DE102015225176A1

DE102015225176A1 - Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102015225176A1
Application number: DE102015225176.4A
Authority: DE
Inventors: Rainer Ginzel; Christoph Hermes; Zach Byars; Timothy Schultz; Christian Doering
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-22
Also published as: WO2017102580A1

Abstract

Es wird eine Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases sowie ein Verfahren zur Messung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) umfasst: • mindestens ein Trägersubstrat (112); • mindestens einen Schichtaufbau (118), welcher mindestens eine erste porösen Elektrode (120), mindestens eine zweite porösen Elektrode (122) und eine entlang einer Schichtdickenrichtung (z) zwischen der ersten porösen Elektrode (120) und der zweiten porösen Elektrode (122) eingebettete Festkörperelektrolytschicht (124) aufweist. Dabei ist der mindestens eine Schichtaufbau (118) in einem ersten Bereich (210) des mindestens einen Trägersubstrats (112) angeordnet. Dabei ist der erste Bereich (210) bezüglich einer ersten Ebene (x, y) senkrecht zu der Schichtdickenrichtung (z) von einem zweiten Bereich (220) umgeben. Dabei ist zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Bereich (210) und dem zweiten Bereich (220) ein Isolierbereich (230) vorgesehen. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich (230) geringer als die Wärmeleitfähigkeit im zweiten Bereich (220).

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Sensorvorrichtungen, insbesondere Sauerstoffsensoren und Stickoxidsensoren, auf Basis eines Festkörperelektrolyten bekannt. Beispielsweise werden diese als so genannte Lambdasonden im Automobilbereich eingesetzt, insbesondere zur Erfassung einer Luftzahl eines Luft-Kraftstoff-Gemischs. Alternativ kommen derartige Sensoren als Stickoxidsensoren zum Einsatz. Derartige Sensorvorrichtungen werden gegenwärtig typischerweise mittels Siebdruckverfahren und/oder Dickschichttechnologie gefertigt. Als Beispiele sind so genannte Lambdasprungsonden zu nennen. Jedoch auch so genannte Breitband-Lambdasonden lassen sich hier erwähnen.
Aus DE 10 2012 201304 A1 sind eine mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren bekannt. Die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung weist ein mikromechanisches Trägersubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, eine erste poröse Elektrode und eine zweite poröse Elektrode und einen zwischen der ersten porösen Elektrode und einer zweiten porösen Elektrode eingebetteten Festkörperelektrolyten auf.
Um einen Sensor als Lambdasonde oder als Stickoxid-Sensor einsetzen zu können kann beispielsweise eine Betriebstemperatur von mehr als 300°C, teilweise sogar von mehr als 500°C erforderlich sein. Denn grundsätzlich kann eine Mobilität von Ionen durch einen Festkörperelektrolyten durch die Temperatur des Sensors bzw. des Festkörperelektrolyten gesteuert werden. Dies ist beispielsweise aus Menzel et al., Origin of the Ultra-nonlinear Switching Kinetics in Oxide-Based Resitive Switches, Adv. Funct. Mater., Band 21, Seiten 4487–4492, 2011, bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es hat sich gezeigt, dass Sensorvorrichtungen mit Heizelementen zum Erreichen und Halten der Betriebstemperatur versehen werden können. Zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases wird zum Erreichen dieser Betriebstemperatur sowohl in Sensorvorrichtungen, die in herkömmlicher Dickschicht-Technologie hergestellt sind als auch in Sensorvorrichtungen, die in mikromechanischer Bauweise hergestellt sind eine hohe Leistung zum Aufheizen auf die hohe Betriebstemperatur und zum Halten der hohen Betriebstemperatur benötigt. Auch können lange Aufheizzeiten notwendig sein. Auch sind große Mengen an Edelmetallen aufgrund des Designs des mikromechanischen Sensors erforderlich, um die Heizelemente, z.B. aus Platinlegierungen, herzustellen. Denn die Heizleistung P eines Heizelements bzw. einer Heizleiterbahn ergibt sich gemäß der Relation P = U²/R, mit U als angelegter Spannung und R als elektrischer Widerstand des Heizelements. Der Widerstand R ergibt sich nach der Relation R = ρ·A_H/l. Dabei ist ρ der spezifischen elektrische Widerstand, A_H die Querschnittsfläche der Heizleiterbahn und l deren Länge. Platin kann als Material erforderlich sein, um der große Wärme und z.B. aggressiven Abgasen zu widerstehen über Lebensdauer. Da die Länge l üblicherweise vorgegeben ist und das Material den Umgebungsbedingungen angepasst sein muss kann zur Erzeugung der benötigten Heizleistung im Wesentlichen der Querschnitt A_H verändert werden. Länge l multipliziert mit dem Querschnitt A_H ergibt dabei das Materialvolumen, welches für eine gewünschte Heizleistung erforderlich ist.
Mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtungen weisen gegenüber herkömmlichen Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtungen bereits einige Vorteile auf. So bieten diese insbesondere Ansätze, um die Sensorvorrichtungen zu miniaturisieren, indem beispielsweise eine Herstellung mittels mikrosystemtechnischer Halbleiterprozesse erfolgt. Hierbei dient in vielen Fällen ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, als Substrat für eine Dünnschichtmembran aus einer sauerstoffionenleitenden Funktionskeramik. Durch die Miniaturisierung lässt sich auch die zu beheizende Fläche verkleinern, wodurch die Heizleistung sinkt. Auch die Aufheizzeiten können sich verkürzen.
Dennoch ist auch bei mikrosystemtechnisch hergestellten Sensoren eine vergleichsweise hohe Leistung, z.B. eine elektrische Leistung, erforderlich, um den Sensor auf Betriebstemperatur zu bringen bzw. die Betriebstemperatur zu halten.
Die hohe Heizleistung im Bereich mehrerer Watt bis hin zu 50 Watt wird einerseits erforderlich, um die Festköperelektrolytmembran auf die Betriebstemperatur zu bringen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch das Heizen der Festelektrolytmembran ein großer Anteil der Heizleistung in die umgebenden Bereiche abfließt, wo die große Wärme überhaupt nicht benötigt wird. Dies gilt sowohl für Dickschicht-Technologie als auch für mikromechanisch hergestellte Sensoren. Der Wärmeabfluss ergibt sich vereinfacht nach der folgenden Gleichung (1): dQ/dt = λ·(A/d)·ΔT (1)
Dabei bezeichnet dQ/dt die Wärmeleistung, die pro Zeiteinheit aus dem System abfließt, ihre Einheit ist Watt. Es wird hierbei nur der Wärmefluss betrachtet, nicht jedoch Strahlungswärme. λ stellt die spezifische Wärmeleitfähigkeit dar, die materialabhängig ist, ihre Einheit ist Watt pro Milli-Kelvin (W/mK). A entspricht der Fläche, durch welche die Wärme strömt, d entspricht der Dicke des Körpers von Wand zu Wand und ΔT entspricht der Temperaturdifferenz zwischen den Messstellen. Im Falle des Sensors entspricht beispielsweise ΔT der Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur T1, z.B. am Ort des Heizers und einer zweiten Temperatur T2, z.B. an einer Außenseite des Sensors, ΔT = T1 – T2. Die Fläche A entspricht bei einem flächigen Sensor mit in der Flächenebene angeordnetem Heizer beispielsweise der Fläche, die sich als Wandfläche ergibt, wenn rund um den Heizer der Sensor geschnitten wird, die Dicke d ergibt sich als Abstand in der Fläche von dem Ort, an dem die erste Temperatur T1 bestimmt wird und dem Ort, an dem die zweite Temperatur T2 bestimmt wird.
Die Temperaturdifferenz und damit der Wärmeabfluss können sehr groß werden. Dies resultiert aus der hohen Betriebstemperatur von mehr als 300°C und Temperaturen, die ungefähr bei Raumtemperatur (25°C) liegen können an einer Außenseite des Sensors.
Es kann daher ein Bedarf bestehen, einen Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases bereitzustellen, der die Betriebstemperatur mit geringer Leistungsaufnahme erreicht und hält und der die Betriebstemperatur möglichst schnell erreicht. Grundsätzlich sind diese Eigenschaften sowohl bei herkömmlichen Dickschicht-Sensoren als auch bei mikrosystemtechnischen Sensoren erwünscht.
Vorteile der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dementsprechend eine, insbesondere mikromechanische, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung einer Eigenschaft eines Gases, insbesondere eines Sauerstoffanteils und/oder einer Luftzahl, vorgeschlagen, welche die oben genannten Nachteile und Einschränkungen zumindest teilweise umgehen oder lösen. Diese sind in den unabhängigen Ansprüchen dargestellt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases vorgeschlagen. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung kann beispielsweise mikromechanisch ausgebildet sein. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung umfasst dabei mindestens ein Trägersubstrat. Das Trägersubstrat kann dabei z.B. als Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens einen Schichtaufbau, welcher mindestens eine erste porösen Elektrode, mindestens eine zweite poröse Elektrode und eine entlang einer Schichtdickenrichtung zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode eingebettete Festkörperelektrolytschicht aufweist. Der mindestens eine Schichtaufbau ist in einem ersten Bereich des mindestens einen Trägersubstrats angeordnet. Dabei ist der erste Bereich bezüglich einer ersten Ebene senkrecht zu der Schichtdickenrichtung von einem zweiten Bereich umgeben. Dabei ist zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ein Isolierbereich vorgesehen. Der Isolierbereich ist dabei beispielsweise quer bzw. senkrecht zur Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen dem ersten und zweiten Bereich angeordnet. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit im zweiten Bereich.
Unter der Schichtdickenrichtung wird hierbei eine Richtung senkrecht zur Schichtebene des Schichtaufbaus bzw. insbesondere der Festkörperelektrolytschicht verstanden. Es wird davon ausgegangen, dass der Schichtaufbau, insbesondere die Festkörperelektrolytschicht, in der Schichtdickenrichtung (z.B. einer z-Richtung in einem kartesischen Koordinatensystem) eine geringere Erstreckung aufweist als in der flächigen Erstreckungsebene des Schichtaufbaus (z.B. der x-y-Ebene des kartesischen Koordinatensystems).
Dabei ist in diesem Kontext unter dem Begriff der Wärmleitfähigkeit diejenige Wärmeleitfähigkeit zu verstehen, die sich bei einer Mittelung über den Querschnitt (z.B. parallel zur Schichtdickenrichtung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich) ergibt. Mit anderen Worten werden die spezifischen Wärmeleitfähigkeitswerte entlang einer Querschnittsfläche gemäß ihrem Anteil in dem Querschnitt gewichtet berücksichtigt und ergeben so die für den Querschnitt relevante Wärmeleitfähigkeit. Der beheizte Schichtaufbau weist entlang der Schichtdickenrichtung z.B. eine erste Dicke im ersten Bereich auf. Das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat weisen entlang der Schichtdickenrichtung im zweiten Bereich eine zweite Dicke auf. Die Wärmeleitfähigkeit kann nun über die gewichtete Mittelung der spezifischen Wärmeleitfähigkeiten entlang der dickeren der beiden Dicken bzw. entlang der Gesamtdicke aus den beiden Dicken, wenn diese entlang der Schichtdickenrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, ermittelt werden.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass im Isolierbereich die Wärmeleitfähigkeit geringer ist als im zweiten Bereich, der z.B. an den Isolierbereich angrenzen kann, beispielsweise unmittelbar angrenzen kann, so dass ein Wärmeabfluss von inneren Bereichen nach außen verringert wird.
Dadurch kann gemäß der oben angeführten Gleichung (1) der Wärmefluss vom ersten Bereich in den zweiten Bereich verringert werden, indem der Term für die (gemittelte) Wärmeleitfähigkeit λ verringert wird. Die Heizleistung kann so vorteilhaft reduziert werden, da die eingetragene Heizleistung relativ betrachtet zu einem größeren Anteil in die Aufheizung der Schichtanordnung und zum Halten der Betriebstemperatur verwendet wird. Mit anderen Worten lässt sich die Verlust-Heizleistung deutlich reduzieren. Auch kann die Zeit deutlich verkürzt werden, die benötigt wird, um den Sensor bzw. die Schichtanordnung aus einer Ruhetemperatur auf die Betriebstemperatur zu heizen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Heizelemente kleiner dimensioniert werden können, z.B. in ihrem Querschnitt A_H, wodurch grundsätzlich eine Menge an insbesondere für eine Herstellung benötigten Edelmetallen reduziert werden kann. Die Sensor-Vorrichtung kann so kompakter und billiger hergestellt werden. Der Isolierbereich wirkt in der Art einer thermischen Isolierschicht, die beispielsweise im Wesentlichen parallel zur Schichtdickenrichtung angeordnet sein kann.
Unter einer “Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung“ ist allgemein eine Sensorvorrichtung zu verstehen, welche mindestens einen Festkörperelektrolyten verwendet, also mindestens ein festes Material, welches eingerichtet ist, um Ionen zu leiten, beispielsweise Sauerstoffionen. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens eine Eigenschaft eines Gases zu erfassen. Die Eigenschaft des Gases kann hierbei insbesondere ein Sauerstoffanteil und/oder eine Luftzahl und/oder ein Anteil einer Komponente in dem Gas, insbesondere einer Sauerstoffverbindung in dem Gas, insbesondere ein NOx-Anteil, sein. Die beispielsweise mikromechanisch hergestellte Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, um die Eigenschaft des Gases qualitativ und alternativ oder zusätzlich auch quantitativ zu erfassen. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung kann insbesondere ein Sauerstoffsensor oder ein Stickoxidsensor sein. Auch andere Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Derartige Sensoren können insbesondere in Abgassystemen zur Anwendung kommen. Auch weitere Anwendungen sind jedoch grundsätzlich denkbar.
Unter einem “Festkörperelektrolyten“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festkörperelektrolyten handeln. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt Zirkoniumdioxid umfassen, vorzugsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar.
Unter dem Begriff "mikromechanisch" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft einer dreidimensionalen Struktur zu verstehen, welche Dimensionen im Mikrometerbereich, d.h. im Bereich unterhalb von 1 mm, aufweist. Beispielsweise können dies Breiten von Kavernen, Schichtdicken von Membranen oder ähnliche charakteristische Dimensionen sein, welche in diesem Bereich liegen. Gegenüber herkömmlichen Sensorvorrichtungen, die in der Regel in Dickschichttechnologie unter Verwendung von Siebdruckverfahren hergestellt werden sind mikromechanische Sensorvorrichtungen zumindest zu großen Teilen mit mikrosystemtechnischen Prozessen hergestellt. Dies können beispielsweise aus der Halbleitertechnologie bekannte photolithografische Prozesse, sowie Ätzschritte zur Strukturierung von Oberflächen sein.
Unter einem „Trägersubstrat“ ist hierbei ein Substrat zu verstehen, das geeignet ist, um daraus dir Schichtanordnung auszubilden oder die Schichtanordnung darin bzw. darauf anzuordnen. Das Trägersubstrat kann dabei z.B. eine flächige Erstreckung in einer Ebene haben und eine Dicke aufweisen, die z.B. erheblich geringer ist als die Erstreckung in der Ebene. Es kann sich z.B. um ein keramisches Trägersubstrat handeln oder um ein Halbleiter-Trägersubstrat bzw. ein Halbleitersubstrat.
Unter einem "Halbleitersubstrat" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebig geformter Halbleiter zu verstehen. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Halbleitersubstrat sein. Das Halbleitersubstrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Das Halbleitersubstrat kann weiterhin mindestens ein Halbleitermaterial umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium; einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumcarbid; einer Galliumverbindung, insbesondere Galliumarsenid. Weitere Materialien sind jedoch grundsätzlich denkbar.
Unter einem "Schichtaufbau" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Aufeinanderfolge von einer oder von mehreren Schichten zu verstehen. Beispielsweise können die Schichten übereinander angeordnet sein. Die Schichten können sich ganz oder teilweise bedecken bzw. überdecken. Beispielsweise können die Schichten nebeneinander angeordnet sein. Jedoch sind die erste Elektrode, die Festkörperelektrolytschicht und die zweite Elektrode entlang der Schichtdickenrichtung (z) angeordnet, also übereinander. Die Schichten können beispielsweise jeweils eine Dicke von 100 nm bis 500 µm aufweisen. Auch andere Dimensionen sind jeweils möglich. Der Schichtaufbau kann weiterhin Schichten verschiedener Materialien aufweisen. Der Schichtaufbau kann mehrere Schichten desselben Materials aufweisen. Jede Schicht für sich kann unstrukturiert sein oder kann auch eine Struktur in einer Schichtebene aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
Unter einer "Elektrode" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zum Austausch von Ionen bzw. Elektronen zwischen dem Element und einem Festkörperelektrolyten zu verstehen. Insbesondere können mittels der Elektrode mittels Ionen in den Festkörperelektrolyten eingebracht werden, beispielsweise Sauerstoffionen, was auch als "Einbau" der Ionen bezeichnet wird, und/oder Ionen aus dem Festkörperelektrolyten ausgetragen werden und beispielsweise in ein Gas umgewandelt werden, beispielsweise Sauerstoffgas, wobei dieser Vorgang auch als "Ausbau" der Ionen bezeichnet werden kann. Bei den Elektroden kann es sich somit insbesondere um elektrische Kontakte zur elektrischen und/oder ionischen Kontaktierung eines Festkörperelektrolyten handeln.
Unter einer "Porosität" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches als dimensionslose Messgröße zu verstehen. Diese Messgröße kann insbesondere in Prozent angegeben werden. Beispielsweise kann die erste poröse Elektrode und/oder die zweite poröse Elektrode ein elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial mit einer Porosität von mindestens 3% aufweisen, bevorzugt von mindestens 5%, besonders bevorzugt von mindestens 10%, ganz besonders bevorzugt von mindestens 20% oder sogar von mindestens 40%. Bei einer Einstellung der Porosität kann es wünschenswert sein, dass zumindest teilweise eine durchgängige Leitfähigkeit der ersten porösen Elektrode und/oder der zweiten porösen Elektrode vorliegt, indem vorzugsweise eine Bildung von isolierten Inseln zumindest weitgehend reduziert wird.
Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens eine Keramikverbindung, insbesondere Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen mit einer metallischen Matrix, umfassen. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann hierbei mindestens ein Metall, insbesondere Platin, Palladium, Gold, oder Kupfer, oder eine metallische Legierung aufweisen. Weiterhin kann stickstoffdotiertes Graphen eingesetzt werden. Insbesondere kann stickstoffdotiertes Graphen aufgrund einer katalytischen Wirkung eingesetzt werden. Grundsätzlich ist jedoch jedes Material mit elektrisch leitfähigen Eigenschaften einsetzbar. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann weiterhin mindestens ein keramisches Material aufweisen, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich einsetzbar.
Die erste poröse Elektrode und die zweite poröse Elektrode können Poren aufweisen, derart, dass ein Gasdurchtritt durch die erste poröse Elektrode und/oder die zweite poröse Elektrode möglich ist. So kann beispielsweise ein Gasdurchtritt durch die Elektroden erfolgen, wobei das Gas, z.B. Sauerstoff O₂, an einer Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Festkörperelektrolyten in Ionen, z.B. Sauerstoff-Ionen O^2–, umgewandelt werden kann und wobei die Ionen in ein Gitter des Festkörperelektrolyten eingebaut werden können. Umgekehrt können an der Grenzfläche auch Ionen, z.B. Sauerstoffionen O^2–, in Gas, z.B. Sauerstoff O₂, umgewandelt werden. Die erste poröse Elektrode und/oder die zweite poröse Elektrode können elektrisch kontaktierbar sein.
Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" poröse Elektrode sind als reine Bezeichnungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten porösen Elektroden und mehrere Arten von zweiten porösen Elektroden oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Beispielsweise können zusätzliche poröse Elektroden, beispielsweise eine oder mehrere dritte poröse Elektroden, in dem Schichtaufbau vorhanden sein.
Die erste poröse Elektrode und die zweite poröse Elektrode können elektrisch kontaktierbar sein. Beispielsweise können auf dem Halbleitersubstrat mindestens ein Elektrodenkontakt für eine erste poröse Elektrode und mindestens ein Elektrodenkontakt für eine zweite poröse Elektrode vorgesehen sein. Die erste poröse Elektrode und die zweite poröse Elektrode können beispielsweise mittels Drahtbonden und/oder mittels mindestens eines Flip-Clip-Verfahrens kontaktierbar sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Dabei umfasst das Verfahren eine Verwendung einer, insbesondere mikromechanischen, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung. Dabei wird die zweite poröse Elektrode mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt. Dabei wird weiterhin die erste poröse Elektrode mit einem Referenzgas beaufschlagt, beispielsweise Luft oder Sauerstoff bzw. mit Luft, die eine bekannte Sauerstoffkonzentration aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin eine Erfassung mindestens eines elektrischen Signals an einer Elektrode, wobei die Elektrode ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Festkörper-Elektrolyt-Sensorvorrichtung kann vorteilhaft die Heizleistung zum Einstellen bzw. Halten der Betriebstemperatur reduziert werden. Außerdem kann sich vorteilhaft die Aufheizdauer verkürzen.
Grundsätzlich kann alternativ hierzu auch die erste Elektrode mit dem Gas aus dem Messgasraum und die zweite Elektrode mit dem Referenzgas bzw. dem Gas aus dem Referenzgasraum beaufschlagt werden.
Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden; eine andere Reihenfolge ist aber denkbar. Ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte können gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin eine Erfassung mindestens eines elektrischen Signals an der ersten porösen Elektrode und/oder an der zweiten porösen Elektrode umfassen.
Es kann insbesondere mindestens eine chemische Eigenschaft eines Gases und/oder eine physikalische Eigenschaft des Gases erfasst werden. Insbesondere kann bei dem Verfahren ein Sauerstoffanteil und/oder ein Sauerstoffpartialdruck und/oder ein Anteil mindestens einer Komponente des Gases, insbesondere ein Anteil einer Sauerstoffverbindung in dem Gas, insbesondere ein NOx-Anteil, erfasst werden. Dementsprechend kann das Verfahren beispielsweise zur Erfassung einer Luftzahl dienen. Auch andere Eigenschaften können jedoch alternativ oder zusätzlich erfasst werden.
Bei dem "Messraum" kann es sich insbesondere um einen Gasraum in einem Kraftfahrzeug handeln, beispielsweise einen Abgastrakt in einem Verbrennungskraftmotor.
Bei dem "Referenzgas" kann es sich insbesondere um mindestens ein Gas mit mindestens einer bekannten Zusammensetzung handeln, beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft.
Bei dem mindestens einen "elektrischen Signal" an der ersten porösen Elektrode und/oder an der zweiten porösen Elektrode kann es sich beispielsweise um eine Spannung zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode handeln. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch ein oder mehrere Ströme an oder durch die erste poröse und/oder die zweite poröse Elektrode erfasst werden. Insbesondere kann ein Sprungsignal erfasst werden, also ein Spannungssignal bei einem Durchtritt einer Luftzahl λ = 1. Auch andere Messungen sind jedoch grundsätzlich denkbar.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder auch in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Eine Weiterbildung der Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung sieht vor, dass der Isolierbereich wenigstens ein Material umfasst, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich.
Mit anderen Worten: Der Schichtaufbau im ersten Bereich kann von dem Trägersubstrat bzw. dem Halbleitersubstrat im zweiten Bereich im Isolierbereich z.B. durch ein Isolationsmaterial, insbesondere durch ein dielektrisches Isolationsmaterial, isoliert sein. Insbesondere kann das Isolationsmaterial eine geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit bzw. eine geringe thermische Leitfähigkeit relativ zur Wärmeleitfähigkeit des zweiten Bereichs aufweisen, um einen Wärmeübertrag zu vermeiden. Auch Materialmischungen sind möglich. Ebenfalls ist im Isolierbereich eine Schichtung von unterschiedlichen Materialien möglich, die im gewichteten Mittel eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweisen als das Material im zweiten Bereich, insbesondere als das unmittelbar an den Isolierbereich angrenzende Material des zweiten Bereichs.
Auf diese Weise kann vorteilhaft durch eine Verringerung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit λ im Isolationsbereich gemäß der oben dargestellten Gleichung (1) der Übertrag von Wärmeleistung in den zweiten Bereich verringert werden. Da dieser Wärmeübertrag in den zweiten Bereich einem unerwünschten Wärmeverlust entspricht, der nun verringert ist, kann so vorteilhaft die Heizleistung verringert werden und die Aufwärmzeit für die zu heizende Festkörperelektrolytmembran bzw. Festkörperelektrolytschicht verringert sich.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Isolierbereich wenigsten ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, insbesondere Polyimid. Bezüglich einem Trägersubstrat bzw. Halbleitersubstrat im zweiten Bereich kann durch diese Materialwahl der Wärmeübertrag und damit der Wärmeverlust vom ersten Bereich in den zweiten Bereich erheblich verringert werden.
So weist z.B. Silizium, welches z.B. als Material des Halbleitersubstrats im zweiten Bereich verwendet werden kann, eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von ca. 140 bis 150 W/mK auf. Poröses Silizium kann dagegen so hergestellt werden, dass es eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von weniger als 5 W/mK, bevorzugt von weniger als 2 W/mK aufweist. Siliziumnitrid kann so hergestellt werden, dass es eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von weniger als 35 W/mK oder auch von weniger als 25W/mK aufweist.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass im Isolierbereich eine Kaverne ausgebildet ist. Dabei können z.B. die Seitenwände der Kaverne durch die dem zweiten Bereich zugewandten Außenwände des ersten Bereichs und/oder durch die dem ersten Bereich zugewandten Außenwände des zweiten Bereichs gebildet sein. Dabei können sich die Seitenwände der Kaverne beispielsweise im Wesentlichen parallel zur Schichtdickenrichtung erstrecken.
Unter einer "Kaverne" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein frei und/oder offen gestalteter Hohlraum zu verstehen. Die Kaverne und/oder die weitere Kaverne kann eine Quaderform aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
Dadurch wird vorteilhaft eine besonders geringe Wärme-Verlustleistung realisiert. In einer Betrachtung ohne Strahlungswärmeübertrag wirkt die im Isolierbereich ausgebildete Kaverne mit ihrer „Füllung“ aus Luft bzw. dem Umgebungsgas bzw. sogar Vakuum wie eine Materialschicht mit besonders geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit. Luft weist z.B. eine spezifische Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von weniger als 0,03 W/mK auf – sie ist also im Vergleich zu einer Festkörper-Wärmeleitfähigkeit vernachlässigbar. Die Kaverne wirkt also in erster Näherung wie eine Reduzierung der Fläche A aus der Gleichung (1), über die der erste Bereich mit dem zweiten Bereich in Kontakt steht. Selbst wenn also der Isolierbereich in einer Richtung senkrecht zur Schichtdickenrichtung nur sehr schmal ausgebildet ist, beispielsweise nur 50nm bis 1000nm, so sinkt im Isolierbereich vorteilhaft die (gemittelte) Wärmeleitfähigkeit durch die Anordnung der Kaverne erheblich, so dass die Wärmeverlustleistung stark herabgesetzt wird.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass auf dem Halbleitersubstrat eine Schicht angeordnet ist, wobei die Schicht sich vom ersten Bereich bis in den zweiten Bereich erstreckt. Dabei kann die Schicht z.B. in ihren an die Kaverne grenzenden Abschnitten als Membran ausgebildet sein.
Unter einer "Membran" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht oder Schichtenfolge zu verstehen, deren laterale Ausdehnung die Dicke der Schicht oder Schichtenfolge um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100, überschreiten. Die Membran kann im vorliegenden Fall durch den Schichtaufbau gebildet sein, wobei jedoch zusätzlich eine oder mehrere weitere Schichten in der Membran enthalten sein können.
Ein Wärmeübertrag kann vorteilhaft weiter reduziert werden, indem eine Dicke der Schicht reduziert ist bzw. sehr gering ausgebildet ist. Dies ergibt sich wieder aus Gleichung (1). Denn die Schichtdicke beeinflusst im Querschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich die Durchtrittsfläche A für die Wärmeleitung. Denn im Idealfall ist die Membran die einzige mechanische und damit thermisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich. Sie kann z.B. die Kaverne im Isolierbereich überbrücken und damit die einzige Wärmebrücke darstellen. Je geringer die Dicke der Schicht bzw. der Membran, desto geringer wird die Durchtrittsfläche A. Auf diese Weise kann die, z.B. mikromechanische, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung insbesondere in mindestens eine "heiße Region" im ersten Bereich und in mindestens eine "kalte Region" im zweiten Bereich eingeteilt sein. Die heißen Regionen und die kalten Regionen können miteinander durch die Membran verbunden sein. Die Membran kann insbesondere eine geringe Dicke, beispielsweise im Bereich von 0.1 bis 100 µm, aufweisen und weiterhin eine thermisch isolierende Funktion aufweisen, so dass ein lediglich minimaler Wärmeübertrag von der heißen Region zu der kalten Region stattfinden kann.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Kaverne entlang der Schichtdickenrichtung (z) betrachtet das Trägersubstrat, z.B. als Halbleitersubstrat ausgebildet, vollständig durchdringt. Dadurch wird die Durchtrittsfläche A für Wärme vom ersten Bereich zum zweiten Bereich vorteilhaft besonders stark verringert bzw. wird dadurch die (gemittelte) Wärmeleitfähigkeit zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich im Isolierbereich besonders stark reduziert.
Unter einer Kaverne, welche das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat vollständig durchdringt, ist dementsprechend ein Hohlraum zu verstehen, welcher das Trägersubstrat bzw. Halbleitersubstrat von einer Vorderseite des Trägersubstrats bzw. Halbleitersubstrats bis zu einer Rückseite des Trägersubstrats bzw. des Halbleitersubstrats vollständig durchsetzt.
Auf diese Weise ist die Durchtrittsfläche A für Wärme maximal reduziert. Der erste Bereich kann mit dem zweiten Bereich noch punktuell im Isolierbereich durch Abschnitte verbunden sein, in denen die Kaverne nicht vollständig das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat durchdringt. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Bereich mit dem zweiten Bereich mittels der Schicht bzw. der Membran verbunden sein. In beiden Fällen sind die Wärmeübertragung und damit die Wärmeverlustleistung durch eine Verringerung der Durchtrittsfläche A und/oder aufgrund der geringen spezifischen Wärmeleitfähigkeit an den Verbindungsstellen stark reduziert.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Kaverne zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich, wobei die Kaverne insbesondere zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; Polyimid.
Dadurch kann durch den Isolierbereich ein Wärmeabfluss vom ersten Bereich in den zweiten Bereich vorteilhaft verringert werden. Gleichzeitig ist vorteilhaft eine hohe mechanische Stabilität der Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung sichergestellt, da die Kaverne mit einem Feststoff gefüllt ist. Auf diese Weise können beispielsweise thermische Spannungen im Isolierbereich über eine große Querschnittsfläche (Querschnitt parallel zur Schichtdickenrichtung) abgebaut werden. Die Kaverne kann dabei nach Ihrer Herstellung, z.B. durch einen Ätzprozess, mit dem isolierenden Material verfüllt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Schicht wenigstens ein Material umfasst, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich, wobei die Schicht insbesondere wenigsten ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem thermisch isolierenden Kunststoff, wie z.B. Polyimid.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass ein Wärmeübertrag vom ersten Bereich zum zweiten Bereich mittels der Schicht bzw. der als Membran ausgebildeten Schicht gemäß der Gleichung (1) nicht nur aufgrund der geringen Durchtrittsfläche A reduziert ist. Vielmehr ist auch die spezifische Wärmeleitfähigkeit λ des Schichtmaterials geringer als diejenige des Materials im zweiten Bereich. Dadurch kann eine besonders geringe Wärmeübertragung gewährleistet werden. Wenn die Schicht z.B. wegen einer vollständig durch das Trägersubstrat bzw. Halbleitersubstrat hindurchreichenden Kaverne die einzige Verbindung vom ersten Bereich mit dem zweiten Bereich ist kann durch die vorgeschlagene Materialauswahl für die Schicht eine Verlust-Wärmeübertragung vom ersten Bereich zum zweiten Bereich nahezu vollständig verhindert werden. Ein Wärmeverlust wird dann im Wesentlichen nur noch durch Strahlungswärme bewirkt, jedoch nicht mehr oder nur noch stark reduziert durch Wärmeleitung.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung mindestens eine weitere Kaverne aufweist. Dabei kann die weitere Kaverne z.B. im ersten Bereich angeordnet sein. Dabei definiert die weitere Kaverne mindestens eine durch den Schichtaufbau gebildete weitere Membran.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Schichtaufbau besonders gut von der Umgebung thermisch isoliert ist. Die weitere Membran ist beispielsweise lediglich an ihren Randbereichen mit dem Trägersubstrat bzw. dem Halbleitersubstrat verbunden. In einer anderen Ausführungsform kann die weitere Kaverne so ausgebildet sein, dass sie nicht das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat vollständig durchdringt. In beiden Fällen kann die Heizleistung bzw. die einzubringende Heizenergie, die notwendig ist, die Festkörperelektrolytschicht auf die Betriebstemperatur zu bringen vorteilhaft weiter reduziert werden. Denn die thermische Masse, die erwärmt wird, ist deutlich reduziert. Sie besteht aus dem Schichtaufbau und dem entlang der Schichtdickenrichtung unterhalb bzw. oberhalb der weiteren Membran befindlichen mit dem Schichtaufbau thermisch leitend verbundenen Material des Trägersubstrats bzw. des Halbleitersubstrats. Weiterhin vorteilhaft wird dadurch die Aufheizzeit reduziert, wodurch die Sensorvorrichtung die Betriebstemperatur schneller erreicht und dadurch schneller einsetzbar ist.
Die weitere Kaverne kann beispielsweise wie die Kaverne ausgebildet sein. Sie kann z.B. das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat vollständig durchdringen. Beispielsweise können die Kaverne und/oder die weitere Kaverne ganz oder teilweise als durchgängiges Fenster von der Vorderseite zur Rückseite ausgebildet sein, beispielsweise als rechteckiges Fenster. Auch andere Formen sind jedoch möglich.
Der Schichtaufbau kann derart auf dem Trägersubstrat bzw. auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht sein, dass die erste poröse Elektrode mindestens eine Oberfläche der weiteren Kaverne bedeckt und die zweite poröse Elektrode auf einer von dem Halbleitersubstrat abgewandten Seite des Schichtaufbaus angeordnet ist. Die Festkörperelektrolytschicht kann die weitere Kaverne an einer Vorderseite des Halbleitersubstrats begrenzen.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran in einem Querschnitt parallel zur Schichtdickenrichtung (z) mindestens ein Profil aufweist, wobei das Profil ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Rechteck-Profil, mindestens einem T-Profil, mindestens einem Doppel-T-Träger-Profil.
Unter dem "Profil" der zweiten Membran wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Querschnitt durch die Membran quer zu einer Erstreckungsrichtung der Membran bzw. im Wesentlichen parallel zur Schichtdickenrichtung verstanden. Dabei weist der Querschnitt eine Querschnittsform auf.
Das Rechteckprofil verfügt hierbei über eine rechteckige Querschnittsform.
Ein einzelnes T-Profil weist zusätzlich zu der rechteckigen Querschnittsform einen rechteckigen Balken auf, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der rechteckigen Querschnittsform erstreckt.
Ein Profil mit einer Mehrzahl von T-Profilen bzw. T-Profilabschnitten weist eine Mehrzahl von zusätzlichen im Wesentlichen senkrecht zur rechteckigen Querschnittsform angeordneten rechteckigen Balken auf. Mit anderen Worten: Ein Profil, welches eine Vielzahl an T-Profilen aufweist, kann insbesondere einen Abschnitt aufweisen, welcher sich entlang der Erstreckungsrichtung der Membran erstreckt und über eine Vielzahl von Stegen verfügen, welche sich in einem Abstand zueinander, insbesondere in einem regelmäßigen Abstand zueinander, quer, insbesondere senkrecht, zu dem Abschnitt ausrichten.
Ein Doppel-T-Träger-Profil kann wie ein T-Profil ausgebildet sein, wobei am von der rechteckigen Querschnittsform abgewandten Ende des dazu senkrechten Balkens ein weiterer Balken angeordnet ist. Dieser weitere Balken kann beispielsweise im Wesentlichen parallel zu der rechteckigen Querschnittsform verlaufen.
Bei einer Mehrzahl von Doppel-T-Träger-Profilen können die weiteren Balken derart miteinander verbunden sein, dass eine zur rechteckigen Querschnittsform im Wesentlichen parallele und im Wesentlichen durchgängig verbundene weitere rechteckige Querschnittsform ausgebildet ist. Mit anderen Worten: ein Profil, welches eine Vielzahl an Doppel-T-Träger-Profilen aufweist, kann sich insbesondere in einen oberen Teil und in einen unteren Teil aufteilen, welche parallel zueinander in der Erstreckungsrichtung der Membran verlaufen bzw. welche parallel zur x-y-Ebene verlaufen. Der erste Teil und der zweite Teil können dabei in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sein, so dass sich hierdurch in der Schichtdickenrichtung (z-Richtung) betrachtet dazwischen eine Lücke ausbildet. Innerhalb der Lücke können hierbei mehrere Stege angeordnet sein, welche sich quer, insbesondere senkrecht, zu der Erstreckungsrichtung der Membran ausrichten. Die Stege können hierbei insbesondere parallel zueinander angeordnet sein.
Dadurch, dass die Membran ein Profil aufweist wird sie vorteilhaft mechanisch gegen Zugspannungen oder Druckspannungen parallel zu ihrer Oberfläche stabilisiert in Folge eines erhöhten Flächenträgheitsmoments. Derartige Spannungen können beispielsweise auftreten, wenn der erste Bereich zumindest abschnittsweise nur mittels der Membran mit dem zweiten Bereich verbunden ist. Die Membran überspannt dabei im Isolierbereich wie eine Brücke den Isolierbereich. Da der erste Bereich eine erheblich höhere Temperatur beim Heizen aufweist als der zweite Bereich dehnt er sich aus und setzt die Membran unter Druckspannung, Beim Zusammenziehen in Folge einer Abkühlung wird die Membran dagegen unter Zugspannung gesetzt (immer betrachtet in einer im Wesentlichen zur Schichtdickenrichtung senkrechten Ebene). Die Ausbildung eines Profils an der Membran kann die Membran mechanisch stabilisieren und die Ausbildung von Rissen verhindern.
Mit anderen Worten kann es beispielsweise während eines Betriebs einer, beispielsweise mikromechanischen, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung im Allgemeinen zu einem Aufheizen der heißen Region kommen, und die Membran kann sich in unerwünschter Weise bzw. unerwünscht stark verformen. Das Verformen kann durch die Profile, wie sie bereits beschrieben wurden oder im Folgenden beschrieben werden, reduziert werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Membran eine Membranvorderseite und eine Membranrückseite umfasst, wobei die Membranrückseite zu der Kaverne hin gerichtet ist, wobei die Membranrückseite eine Vielzahl von zu der Kaverne offenen Einbuchtungen aufweist.
Der Begriff "Einbuchtung" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen offen ausgestalteten Hohlraum. Vorzugsweise kann es sich um einen in die Membran hineinragenden Hohlraum handeln.
Eine Weiterbildung sieht dabei vor, dass die Einbuchtungen einen Querschnitt aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Kreis; einem Polygon, insbesondere einem Dreieck, insbesondere einem Hexagon, wobei die Einbuchtungen insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur angeordnet sind.
Die Einbuchtungen können hierbei auf der Membranrückseite insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur, welche über nebeneinander angeordnete, gleichartige Einbuchtungen verfügt, angeordnet sein.
Durch diese Weiterbildungen wird vorteilhaft eine besonders große mechanische Stabilisierung erreicht. Gleichzeitig ist die Durchtrittsfläche A für einen Wärmeübertrag vom ersten Bereich zum zweiten Bereich über die Membran vorteilhaft immer noch gegeben durch die im Querschnitt parallel zur Schichtdickenrichtung dünnste Stelle der Membran, also die Bereiche mit den Einbuchtungen. So wird bei hoher mechanischer Stabilität der Wärmeverlust stark verringert.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Membran eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 500 µm aufweist, vorzugsweise von 500 nm bis 100 µm.
Dadurch wird die Durchtrittsfläche A für eine Wärmeübertragung durch die Membran vorteilhaft besonders stark reduziert. Gleichzeitig ist diese Dicke ausreichend, um die Membran mechanisch stabil über die gewünschte Betriebsdauer der Sensorvorrichtung auszubilden.
Die Membran kann weiterhin eingerichtet sein, um einen Wärmeübertrag von dem Schichtaufbau zu weiteren Bereichen des Halbleitersubstrats zumindest weitgehend zu reduzieren. Dies kann wie oben dargestellt z.B. durch eine geeignete Materialauswahl und/oder durch eine Strukturierung bzw. Profilierung der Membran bewirkt werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die, beispielsweise mikromechanisch hergestellte, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung ein Sauerstoffsensor oder ein Stickoxidsensor ist.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung mindestens ein Heizelement umfasst, wobei das Heizelement im ersten Bereich angeordnet ist. Das mindestens eine Heizelement kann dazu eingerichtet sein, die Festkörperelektrolytschicht des Schichtaufbaus zu heizen.
Dadurch, dass das Heizelement im ersten Bereich angeordnet ist wird eine nicht notwendige Aufheizung des zweiten Bereichs vorteilhaft vermieden. Auf diese Weise kann die Heizleistung reduziert werden und/oder das Heizelement kleiner dimensioniert werden.
Das Heizelement kann insbesondere mindestens ein elektrisches Heizwiderstandselement umfassen. Das Heizelement kann in einer Richtung senkrecht zur Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen der weiteren Membran und der Membran angeordnet sein.
Die Elektroden-Festkörperelektrolyt-Elektroden-Struktur kann insbesondere in einer Richtung quer zur Schichtdickenrichtung angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das Heizelement beispielsweise den Schichtaufbau zumindest teilweise umschließen. Das Heizelement ist dann also in einer radialen Richtung in der x-y-Ebene der weiteren Membran betrachtet außerhalb der weiteren Membran angeordnet.
Dadurch kann vorteilhaft eine besonders effektive Erwärmung der Schichtanordnung sichergestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Elektroden-Festkörperelektrolyt-Elektroden-Struktur in einer Richtung entlang der Schichtdickenrichtung zwischen dem Heizelement bzw. den Heizelementen angeordnet sein.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Heizelement durch eine die Schicht durchdringende Zuleitung elektrisch kontaktierbar ist. Dadurch lässt sich in besonders einfacher Weise die Schicht, die als Membran ausgebildet sein kann vorteilhaft für zwei Zwecke nutzen: einerseits kann sie den ersten Bereich thermisch vom zweiten Bereich entkoppeln. Zweitens dient sie als Träger für die elektrischen Zuleitungen zum Heizelement und stabilisiert somit die Zuleitungen mechanisch. Denn es kann, wie oben vorgetragen, zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich im Isolierbereich zu starken mechanischen Spannungen kommen, z.B. thermischen Spannungen. Um eine Beschädigung der elektrischen Zuleitungen zum Heizelement zu verhindern können diese vorteilhaft in die mechanisch stabilisierte Membran eingebettet werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1A eine schematische Schnittdarstellung einer Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung;
1B eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung;
2.1.1 bis 2.4.2 Darstellungen verschieden ausgebildeter Membranen einer Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung in Schnittdarstellung entlang einer Erstreckungsrichtung der Membran (2.1.1, 2.2.1, 2.3.1, 2.4.1) und in einer dazu senkrechten Schnittdarstellung (2.1.2, 2.2.2, 2.3.2) bzw. in einer Ansicht der Unterseite der Membran (2.4.2).
Beschreibung der Ausführungsformen
1A zeigt einen Querschnitt in einer x-z-Ebene des eingezeichneten kartesischen Koordinaten-Systems durch eine Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 kann z.B. in herkömmlicher Dickschichttechnologie hergestellt sein, also beispielsweise mit Siebdruckverfahren. Sie kann jedoch auch mikromechanisch hergestellt sein, d.h. beispielsweise unter Verwendung photolithografischer Prozesse aus der Mikrosystemtechnik. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 umfasst dabei ein Trägersubstrat 112. Dieses kann z.B. bei einer mikromechanischen Sensorvorrichtung 110 beispielsweise als Halbleitersubstrat 113 ausgebildet sein, in Dickschichttechnologie kann es ein Keramik-Trägersubstrat sein.
Das Trägersubstrat 112 kann, wenn es als Halbleitersubstrat 113 ausgebildet ist, mindestens ein Halbleitermaterial umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium; einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumcarbid; einer Galliumverbindung, insbesondere Galliumarsenid. Das Halbleitersubstrat 113 kann insbesondere als Chip ausgebildet sein.
Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 umfasst weiterhin mindestens einen Schichtaufbau 118, welcher mindestens eine erste porösen Elektrode 120, mindestens eine zweite porösen Elektrode 122 und eine entlang einer Schichtdickenrichtung (z) zwischen der ersten porösen Elektrode 120 und der zweiten porösen Elektrode 122 eingebettete Festkörperelektrolytschicht 124 aufweist. Der mindestens eine Schichtaufbau 118 ist in einem ersten Bereich 210 des mindestens einen Trägersubstrats 112 angeordnet. Dabei ist der erste Bereich 210 bezüglich einer ersten Ebene (der x-y-Ebene) senkrecht zu der Schichtdickenrichtung (z) von einem zweiten Bereich 220 umgeben.
Die erste poröse Elektrode 120 kann dabei einem Messgasraum zugewandt sein, z.B. einem Abgas, wobei die Sensorvorrichtung 110 wenigstens eine Eigenschaft eines im Messgasraum vorhandenen Gases erfassen soll. Die zweite poröse Elektrode 122 kann dabei einem Referenzgasraum zugewandt sein, in dem z.B. eine definierte Sauerstoffkonzentration vorliegt.
Alternativ kann die erste Elektrode 120 dem Referenzgasraum zugewandt sein und die zweite Elektrode 122 dem Messgasgasraum.
Im eingezeichneten kartesischen Koordinatensystem entspricht die Schichtdickenrichtung (z) also der z-Richtung während sich die flächige Erstreckung des Schichtaufbaus 118 in der zur Schichtdickenrichtung senkrechten x-y-Ebene erstreckt. Dargestellt ist im Querschnitt der 1A nur die x-z-Ebene. Die y-Richtung erstreckt sich in die Bildebene hinein.
Dabei ist zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Bereich 210 und dem zweiten Bereich 220 ein Isolierbereich 230 vorgesehen. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich 230 geringer als die Wärmeleitfähigkeit im zweiten Bereich 220. In der dargestellten Ausführungsform kann dies beispielsweise durch die Verwendung eines Materials im Isolierbereich 230 bewirkt werden, dessen spezifische Wärmeleitfähigkeit λ geringer ist als die spezifische Wärmeleitfähigkeit λ des den Isolierbereich 230 umgebenden zweiten Bereichs 220. Beispielsweise können der erste Bereich 210 und der zweite Bereich 220 zumindest teilweise aus demselben Material ausgebildet sein und z.B. Silizium umfassen.
Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 kann weiterhin mindestens ein Heizelement 140 umfassen, welches im ersten Bereich 210 angeordnet ist. Dieses Heizelement 140 ist dafür eingerichtet, die Schichtanordnung 118 und vor allem die Festkörperelektrolytmembran 124 zu heizen. Das Heizelement 140 kann die Schichtanordnung 118 in der ersten Ebene (x-y-Ebene) betrachtet radial außen zumindest teilweise umgeben.
Wenn das Heizelement 140 beheizt wird, so erwärmt es neben der Schichtanordnung 118 durch Wärmeleitung auch den zweiten Bereich 220. Der Wärmeabfluss in den zweiten Bereich 220 ist durch Pfeile mit dem Bezugszeichen „Q“ dargestellt. Der Wärmeabfluss Q pro Zeit in den zweiten Bereich 220 ergibt sich aus Gleichung (1) oben. Der erwärmte erste Bereich 210 steht über eine Durchtrittsfläche A, von der in der dargestellten Schnittzeichnung nur eine eindimensionale Linie zu erkennen ist, mit dem zweiten Bereich 220 über den Isolationsbereich 230 in wärmeleitender Verbindung. Eine Breite d des Isolierbereichs 230 ist der dritte Parameter aus der Gleichung (1), der den unerwünschten Wärmeabfluss vom ersten Bereich 210 in den zweiten Bereich 220 beeinflusst. Durch eine geeignete Wahl der Breite d und/oder der Durchtrittsfläche A und/oder der (gemittelten) Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich 230 kann die Wärme-Verlustleistung, d.h. der Wärmefluss vom ersten Bereich 210 in den zweiten Bereich 220, gezielt verringert werden.
1B zeigt eine weitere Ausführungsform einer Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110, die hier mikromechanisch ausgebildet bzw. hergestellt ist. Gleiche Bezugszeichen wie in 1A kennzeichnen Elemente mit gleichen Funktionen.
Wie in 1A umfasst die in 1B dargestellte Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 mindestens einen Schichtaufbau 118 mit mindestens einer ersten porösen Elektrode 120, mindestens einer zweiten porösen Elektrode 122 und einer in Schichtdickenrichtung (z) betrachtet zwischen der ersten porösen Elektrode 120 und der zweiten porösen Elektrode 122 eingebetteten Festkörperelektrolytschicht 124.
Die erste poröse 120 Elektrode kann dabei einem Messgasraum zugewandt sein und die zweite poröse Elektrode 122 einem Referenzgasraum. Alternativ kann die erste Elektrode 120 dem Referenzgasraum zugewandt sein und die zweite Elektrode 122 dem Messgasgasraum.
Das Trägersubstrat 112 kann hierbei entlang der Schichtdickenrichtung (z) betrachtet eine Vorderseite 114 (in der Figur oben) und eine Rückseite 116 (in der Figur unten) aufweisen.
Der Schichtaufbau 118 kann zumindest teilweise auf bzw. in der Vorderseite 114 des als Halbleitersubstrat 113 ausgebildeten Trägersubstrats 112 angeordnet sein. Der Schichtaufbau 118 und ein den Schichtaufbau 118 zumindest abschnittsweise umgebendes Heizelement 140 sind in dem ersten Bereich 210 angeordnet.
Vom ersten Bereich 210 radial nach außen in der x-y-Ebene betrachtet schließt sich an den ersten Bereich 210 der Isolierbereich 230 an, der wiederum an den zweiten Bereich 220 angrenzt.
Die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 umfasst mindestens eine Schicht 126 bzw. Isolationsschicht 126, welche auf der Vorderseite 114 des Halbleitersubstrats 113 angeordnet sein kann. Die Schicht 126 kann bezüglich des Halbleitersubstrats 113 thermisch isolierend ausgebildet sein, d.h., sie kann eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit λ aufweisen als der zweite Bereich 220. Sie kann z.B. aus einem Material gebildet sein, welches mindestens ein Isolationsmaterial umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, insbesondere Polyimid. Die Isolationsschicht 126 kann insbesondere eingerichtet sein, um den Schichtaufbau 118 von dem Halbleitersubstrat 113 zu isolieren.
Weiterhin umfasst die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 mindestens eine Kaverne 130, die im Isolierbereich 230 angeordnet ist. Die Kaverne 130 kann beispielsweise als rechteckiges Fenster ausgebildet sein und den ersten Bereich 210 abschnittsweise oder auch vollständig umgeben (in der x-y-Ebene betrachtet). Die Kaverne 130 kann das Halbleitersubstrat 113 vollständig durchdringen. Die Kaverne 130 definiert mindestens eine Membran 134, die somit zumindest teilweise im Isolierbereich 230 angeordnet ist. Die Membran 134 überbrückt im Isolierbereich 230 die Kaverne 130 und verbindet den ersten Bereich 210 mit dem zweiten Bereich 220. Die Membran 134 kann z.B. im Isolierbereich 230, zumindest in den Abschnitten, in denen die Kaverne 130 angeordnet ist, die einzige Verbindung zwischen dem ersten Bereich 210 und dem zweiten Bereich 220 darstellen. Eine Wärmeleitung kann dann nur durch die Schicht 126 erfolgen. Hierbei wird die Wärmeübertragung durch Strahlung nicht berücksichtigt. Somit ist die Wärmedurchtrittsfläche A im Isolierbereich 230 deutlich reduziert – denn diese Fläche A ist nur noch die Querschnittsfläche der Membran 134. Alternativ oder zusätzlich ist wegen der geringen spezifischen Wärmeleitfähigkeit von Gasen die (gemittelte) Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich 230 gegenüber der Wärmeleitfähigkeit im zweiten Bereich 220 deutlich reduziert.
Die Membran 134 kann eingerichtet sein, um einen Wärmeübertrag von dem Schichtaufbau 118 zu weiteren Bereichen des Halbleitersubstrats 113 zumindest weitgehend zu reduzieren. Die Membran 134 kann eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 500 µm aufweisen, vorzugsweise von 500 nm bis 100 µm.
Der Schichtaufbau 118 kann derart auf dem Halbleitersubstrat 113 aufgebracht sein, dass die erste poröse Elektrode 120 mindestens eine Oberfläche 136 einer weiteren Kaverne 128 bedeckt. Die weitere Kaverne 128 ist im ersten Bereich 210 angeordnet. Die weitere Kaverne 128 kann grundsätzlich ähnlich ausgebildet sein wie die Kaverne 130. Die weitere Kaverne 134 kann z.B. das Halbleitersubstrat 113 wie die Kaverne 130 ebenfalls in Schichtdickenrichtung (z) betrachtet vollständig durchdringen. Die weitere Kaverne 134 kann mindestens eine durch den Schichtaufbau 118 gebildete weitere Membran 132 definieren. Diese weitere Membran 132 kann durch den Schichtaufbau 118 gegeben sein.
Die zweite poröse Elektrode 122 kann auf einer von dem Halbleitersubstrat 113 abgewandten Seite 138 des Schichtaufbaus 118 angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht 124 kann die weitere Kaverne 128 an der Vorderseite 114 des Halbleitersubstrats 113 begrenzen.
Das Heizelement 140 kann in der x-y-Ebene betrachtet zwischen der weiteren Membran 132 und der Membran 134, insbesondere auf der Vorderseite 114 des Halbleitersubstrats 113 angeordnet sein. Das Heizelement 140 kann insbesondere eingerichtet sein, um die Festkörperelektrolytschicht 124 des Schichtaufbaus 118 zu heizen. Das Heizelement kann durch eine, die Schicht 126 durchdringende bzw. eine in die Schicht 126 eingebettete Zuleitung 142 elektrisch kontaktierbar sein. Die (mikromechanische) Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 kann weiterhin mindestens einen elektrischen Kontakt 144 aufweisen.
Die 2.1.1 bis 2.4.2 zeigen jeweils Ausführungsbeispiele für die Membran 134 im Isolierbereich 230 der erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 aus 1B. Die Membran 134 ist in den 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 und 2.4.1 jeweils in einer Schnittdarstellung in der x-z-Ebene dargestellt. Es ist somit ein Ausschnitt dargestellt, der den Isolierbereich 230 darstellt und in der Figur links und rechts davon den sich anschließenden zweiten Bereich 220 bzw. den ersten Bereich 210.
In den 2.1.2, 2.2.2 und 2.3.2 ist die Membran 134 jeweils in einer Schnittdarstellung quer, insbesondere senkrecht, zu der Schnittdarstellung aus den 2.2.1, 2.2.1, 2.3.1 und 2.4.1, also in einem Schnitt in der y-z-Ebene dargestellt, entsprechend den angedeuteten Schnittlinien aus den 2.1.1, 2.2.1 und 2.3.1.
In 2.4.2 ist eine Rückseite 148 der Membran 134 gezeigt, also eine Aufsicht auf die x-y-Ebene.
Die Membran 134 kann quer, insbesondere senkrecht, zu ihrer Erstreckungsrichtung 146 im dargestellten Schnitt (hier entspricht die Erstreckungsrichtung also der x-Richtung) mindestens ein Profil 150 aufweisen. Beispielsweise kann die Membran 134, wie in den 2.1.1 und 2.1.2 dargestellt, ein Rechteckprofil 152 aufweisen.
Alternativ, kann die Membran 134, wie in den 2.2.1 und 2.2.2 dargestellt, beispielsweise über mindestens ein T-Profil 154 verfügen. Insbesondere kann die Membran 134 eine Vielzahl von T-Profilen 154 aufweisen.
Alternativ kann die Membran 134, wie in den 2.3.1 und 2.3.2 gezeigt, über ein Profil 150 verfügen, welches mindestens ein Doppel-T-Träger-Profil 156 umfasst. Insbesondere kann die Membran 134 eine Vielzahl von Doppel-T-Träger-Profilen 156 aufweisen, wodurch eine Membran 134 geschaffen wird, welche zwei zueinander im Wesentlichen parallele, zusammenhängende Schichten aufweist, die entlang der Schichtdickenrichtung (z) voneinander beabstandet ausgebildet sind. In der Lücke zwischen den beiden Schichten sind die zu der Schichterstreckung senkrechten Balken in der Art von Stegen ausgebildet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann, wie in den 2.4.1 und 2.4.2 dargestellt, die Rückseite 148 der Membran 134 eine Vielzahl von zu der Kaverne 130 offenen Einbuchtungen 158 aufweisen. Die Membran 134 kann eine Membranvorderseite 160 und eine Membranrückseite 162 bzw. Rückseite 148 der Membran umfassen. Die Membranrückseite 162 kann zu der Kaverne 134 hin gerichtet sein. Die Membranrückseite 162 kann die Einbuchtungen 158 aufweisen.
Die Einbuchtungen 158 können, wie insbesondere aus 2.4.2 hervorgeht, über einen rechteckigen Querschnitt 164 verfügen. Die Einbuchtungen 158 können hierbei, wie weiterhin aus 2.4.2 hervorgeht, insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur 166 angeordnet sein.
Durch die Ausbildung der Profile bzw. die Ausbildung der Struktur mit den Einbuchtungen 158 erhöht sich das Flächenträgheitsmoment der Membran 134 erheblich, ohne dass wesentlich mehr Wärme über die Membran 134 vom ersten Bereich 210 in den zweiten Bereich 220 abfließen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012201304 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Menzel et al., Origin of the Ultra-nonlinear Switching Kinetics in Oxide-Based Resitive Switches, Adv. Funct. Mater., Band 21, Seiten 4487–4492, 2011 [0003]

Claims

Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases, wobei die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) insbesondere mikromechanisch ausgebildet ist, die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) umfassend: • mindestens ein Trägersubstrat (112), insbesondere als Halbleitersubstrat (113) ausgebildet; • mindestens einen Schichtaufbau (118), welcher mindestens eine erste porösen Elektrode (120), mindestens eine zweite porösen Elektrode (122) und eine entlang einer Schichtdickenrichtung (z) zwischen der ersten porösen Elektrode (120) und der zweiten porösen Elektrode (122) eingebettete Festkörperelektrolytschicht (124) aufweist; wobei der mindestens eine Schichtaufbau (118) in einem ersten Bereich (210) des mindestens einen Trägersubstrats (112) angeordnet ist, wobei der erste Bereich (210) bezüglich einer ersten Ebene (x, y) senkrecht zu der Schichtdickenrichtung (z) von einem zweiten Bereich (220) umgeben ist, wobei zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Bereich (210) und dem zweiten Bereich (220) ein Isolierbereich (230) vorgesehen ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit im Isolierbereich (230) geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit im zweiten Bereich (220).
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Isolierbereich (230) wenigstens ein Material umfasst, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich (220).
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Isolierbereich (230) wenigsten ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, insbesondere Polyimid.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Isolierbereich eine Kaverne (130) ausgebildet ist, wobei insbesondere die Seitenwände der Kaverne (130) durch die dem zweiten Bereich (220) zugewandten Außenwände (212) des ersten Bereichs (210) und durch die dem ersten Bereich (210) zugewandten Außenwände (222) des zweiten Bereichs (220) gebildet sind, wobei sich die Seitenwände der Kaverne insbesondere im Wesentlichen parallel zur Schichtdickenrichtung erstrecken.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach Anspruch 4, wobei auf dem Trägersubstrat (112) eine Schicht (126) angeordnet ist, wobei die Schicht (126) sich vom ersten Bereich (210) bis in den zweiten Bereich (220) erstreckt, wobei die Schicht (126) insbesondere in ihren an die Kaverne (130) grenzenden Abschnitten als Membran (134) ausgebildet ist.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Kaverne (130) entlang der Schichtdickenrichtung (z) betrachtet das Trägersubstrat (112), insbesondere das Halbleitersubstrat (113), vollständig durchdringt.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Kaverne (130) zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich (220), wobei die Kaverne insbesondere zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, insbesondere Polyimid; und/oder wobei die Schicht (126) wenigstens ein Material umfasst, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich (220), wobei die Schicht (126) insbesondere wenigsten ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; einem isolierenden Kunststoff, insbesondere Polyimid.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) mindestens eine weitere Kaverne (128) aufweist, wobei die weitere Kaverne (128) insbesondere im ersten Bereich (210) angeordnet ist, wobei die weitere Kaverne (128) mindestens eine durch den Schichtaufbau (118) gebildete weitere Membran (132) definiert.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (134) in einem Querschnitt parallel zur Schichtdickenrichtung (z) mindestens ein Profil (150) aufweist, wobei das Profil (150) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Rechteck-Profil (152), mindestens einem T-Profil (154), mindestens einem Doppel-T-Träger-Profil (156).
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (134) eine Membranvorderseite (160) und eine Membranrückseite (162) umfasst, wobei die Membranrückseite (162) zu der Kaverne (130) hin gerichtet ist, wobei die Membranrückseite (162) eine Vielzahl von zu der Kaverne (130) offenen Einbuchtungen (158) aufweist.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einbuchtungen (158) einen Querschnitt (164) aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Kreis; einem Polygon, insbesondere einem Dreieck, insbesondere einem Hexagon, wobei die Einbuchtungen (158) insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur (166) angeordnet sind.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (134) eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 500 µm aufweist.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) mindestens ein Heizelement (140) umfasst, wobei das Heizelement (140) im ersten Bereich (210) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Heizelement (140) insbesondere eingerichtet ist, um die Festkörperelektrolytschicht (124) des Schichtaufbaus (118) zu heizen.
Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Heizelement (140) durch eine die Isolationsschicht (126) durchdringende Zuleitung (142) elektrisch kontaktierbar ist.
Verfahren zur Messung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, umfassend eine Verwendung der Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei die zweite poröse Elektrode (122) mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt wird und – wobei die erste poröse Elektrode (120) mit einem Referenzgas beaufschlagt wird, – wobei das Verfahren weiterhin eine Erfassung mindestens eines elektrischen Signals an einer Elektrode umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: der ersten porösen Elektrode (120) und der zweiten porösen Elektrode (122).