DE102015223693A1 - Solid electrolyte sensor assembly and method of manufacturing a solid electrolyte sensor assembly - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) und insbesondere eine Breitbandlambdasonde zur Bestimmung der Konzentration mindestens einer Komponente in einem zu vermessenden Gasvolumen (50) sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die Sensoranordnung (100) ist bzw. wird als Struktur in Mikrosystemtechnik und insbesondere als Struktur in Dünnschichttechnik ausgebildet.The present invention relates to a solid electrolyte sensor arrangement (100) and in particular to a broadband lambda probe for determining the concentration of at least one component in a gas volume (50) to be measured and to a corresponding production method. The sensor arrangement (100) is or is designed as a structure in microsystem technology and in particular as a structure in thin-film technology.

Description

Stand der Technik State of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Breitbandlambdasonde und/oder einen NOx-Sensor sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. The present invention relates to a solid electrolyte sensor assembly and a method of manufacturing a solid electrolyte sensor assembly. In particular, the present invention relates to a broadband lambda probe and / or a NOx sensor and to a method for the production thereof.

In vielen technischen Bereichen und insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik werden Gassensoren verwendet, um Verbrennungsmotore und Abgasnachbehandlungssysteme zu überwachen und zu steuern. So kommen zum Beispiel Gassensoren wie keramische Stickoxidsensoren, Lambdasonden und dergleichen zum Einsatz. Gas sensors are used in many technical fields, and more particularly in automotive engineering, to monitor and control internal combustion engines and exhaust after-treatment systems. For example, gas sensors such as ceramic nitrogen oxide sensors, lambda sensors and the like are used.

Der Aufbau erfolgt bei solchen Sensoren auf der Grundlage keramischer Materialien und/oder unter Einsatz von Dickschichttechnologien, die z.B. durch Siebdruckprozesse hergestellt werden und z.B. Abmessungen von 5 × 4 × 3 mm³ aufweisen können. Die zur Verfügung stehenden Grundstrukturen und die eingesetzten Herstellungsverfahren führen zu vergleichsweise großen Abmessungen, die einer Flexibilisierung des Einsatzes derartiger Sensoren auf Grund deren Baugröße hinderlich sind. Ferner ist mit den Abmessungen auch eine vergleichsweise große thermische Masse verbunden, so dass zu erreichende notwendige Betriebstemperaturen von z.B. mehr als 300°C bei Sensoranordnungen mit entsprechend hohen Heizleistungen oder, falls explizite Heizeinrichtungen nicht eingesetzt werden, mit einem verzögerten Erreichen der Betriebstemperatur verbunden sind. The construction is carried out in such sensors based on ceramic materials and / or using thick-film technologies, which are produced for example by screen printing processes and, for example, dimensions of 5 × 4 × 3 mm ³ may have. The available basic structures and the manufacturing methods used lead to comparatively large dimensions, which are a hindrance to a flexibilization of the use of such sensors due to their size. Furthermore, a comparatively large thermal mass is connected to the dimensions, so that necessary operating temperatures to be achieved of, for example, more than 300 ° C. for sensor arrangements with correspondingly high heating powers or, if explicit heating devices are not used, are associated with a delayed reaching of the operating temperature.

Derartige Sensoren sind beispielsweise aus K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 , bekannt. Such sensors are for example off K. Reif, Deitsche, KH. et al., Kraft Paperback, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347 , known.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung bzw. Breitband-Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die geometrischen Abmessungen der Sensoranordnung und der Heizleistungs- oder Wärmeaufnahmebedarf reduziert werden können. Ferner lassen sich die Herstellungsverfahren und der Aufbau der Sensoranordnung vereinfachen und kompakter gestalten. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung und insbesondere eine Breitbandlambdasonde und/oder ein NOx-Sensor geschaffen wird, welche zur Bestimmung der Konzentration bzw. eines Partialdrucks mindestens einer Gaskomponente in einem zu vermessenden Gasvolumen ausgebildet ist und welche als Mikrosystemtechnik und insbesondere als in Dünnschichttechnik (Strukturgrößen typischerweise < 10µm, bevorzugt < 5µm, Verwendung photolithografischer Prozesse und/oder Prozesse aus der Mikrosystemtechnik) gefertigte Struktur ausgebildet ist. Die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung mittels Mikrosystemtechnik oder Dünnschichttechnik ermöglicht ein besonders hohes Maß an Integration aller notwendigen Strukturen auf geringem Raum, also bei verringerter Baugröße und Reduktion der thermisch relevanten Masse durch Absenkung der Wärmekapazität der erfindungsgemäßen Sensoranordnung. In contrast, the solid electrolyte sensor arrangement or broadband solid electrolyte sensor arrangement according to the invention with the features of independent claim 1 has the advantage that the geometric dimensions of the sensor arrangement and the heating power or heat absorption requirement can be reduced. Furthermore, the manufacturing method and the structure of the sensor arrangement can be simplified and made more compact. This is inventively achieved with the features of independent claim 1, characterized in that a solid electrolyte sensor assembly and in particular a broadband lambda probe and / or a NOx sensor is provided, which is designed to determine the concentration or a partial pressure of at least one gas component in a gas volume to be measured is and which as a microsystem technology and in particular as in thin-film technology (structure sizes typically <10 .mu.m, preferably <5 microns, using photolithographic processes and / or processes in microsystems technology) fabricated structure is formed. The design of the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention by means of microsystem technology or thin-film technology enables a particularly high degree of integration of all necessary structures in a small space, ie with reduced size and reduction of the thermally relevant mass by lowering the heat capacity of the sensor arrangement according to the invention.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. The dependent claims show preferred developments of the invention.

Für einen besonders flexiblen Einsatz, gerade im Bereich der Kraftfahrzeugtechnologie, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung ausgebildet ist mit einer ersten Messkammer, einer ersten Diffusionsbarriere zur, insbesondere diffusionskontrollierten, fluidmechanischen Verbindung der Kammer mit dem Gasvolumen, einer Nernstzelle und einer Pumpzelle. Die Nernstzelle und die Pumpzelle sind zumindest teilweise in der ersten Messkammer angeordnet und/oder fluidmechanisch mit dieser gekoppelt. Die erste Messkammer, die erste Diffusionsbarriere, die Nernstzelle und/oder die Pumpzelle sind als in Mikrosystemtechnik und insbesondere als in Dünnschichttechnik gefertigte Strukturen ausgebildet. For a particularly flexible use, especially in the field of automotive technology, it is provided in a preferred embodiment of the invention that the solid electrolyte sensor assembly is formed with a first measuring chamber, a first diffusion barrier for, in particular diffusion-controlled, fluid mechanical connection of the chamber with the gas volume, a Nernst cell and a pump cell. The Nernst cell and the pumping cell are at least partially disposed in the first measuring chamber and / or fluid-mechanically coupled thereto. The first measuring chamber, the first diffusion barrier, the Nernst cell and / or the pumping cell are designed as structures produced in microsystem technology and in particular as thin-film technology.

Dabei bieten sich unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung an. So kann es von Vorteil sein, wenn die Nernstzelle in einem ersten, insbesondere unteren, mikromechanischen Trägersubstrat ausgebildet ist, die Pumpzelle in einem zweiten, insbesondere oberen, mikromechanischen Trägersubstrat ausgebildet ist und sich das erste und das zweite mikromechanische Trägersubstrat gegenüberliegen und zwischen sich die erste Messkammer ausbilden oder umfassen. In this case, different geometric configurations of the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention are available. Thus, it may be advantageous if the Nernst cell is formed in a first, in particular lower, micromechanical carrier substrate, the pump cell is formed in a second, in particular upper, micromechanical carrier substrate and the first and the second micromechanical carrier substrate lie opposite one another and the first Form or include measuring chamber.

Alternativ dazu ergibt sich in Bezug auf prozesstechnische Aspekte bei der Herstellung dann eine besonders einfache Anordnung der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung, wenn alle wesentlichen Komponente der Sensoranordnung auf einem einzelnen und gemeinsamen mikromechanischen Trägersubstrat ausgebildet sind. So ist es bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung vorgesehen, dass die Nernstzelle und die Pumpzelle in einem ersten, insbesondere unteren, mikromechanischen Trägersubstrat ausgebildet sind, ein zweites, insbesondere oberes und/oder mikromechanisches Trägersubstrat ausgebildet ist und sich das erste und das zweite Trägersubstrat gegenüberliegen und zwischen sich die erste Messkammer ausbilden oder umfassen. Alternatively, a particularly simple arrangement of the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention results in relation to process-related aspects during production, when all essential components of the sensor arrangement are formed on a single and common micromechanical carrier substrate. Thus, in a preferred embodiment of the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention, it is provided that the Nernst cell and the Pump cell are formed in a first, in particular lower, micromechanical carrier substrate, a second, in particular upper and / or micromechanical carrier substrate is formed and the first and the second carrier substrate opposite and between the first measuring chamber form or comprise.

Grundsätzlich ist es dabei von Vorteil, wenn die Nernstzelle und die Pumpzelle räumlich benachbart zueinander ausgebildet sind. Für die räumliche Nachbarschaft bieten sich unterschiedliche geometrische Ausgestaltungsformen an. In principle, it is advantageous if the Nernst cell and the pumping cell are spatially adjacent to each other. For the spatial neighborhood, different geometrical configurations are available.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung sind die Nernstzelle und die Pumpzelle im mikromechanischen Trägersubstrat lateral nebeneinander angeordnet. In one embodiment of the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention, the Nernst cell and the pump cell are arranged laterally next to one another in the micromechanical carrier substrate.

Alternativ dazu kann bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung die Pumpzelle die Nernstzelle im mikromechanischen Trägersubstrat zumindest teilweise lateral umgeben, wobei also insbesondere die Nernstzelle in bzw. innerhalb einem von der Pumpzelle umschlossenen Bereich im mikromechanischen Trägersubstrat angeordnet ist. Alternatively, in another advantageous development of the solid electrolyte sensor arrangement, the pump cell at least partially laterally surrounds the Nernst cell in the micromechanical carrier substrate, ie in particular the Nernst cell is arranged in or within a region enclosed by the pump cell in the micromechanical carrier substrate.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung kann diese als Stickoxidsensoranordnung ausgebildet sein. In an advantageous development of the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention, this can be designed as a nitrogen oxide sensor arrangement.

Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn bei einer derartigen Ausgestaltung als Stickoxidsensoranordnung diese benachbart zur ersten Messkammer mit der Nernstzelle und der Pumpzelle und durch eine zweite Diffusionsbarriere mit der ersten Messkammer fluidmechanisch gekoppelt eine zweite Messkammer aufweist. Die zweite Messkammer kann also durch die zweite Diffusionsbarriere von der ersten Messkammer getrennt sein. In this case, it is particularly advantageous if in a configuration of this type, as a nitrogen oxide sensor arrangement, it has a second measuring chamber, coupled to the Nernst cell and the pump cell adjacent to the first measuring chamber and fluid-mechanically coupled to the first measuring chamber through a second diffusion barrier. The second measuring chamber can thus be separated from the first measuring chamber by the second diffusion barrier.

Dabei bietet sich insbesondere an, dass die Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung als Stickoxidsensoranordnung fluidmechanisch mit der zweiten Messkammer gekoppelt eine zweite Messzelle aufweist, welche insbesondere als zweite Pumpzelle, zur Stickoxidkatalyse durch Stickoxidreduktion und/oder zum Sauerstoffpumpen entsprechend der oder proportional zur Stickoxidkonzentration in der zweiten Messkammer ausgebildet ist. In this case, it is particularly appropriate for the solid electrolyte sensor arrangement as a nitrogen oxide sensor arrangement to have a second measuring cell coupled in a fluid mechanical manner to the second measuring chamber, which is designed in particular as a second pump cell for nitrogen oxide catalysis by nitrogen oxide reduction and / or for oxygen pumping in accordance with or proportional to the nitrogen oxide concentration in the second measuring chamber is.

Ein besonders hoher Grad an Kompaktifizierung beim Ausgestalten der Struktur der Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung als Stickoxidsensoranordnung ergibt sich, wenn die zweite Messkammer und/oder die zweite Messzelle in demselben mikromechanischen Trägersubstrat ausgebildet sind, wie die Nernstzelle und die Pumpzelle der Grundstruktur der Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung. Denn auf diese Weise können alle Strukturierungsschritte für funktionale Elemente (also die Nernst- / Pump- / Messzelle(n)) auf einem einzigen (Halbleiter)Substrat bzw. Trägersubstrat durchgeführt werden. Dadurch sinken die Kosten, es sinkt die Fehleranfälligkeit beim Zusammenbau und es steigt die Ausbeute. A particularly high degree of compactification in designing the structure of the solid electrolyte sensor arrangement as a nitrogen oxide sensor arrangement results when the second measuring chamber and / or the second measuring cell are formed in the same micromechanical carrier substrate as the Nernst cell and the pump cell of the basic structure of the solid electrolyte sensor arrangement. Because in this way all structuring steps for functional elements (ie the Nernst- / pump / measuring cell (s)) on a single (semiconductor) substrate or carrier substrate can be performed. As a result, the costs fall, it decreases the error rate of assembly and it increases the yield.

Bei einer anderen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung wird eine Struktur vorgeschlagen, die einen selektiven Nachweis unterschiedlicher Spezies oder Gaskomponenten im zu vermessenden Gasvolumen erlaubt. Dazu ist es vorgesehen, dass gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung eine erste Messkammer, eine erste Diffusionsbarriere zur, insbesondere diffusionskontrollierten, fluidmechanischen Verbindung der ersten Messkammer mit dem Gasvolumen und eine Messzelle in Form einer Nernstzelle bzw. in Form einer Pumpzelle ausgebildet sind. Dabei ist die Nernstzelle bzw. Pumpzelle fluidmechanisch mit der ersten Messkammer gekoppelt und insbesondere zumindest teilweise in der ersten Messkammer angeordnet. Die Sensoranordnung kann dabei z.B. derart ausgebildet sein, dass genau eine Nernstzelle in bzw. an der ersten Messkammer ausgebildet ist. Es kann auch lediglich eine einzige Messkammer vorgesehen sein bzw. pro Messkammer, die mit dem Gasvolumen koppelbar ausgebildet ist kann genau eine Nernstzelle bzw. Messzelle bzw. Pumpzelle vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ ist in oder im Bereich der ersten Diffusionsbarriere eine steuerbare Ventilanordnung ausgebildet, durch welche die fluidmechanische Verbindung der ersten Messkammer mit dem Gasvolumen steuerbar ist. Ferner sind die erste Messkammer und/oder die erste Diffusionsbarriere und/oder die Ventilanordnung und/oder die Pumpzelle bzw. die Nernstzelle als in Mikrosystemtechnik und insbesondere als in Dünnschichttechnik gefertigte Strukturen ausgebildet. Bevorzugt ist die Ventilanordnung in Mikrosystemtechnik und insbesondere als in Dünnschichttechnik gefertigte Strukturen ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt sind alle Elemente (also erste Messkamme, erste Diffusionsbarriere, Ventilanordnung und die Pump-/Nernstzelle) in Mikrosystemtechnik und insbesondere als in Dünnschichttechnik gefertigte Strukturen ausgebildet. In another embodiment of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention, a structure is proposed which allows selective detection of different species or gas components in the gas volume to be measured. For this purpose, it is provided that, according to a particularly advantageous development of the solid electrolyte sensor arrangement, a first measuring chamber, a first diffusion barrier for, in particular diffusion-controlled, fluid-mechanical connection of the first measuring chamber with the gas volume and a measuring cell in the form of a Nernst cell or in the form of a pump cell are formed , In this case, the Nernst cell or pump cell is fluid-mechanically coupled to the first measuring chamber and in particular at least partially disposed in the first measuring chamber. The sensor arrangement may be e.g. be formed such that exactly one Nernst cell is formed in or on the first measuring chamber. It can also be provided only a single measuring chamber or per measuring chamber, which is formed coupled to the gas volume can be provided exactly one Nernst cell or measuring cell or pumping cell. Additionally or alternatively, a controllable valve arrangement is formed in or in the region of the first diffusion barrier, by means of which the fluid-mechanical connection of the first measuring chamber to the gas volume can be controlled. Furthermore, the first measuring chamber and / or the first diffusion barrier and / or the valve arrangement and / or the pumping cell or the Nernst cell are designed as structures produced in microsystem technology and in particular as thin-film technology. The valve arrangement is preferably designed in microsystem technology and in particular as structures produced in thin-film technology. Most preferably, all elements (ie first measuring chamber, first diffusion barrier, valve arrangement and the pump / Nernst cell) are formed in microsystem technology and in particular as structures produced in thin-film technology.

In einer Ausführungsform weist die Ventilanordnung eine erste Stellung auf bzw. kann diese erste Stellung aufweisen, in welcher die erste Messkammer und das Gasvolumen voneinander fluiddicht abgedichtet sind – es handelt sich also um eine geschlossene Stellung. Die Ventilanordnung weist weiterhin eine zweite Stellung auf bzw. kann diese zweite Stellung aufweisen, in welcher die erste Messkammer und das Gasvolumen miteinander fluidleitend verbunden sind – es handelt sich also um eine geöffnete Stellung. Dabei ist die Ventilanordnung ausgebildet, um von der ersten Stellung in die zweite Stellung und zurück verlagert zu werden. Mit anderen Worten kann die Ventilanordnung zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung hin- und her bewegt bzw. verlagert werden. Dadurch lässt sich vorteilhaft die Befüllung des Volumens der ersten Messkammer gezielt steuern. Die Gaszusammensetzung in dem Volumen der ersten Messkammer kann dann bei geschlossener Ventilanordnung (also in der ersten Stellung) qualitativ und quantitativ analysiert werden, ohne dass Gas aus dem Gasvolumen nachströmen kann. Da bei der Analyse einzelne Gaskomponenten zersetzt werden ist diese Abschottung vom Gasvolumen vorteilhaft, um keine Messfehler zu produzieren. In one embodiment, the valve assembly has a first position or may have this first position, in which the first measuring chamber and the gas volume are sealed from each other fluid-tight - so it is a closed position. The valve assembly further has a second position or may have this second position, in which the first measuring chamber and the gas volume with each other connected fluid-conducting - so it is an open position. In this case, the valve arrangement is designed to be displaced from the first position to the second position and back. In other words, the valve arrangement can be moved back and forth between an open and a closed position. This advantageously allows the filling of the volume of the first measuring chamber to be controlled in a targeted manner. The gas composition in the volume of the first measuring chamber can then be qualitatively and quantitatively analyzed with the valve arrangement closed (ie in the first position), without gas being able to flow from the gas volume. Since individual gas components are decomposed in the analysis, this foreclosure of the gas volume is advantageous in order to produce no measurement errors.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Ventilanordnung als elektrostatisches Ventil, insbesondere als ein von einer Steuerspannung aktuierbarer Siliziumcantilever, ausgebildet ist. Der Siliziumcantilever kann z.B. durch das Anlegen der Steuerspannung aufgrund elektrostatischer Kräfte von der ersten Stellung in die zweite Stellung und wieder zurück verlagert werden. Vorteilhaft ist eine derartige Ventilanordnung im Diffusionskanal bzw. in der ersten Diffusionsbarriere angeordnet. A further embodiment provides that the valve arrangement is designed as an electrostatic valve, in particular as a silicon cantilever which can be actuated by a control voltage. The silicon cantilever may e.g. be shifted by the application of the control voltage due to electrostatic forces from the first position to the second position and back again. Such a valve arrangement is advantageously arranged in the diffusion channel or in the first diffusion barrier.

Alternativ oder zusätzlich kann die Ventilanordnung als thermisches Expansionsventil ausgebildet sein. Dazu kann die Ventilanordnung z.B. ein im Diffusionskanal bzw. in der ersten Diffusionsbarriere angeordnetes Material umfassen, welches einen vom umgebenden Substrat verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Wird die Ventilanordnung z.B. durch eine in der Nähe der Ventilanordnung angeordnetes Heizmittel lokal geheizt, do kann durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus Substrat und dem Material der Ventilanordnung ein Spalt zwischen der Ventilanordnung und dem Substrat geöffnet werden (zweite Stellung) – beim Ausschalten der Heizung schließt sich der Spalt wieder (erste Stellung). Selbstverständlich kann das Material auch so gewählt sein, dass sich beim Anschalten der lokalen Heizmittel der Spalt schließt (erste Stellung) und beim Abschalten öffnet (zweite Stellung). Alternatively or additionally, the valve arrangement may be formed as a thermal expansion valve. For this, the valve arrangement may be e.g. comprise a material disposed in the diffusion channel or in the first diffusion barrier material, which has a different thermal expansion coefficient from the surrounding substrate. If the valve assembly is e.g. locally heated by a arranged near the valve assembly heating means, do can be opened by the different thermal expansion coefficients of substrate and the material of the valve assembly, a gap between the valve assembly and the substrate (second position) - when switching off the heater, the gap closes again (first position). Of course, the material can also be chosen so that closes when turning on the local heating means, the gap (first position) and opens when switching off (second position).

Weiterhin kann ein Sensorsystem zur Bestimmung der Konzentration mindestens einer Gaskomponente in einem zu vermessenden Gasvolumen vorgesehen sein. Dabei weist das Sensorsystem wenigstens zwei Feststoffelektrolyt-Sensoranordnungen mit Ventilanordnung auf. Dabei kann das Sensorsystem derart angesteuert werden, dass sich in einem ersten Zeitpunkt t1 die Ventilanordnung einer ersten Sensoranordnung in der ersten Stellung befindet und sich die Ventilanordnung einer zweiten Sensoranordnung in der zweiten Stellung befindet, wobei sich in einem von dem ersten Zeitpunkt t1 verschiedenen zweiten Zeitpunkt t2 die Ventilanordnung der zweiten Sensoranordnung in der ersten Stellung befindet und sich die Ventilanordnung der ersten Sensoranordnung in der zweiten Stellung befindet. Mit anderen Worten kann zwischen den zwei Stellungen der Sensoranordnungen derart alternierend hin und her geschaltet werden, dass in einer Sensoranordnung gemessen werden kann und in einer anderen Sensoranordnung der Gasaustausch mit dem Gasvolumen für die folgende Messung stattfinden kann. Furthermore, a sensor system for determining the concentration of at least one gas component in a gas volume to be measured can be provided. In this case, the sensor system has at least two solid electrolyte sensor arrangements with valve arrangement. In this case, the sensor system can be controlled such that in a first time t1, the valve arrangement of a first sensor arrangement is in the first position and the valve arrangement of a second sensor arrangement is in the second position, wherein in a different from the first time t1 second time t2 the valve assembly of the second sensor assembly is in the first position and the valve assembly of the first sensor assembly is in the second position. In other words, it is possible alternately to switch back and forth between the two positions of the sensor arrangements in such a way that it is possible to measure in one sensor arrangement and in another sensor arrangement the gas exchange with the gas volume can take place for the following measurement.

Auf diese Weise kann ein kontinuierlicher Messbetrieb aufrechterhalten werden, wodurch die zeitliche Auflösung der Messung erheblich verbessert werden kann. In this way, a continuous measurement operation can be maintained, whereby the temporal resolution of the measurement can be significantly improved.

Eine weitere Ausführungsform der Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung mit Ventilanordnung sieht vor, dass durch die Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung die Art und/oder die Konzentration einer Gaskomponente bestimmbar sind. Dies kann erreicht werden, indem zunächst ein Einlassen von Gas in die erste Messkammer bei der in der zweiten Stellung befindlichen Ventilanordnung stattfindet; danach folgt ein Verlagern der Ventilanordnung in die erste Stellung; es folgt ein Anlegen einer Spannung zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode; es folgt ein schrittweises Erhöhen der Spannung, insbesondere ausgehend von null Volt (0 V), bis zu einer definierten Grenzspannung – diese Grenzspannung kann demjenigen elektrochemischen Potenzial derjenigen zu bestimmenden Gaskomponente mit dem höchsten elektrochemischen Potenzial entsprechen (hierbei ist der Absolutbetrag der Spannung heranzuziehen, bei negativen elektrochemischen Potenzialen wird die Spannung unter null Volt (0 V) gesenkt bis zum Erreichen der Grenzspannung); es folgt ein Messen des bei jeder Spannung auftretenden Pumpstroms, insbesondere eines Pumpstroms zum Abpumpen von Sauerstoff aus ersten Messkammer. Dadurch kann die Art der Gaskomponente bestimmt werden, da die vorher bereits zersetzten Gaskomponenten ja nicht mehr vorliegen. Außerdem kann so auch auf die Konzentration der bestimmten Gasart bzw. Gaskomponente bestimmt werden. Die Bestimmung kann auch durch Auswertung der integrierten Ströme erfolgen. A further embodiment of the solid electrolyte sensor arrangement with valve arrangement provides that the type and / or the concentration of a gas component can be determined by the solid electrolyte sensor arrangement. This can be accomplished by first taking gas into the first metering chamber in the valve assembly in the second position; This is followed by a displacement of the valve assembly in the first position; This is followed by application of a voltage between the first electrode and the second electrode; This is followed by a gradual increase of the voltage, in particular starting from zero volts (0 V), up to a defined limit voltage - this limit voltage can correspond to the electrochemical potential of the gas component with the highest electrochemical potential to be determined (in this case the absolute value of the voltage is to be used) negative electrochemical potentials, the voltage is lowered below zero volts (0 V) until reaching the threshold voltage); This is followed by measuring the pumping current occurring at each voltage, in particular a pumping current for pumping oxygen out of the first measuring chamber. As a result, the type of gas component can be determined, since the previously decomposed gas components are no longer present. In addition, it is also possible to determine the concentration of the specific gas type or gas component. The determination can also be made by evaluating the integrated currents.

Bei einer Ausführungsform weist eine jeweilige Nernstzelle und/oder eine jeweilige Pumpzelle erste und zweite gasdurchlässige Elektroden mit einem Feststoffelektrolyten dazwischen auf, wobei mittels einer Isolation die Elektroden von einander und gegenüber einem jeweiligen mikromechanischen Träger elektrisch isoliert sind. In one embodiment, a respective Nernst cell and / or a respective pump cell has first and second gas-permeable electrodes with a solid electrolyte therebetween, wherein by means of insulation the electrodes are electrically isolated from each other and from a respective micromechanical support.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung als Struktur in Mikrosystemtechnik und/oder als Struktur in Dünnschichttechnik ausgebildet, insbesondere auf der Grundlage von Halbleitersubstraten als mikromechanischen Trägersubstraten. Furthermore, the present invention also relates to a method for producing a Solid electrolyte sensor assembly according to the present invention. In the method according to the invention, the solid electrolyte sensor arrangement is designed as a structure in microsystem technology and / or as a structure in thin-film technology, in particular on the basis of semiconductor substrates as micromechanical carrier substrates.

Auf diese Art und Weise lassen sich bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung sämtliche Vorteile der mikromechanischen Herstellungsverfahren und der Herstellungsverfahren der Dünnschichttechnologie, zum Beispiel der Fotolithografie und der Bearbeitung von Halbleitersubstraten, nutzen, um ein besonders hohes Maß an Zuverlässigkeit der erzeugten Strukturen und eine besonders kompakte Bauweise zu erzielen. In this way, in the production of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention, all the advantages of the micromechanical production methods and the production methods of thin-film technology, for example photolithography and the processing of semiconductor substrates, can be exploited to achieve a particularly high degree of reliability of the structures produced to achieve a particularly compact design.

Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. Embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1 bis 5 sind schematische und geschnittene Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung. 1 to 5 are schematic and sectional side views of various embodiments of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention.

6 und 7 sind schematische und geschnittene Seitenansichten, welche verschiedene Zwischenstadien zeigen, die beim erfindungsgemäßen Herstellen einer erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung erreicht werden. 6 and 7 are schematic and sectional side views showing various intermediate stages that are achieved in the inventive production of a solid electrolyte sensor assembly according to the invention.

8a bis 8c zeigen schematische und teilweise geschnittene Draufsichten auf verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung. 8a to 8c show schematic and partially sectioned plan views of various embodiments of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention.

9a bis 10 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung. 9a to 10 show in schematic and sectional side view of other embodiments of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention.

11 und 12 zeigen verschiedene Zwischenstadien, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beim Herstellen einer erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung in Form eines Stickoxidsensors erreicht werden. 11 and 12 show various intermediate stages, which are achieved in one embodiment of the manufacturing method according to the invention in producing a solid electrolyte sensor assembly according to the invention in the form of a nitrogen oxide sensor.

13a und 13b zeigen schematische und teilweise geschnittene Draufsichten auf zwei unterschiedliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung in Form eines Stickoxidsensors. 13a and 13b show schematic and partially sectioned plan views of two different embodiments of a solid electrolyte sensor assembly according to the invention in the form of a nitrogen oxide sensor.

14a und 14b zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung als Stickoxidsensoranordnung. 14a and 14b show in schematic and sectional side view two embodiments of a solid electrolyte sensor arrangement according to the invention as a nitrogen oxide sensor arrangement.

15 und 16 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung, welche in der Lage ist, selektiv verschiedene Gaskomponenten in einem zu vermessenden Gasvolumen und deren Menge zu detektieren. 15 and 16 show in schematic and sectional side view two embodiments of a solid electrolyte sensor assembly according to the invention, which is able to selectively detect various gas components in a gas volume to be measured and the amount thereof.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Preferred embodiments of the invention

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 16 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben. The following are with reference to the 1 to 16 Embodiments of the invention described in detail. Identical and equivalent as well as equivalent or equivalent elements and components are designated by the same reference numerals. Not in every case of their occurrence, the detailed description of the designated elements and components is reproduced.

Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen. The illustrated features and other properties can be isolated in any form of each other and combined with each other, without departing from the gist of the invention.

Die 1 bis 5 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung. The 1 to 5 show in schematic and sectional side view of various embodiments of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention.

Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist mit Schnitt in der xz-Ebene eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 dargestellt. In the embodiment according to 1 is a section in the xz plane, a first embodiment of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention 100 shown.

In einem ersten und hier unteren mikromechanischen Substrat 1 sind eine Nernstzelle 30 und eine Pumpzelle 40 ausgebildet. In a first and here lower micromechanical substrate 1 are a Nernst cell 30 and a pump cell 40 educated.

Die Nernstzelle 30 umfasst eine erste Elektrode 31 und eine zweite Elektrode 32 und eine dazwischen ausgebildete Schicht aus einem Feststoffelektrolyten 33. Gegenüber dem ersten mikromechanischen Substrat 1 sind die Elektroden 31 und 32 und die Feststoffelektrolytschicht 33 mittels einer Isolation 34 elektrisch isoliert ausgebildet. The Nernst cell 30 includes a first electrode 31 and a second electrode 32 and a layer formed therebetween of a solid electrolyte 33 , Opposite the first micromechanical substrate 1 are the electrodes 31 and 32 and the solid electrolyte layer 33 by means of insulation 34 formed electrically insulated.

Die Begriffe Feststoffelektrolyt(schicht) und Festkörperelektrolyt(schicht) sind in dieser Anmeldung als zueinander synonym zu verstehen. Sie können als Material z.B. Zirkon(di)oxid oder yttriumstabilisiertes Zirkon(di)oxid (YSZ) umfassen. The terms solid electrolyte (layer) and solid electrolyte (layer) are to be understood in this application as synonymous with each other. They can be used as material e.g. Zirconium (di) oxide or yttria stabilized zirconia (di) oxide (YSZ).

Die Pumpzelle 40 umfasst (in z-Richtung betrachtet) eine erste und eine zweite Elektrode 41 und 42 und eine dazwischen ausgebildete Schicht aus einem Feststoffelektrolyten 43. Die ersten und zweiten Elektroden 41 und 42 und die Schicht aus dem Feststoffelektrolyten 43 sind mittels einer Isolation 44 gegenüber dem ersten und unteren mikromechanischen Substrat 1 elektrisch isoliert ausgebildet. The pump cell 40 includes (viewed in the z-direction) a first and a second electrode 41 and 42 and a layer formed therebetween of a solid electrolyte 43 , The first and second electrodes 41 and 42 and the layer of the solid electrolyte 43 are by means of insulation 44 opposite the first and lower micromechanical substrate 1 formed electrically insulated.

Die ersten Elektroden 31 und 41 sind einer ersten Kammer oder Messkammer 10 zugewandt, wogegen die gegenüberliegenden zweiten Elektroden 32 und 42 einem Referenzgasvolumen 51 beziehungsweise einem Pumpgasvolumen 52, die auch identisch sein können, zugewandt sind. The first electrodes 31 and 41 are a first chamber or measuring chamber 10 facing, whereas the opposite second electrodes 32 and 42 a reference gas volume 51 or a pumped gas volume 52 , which may also be identical, are facing.

Das erste oder untere Substrat 1 liegt im Wesentlichen in einer xy-Ebene. In der z-Richtung oberhalb des ersten Substrats 1 schließt sich das zweite und obere mikromechanische Substrat 2 an, in dessen unteren, d.h. dem ersten Substrat 1 zugewandten, Substratabschnitt 3-1 über eine entsprechende Ausnehmung eine Kavität für die erste Kammer oder Messkammer 10 ausgebildet ist. In einem zweiten Substratabschnitt 3-2, der weiter vom ersten Substrat 1 beabstandet ist als der erste Substratabschnitt 3-1 ist am linken Rand der Messkammer 10 eine erste Diffusionsbarriere 20 ausgebildet, über welche die erste Messkammer 10 mit dem Gasraum 50 diffusionskontrolliert derart verbunden ist, dass das Gas, dessen Gaskomponenten-Konzentration(en) zu messen sind aus dem Gasraum 50 in die erste Messkammer 10 hineindiffundieren kann. Die Diffusionsbarriere 20, die auch als erste Diffusionsbarriere bezeichnet wird, kann dabei entweder alleine von einem ersten Diffusionskanal 21 oder zusätzlich oder alternativ von einem Barriereelement 22, zum Beispiel in Form eines porösen Materials, gebildet werden. The first or lower substrate 1 is essentially in an xy plane. In the z-direction above the first substrate 1 closes the second and upper micromechanical substrate 2 in, in the lower, ie the first substrate 1 facing, substrate portion 3-1 via a corresponding recess a cavity for the first chamber or measuring chamber 10 is trained. In a second substrate section 3-2 moving farther from the first substrate 1 spaced as the first substrate portion 3-1 is at the left edge of the measuring chamber 10 a first diffusion barrier 20 formed, via which the first measuring chamber 10 with the gas space 50 is diffusion-controlled connected such that the gas whose gas component concentration (s) are to be measured from the gas space 50 into the first measuring chamber 10 can diffuse into it. The diffusion barrier 20 , which is also referred to as the first diffusion barrier, can either alone by a first diffusion channel 21 or additionally or alternatively a barrier element 22 , for example in the form of a porous material.

Bei der Ausführungsform der 1 sind somit sämtliche elektrisch aktiven Elemente, nämlich die Nernstzelle 30 und die Pumpzelle 40 der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 in einem einzigen und gemeinsamen mikromechanischen Substrat 1 ausgebildet. Das zweite mikromechanische Substrat 2 dient dazu, eine fluidmechanische Anbindung zum zu vermessenden Gasraum 50 und die entsprechende Messkammer 10 bereitzustellen, z.B. vom Gasraum 50 zur ersten Messkammer 10. Die Ausführungsform der 1 kann zum Beispiel als Breitband-Lambdasonde verwendet werden. In the embodiment of the 1 are thus all electrically active elements, namely the Nernst cell 30 and the pump cell 40 the solid electrolyte sensor assembly according to the invention 100 in a single and common micromechanical substrate 1 educated. The second micromechanical substrate 2 serves to provide a fluid-mechanical connection to the gas space to be measured 50 and the corresponding measuring chamber 10 to provide, for example, from the gas space 50 to the first measuring chamber 10 , The embodiment of the 1 For example, it can be used as a broadband lambda probe.

Bei der Ausführungsform gemäß 2 sind zusätzlich zu den in 1 dargestellten Strukturen im Zusammenhang mit einer zweiten Messkammer 15 eine zweite Pump- und Nernstzelle 70 mit einer ersten Elektrode 71, einer zweiten Elektrode 72 und einer dazwischen ausgebildeten Festkörperelektrolytschicht 73 sowie eine zweite Diffusionsbarriere 60 in fluidmechanischer Verbindung mit der ersten Messkammer 10 ausgebildet. In the embodiment according to 2 are in addition to the in 1 represented structures in connection with a second measuring chamber 15 a second pumping and Nernst cell 70 with a first electrode 71 , a second electrode 72 and a solid electrolyte layer formed therebetween 73 and a second diffusion barrier 60 in fluid mechanical communication with the first measuring chamber 10 educated.

Die zweite Diffusionsbarriere 60 kann entweder von einem zweiten Diffusionskanal 61 oder zusätzlich oder alternativ von einem zweiten Diffusionselement 62, zum Beispiel in Form eines porösen Materials gebildet werden. The second diffusion barrier 60 can either be from a second diffusion channel 61 or additionally or alternatively a second diffusion element 62 , For example, be formed in the form of a porous material.

Die ersten und zweiten Elektroden 71 und 72 sowie die Festkörperelektrolytschicht 73 dazwischen sind vom Material des ersten Substrats 1 durch eine elektrische Isolation 74 elektrisch isoliert. The first and second electrodes 71 and 72 and the solid electrolyte layer 73 in between are the material of the first substrate 1 through electrical insulation 74 electrically isolated.

Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 gemäß 2 kann, wie dies unten im Detail beschrieben wird, also NO_x-Sensor verwendet werden. The embodiment of the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention 100 according to 2 can, as will be described in detail below, so NO _x sensor can be used.

Die in 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 ist, wie die Ausgestaltungsform gemäß 1, als Breitband-Lambdasonde einsetzbar, weist jedoch im Vergleich zu letzterer die Nernstzelle 30 mit dem Referenzgasvolumen 51 im ersten (hier: unteren) mikromechanischen Substrat 1 auf und davon jedoch separiert im zweiten (hier: oberen) mikromechanischen Substrat 2 zur Ausgestaltung der ersten Messkammer 10 die Pumpzelle 40 mit Zugriff auf das Pumpgasvolumen 52 bzw. auf den Gasraum 50. Die erste Messkammer 10 ist wieder über eine erste Diffusionsbarriere 20, zum Beispiel in Form eines einfachen Diffusionskanals 21, mit dem Messgasvolumen fluidmechanisch verbunden. In the 3 illustrated embodiment of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention 100 is, as the embodiment according to 1 , but can be used as a broadband lambda probe, but in comparison to the latter, the Nernst cell 30 with the reference gas volume 51 in the first (here: lower) micromechanical substrate 1 on and off, however, separated in the second (here: upper) micromechanical substrate 2 for the design of the first measuring chamber 10 the pump cell 40 with access to the pumping gas volume 52 or on the gas space 50 , The first measuring chamber 10 is again over a first diffusion barrier 20 , for example in the form of a simple diffusion channel 21 , fluid-mechanically connected to the sample gas volume.

Die ersten Elektroden 31 und 41 und die zweiten Elektroden 32 und 42 mit der Festkörperelektrolytschicht bzw. Feststoffelektrolytschicht 33, 43 dazwischen, sind gegenüber dem ersten Substrat 1 beziehungsweise gegenüber dem zweiten Substrat 2 wiederum durch entsprechende Isolationen 34 beziehungsweise 44 elektrisch isoliert. The first electrodes 31 and 41 and the second electrodes 32 and 42 with the solid electrolyte layer or solid electrolyte layer 33 . 43 in between, are opposite the first substrate 1 or with respect to the second substrate 2 again by appropriate isolation 34 respectively 44 electrically isolated.

Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 gemäß 4 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist. Hier ist der Diffusionskanal 21 ohne Barriereelement 22 ausgeführt. The embodiment of the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention 100 according to 4 corresponds substantially to the embodiment shown in FIG 1 is shown. Here is the diffusion channel 21 without barrier element 22 executed.

5 zeigt in vergrößerter Form Details der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 aus 4 beziehungsweise aus 1 aus dem Bereich des ersten und unteren mikromechanischen Substrats 1 mit Fokus auf die Struktur der Nernstzelle 30 und der Pumpzelle 40 mit den ersten Elektroden 31, 41, den zweiten Elektroden 32, 42 und den dazwischen vorgesehenen Feststoffelektrolytschichten 33, 43, die gegenüber dem Material des ersten unteren Substrats 1 mittels Isolation 34, 44 elektrisch isoliert sind. 5 shows in enlarged form details of the embodiment of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention 100 out 4 or off 1 from the region of the first and lower micromechanical substrate 1 with focus on the structure of the Nernst cell 30 and the pump cell 40 with the first electrodes 31 . 41 , the second electrodes 32 . 42 and the interposed solid electrolyte layers 33 . 43 facing the material of the first lower substrate 1 by means of insulation 34 . 44 are electrically isolated.

Die ersten Elektroden 31 und 41 sind dem Volumen der ersten Messzelle 10, die unteren und zweiten Elektroden 32 und 42 dem Referenzgasvolumen 51 beziehungsweise dem Pumpgasvolumen 52 zugewandt. The first electrodes 31 and 41 are the volume of the first measuring cell 10 , the lower and second electrodes 32 and 42 the reference gas volume 51 or the pumped gas volume 52 facing.

Die 6a bis 6d zeigen Zwischenzustände, die bei der Herstellung des zweiten Substrats 2 für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 100 gemäß den 1 und 4 erreicht werden. The 6a to 6d show intermediate states involved in the preparation of the second substrate 2 for an embodiment of the sensor arrangement according to the invention 100 according to the 1 and 4 be achieved.

In einem ersten Schritt wird ein mikromechanisches Substrat 2, zum Beispiel ein Halbleitersubstrat, als zweites Substrat bereitgestellt. Das zweite Substrat 2 weist eine Oberseite 2-1 und eine Unterseite 2-2 auf. Die Unterseite 2-2 ist im zusammen montierten Zustand später dem ersten Substrat 1 zugewandt. In a first step, a micromechanical substrate 2 , for example, a semiconductor substrate, provided as a second substrate. The second substrate 2 has a top 2-1 and a bottom 2-2 on. The bottom 2-2 is in the assembled state later the first substrate 1 facing.

Im Übergang zu dem in 6b gezeigten Zwischenzustand wird auf der Unterseite 2-2 des zweiten Substrats 2 eine Kavität 2-3 ausgebildet, die zur Ausgestaltung der späteren ersten Messkammer 10 dient. Im Übergang zu dem in 6c gezeigten Zwischenzustand wird dann zusätzlich zur Kavität 2-3 ein Kanal 2-4 ausgebildet, der später der Ausgestaltung der ersten Diffusionsbarriere 20 nach Art eines ersten Diffusionskanals 21 dient. In the transition to the in 6b shown intermediate state is on the bottom 2-2 of the second substrate 2 a cavity 2-3 formed, which for the design of the later first measuring chamber 10 serves. In the transition to the in 6c intermediate state shown is then in addition to the cavity 2-3 a channel 2-4 formed, the later of the embodiment of the first diffusion barrier 20 in the manner of a first diffusion channel 21 serves.

Dabei wird der eigentliche Kanal 2-4 durch ein Abtragen des zweiten Substrats 2 von der Oberseite 2-1 aus geöffnet, wie dies in 6d dargestellt ist. This is the actual channel 2-4 by removing the second substrate 2 from the top 2-1 off, like this in 6d is shown.

Durch diese Maßnahme ist das zweite Substrat 2 für die Ausgestaltungsformen der 1 und 4 fertiggestellt. By this measure, the second substrate 2 for the embodiments of the 1 and 4 completed.

Die Abfolge der 7a bis 7g zeigt Zwischenzustände bei der Herstellung des ersten mikromechanischen Substrats 1 für die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 100 gemäß den 1 und 4. Dabei wird das zugrundeliegende Substrat 1 mit einer Oberseite 1-1, die im montierten Zustand dem zweiten Substrat 2 zugewandt ist, und einer Unterseite 1-2 bereitgestellt, wie dies in 7a dargestellt ist. Das erste Substrat 1 wird im Übergang zum Zwischenzustand gemäß 7b mit Trenches oder Gräben 1-3 an der Oberseite 1-1 versehen, z.B. durch einen anisotropen Trockenätzprozess bzw. Plasmaätzprozess. The sequence of 7a to 7g shows intermediate states in the production of the first micromechanical substrate 1 for the embodiment of the sensor arrangement according to the invention 100 according to the 1 and 4 , This becomes the underlying substrate 1 with a top 1-1 , which in the assembled state the second substrate 2 facing, and a bottom 1-2 provided as in 7a is shown. The first substrate 1 becomes in transition to the intermediate state according to 7b with trenches or trenches 1-3 at the top 1-1 provided, for example, by an anisotropic dry etching or plasma etching process.

Im Übergang zum Zwischenzustand gemäß 7c wird eine Schicht 1-4 eines Isolationsmaterials ausgebildet, welches später zur Ausgestaltung der Isolation 34 und 44 dient. In the transition to the intermediate state according to 7c becomes a layer 1-4 formed of an insulating material, which later for the design of the insulation 34 and 44 serves.

Im Übergang zum Zwischenzustand gemäß 7d wird die Schicht 1-4 des Isolationsmateriales strukturiert. In the transition to the intermediate state according to 7d becomes the layer 1-4 the insulation material structured.

Im Übergang zum Zwischenzustand gemäß 7e wird eine Schicht eines Feststoffelektrolyten auf der Oberseite 1-1 der Struktur aus 7d ausgebildet und lokal strukturiert, um so die Bereiche mit Feststoffelektrolyten 33 und 43 auszubilden. In the transition to the intermediate state according to 7e becomes a layer of a solid electrolyte on top 1-1 the structure 7d trained and structured locally, so the areas with solid electrolyte 33 and 43 train.

Im Übergang zu dem in 7f gezeigten Zwischenzustand wird dann unterhalb der Struktur aus Isolation 34, 44 und Feststoffelektrolytschicht 33, 43 jeweils eine Kavität 1-5 von der Unterseite 1-2 des ersten Substrats 1 her ausgebildet, die später der Ausgestaltung des Referenzgasraumes 51 beziehungsweise des Pumpgasraumes 52 dienen. Im Übergang zu dem in 7g gezeigten Zwischenzustand werden auf der Oberseite und der Unterseite der Feststoffelektrolytschichten 33, 43 die ersten Elektroden 31, 41 und die zweiten Elektroden 32, 42 durch Abscheiden entsprechender Materialien und deren Strukturierung ausgebildet, sodass sich mit Abschluss der in 7g gezeigten Struktur im Wesentlichen ein Aufbau ergibt, wie er in 5 dargestellt ist. In the transition to the in 7f intermediate state shown is then below the structure of insulation 34 . 44 and solid electrolyte layer 33 . 43 one cavity each 1-5 from the bottom 1-2 of the first substrate 1 formed, which later the design of the reference gas space 51 or the pump gas space 52 serve. In the transition to the in 7g shown intermediate state are on the top and the bottom of the solid electrolyte layers 33 . 43 the first electrodes 31 . 41 and the second electrodes 32 . 42 formed by deposition of appropriate materials and their structuring, so that with completion of in 7g structure shown essentially results in a structure as in 5 is shown.

Zur Fertigstellung einer entsprechenden erfindungsgemäßen Sensoranordnung müssen dann nur noch das gemäß 7g fertiggestellte erste Substrat 1 mit seiner Oberseite 1-1 in Verbindung gebracht werden mit der Unterseite 2-2 des in 6d gezeigten zweiten Substrats 2. To complete a corresponding sensor arrangement according to the invention then only have the according 7g finished first substrate 1 with his top 1-1 be associated with the bottom 2-2 of in 6d shown second substrate 2 ,

Bei den in den 6a bis 6d und 7a bis 7g gezeigten Zwischenzuständen sind die jeweiligen ersten und zweiten Substrate 1, 2 in einer xz-Ebene geschnitten dargestellt. In the in the 6a to 6d and 7a to 7g shown intermediate states are the respective first and second substrates 1 . 2 shown cut in an xz plane.

Die 8a bis 8c zeigen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 100 mit unterschiedlichen lateralen und geometrischen Anordnungen der Nernstzelle 30 im Vergleich zur Pumpzelle 40 im Zusammenhang mit der ersten Messkammer 10 und der ersten Diffusionsbarriere 20. The 8a to 8c show various embodiments of the sensor arrangement according to the invention 100 with different lateral and geometric arrangements of the Nernst cell 30 in comparison to the pump cell 40 in connection with the first measuring chamber 10 and the first diffusion barrier 20 ,

Bei den Ausführungsformen gemäß den 8a und 8c sind die Nernstzelle 30 und die Pumpzelle 40 lateral zueinander versetzt und direkt zueinander benachbart angeordnet, und zwar gemäß 8a mit einem Versatz in x-Richtung und gemäß 8c mit einem lateralen Versatz in y-Richtung zueinander. In the embodiments according to the 8a and 8c are the Nernst cell 30 and the pump cell 40 laterally offset from each other and arranged directly adjacent to each other, according to 8a with an offset in the x-direction and according to 8c with a lateral offset in the y-direction to each other.

Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 100 gemäß 8b wird die Nernstzelle 30 von der Pumpzelle 40 in lateraler Richtung radial umschlossen, wobei im Querschnitt die Nernstzelle 30 einen kreisförmigen und die Pumpzelle 40 einen kreisringförmigen Aufbau aufweist, in deren Zentrum die Nernstzelle 30 konzentrisch umschlossen angeordnet ist. In the embodiment of the sensor arrangement according to the invention 100 according to 8b becomes the Nernst cell 30 from the pump cell 40 radially enclosed in the lateral direction, wherein in cross-section the Nernst cell 30 a circular and the pumping cell 40 has a circular structure, in the center of the Nernst cell 30 is arranged concentrically enclosed.

Die 9a bis 9c zeigen von den Ausführungsformen gemäß den 1 und 4 abgeleitete Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung. Dabei ist ein Aufbau mit einem ersten und hier mittleren mikromechanischen Substrat 1, einem zweiten und hier oberen mikromechanischen Substrat 2 und einem dritten und hier zuunterst angeordneten mikromechanischen Substrat 4 dargestellt. Der Aufbau und die Strukturierung der ersten und zweiten mikromechanischen Substrate 1 und 2 erfolgt, wie dies im Zusammenhang mit den 6 und 7 erläutert wurde. Zusätzlich wird hier jedoch durch das dritte und zuunterst an der Unterseite 1-2 des ersten mikromechanischen Substrats 1 angeordnete dritte mikromechanische Substrat 4 eine entsprechende Anwendung oder fluidmechanische Verschaltung des Referenzgarvolumens 51 beziehungsweise des Pumpgasvolumens 52 über entsprechende Kanäle 51-1 beziehungsweise 52-1 realisiert. Beispielsweise vom Pumpgasvolumen 52 zum Gasraum 50 oder vom Pumpgasvolumen 52 zum Referenzgasraum. The 9a to 9c show the embodiments according to the 1 and 4 derived developments of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention. Here is a structure with a first and here medium micromechanical substrate 1 , a second and here upper micromechanical substrate 2 and a third and here at the bottom arranged micromechanical substrate 4 shown. The structure and structuring of the first and second micromechanical substrates 1 and 2 takes place as related to the 6 and 7 was explained. In addition, however, here by the third and at the bottom at the bottom 1-2 of the first micromechanical substrate 1 arranged third micromechanical substrate 4 a corresponding application or fluid-mechanical connection of the Referenzgarvolumens 51 or the pumped gas volume 52 via appropriate channels 51-1 respectively 52-1 realized. For example, the pumping gas volume 52 to the gas room 50 or from the pumped gas volume 52 to the reference gas space.

10 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100, die im Wesentlichen derjenigen aus 2 entspricht und als Stickoxidsensor Anwendung finden kann. 10 shows a schematic and sectional side view of another embodiment of the solid electrolyte sensor assembly according to the invention 100 which are essentially made up of those 2 corresponds and can be used as a nitrogen oxide sensor application.

Bei dieser Ausgestaltungsform sind eine erste Messkammer 10 und eine zweite Messkammer 15 über eine zweite Diffusionsbarriere 60 mit einem Diffusionselement 62 und/oder einem Diffusionskanal 61 miteinander fluidmechanisch verbunden, wobei die erste Messkammer 10 selbst über eine erste Diffusionsbarriere 20 mit dem zu vermessenden Gasvolumen 50 fluidmechanisch in Verbindung steht. Die gesamte Anordnung besitzt eine erste Nernstzelle 30, eine erste Pumpzelle 40, welche im Bereich der ersten Messkammer 10 angeordnet sind, wobei deren erste Elektroden 31 beziehungsweise 41 zur Messkammer 10 hin und ihre zweiten Elektroden 32 beziehungsweise 42 von der Messkammer 10 abgewandt sind und zum Referenzgarvolumen 51 beziehungsweise Pumpgasvolumen 52 hin ausgerichtet sind. Zwischen den ersten und zweiten Elektroden 31, 41 beziehungsweise 32, 42 sind unter Verwendung einer elektrischen Isolation 34, 44 Feststoffelektrolytschichten 33, 43 ausgebildet. In this embodiment, a first measuring chamber 10 and a second measuring chamber 15 via a second diffusion barrier 60 with a diffusion element 62 and / or a diffusion channel 61 fluid mechanically connected to each other, wherein the first measuring chamber 10 even over a first diffusion barrier 20 with the gas volume to be measured 50 fluid mechanically connected. The entire arrangement has a first Nernst cell 30 , a first pump cell 40 , which are in the area of the first measuring chamber 10 are arranged, wherein the first electrodes 31 respectively 41 to the measuring chamber 10 towards and their second electrodes 32 respectively 42 from the measuring chamber 10 turned away and the Referenzgarvolumen 51 or pump gas volume 52 are aligned. Between the first and second electrodes 31 . 41 respectively 32 . 42 are using an electrical insulation 34 . 44 Solid electrolyte layers 33 . 43 educated.

Die zweite Pump- und Nernstzelle 70 ist im Bereich der zweiten Messkammer 15 ausgebildet, wobei deren erste Elektrode 71 zur zweiten Messkammer 15 hin zugewandt und ihre zweite Elektrode 72 von der zweiten Messkammer 15 abgewandt und zu einem zweiten Referenzgasvolumen 53 zugewandt ist. Die ersten und zweiten Elektroden 71 beziehungsweise 72 schließen zwischen sich eine Feststoffelektrolytschicht 73 ein, wobei auch hier eine elektrische Isolation 74 gegenüber dem Material des ersten Substrats 1 verwendet wird. The second pump and Nernst cell 70 is in the range of the second measuring chamber 15 formed, wherein the first electrode 71 to the second measuring chamber 15 towards her and her second electrode 72 from the second measuring chamber 15 turned away and to a second reference gas volume 53 is facing. The first and second electrodes 71 respectively 72 close between a solid electrolyte layer 73 a, where also an electrical insulation 74 opposite the material of the first substrate 1 is used.

Das erste Substrat 1 weist sämtliche elektrisch aktiven Komponenten, nämlich die drei Zellen 30, 40 und 70 auf: Dagegen wird das zweite Substrat 2 ausschließlich passiv eingesetzt. Das bedeutet, dass es dazu dient, die Kavitäten und Gräben für die erste Messkammer 10 bzw. erste Kammer 10 und für die zweite Messkammer 15 bzw. zweite Kammer 15 und für die erste Diffusionsschicht bzw. Diffusionsbarriere 20, beispielsweise auch den Diffusionskanal 21 sowie die Struktur für die zweite Diffusionsbarriere 60 bereitzustellen. The first substrate 1 has all the electrically active components, namely the three cells 30 . 40 and 70 on: In contrast, the second substrate 2 used only passively. This means that it serves the cavities and trenches for the first measuring chamber 10 or first chamber 10 and for the second measuring chamber 15 or second chamber 15 and for the first diffusion layer or diffusion barrier 20 , For example, the diffusion channel 21 as well as the structure for the second diffusion barrier 60 provide.

Die Abfolgen der 11a bis 11d sowie der 12a bis 12g entsprechen im Wesentlichen denjenigen, die im Zusammenhang mit den 6a bis 6d beziehungsweise 7a bis 7g erläutert wurden, nur dass hier zusätzlich entsprechende Strukturen für die zusätzliche und zweite Nernst- und Pumpzelle 70 und die jeweiligen Elektroden 71, 72, den Feststoffelektrolytbereich 73 und die Isolation 74 geschaffen werden. Außerdem kann die zweite Diffusionsbarriere 60 zwischen der ersten Kammer 10 und der zweiten Kammer 15 aus dem Material des zweiten Substrats 2 strukturiert werden. The sequences of 11a to 11d as well as the 12a to 12g correspond essentially to those associated with the 6a to 6d respectively 7a to 7g except that here additional structures for the additional and second Nernst and pumping cell 70 and the respective electrodes 71 . 72 , the solid electrolyte region 73 and the isolation 74 be created. In addition, the second diffusion barrier 60 between the first chamber 10 and the second chamber 15 from the material of the second substrate 2 be structured.

Die 13a und 13b zeigen verschiedene Ausführungsformen der mit den 2, 10, 11 und 12 vorgestellten Grundstruktur. The 13a and 13b show different embodiments of the with 2 . 10 . 11 and 12 featured basic structure.

Dabei ist in 13 eine erfindungsgemäße Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 in teilweise geschnittener Draufsicht mit einer Schnittebene parallel zur xy-Ebene dargestellt. Zu erkennen ist, dass die erste Pumpzelle 40, die erste Nernstzelle 30 und die zweite Pump- und Nernstzelle 70 in der x-Richtung lateral nebeneinander und zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei sich die erste Pumpzelle 40 und die erste Nernstzelle 30 in der ersten Messkammer 10 und die zweite Pump- und Nernstzelle 70 sich in der zweiten Messkammer 15 befinden, welche miteinander über die zweite Diffusionsbarriere 60, hier in Form eines Diffusionselements 62 ausgebildet sind. Die erste Kammer 10 ist über eine erste Diffusionsbarriere 20 mit dem Messgasvolumen 50 fluidmechanisch verbunden. It is in 13 a solid electrolyte sensor arrangement according to the invention 100 shown in a partially sectioned plan view with a sectional plane parallel to the xy plane. It can be seen that the first pump cell 40 , the first Nernst cell 30 and the second pump and Nernst cell 70 are laterally juxtaposed and spaced apart in the x-direction, wherein the first pumping cell 40 and the first Nernst cell 30 in the first measuring chamber 10 and the second pump and Nernst cell 70 in the second measuring chamber 15 which are connected to each other via the second diffusion barrier 60 , here in the form of a diffusion element 62 are formed. The first chamber 10 is over a first diffusion barrier 20 with the sample gas volume 50 fluid mechanically connected.

Bei der Ausgestaltungsform gemäß 13b ist in ähnlicher Art und Weise wie bei der Ausführungsform der 8b die erste Nernstzelle 30 im Schnitt der xy-Ebene mit kreisförmigem Schnitt ausgebildet und wird radial beabstandet von der ersten Pumpzelle 40 konzentrisch umgeben. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Diffusionsbarriere 60 mit dem zweiten Diffusionskanal 61 und/oder dem zweiten Diffusionselement 62 meanderförmig strukturiert. In the embodiment according to 13b is similar to the embodiment of the 8b the first Nernst cell 30 formed in the section of the xy plane with a circular section and is radially spaced from the first pumping cell 40 surrounded concentrically. In this embodiment, the second diffusion barrier is 60 with the second diffusion channel 61 and / or the second diffusion element 62 meandering structured.

Die 14a und 14b zeigen einen aus dem Aufbau gemäß den 2 und 10 abgeleiteten Aufbau für eine erfindungsgemäße Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100. Die Ausführungsform gemäß den 14a und 14b weisen wie die Ausführungsformen gemäß den 9a bis 9c ein ersten mikromechanisches Substrat 1, ein zweites mikromechanisches Substrat 2 und ein drittes mikromechanisches Substrat 4 auf. The 14a and 14b show one from the structure according to the 2 and 10 derived structure for a solid electrolyte sensor assembly according to the invention 100 , The embodiment according to the 14a and 14b As the embodiments according to the 9a to 9c a first micromechanical substrate 1 , a second micromechanical substrate 2 and a third micromechanical substrate 4 on.

Das erste mikromechanische Substrat 1 dient wiederum als aktives Substrat zur Aufnahme der Zellen 30, 40 und 70. Das darüber vorgesehene zweite Substrat 2 dient der Bildung der Kavernen für die erste Messkammer 10 bzw. erste Kammer 10 und für die zweite Messkammer 15 bzw. für die zweite Kammer 15 und für die erste Diffusionsbarriere 20 sowie für die zweite Diffusionsbarriere 60. Das unterhalb des ersten Substrates 1 vorgesehene dritte Substrat 4 dient dem fluidmechanischen Anschluss der Referenzgasvolumina 51 und 53 und des Pumpgasvolumens 52 über Kanäle 51-1, 53-1 beziehungsweise 52-1. The first micromechanical substrate 1 in turn serves as an active substrate for uptake of the cells 30 . 40 and 70 , The second substrate provided above 2 serves to form the caverns for the first measuring chamber 10 or first chamber 10 and for the second measuring chamber 15 or for the second chamber 15 and for the first diffusion barrier 20 as well as for the second diffusion barrier 60 , This is below the first substrate 1 provided third substrate 4 serves the fluid mechanical connection of the reference gas volumes 51 and 53 and the pumping gas volume 52 via channels 51-1 . 53-1 respectively 52-1 ,

Sämtliche Ausführungsformen der 2, 10 bis 14 der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 können zur Verwendung als NO_x-Sensor verwendet werden. All embodiments of the 2 . 10 to 14 the solid electrolyte sensor assembly according to the invention 100 can be used as NO _x sensor.

Grundsätzlich besteht jedoch das Bedürfnis, dass die erfindungsgemäße Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 einen möglichst selektiven Nachweis von Ionenspezies im Messgasvolumen 50 erlaubt. Basically, however, there is a need that the solid electrolyte sensor assembly according to the invention 100 the most selective detection of ionic species in the sample gas volume 50 allowed.

Die Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 gemäß den 15 und 16 bieten derartige Möglichkeiten. The embodiments of the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention 100 according to the 15 and 16 offer such possibilities.

Dargestellt ist wiederum ein erstes, unteres mikromechanisches Substrat 1 als aktives Substrat, in welchem eine Messzelle 30 (z.B. eine einzige Messzelle 30) in Form einer Pumpzelle bzw. Nernstzelle angeordnet ist. Die Messzelle 30 bzw. Nernstzelle weist auf: eine erste (hier: obere) Elektrode 31 auf, die der ersten Messkammer 10 zugewandt ist, eine zweite (hier: untere) Elektrode 32, die der der Messkammer 10 abgewandt und dem Referenzgasvolumen 51 zugewandt ausgebildet ist. Zwischen der ersten Elektrode 31 und der zweiten Elektrode 32 ist eine Feststoffelektrolytschicht 33 ausgebildet. Die Anordnung aus erster und zweiter Elektrode 31, 32 und dazwischen vorgesehener Feststoffelektrolytschicht 33 wird mittels einer Isolation 34 vom Material des ersten mikromechanischen Substrats 1 elektrisch isoliert. Shown again is a first, lower micromechanical substrate 1 as an active substrate, in which a measuring cell 30 (eg a single measuring cell 30 ) is arranged in the form of a pumping cell or Nernst cell. The measuring cell 30 or Nernst cell has: a first (here: upper) electrode 31 on, the first measuring chamber 10 facing, a second (here: lower) electrode 32 that of the measuring chamber 10 turned away and the reference gas volume 51 is formed facing. Between the first electrode 31 and the second electrode 32 is a solid electrolyte layer 33 educated. The arrangement of first and second electrodes 31 . 32 and interposed solid electrolyte layer 33 is by means of insulation 34 from the material of the first micromechanical substrate 1 electrically isolated.

Die erste Messkammer 10 ist mit dem Messgasvolumen 50 über eine erste Diffusionsbarriere 20 fluidmechanisch verbunden. Die erste Diffusionsbarriere 20 kann gebildet werden entweder von einem Diffusionskanal 21 oder alternativ oder zusätzlich von einem Diffusionselement 22. The first measuring chamber 10 is with the sample gas volume 50 via a first diffusion barrier 20 fluid mechanically connected. The first diffusion barrier 20 can be formed either from a diffusion channel 21 or alternatively or additionally from a diffusion element 22 ,

Im Bereich der ersten Diffusionsbarriere 20 ist bei den Ausführungsformen gemäß den 15 und 16 eine Ventilanordnung zum Verschließen und Öffnen der fluidmechanischen Verbindung zwischen dem Messgasvolumen 50 und der ersten Messkammer 10 ausgebildet. Die Ventilanordnung 80 kann durch Ansteuerung ein Ventilelement 81 in geschlossener Stellung (in einer ersten Stellung 81) oder das Ventilelement 82 in offener Stellung (in einer zweiten Stellung 82) ausbilden, um so die fluidmechanische Verbindung zwischen dem Messgasvolumen 50 zu steuern und insbesondere bei geschlossenem Ventilelement 81 das Volumen und die Bestandteile in der ersten Messkammer 10 zum Zwecke der Analyse gegenüber dem Messgasvolumen 50 abzuschirmen und fluidmechanisch zu trennen. In the area of the first diffusion barrier 20 is in the embodiments according to the 15 and 16 a valve arrangement for closing and opening the fluid mechanical connection between the sample gas volume 50 and the first measuring chamber 10 educated. The valve arrangement 80 can by controlling a valve element 81 in closed position (in a first position 81 ) or the valve element 82 in open position (in a second position 82 ) so as to form the fluid mechanical connection between the sample gas volume 50 to control and especially with the valve element closed 81 the volume and constituents in the first measuring chamber 10 for the purpose of analysis with respect to the sample gas volume 50 shield and fluid-mechanically separate.

Die Funktionsweisen der in den 1 bis 16 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnungen 100 wird nachfolgend im Detail auch unter erneuter Bezugnahme auf strukturelle Details der Anordnungen beschrieben. The functioning of the in the 1 to 16 illustrated embodiments of the solid electrolyte sensor assemblies according to the invention 100 will now be described in detail also with renewed reference to structural details of the arrangements.

Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert: These and other features and characteristics of the present invention will be further elucidated with reference to the following statements:

(A) Weitere Aspekte zu erfindungsgemäßen Breitband-Lambdasensoren in Mikrosystemtechnik (A) Further aspects of wideband lambda sensors according to the invention in microsystem technology

Erfindungsgemäße Breitband-Lambda-Sonden können z.B. in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um im Motor eine möglichst gute Gemischzusammensetzung zu erzielen. Dabei kommen z.B. zirkonoxidbasierte Sensoren mit einem Kammersystem zum Einsatz. Deren Funktion beruht auf der Leitfähigkeit der ZrO₂-Keramik gegenüber Sauerstoffionen. Broadband lambda probes according to the invention can be used, for example, in motor vehicles in order to achieve the best possible mixture composition in the engine. For example, zirconia-based sensors with a chamber system are used. Their function is based on the conductivity of the ZrO ₂ ceramic over oxygen ions.

Das zu messende Gasgemisch gelangt über eine Diffusionsbarriere 20 in eine Kammer 10. Mit Hilfe einer Pumpzelle 40 und einer Nernstzelle 30 wird die Sauerstoffkonzentration in der Kammer 10 auf einen konstanten Wert mit z.B. λ = 1 geregelt. Der elektrische Strom, der dazu für die Pumpzelle 40 notwendig ist, ist ein Maß und insbesondere proportional zur Sauerstoffkonzentration des Gasgemisches. The gas mixture to be measured passes through a diffusion barrier 20 in a chamber 10 , With the help of a pump cell 40 and a Nernst cell 30 is the oxygen concentration in the chamber 10 controlled to a constant value with eg λ = 1. The electric current that is needed for the pumping cell 40 is necessary, is a measure and in particular proportional to the oxygen concentration of the gas mixture.

Sensorelemente, von denen bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung ausgegangen wurde, werden mittels Dickschichttechnologie gefertigt. Ihre Abmessungen betragen beispielsweise ca. 4 mm × 50 mm × 3 mm. Auf Grund dieser vergleichsweise großen Abmessungen und der damit vergleichsweise großen thermischen Massen sind zum Erreichen der notwendigen Betriebstemperatur von z.B. etwa 700 °C vergleichsweise hohe Heizleistungen im ein- bis zweistelligen Wattbereich notwendig. Sensor elements, which were assumed in the development of the present invention are manufactured by means of thick film technology. Their dimensions are for example about 4 mm × 50 mm × 3 mm. Due to this comparatively large dimensions and the thus comparatively large thermal masses are to achieve the necessary operating temperature of eg about 700th ° C comparatively high heating capacities in the one to two-digit watt range necessary.

Ein Kernaspekt der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung eines halbleiterbasierten und mittels Mikrosystemtechnik gefertigten Dünnschichtsensors wie er z.B. in den 1, 3 bis 5 und 9a bis 9c gezeigt ist. Der erfindungsgemäße Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass Dünnschichtfestkörperelektrolytmembranen 33, 43 an eine Kammer 10, durch zwei oder mehr strukturierte Halbleitersubstrate 1, 2 definiert, angrenzen, die durch eine erste Gasdiffusionsbarriere 20 vom zu messenden Gas getrennt ist. A key aspect of the invention is the provision of an arrangement of a semiconductor-based and manufactured by microsystem technology thin-film sensor as in the example 1 . 3 to 5 and 9a to 9c is shown. The sensor according to the invention is characterized in that thin-film solid-state electrolyte membranes 33 . 43 to a chamber 10 , by two or more structured semiconductor substrates 1 . 2 defined, bordered by a first gas diffusion barrier 20 is separated from the gas to be measured.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass alle elektrisch aktiven Elemente, z.B. Festkörperelektrolyt, Elektroden, Heizer, Kontaktpads, sich auf einem einzigen und gemeinsamen ersten Halbleitersubstrat 1 befinden. An advantageous embodiment is characterized in that all electrically active elements, such as solid electrolyte, electrodes, heaters, contact pads, on a single and common first semiconductor substrate 1 are located.

Ggf. vorgesehene weitere Halbleitersubstrate 2 werden nur passiv zur Definition von Leitungen und/oder Kanälen z.B. für das zu untersuchende Gas, das gepumpte Gase oder von Referenzgas verwendet. Possibly. provided further semiconductor substrates 2 are used only passively for the definition of lines and / or channels eg for the gas to be examined, the gases pumped or reference gas.

Der Aufbau dieses erfindungsgemäßen Sensorelements ist in den 1, 4 und 5 gezeigt. The structure of this sensor element according to the invention is in the 1 . 4 and 5 shown.

Da das Funktionsprinzip des Sensors mit sauerstoffionenleitender Funktionskeramik 33, 43 und mit einem System mit Kammern 10, 15, welche von zu messenden Gas durch eine Gasdiffusionsbarriere getrennt ist, mit einem hohen Miniaturisierungsgrad sowie im Übergang zu Prozessen der Halbleitertechnologie realisiert werden, stellen sich verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Sensoren ein:

• (a) ein reduzierter Heizleistungsbedarf,
• (b) reduzierte geometrische Abmessungen,
• (d) bei ausreichend hoher Stückzahl eine Kosteneinsparung,
• (e) ggf. nur eine lokale Heizung der einzelnen Nernst-/Pumpzellen lokal notwendig, nicht des ganzen Sensorelementes,
• (f) bei moderaten Umgebungstemperaturen lässt sich die notwendige Auswerteelektronik in unmittelbarer Nähe zum Sensor unterbringen

Since the operating principle of the sensor with oxygen ion-conducting functional ceramics 33 . 43 and with a system with chambers 10 . 15 , which is separated from gas to be measured by a gas diffusion barrier, realized with a high degree of miniaturization as well as in the transition to processes of semiconductor technology, there are several advantages over conventional sensors:

• (a) a reduced heating power requirement,
• (b) reduced geometric dimensions,
• (d) if there is a sufficient quantity, a cost saving,
• (e) possibly only a local heating of the individual Nernst- / pump cells locally necessary, not the whole sensor element,
• (f) At moderate ambient temperatures, the necessary evaluation electronics can be accommodated in the immediate vicinity of the sensor

Es können sich je nach Ausführung weitere Vorteile einstellen:

• (g) Alle elektrischen Kontaktpads liegen auf einer Ebene (vereinfache Kontaktierung nach außen).
• (h) Es ist nur ein Heizelement nötig, anstatt mindestens zwei, um die Mess- / Nernst- / Pumpzelle auf Betriebstemperatur zu bringen (typischerweise > 300°C, insbesondere > 600°C).
• (i) Verwendung von nur einem Halbleitersubstrat mit elektrisch aktiven Elementen führt zu einer deutlichen Kostenreduzierung.
• (j) Größere Fertigungstoleranzen beim Zusammenfügen der verwendeten Halbleitersubstrate.

Depending on the model, further advantages may arise:

• (g) All electrical contact pads are on one level (easy external contact).
• (h) Only one heating element is needed instead of at least two to bring the measuring / Nernst / pumping cell to operating temperature (typically> 300 ° C, especially> 600 ° C).
• (i) Use of only one semiconductor substrate with electrically active elements leads to a significant cost reduction.
• (j) Greater manufacturing tolerances in assembling the semiconductor substrates used.

Aufbau und möglicher Prozessfluss:
In den 1 bis 5 sind zwei mögliche Ausführungsvarianten des Dünnschichtsensors skizziert. Structure and possible process flow:
In the 1 to 5 Two possible variants of the thin film sensor are outlined.

Der halbleiterbasierte Dünnschichtsensor wird hierbei aus zwei Mikrochips bzw. zwei Halbleiter-Wafern als Substraten 1, 2 aufgebaut. Bei der Variante gemäß 3 werden zwei ähnliche Halbleitersubstrate 1, 2 zusammengefügt, die beide Kavitäten, eine Festkörperelektrolytmembran und elektrische Leitungen beinhalten. The semiconductor-based thin-film sensor hereby consists of two microchips or two semiconductor wafers as substrates 1 . 2 built up. In the variant according to 3 become two similar semiconductor substrates 1 . 2 assembled, which include both cavities, a solid electrolyte membrane and electrical lines.

Bei der Variante gemäß den 1, 2, 4 und 5 sind die elektrisch funktionalen Schichten alle auf einem ersten Substrat 1 untergebracht. Das zweite Substrat 2 definiert die Kammer und Diffusionsbarriere / das Öffnungsloch. In the variant according to the 1 . 2 . 4 and 5 For example, the electrically functional layers are all on a first substrate 1 accommodated. The second substrate 2 defines the chamber and diffusion barrier / opening hole.

Im Folgenden wird auf den Prozessfluss für die Variante gemäß den 1, 2, 4 und 5 eingegangen. Die beiden Halbleitersubstrate 1, 2 für die Variante gemäß 3 können ähnlich zu ersten Substrate 1 der Variante gemäß den 1, 2, 4 und 5 hergestellt werden. The following is the process flow for the variant according to the 1 . 2 . 4 and 5 received. The two semiconductor substrates 1 . 2 for the variant according to 3 can be similar to first substrates 1 the variant according to the 1 . 2 . 4 and 5 getting produced.

Die 6a bis 6d zeigen einen möglichen Prozessfluss für die obere Hälfte des Sensors, also für den zweiten Träger 2. In den 7a bis 7g ist entsprechend ein möglicher Prozessfluss für die untere Hälfte des Sensors dargestellt, also für den ersten Träger 1. The 6a to 6d show a possible process flow for the upper half of the sensor, ie for the second carrier 2 , In the 7a to 7g Accordingly, a possible process flow for the lower half of the sensor is shown, ie for the first carrier 1 ,

Mittels typischer Mikrostrukturierungsprozesse, z.B. Trenchen, KOH-Ätzen werden im zweiten Substrat oder Träger 2 geeignete Kavitäten 2-3 und 2-4 hergestellt, siehe 6b und 6c. By means of typical microstructuring processes, eg trenches, KOH etching, in the second substrate or carrier 2 suitable cavities 2-3 and 2-4 made, see 6b and 6c ,

Als Material für das zweite Substrat 2 können z.B. Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) sowie Materialien (z.B. Glas) verwendet werden, die mittels Prozessen aus der Halbleitertechnologie bearbeitet werden können. As material for the second substrate 2 For example, silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), and materials (eg, glass) that can be processed by semiconductor technology processes can be used.

Anschließend wird beispielsweise die Oberseite des Wafer des zweiten Trägers 2 durch Rückschleifen abgedünnt (Übergang zu 6d) und ein Durchgangsloch, der Kanal 21 für die erste Öffnung bzw. Diffusionsbarriere 21 zum Gaseintritt, entsteht. Subsequently, for example, the top of the wafer of the second carrier 2 thinned by back grinding (transition to 6d ) and a through hole, the channel 21 for the first opening or diffusion barrier 21 to the gas, arises.

Auf dem ersten Substrat 1 werden zuerst Passivierungsschichten 1-4 aufgebracht, siehe 7b bis 7d. Anschließend wird eine Dünnschicht (< 10 µm Dicke) aus einem Festkörperelektrolyten 33, 43, z.B. mit oder aus yttriumdotiertem Zirkondioxid ZrO₂ (YSZ), aufgebracht und strukturiert, siehe 7e. On the first substrate 1 become passivation layers first 1-4 upset, see 7b to 7d , Subsequently, a thin layer (<10 microns thickness) of a solid electrolyte 33 . 43 , eg with or from yttrium-doped Zirconia ZrO ₂ (YSZ), applied and patterned, see 7e ,

Mögliche Abscheideverfahren sind z.B. Pulsed-Laser-Deposition (PLD), Sputtern, Atomic-Layer-Deposition (ALD). Das erste Substrat 1 wird danach von unten unterhalb der Festkörperelektrolyten 33, 43 entfernt, z.B. durch Trenchen oder Nassätzen. Es entstehen Festkörperelektrolytmembranen. Possible deposition methods include pulsed laser deposition (PLD), sputtering, atomic layer deposition (ALD). The first substrate 1 is then from below below the solid electrolyte 33 . 43 removed, eg by trenches or wet etching. The result is solid electrolyte membranes.

Als Materialien für die Elektroden 31, 32, 42, 42 können z.B. Strukturen mit oder aus Pt, Rh, Au, Re, Hf, Zr oder deren Verbindungen und ggf. Verbindung mit YSZ zum Einsatz kommen. Die Abscheidung kann erfolgen z.B. über Sputter- bzw. nasschemische Depositionsverfahren. As materials for the electrodes 31 . 32 . 42 . 42 For example, it is possible to use structures with or consisting of Pt, Rh, Au, Re, Hf, Zr or their compounds and optionally compounds with YSZ. The deposition can be carried out, for example, via sputtering or wet-chemical deposition methods.

Zum Schluss werden beide Substrate 1 und 2 zusammengefügt, z.B. durch Sealglasbonden. Hierdurch bilden sich die beiden zur Funktion des Sensors notwendigen Kammern 51, 52 aus. Finally, both substrates 1 and 2 joined together, eg by seal glass bonding. As a result, the two necessary to the function of the sensor chambers form 51 . 52 out.

Die Referenzluftkammern können als echte Referenz, d.h. mit Referenzluftkanal oder geschlossen als gepumpte Referenz ausgeführt werden. The reference air chambers may be used as a true reference, i. with reference air duct or closed as a pumped reference.

Zum Sensorbetrieb können die innerhalb der Kammer 10 liegenden ersten Elektroden 31 und 41 zusammengeschaltet werden, so dass hierfür lediglich eine gemeinsame Signalleitung notwendig wird. Die zweiten Elektroden 32 und 42 werden jeweils mit einer eigenen Leitung angeschlossen. Insgesamt ergeben sich somit für den Sensor drei Signalleitungen. Hinzu kommen ggf. noch zwei Signalleitungen, die für die Ansteuerung eines Heizers benötigt werden. Hierbei kann der Chip als Ganzes beheizt werden oder in Form von zwei parallel oder seriell geschalteten Membranheizern lediglich die Nernst-/Pumpzellen beheizt werden, wobei bei allen Varianten die Heizer auf einer Ebene liegen können. For sensor operation, those within the chamber 10 lying first electrodes 31 and 41 be interconnected, so that only a common signal line is necessary for this. The second electrodes 32 and 42 are each connected with their own line. Overall, this results in three signal lines for the sensor. In addition, if necessary, there are two signal lines that are needed to control a heater. In this case, the chip can be heated as a whole or heated in the form of two parallel or serially connected membrane heaters only the Nernst- / pump cells, in all variants, the heater can lie on one level.

Folgende Aspekte der Funktion sind zu bemerken:
Über eine freigeätzte Öffnung, z.B. eines Diffusionskanales 21, oder eine Gasdiffusionsbarriere 20 im zweiten und oberen mikromechanischen Substrat oder Träger 2 gelangt das zu messende Gas, z.B. Abgas einer Brennkraftmaschine, in die Messkammer 10. Hier kann anhand der Nernst-Spannung zwischen den Elektroden 31 und 32 der aktuell in der Kammer 10 vorliegende Sauerstoffgehalt – typischerweise in der Nähe von λ = 1 – gemessen werden. Durch Anlegen einer Pumpspannung an die ersten und zweiten Elektroden 41 und 42 der Pumpzelle 40 kann Sauerstoff aus der ersten Kammer 10 heraus- bzw. hineingepumpt werden. Der Pumpstrom wird so geregelt, dass sich stets ein konstanter Sauerstoffgehalt – typischerweise in der Nähe von λ = 1 – in der Kammer 10 befindet. Der Pumpstrom zwischen den ersten und zweiten Elektroden 41 und 42 der Pumpzelle 40 ist proportional zur Sauerstoffkonzentration im zu messenden Gas in der Kammer 10. The following aspects of the function should be noted:
Via an etched-off opening, eg a diffusion channel 21 , or a gas diffusion barrier 20 in the second and upper micromechanical substrate or carrier 2 enters the gas to be measured, eg exhaust gas of an internal combustion engine, in the measuring chamber 10 , Here you can see from the Nernst voltage between the electrodes 31 and 32 currently in the chamber 10 present oxygen content - typically in the vicinity of λ = 1 - are measured. By applying a pumping voltage to the first and second electrodes 41 and 42 the pump cell 40 can oxygen from the first chamber 10 be pumped out or in. The pumping current is controlled so that there is always a constant oxygen content - typically in the vicinity of λ = 1 - in the chamber 10 located. The pumping current between the first and second electrodes 41 and 42 the pump cell 40 is proportional to the oxygen concentration in the gas to be measured in the chamber 10 ,

Unter anderem sind folgende Alternativen denkbar:

• – Verschiedene Anordnungen der Pumpzelle 40 und der Nernstzelle 30 lateral zueinander, siehe z.B. die Anordnungen gemäß den 8a bis 8c.
• – Die dargestellten Festkörperelektrolytmembranen 33, 43 können beispielsweise durch Stützstrukturen in viele kleine Membranen aufgeteilt sein, um eine hohe mechanische Stabilität zu erreichen.
• – Pumpzelle 40 und Nernstzelle 30 können sich auf einer Membran befinden und voneinander durch die Stützstrukturen (z.B. aus SiN) galvanisch getrennt sein. Eine Struktur aus dem Halbleitersubstratmaterial – wie z.B. in den 1, 4, 5 – ist nicht unbedingt notwendig.
• – Mikrofluidische Umverdrahtung: – Verwendung einer gepumpten Referenz für die Nernstzelle 30. Hierbei wird eine definierte Leckage durch einen Kanal in einem weiteren Halbleitersubstrats unterhalb des ersten Substrats 1 hergestellt, siehe z.B. die Darstellungen der 9a bis 9c. – Verwendung eines weiteren Halbleitersubstrats unterhalb des ersten Substrats 1, um das Gas der Pumpzellen 40 zur Referenzluft oder zum zu messenden Gas zu leiten, siehe z.B. die Darstellungen der 9a bis 9c. – Beschichtung mit einer Passivierung, z.B. SiN als Schutz gegen aggressive Gase
• – Verschiedene Diffusionsbarrieren: – Vorteilhaft ist hier die Verwendung von Kanälen mit bestimmter Länge und Durchmesser im zweiten oder oberen Substrat 2. – Weitere Möglichkeit ist das Einfügen eines porösen Materials als Element 22 der Diffusionsbarriere 20. – Als Eintrittsloch oder Diffusionsbarriere 20 für das zu messende Gas können z.B. ein oder mehrere definierte Löcher im Silizium oder auch eine Stelle in der Bondung der Halbleitersubstrate 1, 2 – z.B. eine Stelle ohne Sealglaspaste – verwendet werden.

Among others, the following alternatives are conceivable:

• Various arrangements of the pumping cell 40 and the Nernst cell 30 lateral to one another, see eg the arrangements according to FIGS 8a to 8c ,
• - The illustrated solid-state electrolyte membranes 33 . 43 For example, they can be divided into many small membranes by supporting structures in order to achieve high mechanical stability.
• - Pump cell 40 and Nernst cell 30 can be located on a membrane and galvanically separated from each other by the support structures (eg SiN). A structure of the semiconductor substrate material - such as in the 1 . 4 . 5 - is not necessary.
• - Microfluidic redistribution: - Use of a pumped reference for the Nernst cell 30 , In this case, a defined leakage through a channel in a further semiconductor substrate below the first substrate 1 manufactured, see eg the representations of 9a to 9c , - Using a further semiconductor substrate below the first substrate 1 to the gas of the pumping cells 40 to guide to the reference air or to the gas to be measured, see eg the representations of 9a to 9c , - Coating with a passivation, eg SiN as protection against aggressive gases
• - Different diffusion barriers: - Advantageous here is the use of channels with a certain length and diameter in the second or upper substrate 2 , - Another possibility is the insertion of a porous material as an element 22 the diffusion barrier 20 , - As entrance hole or diffusion barrier 20 for the gas to be measured, for example, one or more defined holes in the silicon or even a position in the bonding of the semiconductor substrates 1 . 2 - Eg a place without Sealglaspaste - used.

Die 8a bis 8c zeigen verschiedene laterale Anordnungen der Pumpzelle 40 und der Nernstzelle 30: a) hintereinander, b) Nernstzelle 30 ist umgeben von der Pumpzelle 40 oder c) nebeneinander. The 8a to 8c show various lateral arrangements of the pumping cell 40 and the Nernst cell 30 : a) one behind the other, b) Nernst cell 30 is surrounded by the pump cell 40 or c) next to each other.

Die 9a bis 9c zeigen einen erfindungsgemäßen Sensoraufbau mit einem weiteren und dritten Halbleitersubstrat 4 – unter dem ersten Halbleitersubstrat 1 – zur mikrofluidischen Umverdrahtung der Gasen an den Rückseiten der Festkörperelektrolytmembranen 33, 43. Die Umverdrahtung ist bei den Ausführungsformen der 9a bis 9c in verschiedenen Ebenen geführt. The 9a to 9c show a sensor structure according to the invention with a further and third semiconductor substrate 4 Under the first semiconductor substrate 1 - For microfluidic rewiring of the gases on the backs of the solid electrolyte membranes 33 . 43 , The rewiring is in the embodiments of 9a to 9c guided in different levels.

Als Einsatzgebiete für Breitband-Lambda-Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung bieten sich unter anderem an: Abgassensorik im Kfz, Abgassensorik in stationären Heizanlagen, Gassensorik im Mobiltelefon, industrielle Prozessüberwachung. The fields of application for broadband lambda sensors according to the present invention are, inter alia: exhaust gas sensors in the vehicle, exhaust gas sensors in stationary heating systems, gas sensors in mobile phones, industrial process monitoring.

(B) Weitere Aspekte zu erfindungsgemäßen Stockoxidsensoren in Mikrosystemtechnik (B) Further Aspects of Inventive Stock Oxide Sensors in Microsystem Technology

Auch Stickoxidsensoren können in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, z.B. um Abgasnachbehandlungssysteme zu überwachen bzw. zu regeln. Nitrogen oxide sensors can also be used in motor vehicles, e.g. to monitor or regulate exhaust aftertreatment systems.

Denkbar sind auch dabei zirkonoxidbasierte Sensoren, die aus einem Zwei-Kammer-System aufgebaut sind, wie dies z.B. in den 2, 10, 13 und 14 dargestellt ist. Also conceivable are zirconia-based sensors, which are constructed from a two-chamber system, as for example in the 2 . 10 . 13 and 14 is shown.

Die Funktion beruht auch hier auf der Leitfähigkeit der ZrO₂-Keramik gegenüber Sauerstoffionen:
In einer ersten Kammer 10 wird mit Hilfe einer selektiven Pumpzelle 40 und einer ersten Messzelle 30 die Sauerstoffkonzentration auf einen konstanten niedrigen Wert geregelt. The function is also based on the conductivity of the ZrO ₂ ceramic over oxygen ions:
In a first chamber 10 is done with the help of a selective pumping cell 40 and a first measuring cell 30 the oxygen concentration is regulated to a constant low value.

Über eine zweite Diffusionsbarriere 60 gelangt das Gasgemisch in eine zweite Kammer 15. An den dortigen Elektroden 71, 72 der zweiten Pump- und Messzelle 70, die auch als NO_x-Zelle bezeichnet wird, werden die im Gasgemisch enthaltenen Stickoxide (z.B. 2 NO → N₂ + O₂) zersetzt. Der dabei frei werdende Sauerstoff wird zusammen mit dem in der ersten Kammer 10 eingestellten Sauerstoffgehalt abgepumpt. Der resultierende Pumpstrom ist direkt proportional zur NO_x-Konzentration im Abgas und dient somit als Sensorsignal. Via a second diffusion barrier 60 the gas mixture enters a second chamber 15 , At the local electrodes 71 . 72 the second pumping and measuring cell 70 Which is also referred to as NO _x cell, the nitrogen oxides contained in the gas mixture (eg 2 NO → N ₂ + O ₂₎ are decomposed. The released oxygen is combined with that in the first chamber 10 adjusted oxygen content pumped. The resulting pump current is directly proportional to the concentration of _NOx in the exhaust gas and thus serves as a sensor signal.

Derzeit werden Sensorelemente mittels Dickschichttechnologie gefertigt, ihre Abmessungen betragen typischerweise ca. 4 mm × 50 mm × 3 mm. Auf Grund dieser großen Abmessungen, d.h. auf Grund der großen thermischen Masse, sind auch hier zum Erreichen der notwendigen Betriebstemperatur (ca. 700°C) vergleichsweise hohe Heizleistungen im ein- bis zweistelligen Wattbereich notwendig. Currently, sensor elements are manufactured by means of thick film technology, their dimensions are typically about 4 mm × 50 mm × 3 mm. Due to these large dimensions, i. due to the large thermal mass, comparatively high heat outputs in the one to two-digit watt range are also necessary here to achieve the necessary operating temperature (about 700 ° C).

Erfindungsgemäß werden ein mikromechanischer NO_x-Sensor – also ein NO_x-Sensor auf der Basis eines Halbleitersubstrates in Mikrosystemtechnik – vorgeschlagen sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. According to the invention, a micromechanical NO _x sensor-that is to say a NO _x sensor based on a semiconductor substrate in microsystem technology-is proposed, as well as a corresponding production method.

Dadurch können die geometrischen Abmessungen, der Heizleistungsbedarf sowie die Herstellungskosten drastisch reduziert werden. As a result, the geometric dimensions, the heating power requirement and the manufacturing costs can be drastically reduced.

Ein Aspekt der Erfindung ist die Schaffung eines halbleiterbasierten und mittels Mikrosystemtechnik gefertigten Dünnschicht-NO_x-Sensors. Dieser ist bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sich alle elektrisch aktiven Elemente des Sensors, z.B. Festkörperelektrolyt, Elektroden, Heizer, Kontaktpads, auf einem einzigen und gemeinsamen Halbleitersubstrat befinden. Ggf. vorgesehene weitere Halbleitersubstrate werden nur passiv als Leitungen für das zu untersuchende Gas, das gepumpte Gase oder von Referenzgas verwendet. One aspect of the invention is to provide a semiconductor-based and manufactured by means of microsystem technology thin-NO _x sensor. This is in certain embodiments of the invention characterized in that all electrically active elements of the sensor, such as solid electrolyte, electrodes, heaters, contact pads, are located on a single and common semiconductor substrate. Possibly. provided further semiconductor substrates are used only passively as lines for the gas to be examined, the pumped gases or reference gas.

Der Aufbau von Ausführungsformen eines derartigen erfindungsgemäßen Sensorelementes ist in den 2, 10, 13 und 14 gezeigt. The structure of embodiments of such a sensor element according to the invention is in the 2 . 10 . 13 and 14 shown.

Da das oben beschriebene Funktionsprinzip bei einem hohen Miniaturisierungsgrad und im Übergang zu Prozessen der Halbleitertechnologie integriert wird, ergeben sich die oben bereits unter (A) genannten Vorteile (a) bis (j) gegenüber herkömmlichen Sensoren. Since the functional principle described above is integrated with a high degree of miniaturization and in the transition to processes of semiconductor technology, the advantages (a) to (j) already mentioned under (A) above result over conventional sensors.

Zusätzlich besteht ggf. eine galvanische Trennung der einzelnen Nernst-/Pumpzellen 30, 40, 70. Dies ermöglicht eine vollständig voneinander entkoppelte Ansteuerung der einzelnen Nernst-/Pumpzellen 30, 40, 70 und führt somit zu einer erhöhten Signalqualität des Sensorsignals. In addition, there may be a galvanic isolation of the individual Nernst / pump cells 30 . 40 . 70 , This allows a completely decoupled control of the individual Nernst- / pumping cells 30 . 40 . 70 and thus leads to an increased signal quality of the sensor signal.

In den 2, 10, 13 und 14 sind mögliche Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Dünnschicht-NO_x-Sensors 100 skizziert. In the 2 . 10 . 13 and 14 are possible embodiments of the thin-film NO _x sensor according to the invention 100 outlined.

Der halbleiterbasierte Dünnschicht-NO_x-Sensor 100 wird hierbei aus zwei Substraten oder Trägern 1 und 2 in Form von Mikrochips aufgebaut. Die elektrisch funktionalen und sauerstoffleitenden Feststoffelektrolyt-Schichten bzw. Feststoffelektrolytmembranen 33, 43, 73 sind alle auf dem ersten und hier unteren Substrat 1 untergebracht. Das zweite und hier obere Substrat 2 definiert die erste Kammer bzw. Messkammer 10 und die zweite Kammer bzw. Messkammer 15 sowie die ersten und zweiten Diffusionsbarrieren 20 und 60 und die Öffnungslöcher bzw. Diffusionskanäle 21. The semiconductor-based thin-film NO _x sensor 100 This is made of two substrates or carriers 1 and 2 built in the form of microchips. The electrically functional and oxygen-conducting solid electrolyte layers or solid electrolyte membranes 33 . 43 . 73 are all on the first and here lower substrate 1 accommodated. The second and here upper substrate 2 defines the first chamber or measuring chamber 10 and the second chamber or measuring chamber 15 and the first and second diffusion barriers 20 and 60 and the opening holes or diffusion channels 21 ,

Die 11a bis 11d zeigen einen möglichen Prozessfluss für das zweite und hier obere Substrat 2 des Sensors 100. In der Abfolge der 12a bis 12g ist entsprechend ein möglicher Prozessfluss für die Bearbeitung des ersten und hier unteren und funktionalen Substrats 1 des Sensors 100 dargestellt. The 11a to 11d show a possible process flow for the second and here upper substrate 2 of the sensor 100 , In the sequence of 12a to 12g is accordingly a possible process flow for the processing of the first and here lower and functional substrate 1 of the sensor 100 shown.

Mittels Mikrostrukturierungsprozesse, z.B. Trenchen, KOH-Ätzen und dergleichen, werden im zweiten Halbleitersubstrat 2 geeignete Kavitäten 2-3 hergestellt, siehe 11b und 11c. Als Material des Substrates 2 können Halbleitermaterialien und insbesondere Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) sowie andere Materialien (z.B. Glas) verwendet werden, die mittels Prozessen aus der Halbleitertechnologie bearbeitet werden können. Die Diffusionsbarriere 20 mit dem Diffusionskanal 21 wird z.B. durch Trenchen eines z.B. mäandernden Kanals 2-4 (11b–11d und 13b) und/oder durch Aufbringen einer porösen Schicht 22 hergestellt. Anschließend wird beispielsweise die Oberseite des Wafers des zweiten Substrates 2 durch Rückschleifen abgedünnt und ein Durchloch, der Diffusionskanal 21, die Öffnung bzw. die erste Diffusionsbarriere 20 zum Gaseintritt, entsteht. By microstructuring processes, such as trenches, KOH etching and the like, are in the second semiconductor substrate 2 suitable cavities 2-3 made, see 11b and 11c , When Material of the substrate 2 For example, semiconductor materials, and in particular, silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), and other materials (eg, glass) can be used that can be processed by semiconductor technology processes. The diffusion barrier 20 with the diffusion channel 21 eg by trenches of a meandering canal, for example 2-4 ( 11b - 11d and 13b ) and / or by applying a porous layer 22 produced. Subsequently, for example, the top of the wafer of the second substrate 2 thinned by back grinding and a through hole, the diffusion channel 21 , the opening or the first diffusion barrier 20 to the gas, arises.

Gemäß den 12b bis 12d werden auf dem ersten Substrat 1 zuerst Passivierungsschichten 1-4 aufgebracht. According to the 12b to 12d be on the first substrate 1 first passivation layers 1-4 applied.

Anschließend wird eine Dünnschicht von z.B. weniger 10 µm Dicke aus einem Festkörperelektrolyten, z.B. mit oder aus yttriumdotiertem Zirkondioxid ZrO₂ (YSZ), aufgebracht und gemäß 12e strukturiert. Subsequently, a thin layer of, for example, less than 10 μm thickness is applied from a solid electrolyte, for example with or from yttrium-doped zirconium dioxide ZrO ₂ (YSZ), and applied according to 12e structured.

Mögliche Abscheideverfahren sind z.B. – aber nicht abschließend – Pulsed-Laser-Deposition (PLD), Sputtern, Atomic-Layer-Deposition (ALD). Possible deposition methods are e.g. - but not conclusive - pulsed laser deposition (PLD), sputtering, atomic layer deposition (ALD).

Das Halbleitersubstrat als erstes Substrat 1 wird danach von unten unterhalb der Festkörperelektrolyten entfernt, z.B. durch Trenchen oder Nassätzen. Es entstehen die Festkörperelektrolytmembranen 33, 43, 73. The semiconductor substrate as the first substrate 1 is then removed from below below the solid electrolyte, for example by trenches or wet etching. The result is the solid electrolyte membranes 33 . 43 . 73 ,

Als Elektrodenmaterialien können Verbindungen aus Pt, Rh, Au, Re, Hf, Zr und dergleichen in Verbindung mit YSZ zum Einsatz kommen. Die Abscheidung erfolgt z.B. über Sputter- bzw. nasschemische Depositionsverfahren. As electrode materials, compounds of Pt, Rh, Au, Re, Hf, Zr and the like can be used in conjunction with YSZ. The deposition takes place e.g. via sputtering or wet-chemical deposition methods.

Zum Schluss werden beide Substrate 1 und 2 zusammengefügt, z.B. durch Sealglasbonden. Hierdurch bilden sich die beiden zur Funktion des Sensors 100 notwendigen Kammern, die erste Kammer 10 und die zweite Kammer 15, aus. Finally, both substrates 1 and 2 joined together, eg by seal glass bonding. As a result, the two form the function of the sensor 100 necessary chambers, the first chamber 10 and the second chamber 15 , out.

Die Referenzluftkammern 51, 52, 53 können analog zur Lambdasonde als echte Referenz, d.h. mit Referenzluftkanal oder geschlossen als gepumpte Referenz ausgeführt werden, siehe z.B. 14a und 14b. The reference air chambers 51 . 52 . 53 can be carried out analogue to the lambda probe as a real reference, ie with reference air channel or closed as pumped reference, see eg 14a and 14b ,

Zum Sensorbetrieb können die innerhalb der Kammern 10, 15 liegenden Elektroden 31, 41, 71 zusammengeschaltet werden, so dass hierfür lediglich eine gemeinsame Signalleitung notwendig wird. For sensor operation, the inside of the chambers 10 . 15 lying electrodes 31 . 41 . 71 be interconnected, so that only a common signal line is necessary for this.

Die übrigen Elektroden 32, 42, 72 werden jeweils mit einer eigenen Leitung angeschlossen. The remaining electrodes 32 . 42 . 72 are each connected with their own line.

Insgesamt ergeben sich somit für den Sensor vier Signalleitungen. Hinzu kommen noch zwei Signalleitungen, die für die Ansteuerung eines Heizers benötigt werden. Hierbei kann der Chip als Ganzes beheizt werden oder in Form von 3 parallel oder seriell geschalteten Membranheizern lediglich die Nernst-/Pumpzellen beheizt werden, wobei bei allen Varianten die Heizer auf einer Ebene liegen. Overall, this results in four signal lines for the sensor. In addition, there are two signal lines that are needed to control a heater. Here, the chip can be heated as a whole or heated in the form of 3 parallel or serially connected membrane heaters only the Nernst- / pumping cells, in all variants, the heater are on one level.

Folgende Aspekte sind bezüglich der Funktion zu bemerken:
Über eine freigeätzte Öffnung z.B. des Diffusionskanales 21 oder eine erste Gasdiffusionsbarriere 20 im Wafer des ersten Substrates 1 gelangt das zu messende Gas in die erste Kammer 10. The following aspects are to be noted concerning the function:
About an etched-free opening, for example, the diffusion channel 21 or a first gas diffusion barrier 20 in the wafer of the first substrate 1 the gas to be measured enters the first chamber 10 ,

Hier kann anhand der Nernst-Spannung zwischen den Elektroden 31 und 32 der Nernstzelle 30 der aktuell in der Kammer 10 vorliegende Sauerstoffgehalt entsprechend einem λ-Wert in der Nähe von λ = 1 gemessen werden. Here you can see from the Nernst voltage between the electrodes 31 and 32 the Nernst cell 30 currently in the chamber 10 present oxygen content corresponding to a λ value in the vicinity of λ = 1 can be measured.

Durch Anlegen einer Pumpspannung an die (poröse, d.h. gasdurchlässige) Elektrode 41 (selektiv für O₂, z.B. mit oder aus Au-Pt-Cermet, also gebildet als Keramik-Metall-Schicht) und an die Elektrode 42 der ersten Pumpzelle 40 kann Sauerstoff aus der ersten Kammer 10 heraus- bzw. hineingepumpt werden. Die Pumpspannung wird so geregelt, dass sich stets ein niedriger konstanter Sauerstoffgehalt in der ersten Kammer 10 befindet. By applying a pumping voltage to the (porous, ie gas-permeable) electrode 41 (selective for O ₂ , for example with or from Au-Pt cermet, so formed as a ceramic-metal layer) and to the electrode 42 the first pump cell 40 can oxygen from the first chamber 10 be pumped out or in. The pumping voltage is controlled so that there is always a low constant oxygen content in the first chamber 10 located.

Über eine zweite Gasdiffusionsbarriere 60 zwischen erster Kammer 10 und zweiter Kammer 15 gelangt das Gasgemisch in die zweite Kammer 15. Via a second gas diffusion barrier 60 between first chamber 10 and second chamber 15 the gas mixture enters the second chamber 15 ,

An der Elektrode 71 z.B. mit oder aus Pt-Rh-Cermet werden auf Grund ihrer katalytischen Aktivität das vorliegenden Stickoxid in Stickstoff und Sauerstoff sowie der vorliegende molekulare Sauerstoff in atomaren Sauerstoff bzw. in Sauerstoffionen O^2– zersetzt. At the electrode 71 For example, with or from Pt-Rh-cermet due to their catalytic activity, the present nitrogen oxide in nitrogen and oxygen and the present molecular oxygen in atomic oxygen or in oxygen ions O ^2- decomposed.

Durch Anlegen einer Pumpspannung an die Elektroden 71 und 72 wird der Sauerstoff aus der zweiten Kammer 15 entfernt. Da die Konzentration des molekularen Sauerstoffs aus der ersten Kammer 10 bekannt ist, kann anhand des Pumpstroms zwischen den Elektroden 71 und 72 auf die Konzentration des Stickoxids im Gas geschlossen werden. By applying a pumping voltage to the electrodes 71 and 72 the oxygen gets out of the second chamber 15 away. Because the concentration of molecular oxygen from the first chamber 10 is known, based on the pumping current between the electrodes 71 and 72 be concluded on the concentration of nitrogen oxide in the gas.

Folgende Alternativen sind hier denkbar:

• – Die dargestellten Festkörperelektrolytmembranen 33, 43, 73 können beispielsweise durch Stützstrukturen in viele kleine Membranen aufgeteilt sein, um eine hohe mechanische Stabilität zu erreichen.
• – Verschiedene Anordnungen der Pumpzellen 40, 70 und Nernstzellen 30, 70 lateral zueinander, z.B. nebeneinander oder hintereinander, sind denkbar, siehe 13a. So können z.B. die erste Pumpzelle 40 und die erste Nernstzelle 30 auf einer Membran liegen, so lange beide galvanisch getrennt sind, z.B. durch eine Stützstruktur, ggf. aus SiN.
• – Eine mikrofluidische Umverdrahtung ist auch hier denkbar: – Verwendung einer gepumpten Referenz für die Nernstzelle. Hierbei wird eine definierte Leckage durch einen Kanal 52-1 in einem weiteren Halbleitersubstrat 4 unterhalb des ersten Substrats 1 hergestellt, siehe 14a. – Verwendung eines weiteren, dritten, Halbleitersubstrats 4 unterhalb des ersten Substrats 1, um das Gas der Pumpzellen zur Referenzluft oder zum zu messenden Gas zu leiten, siehe 14a und 14b. – Beschichtung mit einer Passivierung, z.B. SiN, als Schutz gegen aggressive Gase
• – Verschiedene Diffusionsbarrieren sind denkbar: – Vorteilhaft ist hier die Verwendung von Kanälen mit bestimmter Länge und Durchmesser im zweiten Substrat 2. – Eine weitere Möglichkeit ist das Einfügen eines porösen Materials 22, 62 als jeweilige oder in der jeweiligen ersten und/oder zweiten Diffusionsbarriere 20, 60.

The following alternatives are conceivable here:

• - The illustrated solid-state electrolyte membranes 33 . 43 . 73 For example, they can be divided into many small membranes by supporting structures in order to achieve high mechanical stability.
• Various arrangements of the pumping cells 40 . 70 and Nernst cells 30 . 70 laterally to each other, for example next to each other or behind each other, are conceivable, see 13a , For example, the first pump cell 40 and the first Nernst cell 30 lie on a membrane, as long as both are galvanically isolated, for example by a support structure, possibly of SiN.
• - Microfluidic rewiring is also conceivable here: - Use of a pumped reference for the Nernst cell. This is a defined leakage through a channel 52-1 in a further semiconductor substrate 4 below the first substrate 1 made, see 14a , - Using a further, third, semiconductor substrate 4 below the first substrate 1 to direct the pump cell gas to the reference air or gas to be measured, see 14a and 14b , - Coating with a passivation, eg SiN, as protection against aggressive gases
• Various diffusion barriers are conceivable: Advantageous here is the use of channels with a specific length and diameter in the second substrate 2 , - Another possibility is the insertion of a porous material 22 . 62 as respective or in the respective first and / or second diffusion barrier 20 . 60 ,

Die 13a und 13b zeigen verschiedene laterale Anordnungen der Pump- und Nernstzellen 30, 40, 70 und der Diffusionsbarrieren 20, 60. The 13a and 13b show various lateral arrangements of the pumping and Nernst cells 30 . 40 . 70 and the diffusion barrier 20 . 60 ,

Die 14a und 14b zeigen einen erfindungsgemäßen Sensoraufbau mit einem weiteren, dritten, Halbleitersubstrat 4 zur mikrofluidischen „Umverdrahtung“ der Gase an den Rückseiten der Festkörperelektrolytmembranen 33, 43, 73. The 14a and 14b show a sensor structure according to the invention with a further, third, semiconductor substrate 4 for the microfluidic "rewiring" of the gases on the back sides of the solid electrolyte membranes 33 . 43 . 73 ,

Als Einsatzgebiete für derartige NO_x-Sensoren kann z.B. gedacht werden an die Abgassensorik im Kfz, Abgassensorik in stationären Heizanlagen, Brandmeldesysteme, Gassensorik im Mobiltelefon, Atemgasanalyse, industrielle Prozessüberwachung. As applications for such NO _x sensors can be thought of, for example, the exhaust gas sensors in the vehicle, exhaust gas sensors in stationary heating systems, fire alarm systems, gas sensors in mobile phones, breathing gas analysis, industrial process monitoring.

(C) Weitere Aspekte der Selektivität (C) Further aspects of selectivity

In den Anwendungen werden oft keramische Stickoxid- oder NO_x-Sensoren verwendet, zum Beispiel um in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor den Motorbetrieb und/oder die Abgasnachbehandlungssysteme zu überwachen und/oder zu steuern. Ceramic nitrogen oxide (NO _x) sensors are often used in the applications, for example to monitor and / or control engine operation and / or exhaust aftertreatment systems in automotive internal combustion engines.

Dabei kommen häufig yttriumstabilisierte Sensoren auf der Grundlage von Zirkoniumoxid (YSZ) zum Einsatz. Diese beruhen auf der Fähigkeit des YSZ, in bestimmten Temperaturbereichen Sauerstoffionen zu bilden und/oder durch Transport zu leiten. Diese Sensoren werden herkömmlicherweise in Dickschichttechnologie auf der Grundlage keramischer Materialien hergestellt. Die Größe derartiger Dickschichtsensoren liegt zum Beispiel im Bereich von ca. 4 mm × 50 mm × 30 mm. Auf Grund dieser vergleichsweise hohen Dimensionierung sind entsprechend auch die thermisch relevante Masse oder thermische Masse und die Wärmekapazität hoch. Dies führt dazu, dass eine vergleichsweise hohe Heizleistung notwendig ist, um die Betriebstemperatur derartiger Stickoxidsensoren zu erreichen, die zum Beispiel im Bereich von 700 °C liegt. Yttrium-stabilized sensors based on zirconium oxide (YSZ) are frequently used. These are based on the ability of the YSZ to form oxygen ions in certain temperature ranges and / or to conduct them by transport. These sensors are conventionally manufactured in thick film technology based on ceramic materials. The size of such thick-film sensors is for example in the range of about 4 mm × 50 mm × 30 mm. Due to this comparatively high dimensioning, the thermally relevant mass or thermal mass and the heat capacity are also correspondingly high. As a result, a comparatively high heat output is necessary to reach the operating temperature of such nitrogen oxide sensors, which is, for example, in the range of 700 ° C.

Des Weiteren führt die vergleichsweise komplexe Geometrie eines derartigen Stickoxidsensorelements zu aufwendigen Herstellungsprozessen mit entsprechenden Kosten, die sich auch auf die Stückkosten des einzelnen Sensorelements auswirken. Furthermore, the comparatively complex geometry of such a nitrogen oxide sensor element leads to complex production processes with corresponding costs, which also affect the unit costs of the individual sensor element.

Eine Kernidee der Erfindung ist, Stickoxidsensoren in mikromechanischer Technik und/oder Dünnschichttechnik auszuführen. A core idea of the invention is to carry out nitrogen oxide sensors in micromechanical technology and / or thin-film technology.

Die in Rede stehenden Sensoranordnungen 100 oder Sensoren bestehen dabei aus einem Zweikammersystem. Das Abgas diffundiert in die erste Kammer 10. In der ersten Kammer 10 steuert ein selektiver Pumpmechanismus über eine Pumpzelle 40 den Sauerstoffgehalt in einer Art und Weise, dass die erste Kammer 10 einen konstanten Sauerstoffpegel aufweist. Eine Spaltung des Stickoxids NO erfolgt nicht in der ersten Kammer 10. Das Sauerstoff-entreicherte Gas gelangt in die zweite Messkammer 15 bzw. zweite Kammer 15. In der zweiten Kammer 15 wird das Stickoxid NO an einer zweiten Pumpzelle 70 mit Elektroden 71, 72 und Festkörperelektrolytmembran 73 dazwischen zerlegt oder gespalten (z.B. gemäß 2 NO → N₂ + O₂). Der Sauerstoff kann dann abgepumpt werden. Der sich ergebende Pumpstrom ist proportional zur NO_x-Konzentration im Abgas und kann daher als Sensorsignal genutzt werden. The sensor arrangements in question 100 or sensors consist of a two-chamber system. The exhaust gas diffuses into the first chamber 10 , In the first chamber 10 controls a selective pumping mechanism via a pumping cell 40 the oxygen content in a way that the first chamber 10 has a constant oxygen level. Cleavage of the nitrogen oxide NO does not take place in the first chamber 10 , The oxygen-depleted gas enters the second measuring chamber 15 or second chamber 15 , In the second chamber 15 the nitrogen oxide NO is at a second pumping cell 70 with electrodes 71 . 72 and solid electrolyte membrane 73 split or split between them (eg according to 2 NO → N ₂ + O ₂ ). The oxygen can then be pumped out. The resulting pump current is proportional to the concentration of _NOx in the exhaust gas and can therefore be used as a sensor signal.

Obwohl ein derartiger Sensor zum Beispiel für NO, NO₂, NH₃ usw. sensitiv ist, kann über eine Reaktion zu NO ohne weiteres keine Unterscheidung zwischen diesen Spezies getroffen werden. Although such a sensor for example, NO, NO _2, NH _3, etc. is sensitive, no distinction over a reaction to NO readily between these species can be made.

Die vorliegende Erfindung hat unter anderem auch zur Zielsetzung, eine derartige Möglichkeit der Unterscheidung zu schaffen und dabei die Komplexität des Aufbaus und des Herstellungsverfahrens der Sensoranordnung zu verringern. Another object of the present invention is to provide such a possibility of discrimination while reducing the complexity of the construction and manufacturing process of the sensor assembly.

Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird also ein Gassensor beschrieben, der als ein Kernelement eine Ventilanordnung aufweist, welche eine Messkammer und ein zu vermessendes Gasvolumen gesteuert miteinander verbindet oder voneinander trennt. Dabei ist eine Feststoffelektrolytmembran in der Messkammer zwischen zwei Elektroden angeordnet. Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die Feststoffelektrolytmembran, vermittels der sie einspannenden Elektroden, können unterschiedliche Gaskomponenten oder Gastypen aufgespalten oder zerlegt werden. Die entsprechenden Sauerstoffionen werden dabei gepumpt. Durch Analysieren des zu jeder Spannung und damit zu einer jeweiligen Gasspezies gehörenden Stromes, zum Beispiel O₂, NO₂, NO, H₂O, CO₂ usw., können die Bestandteile des zu vermessenden Gasvolumens 50 und die Konzentrationsanteile jeder einzelnen Spezies im zu vermessenden Gasvolumen 50 gemessen werden. According to this aspect of the present invention, therefore, a gas sensor is described, which has as a core element a valve arrangement which controls a measuring chamber and a gas volume to be measured controlled interconnected or separated. There is one Solid electrolyte membrane arranged in the measuring chamber between two electrodes. By applying different voltages to the solid electrolyte membrane, by means of the electrodes clamping them, different gas components or types of gases can be split or decomposed. The corresponding oxygen ions are pumped. By analyzing the current associated with each voltage and thus a respective gas species, for example O ₂ , NO ₂ , NO, H ₂ O, CO ₂ , etc., the constituents of the gas volume to be measured can be determined 50 and the concentration levels of each species in the volume of gas to be measured 50 be measured.

Dabei ist ein weiterer Kernaspekt, dass diese Form des selektiven Gassensors als erfindungsgemäße Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung auf einer mikromechanischen Technik, Mikrosystemtechnik oder Dünnschichttechnik im Sinne einer mikroelektromechanischen oder MEMS-Struktur beruht. Another core aspect is that this form of selective gas sensor is based on a micromechanical technique, microsystem technology or thin-film technology in the sense of a microelectromechanical or MEMS structure as a solid electrolyte sensor arrangement according to the invention.

Als Vorteile ergeben sich eine geringe Sensorgröße, da ausschließlich eine einzige Feststoffelektrolytmembran notwendig ist. Dies ist nur bei MEMS-basierten Sensoren möglich. The advantages are a small sensor size, since only a single solid electrolyte membrane is necessary. This is only possible with MEMS-based sensors.

Ferner können unterschiedliche Gasbestandteile oder Gasspezies unterschieden werden. Furthermore, different gas components or gas species can be distinguished.

Des Weiteren sind maximal fünf Leitungsanschlüsse notwendig, nämlich zwei für die Feststoffelektrolytmembran und deren Elektroden, eine Leitung zum Ansteuern des Ventiles und ggf. zwei weitere zum Ausbilden und Ansteuern eines Heizelementes. Furthermore, a maximum of five line connections are necessary, namely two for the solid electrolyte membrane and its electrodes, a line for driving the valve and optionally two more for forming and controlling a heating element.

Hinsichtlich des Aufbaus und der Funktion ergeben sich bei dieser Form der erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung 100 folgende Aspekte, die in den 15 und 16 dargestellt sind:
In einem ersten Schritt wird beim Betrieb dieser Sensoranordnung 100 die Ventilanordnung 80 zwischen dem Gasvolumen 50 mit dem Abgas und der Messkammer 10 geöffnet (also in die zweite bzw. offene Stellung 82 verlagert). Das in der Messkammer 10 verbliebene Gas diffundiert in das Gasvolumen 50 und das Abgas aus dem Gasvolumen 50 diffundiert in die Messkammer 10. With regard to the construction and the function, the solid electrolyte sensor arrangement according to the invention results in this form 100 the following aspects, in the 15 and 16 are shown:
In a first step, during operation of this sensor arrangement 100 the valve assembly 80 between the gas volume 50 with the exhaust gas and the measuring chamber 10 open (ie in the second or open position 82 shifts). That in the measuring chamber 10 remaining gas diffuses into the gas volume 50 and the exhaust gas from the gas volume 50 diffuses into the measuring chamber 10 ,

Dann wird die Ventilanordnung 80 in die erste bzw. geschlossene Stellung 81 verlagert und somit geschlossen. Das in der Messkammer 10 eingeschlossene Gasvolumen enthält nun das Abgas, welches zu vermessen ist. Then the valve assembly 80 in the first or closed position 81 shifted and thus closed. That in the measuring chamber 10 trapped gas volume now contains the exhaust gas, which is to be measured.

Dann wird die Spannung an der Feststoffelektrolytmembran 33 über die vorgesehenen ersten und zweiten Elektroden 31 und 32 – bei null Volt beginnend – angehoben. In Abhängigkeit von der angelegten Spannung können unterschiedliche Typen von Gaskomponenten entsprechend ihres elektrochemischen Potenzials in der Umgebung der ersten Elektrode 31 zerlegt oder gespalten werden. Dies erfolgt im Sinne einer Form von Voltametrie oder Voltammetrie (Volt- und Amperometrie, also Variation der Spannung zwischen zwei Elektroden mit der Zeit und Aufnahme der Strom-Spannungskurven). Folglich können die einzelnen Gasspezies und ggf. ihr Anteil bzw. ihre Konzentration über das Pumpen der entsprechenden Sauerstoffionen durch die Feststoffelektrolytmembran 33 und ggf. durch Integration der gemessenen Ströme in ihrem Anteil bestimmt werden. Es kann somit eine qualitative Analyse (welche Gaskomponenten sind im Messgas enthalten) als auch eine qualitative Gasanalyse (welche Konzentrationen bzw. Partialdrücke der einzelnen Gaskomponenten sind im Messgas enthalten) vorgenommen werden. Then, the voltage on the solid electrolyte membrane becomes 33 over the provided first and second electrodes 31 and 32 - starting at zero volts - raised. Depending on the applied voltage, different types of gas components may correspond to their electrochemical potential in the vicinity of the first electrode 31 be split or split. This takes the form of a form of voltammetry or voltammetry (volt- and amperometry, ie variation of the voltage between two electrodes with time and recording the current-voltage curves). Consequently, the individual gas species and optionally their proportion or their concentration via the pumping of the corresponding oxygen ions through the solid electrolyte membrane 33 and possibly determined by integration of the measured currents in their proportion. Thus, a qualitative analysis (which gas components are contained in the measurement gas) as well as a qualitative gas analysis (which concentrations or partial pressures of the individual gas components are contained in the measurement gas) can be made.

Die Spannung kann zum Beispiel stufenförmig angehoben werden, um von einer Zerlegungsspannung oder Spaltungsspannung zur nächsten zu springen und um somit sämtliche Gasspezies durch Einstellen der Spaltungsspannung oder Zerlegungsspannung zu zerlegen und zu messen. For example, the voltage may be stepped up to jump from one decomposition voltage or split voltage to the next, and thus to decompose and measure all the gas species by adjusting the breakdown voltage or decomposition voltage.

Die Gaskonzentration kann für jede einzelne Spezies ermittelt werden aus dem Volumen der Messkammer 10, welches sehr genau gesteuert werden kann über einen zu Grunde liegenden Lithographieprozess bei der Herstellung, und durch Integration der Pumpströme für jede einzelne angelegte Spannung. The gas concentration can be determined for each individual species from the volume of the measuring chamber 10 which can be very accurately controlled over an underlying lithographic process in manufacturing, and by integrating the pump currents for each individual applied voltage.

In Bezug auf die Herstellung sind folgende Aspekte beachtlich:
Zunächst wird ein erstes Substrat 1 als ein erster Wafer, zum Beispiel ein Silizium-Wafer, bereitgestellt, welcher eine Feststoffelektrolytmembran 33 aufweist, zum Beispiel aus YSZ. Es werden katalytische Elektroden 31, 32, zum Beispiel aus Pt oder aus Pt-YSZ-Mischung ausgebildet, welche vom Substrat 1 elektrisch isoliert sind. Der Herstellungsvorgang kann ähnlich verlaufen wie bei Lambdasensoren vom Schaltungstyp auf der Grundlage einer MEMS-Struktur. In terms of production, the following aspects are remarkable:
First, a first substrate 1 as a first wafer, for example, a silicon wafer, which is a solid electrolyte membrane 33 has, for example, from YSZ. They become catalytic electrodes 31 . 32 formed, for example, of Pt or of Pt-YSZ mixture, which differs from the substrate 1 are electrically isolated. The fabrication process may be similar to the circuit type lambda sensors based on a MEMS structure.

Dann wird ein zweites Substrat 2 als ein zweiter Wafer bereitgestellt, welcher als MEMS-Struktur die Ventilanordnung 80 oder das Ventil und eine Kavität aufweist. Dies kann erfolgen durch ein Grabenätzen („Trenchen“, also ein sogenannter, stark anisotroper, Trocken-/ Plasmaätzprozess) oder durch ein nasschemisches Ätzen. Das Volumen der Kammer 10 muss sehr genau bekannt sein. Daher kann und wird die Höhe der Kavität durch zeitliches Abstimmen des Ätzvorgangs gesteuert. Dies kann vorteilhafterweise durch Verwenden einer Ätzstoppschicht erfolgen. Then a second substrate 2 provided as a second wafer, which as MEMS structure, the valve assembly 80 or the valve and a cavity. This can be done by trench etching ("trenching", ie a so-called, strongly anisotropic, dry / plasma etching process) or by a wet-chemical etching. The volume of the chamber 10 must be known very well. Therefore, the height of the cavity can and is controlled by timing the etching process. This can be done advantageously by using an etch stop layer.

Beide Substrate 1, 2, Träger oder Wafer, werden miteinander verbunden, zum Beispiel durch Sealglasbonden, Wafer-zu-Wafer-Bonding, direktes Bonding, anodisches Bonding oder eutektisches Bonding. Durch die Verbindung beider Wafer des ersten Substrats 1 und des zweiten Substrats 2 werden die erste Messkammer 10 und der funktionale Sensor 100 erzeugt. Both substrates 1 . 2 , Carrier or wafer, are bonded together, for example, by seal glass bonding, wafer-to-wafer bonding, direct bonding, anodic bonding or eutectic bonding. By connecting both wafers of the first substrate 1 and the second substrate 2 become the first measuring chamber 10 and the functional sensor 100 generated.

In Abhängigkeit der verwendeten Vorgänge kann das Volumen der Messkammer 10 in ausreichendem Maße gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Volumen der (ersten) Messkammer 10 auch nach der Herstellung während des Sensortrimmens (also bei der Feinabstimmung der Sensoreigenschaften am fertig prozessierten Sensor 100) durch einen Messvorgang ermittelt werden. Depending on the processes used, the volume of the measuring chamber 10 be controlled sufficiently. Alternatively or additionally, the volume of the (first) measuring chamber 10 also after production during sensor trimming (ie when fine-tuning the sensor properties on the finished processed sensor 100 ) can be determined by a measuring process.

Im Hinblick auf alternative Implementationen ergeben sich folgende Aspekte:
Das Pumpen der Sauerstoffionen kann senkrecht zur Membran 33 oder parallel zur Feststoffelektrolytschicht 33 erfolgen. Letzteres hat den Vorteil, dass der Einsatz einer fragilen Membran obsolet ist. With regard to alternative implementations, the following aspects arise:
The pumping of the oxygen ions can be perpendicular to the membrane 33 or parallel to the solid electrolyte layer 33 respectively. The latter has the advantage that the use of a fragile membrane is obsolete.

Es sind verschiedene Ventilanordnungen 80 denkbar, zum Beispiel elektrostatische Ventile, bei welchen ein Siliziumcantilever unter Verwendung einer Steuerspannung bewegt wird, oder thermische Ventile, bei welchen zum Beispiel ein Gaseintrittskanal durch thermische Expansion, z.B. mittels einer lokalen Heizung in der Nähe der Ventilanordnung 80, geschlossen oder geöffnet wird. There are different valve arrangements 80 conceivable, for example, electrostatic valves in which a Siliziumcantilever is moved using a control voltage, or thermal valves, in which, for example, a gas inlet channel by thermal expansion, for example by means of a local heating in the vicinity of the valve assembly 80 , closed or opened.

In einer weiteren Sensoranordnung 100 bzw. in einem Sensorsystem können durch den Einsatz mehrerer Ausführungsformen des vorgeschlagenen Sensors 100 im Parallelbetrieb Totzeiten im Betrieb vermieden werden. Der Betrieb kann mit einer Zeitverzögerung erfolgen, wobei zum Beispiel zu einem ersten Zeitpunkt t1 eine erste Sensoranordnung 100 mit einer Ventilanordnung 80 in der geöffneten zweiten Stellung 82 betrieben wird und gleichzeitig eine zweite Sensoranordnung 100 mit einer Ventilanordnung 80 in der geschlossenen ersten Stellung 81 betrieben wird.. Zu einem späteren, zweiten Zeitpunkt t2 werden die Ventilstellungen entsprechend geändert – dann befindet sich also die Ventilanordnung 80 der ersten Sensoranordnung 100 in der geschlossenen ersten Stellung 81 und die Ventilanordnung 80 der zweiten Sensoranordnung befindet sich in der zweiten, geöffneten Stellung 82. Es schließen sich nachfolgend alternierend wieder Stellungsmuster wie in den ersten und zweiten Zeitpunkten t, t2 ein. So können also sämtliche Sensoren durchgeschaltet werden. Bei mehr als zwei Sensoranordnungen 100 im Sensorsystem können mehrere Sensoranordnungen 100 mit ihren Ventilanordnungen 80 gleichzeitig von der ersten Stellung 81 zur zweiten Stellung 82 wechseln, es sind jedoch auch andere Stellungsveränderungsmuster möglich, die eine kontinuierliche Erfassung des Messgases erlauben, während in einer Sensoranordnung 100 mit geschlossener Ventilanordnung die qualitative und/oder quantitative Gasanalyse durchgeführt wird.. In a further sensor arrangement 100 or in a sensor system can by the use of several embodiments of the proposed sensor 100 in parallel operation dead times during operation can be avoided. The operation can be carried out with a time delay, wherein, for example, at a first time t1, a first sensor arrangement 100 with a valve assembly 80 in the open second position 82 is operated and at the same time a second sensor arrangement 100 with a valve assembly 80 in the closed first position 81 is operated .. At a later, second time t2, the valve positions are changed accordingly - so then there is the valve assembly 80 the first sensor arrangement 100 in the closed first position 81 and the valve assembly 80 the second sensor arrangement is in the second, open position 82 , Subsequently, position patterns alternate again, as in the first and second times t, t2. So all sensors can be switched through. For more than two sensor arrangements 100 in the sensor system can several sensor arrangements 100 with their valve arrangements 80 simultaneously from the first position 81 to the second position 82 However, other position change patterns are possible which allow continuous detection of the measurement gas while in a sensor arrangement 100 With closed valve arrangement the qualitative and / or quantitative gas analysis is carried out.

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und/oder zur Messung bzw. Bestimmung unterschiedlicher Gaskomponenten können unterschiedliche Elektrodenmaterialien und/oder verschiedene Spannungen eingesetzt werden. Dabei können die Elektrodenmaterialien z.B. unterschiedliche katalytische Wirkungen aufweisen, so dass je nach Elektrodenmaterial sich für einzelne Gaskomponenten unterschiedliche elektrochemische Potenziale und damit Zersetzungsspannungen ergeben. Beim Hochfahren der elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektroden 31, 32 ergibt sich somit für jedes Elektrodenmaterial eine spezifische Signatur für einzelne Gaskomponenten. Werden die Signaturen verschiedener Sensoranordnungen 100 in dem Sensorsystem verglichen, so kann daraus die Genauigkeit der quantitativen und/oder qualitativen Analyse der Gaszusammensetzung verbessert werden. To improve the measurement accuracy and / or to measure or determine different gas components, different electrode materials and / or different voltages can be used. For example, the electrode materials may have different catalytic effects, so that, depending on the electrode material, different electrochemical potentials and thus decomposition voltages result for individual gas components. When starting the electrical voltage between the two electrodes 31 . 32 Thus, a specific signature for individual gas components results for each electrode material. Be the signatures of various sensor arrangements 100 in the sensor system, the accuracy of the quantitative and / or qualitative analysis of the gas composition can be improved.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 [0004] K. Reif, Deitsche, KH. et al., Automotive Handbook, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347 [0004]

Claims (15)

Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100), insbesondere Breitbandlambdasonde und/oder Stickoxidsensor, zur Bestimmung der Konzentration mindestens einer Gaskomponente in einem zu vermessenden Gasvolumen (50), welche als in Mikrosystemtechnik und insbesondere als in Dünnschichttechnik gefertigte Struktur ausgebildet ist. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ), in particular broadband lambda probe and / or nitrogen oxide sensor, for determining the concentration of at least one gas component in a gas volume to be measured ( 50 ), which is designed as in microsystem technology and in particular as thin-film fabricated structure. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach Anspruch 1, mit: – einer ersten Messkammer (10), – einer ersten Diffusionsbarriere (20) zur, insbesondere diffusionskontrollierten, fluidmechanischen Verbindung der Kammer (10) mit dem Gasvolumen (50), – einer Nernstzelle (30) und – einer Pumpzelle (40), bei welcher: – die Nernstzelle (30) und die Pumpzelle (40) zumindest teilweise in der ersten Messkammer (10) angeordnet oder fluidmechanisch mit dieser gekoppelt sind und – die erste Messkammer (10), die erste Diffusionsbarriere (20), die Nernstzelle (30) und/oder die Pumpzelle (40) als in Mikrosystemtechnik und insbesondere als in Dünnschichttechnik gefertigte Strukturen ausgebildet sind. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to claim 1, comprising: - a first measuring chamber ( 10 ), - a first diffusion barrier ( 20 ) for, in particular diffusion-controlled, fluid-mechanical connection of the chamber ( 10 ) with the gas volume ( 50 ), - a Nernst cell ( 30 ) and - a pump cell ( 40 ), in which: - the Nernst cell ( 30 ) and the pump cell ( 40 ) at least partially in the first measuring chamber ( 10 ) are arranged or fluid-mechanically coupled thereto and - the first measuring chamber ( 10 ), the first diffusion barrier ( 20 ), the Nernst cell ( 30 ) and / or the pumping cell ( 40 ) are formed as in microsystem technology and in particular as thin-film fabricated structures. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach Anspruch 2, bei welcher: – die Nernstzelle (30) in einem ersten, insbesondere unteren, mikromechanischen Trägersubstrat (1) ausgebildet ist, – die Pumpzelle (40) in einem zweiten, insbesondere oberen, mikromechanischen Trägersubstrat (2) ausgebildet ist und – sich das erste und das zweite mikromechanische Trägersubstrat (1, 2) gegenüberliegen und zwischen sich die erste Messkammer (10) ausbilden oder umfassen. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to claim 2, wherein: - the Nernst cell ( 30 ) in a first, in particular lower, micromechanical carrier substrate ( 1 ), - the pump cell ( 40 ) in a second, in particular upper, micromechanical carrier substrate ( 2 ) and - the first and the second micromechanical carrier substrate ( 1 . 2 ) and between them the first measuring chamber ( 10 ) form or include. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach Anspruch 2, bei welcher: – die Nernstzelle (30) und die Pumpzelle (40) in einem ersten, insbesondere unteren, mikromechanischen Trägersubstrat (1) ausgebildet sind, – ein zweites, insbesondere oberes und/oder mikromechanisches Trägersubstrat (2) ausgebildet ist und – sich das erste und das zweite Trägersubstrat (1, 2) gegenüberliegen und zwischen sich die erste Messkammer (10) ausbilden oder umfassen. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to claim 2, wherein: - the Nernst cell ( 30 ) and the pump cell ( 40 ) in a first, in particular lower, micromechanical carrier substrate ( 1 ), - a second, in particular upper and / or micromechanical carrier substrate ( 2 ) is formed and - the first and the second carrier substrate ( 1 . 2 ) and between them the first measuring chamber ( 10 ) form or include. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach Anspruch 4, bei welcher: – die Nernstzelle (30) und die Pumpzelle (40) im mikromechanischen Trägersubstrat (1) lateral nebeneinander angeordnet sind oder – die Pumpzelle (40) die Nernstzelle (30) im mikromechanischen Trägersubstrat (1) zumindest teilweise lateral umgibt. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to claim 4, wherein: - the Nernst cell ( 30 ) and the pump cell ( 40 ) in the micromechanical carrier substrate ( 1 ) are arranged laterally next to each other or - the pump cell ( 40 ) the Nernst cell ( 30 ) in the micromechanical carrier substrate ( 1 ) at least partially surrounds laterally. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche – als Stickoxidsensoranordnung ausgebildet ist und/oder – benachbart zur ersten Messkammer (10) mit der Nernstzelle (30) und der Pumpzelle (40) und durch eine zweite Diffusionsbarriere (60) mit der ersten Messkammer (10) fluidmechanisch gekoppelt eine zweite Messkammer (60) aufweist. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to one of the preceding claims, which - is designed as a nitrogen oxide sensor arrangement and / or - adjacent to the first measuring chamber ( 10 ) with the Nernst cell ( 30 ) and the pump cell ( 40 ) and by a second diffusion barrier ( 60 ) with the first measuring chamber ( 10 ) coupled fluid mechanically coupled to a second measuring chamber ( 60 ) having. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach Anspruch 6, welche fluidmechanisch mit der zweiten Messkammer (60) gekoppelt eine zweite Messzelle (70) aufweist, welche, insbesondere als zweite Pumpzelle, zur Stickoxidkatalyse durch Stickoxidreduktion und/oder zum Sauerstoffpumpen entsprechend der oder proportional zur Stickoxidkonzentration in der zweiten Messkammer (15) ausgebildet ist. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to claim 6, which fluid-mechanically with the second measuring chamber ( 60 ) coupled a second measuring cell ( 70 ), which, in particular as a second pumping cell, for the nitrogen oxide catalysis by nitrogen oxide reduction and / or for oxygen pumping according to or proportional to the nitrogen oxide concentration in the second measuring chamber ( 15 ) is trained. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach Anspruch 7, bei welcher die zweite Messkammer (15) und/oder die zweite Messzelle (70) in demselben mikromechanischen Trägersubstrat (1) ausgebildet sind, wie die Nernstzelle (30) und die erste Pumpzelle (40). Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to claim 7, wherein the second measuring chamber ( 15 ) and / or the second measuring cell ( 70 ) in the same micromechanical carrier substrate ( 1 ), like the Nernst cell ( 30 ) and the first pump cell ( 40 ). Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach Anspruch 1, mit: – einer ersten Messkammer (10), – einer ersten Diffusionsbarriere (20) zur, insbesondere diffusionskontrollierten, fluidmechanischen Verbindung der ersten Messkammer (10) mit dem Gasvolumen (50) und – einer Nernstzelle (30), insbesondere genau einer Nernstzelle (30), bei welcher: – die Nernstzelle (30) fluidmechanisch mit der ersten Messkammer (10) gekoppelt und insbesondere zumindest teilweise in der ersten Messkammer (10) angeordnet ist und/oder – in der ersten Diffusionsbarriere (20) eine steuerbare Ventilanordnung (80) ausgebildet ist, durch welche die fluidmechanische Verbindung der ersten Messkammer (10) mit dem Gasvolumen (50) steuerbar ist, und – die erste Messkammer (10) und/oder die erste Diffusionsbarriere (20) und/oder die Ventilanordnung (80) und/oder die Nernstzelle (30) als in Mikrosystemtechnik und insbesondere als in Dünnschichttechnik gefertigte Strukturen ausgebildet sind. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to claim 1, comprising: - a first measuring chamber ( 10 ), - a first diffusion barrier ( 20 ) for, in particular diffusion-controlled, fluid mechanical connection of the first measuring chamber ( 10 ) with the gas volume ( 50 ) and - a Nernst cell ( 30 ), in particular exactly one Nernst cell ( 30 ), in which: - the Nernst cell ( 30 ) fluid-mechanically with the first measuring chamber ( 10 ) and in particular at least partially in the first measuring chamber ( 10 ) and / or - in the first diffusion barrier ( 20 ) a controllable valve arrangement ( 80 ) is formed, through which the fluid-mechanical connection of the first measuring chamber ( 10 ) with the gas volume ( 50 ), and - the first measuring chamber ( 10 ) and / or the first diffusion barrier ( 20 ) and / or the valve arrangement ( 80 ) and / or the Nernst cell ( 30 ) are formed as in microsystem technology and in particular as thin-film fabricated structures. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die Ventilanordnung (80) eine erste Stellung (81) aufweisen kann, in welcher die erste Messkammer (10) und das Gasvolumen (50) voneinander fluiddicht abgedichtet sind, wobei die Ventilanordnung (80) eine zweite Stellung (82) aufweisen kann, in welcher die erste Messkammer (10) und das Gasvolumen (50) miteinander fluidleitend verbunden sind, wobei die Ventilanordnung (80) von der ersten Stellung (81) in die zweite Stellung (82) und zurück verlagerbar ausgebildet ist. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to claim 9, wherein the valve arrangement ( 80 ) a first position ( 81 ), in which the first measuring chamber ( 10 ) and the gas volume ( 50 ) are sealed fluid-tight from one another, wherein the valve arrangement ( 80 ) a second position ( 82 ), in which the first measuring chamber ( 10 ) and the gas volume ( 50 ) are fluidly connected to each other, wherein the valve assembly ( 80 ) from the first position ( 81 ) to the second position ( 82 ) and is designed to be displaced back. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die Ventilanordnung (80) als elektrostatisches Ventil, insbesondere als ein von einer Steuerspannung aktuierbarer Siliziumcantilever, ausgebildet ist, oder wobei die Ventilanordnung (80) als thermisches Expansionsventil ausgebildet ist. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to claim 9, wherein the valve arrangement ( 80 ) is designed as an electrostatic valve, in particular as a silicon cantilever which can be actuated by a control voltage, or in which the valve arrangement ( 80 ) is designed as a thermal expansion valve. Sensorsystem, zur Bestimmung der Konzentration mindestens einer Gaskomponente in einem zu vermessenden Gasvolumen (50), wobei das Sensorsystem wenigstens zwei Feststoffelektrolyt-Sensoranordnungen (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 aufweist, wobei das Sensorsystem derart angesteuert werden kann, dass sich in einem ersten Zeitpunkt t1 die Ventilanordnung (80) einer ersten Sensoranordnung (100) in der ersten Stellung (81) befindet und sich die Ventilanordnung (80) einer zweiten Sensoranordnung (100) in der zweiten Stellung (82) befindet, wobei sich in einem von dem ersten Zeitpunkt t1 verschiedenen zweiten Zeitpunkt t2 die Ventilanordnung (80) der zweiten Sensoranordnung (100) in der ersten Stellung (81) befindet und sich die Ventilanordnung (80) der ersten Sensoranordnung (100) in der zweiten Stellung (82) befindet. Sensor system for determining the concentration of at least one gas component in a gas volume to be measured ( 50 ), wherein the sensor system comprises at least two solid electrolyte sensor arrays ( 100 ) according to any one of claims 9 to 11, wherein the sensor system can be controlled such that at a first time t1, the valve arrangement ( 80 ) a first sensor arrangement ( 100 ) in the first position ( 81 ) and the valve assembly ( 80 ) a second sensor arrangement ( 100 ) in the second position ( 82 ), wherein in a different from the first time t1 second time t2, the valve assembly ( 80 ) of the second sensor arrangement ( 100 ) in the first position ( 81 ) and the valve assembly ( 80 ) of the first sensor arrangement ( 100 ) in the second position ( 82 ) is located. Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei durch die Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) die Art und/oder die Konzentration einer Gaskomponente bestimmbar sind durch ein Einlassen von Gas in die erste Messkammer (10) bei der in der zweiten Stellung (82) befindlichen Ventilanordnung (80); Verlagern der Ventilanordnung (80) in die erste Stellung (81); Anlegen einer Spannung zwischen die erste Elektrode (31) und die zweite Elektrode (32); schrittweises Erhöhen der Spannung, insbesondere ausgehend von Null Volt bis zu einer definierten Grenzspannung; Messen des bei jeder Spannung auftretenden Pumpstroms, insbesondere eines Pumpstroms zum Abpumpen von Sauerstoff aus ersten Messkammer (10). Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to one of claims 9 to 12, wherein the solid electrolyte sensor arrangement ( 100 ) the type and / or the concentration of a gas component can be determined by introducing gas into the first measuring chamber ( 10 ) in the second position ( 82 ) located valve assembly ( 80 ); Relocating the valve assembly ( 80 ) in the first position ( 81 ); Applying a voltage between the first electrode ( 31 ) and the second electrode ( 32 ); incrementally increasing the voltage, in particular starting from zero volts to a defined threshold voltage; Measuring the pumping current occurring at each voltage, in particular a pumping current for pumping oxygen out of the first measuring chamber ( 10 ). Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, – bei welcher eine jeweilige Nernstzelle (30) und/oder eine jeweilige Pumpzelle (40, 70) erste und zweite gasdurchlässige Elektroden (31, 41, 71; 32, 42, 72) mit einem Feststoffelektrolyten (33, 43, 73) dazwischen aufweisen, – wobei mittels einer Isolation (34, 44, 74) die Elektroden (31, 41, 71; 32, 42, 72) voneinander und gegenüber einem jeweiligen mikromechanischen Träger (1, 2) elektrisch isoliert sind. Solid electrolyte sensor assembly ( 100 ) according to one of the preceding claims, - in which a respective Nernst cell ( 30 ) and / or a respective pump cell ( 40 . 70 ) first and second gas-permeable electrodes ( 31 . 41 . 71 ; 32 . 42 . 72 ) with a solid electrolyte ( 33 . 43 . 73 ) between them, - whereby by means of an isolation ( 34 . 44 . 74 ) the electrodes ( 31 . 41 . 71 ; 32 . 42 . 72 ) from each other and to a respective micromechanical carrier ( 1 . 2 ) are electrically isolated. Verfahren zum Herstellen einer Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche bei welchem die Feststoffelektrolyt-Sensoranordnung (100) als Struktur in Mikrosystemtechnik und/oder als Struktur in Dünnschichttechnik ausgebildet wird, insbesondere auf der Grundlage von Halbleitersubstraten als mikromechanischen Trägersubstraten (1, 2). Method for producing a solid electrolyte sensor arrangement ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the solid electrolyte sensor arrangement ( 100 ) is formed as a structure in microsystem technology and / or as a structure in thin-film technology, in particular on the basis of semiconductor substrates as micromechanical carrier substrates ( 1 . 2 ).

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