of: a wet chemical etching process, a dry chemical etching process, and in particular a reactive ion etching.
Alternativ oder zusätzlich zu Schritt e) kann das Verfahren ein selektives Entfernen des Halbleitersubstrats umfassen. Durch das selektive Entfernen des Halbleitersubstrats kann eine Kavität unter dem Schichtaufbau erzeugt werden. Das selektive Entfernen kann insbesondere einen selektiven Ätzprozess, insbesondere in einem Chlorfluorid-Gas und/oder in einem Xenonfluorid-Gas, umfassen. Alternatively, or in addition to step e), the method may include selectively removing the semiconductor substrate. By selectively removing the semiconductor substrate, a cavity can be created under the layer structure. The selective removal may in particular comprise a selective etching process, in particular in a chlorofluoride gas and / or in a xenon fluoride gas.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Festkörperelektrolyt-Sensorelement offenbart, umfassend:
- I. mindestens ein Halbleitersubstrat;
- II. mindestens eine in mindestens einer Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildete Kaverne;
- III. mindestens einen Schichtaufbau, wobei der Schichtaufbau mindestens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht umfasst, wobei der Schichtaufbau die Kaverne zumindest teilweise abdeckt.
- I. at least one semiconductor substrate;
- II. At least one cavern formed in at least one surface of the semiconductor substrate;
- III. at least one layer structure, wherein the layer structure comprises at least one layer of an electrically conductive electrode material and at least one solid electrolyte layer, wherein the layer structure at least partially covers the cavern.
Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement ist herstellbar nach dem Verfahren, wie es bereits oben beschrieben wurde oder nachfolgend beschrieben wird. The solid electrolyte sensor element can be produced by the method as already described above or described below.
Die Festkörperelektrolytschicht kann insbesondere eine Membran ausbilden. 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 zwischen 100 nm und 5 µm liegt, oder besonders bevorzugt zwischen 300 nm und 1 µm. 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 möglich. Auf dem Halbleitersubstrat können mehrere Festkörperelektrolyt-Schichten als Membranen ausgebildet sein. Die Festkörperelektrolyt-Schichten können vorzugsweise parallel zueinander auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sein. The solid electrolyte layer may in particular form a membrane. Under a membrane according to the present invention is basically an element with an arbitrary surface area and a defined thickness to understand, the thickness is preferably between 100 nm and 5 microns, or more preferably between 300 nm and 1 micron. The membrane may, for example, be permeable to at least one or more substances in one direction. For example, the membrane may be permeable to at least one or more substances in both directions. Other embodiments are possible in principle. On the semiconductor substrate, a plurality of solid electrolyte layers may be formed as membranes. The solid electrolyte layers may preferably be arranged parallel to one another on the semiconductor substrate.
Die Ätzkanale können eingerichtet sein, um für das Festkörperelektrolyt-Sensorelement einen Druckausgleichskanal für ein Referenzvolumen, insbesondere ein gepumptes O-Referenzvolumen, darzustellen. The etching channels can be set up to display a pressure compensation channel for the reference volume, in particular a pumped O reference volume, for the solid electrolyte sensor element.
Die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials insbesondere eingerichtet sein, um eine Heizerstruktur und einen Sensorkontakt bereitzustellen. The second layer of the porous, electrically conductive electrode material may be configured in particular to provide a heater structure and a sensor contact.
Das vorgeschlagene Verfahren weist gegenüber bekannten Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Durchschnittliche Abmessungen des Festkörperelektrolyt-Sensorelements können grundsätzlich verringert werden. Beispielsweise können durchschnittliche Abmessungen eines mittels Dickschichttechnik hergestellten Sensorelements im Bereich von 5 mm × 5mm × 2 mm liegen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die durchschnittlichen Abmessungen des Festkörperelektrolyt-Sensorelements beispielsweise bei 1mm × 2mm × 1 mm liegen. Dies kann insbesondere zu einem verringerten Bauraum, einer schnelleren Betriebsbereitschaft, insbesondere von kleiner als 3 Sekunden und einer geringeren benötigten Heizleistung, beispielsweise von 100 mW, führen. Durch eine Verwendung des Opferschichtmaterials in dem Verfahren zur Herstellung des Festkörperelektrolyt-Sensorelements können grundsätzlich mehrere oder alle Schritte des Verfahrens auf einem massiven Material erfolgen, bevor die Festkörperelektrolytschicht freigestellt wird. Hierdurch kann insbesondere ein vorzeitiger Membranbruch durch mechanische Belastungen während des Verfahrens zur Herstellung verhindert werden. Zusätzlich kann es von Vorteil sein, die Oberfläche des Festkörperelektrolyt-Sensorelements auf mehrere, parallelgeschaltete und kleinflächige Membranen aufzuteilen. So kann insbesondere eine Druckfestigkeit in einem Sensorbetrieb deutlich erhöht werden. Insbesondere kann bei einer identischen Membrandicke die Druckfestigkeit bei einer vierfachen Verringerung einer Membranfläche die Druckfestigkeit um das Achtfache erhöht werden. The proposed method has numerous advantages over known methods. Average dimensions of the solid electrolyte sensor element can be basically reduced. For example, average dimensions of a thick-film sensor element may be in the range of 5 mm × 5 mm × 2 mm. By the method according to the invention, the average dimensions of the solid electrolyte sensor element, for example, at 1mm × 2mm × 1 mm lie. This can in particular lead to a reduced installation space, a faster operational readiness, in particular of less than 3 seconds and a lower required heating power, for example of 100 mW. By using the sacrificial layer material in the method for producing the solid electrolyte sensor element, in principle, several or all steps of the method can be carried out on a solid material before the solid electrolyte layer is released. In this way, in particular premature membrane rupture can be prevented by mechanical loads during the production process. In addition, it may be advantageous to divide the surface of the solid electrolyte sensor element into a plurality of parallel connected and small-area membranes. In particular, a pressure resistance in a sensor operation can be significantly increased. In particular, with an identical membrane thickness, the compressive strength can be increased eightfold with a fourfold reduction in a membrane area.
Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement kann grundsätzlich wie folgt hergestellt werden: Das Substrat kann insbesondere Silizium umfassen, da für dieses Material grundsätzlich eine Fülle an Strukturierungs- und Abscheideprozessen zur Verfügung steht, welche für eine Erzeugung des Schichtaufbaus vorteilhaft sind. Des Weiteren weist Silizium grundsätzlich eine hohe Temperaturstabilität (Erweichungstemperatur 1200 °C) auf, welche üblicherweise für einen Einsatz im Bereich der Abgassensorik erforderlich sind. In die Oberfläche des Substrats kann anschließend die Kaverne strukturiert werden, welche eine Vertiefung in einem Bereich der später aktiven Sensorfläche aufweist, sowie je nach Anforderung die Ätzkanäle, die einen Zugang für das Opferschichtmaterial sowie den später notwendigen Druckausgleichskanal für das gepumpte O-Referenzvolumen darstellen. Die Kaverne kann anschließend mit dem Opferschichtmaterial beispielsweise über einen Depositionsprozess ausgefüllt werden. Als Opferschichtmaterial können bevorzugt Siliziumdioxid, aber alternativ auch Siliziumgermanium, oder Siliziumnitrid in Frage kommen. Diese Materialien lassen sich grundsätzlich nasschemisch und/ oder trockenchemisch entfernen. Das Opferschichtmaterial kann einem topologischen Verlauf der Kaverne folgen. Daher kann im Anschluss ein chemisch-mechanisches Polierverfahren durchgeführt werden, bei dem das Opferschichtmaterial bis zu einem Niveau der ursprünglichen Oberfläche des Substrats zurückpoliert wird. Auf die polierte Oberfläche kann das Aufbringen der ersten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials, insbesondere einer gasdurchlässigen, porösen Platinschicht, der Festkörperelektrolytschicht sowie der zweiten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials, erfolgen. Die Schichten können bereits strukturiert abgeschieden werden, beispielsweise über einen Schattenmaskenprozess. Die Schichten können nachträglich über lithografische Verfahren und anschließende Ätzprozesse, insbesondere Ionenstrahlätzen, strukturiert werden. Die Strukturierung kann so erfolgen, dass ein kleiner Teil der hervorstehenden Ätzkanäle sowie ein Teil der ersten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials zu einer besseren späteren Kontaktierung freiliegt. Die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials kann so strukturiert werden, dass diese die Heizerstruktur und den Sensorkontakt bereitstellt. In principle, the solid-state electrolyte sensor element can be produced as follows: The substrate can in particular comprise silicon, since a wealth of structuring and deposition processes are available for this material, which are advantageous for producing the layer structure. Furthermore, silicon generally has a high temperature stability (softening temperature 1200 ° C.), which are usually required for use in the area of the exhaust gas sensor system. In the surface of the substrate, the cavern can then be structured, which has a depression in a region of the later active sensor surface, and depending on the requirement, the etching channels, which provide access for the sacrificial layer material and the later required pressure equalization channel for the pumped O reference volume. The cavern can then be filled with the sacrificial layer material, for example via a deposition process. Silica, but alternatively also silicon germanium or silicon nitride may be considered as sacrificial layer material. These materials can be removed basically wet-chemically and / or dry-chemically. The sacrificial layer material can follow a topological course of the cavern. Therefore, a chemical mechanical polishing process may then be performed in which the sacrificial layer material is polished back to a level of the original surface of the substrate. On the polished surface, the application of the first layer of the porous, electrically conductive electrode material, in particular a gas-permeable, porous platinum layer, the solid electrolyte layer and the second layer of the porous, electrically conductive electrode material, take place. The layers can already be deposited in a structured manner, for example via a shadow mask process. The layers can be subsequently structured by lithographic processes and subsequent etching processes, in particular ion beam etching. The structuring can be carried out such that a small part of the projecting etching channels as well as a part of the first layer of the porous, electrically conductive electrode material are exposed for a better subsequent contacting. The second layer of the porous, electrically conductive electrode material may be patterned to provide the heater structure and the sensor contact.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem Schichtaufbau die zweite Schicht des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials in einer lateralen Ausdehnung nicht über eine laterale Ausdehnung der Kaverne herausreicht. Ein Überlapp zwischen der zweiten Schicht und dem Halbleitersubstrat kann in dem Sensorbetrieb, insbesondere in einem gepumpten Sensorbetrieb, des Sensorelements dazu führen, dass Sauerstoff bis zu einer Grenzfläche zwischen der ersten Schicht des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und dem Halbleitersubstrat gepumpt wird und zu einem Abplatzen des Schichtaufbaus führt. In particular, it may be advantageous if, in the layer structure, the second layer of the at least one porous, electrically conductive electrode material in a lateral extent does not extend beyond a lateral extent of the cavity. In the sensor operation, in particular in a pumped sensor operation, an overlap between the second layer and the semiconductor substrate may cause the sensor element to be pumped and pumped to an interface between the first layer of the at least one porous, electrically conductive electrode material and the semiconductor substrate a flaking of the layer structure leads.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, zunächst die erste Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials zu strukturieren und anschließend die Festkörperelektrolytschicht und die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials abzuscheiden. Dadurch kann die Festkörperelektrolytschicht insbesondere über die Kaverne hinaus reichen und eine mechanische Stabilität der Festkörperelektrolytschicht erhöhen. Das Opferschichtmaterial kann durch den Ätzkanal entfernt werden und eine Kavität unter dem Schichtaufbau bilden. Der Ätzkanal kann beispielsweise in dem Halbleitersubstrat an der Grenzfläche zur ersten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Ätzkanal ein Loch in dem Schichtaufbau darstellen. Insbesondere um eine Anforderung an die Druckfestigkeit der Festkörperelektrolytschicht zu erfüllen, können Kontakte auf den Festkörperelektrolytschichten in einer obersten Ebene des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials miteinander verbunden sein. It may also be advantageous to first pattern the first layer of the porous, electrically conductive electrode material and then to deposit the solid electrolyte layer and the second layer of the porous, electrically conductive electrode material. As a result, the solid-state electrolyte layer can extend beyond the cavern, in particular, and increase mechanical stability of the solid-state electrolyte layer. The sacrificial layer material can be removed through the etch channel and form a cavity below the layer structure. The etching channel may be formed, for example, in the semiconductor substrate at the interface with the first layer of the porous, electrically conductive electrode material. Alternatively or additionally, the etching channel may constitute a hole in the layer structure. In particular, in order to meet a requirement for the compressive strength of the solid electrolyte layer, contacts on the solid electrolyte layers may be interconnected in a topmost plane of the porous, electrically conductive electrode material.
In einer Ausführungsform kann die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials zu einer Kontaktierung des Sensorelements verwendet werden. Anschließend kann, durch eine Isolationsschicht getrennt, eine weitere Schicht eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials für eine Heizerstruktur aufgebracht werden. Ein Vorteil kann darin liegen, dass für die Kontaktierung des Sensorelements und für die Heizstruktur jeweils gute morphologische und/oder elektrische Eigenschaften der Schichten des porösen, elektrisch leitfähigen Materials erreicht und verwendet werden können. In one embodiment, the second layer of the porous, electrically conductive electrode material may be used to contact the sensor element. Subsequently, separated by an insulating layer, a further layer of a porous, electrically conductive electrode material for a heater structure can be applied. One advantage may be that for the contacting of the sensor element and for the heating structure each good morphological and / or electrical properties of the layers of the porous, electrically conductive material can be achieved and used.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen: Show it:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren gezeigt. Diese Ausführungsbeispiele sind getrennt voneinander realisierbar, sind jedoch, wie der Fachmann erkennen wird, auch ganz oder in Teilen miteinander kombinierbar. Various exemplary embodiments of methods according to the invention are shown below. These exemplary embodiments can be implemented separately from one another, but, as the person skilled in the art will recognize, they can also be combined with one another in whole or in part.
Die
In einem Schritt a) wird zunächst mindestens das Halbleitersubstrat
Anschließend wird in einem Schritt b) mindestens eine Kaverne
Anschließend wird in einem Schritt c) die Kaverne
In dem Schritt d) kann das Verfahren folgende Teilschritte umfassen. In einem ersten Teilschritt d1) kann eine erste Schicht
Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens eine Keramikmetallverbindung, insbesondere Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen mit einer metallischen Matrix, umfassen. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens ein Metall aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; Palladium; eine Legierung. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann weiterhin insbesondere mindestens ein keramisches Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid. The porous, electrically conductive electrode material may comprise at least one ceramic metal compound, in particular composite materials of ceramic materials with a metallic matrix. The porous electrically conductive electrode material may comprise at least one metal selected from the group consisting of: platinum; Palladium; an alloy. The porous, electrically conductive electrode material can furthermore in particular comprise at least one ceramic material selected from the group consisting of: aluminum oxide, zirconium dioxide.
In einem zweiten Teilschritt d2) kann die Festkörperelektrolytschicht
In einem dritten Teilschritt d3) kann eine zweite Schicht
In den
Die
Die dargestellten Teilschritte in den
Das Verfahren kann vor Durchführung des Schritts d) ein Entfernen von überschüssigem Opferschichtmaterial umfassen. Dies ist in
Die dargestellten Teilschritte in den
Die dargestellten Teilschritte in den
Schritt d) kann weiterhin ein Aufbringen mindestens eines Heizelements
Die Heizerisolationsschicht
Auf die Heizerisolationsschicht
In
In
In
Der Teilschritt b) kann das Ausbilden mehrerer Kavernen
Alternativ oder zusätzlich zu Schritt e) kann das Verfahren ein selektives Entfernen des Halbsubstrats
Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement
Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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