WO2017102580A1 - Micromechanical solid-electrolyte sensor apparatus - Google Patents
Micromechanical solid-electrolyte sensor apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- WO2017102580A1 WO2017102580A1 PCT/EP2016/080400 EP2016080400W WO2017102580A1 WO 2017102580 A1 WO2017102580 A1 WO 2017102580A1 EP 2016080400 W EP2016080400 W EP 2016080400W WO 2017102580 A1 WO2017102580 A1 WO 2017102580A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- region
- sensor device
- solid
- layer
- membrane
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
- G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
Definitions
- Solid state electrolyte known.
- these are used as so-called lambda sensors in the automotive sector, in particular for detecting an air ratio of an air-fuel mixture.
- such sensors are used as nitrogen oxide sensors.
- Such sensor devices are currently typically manufactured by screen printing and / or thick film technology. As examples are so-called
- Lambda jump probes to call can also be mentioned here.
- the micromechanical solid-state electrolyte sensor device has a micromechanical carrier substrate having a front side and a rear side, a first porous electrode and a second porous electrode and a solid electrolyte embedded between the first porous electrode and a second porous electrode.
- a sensor In order to use a sensor as a lambda probe or as a nitrogen oxide sensor, for example, an operating temperature of more than 300 ° C, sometimes even more than 500 ° C may be required.
- a mobility of ions through a solid electrolyte through the Temperature of the sensor or the solid electrolyte can be controlled. For example, this is from Menzel et al., Origin of the Ultra-Nonlinear Switching Kinetics in Oxide-Based Resitive Switches, Adv. Funct. Mater., Vol. 21, pages 4487-4492, 2011.
- sensor devices can be provided with heating elements for achieving and maintaining the operating temperature. To detect at least one property of a gas is to achieve this
- p is the specific electrical resistance
- AH is the cross-sectional area of the heating conductor and I its length. Platinum may be required as a material to withstand great heat and, for example, aggressive fumes over life. Since the length I is usually predetermined and the material must be adapted to the ambient conditions, essentially the cross section AH can be changed to generate the required heating power. Length I multiplied by the cross section AH results in the volume of material that is required for a desired heat output.
- Micromechanical solid electrolyte sensor devices already have some advantages over conventional solid electrolyte sensor devices. In particular, these offer approaches to miniaturize the sensor devices, for example by means of a production
- a semiconductor material for example silicon, serves as substrate for a
- Thin-film membrane made of an oxygen-ion-conducting functional ceramic. Due to the miniaturization, the area to be heated can be reduced, which reduces the heating power. The heating up times can also be shortened.
- the high heating power in the range of several watts up to 50 watts is required on the one hand to the solid electrolyte membrane on the
- ⁇ corresponds to
- Temperature difference between a first temperature Tl, e.g. at the location of the heater and a second temperature T2, e.g. on an outside of the sensor, ⁇ Tl - T2.
- the surface A corresponds, for example, to the surface which appears as the surface
- the thickness d is the distance in the area from the location where the first temperature Tl is determined and the location where the second temperature T2 is determined.
- the temperature difference and thus the heat flow can be very large. This results from the high operating temperature of more than 300 ° C and temperatures that can be approximately at room temperature (25 ° C) on an outside of the sensor.
- micromechanical, solid electrolyte sensor device and a method for measuring a property of a gas, in particular a
- Oxygen content and / or an air ratio proposed, which at least partially circumvent or solve the disadvantages and limitations mentioned above. These are shown in the independent claims.
- a solid electrolyte sensor device for detecting at least one property of a gas.
- the solid-state electrolyte sensor device may be micromechanically formed, for example.
- the solid electrolyte sensor device comprises at least one carrier substrate.
- the carrier substrate may be e.g. be formed as a semiconductor substrate.
- the solid-state electrolyte sensor device further comprises at least one layer structure including at least a first porous electrode, at least one second porous electrode, and a layer sandwiched between the first porous electrode and the second porous electrode along a layer thickness direction
- Solid electrolyte layer has.
- the at least one layer structure is arranged in a first region of the at least one carrier substrate.
- the first area is perpendicular to the first plane
- Layer thickness direction surrounded by a second area.
- an insulating region is provided between the first region and the second region.
- the insulating region is, for example, arranged transversely or perpendicular to the layer thickness direction between the first and second region.
- the thermal conductivity in the insulating region is less than the thermal conductivity in the second region.
- Layer thickness direction (e.g., a z direction in a Cartesian)
- Coordinate system has a smaller extension than in the planar plane of extension of the layer structure (for example the x-y plane of the Cartesian coordinate system).
- thermal conductivity is to be understood as meaning the thermal conductivity which, when averaging over the
- Cross section (e.g., parallel to the layer thickness direction between the first region and the second region).
- specific thermal conductivity values along a cross-sectional area are weighted according to their proportion in the cross-section, thus resulting in the heat conductivity relevant for the cross-section.
- the heated layer structure has along the layer thickness direction e.g. a first thickness in the first area.
- Carrier substrate or the semiconductor substrate have along the
- Thermal conductivity can now be determined by the weighted averaging of the specific thermal conductivities along the thicker of the two thicknesses or along the total thickness of the two thicknesses, when along the thickness of the two thicknesses
- Layer thickness direction offset from each other are determined.
- the thermal conductivity is lower than in the second region, which is e.g. can adjoin the insulating region, for example, can directly adjoin, so that a heat flow from inner regions is reduced to the outside.
- the heat flow from the first area to the second area can be reduced by decreasing the term for the (average) thermal conductivity ⁇ .
- the heating power can be reduced so advantageous, since the registered heating power is relatively considered to a greater extent in the heating of the layer arrangement and to maintain the operating temperature is used. In other words, the loss of heating power can be significantly reduced. Also, the time that is required to heat the sensor or the layer arrangement from a quiescent temperature to the operating temperature can be significantly shortened. Another advantage is that the heating elements can be made smaller, for example in their cross section AH, which basically a lot of in particular for _
- the insulating region acts in the manner of a thermal insulating layer, for example, in
- solid electrolyte sensor device Under a “solid electrolyte sensor device” is generally a
- Solid electrolyte used, so at least one solid material which is adapted to conduct ions, for example, oxygen ions.
- Solid-state electrolyte sensor device may in particular be designed to detect at least one property of a gas.
- the property of the gas can in this case in particular be an oxygen content and / or an air ratio and / or a proportion of a component in the gas, in particular one
- Oxygen compound in the gas in particular a NOx component be.
- Sensor device may be configured to qualitatively and alternatively or additionally also quantitatively detect the property of the gas.
- Solid-state electrolyte sensor device may be in particular an oxygen sensor or a nitrogen oxide sensor.
- Other solid electrolyte sensor devices are conceivable in principle. Such sensors can be used in particular in exhaust systems. However, other applications are also conceivable.
- a "solid-state electrolyte” is a solid having electrolytic properties, ie ion-conducting
- the solid electrolyte may be a ceramic solid electrolyte.
- the solid electrolyte may comprise zirconia, preferably yttria-stabilized zirconia. Other materials are also conceivable.
- micromechanical in the context of the present invention is generally to be understood as meaning the property of a three-dimensional structure which has dimensions in the micrometer range, i. in the range below 1 mm. For example, these may be widths of caverns, layer thicknesses of membranes or similar characteristic dimensions which may be present in this
- micromechanical sensor devices are produced, at least in large part, using microsystem technology. These can be, for example, photolithographic processes known from semiconductor technology, as well as etching steps for structuring surfaces.
- a “carrier substrate” here is to be understood as meaning a substrate which is suitable for forming a layer arrangement therefrom or for arranging the layer arrangement in it
- the carrier substrate may have, for example, an areal extent in a plane and have a thickness, for example substantially It may be, for example, a ceramic carrier substrate or a semiconductor carrier substrate or a semiconductor substrate.
- semiconductor substrate in the context of the present invention is basically an arbitrarily shaped semiconductor to understand.
- the semiconductor substrate may be a disk-shaped or plate-shaped
- the semiconductor substrate may be formed in particular as a chip.
- the semiconductor substrate may further comprise at least one
- Silicon a silicon compound, in particular silicon carbide; one
- Gallium compound in particular gallium arsenide.
- further materials are conceivable in principle.
- a layer structure in the context of the present invention is basically any sequence of one or more layers to understand.
- the layers can be arranged one above the other.
- the layers can cover or cover themselves completely or partially.
- the layers may be arranged next to one another.
- the first electrode, the solid electrolyte layer and the second electrode along the layer thickness direction (z) are arranged, so one above the other.
- the layers may, for example, each have a thickness of 100 nm to 500 ⁇ . Other dimensions are possible in each case.
- the layer structure may further comprise layers of different materials.
- the layer structure may comprise several layers of the same material. Each layer alone may be unstructured or may also have a structure in a layer plane. Other embodiments are conceivable in principle. ⁇
- Electrode in the context of the present invention generally means an element for the exchange of ions or electrons between the element and a solid electrolyte.
- the electrode can be introduced by means of ions in the solid electrolyte, for example oxygen ions, which is also referred to as “incorporation” of the ions, and / or ions are discharged from the solid electrolyte and, for example, converted into a gas, for example oxygen gas, this process can also be referred to as "expansion" of the ions.
- the electrodes may thus be, in particular, electrical contacts for the electrical and / or ionic contacting of a solid electrolyte.
- 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.
- the first porous electrode and / or the second porous electrode may comprise an electrically conductive electrode material having a porosity of at least 3%, preferably at least 5%, more preferably at least 10%, most preferably at least 20% or even at least 40%. When adjusting the porosity, it may be desirable that at least partially
- Continuous conductivity of the first porous electrode and / or the second porous electrode is present, preferably by a formation of isolated islands is at least largely reduced.
- the porous, electrically conductive electrode material may comprise at least one ceramic compound, in particular composite materials made of ceramic
- porous, electrically conductive electrode material can in this case at least one metal, in particular
- nitrogen-doped graphene can be used.
- nitrogen-doped graphene can be used due to a catalytic effect. Basically, however, every material is electrically conductive
- the porous, electrically conductive electrode material may further comprise at least one ceramic material, preferably selected from the group consisting of: alumina, zirconia. Other materials are basically usable.
- the first porous electrode and the second porous electrode may have pores such that gas passage through the first porous electrode and / or the second porous electrode is possible.
- a gas passage through the electrodes can take place, wherein the gas, for example oxygen O2, can be converted into ions, eg oxygen ions O 2 " , at an interface between the electrode and the solid electrolyte, and wherein the ions enter a lattice of the solid electrolyte
- ions for example oxygen ions O 2 "
- the first porous electrode and / or the second porous electrode may be electrically contactable.
- the terms "first" and "second" porous electrode are as pure
- Electrodes or in each case exactly one type can be provided.
- additional porous electrodes for example one or more third porous electrodes, may be present in the layer structure.
- the first porous electrode and the second porous electrode may be electrically contactable.
- on the semiconductor substrate at least one electrode contact for a first porous electrode and at least one
- Electrode contact may be provided for a second porous electrode.
- the first porous electrode and the second porous electrode can be, for example, by wire bonding and / or by means of at least one flip-clip method
- a method for measuring a property of a gas in a measurement gas space comprises a use of, in particular
- micromechanical solid electrolyte sensor device In this case, the second porous electrode is exposed to the gas from the sample gas space.
- the first porous electrode is charged with a reference gas, for example air or oxygen or with air, the one having known oxygen concentration.
- the method further comprises detecting at least one electrical signal on an electrode, the electrode being selected from the group consisting of: the first porous electrode and the second porous electrode.
- the first electrode may also be charged with the gas from the measurement gas space and the second electrode with the reference gas or the gas from the reference gas space.
- the method steps may preferably be carried out in the predetermined order; another order is conceivable.
- One or even several method steps can be performed simultaneously or overlapping in time.
- Procedural steps can be carried out easily or repeatedly.
- the method may additionally comprise further method steps.
- the method may further comprise detecting at least one electrical signal at the first porous electrode and / or at the second porous electrode.
- At least one chemical property of a gas and / or a physical property of the gas can be detected.
- Partial oxygen pressure and / or a proportion of at least one component of the gas, in particular a proportion of an oxygen compound in the gas, in particular a NOx component, are detected. Accordingly, the method can serve, for example, for detecting an air ratio. However, other properties can be detected alternatively or additionally.
- the “measuring space” may in particular be a gas space in a motor vehicle, for example an exhaust gas tract in a vehicle
- the “reference gas” may in particular be at least one gas with at least one known composition, for example air, in particular ambient air.
- the insulating region comprises at least one material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region.
- the layer structure in the first region may be of the
- Carrier substrate or the semiconductor substrate in the second region in the insulating region e.g. by an insulating material, in particular by a dielectric
- Insulation material be isolated.
- the insulating material may have a low specific thermal conductivity or a low thermal conductivity relative to the thermal conductivity of the second region to a
- Equation (1) the transfer of thermal power in the second range can be reduced. Since this heat transfer in the second region corresponds to an undesirable heat loss, which is now reduced, the advantageous Heating power can be reduced and the warm-up time for the to be heated
- Solid electrolyte membrane or solid electrolyte layer decreases.
- the insulating region comprises at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous
- Silicon a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; an insulating plastic, in particular polyimide.
- a carrier substrate or semiconductor substrate in the second region can be selected by this choice of material, the heat transfer and thus the
- Heat loss from the first area in the second area can be significantly reduced.
- Silicon which is e.g. can be used as a material of the semiconductor substrate in the second region, a thermal conductivity at
- porous silicon can be made to have a specific thermal conductivity of less than 5 W / mK, preferably less than 2 W / mK.
- Silicon nitride can be made to have a specific thermal conductivity of less than 35 W / mK or less than 25W / mK.
- a further embodiment provides that a cavern is formed in the insulating area.
- the side walls of the cavern may be formed by the outer walls of the first area facing the second area and / or by the outer walls of the second area facing the first area.
- the side walls of the cavern for example, extend substantially parallel to the layer thickness direction.
- cavern is generally understood in the context of the present invention, in principle, a free and / or open cavity designed.
- the cavern and / or the further cavern may have a cuboid shape.
- Other embodiments are conceivable in principle.
- the cavern formed in the insulating region acts with its "filling" of air or the ambient gas or even vacuum as a material layer with a particularly low specific Thermal conductivity.
- Air for example, has a specific thermal conductivity at room temperature of less than 0.03 W / mK - so it is negligible compared to a solid-state thermal conductivity.
- the cavern thus acts as a first approximation as a reduction of the area A from the equation (1) over which the first area is in contact with the second area.
- Insulation advantageous advantageous the (average) thermal conductivity through the arrangement of the cavern, so that the heat loss performance is greatly reduced.
- a development provides that a layer is arranged on the semiconductor substrate, wherein the layer extends from the first region to the second region.
- the layer may be e.g. be formed in their adjacent to the cavern sections as a membrane.
- a “membrane” is generally to be understood as meaning a layer or layer sequence whose lateral extent exceeds the thickness of the layer or layer sequence by at least a factor of 10, preferably by at least a factor of 100.
- the membrane may be formed in the present case by the layer structure, but in addition one or more further layers may be contained in the membrane.
- a heat transfer can advantageously be further reduced by a thickness of the layer is reduced or is made very small. This again results from equation (1). Because the layer thickness affects in cross-section between the first and the second area the passage area A for the
- the membrane is the only mechanical and thus thermally conductive connection between the first area and the second area. It can e.g. Bridging the cavern in the insulation area and thus representing the only thermal bridge. The smaller the thickness of the layer or membrane, the lower the passage area A.
- the, e.g. micromechanical solid electrolyte sensor device in particular be divided into at least one "hot region" in the first region and at least one "cold region” in the second region. The hot ones
- Regions and the cold regions may be connected to each other through the membrane.
- the membrane may in particular have a small thickness, For example, in the range of 0.1 to 100 ⁇ , and continue to have a thermally insulating function, so that only a minimal heat transfer from the hot region to the cold region can take place.
- Layer thickness direction (z) regards the carrier substrate, e.g. when
- Passage area A for heat from the first area to the second area advantageously particularly greatly reduced or is thereby the (averaged)
- Thermal conductivity between the first region and the second region in the insulating region is particularly reduced.
- a cavity which completely penetrates the carrier substrate or the semiconductor substrate is to be understood as meaning a cavity which surrounds the carrier substrate or semiconductor substrate from a front side of the carrier substrate or semiconductor substrate to a rear side of the carrier substrate
- Carrier substrate or the semiconductor substrate completely penetrated.
- the first area may still be selectively connected to the second area in the insulating area by sections in which the cavern does not completely penetrate the carrier substrate or the semiconductor substrate.
- the first region may be connected to the second region by means of the layer or the membrane.
- the cavern is at least partially filled with a material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region.
- the cavern is in particular at least partially filled with a material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; one
- Aluminum compound in particular aluminum oxide, in particular
- the cavern is filled with a solid. In this way, for example, thermal stresses in the insulating region over a large cross-sectional area (cross section parallel to the layer thickness direction) can be reduced.
- the cavern can be filled with the insulating material after its production, for example by an etching process. Alternatively or additionally, it can be provided that the layer at least one
- the layer comprises at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular
- Alumina in particular aluminum nitride; a thermally insulating plastic, e.g. Polyimide.
- Passage area A is reduced. Rather, it is also the specific one
- Thermal conductivity ⁇ of the layer material less than that of the material in the second region. As a result, a particularly low heat transfer can be ensured. If the layer is e.g. because of a completely through the
- the micromechanical solid electrolyte sensor device has at least one further cavern.
- the further cavern can be arranged, for example, in the first region.
- the further cavern defines at least one further membrane formed by the layer structure. This has the advantageous effect that the layer structure is particularly well thermally isolated from the environment.
- the further membrane is connected, for example, only at its edge regions with the carrier substrate or the semiconductor substrate.
- the further cavern may be formed such that it does not completely penetrate the carrier substrate or the semiconductor substrate.
- the heating power or the heating energy to be introduced, which is necessary to bring the solid electrolyte layer to the operating temperature can be advantageously further reduced. Because the thermal mass, which is heated, is significantly reduced. It consists of the layer structure and the material of the carrier substrate or the semiconductor substrate which is thermally conductively connected to the layer structure along the layer thickness direction below or above the further membrane. Further advantageous thereby the heating time is reduced, whereby the
- Sensor device reaches the operating temperature faster and thus can be used faster.
- the further cavern may be formed, for example, like the cavern. It can e.g. the carrier substrate or the semiconductor substrate completely
- the cavern and / or the further cavern may be wholly or partially formed as a continuous window from the front to the back, for example as a rectangular window.
- the cavern and / or the further cavern may be wholly or partially formed as a continuous window from the front to the back, for example as a rectangular window.
- other forms are possible.
- the layer structure can on the carrier substrate or on the
- Semiconductor substrate may be applied, that the first porous electrode covers at least one surface of the further cavern and the second porous electrode is disposed on a side facing away from the semiconductor substrate side of the layer structure.
- the solid electrolyte layer may define the further cavity at a front side of the semiconductor substrate.
- the membrane in a cross section parallel to the layer thickness direction (z) has at least one profile, wherein the profile is selected from the group consisting of: at least one
- the "profile" of the second membrane is understood to mean a cross section through the membrane transversely to an extension direction of the membrane or substantially parallel to the layer thickness direction.
- the cross section has a cross-sectional shape.
- the rectangular profile has a rectangular cross-sectional shape.
- a single T-profile in addition to the rectangular cross-sectional shape, has a rectangular bar extending substantially perpendicular to the rectangular cross-sectional shape.
- a profile with a plurality of T-profiles or T-profile sections has a plurality of additional elements substantially perpendicular to the rectangular one
- a profile having a plurality of T-profiles may in particular have a portion which extends along the direction of extent of the
- Diaphragm extends and have a plurality of webs, which at a distance from one another, in particular at a regular distance from each other, align transversely, in particular perpendicular, to the section.
- a double-T-beam profile may be formed as a T-profile, wherein at the end facing away from the rectangular cross-sectional shape of the beam perpendicular thereto another beam is arranged.
- this further beam may be substantially parallel to the rectangular cross-sectional shape.
- the further beams can be connected to one another in such a way that a further rectangular cross-sectional shape substantially parallel to the rectangular cross-sectional shape and essentially continuous is formed.
- a profile which has a large number of double-T-beam profiles can be divided, in particular, into an upper part and a lower part, which run parallel to one another in the direction of extension of the membrane or which run parallel to the xy- Level.
- the first part and the second part can be arranged at a defined distance from one another, so that as a result a gap is formed between them in the layer thickness direction (z direction).
- z direction layer thickness direction
- the webs can be arranged in this case in particular parallel to each other.
- the membrane has a profile, it is advantageously mechanically stabilized against tensile stresses or compressive stresses parallel to its surface due to an increased area moment of inertia.
- Stress can occur, for example, if the first region is at least partially connected only by means of the membrane with the second region.
- the membrane spans over the insulation area like a bridge
- the first region Since the first region has a considerably higher heating temperature than the second region, it expands and compresses the membrane. On contraction as a result of cooling, the membrane is placed under tension (always viewed in a plane substantially perpendicular to the layer thickness direction) ). The formation of a profile on the membrane can mechanically stabilize the membrane and prevent the formation of cracks.
- heating of the hot region may generally occur, for example, and the membrane may undesirably deform excessively.
- the deformation can be reduced by the profiles as already described or described below.
- the membrane comprises a membrane front side and a membrane rear side, the membrane rear side being directed towards the cavern, the membrane rear side having a multiplicity of indentations open to the cavern.
- indentation in the context of the present invention basically refers to an open cavity. Preferably, it can be a cavity projecting into the membrane.
- the indentations have a cross section selected from the group consisting of: a circle; a polygon, in particular a triangle, in particular a hexagon, wherein the Indentations are arranged in particular in the form of a regular structure.
- the indentations can be arranged on the rear side of the membrane, in particular in the form of a regular structure, which has juxtaposed recesses arranged next to one another.
- the passage area A is for a
- the membrane has a thickness in the range from 100 nm to 500 ⁇ m, preferably from 500 nm to 100 ⁇ m.
- the passage area A is advantageously particularly greatly reduced for heat transfer through the membrane.
- this thickness is sufficient to make the membrane mechanically stable over the desired one
- the membrane may further be arranged to at least substantially reduce heat transfer from the layer structure to further regions of the semiconductor substrate. This can be done as shown above e.g. be effected by a suitable choice of material and / or by a structuring or profiling of the membrane.
- micromechanically produced, solid-state electrolyte sensor device is an oxygen sensor or a nitrogen oxide sensor.
- the micromechanical solid electrolyte sensor device comprises at least one heating element, wherein the heating element is arranged in the first region.
- the at least one heating element may be configured to heat the solid electrolyte layer of the layer structure. Characterized in that the heating element is arranged in the first region, an unnecessary heating of the second region is advantageously avoided. In this way, the heating power can be reduced and / or the heating element can be made smaller.
- the heating element can in particular at least one electrical
- the heating element can be arranged between the further membrane and the membrane in a direction perpendicular to the layer thickness direction.
- the electrode-solid electrolyte-electrode structure may be arranged in particular in a direction transverse to the layer thickness direction.
- the heating element for example, at least partially enclose the layer structure.
- the heating element is then arranged so viewed in a radial direction in the x-y plane of the other membrane outside the other membrane.
- the electrode-solid electrolyte-electrode structure can be arranged in a direction along the layer thickness direction between the heating element or the heating elements.
- the heating element can be electrically contacted by a supply line penetrating the layer.
- the layer which can be formed as a membrane can be advantageously used for two purposes in a particularly simple manner: on the one hand, it can thermally decouple the first region from the second region. Second, it serves as a carrier for the electrical leads to the heating element and thus stabilizes the leads mechanically. Because it can, as stated above, between the first area and the second area in the insulation to strong mechanical
- 1A is a schematic sectional view of a
- Figure 1B is a schematic sectional view of another
- Sectional view along an extension direction of the membrane (2.1.1, 2.2.1, 2.3.1, 2.4.1) and in a vertical sectional view (2.1.2, 2.2.2, 2.3.2) or in a view of the bottom of the Membrane (2.4.2).
- FIG. 1A shows a cross section in an x-z plane of the drawn Cartesian coordinate system through a solid electrolyte sensor device 110 for detecting at least one property of a gas.
- the solid electrolyte sensor device 110 may be e.g. be made in conventional thick-film technology, so for example with
- the solid-state electrolyte sensor device 110 in this case comprises a carrier substrate 112.
- This may be formed, for example, in the case of a micromechanical sensor device 110, for example as a semiconductor substrate 113; in thick-film technology, it may be a ceramic carrier substrate.
- the carrier substrate 112, when formed as a semiconductor substrate 113, may comprise at least one semiconductor material selected from the group consisting of: silicon; a silicon compound, in particular silicon carbide; a gallium compound, in particular gallium arsenide.
- the semiconductor substrate 113 may be formed in particular as a chip.
- the solid-state electrolyte sensor device 110 further comprises at least one layer structure 118, which comprises at least one first porous electrode 120, at least one second porous electrode 122, and one along a first porous electrode 120
- Layer thickness direction (z) between the first porous electrode 120 and the second porous electrode 122 embedded solid electrolyte layer 124 has.
- the at least one layer structure 118 is arranged in a first region 210 of the at least one carrier substrate 112.
- the first region 210 is surrounded by a second region 220 with respect to a first plane (the x-y plane) perpendicular to the layer thickness direction (z).
- the first porous electrode 120 may in this case face a measuring gas space, e.g. an exhaust gas, wherein the sensor device 110 should detect at least one property of a gas present in the sample gas space.
- the second porous electrode 122 may in this case face a reference gas space, in which e.g. a defined oxygen concentration is present.
- the first electrode 120 may face the reference gas space and the second electrode 122 may face the sample gas space.
- an insulating region 230 is provided between the first region 210 and the second region 220. It is the
- the specific thermal conductivity ⁇ is less than that ".
- first region 210 and the second region 220 may be formed at least partially from the same material and may, for example, be formed of the same thermal conductivity ⁇ of the second region 220 surrounding the insulating region 230.
- B. silicon include.
- the solid electrolyte sensor device 110 may further comprise at least one heating element 140, which is arranged in the first region 210.
- This heating element 140 is configured to heat the layer arrangement 118 and, in particular, the solid electrolyte membrane 124.
- the heating element 140 can at least partially surround the layer arrangement 118 in the first plane (x-y plane) viewed radially on the outside.
- the heat discharge Q per time into the second region 220 results from Equation (1) above:
- the heated first region 210 projects beyond a passage area A, of which only a one-dimensional line can be seen in the sectional drawing shown.
- the second region 220 is thermally conductive over the isolation region 230.
- a width d of the isolation region 230 is the third parameter from equation (1) that affects the unwanted heat dissipation from the first region 210 into the second region 220 Width d and / or the
- Passage area A and / or the (averaged) thermal conductivity in isolation region 230 may reduce heat dissipation, i. the heat flow from the first region 210 into the second region 220, can be purposefully reduced.
- FIG. 1B shows a further embodiment of a solid electrolyte sensor device 110, which is micromechanically formed or manufactured here.
- the same reference numerals as in FIG. 1A identify elements having the same functions.
- the solid electrolyte sensor device 110 illustrated in FIG. 1B comprises at least one layer structure 118 with at least one first porous electrode 120, at least one second porous electrode 122 and one in the layer thickness direction (z) between the first porous electrode 120 and the second porous electrode 122 embedded solid electrolyte layer 124th
- the first porous 120 electrode may be facing a measuring gas space and the second porous electrode 122 a reference gas space.
- the first electrode 120 may face the reference gas space and the second electrode 122 may face the sample gas space.
- the carrier substrate 112 can have a front side 114 (in the figure above) along the layer thickness direction (z) and a rear side 116 (in the figure below).
- the layer structure 118 may be arranged at least partially on or in the front side 114 of the carrier substrate 112 formed as a semiconductor substrate 113.
- the layer structure 118 and a heating element 140 surrounding the layer structure 118 at least in sections are arranged in the first region 210.
- the insulating region 230 which in turn adjoins the second region 220, adjoins the first region 210.
- the micromechanical solid electrolyte sensor device 110 comprises at least one layer 126 or insulating layer 126 which is located on the
- the layer 126 may be thermally insulating with respect to the semiconductor substrate 113, that is, it may have a lower specific thermal conductivity ⁇ than the second region 220. It may be e.g. be formed of a material comprising at least one insulating material selected from the group consisting of: porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride or silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide or aluminum nitride; an insulating plastic,
- the insulating layer 126 may in particular be designed to insulate the layer structure 118 from the semiconductor substrate 113.
- the micromechanical solid-state electrolyte sensor device 10 O comprises at least one cavern 130, which in the insulating region 230 is arranged.
- the cavern 130 may be formed, for example, as a rectangular window and the first area 210 partially or completely surrounded (in the xy plane considered).
- the cavern 130 may completely penetrate the semiconductor substrate 113.
- the cavern 130 defines at least one membrane 134, which thus at least partially in the insulating region
- the membrane 134 bridges the cavern 130 in the isolation region 230 and connects the first region 210 to the second region 220.
- a heat conduction can then take place only through the layer 126.
- Heat transfer surface A in the insulating region 230 significantly reduced - because this area A is only the cross-sectional area of the membrane 134.
- Heat transfer surface A in the insulating region 230 significantly reduced - because this area A is only the cross-sectional area of the membrane 134.
- the membrane 134 may be configured to at least substantially reduce heat transfer from the layer structure 118 to further regions of the semiconductor substrate 113.
- the membrane 134 may have a thickness in the range from 100 nm to 500 ⁇ m, preferably from 500 nm to 100 ⁇ m.
- the layer structure 118 may be applied to the semiconductor substrate 113 such that the first porous electrode 120 covers at least one surface 136 of another cavity 128.
- the further cavern 128 is arranged in the first region 210.
- the further cavern 128 may in principle be designed similar to the cavern 130.
- the further cavern 134 may be e.g. the
- the further cavity 134 may define at least one further membrane 132 formed by the layer structure 118. This further membrane 132 may be given by the layer structure 118.
- the second porous electrode 122 may be arranged on a side 138 of the layer structure 118 facing away from the semiconductor substrate 113.
- Solid electrolyte layer 124 may define the further cavity 128 at the front side 114 of the semiconductor substrate 113.
- the heating element 140 can be arranged in the xy plane between the further diaphragm 132 and the diaphragm 134, in particular on the front side 114 of the semiconductor substrate 113.
- the heating element 140 may
- the (micromechanical) solid electrolyte sensor device 110 may further comprise at least one electrical contact 144.
- FIGS. 2.1.1 to 2.4.2 respectively show exemplary embodiments of the membrane 134 in the insulating region 230 of the solid-state electrolyte sensor device 110 according to the invention from FIG. 1B.
- the membrane 134 is shown in FIGS. 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 and 2.4.1, each in a sectional view in the x-z plane. It is thus shown a detail which represents the insulating region 230 and in the figure to the left and right thereof the adjoining second region 220 and the first region 210, respectively.
- the membrane 134 is in a cross-sectional view, in particular perpendicular, to the sectional view from FIGS. 2.2.1, 2.2.1, 2.3.1 and 2.4.1, ie represented in a section in the yz plane, corresponding to the indicated section lines from Figures 2.1.1, 2.2.1 and 2.3.1.
- the membrane 134 may be transverse, in particular perpendicular, to its
- Extension direction 146 in the illustrated section (here corresponds to the
- Extension direction so the x-direction have at least one profile 150.
- the membrane 134 as shown in Figures 2.1.1 and 2.1.2, have a rectangular profile 152.
- the membrane 134 as shown in Figures 2.2.1 and 2.2.2, for example, have at least one T-profile 154.
- the membrane 134 may have a plurality of T-profiles 154.
- the membrane 134 may have a profile 150 comprising at least one double T-beam profile 156.
- the membrane 134 may include a plurality of dual T-beam profiles 156, thereby providing a membrane 134 having two mutually substantially parallel, continuous layers spaced apart along the layer thickness direction (z). In the gap between the two layers, the beams extending perpendicular to the layer extension are formed in the manner of webs.
- the rear side 148 of the membrane 134 can have a multiplicity of indentations 158 that are open to the cavern 130.
- the membrane 134 may include a membrane front 160 and a membrane rear 162 and back 148, respectively, of the membrane.
- the membrane rear side 162 may be directed toward the cavity 134.
- the membrane rear side 162 may have the indentations 158.
- the indentations 158 can, as is apparent in particular from FIG. 2.4.2, have a rectangular cross-section 164.
- the indentations 158 can, in particular, be arranged in the form of a regular structure 166, as further shown in FIG. 2.4.2.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
A solid-electrolyte sensor apparatus (110) for detecting at least one property of a gas and a method for measuring a property of a gas in a measurement gas chamber are proposed. The solid-electrolyte sensor apparatus (110) comprises: – at least one carrier substrate (112); – at least one layer structure (118) that has at least one first porous electrode (120), at least one second porous electrode (122) and a solid-electrolyte layer (124) embedded between the first porous electrode (120) and the second porous electrode (122) along a layer thickness direction (z). The at least one layer structure (118) in this case is arranged in a first region (210) of the at least one carrier substrate (112). The first region (210) is surrounded by a second region (220) with reference to a first plane (x, y) perpendicular to the layer thickness direction (z). There is an insulating region (230) provided at least in sections between the first region (210) and the second region (220). The thermal conductivity in the insulating region (230) is lower than the thermal conductivity in the second region (220).
Description
Beschreibung Titel Description title
Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung Stand der Technik Micromechanical solid electrolyte sensor device prior art
Aus dem Stand der Technik sind Sensorvorrichtungen, insbesondere From the prior art are sensor devices, in particular
Sauerstoffsensoren und Stickoxidsensoren, auf Basis eines Oxygen sensors and nitrogen oxide sensors, based on a
Festkörperelektrolyten bekannt. Beispielsweise werden diese als so genannte Lambdasonden im Automobilbereich eingesetzt, insbesondere zur Erfassung einer Luftzahl eines Luft-Kraftstoff-Gemischs. Alternativ kommen derartige Sensoren als Stickoxidsensoren zum Einsatz. Derartige Sensorvorrichtungen werden gegenwärtig typischerweise mittels Siebdruckverfahren und/oder Dickschichttechnologie gefertigt. Als Beispiele sind so genannte Solid state electrolyte known. For example, these are used as so-called lambda sensors in the automotive sector, in particular for detecting an air ratio of an air-fuel mixture. Alternatively, such sensors are used as nitrogen oxide sensors. Such sensor devices are currently typically manufactured by screen printing and / or thick film technology. As examples are so-called
Lambdasprungsonden zu nennen. Jedoch auch so genannte Breitband- Lambdasonden lassen sich hier erwähnen. Lambda jump probes to call. However, so-called broadband lambda probes can also be mentioned here.
Aus DE 10 2012 201304 AI sind eine mikromechanische Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren bekannt. Die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung weist ein mikromechanisches Trägersubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, eine erste poröse Elektrode und eine zweite poröse Elektrode und einen zwischen der ersten porösen Elektrode und einer zweiten porösen Elektrode eingebetteten Festkörperelektrolyten auf. DE 10 2012 201304 A1 discloses a micromechanical solid electrolyte sensor device and a corresponding production method. The micromechanical solid-state electrolyte sensor device has a micromechanical carrier substrate having a front side and a rear side, a first porous electrode and a second porous electrode and a solid electrolyte embedded between the first porous electrode and a second porous electrode.
Um einen Sensor als Lambdasonde oder als Stickoxid-Sensor einsetzen zu können kann beispielsweise eine Betriebstemperatur von mehr als 300°C, teilweise sogar von mehr als 500°C erforderlich sein. Denn grundsätzlich kann eine Mobilität von Ionen durch einen Festkörperelektrolyten durch die
Temperatur des Sensors bzw. des Festkörperelektrolyten gesteuert werden. Dies ist beispielsweise aus Menzel et al., Origin of the Ultra-nonlinear Switching Kinetics in Oxide-Based Resitive Switches, Adv. Funct. Mater., Band 21, Seiten 4487-4492, 2011, bekannt.
In order to use a sensor as a lambda probe or as a nitrogen oxide sensor, for example, an operating temperature of more than 300 ° C, sometimes even more than 500 ° C may be required. In principle, a mobility of ions through a solid electrolyte through the Temperature of the sensor or the solid electrolyte can be controlled. For example, this is from Menzel et al., Origin of the Ultra-Nonlinear Switching Kinetics in Oxide-Based Resitive Switches, Adv. Funct. Mater., Vol. 21, pages 4487-4492, 2011.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Es hat sich gezeigt, dass Sensorvorrichtungen mit Heizelementen zum Erreichen und Halten der Betriebstemperatur versehen werden können. Zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases wird zum Erreichen dieser It has been found that sensor devices can be provided with heating elements for achieving and maintaining the operating temperature. To detect at least one property of a gas is to achieve this
Betriebstemperatur sowohl in Sensorvorrichtungen, die in herkömmlicher Dickschicht-Technologie hergestellt sind als auch in Sensorvorrichtungen, die in mikromechanischer Bauweise hergestellt sind eine hohe Leistung zum Aufheizen auf die hohe Betriebstemperatur und zum Halten der hohen Betriebstemperatur benötigt. Auch können lange Aufheizzeiten notwendig sein. Auch sind große Mengen an Edelmetallen aufgrund des Designs des mikromechanischen Sensors erforderlich, um die Heizelemente, z.B. aus Platinlegierungen, herzustellen. Denn die Heizleistung P eines Heizelements bzw. einer Operating temperature in both sensor devices, which are manufactured in conventional thick-film technology as well as in sensor devices, which are manufactured in micromechanical construction, a high power to heat up to the high operating temperature and to maintain the high operating temperature needed. Also, long heating times may be necessary. Also, large quantities of precious metals are required due to the design of the micromechanical sensor to remove the heating elements, e.g. from platinum alloys. Because the heating power P of a heating element or a
Heizleiterbahn ergibt sich gemäß der Relation P = U2/R, mit U als angelegter Spannung und R als elektrischer Widerstand des Heizelements. Der Widerstand R ergibt sich nach der Relation R = P*AH/I. Dabei ist p der spezifischen elektrische Widerstand, AH die Querschnittsfläche der Heizleiterbahn und I deren Länge. Platin kann als Material erforderlich sein, um der große Wärme und z.B. aggressiven Abgasen zu widerstehen über Lebensdauer. Da die Länge I üblicherweise vorgegeben ist und das Material den Umgebungsbedingungen angepasst sein muss kann zur Erzeugung der benötigten Heizleistung im Wesentlichen der Querschnitt AH verändert werden. Länge I multipliziert mit dem Querschnitt AH ergibt dabei das Materialvolumen, welches für eine gewünschte Heizleistung erforderlich ist. Heated conductor results according to the relation P = U 2 / R, with U as the applied voltage and R as the electrical resistance of the heating element. The resistance R is given by the relation R = P * AH / I. Here, p is the specific electrical resistance, AH is the cross-sectional area of the heating conductor and I its length. Platinum may be required as a material to withstand great heat and, for example, aggressive fumes over life. Since the length I is usually predetermined and the material must be adapted to the ambient conditions, essentially the cross section AH can be changed to generate the required heating power. Length I multiplied by the cross section AH results in the volume of material that is required for a desired heat output.
Mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtungen weisen gegenüber herkömmlichen Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtungen bereits einige Vorteile auf. So bieten diese insbesondere Ansätze, um die Sensorvorrichtungen zu miniaturisieren, indem beispielsweise eine Herstellung mittels Micromechanical solid electrolyte sensor devices already have some advantages over conventional solid electrolyte sensor devices. In particular, these offer approaches to miniaturize the sensor devices, for example by means of a production
mikrosystemtechnischer Halbleiterprozesse erfolgt. Hierbei dient in vielen Fällen ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, als Substrat für eine microsystem semiconductor processes takes place. In many cases, a semiconductor material, for example silicon, serves as substrate for a
Dünnschichtmembran aus einer sauerstoffionenleitenden Funktionskeramik. Durch die Miniaturisierung lässt sich auch die zu beheizende Fläche verkleinern, wodurch die Heizleistung sinkt. Auch die Aufheizzeiten können sich verkürzen. Thin-film membrane made of an oxygen-ion-conducting functional ceramic. Due to the miniaturization, the area to be heated can be reduced, which reduces the heating power. The heating up times can also be shortened.
Dennoch ist auch bei mikrosystemtechnisch hergestellten Sensoren eine vergleichsweise hohe Leistung, z.B. eine elektrische Leistung, erforderlich, um
, Nevertheless, a comparatively high power, for example an electric power, is required even for microsystem-technologically produced sensors .
den Sensor auf Betriebstemperatur zu bringen bzw. die Betriebstemperatur zu halten. bring the sensor to operating temperature or to keep the operating temperature.
Die hohe Heizleistung im Bereich mehrerer Watt bis hin zu 50 Watt wird einerseits erforderlich, um die Festköperelektrolytmembran auf die The high heating power in the range of several watts up to 50 watts is required on the one hand to the solid electrolyte membrane on the
Betriebstemperatur zu bringen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch das Heizen der Festelektrolytmembran ein großer Anteil der Heizleistung in die umgebenden Bereiche abfließt, wo die große Wärme überhaupt nicht benötigt wird. Dies gilt sowohl für Dickschicht-Technologie als auch für mikromechanisch hergestellte Sensoren. Der Wärmeabfluss ergibt sich vereinfacht nach der folgenden Gleichung (1): dQ/dt = λ · (A/d) · ΔΤ (1) Dabei bezeichnet dQ/dt die Wärmeleistung, die pro Zeiteinheit aus dem System abfließt, ihre Einheit ist Watt. Es wird hierbei nur der Wärmefluss betrachtet, nicht jedoch Strahlungswärme, λ stellt die spezifische Wärmeleitfähigkeit dar, die materialabhängig ist, ihre Einheit ist Watt pro Milli-Kelvin (W/mK). A entspricht der Fläche, durch welche die Wärme strömt, d entspricht der Dicke des Körpers von Wand zu Wand und ΔΤ entspricht der Temperaturdifferenz zwischen den To bring operating temperature. However, it has been shown that heating the solid electrolyte membrane drains a large proportion of the heating power into the surrounding areas, where the large amount of heat is not needed at all. This applies both to thick-film technology and to micromechanically produced sensors. The heat flow is simplified according to the following equation (1): dQ / dt = λ · (A / d) · ΔΤ (1) where dQ / dt is the heat output flowing out of the system per unit time, its unit is watt. Here, only the heat flow is considered, but not radiant heat, λ represents the specific thermal conductivity, which is material-dependent, their unit is Watt per milli-Kelvin (W / mK). A corresponds to the area through which the heat flows, d corresponds to the thickness of the body from wall to wall and ΔΤ corresponds to the temperature difference between the two
Messstellen. Im Falle des Sensors entspricht beispielsweise ΔΤ der Measuring points. In the case of the sensor, for example, ΔΤ corresponds to
Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur Tl, z.B. am Ort des Heizers und einer zweiten Temperatur T2, z.B. an einer Außenseite des Sensors, ΔΤ = Tl - T2. Die Fläche A entspricht bei einem flächigen Sensor mit in der Flächenebene angeordnetem Heizer beispielsweise der Fläche, die sich alsTemperature difference between a first temperature Tl, e.g. at the location of the heater and a second temperature T2, e.g. on an outside of the sensor, ΔΤ = Tl - T2. In the case of a planar sensor with a heater arranged in the plane of the surface, the surface A corresponds, for example, to the surface which appears as the surface
Wandfläche ergibt, wenn rund um den Heizer der Sensor geschnitten wird, die Dicke d ergibt sich als Abstand in der Fläche von dem Ort, an dem die erste Temperatur Tl bestimmt wird und dem Ort, an dem die zweite Temperatur T2 bestimmt wird. Wall surface results when the sensor is cut around the heater, the thickness d is the distance in the area from the location where the first temperature Tl is determined and the location where the second temperature T2 is determined.
Die Temperaturdifferenz und damit der Wärmeabfluss können sehr groß werden. Dies resultiert aus der hohen Betriebstemperatur von mehr als 300°C und Temperaturen, die ungefähr bei Raumtemperatur (25°C) liegen können an einer Außenseite des Sensors. The temperature difference and thus the heat flow can be very large. This results from the high operating temperature of more than 300 ° C and temperatures that can be approximately at room temperature (25 ° C) on an outside of the sensor.
Es kann daher ein Bedarf bestehen, einen Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases bereitzustellen, der die Betriebstemperatur mit
_. There may therefore be a need to provide a sensor for detecting at least one property of a gas having the operating temperature _.
geringer Leistungsaufnahme erreicht und hält und der die Betriebstemperatur möglichst schnell erreicht. Grundsätzlich sind diese Eigenschaften sowohl bei herkömmlichen Dickschicht-Sensoren als auch bei mikrosystemtechnischen Sensoren erwünscht. low power consumption reached and stops and reaches the operating temperature as quickly as possible. Basically, these properties are desirable both in conventional thick-film sensors as well as in microsystem sensors.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dementsprechend eine, Accordingly, in the context of the present invention, a
insbesondere mikromechanische, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung einer Eigenschaft eines Gases, insbesondere einesin particular micromechanical, solid electrolyte sensor device and a method for measuring a property of a gas, in particular a
Sauerstoffanteils und/oder einer Luftzahl, vorgeschlagen, welche die oben genannten Nachteile und Einschränkungen zumindest teilweise umgehen oder lösen. Diese sind in den unabhängigen Ansprüchen dargestellt. Oxygen content and / or an air ratio, proposed, which at least partially circumvent or solve the disadvantages and limitations mentioned above. These are shown in the independent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases vorgeschlagen. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung kann beispielsweise mikromechanisch ausgebildet sein. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung umfasst dabei mindestens ein Trägersubstrat. Das Trägersubstrat kann dabei z.B. als Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Die Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens einen Schichtaufbau, welcher mindestens eine erste porösen Elektrode, mindestens eine zweite poröse Elektrode und eine entlang einer Schichtdickenrichtung zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode eingebettete According to a first aspect of the invention, a solid electrolyte sensor device is proposed for detecting at least one property of a gas. The solid-state electrolyte sensor device may be micromechanically formed, for example. The solid electrolyte sensor device comprises at least one carrier substrate. The carrier substrate may be e.g. be formed as a semiconductor substrate. The solid-state electrolyte sensor device further comprises at least one layer structure including at least a first porous electrode, at least one second porous electrode, and a layer sandwiched between the first porous electrode and the second porous electrode along a layer thickness direction
Festkörperelektrolytschicht aufweist. Der mindestens eine Schichtaufbau ist in einem ersten Bereich des mindestens einen Trägersubstrats angeordnet. Dabei ist der erste Bereich bezüglich einer ersten Ebene senkrecht zu der Solid electrolyte layer has. The at least one layer structure is arranged in a first region of the at least one carrier substrate. In this case, the first area is perpendicular to the first plane
Schichtdickenrichtung von einem zweiten Bereich umgeben. Dabei ist zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ein Isolierbereich vorgesehen. Der Isolierbereich ist dabei beispielsweise quer bzw. senkrecht zur Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen dem ersten und zweiten Bereich angeordnet. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit im zweiten Bereich. Unter der Schichtdickenrichtung wird hierbei eine Richtung senkrecht zurLayer thickness direction surrounded by a second area. In this case, at least in sections, an insulating region is provided between the first region and the second region. The insulating region is, for example, arranged transversely or perpendicular to the layer thickness direction between the first and second region. The thermal conductivity in the insulating region is less than the thermal conductivity in the second region. Here, in the layer thickness direction, a direction perpendicular to
Schichtebene des Schichtaufbaus bzw. insbesondere der Layer layer of the layer structure or in particular the
Festkörperelektrolytschicht verstanden. Es wird davon ausgegangen, dass der
„ Solid electrolyte layer understood. It is assumed that the "
Schichtaufbau, insbesondere die Festkörperelektrolytschicht, in der Layer structure, in particular the solid electrolyte layer, in the
Schichtdickenrichtung (z.B. einer z-Richtung in einem kartesischen Layer thickness direction (e.g., a z direction in a Cartesian)
Koordinatensystem) eine geringere Erstreckung aufweist als in der flächigen Erstreckungsebene des Schichtaufbaus (z.B. der x-y-Ebene des kartesischen Koordinatensystems). Coordinate system) has a smaller extension than in the planar plane of extension of the layer structure (for example the x-y plane of the Cartesian coordinate system).
Dabei ist in diesem Kontext unter dem Begriff der Wärmleitfähigkeit diejenige Wärmeleitfähigkeit zu verstehen, die sich bei einer Mittelung über den In this context, the term thermal conductivity is to be understood as meaning the thermal conductivity which, when averaging over the
Querschnitt (z.B. parallel zur Schichtdickenrichtung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich) ergibt. Mit anderen Worten werden die spezifischen Wärmeleitfähigkeitswerte entlang einer Querschnittsfläche gemäß ihrem Anteil in dem Querschnitt gewichtet berücksichtigt und ergeben so die für den Querschnitt relevante Wärmeleitfähigkeit. Der beheizte Schichtaufbau weist entlang der Schichtdickenrichtung z.B. eine erste Dicke im ersten Bereich auf. Das Cross section (e.g., parallel to the layer thickness direction between the first region and the second region). In other words, the specific thermal conductivity values along a cross-sectional area are weighted according to their proportion in the cross-section, thus resulting in the heat conductivity relevant for the cross-section. The heated layer structure has along the layer thickness direction e.g. a first thickness in the first area. The
Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat weisen entlang der Carrier substrate or the semiconductor substrate have along the
Schichtdickenrichtung im zweiten Bereich eine zweite Dicke auf. Die Layer thickness direction in the second region on a second thickness. The
Wärmeleitfähigkeit kann nun über die gewichtete Mittelung der spezifischen Wärmeleitfähigkeiten entlang der dickeren der beiden Dicken bzw. entlang der Gesamtdicke aus den beiden Dicken, wenn diese entlang der Thermal conductivity can now be determined by the weighted averaging of the specific thermal conductivities along the thicker of the two thicknesses or along the total thickness of the two thicknesses, when along the thickness of the two thicknesses
Schichtdickenrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, ermittelt werden. Layer thickness direction offset from each other are determined.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass im Isolierbereich die Wärmeleitfähigkeit geringer ist als im zweiten Bereich, der z.B. an den Isolierbereich angrenzen kann, beispielsweise unmittelbar angrenzen kann, so dass ein Wärmeabfluss von inneren Bereichen nach außen verringert wird. It is essential to the invention that in the insulating region the thermal conductivity is lower than in the second region, which is e.g. can adjoin the insulating region, for example, can directly adjoin, so that a heat flow from inner regions is reduced to the outside.
Dadurch kann gemäß der oben angeführten Gleichung (1) der Wärmefluss vom ersten Bereich in den zweiten Bereich verringert werden, indem der Term für die (gemittelte) Wärmeleitfähigkeit λ verringert wird. Die Heizleistung kann so vorteilhaft reduziert werden, da die eingetragene Heizleistung relativ betrachtet zu einem größeren Anteil in die Aufheizung der Schichtanordnung und zum Halten der Betriebstemperatur verwendet wird. Mit anderen Worten lässt sich die Verlust-Heizleistung deutlich reduzieren. Auch kann die Zeit deutlich verkürzt werden, die benötigt wird, um den Sensor bzw. die Schichtanordnung aus einer Ruhetemperatur auf die Betriebstemperatur zu heizen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Heizelemente kleiner dimensioniert werden können, z.B. in ihrem Querschnitt AH, wodurch grundsätzlich eine Menge an insbesondere für
_ Thereby, according to the above-mentioned equation (1), the heat flow from the first area to the second area can be reduced by decreasing the term for the (average) thermal conductivity λ. The heating power can be reduced so advantageous, since the registered heating power is relatively considered to a greater extent in the heating of the layer arrangement and to maintain the operating temperature is used. In other words, the loss of heating power can be significantly reduced. Also, the time that is required to heat the sensor or the layer arrangement from a quiescent temperature to the operating temperature can be significantly shortened. Another advantage is that the heating elements can be made smaller, for example in their cross section AH, which basically a lot of in particular for _
eine Herstellung benötigten Edelmetallen reduziert werden kann. Die Sensor- Vorrichtung kann so kompakter und billiger hergestellt werden. Der Isolierbereich wirkt in der Art einer thermischen Isolierschicht, die beispielsweise im a production required precious metals can be reduced. The sensor device can be made more compact and cheaper. The insulating region acts in the manner of a thermal insulating layer, for example, in
Wesentlichen parallel zur Schichtdickenrichtung angeordnet sein kann. Can be arranged substantially parallel to the layer thickness direction.
Unter einer "Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung" ist allgemein eine Under a "solid electrolyte sensor device" is generally a
Sensorvorrichtung zu verstehen, welche mindestens einen Sensor device to understand which at least one
Festkörperelektrolyten verwendet, also mindestens ein festes Material, welches eingerichtet ist, um Ionen zu leiten, beispielsweise Sauerstoffionen. Die Solid electrolyte used, so at least one solid material which is adapted to conduct ions, for example, oxygen ions. The
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens eine Eigenschaft eines Gases zu erfassen. Die Eigenschaft des Gases kann hierbei insbesondere ein Sauerstoffanteil und/oder eine Luftzahl und/oder ein Anteil einer Komponente in dem Gas, insbesondere einer Solid-state electrolyte sensor device may in particular be designed to detect at least one property of a gas. The property of the gas can in this case in particular be an oxygen content and / or an air ratio and / or a proportion of a component in the gas, in particular one
Sauerstoffverbindung in dem Gas, insbesondere ein NOx-Anteil, sein. Die beispielsweise mikromechanisch hergestellte Festkörperelektrolyt-Oxygen compound in the gas, in particular a NOx component be. The micromechanically produced solid-state electrolyte
Sensorvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, um die Eigenschaft des Gases qualitativ und alternativ oder zusätzlich auch quantitativ zu erfassen. Die Sensor device may be configured to qualitatively and alternatively or additionally also quantitatively detect the property of the gas. The
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung kann insbesondere ein Sauerstoffsensor oder ein Stickoxidsensor sein. Auch andere Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Derartige Sensoren können insbesondere in Abgassystemen zur Anwendung kommen. Auch weitere Anwendungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Solid-state electrolyte sensor device may be in particular an oxygen sensor or a nitrogen oxide sensor. However, other solid electrolyte sensor devices are conceivable in principle. Such sensors can be used in particular in exhaust systems. However, other applications are also conceivable.
Unter einem "Festkörperelektrolyten" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitendenIn the context of the present invention, a "solid-state electrolyte" is a solid having electrolytic properties, ie ion-conducting
Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festkörperelektrolyten handeln. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt Zirkoniumdioxid umfassen, vorzugsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Properties, to understand. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. In particular, the solid electrolyte may comprise zirconia, preferably yttria-stabilized zirconia. Other materials are also conceivable.
Unter dem Begriff "mikromechanisch" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft einer dreidimensionalen Struktur zu verstehen, welche Dimensionen im Mikrometerbereich, d.h. im Bereich unterhalb von 1 mm, aufweist. Beispielsweise können dies Breiten von Kavernen, Schichtdicken von Membranen oder ähnliche charakteristische Dimensionen sein, welche in diesemThe term "micromechanical" in the context of the present invention is generally to be understood as meaning the property of a three-dimensional structure which has dimensions in the micrometer range, i. in the range below 1 mm. For example, these may be widths of caverns, layer thicknesses of membranes or similar characteristic dimensions which may be present in this
Bereich liegen. Gegenüber herkömmlichen Sensorvorrichtungen, die in der Regel in Dickschichttechnologie unter Verwendung von Siebdruckverfahren hergestellt
werden sind mikromechanische Sensorvorrichtungen zumindest zu großen Teilen mit mikrosystemtechnischen Prozessen hergestellt. Dies können beispielsweise aus der Halbleitertechnologie bekannte photolithografische Prozesse, sowie Ätzschritte zur Strukturierung von Oberflächen sein. Area lie. Compared to conventional sensor devices, which are usually manufactured in thick film technology using screen printing For example, micromechanical sensor devices are produced, at least in large part, using microsystem technology. These can be, for example, photolithographic processes known from semiconductor technology, as well as etching steps for structuring surfaces.
Unter einem„Trägersubstrat" ist hierbei ein Substrat zu verstehen, das geeignet ist, um daraus dir Schichtanordnung auszubilden oder die Schichtanordnung darin bzw. darauf anzuordnen. Das Trägersubstrat kann dabei z.B. eine flächige Erstreckung in einer Ebene haben und eine Dicke aufweisen, die z.B. erheblich geringer ist als die Erstreckung in der Ebene. Es kann sich z.B. um ein keramisches Trägersubstrat handeln oder um ein Halbleiter-Trägersubstrat bzw. ein Halbleitersubstrat. A "carrier substrate" here is to be understood as meaning a substrate which is suitable for forming a layer arrangement therefrom or for arranging the layer arrangement in it The carrier substrate may have, for example, an areal extent in a plane and have a thickness, for example substantially It may be, for example, a ceramic carrier substrate or a semiconductor carrier substrate or a semiconductor substrate.
Unter einem "Halbleitersubstrat" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebig geformter Halbleiter zu verstehen. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Under a "semiconductor substrate" in the context of the present invention is basically an arbitrarily shaped semiconductor to understand. For example, the semiconductor substrate may be a disk-shaped or plate-shaped
Halbleitersubstrat sein. Das Halbleitersubstrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Das Halbleitersubstrat kann weiterhin mindestens ein Be semiconductor substrate. The semiconductor substrate may be formed in particular as a chip. The semiconductor substrate may further comprise at least one
Halbleitermaterial umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Comprising semiconductor material selected from the group consisting of:
Silizium; einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumcarbid; einer Silicon; a silicon compound, in particular silicon carbide; one
Galliumverbindung, insbesondere Galliumarsenid. Weitere Materialien sind jedoch grundsätzlich denkbar. Gallium compound, in particular gallium arsenide. However, further materials are conceivable in principle.
Unter einem "Schichtaufbau" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Aufeinanderfolge von einer oder von mehreren Schichten zu verstehen. Beispielsweise können die Schichten übereinander angeordnet sein. Die Schichten können sich ganz oder teilweise bedecken bzw. überdecken. Beispielsweise können die Schichten nebeneinander angeordnet sein. Jedoch sind die erste Elektrode, die Festkörperelektrolytschicht und die zweite Elektrode entlang der Schichtdickenrichtung (z) angeordnet, also übereinander. Die Schichten können beispielsweise jeweils eine Dicke von 100 nm bis 500 μηη aufweisen. Auch andere Dimensionen sind jeweils möglich. Der Schichtaufbau kann weiterhin Schichten verschiedener Materialien aufweisen. Der Schichtaufbau kann mehrere Schichten desselben Materials aufweisen. Jede Schicht für sich kann unstrukturiert sein oder kann auch eine Struktur in einer Schichtebene aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
Λ 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 cover or cover themselves completely or partially. For example, the layers may be arranged next to one another. However, the first electrode, the solid electrolyte layer and the second electrode along the layer thickness direction (z) are arranged, so one above the other. The layers may, for example, each have a thickness of 100 nm to 500 μηη. Other dimensions are possible in each case. The layer structure may further comprise layers of different materials. The layer structure may comprise several layers of the same material. Each layer alone may be unstructured or may also have a structure in a layer plane. Other embodiments are conceivable in principle. Λ
Unter einer "Elektrode" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zum Austausch von Ionen bzw. Elektronen zwischen dem Element und einem Festkörperelektrolyten zu verstehen. Insbesondere können mittels der Elektrode mittels Ionen in den Festkörperelektrolyten eingebracht werden, beispielsweise Sauerstoffionen, was auch als "Einbau" der Ionen bezeichnet wird, und/oder Ionen aus dem Festkörperelektrolyten ausgetragen werden und beispielsweise in ein Gas umgewandelt werden, beispielsweise Sauerstoffgas, wobei dieser Vorgang auch als "Ausbau" der Ionen bezeichnet werden kann. Bei den Elektroden kann es sich somit insbesondere um elektrische Kontakte zur elektrischen und/oder ionischen Kontaktierung eines Festkörperelektrolyten handeln. An "electrode" in the context of the present invention generally means an element for the exchange of ions or electrons between the element and a solid electrolyte. In particular, by means of the electrode can be introduced by means of ions in the solid electrolyte, for example oxygen ions, which is also referred to as "incorporation" of the ions, and / or ions are discharged from the solid electrolyte and, for example, converted into a gas, for example oxygen gas, this process can also be referred to as "expansion" of the ions. The electrodes may thus be, in particular, electrical contacts for the electrical and / or ionic contacting of a solid electrolyte.
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 die erste poröse Elektrode und/oder die zweite poröse Elektrode ein elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial mit einer Porosität von mindestens 3% aufweisen, bevorzugt von mindestens 5%, besonders bevorzugt von mindestens 10%, ganz besonders bevorzugt von mindestens 20% oder sogar von mindestens 40%. Bei einer Einstellung der Porosität kann es wünschenswert sein, dass zumindest teilweise eine 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 first porous electrode and / or the second porous electrode may comprise an electrically conductive electrode material having a porosity of at least 3%, preferably at least 5%, more preferably at least 10%, most preferably at least 20% or even at least 40%. When adjusting the porosity, it may be desirable that at least partially
durchgängige Leitfähigkeit der ersten porösen Elektrode und/oder der zweiten porösen Elektrode vorliegt, indem vorzugsweise eine Bildung von isolierten Inseln zumindest weitgehend reduziert wird. Continuous conductivity of the first porous electrode and / or the second porous electrode is present, preferably by a formation of isolated islands is at least largely reduced.
Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens eine Keramikverbindung, insbesondere Verbundwerkstoffe aus keramischen The porous, electrically conductive electrode material may comprise at least one ceramic compound, in particular composite materials made of ceramic
Werkstoffen mit einer metallischen Matrix, umfassen. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann hierbei mindestens ein Metall, insbesondereMaterials with a metallic matrix, include. The porous, electrically conductive electrode material can in this case at least one metal, in particular
Platin, Palladium, Gold, oder Kupfer, oder eine metallische Legierung aufweisen. Weiterhin kann stickstoffdotiertes Graphen eingesetzt werden. Insbesondere kann stickstoffdotiertes Graphen aufgrund einer katalytischen Wirkung eingesetzt werden. Grundsätzlich ist jedoch jedes Material mit elektrisch leitfähigen Platinum, palladium, gold, or copper, or have a metallic alloy. Furthermore, nitrogen-doped graphene can be used. In particular, nitrogen-doped graphene can be used due to a catalytic effect. Basically, however, every material is electrically conductive
Eigenschaften einsetzbar. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann weiterhin mindestens ein keramisches Material aufweisen, vorzugsweise
ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich einsetzbar. Properties can be used. The porous, electrically conductive electrode material may further comprise at least one ceramic material, preferably selected from the group consisting of: alumina, zirconia. Other materials are basically usable.
Die erste poröse Elektrode und die zweite poröse Elektrode können Poren aufweisen, derart, dass ein Gasdurchtritt durch die erste poröse Elektrode und/oder die zweite poröse Elektrode möglich ist. So kann beispielsweise ein Gasdurchtritt durch die Elektroden erfolgen, wobei das Gas, z.B. Sauerstoff O2, an einer Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Festkörperelektrolyten in Ionen, z.B. Sauerstoff-Ionen O2", umgewandelt werden kann und wobei die Ionen in ein Gitter des Festkörperelektrolyten eingebaut werden können. Umgekehrt können an der Grenzfläche auch Ionen, z.B. Sauerstoffionen O2", in Gas, z.B. Sauerstoff O2, umgewandelt werden. Die erste poröse Elektrode und/oder die zweite poröse Elektrode können elektrisch kontaktierbar sein. Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" poröse Elektrode sind als reine The first porous electrode and the second porous electrode may have pores such that gas passage through the first porous electrode and / or the second porous electrode is possible. Thus, for example, a gas passage through the electrodes can take place, wherein the gas, for example oxygen O2, can be converted into ions, eg oxygen ions O 2 " , at an interface between the electrode and the solid electrolyte, and wherein the ions enter a lattice of the solid electrolyte Conversely, ions, for example oxygen ions O 2 " , can also be converted into gas, for example oxygen O 2 , at the interface. The first porous electrode and / or the second porous electrode may be electrically contactable. The terms "first" and "second" porous electrode are as pure
Bezeichnungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten porösen Elektroden und mehrere Arten von zweiten porösen To look at labels without indicating an order or ranking and, for example, without precluding the possibility that several types of first porous electrodes and several types of second porous
Elektroden oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Beispielsweise können zusätzliche poröse Elektroden, beispielsweise eine oder mehrere dritte poröse Elektroden, in dem Schichtaufbau vorhanden sein. Electrodes or in each case exactly one type can be provided. For example, additional porous electrodes, for example one or more third porous electrodes, may be present in the layer structure.
Die erste poröse Elektrode und die zweite poröse Elektrode können elektrisch kontaktierbar sein. Beispielsweise können auf dem Halbleitersubstrat mindestens ein Elektrodenkontakt für eine erste poröse Elektrode und mindestens einThe first porous electrode and the second porous electrode may be electrically contactable. For example, on the semiconductor substrate at least one electrode contact for a first porous electrode and at least one
Elektrodenkontakt für eine zweite poröse Elektrode vorgesehen sein. Die erste poröse Elektrode und die zweite poröse Elektrode können beispielsweise mittels Drahtbonden und/oder mittels mindestens eines Flip-Clip-Verfahrens Electrode contact may be provided for a second porous electrode. The first porous electrode and the second porous electrode can be, for example, by wire bonding and / or by means of at least one flip-clip method
kontaktierbar sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. be contactable. Other embodiments are conceivable in principle.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Dabei umfasst das Verfahren eine Verwendung einer, insbesondere According to a second aspect of the invention, a method for measuring a property of a gas in a measurement gas space is proposed. In this case, the method comprises a use of, in particular
mikromechanischen, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung. Dabei wird die zweite poröse Elektrode mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt.micromechanical solid electrolyte sensor device. In this case, the second porous electrode is exposed to the gas from the sample gas space.
Dabei wird weiterhin die erste poröse Elektrode mit einem Referenzgas beaufschlagt, beispielsweise Luft oder Sauerstoff bzw. mit Luft, die eine
bekannte Sauerstoffkonzentration aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin eine Erfassung mindestens eines elektrischen Signals an einer Elektrode, wobei die Elektrode ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Festkörper-Elektrolyt-Sensorvorrichtung kann vorteilhaft die Heizleistung zum Einstellen bzw. Halten der Betriebstemperatur reduziert werden. Außerdem kann sich vorteilhaft die Aufheizdauer verkürzen. In this case, furthermore, the first porous electrode is charged with a reference gas, for example air or oxygen or with air, the one having known oxygen concentration. The method further comprises detecting at least one electrical signal on an electrode, the electrode being selected from the group consisting of: the first porous electrode and the second porous electrode. By using the solid-state electrolyte sensor device according to the invention, advantageously, the heating power for setting or maintaining the operating temperature can be reduced. In addition, can advantageously shorten the heating time.
Grundsätzlich kann alternativ hierzu auch die erste Elektrode mit dem Gas aus dem Messgasraum und die zweite Elektrode mit dem Referenzgas bzw. dem Gas aus dem Referenzgasraum beaufschlagt werden. In principle, alternatively, the first electrode may also be charged with the gas from the measurement gas space and the second electrode with the reference gas or the gas from the reference gas space.
Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden; eine andere Reihenfolge ist aber denkbar. Ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte können gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der The method steps may preferably be carried out in the predetermined order; another order is conceivable. One or even several method steps can be performed simultaneously or overlapping in time. Furthermore, one, several or all of
Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen. Procedural steps can be carried out easily or repeatedly. The method may additionally comprise further method steps.
Das Verfahren kann weiterhin eine Erfassung mindestens eines elektrischen Signals an der ersten porösen Elektrode und/oder an der zweiten porösen Elektrode umfassen. The method may further comprise detecting at least one electrical signal at the first porous electrode and / or at the second porous electrode.
Es kann insbesondere mindestens eine chemische Eigenschaft eines Gases und/oder eine physikalische Eigenschaft des Gases erfasst werden. In particular, at least one chemical property of a gas and / or a physical property of the gas can be detected.
Insbesondere kann bei dem Verfahren ein Sauerstoffanteil und/oder ein In particular, in the method, an oxygen content and / or a
Sauerstoffpartialdruck und/oder ein Anteil mindestens einer Komponente des Gases, insbesondere ein Anteil einer Sauerstoffverbindung in dem Gas, insbesondere ein NOx-Anteil, erfasst werden. Dementsprechend kann das Verfahren beispielsweise zur Erfassung einer Luftzahl dienen. Auch andere Eigenschaften können jedoch alternativ oder zusätzlich erfasst werden. Partial oxygen pressure and / or a proportion of at least one component of the gas, in particular a proportion of an oxygen compound in the gas, in particular a NOx component, are detected. Accordingly, the method can serve, for example, for detecting an air ratio. However, other properties can be detected alternatively or additionally.
Bei dem "Messraum" kann es sich insbesondere um einen Gasraum in einem Kraftfahrzeug handeln, beispielsweise einen Abgastrakt in einem The "measuring space" may in particular be a gas space in a motor vehicle, for example an exhaust gas tract in a vehicle
Verbrennungskraftmotor.
_„ Internal combustion engine. _ "
- 12 - - 12 -
Bei dem "Referenzgas" kann es sich insbesondere um mindestens ein Gas mit mindestens einer bekannten Zusammensetzung handeln, beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft. The "reference gas" may in particular be at least one gas with at least one known composition, for example air, in particular ambient air.
Bei dem mindestens einen "elektrischen Signal" an der ersten porösen Elektrode und/oder an der zweiten porösen Elektrode kann es sich beispielsweise um eine Spannung zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode handeln. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch ein oder mehrere Ströme an oder durch die erste poröse und/oder die zweite poröse Elektrode erfasst werden. Insbesondere kann ein Sprungsignal erfasst werden, also ein Spannungssignal bei einem Durchtritt einer Luftzahl λ = 1. Auch andere Messungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. The at least one "electrical signal" at the first porous electrode and / or at the second porous electrode may, for example, be a voltage between the first porous electrode and the second porous electrode. Alternatively or additionally, however, one or more currents may also be detected at or through the first porous and / or the second porous electrode. In particular, a jump signal can be detected, that is, a voltage signal at a passage of an air ratio λ = 1. However, other measurements are conceivable in principle.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder auch in Preferred developments of the invention, which individually or in
Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. Combination are feasible, are shown in the dependent claims.
Eine Weiterbildung der Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung sieht vor, dass der Isolierbereich wenigstens ein Material umfasst, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich. A development of the solid electrolyte sensor device provides that the insulating region comprises at least one material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region.
Mit anderen Worten: Der Schichtaufbau im ersten Bereich kann von dem In other words, the layer structure in the first region may be of the
Trägersubstrat bzw. dem Halbleitersubstrat im zweiten Bereich im Isolierbereich z.B. durch ein Isolationsmaterial, insbesondere durch ein dielektrisches Carrier substrate or the semiconductor substrate in the second region in the insulating region, e.g. by an insulating material, in particular by a dielectric
Isolationsmaterial, isoliert sein. Insbesondere kann das Isolationsmaterial eine geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit bzw. eine geringe thermische Leitfähigkeit relativ zur Wärmeleitfähigkeit des zweiten Bereichs aufweisen, um einen Insulation material, be isolated. In particular, the insulating material may have a low specific thermal conductivity or a low thermal conductivity relative to the thermal conductivity of the second region to a
Wärmeübertrag zu vermeiden. Auch Materialmischungen sind möglich. Ebenfalls ist im Isolierbereich eine Schichtung von unterschiedlichen Materialien möglich, die im gewichteten Mittel eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweisen als das Material im zweiten Bereich, insbesondere als das unmittelbar an den Isolierbereich angrenzende Material des zweiten Bereichs. To avoid heat transfer. Also material mixtures are possible. Also, in the insulating region, a layering of different materials is possible, which in the weighted average have a lower specific thermal conductivity than the material in the second region, in particular as the material of the second region directly adjacent to the insulating region.
Auf diese Weise kann vorteilhaft durch eine Verringerung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit λ im Isolationsbereich gemäß der oben dargestellten In this way, can advantageously by reducing the specific thermal conductivity λ in the isolation region according to the above
Gleichung (1) der Übertrag von Wärmeleistung in den zweiten Bereich verringert werden. Da dieser Wärmeübertrag in den zweiten Bereich einem unerwünschten Wärmeverlust entspricht, der nun verringert ist, kann so vorteilhaft die
Heizleistung verringert werden und die Aufwärmzeit für die zu heizende Equation (1), the transfer of thermal power in the second range can be reduced. Since this heat transfer in the second region corresponds to an undesirable heat loss, which is now reduced, the advantageous Heating power can be reduced and the warm-up time for the to be heated
Festkörperelektrolytmembran bzw. Festkörperelektrolytschicht verringert sich. Solid electrolyte membrane or solid electrolyte layer decreases.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Isolierbereich wenigsten ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösemIn an embodiment, it is provided that the insulating region comprises at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous
Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, insbesondere Polyimid. Bezüglich einem Trägersubstrat bzw. Halbleitersubstrat im zweiten Bereich kann durch diese Materialwahl der Wärmeübertrag und damit derSilicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; an insulating plastic, in particular polyimide. With regard to a carrier substrate or semiconductor substrate in the second region can be selected by this choice of material, the heat transfer and thus the
Wärmeverlust vom ersten Bereich in den zweiten Bereich erheblich verringert werden. Heat loss from the first area in the second area can be significantly reduced.
So weist z.B. Silizium, welches z.B. als Material des Halbleitersubstrats im zweiten Bereich verwendet werden kann, eine Wärmeleitfähigkeit bei Thus, e.g. Silicon, which is e.g. can be used as a material of the semiconductor substrate in the second region, a thermal conductivity at
Raumtemperatur von ca. 140 bis 150 W/mK auf. Poröses Silizium kann dagegen so hergestellt werden, dass es eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von weniger als 5 W/mK, bevorzugt von weniger als 2 W/mK aufweist. Siliziumnitrid kann so hergestellt werden, dass es eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von weniger als 35 W/mK oder auch von weniger als 25W/mK aufweist. Room temperature of about 140 to 150 W / mK on. On the other hand, porous silicon can be made to have a specific thermal conductivity of less than 5 W / mK, preferably less than 2 W / mK. Silicon nitride can be made to have a specific thermal conductivity of less than 35 W / mK or less than 25W / mK.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass im Isolierbereich eine Kaverne ausgebildet ist. Dabei können z.B. die Seitenwände der Kaverne durch die dem zweiten Bereich zugewandten Außenwände des ersten Bereichs und/oder durch die dem ersten Bereich zugewandten Außenwände des zweiten Bereichs gebildet sein. Dabei können sich die Seitenwände der Kaverne beispielsweise im Wesentlichen parallel zur Schichtdickenrichtung erstrecken. A further embodiment provides that a cavern is formed in the insulating area. Thereby, e.g. the side walls of the cavern may be formed by the outer walls of the first area facing the second area and / or by the outer walls of the second area facing the first area. In this case, the side walls of the cavern, for example, extend substantially parallel to the layer thickness direction.
Unter einer "Kaverne" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein frei und/oder offen gestalteter Hohlraum zu verstehen. Die Kaverne und/oder die weitere Kaverne kann eine Quaderform aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Under a "cavern" is generally understood in the context of the present invention, in principle, a free and / or open cavity designed. The cavern and / or the further cavern may have a cuboid shape. Other embodiments are conceivable in principle.
Dadurch wird vorteilhaft eine besonders geringe Wärme-Verlustleistung realisiert. In einer Betrachtung ohne Strahlungswärmeübertrag wirkt die im Isolierbereich ausgebildete Kaverne mit ihrer„Füllung" aus Luft bzw. dem Umgebungsgas bzw. sogar Vakuum wie eine Materialschicht mit besonders geringer spezifischer
Wärmeleitfähigkeit. Luft weist z.B. eine spezifische Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von weniger als 0,03 W/mK auf - sie ist also im Vergleich zu einer Festkörper-Wärmeleitfähigkeit vernachlässigbar. Die Kaverne wirkt also in erster Näherung wie eine Reduzierung der Fläche A aus der Gleichung (1), über die der erste Bereich mit dem zweiten Bereich in Kontakt steht. Selbst wenn also der Isolierbereich in einer Richtung senkrecht zur Schichtdickenrichtung nur sehr schmal ausgebildet ist, beispielsweise nur 50nm bis lOOOnm, so sinkt im This advantageously a particularly low heat loss performance is realized. In a consideration without radiant heat transfer, the cavern formed in the insulating region acts with its "filling" of air or the ambient gas or even vacuum as a material layer with a particularly low specific Thermal conductivity. Air, for example, has a specific thermal conductivity at room temperature of less than 0.03 W / mK - so it is negligible compared to a solid-state thermal conductivity. The cavern thus acts as a first approximation as a reduction of the area A from the equation (1) over which the first area is in contact with the second area. Thus, even if the insulating region in a direction perpendicular to the layer thickness direction is formed only very narrow, for example, only 50nm to lOOOnm, so decreases in
Isolierbereich vorteilhaft die (gemittelte) Wärmeleitfähigkeit durch die Anordnung der Kaverne erheblich, so dass die Wärmeverlustleistung stark herabgesetzt wird. Insulation advantageous advantageous the (average) thermal conductivity through the arrangement of the cavern, so that the heat loss performance is greatly reduced.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass auf dem Halbleitersubstrat eine Schicht angeordnet ist, wobei die Schicht sich vom ersten Bereich bis in den zweiten Bereich erstreckt. Dabei kann die Schicht z.B. in ihren an die Kaverne grenzenden Abschnitten als Membran ausgebildet sein. A development provides that a layer is arranged on the semiconductor substrate, wherein the layer extends from the first region to the second region. The layer may be e.g. be formed in their adjacent to the cavern sections as a membrane.
Unter einer "Membran" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht oder Schichtenfolge zu verstehen, deren laterale Ausdehnung die Dicke der Schicht oder Schichtenfolge um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100, überschreiten. Die Membran kann im vorliegenden Fall durch den Schichtaufbau gebildet sein, wobei jedoch zusätzlich eine oder mehrere weitere Schichten in der Membran enthalten sein können. In the context of the present invention, a "membrane" is generally to be understood as meaning a layer or layer sequence whose lateral extent exceeds the thickness of the layer or layer sequence by at least a factor of 10, preferably by at least a factor of 100. The membrane may be formed in the present case by the layer structure, but in addition one or more further layers may be contained in the membrane.
Ein Wärmeübertrag kann vorteilhaft weiter reduziert werden, indem eine Dicke der Schicht reduziert ist bzw. sehr gering ausgebildet ist. Dies ergibt sich wieder aus Gleichung (1). Denn die Schichtdicke beeinflusst im Querschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich die Durchtrittsfläche A für die A heat transfer can advantageously be further reduced by a thickness of the layer is reduced or is made very small. This again results from equation (1). Because the layer thickness affects in cross-section between the first and the second area the passage area A for the
Wärmeleitung. Denn im Idealfall ist die Membran die einzige mechanische und damit thermisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich. Sie kann z.B. die Kaverne im Isolierbereich überbrücken und damit die einzige Wärmebrücke darstellen. Je geringer die Dicke der Schicht bzw. der Membran, desto geringer wird die Durchtrittsfläche A. Auf diese Weise kann die, z.B. mikromechanische, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung insbesondere in mindestens eine "heiße Region" im ersten Bereich und in mindestens eine "kalte Region" im zweiten Bereich eingeteilt sein. Die heißenHeat conduction. Ideally, the membrane is the only mechanical and thus thermally conductive connection between the first area and the second area. It can e.g. Bridging the cavern in the insulation area and thus representing the only thermal bridge. The smaller the thickness of the layer or membrane, the lower the passage area A. In this way, the, e.g. micromechanical solid electrolyte sensor device in particular be divided into at least one "hot region" in the first region and at least one "cold region" in the second region. The hot ones
Regionen und die kalten Regionen können miteinander durch die Membran verbunden sein. Die Membran kann insbesondere eine geringe Dicke,
beispielsweise im Bereich von 0.1 bis 100 μηη, aufweisen und weiterhin eine thermisch isolierende Funktion aufweisen, so dass ein lediglich minimaler Wärmeübertrag von der heißen Region zu der kalten Region stattfinden kann. Regions and the cold regions may be connected to each other through the membrane. The membrane may in particular have a small thickness, For example, in the range of 0.1 to 100 μηη, and continue to have a thermally insulating function, so that only a minimal heat transfer from the hot region to the cold region can take place.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Kaverne entlang der A further development provides that the cavern along the
Schichtdickenrichtung (z) betrachtet das Trägersubstrat, z.B. als Layer thickness direction (z) regards the carrier substrate, e.g. when
Halbleitersubstrat ausgebildet, vollständig durchdringt. Dadurch wird die Semiconductor substrate formed completely penetrates. This will be the
Durchtrittsfläche A für Wärme vom ersten Bereich zum zweiten Bereich vorteilhaft besonders stark verringert bzw. wird dadurch die (gemittelte) Passage area A for heat from the first area to the second area advantageously particularly greatly reduced or is thereby the (averaged)
Wärmeleitfähigkeit zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich im Isolierbereich besonders stark reduziert. Thermal conductivity between the first region and the second region in the insulating region is particularly reduced.
Unter einer Kaverne, welche das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat vollständig durchdringt, ist dementsprechend ein Hohlraum zu verstehen, welcher das Trägersubstrat bzw. Halbleitersubstrat von einer Vorderseite des Trägersubstrats bzw. Halbleitersubstrats bis zu einer Rückseite des Accordingly, a cavity which completely penetrates the carrier substrate or the semiconductor substrate is to be understood as meaning a cavity which surrounds the carrier substrate or semiconductor substrate from a front side of the carrier substrate or semiconductor substrate to a rear side of the carrier substrate
Trägersubstrats bzw. des Halbleitersubstrats vollständig durchsetzt. Carrier substrate or the semiconductor substrate completely penetrated.
Auf diese Weise ist die Durchtrittsfläche A für Wärme maximal reduziert. Der erste Bereich kann mit dem zweiten Bereich noch punktuell im Isolierbereich durch Abschnitte verbunden sein, in denen die Kaverne nicht vollständig das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat durchdringt. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Bereich mit dem zweiten Bereich mittels der Schicht bzw. der Membran verbunden sein. In beiden Fällen sind die Wärmeübertragung und damit die Wärmeverlustleistung durch eine Verringerung der Durchtrittsfläche A und/oder aufgrund der geringen spezifischen Wärmeleitfähigkeit an den In this way, the passage area A for heat is maximally reduced. The first area may still be selectively connected to the second area in the insulating area by sections in which the cavern does not completely penetrate the carrier substrate or the semiconductor substrate. Alternatively or additionally, the first region may be connected to the second region by means of the layer or the membrane. In both cases, the heat transfer and thus the heat loss performance by reducing the passage area A and / or due to the low specific thermal conductivity of the
Verbindungsstellen stark reduziert. Connection points greatly reduced.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Kaverne zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich .wobei die Kaverne insbesondere zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer A further development provides that the cavern is at least partially filled with a material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region. The cavern is in particular at least partially filled with a material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; one
Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular
Aluminiumnitrid; Polyimid.
Dadurch kann durch den Isolierbereich ein Wärmeabfluss vom ersten Bereich in den zweiten Bereich vorteilhaft verringert werden. Gleichzeitig ist vorteilhaft eine hohe mechanische Stabilität der Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung sichergestellt, da die Kaverne mit einem Feststoff gefüllt ist. Auf diese Weise können beispielsweise thermische Spannungen im Isolierbereich über eine große Querschnittsfläche (Querschnitt parallel zur Schichtdickenrichtung) abgebaut werden. Die Kaverne kann dabei nach Ihrer Herstellung, z.B. durch einen Ätzprozess, mit dem isolierenden Material verfüllt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Schicht wenigstens einaluminum; Polyimide. As a result, heat dissipation from the first region to the second region can advantageously be reduced by the insulating region. At the same time a high mechanical stability of the solid electrolyte sensor device is advantageously ensured, since the cavern is filled with a solid. In this way, for example, thermal stresses in the insulating region over a large cross-sectional area (cross section parallel to the layer thickness direction) can be reduced. The cavern can be filled with the insulating material after its production, for example by an etching process. Alternatively or additionally, it can be provided that the layer at least one
Material umfasst, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich, wobei die Schicht insbesondere wenigsten ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Includes material having a lower specific thermal conductivity than the material in the second region, wherein the layer comprises at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular
Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem thermisch isolierenden Kunststoff, wie z.B. Polyimid. Alumina, in particular aluminum nitride; a thermally insulating plastic, e.g. Polyimide.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass ein Wärmeübertrag vom ersten Bereich zum zweiten Bereich mittels der Schicht bzw. der als Membran ausgebildetenThis advantageously causes a heat transfer from the first region to the second region by means of the layer or the membrane
Schicht gemäß der Gleichung (1) nicht nur aufgrund der geringen Layer according to the equation (1) not only because of the low
Durchtrittsfläche A reduziert ist. Vielmehr ist auch die spezifische Passage area A is reduced. Rather, it is also the specific one
Wärmeleitfähigkeit λ des Schichtmaterials geringer als diejenige des Materials im zweiten Bereich. Dadurch kann eine besonders geringe Wärmeübertragung gewährleistet werden. Wenn die Schicht z.B. wegen einer vollständig durch dasThermal conductivity λ of the layer material less than that of the material in the second region. As a result, a particularly low heat transfer can be ensured. If the layer is e.g. because of a completely through the
Trägersubstrat bzw. Halbleitersubstrat hindurchreichenden Kaverne die einzige Verbindung vom ersten Bereich mit dem zweiten Bereich ist kann durch die vorgeschlagene Materialauswahl für die Schicht eine Verlust-Wärmeübertragung vom ersten Bereich zum zweiten Bereich nahezu vollständig verhindert werden. Ein Wärmeverlust wird dann im Wesentlichen nur noch durch Strahlungswärme bewirkt, jedoch nicht mehr oder nur noch stark reduziert durch Wärmeleitung. Due to the proposed choice of material for the layer, loss heat transfer from the first region to the second region can be almost completely prevented by means of the proposed material selection for the layer. A heat loss is then essentially only caused by radiant heat, but no more or only greatly reduced by heat conduction.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die mikromechanische Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung mindestens eine weitere Kaverne aufweist. Dabei kann die weitere Kaverne z.B. im ersten Bereich angeordnet sein. Dabei definiert die weitere Kaverne mindestens eine durch den Schichtaufbau gebildete weitere Membran.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Schichtaufbau besonders gut von der Umgebung thermisch isoliert ist. Die weitere Membran ist beispielsweise lediglich an ihren Randbereichen mit dem Trägersubstrat bzw. dem Halbleitersubstrat verbunden. In einer anderen Ausführungsform kann die weitere Kaverne so ausgebildet sein, dass sie nicht das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat vollständig durchdringt. In beiden Fällen kann die Heizleistung bzw. die einzubringende Heizenergie, die notwendig ist, die Festkörperelektrolytschicht auf die Betriebstemperatur zu bringen vorteilhaft weiter reduziert werden. Denn die thermische Masse, die erwärmt wird, ist deutlich reduziert. Sie besteht aus dem Schichtaufbau und dem entlang der Schichtdickenrichtung unterhalb bzw. oberhalb der weiteren Membran befindlichen mit dem Schichtaufbau thermisch leitend verbundenen Material des Trägersubstrats bzw. des Halbleitersubstrats. Weiterhin vorteilhaft wird dadurch die Aufheizzeit reduziert, wodurch die A further development provides that the micromechanical solid electrolyte sensor device has at least one further cavern. In this case, the further cavern can be arranged, for example, in the first region. In this case, the further cavern defines at least one further membrane formed by the layer structure. This has the advantageous effect that the layer structure is particularly well thermally isolated from the environment. The further membrane is connected, for example, only at its edge regions with the carrier substrate or the semiconductor substrate. In another embodiment, the further cavern may be formed such that it does not completely penetrate the carrier substrate or the semiconductor substrate. In both cases, the heating power or the heating energy to be introduced, which is necessary to bring the solid electrolyte layer to the operating temperature can be advantageously further reduced. Because the thermal mass, which is heated, is significantly reduced. It consists of the layer structure and the material of the carrier substrate or the semiconductor substrate which is thermally conductively connected to the layer structure along the layer thickness direction below or above the further membrane. Further advantageous thereby the heating time is reduced, whereby the
Sensorvorrichtung die Betriebstemperatur schneller erreicht und dadurch schneller einsetzbar ist. Sensor device reaches the operating temperature faster and thus can be used faster.
Die weitere Kaverne kann beispielsweise wie die Kaverne ausgebildet sein. Sie kann z.B. das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat vollständig The further cavern may be formed, for example, like the cavern. It can e.g. the carrier substrate or the semiconductor substrate completely
durchdringen. Beispielsweise können die Kaverne und/oder die weitere Kaverne ganz oder teilweise als durchgängiges Fenster von der Vorderseite zur Rückseite ausgebildet sein, beispielsweise als rechteckiges Fenster. Auch andere Formen sind jedoch möglich. penetrate. For example, the cavern and / or the further cavern may be wholly or partially formed as a continuous window from the front to the back, for example as a rectangular window. However, other forms are possible.
Der Schichtaufbau kann derart auf dem Trägersubstrat bzw. auf dem The layer structure can on the carrier substrate or on the
Halbleitersubstrat aufgebracht sein, dass die erste poröse Elektrode mindestens eine Oberfläche der weiteren Kaverne bedeckt und die zweite poröse Elektrode auf einer von dem Halbleitersubstrat abgewandten Seite des Schichtaufbaus angeordnet ist. Die Festkörperelektrolytschicht kann die weitere Kaverne an einer Vorderseite des Halbleitersubstrats begrenzen. Semiconductor substrate may be applied, that the first porous electrode covers at least one surface of the further cavern and the second porous electrode is disposed on a side facing away from the semiconductor substrate side of the layer structure. The solid electrolyte layer may define the further cavity at a front side of the semiconductor substrate.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran in einem Querschnitt parallel zur Schichtdickenrichtung (z) mindestens ein Profil aufweist, wobei das Profil ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem In a further development it is provided that the membrane in a cross section parallel to the layer thickness direction (z) has at least one profile, wherein the profile is selected from the group consisting of: at least one
Rechteck-Profil, mindestens einem T-Profil, mindestens einem Doppel-T-Träger- Profil.
Unter dem "Profil" der zweiten Membran wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Querschnitt durch die Membran quer zu einer Erstreckungsrichtung der Membran bzw. im Wesentlichen parallel zur Schichtdickenrichtung verstanden. Dabei weist der Querschnitt eine Querschnittsform auf. Rectangular profile, at least one T-profile, at least one double T-beam profile. In the context of the present invention, the "profile" of the second membrane is understood to mean a cross section through the membrane transversely to an extension direction of the membrane or substantially parallel to the layer thickness direction. In this case, the cross section has a cross-sectional shape.
Das Rechteckprofil verfügt hierbei über eine rechteckige Querschnittsform. The rectangular profile has a rectangular cross-sectional shape.
Ein einzelnes T-Profil weist zusätzlich zu der rechteckigen Querschnittsform einen rechteckigen Balken auf, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der rechteckigen Querschnittsform erstreckt. A single T-profile, in addition to the rectangular cross-sectional shape, has a rectangular bar extending substantially perpendicular to the rectangular cross-sectional shape.
Ein Profil mit einer Mehrzahl von T-Profilen bzw. T-Profilabschnitten weist eine Mehrzahl von zusätzlichen im Wesentlichen senkrecht zur rechteckigen A profile with a plurality of T-profiles or T-profile sections has a plurality of additional elements substantially perpendicular to the rectangular one
Querschnittsform angeordneten rechteckigen Balken auf. Mit anderen Worten: Ein Profil, welches eine Vielzahl an T-Profilen aufweist, kann insbesondere einen Abschnitt aufweisen, welcher sich entlang der Erstreckungsrichtung der Cross-sectional shape arranged rectangular bars on. In other words, a profile having a plurality of T-profiles may in particular have a portion which extends along the direction of extent of the
Membran erstreckt und über eine Vielzahl von Stegen verfügen, welche sich in einem Abstand zueinander, insbesondere in einem regelmäßigen Abstand zueinander, quer, insbesondere senkrecht, zu dem Abschnitt ausrichten. Diaphragm extends and have a plurality of webs, which at a distance from one another, in particular at a regular distance from each other, align transversely, in particular perpendicular, to the section.
Ein Doppel-T-Träger-Profil kann wie ein T-Profil ausgebildet sein, wobei am von der rechteckigen Querschnittsform abgewandten Ende des dazu senkrechten Balkens ein weiterer Balken angeordnet ist. Dieser weitere Balken kann beispielsweise im Wesentlichen parallel zu der rechteckigen Querschnittsform verlaufen. A double-T-beam profile may be formed as a T-profile, wherein at the end facing away from the rectangular cross-sectional shape of the beam perpendicular thereto another beam is arranged. For example, this further beam may be substantially parallel to the rectangular cross-sectional shape.
Bei einer Mehrzahl von Doppel-T-Träger-Profilen können die weiteren Balken derart miteinander verbunden sein, dass eine zur rechteckigen Querschnittsform im Wesentlichen parallele und im Wesentlichen durchgängig verbundene weitere rechteckige Querschnittsform ausgebildet ist. Mit anderen Worten: ein Profil, welches eine Vielzahl an Doppel-T-Träger-Profilen aufweist, kann sich insbesondere in einen oberen Teil und in einen unteren Teil aufteilen, welche parallel zueinander in der Erstreckungsrichtung der Membran verlaufen bzw. welche parallel zur x-y-Ebene verlaufen. Der erste Teil und der zweite Teil können dabei in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sein, so dass sich hierdurch in der Schichtdickenrichtung (z-Richtung) betrachtet dazwischen eine Lücke ausbildet. Innerhalb der Lücke können hierbei mehrere Stege
angeordnet sein, welche sich quer, insbesondere senkrecht, zu der In the case of a plurality of double-T-beam profiles, the further beams can be connected to one another in such a way that a further rectangular cross-sectional shape substantially parallel to the rectangular cross-sectional shape and essentially continuous is formed. In other words, a profile which has a large number of double-T-beam profiles can be divided, in particular, into an upper part and a lower part, which run parallel to one another in the direction of extension of the membrane or which run parallel to the xy- Level. In this case, the first part and the second part can be arranged at a defined distance from one another, so that as a result a gap is formed between them in the layer thickness direction (z direction). Within the gap here several webs be arranged, which are transversely, in particular perpendicular, to the
Erstreckungsrichtung der Membran ausrichten. Die Stege können hierbei insbesondere parallel zueinander angeordnet sein. Align the extension direction of the diaphragm. The webs can be arranged in this case in particular parallel to each other.
Dadurch, dass die Membran ein Profil aufweist wird sie vorteilhaft mechanisch gegen Zugspannungen oder Druckspannungen parallel zu ihrer Oberfläche stabilisiert in Folge eines erhöhten Flächenträgheitsmoments. Derartige Because the membrane has a profile, it is advantageously mechanically stabilized against tensile stresses or compressive stresses parallel to its surface due to an increased area moment of inertia. such
Spannungen können beispielsweise auftreten, wenn der erste Bereich zumindest abschnittsweise nur mittels der Membran mit dem zweiten Bereich verbunden ist. Die Membran überspannt dabei im Isolierbereich wie eine Brücke den Stress can occur, for example, if the first region is at least partially connected only by means of the membrane with the second region. The membrane spans over the insulation area like a bridge
Isolierbereich. Da der erste Bereich eine erheblich höhere Temperatur beim Heizen aufweist als der zweite Bereich dehnt er sich aus und setzt die Membran unter Druckspannung, Beim Zusammenziehen in Folge einer Abkühlung wird die Membran dagegen unter Zugspannung gesetzt (immer betrachtet in einer im Wesentlichen zur Schichtdickenrichtung senkrechten Ebene). Die Ausbildung eines Profils an der Membran kann die Membran mechanisch stabilisieren und die Ausbildung von Rissen verhindern. Isolation. Since the first region has a considerably higher heating temperature than the second region, it expands and compresses the membrane. On contraction as a result of cooling, the membrane is placed under tension (always viewed in a plane substantially perpendicular to the layer thickness direction) ). The formation of a profile on the membrane can mechanically stabilize the membrane and prevent the formation of cracks.
Mit anderen Worten kann es beispielsweise während eines Betriebs einer, beispielsweise mikromechanischen, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung im Allgemeinen zu einem Aufheizen der heißen Region kommen, und die Membran kann sich in unerwünschter Weise bzw. unerwünscht stark verformen. Das Verformen kann durch die Profile, wie sie bereits beschrieben wurden oder im Folgenden beschrieben werden, reduziert werden. In other words, during operation of a, for example micromechanical, solid-state electrolyte sensor device, heating of the hot region may generally occur, for example, and the membrane may undesirably deform excessively. The deformation can be reduced by the profiles as already described or described below.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Membran eine Membranvorderseite und eine Membranrückseite umfasst, wobei die Membranrückseite zu der Kaverne hin gerichtet ist, wobei die Membranrückseite eine Vielzahl von zu der Kaverne offenen Einbuchtungen aufweist. A further development provides that the membrane comprises a membrane front side and a membrane rear side, the membrane rear side being directed towards the cavern, the membrane rear side having a multiplicity of indentations open to the cavern.
Der Begriff "Einbuchtung" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen offen ausgestalteten Hohlraum. Vorzugsweise kann es sich um einen in die Membran hineinragenden Hohlraum handeln. The term "indentation" in the context of the present invention basically refers to an open cavity. Preferably, it can be a cavity projecting into the membrane.
Eine Weiterbildung sieht dabei vor, dass die Einbuchtungen einen Querschnitt aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Kreis; einem Polygon, insbesondere einem Dreieck, insbesondere einem Hexagon, wobei die
Einbuchtungen insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur angeordnet sind. A further development provides that the indentations have a cross section selected from the group consisting of: a circle; a polygon, in particular a triangle, in particular a hexagon, wherein the Indentations are arranged in particular in the form of a regular structure.
Die Einbuchtungen können hierbei auf der Membranrückseite insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur, welche über nebeneinander angeordnete, gleichartige Einbuchtungen verfügt, angeordnet sein. In this case, the indentations can be arranged on the rear side of the membrane, in particular in the form of a regular structure, which has juxtaposed recesses arranged next to one another.
Durch diese Weiterbildungen wird vorteilhaft eine besonders große mechanische Stabilisierung erreicht. Gleichzeitig ist die Durchtrittsfläche A für einen These refinements advantageously achieve a particularly large mechanical stabilization. At the same time, the passage area A is for a
Wärmeübertrag vom ersten Bereich zum zweiten Bereich über die Membran vorteilhaft immer noch gegeben durch die im Querschnitt parallel zur Heat transfer from the first region to the second region across the membrane advantageously still given by the parallel in cross section to the
Schichtdickenrichtung dünnste Stelle der Membran, also die Bereiche mit den Einbuchtungen. So wird bei hoher mechanischer Stabilität der Wärmeverlust stark verringert. Layer thickness direction Thinnest point of the membrane, ie the areas with the indentations. Thus, with high mechanical stability of the heat loss is greatly reduced.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Membran eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 500 μηη aufweist, vorzugsweise von 500 nm bis 100 μηη. A further development provides that the membrane has a thickness in the range from 100 nm to 500 μm, preferably from 500 nm to 100 μm.
Dadurch wird die Durchtrittsfläche A für eine Wärmeübertragung durch die Membran vorteilhaft besonders stark reduziert. Gleichzeitig ist diese Dicke ausreichend, um die Membran mechanisch stabil über die gewünschte As a result, the passage area A is advantageously particularly greatly reduced for heat transfer through the membrane. At the same time, this thickness is sufficient to make the membrane mechanically stable over the desired one
Betriebsdauer der Sensorvorrichtung auszubilden. To design operating life of the sensor device.
Die Membran kann weiterhin eingerichtet sein, um einen Wärmeübertrag von dem Schichtaufbau zu weiteren Bereichen des Halbleitersubstrats zumindest weitgehend zu reduzieren. Dies kann wie oben dargestellt z.B. durch eine geeignete Materialauswahl und/oder durch eine Strukturierung bzw. Profilierung der Membran bewirkt werden. The membrane may further be arranged to at least substantially reduce heat transfer from the layer structure to further regions of the semiconductor substrate. This can be done as shown above e.g. be effected by a suitable choice of material and / or by a structuring or profiling of the membrane.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die, beispielsweise mikromechanisch hergestellte, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung ein Sauerstoffsensor oder ein Stickoxidsensor ist. A further development provides that the, for example micromechanically produced, solid-state electrolyte sensor device is an oxygen sensor or a nitrogen oxide sensor.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die mikromechanische Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung mindestens ein Heizelement umfasst, wobei das Heizelement im ersten Bereich angeordnet ist. Das mindestens eine Heizelement kann dazu eingerichtet sein, die Festkörperelektrolytschicht des Schichtaufbaus zu heizen.
Dadurch, dass das Heizelement im ersten Bereich angeordnet ist wird eine nicht notwendige Aufheizung des zweiten Bereichs vorteilhaft vermieden. Auf diese Weise kann die Heizleistung reduziert werden und/oder das Heizelement kleiner dimensioniert werden. A development provides that the micromechanical solid electrolyte sensor device comprises at least one heating element, wherein the heating element is arranged in the first region. The at least one heating element may be configured to heat the solid electrolyte layer of the layer structure. Characterized in that the heating element is arranged in the first region, an unnecessary heating of the second region is advantageously avoided. In this way, the heating power can be reduced and / or the heating element can be made smaller.
Das Heizelement kann insbesondere mindestens ein elektrisches The heating element can in particular at least one electrical
Heizwiderstandselement umfassen. Das Heizelement kann in einer Richtung senkrecht zur Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen der weiteren Membran und der Membran angeordnet sein. Include heating resistor element. The heating element can be arranged between the further membrane and the membrane in a direction perpendicular to the layer thickness direction.
Die Elektroden-Festkörperelektrolyt-Elektroden-Struktur kann insbesondere in einer Richtung quer zur Schichtdickenrichtung angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das Heizelement beispielsweise den Schichtaufbau zumindest teilweise umschließen. Das Heizelement ist dann also in einer radialen Richtung in der x-y-Ebene der weiteren Membran betrachtet außerhalb der weiteren Membran angeordnet. The electrode-solid electrolyte-electrode structure may be arranged in particular in a direction transverse to the layer thickness direction. In other words, the heating element, for example, at least partially enclose the layer structure. The heating element is then arranged so viewed in a radial direction in the x-y plane of the other membrane outside the other membrane.
Dadurch kann vorteilhaft eine besonders effektive Erwärmung der This can advantageously a particularly effective heating of the
Schichtanordnung sichergestellt werden. Layer arrangement can be ensured.
Alternativ oder zusätzlich kann die Elektroden-Festkörperelektrolyt-Elektroden- Struktur in einer Richtung entlang der Schichtdickenrichtung zwischen dem Heizelement bzw. den Heizelementen angeordnet sein. Alternatively or additionally, the electrode-solid electrolyte-electrode structure can be arranged in a direction along the layer thickness direction between the heating element or the heating elements.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Heizelement durch eine die Schicht durchdringende Zuleitung elektrisch kontaktierbar ist. Dadurch lässt sich in besonders einfacher Weise die Schicht, die als Membran ausgebildet sein kann vorteilhaft für zwei Zwecke nutzen: einerseits kann sie den ersten Bereich thermisch vom zweiten Bereich entkoppeln. Zweitens dient sie als Träger für die elektrischen Zuleitungen zum Heizelement und stabilisiert somit die Zuleitungen mechanisch. Denn es kann, wie oben vorgetragen, zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich im Isolierbereich zu starken mechanischen A further development provides that the heating element can be electrically contacted by a supply line penetrating the layer. As a result, the layer which can be formed as a membrane can be advantageously used for two purposes in a particularly simple manner: on the one hand, it can thermally decouple the first region from the second region. Second, it serves as a carrier for the electrical leads to the heating element and thus stabilizes the leads mechanically. Because it can, as stated above, between the first area and the second area in the insulation to strong mechanical
Spannungen kommen, z.B. thermischen Spannungen. Um eine Beschädigung der elektrischen Zuleitungen zum Heizelement zu verhindern können diese vorteilhaft in die mechanisch stabilisierte Membran eingebettet werden.
Kurze Beschreibung der Figuren Voltages come, eg thermal stresses. To prevent damage to the electrical leads to the heating element, these can be advantageously embedded in the mechanically stabilized membrane. 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:
Figuren 1A eine schematische Schnittdarstellung einer 1A is a schematic sectional view of a
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung; Solid electrolyte sensor device;
Figur 1B eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Figure 1B is a schematic sectional view of another
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung; Solid electrolyte sensor device;
Figuren 2.1.1 bis 2.4.2 Darstellungen verschieden ausgebildeter Membranen einer Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung in Figures 2.1.1 to 2.4.2 representations of differently formed membranes of a solid electrolyte sensor device in
Schnittdarstellung entlang einer Erstreckungsrichtung der Membran (2.1.1, 2.2.1, 2.3.1, 2.4.1) und in einer dazu senkrechten Schnittdarstellung (2.1.2, 2.2.2, 2.3.2) bzw. in einer Ansicht der Unterseite der Membran (2.4.2). Sectional view along an extension direction of the membrane (2.1.1, 2.2.1, 2.3.1, 2.4.1) and in a vertical sectional view (2.1.2, 2.2.2, 2.3.2) or in a view of the bottom of the Membrane (2.4.2).
Beschreibung der Ausführungsformen Description of the embodiments
Figur 1A zeigt einen Querschnitt in einer x-z-Ebene des eingezeichneten kartesischen Koordinaten-Systems durch eine Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 kann z.B. in herkömmlicher Dickschichttechnologie hergestellt sein, also beispielsweise mit FIG. 1A shows a cross section in an x-z plane of the drawn Cartesian coordinate system through a solid electrolyte sensor device 110 for detecting at least one property of a gas. The solid electrolyte sensor device 110 may be e.g. be made in conventional thick-film technology, so for example with
Siebdruckverfahren. Sie kann jedoch auch mikromechanisch hergestellt sein, d.h. beispielsweise unter Verwendung photolithografischer Prozesse aus der Mikrosystemtechnik. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 umfasst dabei ein Trägersubstrat 112. Dieses kann z.B. bei einer mikromechanischen Sensorvorrichtung 110 beispielsweise als Halbleitersubstrat 113 ausgebildet sein, in Dickschichttechnologie kann es ein Keramik-Trägersubstrat sein.
Das Trägersubstrat 112 kann, wenn es als Halbleitersubstrat 113 ausgebildet ist, mindestens ein Halbleitermaterial umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium; einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumcarbid; einer Galliumverbindung, insbesondere Galliumarsenid. Das Halbleitersubstrat 113 kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Screen printing process. However, it can also be produced micromechanically, ie, for example, using photolithographic processes from microsystems technology. The solid-state electrolyte sensor device 110 in this case comprises a carrier substrate 112. This may be formed, for example, in the case of a micromechanical sensor device 110, for example as a semiconductor substrate 113; in thick-film technology, it may be a ceramic carrier substrate. The carrier substrate 112, when formed as a semiconductor substrate 113, may comprise at least one semiconductor material selected from the group consisting of: silicon; a silicon compound, in particular silicon carbide; a gallium compound, in particular gallium arsenide. The semiconductor substrate 113 may be formed in particular as a chip.
Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 umfasst weiterhin mindestens einen Schichtaufbau 118, welcher mindestens eine erste porösen Elektrode 120, mindestens eine zweite porösen Elektrode 122 und eine entlang einer The solid-state electrolyte sensor device 110 further comprises at least one layer structure 118, which comprises at least one first porous electrode 120, at least one second porous electrode 122, and one along a first porous electrode 120
Schichtdickenrichtung (z) zwischen der ersten porösen Elektrode 120 und der zweiten porösen Elektrode 122 eingebettete Festkörperelektrolytschicht 124 aufweist. Der mindestens eine Schichtaufbau 118 ist in einem ersten Bereich 210 des mindestens einen Trägersubstrats 112 angeordnet. Dabei ist der erste Bereich 210 bezüglich einer ersten Ebene (der x-y-Ebene) senkrecht zu der Schichtdickenrichtung (z) von einem zweiten Bereich 220 umgeben. Layer thickness direction (z) between the first porous electrode 120 and the second porous electrode 122 embedded solid electrolyte layer 124 has. The at least one layer structure 118 is arranged in a first region 210 of the at least one carrier substrate 112. In this case, the first region 210 is surrounded by a second region 220 with respect to a first plane (the x-y plane) perpendicular to the layer thickness direction (z).
Die erste poröse Elektrode 120 kann dabei einem Messgasraum zugewandt sein, z.B. einem Abgas, wobei die Sensorvorrichtung 110 wenigstens eine Eigenschaft eines im Messgasraum vorhandenen Gases erfassen soll. Die zweite poröse Elektrode 122 kann dabei einem Referenzgasraum zugewandt sein, in dem z.B. eine definierte Sauerstoffkonzentration vorliegt. The first porous electrode 120 may in this case face a measuring gas space, e.g. an exhaust gas, wherein the sensor device 110 should detect at least one property of a gas present in the sample gas space. The second porous electrode 122 may in this case face a reference gas space, in which e.g. a defined oxygen concentration is present.
Alternativ kann die erste Elektrode 120 dem Referenzgasraum zugewandt sein und die zweite Elektrode 122 dem Messgasgasraum. Alternatively, the first electrode 120 may face the reference gas space and the second electrode 122 may face the sample gas space.
Im eingezeichneten kartesischen Koordinatensystem entspricht die In the drawn Cartesian coordinate system corresponds to the
Schichtdickenrichtung (z) also der z-Richtung während sich die flächige Layer thickness direction (z) so the z-direction while the surface
Erstreckung des Schichtaufbaus 118 in der zur Schichtdickenrichtung Extension of the layer structure 118 in the direction of the layer thickness
senkrechten x-y-Ebene erstreckt. Dargestellt ist im Querschnitt der Figur 1A nur die x-z-Ebene. Die y-Richtung erstreckt sich in die Bildebene hinein. vertical x-y plane extends. In the cross-section of FIG. 1A, only the x-z plane is shown. The y-direction extends into the image plane.
Dabei ist zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Bereich 210 und dem zweiten Bereich 220 ein Isolierbereich 230 vorgesehen. Dabei ist die In this case, at least in sections, an insulating region 230 is provided between the first region 210 and the second region 220. It is the
Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich 230 geringer als die Wärmeleitfähigkeit im zweiten Bereich 220. In der dargestellten Ausführungsform kann dies Thermal conductivity in the insulating region 230 less than the thermal conductivity in the second region 220. In the illustrated embodiment, this can
beispielsweise durch die Verwendung eines Materials im Isolierbereich 230 bewirkt werden, dessen spezifische Wärmeleitfähigkeit λ geringer ist als die
„ . For example, be effected by the use of a material in the insulating region 230, the specific thermal conductivity λ is less than that ".
- 24 - spezifische Wärmeleitfähigkeit λ des den Isolierbereich 230 umgebenden zweiten Bereichs 220. Beispielsweise können der erste Bereich 210 und der zweite Bereich 220 zumindest teilweise aus demselben Material ausgebildet sein und z. B. Silizium umfassen. For example, the first region 210 and the second region 220 may be formed at least partially from the same material and may, for example, be formed of the same thermal conductivity λ of the second region 220 surrounding the insulating region 230. B. silicon include.
Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 kann weiterhin mindestens ein Heizelement 140 umfassen, welches im ersten Bereich 210 angeordnet ist. The solid electrolyte sensor device 110 may further comprise at least one heating element 140, which is arranged in the first region 210.
Dieses Heizelement 140 ist dafür eingerichtet, die Schichtanordnung 118 und vor allem die Festkörperelektrolytmembran 124 zu heizen. Das Heizelement 140 kann die Schichtanordnung 118 in der ersten Ebene (x-y-Ebene) betrachtet radial außen zumindest teilweise umgeben. This heating element 140 is configured to heat the layer arrangement 118 and, in particular, the solid electrolyte membrane 124. The heating element 140 can at least partially surround the layer arrangement 118 in the first plane (x-y plane) viewed radially on the outside.
Wenn das Heizelement 140 beheizt wird, so erwärmt es neben der When the heating element 140 is heated, it heats beside the
Schichtanordnung 118 durch Wärmeleitung auch den zweiten Bereich 220. Der Wärmeabfluss in den zweiten Bereich 220 ist durch Pfeile mit dem Layer arrangement 118 by heat conduction also the second region 220. The heat flow into the second region 220 is indicated by arrows with the
Bezugszeichen„Q" dargestellt. Der Wärmeabfluss Q pro Zeit in den zweiten Bereich 220 ergibt sich aus Gleichung (1) oben. Der erwärmte erste Bereich 210 steht über eine Durchtrittsfläche A, von der in der dargestellten Schnittzeichnung nur eine eindimensionale Linie zu erkennen ist, mit dem zweiten Bereich 220 über den Isolationsbereich 230 in wärmeleitender Verbindung. Eine Breite d des Isolierbereichs 230 ist der dritte Parameter aus der Gleichung (1), der den unerwünschten Wärmeabfluss vom ersten Bereich 210 in den zweiten Bereich 220 beeinflusst. Durch eine geeignete Wahl der Breite d und/oder der The heat discharge Q per time into the second region 220 results from Equation (1) above: The heated first region 210 projects beyond a passage area A, of which only a one-dimensional line can be seen in the sectional drawing shown. The second region 220 is thermally conductive over the isolation region 230. A width d of the isolation region 230 is the third parameter from equation (1) that affects the unwanted heat dissipation from the first region 210 into the second region 220 Width d and / or the
Durchtrittsfläche A und/oder der (gemittelten) Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich 230 kann die Wärme-Verlustleistung, d.h. der Wärmefluss vom ersten Bereich 210 in den zweiten Bereich 220, gezielt verringert werden. Passage area A and / or the (averaged) thermal conductivity in isolation region 230 may reduce heat dissipation, i. the heat flow from the first region 210 into the second region 220, can be purposefully reduced.
Figur 1B zeigt eine weitere Ausführungsform einer Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung 110, die hier mikromechanisch ausgebildet bzw. hergestellt ist. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1A kennzeichnen Elemente mit gleichen Funktionen. FIG. 1B shows a further embodiment of a solid electrolyte sensor device 110, which is micromechanically formed or manufactured here. The same reference numerals as in FIG. 1A identify elements having the same functions.
Wie in Fig. 1A umfasst die in Fig. 1B dargestellte Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung 110 mindestens einen Schichtaufbau 118 mit mindestens einer ersten porösen Elektrode 120, mindestens einer zweiten porösen Elektrode 122 und einer in Schichtdickenrichtung (z) betrachtet zwischen der ersten
porösen Elektrode 120 und der zweiten porösen Elektrode 122 eingebetteten Festkörperelektrolytschicht 124. As in FIG. 1A, the solid electrolyte sensor device 110 illustrated in FIG. 1B comprises at least one layer structure 118 with at least one first porous electrode 120, at least one second porous electrode 122 and one in the layer thickness direction (z) between the first porous electrode 120 and the second porous electrode 122 embedded solid electrolyte layer 124th
Die erste poröse 120 Elektrode kann dabei einem Messgasraum zugewandt sein und die zweite poröse Elektrode 122 einem Referenzgasraum. Alternativ kann die erste Elektrode 120 dem Referenzgasraum zugewandt sein und die zweite Elektrode 122 dem Messgasgasraum. The first porous 120 electrode may be facing a measuring gas space and the second porous electrode 122 a reference gas space. Alternatively, the first electrode 120 may face the reference gas space and the second electrode 122 may face the sample gas space.
Das Trägersubstrat 112 kann hierbei entlang der Schichtdickenrichtung (z) betrachtet eine Vorderseite 114 (in der Figur oben) und eine Rückseite 116 (in der Figur unten) aufweisen. In this case, the carrier substrate 112 can have a front side 114 (in the figure above) along the layer thickness direction (z) and a rear side 116 (in the figure below).
Der Schichtaufbau 118 kann zumindest teilweise auf bzw. in der Vorderseite 114 des als Halbleitersubstrat 113 ausgebildeten Trägersubstrats 112 angeordnet sein. Der Schichtaufbau 118 und ein den Schichtaufbau 118 zumindest abschnittsweise umgebendes Heizelement 140 sind in dem ersten Bereich 210 angeordnet. The layer structure 118 may be arranged at least partially on or in the front side 114 of the carrier substrate 112 formed as a semiconductor substrate 113. The layer structure 118 and a heating element 140 surrounding the layer structure 118 at least in sections are arranged in the first region 210.
Vom ersten Bereich 210 radial nach außen in der x-y-Ebene betrachtet schließt sich an den ersten Bereich 210 der Isolierbereich 230 an, der wiederum an den zweiten Bereich 220 angrenzt. Viewed from the first region 210 radially outwards in the x-y plane, the insulating region 230, which in turn adjoins the second region 220, adjoins the first region 210.
Die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 umfasst mindestens eine Schicht 126 bzw. Isolationsschicht 126, welche auf der The micromechanical solid electrolyte sensor device 110 comprises at least one layer 126 or insulating layer 126 which is located on the
Vorderseite 114 des Halbleitersubstrats 113 angeordnet sein kann. Die Schicht 126 kann bezüglich des Halbleitersubstrats 113 thermisch isolierend ausgebildet sein, d.h., sie kann eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit λ aufweisen als der zweite Bereich 220. Sie kann z.B. aus einem Material gebildet sein, welches mindestens ein Isolationsmaterial umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, Front side 114 of the semiconductor substrate 113 may be arranged. The layer 126 may be thermally insulating with respect to the semiconductor substrate 113, that is, it may have a lower specific thermal conductivity λ than the second region 220. It may be e.g. be formed of a material comprising at least one insulating material selected from the group consisting of: porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride or silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide or aluminum nitride; an insulating plastic,
insbesondere Polyimid. Die Isolationsschicht 126 kann insbesondere eingerichtet sein, um den Schichtaufbau 118 von dem Halbleitersubstrat 113 zu isolieren. in particular polyimide. The insulating layer 126 may in particular be designed to insulate the layer structure 118 from the semiconductor substrate 113.
Weiterhin umfasst die mikromechanische Festkörperelektrolyt- SensorvorrichtungllO mindestens eine Kaverne 130, die im Isolierbereich 230
angeordnet ist. Die Kaverne 130 kann beispielsweise als rechteckiges Fenster ausgebildet sein und den ersten Bereich 210 abschnittsweise oder auch vollständig umgeben (in der x-y- Ebene betrachtet). Die Kaverne 130 kann das Halbleitersubstrat 113 vollständig durchdringen. Die Kaverne 130 definiert mindestens eine Membran 134, die somit zumindest teilweise im IsolierbereichFurthermore, the micromechanical solid-state electrolyte sensor device 10 O comprises at least one cavern 130, which in the insulating region 230 is arranged. The cavern 130 may be formed, for example, as a rectangular window and the first area 210 partially or completely surrounded (in the xy plane considered). The cavern 130 may completely penetrate the semiconductor substrate 113. The cavern 130 defines at least one membrane 134, which thus at least partially in the insulating region
230 angeordnet ist. Die Membran 134 überbrückt im Isolierbereich 230 die Kaverne 130 und verbindet den ersten Bereich 210 mit dem zweiten Bereich 220. Die Membran 134 kann z.B. im Isolierbereich 230, zumindest in den Abschnitten, in denen die Kaverne 130 angeordnet ist, die einzige Verbindung zwischen dem ersten Bereich 210 und dem zweiten Bereich 220 darstellen. Eine Wärmeleitung kann dann nur durch die Schicht 126 erfolgen. Hierbei wird die 230 is arranged. The membrane 134 bridges the cavern 130 in the isolation region 230 and connects the first region 210 to the second region 220. in the insulating region 230, at least in the sections in which the cavity 130 is arranged, constitute the only connection between the first region 210 and the second region 220. A heat conduction can then take place only through the layer 126. Here is the
Wärmeübertragung durch Strahlung nicht berücksichtigt. Somit ist die Heat transfer by radiation not considered. Thus, the
Wärmedurchtrittsfläche A im Isolierbereich 230 deutlich reduziert - denn diese Fläche A ist nur noch die Querschnittsfläche der Membran 134. Alternativ oder zusätzlich ist wegen der geringen spezifischen Wärmeleitfähigkeit von Gasen dieHeat transfer surface A in the insulating region 230 significantly reduced - because this area A is only the cross-sectional area of the membrane 134. Alternatively or additionally, because of the low specific thermal conductivity of gases
(gemittelte) Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich 230 gegenüber der (averaged) thermal conductivity in the insulating region 230 with respect to
Wärmeleitfähigkeit im zweiten Bereich 220 deutlich reduziert. Thermal conductivity in the second region 220 significantly reduced.
Die Membran 134 kann eingerichtet sein, um einen Wärmeübertrag von dem Schichtaufbau 118 zu weiteren Bereichen des Halbleitersubstrats 113 zumindest weitgehend zu reduzieren. Die Membran 134 kann eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 500 μηη aufweisen, vorzugsweise von 500 nm bis 100 μηη. The membrane 134 may be configured to at least substantially reduce heat transfer from the layer structure 118 to further regions of the semiconductor substrate 113. The membrane 134 may have a thickness in the range from 100 nm to 500 μm, preferably from 500 nm to 100 μm.
Der Schichtaufbau 118 kann derart auf dem Halbleitersubstrat 113 aufgebracht sein, dass die erste poröse Elektrode 120 mindestens eine Oberfläche 136 einer weiteren Kaverne 128 bedeckt. Die weitere Kaverne 128 ist im ersten Bereich 210 angeordnet. Die weitere Kaverne 128 kann grundsätzlich ähnlich ausgebildet sein wie die Kaverne 130. Die weitere Kaverne 134 kann z.B. das The layer structure 118 may be applied to the semiconductor substrate 113 such that the first porous electrode 120 covers at least one surface 136 of another cavity 128. The further cavern 128 is arranged in the first region 210. The further cavern 128 may in principle be designed similar to the cavern 130. The further cavern 134 may be e.g. the
Halbleitersubstrat 113 wie die Kaverne 130 ebenfalls in Schichtdickenrichtung (z) betrachtet vollständig durchdringen. Die weitere Kaverne 134 kann mindestens eine durch den Schichtaufbau 118 gebildete weitere Membran 132 definieren. Diese weitere Membran 132 kann durch den Schichtaufbau 118 gegeben sein. Semiconductor substrate 113 as the cavern 130 also in the layer thickness direction (z) considered completely penetrate. The further cavity 134 may define at least one further membrane 132 formed by the layer structure 118. This further membrane 132 may be given by the layer structure 118.
Die zweite poröse Elektrode 122 kann auf einer von dem Halbleitersubstrat 113 abgewandten Seite 138 des Schichtaufbaus 118 angeordnet sein. Die The second porous electrode 122 may be arranged on a side 138 of the layer structure 118 facing away from the semiconductor substrate 113. The
Festkörperelektrolytschicht 124 kann die weitere Kaverne 128 an der Vorderseite 114 des Halbleitersubstrats 113 begrenzen.
Das Heizelement 140 kann in der x-y- Ebene betrachtet zwischen der weiteren Membran 132 und der Membran 134, insbesondere auf der Vorderseite 114 des Halbleitersubstrats 113 angeordnet sein. Das Heizelement 140 kann Solid electrolyte layer 124 may define the further cavity 128 at the front side 114 of the semiconductor substrate 113. The heating element 140 can be arranged in the xy plane between the further diaphragm 132 and the diaphragm 134, in particular on the front side 114 of the semiconductor substrate 113. The heating element 140 may
insbesondere eingerichtet sein, um die Festkörperelektrolytschicht 124 des Schichtaufbaus 118 zu heizen. Das Heizelement kann durch eine, die Schicht 126 durchdringende bzw. eine in die Schicht 126 eingebettete Zuleitung 142 elektrisch kontaktierbar sein. Die (mikromechanische) Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung 110 kann weiterhin mindestens einen elektrischen Kontakt 144 aufweisen. in particular, be configured to heat the solid state electrolyte layer 124 of the layer structure 118. The heating element can be electrically contacted by a feed line 142 penetrating the layer 126 or embedded in the layer 126. The (micromechanical) solid electrolyte sensor device 110 may further comprise at least one electrical contact 144.
Die Figuren 2.1.1 bis 2.4.2 zeigen jeweils Ausführungsbeispiele für die Membran 134 im Isolierbereich 230 der erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung 110 aus Fig. IB. Die Membran 134 ist in den Figuren 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 und 2.4.1 jeweils in einer Schnittdarstellung in der x-z-Ebene dargestellt. Es ist somit ein Ausschnitt dargestellt, der den Isolierbereich 230 darstellt und in der Figur links und rechts davon den sich anschließenden zweiten Bereich 220 bzw. den ersten Bereich 210. FIGS. 2.1.1 to 2.4.2 respectively show exemplary embodiments of the membrane 134 in the insulating region 230 of the solid-state electrolyte sensor device 110 according to the invention from FIG. 1B. The membrane 134 is shown in FIGS. 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 and 2.4.1, each in a sectional view in the x-z plane. It is thus shown a detail which represents the insulating region 230 and in the figure to the left and right thereof the adjoining second region 220 and the first region 210, respectively.
In den Figuren 2.1.2, 2.2.2 und 2.3.2 ist die Membran 134 jeweils in einer Schnittdarstellung quer, insbesondere senkrecht, zu der Schnittdarstellung aus den Figuren 2.2.1, 2.2.1, 2.3.1 und 2.4.1, also in einem Schnitt in der y-z-Ebene dargestellt, entsprechend den angedeuteten Schnittlinien aus den Figuren 2.1.1, 2.2.1 und 2.3.1. In FIGS. 2.1.2, 2.2.2 and 2.3.2, the membrane 134 is in a cross-sectional view, in particular perpendicular, to the sectional view from FIGS. 2.2.1, 2.2.1, 2.3.1 and 2.4.1, ie represented in a section in the yz plane, corresponding to the indicated section lines from Figures 2.1.1, 2.2.1 and 2.3.1.
In Figur 2.4.2 ist eine Rückseite 148 der Membran 134 gezeigt, also eine In Figure 2.4.2, a back side 148 of the membrane 134 is shown, that is one
Aufsicht auf die x-y-Ebene. Supervision on the x-y plane.
Die Membran 134 kann quer, insbesondere senkrecht, zu ihrer The membrane 134 may be transverse, in particular perpendicular, to its
Erstreckungsrichtung 146 im dargestellten Schnitt (hier entspricht die Extension direction 146 in the illustrated section (here corresponds to the
Erstreckungsrichtung also der x-Richtung) mindestens ein Profil 150 aufweisen. Beispielsweise kann die Membran 134, wie in den Figuren 2.1.1 und 2.1.2 dargestellt, ein Rechteckprofil 152 aufweisen. Extension direction so the x-direction) have at least one profile 150. For example, the membrane 134, as shown in Figures 2.1.1 and 2.1.2, have a rectangular profile 152.
Alternativ, kann die Membran 134, wie in den Figuren 2.2.1 und 2.2.2 dargestellt, beispielsweise über mindestens ein T-Profil 154 verfügen. Insbesondere kann die Membran 134 eine Vielzahl von T-Profilen 154 aufweisen.
Alternativ kann die Membran 134, wie in den Figuren 2.3.1 und 2.3.2 gezeigt, über ein Profil 150 verfügen, welches mindestens ein Doppel-T-Träger-Profil 156 umfasst. Insbesondere kann die Membran 134 eine Vielzahl von Doppel-T- Träger-Profilen 156 aufweisen, wodurch eine Membran 134 geschaffen wird, welche zwei zueinander im Wesentlichen parallele, zusammenhängende Schichten aufweist, die entlang der Schichtdickenrichtung (z) voneinander beabstandet ausgebildet sind. In der Lücke zwischen den beiden Schichten sind die zu der Schichterstreckung senkrechten Balken in der Art von Stegen ausgebildet. Alternatively, the membrane 134, as shown in Figures 2.2.1 and 2.2.2, for example, have at least one T-profile 154. In particular, the membrane 134 may have a plurality of T-profiles 154. Alternatively, as shown in FIGS. 2.3.1 and 2.3.2, the membrane 134 may have a profile 150 comprising at least one double T-beam profile 156. In particular, the membrane 134 may include a plurality of dual T-beam profiles 156, thereby providing a membrane 134 having two mutually substantially parallel, continuous layers spaced apart along the layer thickness direction (z). In the gap between the two layers, the beams extending perpendicular to the layer extension are formed in the manner of webs.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann, wie in den Figuren 2.4.1 und 2.4.2 dargestellt, die Rückseite 148 der Membran 134 eine Vielzahl von zu der Kaverne 130 offenen Einbuchtungen 158 aufweisen. Die Membran 134 kann eine Membranvorderseite 160 und eine Membranrückseite 162 bzw. Rückseite 148 der Membran umfassen. Die Membranrückseite 162 kann zu der Kaverne 134 hin gerichtet sein. Die Membranrückseite 162 kann die Einbuchtungen 158 aufweisen. Die Einbuchtungen 158 können, wie insbesondere aus Figur 2.4.2 hervorgeht, über einen rechteckigen Querschnitt 164 verfügen. Die Einbuchtungen 158 können hierbei, wie weiterhin aus Figur 2.4.2 hervorgeht, insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur 166 angeordnet sein. Durch die Ausbildung der Profile bzw. die Ausbildung der Struktur mit denIn a further exemplary embodiment, as shown in FIGS. 2.4.1 and 2.4.2, the rear side 148 of the membrane 134 can have a multiplicity of indentations 158 that are open to the cavern 130. The membrane 134 may include a membrane front 160 and a membrane rear 162 and back 148, respectively, of the membrane. The membrane rear side 162 may be directed toward the cavity 134. The membrane rear side 162 may have the indentations 158. The indentations 158 can, as is apparent in particular from FIG. 2.4.2, have a rectangular cross-section 164. In this case, the indentations 158 can, in particular, be arranged in the form of a regular structure 166, as further shown in FIG. 2.4.2. Through the formation of the profiles or the formation of the structure with the
Einbuchtungen 158 erhöht sich das Flächenträgheitsmoment der Membran 134 erheblich, ohne dass wesentlich mehr Wärme über die Membran 134 vom ersten Bereich 210 in den zweiten Bereich 220 abfließen kann.
Indentations 158, the area moment of inertia of the membrane 134 increases significantly without significantly more heat can flow through the membrane 134 from the first region 210 into the second region 220.
Claims
Ansprüche claims
1. Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases, wobei die Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung (110) insbesondere mikromechanisch ausgebildet ist, die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) umfassend: 1. Solid-state electrolyte sensor device (110) for detecting at least one property of a gas, wherein the solid-state electrolyte sensor device (110) is in particular micromechanically formed, the solid-state electrolyte sensor device (110) comprising:
• mindestens ein Trägersubstrat (112), insbesondere als Halbleitersubstrat (113) ausgebildet; • at least one carrier substrate (112), in particular as a semiconductor substrate (113) formed;
• mindestens einen Schichtaufbau (118), welcher mindestens eine erste porösen Elektrode (120), mindestens eine zweite porösen Elektrode (122) und eine entlang einer Schichtdickenrichtung (z) zwischen der ersten porösen Elektrode (120) und der zweiten porösen Elektrode (122) eingebettete Festkörperelektrolytschicht (124) aufweist; At least one layer structure comprising at least one first porous electrode, at least one second porous electrode and one along a layer thickness direction between the first porous electrode and the second porous electrode embedded solid electrolyte layer (124);
wobei der mindestens eine Schichtaufbau (118) in einem ersten Bereich (210) des mindestens einen Trägersubstrats (112) angeordnet ist, wobei der erste Bereich (210) bezüglich einer ersten Ebene (x, y) senkrecht zu der Schichtdickenrichtung (z) von einem zweiten Bereich (220) umgeben ist, wherein the at least one layer structure (118) is arranged in a first region (210) of the at least one carrier substrate (112), wherein the first region (210) is perpendicular to the layer thickness direction (z) of a first plane (x, y) surrounded by the second area (220),
wobei zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Bereich (210) und dem zweiten Bereich (220) ein Isolierbereich (230) vorgesehen ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich (230) geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit im zweiten Bereich (220). wherein an insulating region (230) is provided at least in sections between the first region (210) and the second region (220), the thermal conductivity in the insulating region (230) being less than the thermal conductivity in the second region (220).
2. Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, 2. Solid-state electrolyte sensor device (110) according to the preceding claim,
wobei der Isolierbereich (230) wenigstens ein Material umfasst, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich (220). wherein the insulating region (230) comprises at least one material having a lower specific thermal conductivity than the material in the second region (220).
3. Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der 3. Solid-state electrolyte sensor device (110) according to one of
vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Isolierbereich (230) wenigsten ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer previous claims, wherein the insulating region (230) comprises at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a
Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Silicon compound, in particular silicon nitride, in particular
Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, silica; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; an insulating plastic,
insbesondere Polyimid. in particular polyimide.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der Solid state electrolyte sensor device (110) according to one of
vorhergehenden Ansprüche, previous claims,
wobei im Isolierbereich eine Kaverne (130) ausgebildet ist, wherein a cavern (130) is formed in the insulating region,
wobei insbesondere die Seitenwände der Kaverne (130) durch die dem zweiten Bereich (220) zugewandten Außenwände (212) des erstenwherein in particular the side walls of the cavern (130) through the second region (220) facing the outer walls (212) of the first
Bereichs (210) und durch die dem ersten Bereich (210) zugewandtenArea (210) and through the first area (210) facing
Außenwände (222) des zweiten Bereichs (220) gebildet sind, Outer walls (222) of the second region (220) are formed,
wobei sich die Seitenwände der Kaverne insbesondere im Wesentlichen parallel zur Schichtdickenrichtung erstrecken. wherein the side walls of the cavern in particular extend substantially parallel to the layer thickness direction.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach Anspruch 4, wobei auf dem Trägersubstrat (112) eine Schicht (126) angeordnet ist, wobei die Schicht (126) sich vom ersten Bereich (210) bis in den zweiten Bereich (220) erstreckt, The solid state electrolyte sensor device (110) of claim 4, wherein a layer (126) is disposed on the support substrate (112), the layer (126) extending from the first region (210) to the second region (220).
wobei die Schicht (126) insbesondere in ihren an die Kaverne (130) grenzenden Abschnitten als Membran (134) ausgebildet ist. wherein the layer (126) is formed as a membrane (134), in particular in its sections adjacent to the cavern (130).
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, Solid-state electrolyte sensor device (110) according to one of claims 4 or 5,
wobei die Kaverne (130) entlang der Schichtdickenrichtung (z) betrachtet das Trägersubstrat (112), insbesondere das Halbleitersubstrat (113), vollständig durchdringt. wherein the cavern (130) completely penetrates the carrier substrate (112), in particular the semiconductor substrate (113), viewed along the layer thickness direction (z).
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, A solid state electrolyte sensor device (110) according to any one of claims 4 to 6,
wobei die Kaverne (130) zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich (220), wherein the cavern (130) is at least partially filled with a material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region (220),
wobei die Kaverne insbesondere zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem
Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, insbesondere Polyimid; wherein the cavern is in particular at least partially filled with a material selected from the group consisting of: silicon, porous Silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; an insulating plastic, in particular polyimide;
und/oder and or
wobei die Schicht (126) wenigstens ein Material umfasst, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich (220), wherein the layer (126) comprises at least one material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region (220),
wobei die Schicht (126) insbesondere wenigsten ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, wherein the layer (126) comprises in particular at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; an insulating plastic,
insbesondere Polyimid. in particular polyimide.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der Solid state electrolyte sensor device (110) according to one of
vorhergehenden Ansprüche, wobei die Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung (110) mindestens eine weitere Kaverne (128) aufweist, wobei die weitere Kaverne (128) insbesondere im ersten Bereich (210) angeordnet ist, preceding claims, wherein the solid electrolyte sensor device (110) has at least one further cavern (128), wherein the further cavern (128) is arranged in particular in the first region (210),
wobei die weitere Kaverne (128) mindestens eine durch den wherein the further cavern (128) at least one through the
Schichtaufbau (118) gebildete weitere Membran (132) definiert. Layer structure (118) defined further membrane (132) defined.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der Solid state electrolyte sensor device (110) according to one of
vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (134) in einem preceding claims, wherein the membrane (134) in a
Querschnitt parallel zur Schichtdickenrichtung (z) mindestens ein Profil (150) aufweist, wobei das Profil (150) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Rechteck- Profil (152), mindestens einem T-Profil (154), mindestens einem Doppel-T-Träger-Profil (156). Cross-section parallel to the layer thickness direction (z) has at least one profile (150), wherein the profile (150) is selected from the group consisting of: at least one rectangular profile (152), at least one T-profile (154), at least one double -T-beam profile (156).
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der Solid state electrolyte sensor device (110) according to one of
vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (134) eine preceding claims, wherein the membrane (134) has a
Membranvorderseite (160) und eine Membranrückseite (162) umfasst, wobei die Membranrückseite (162) zu der Kaverne (130) hin gerichtet ist, wobei die Membranrückseite (162) eine Vielzahl von zu der Kaverne (130) offenen Einbuchtungen (158) aufweist.
The membrane front (160) and a membrane rear side (162), wherein the membrane rear side (162) is directed to the cavern (130), wherein the membrane rear side (162) has a plurality of cavities (130) open recesses (158).
11. Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einbuchtungen (158) einen Querschnitt (164) aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Kreis; einem Polygon, insbesondere einem Dreieck, insbesondere einem Hexagon, wobei die Einbuchtungen (158) insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur (166) angeordnet sind. 11. Solid state electrolyte sensor device (110) according to the preceding claim, wherein the indentations (158) have a cross section (164) selected from the group consisting of: a circle; a polygon, in particular a triangle, in particular a hexagon, wherein the recesses (158) are arranged in particular in the form of a regular structure (166).
12. Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der 12. Solid-state electrolyte sensor device (110) according to one of
vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (134) eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 500 μηη aufweist. preceding claims, wherein the membrane (134) has a thickness in the range of 100 nm to 500 μηη.
13. Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der 13. Solid-state electrolyte sensor device (110) according to one of
vorhergehenden Ansprüche, previous claims,
wobei die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) mindestens ein Heizelement (140) umfasst, wherein the solid electrolyte sensor device (110) comprises at least one heating element (140),
wobei das Heizelement (140) im ersten Bereich (210) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Heizelement (140) insbesondere eingerichtet ist, um die Festkörperelektrolytschicht (124) des Schichtaufbaus (118) zu heizen. wherein the heating element (140) is arranged in the first region (210), wherein the at least one heating element (140) is arranged in particular to heat the solid electrolyte layer (124) of the layer structure (118).
14. Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Heizelement (140) durch eine die Isolationsschicht (126) durchdringende Zuleitung (142) elektrisch kontaktierbar ist. 14. Solid-state electrolyte sensor device (110) according to the preceding claim, wherein the heating element (140) is electrically contactable by a feed line (142) penetrating the insulation layer (126).
15. Verfahren zur Messung einer Eigenschaft eines Gases in einem 15. A method for measuring a property of a gas in a
Messgasraum, umfassend eine Verwendung der Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Sample gas space, comprising a use of the solid electrolyte sensor device (110) according to one of the preceding claims,
- wobei die zweite poröse Elektrode (122) mit dem Gas aus dem - Wherein the second porous electrode (122) with the gas from the
Messgasraum beaufschlagt wird und Measuring gas space is acted upon and
- wobei die erste poröse Elektrode (120) mit einem Referenzgas beaufschlagt wird, - wherein the first porous electrode (120) is acted upon by a reference gas,
- wobei das Verfahren weiterhin eine Erfassung mindestens eines elektrischen Signals an einer Elektrode umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: der ersten porösen Elektrode (120) und der zweiten porösen Elektrode (122).
wherein the method further comprises detecting at least one electrical signal on an electrode selected from the group consisting of: the first porous electrode (120) and the second porous electrode (122).
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015225176.4A DE102015225176A1 (en) | 2015-12-15 | 2015-12-15 | Micromechanical solid electrolyte sensor device |
DE102015225176.4 | 2015-12-15 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2017102580A1 true WO2017102580A1 (en) | 2017-06-22 |
Family
ID=57629565
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/EP2016/080400 WO2017102580A1 (en) | 2015-12-15 | 2016-12-09 | Micromechanical solid-electrolyte sensor apparatus |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102015225176A1 (en) |
WO (1) | WO2017102580A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0872730A1 (en) * | 1997-04-16 | 1998-10-21 | Tokyo Gas Co., Ltd. | Solid-electrolyte thick-film laminated type CO sensor |
EP2762864A1 (en) * | 2013-01-31 | 2014-08-06 | Sensirion AG | Membrane-based sensor device and method for manufacturing the same |
US20140318960A1 (en) * | 2013-04-25 | 2014-10-30 | Wisenstech Inc. | Micromachined oxygen sensor and method of making the same |
US20150021716A1 (en) * | 2013-07-19 | 2015-01-22 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Low power micro semiconductor gas sensor and method of manufacturing the same |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4668374A (en) * | 1986-07-07 | 1987-05-26 | General Motors Corporation | Gas sensor and method of fabricating same |
US4874500A (en) * | 1987-07-15 | 1989-10-17 | Sri International | Microelectrochemical sensor and sensor array |
DE102012201304A1 (en) | 2012-01-31 | 2013-08-01 | Robert Bosch Gmbh | Micromechanical solid electrolyte sensor device and corresponding manufacturing method |
DE102014226804A1 (en) * | 2014-12-22 | 2016-06-23 | Robert Bosch Gmbh | Method for producing a gas sensor device for detecting at least one gaseous analyte in a measuring medium and method and gas sensor device for detecting at least one gaseous analyte in a measuring medium |
DE102014226821A1 (en) * | 2014-12-22 | 2016-06-23 | Robert Bosch Gmbh | Method and apparatus for operating a gas sensor for analyzing an exhaust gas of an internal combustion engine and gas sensor |
-
2015
- 2015-12-15 DE DE102015225176.4A patent/DE102015225176A1/en not_active Withdrawn
-
2016
- 2016-12-09 WO PCT/EP2016/080400 patent/WO2017102580A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0872730A1 (en) * | 1997-04-16 | 1998-10-21 | Tokyo Gas Co., Ltd. | Solid-electrolyte thick-film laminated type CO sensor |
EP2762864A1 (en) * | 2013-01-31 | 2014-08-06 | Sensirion AG | Membrane-based sensor device and method for manufacturing the same |
US20140318960A1 (en) * | 2013-04-25 | 2014-10-30 | Wisenstech Inc. | Micromachined oxygen sensor and method of making the same |
US20150021716A1 (en) * | 2013-07-19 | 2015-01-22 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Low power micro semiconductor gas sensor and method of manufacturing the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102015225176A1 (en) | 2017-06-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3237881B1 (en) | Sensor for detecting soot particles in an exhaust gas stream of a combustion engine, sensor system, method for operating a sensor, method for producing a sensor of this type and use of a sensor of this type | |
EP2917712B1 (en) | Temperature probe and method for producing a temperature probe | |
EP2504691B1 (en) | Method for manufacturing a heatable gas sensor and usage of a supporting structure for its manufacture | |
EP3394605B1 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas chamber | |
DE4313251C2 (en) | Sensor element for determining the gas component concentration | |
DE102004013852A1 (en) | Sensor element for determining the physical property of a sample gas | |
DE102014003235A1 (en) | Amperometric gas sensor | |
EP3822624B1 (en) | Capacitive sensor element for detecting at least one property of a liquid medium in at least one measuring chamber and method for manufacturing the sensor element | |
DE19918003A1 (en) | Multi-layer electrical temperature sensor | |
WO2017102580A1 (en) | Micromechanical solid-electrolyte sensor apparatus | |
DE112018005222B4 (en) | SOLID ELECTROLYTE, METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF AND GAS SENSOR | |
DE112018005236B4 (en) | Solid electrolyte, its manufacturing process and gas sensor | |
DE112017005165T5 (en) | FINE DUST DETECTION SENSOR AND FINE DUST DETECTION DEVICE | |
DE102015214387B4 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space and method for producing the same | |
EP3104170B1 (en) | Method for producing a micromechanical solid electrolyte sensor device | |
WO2017016898A1 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas chamber, and method for producing same | |
DE102016207298B4 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a sample gas | |
DE102012209390A1 (en) | Sensor element mounted in motor car, for detecting e.g. oxygen concentration of exhaust gas, has insulating layer that is arranged between heating element and solid electrolyte layer, and formed of electrically insulating material | |
DE10219726A1 (en) | Production of a bridge-like semiconductor gas sensor comprises preparing a SOI element, forming an electrode arrangement on an electrically insulating layer | |
EP3130917A1 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas area | |
DE102016213933B4 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a measurement gas | |
DE102015223704B4 (en) | Membrane electrode assembly and method for its production, fuel cell, exhaust gas probe and electrochemical device | |
DE102015223700A1 (en) | Sensor element, sensor device and method for detecting at least one property of a gas in a sample gas space | |
DE102016207300A1 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a sample gas | |
WO2017093244A1 (en) | Sensor element for determining at least one property of a measuring gas in a measuring gas chamber |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 16819282 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 16819282 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |