DE102015225176A1

DE102015225176A1 - Micromechanical solid electrolyte sensor device

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).A solid-state electrolyte sensor device (110) for detecting at least one property of a gas and a method for measuring a property of a gas in a sample gas space are proposed. The solid electrolyte sensor device (110) comprises: • at least one carrier substrate (112); At least one layer structure comprising at least one first porous electrode, at least one second porous electrode and one along a layer thickness direction between the first porous electrode and the second porous electrode embedded solid electrolyte layer (124). In this case, the at least one layer structure (118) is arranged in a first region (210) of the at least one carrier substrate (112). In this case, the first region (210) is surrounded by a second region (220) with respect to a first plane (x, y) perpendicular to the layer thickness direction (z). In this case, at least in sections, an insulating region (230) is provided between the first region (210) and the second region (220). The thermal conductivity in the insulating region (230) is less than the thermal conductivity in the second region (220).

Description

Stand der TechnikState of the art

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. Sensor devices, in particular oxygen sensors and nitrogen oxide sensors, based on a solid electrolyte are known from the prior art. For example, these are used as so-called lambda sensors in the automotive sector, in particular for detecting an air ratio of an air-fuel mixture. Alternatively, such sensors are used as nitrogen oxide sensors. Such sensor devices are currently typically manufactured by screen printing and / or thick film technology. Examples include so-called lambda jump probes. However, so-called broadband lambda probes can also be mentioned here.

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. Out DE 10 2012 201304 A1 For example, a micromechanical solid electrolyte sensor device and a corresponding manufacturing method are known. The micromechanical solid-state electrolyte sensor device has a micromechanical carrier substrate having a front side and a rear side, a first porous electrode and a second porous electrode and a solid electrolyte embedded between the first porous electrode and a second porous electrode.

Um einen Sensor als Lambdasonde oder als Stickoxid-Sensor einsetzen zu können kann beispielsweise eine Betriebstemperatur von mehr als 300°C, teilweise sogar von mehr als 500°C erforderlich sein. Denn grundsätzlich kann eine Mobilität von Ionen durch einen Festkörperelektrolyten durch die Temperatur des Sensors bzw. des Festkörperelektrolyten gesteuert werden. Dies ist beispielsweise aus Menzel et al., Origin of the Ultra-nonlinear Switching Kinetics in Oxide-Based Resitive Switches, Adv. Funct. Mater., Band 21, Seiten 4487–4492, 2011 , bekannt. In order to use a sensor as a lambda probe or as a nitrogen oxide sensor, for example, an operating temperature of more than 300 ° C, sometimes even more than 500 ° C may be required. In principle, a mobility of ions through a solid electrolyte can be controlled by the temperature of the sensor or the solid-state electrolyte. This is for example off Menzel et al., Origin of the Ultra-Nonlinear Switching Kinetics in Oxide-Based Resitive Switches, Adv. Funct. Mater., Vol. 21, pp. 4487-4492, 2011 , known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es hat sich gezeigt, dass Sensorvorrichtungen mit Heizelementen zum Erreichen und Halten der Betriebstemperatur versehen werden können. Zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases wird zum Erreichen dieser 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.It has been found that sensor devices can be provided with heating elements for achieving and maintaining the operating temperature. To detect at least one property of a gas, to achieve this operating temperature both in sensor devices fabricated in conventional thick film technology and in sensor devices fabricated in micromechanical construction, high power is required to heat up to the high operating temperature and maintain the high operating temperature needed. Also, long heating times may be necessary. Also, large quantities of precious metals are required due to the design of the micromechanical sensor to make the heating elements, eg of platinum alloys. For the heating power P of a heating element or a Heizleiterbahn results according to the relation P = U ² / R, with U as a voltage applied and R as the electrical resistance of the heating element. The resistance R is given by the relation R = ρ · A _H / l. Where ρ is the specific electrical resistance, A _{H is} the cross-sectional area of the heating conductor and l is its length. Platinum may be required as a material to withstand great heat and, for example, aggressive fumes over life. Since the length l is usually predetermined and the material must be adapted to the ambient conditions, essentially the cross section A _{H can be} changed in order to generate the required heating power. Length l multiplied by the cross section A _H gives the volume of material that is required for a desired heat output.

Mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtungen weisen gegenüber herkömmlichen Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtungen bereits einige Vorteile auf. So bieten diese insbesondere Ansätze, um die Sensorvorrichtungen zu miniaturisieren, indem beispielsweise eine Herstellung mittels 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.Micromechanical solid electrolyte sensor devices already have some advantages over conventional solid electrolyte sensor devices. In particular, these offer approaches to miniaturize the sensor devices by, for example, producing by microsystem semiconductor processes. In many cases, a semiconductor material, for example silicon, serves as a substrate for a thin-film membrane made of an oxygen-ion-conducting functional ceramic. Due to the miniaturization, the area to be heated can be reduced, which reduces the heating power. The heating up times can also be shortened.

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.Nevertheless, comparatively high power, e.g. an electrical power required to bring the sensor to operating temperature or to maintain the operating temperature.

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) The high heat output in the range of several watts up to 50 watts is required on the one hand to bring the solid electrolyte membrane to the operating temperature. However, it has been shown that heating the solid electrolyte membrane drains a large proportion of the heating power into the surrounding areas, where the large amount of heat is not needed at all. This applies both to thick-film technology and to micromechanically produced sensors. The heat flow is simplified according to the following equation (1): dQ / dt = λ · (A / d) · 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.DQ / dt is the heat output that flows out of the system per unit of time, its unit is watt. Here, only the heat flow is considered, but not radiant heat. λ represents the specific thermal conductivity that is material dependent, its unit is watts per milli-Kelvin (W / mK). A corresponds to the area through which the Heat flows, d corresponds to the thickness of the body from wall to wall and ΔT corresponds to the temperature difference between the measuring points. In the case of the sensor, for example, ΔT corresponds to the temperature difference between a first temperature T1, eg at the location of the heater and a second temperature T2, for example on an outside of the sensor, ΔT = T1-T2. For example, in the case of a planar sensor with a heater arranged in the plane of the surface, the area A corresponds to the area that results as a wall surface when the sensor is cut around the heater. The thickness d results as the distance in the area from the location at which the first temperature T1 is determined and the location at which the second temperature T2 is determined.

Die Temperaturdifferenz und damit der Wärmeabfluss können sehr groß werden. Dies resultiert aus der hohen Betriebstemperatur von mehr als 300°C und Temperaturen, die ungefähr bei Raumtemperatur (25°C) liegen können an einer Außenseite des Sensors.The temperature difference and thus the heat flow can be very large. This results from the high operating temperature of more than 300 ° C and temperatures that can be approximately at room temperature (25 ° C) on an outside of the sensor.

Es kann daher ein Bedarf bestehen, einen Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases bereitzustellen, der die Betriebstemperatur mit 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.There may therefore be a need to provide a sensor for detecting at least one property of a gas that achieves and maintains the low power operating temperature and that achieves the operating temperature as quickly as possible. Basically, these properties are desirable both in conventional thick-film sensors as well as in microsystem sensors.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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. Accordingly, in the context of the present invention, a, in particular micromechanical, solid-state electrolyte sensor device and a method for measuring a property of a gas, in particular an oxygen content and / or an air number, are proposed which at least partially obviate or overcome the abovementioned disadvantages and limitations. These are shown in the independent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases vorgeschlagen. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung kann beispielsweise mikromechanisch ausgebildet sein. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung umfasst dabei mindestens ein Trägersubstrat. Das Trägersubstrat kann dabei z.B. als Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens einen Schichtaufbau, welcher mindestens eine erste porösen Elektrode, mindestens eine zweite poröse Elektrode und eine entlang einer Schichtdickenrichtung zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode eingebettete 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.According to a first aspect of the invention, a solid electrolyte sensor device for detecting at least one property of a gas is proposed. The solid-state electrolyte sensor device may be micromechanically formed, for example. The solid electrolyte sensor device comprises at least one carrier substrate. The carrier substrate may be e.g. be formed as a semiconductor substrate. The solid-state electrolyte sensor device further comprises at least one layer structure having at least a first porous electrode, at least one second porous electrode, and a solid electrolyte layer embedded along a layer thickness direction between the first porous electrode and the second porous electrode. The at least one layer structure is arranged in a first region of the at least one carrier substrate. In this case, the first region is surrounded by a second region with respect to a first plane perpendicular to the layer thickness direction. In this case, at least in sections, an insulating region is provided between the first region and the second region. The insulating region is, for example, arranged transversely or perpendicular to the layer thickness direction between the first and second region. The thermal conductivity in the insulating region is less than the thermal conductivity in the second region.

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).Here, the layer thickness direction is understood as meaning a direction perpendicular to the layer plane of the layer structure or, in particular, the solid electrolyte layer. It is assumed that the layer structure, in particular the solid electrolyte layer, has a smaller extent in the layer thickness direction (for example a z direction in a Cartesian coordinate system) than in the planar extension plane of the layer structure (for example the x-y plane of the Cartesian coordinate system).

Dabei ist in diesem Kontext unter dem Begriff der Wärmleitfähigkeit diejenige Wärmeleitfähigkeit zu verstehen, die sich bei einer Mittelung über den 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.In this context, the term "thermal conductivity" is to be understood as meaning the thermal conductivity that results when averaging over the cross section (for example, parallel to the layer thickness direction between the first region and the second region). In other words, the specific heat conductivity values along a cross-sectional area are weighted according to their proportion in the cross section and thus give the heat conductivity relevant for the cross section. The heated layer structure has along the layer thickness direction e.g. a first thickness in the first area. The carrier substrate or the semiconductor substrate have a second thickness along the layer thickness direction in the second region. The thermal conductivity can now be determined via the weighted averaging of the specific heat conductivities along the thicker of the two thicknesses or along the total thickness of the two thicknesses, if they are arranged offset from one another along the layer thickness direction.

Erfindungswesentlich ist dabei, dass im Isolierbereich die Wärmeleitfähigkeit geringer ist als im zweiten Bereich, der z.B. an den Isolierbereich angrenzen kann, beispielsweise unmittelbar angrenzen kann, so dass ein Wärmeabfluss von inneren Bereichen nach außen verringert wird.It is essential to the invention that in the insulating region the thermal conductivity is lower than in the second region, which is e.g. can adjoin the insulating region, for example, can directly adjoin, so that a heat flow from inner regions is reduced to the outside.

Dadurch kann gemäß der oben angeführten Gleichung (1) der Wärmefluss vom ersten Bereich in den zweiten Bereich verringert werden, indem der Term für die (gemittelte) Wärmeleitfähigkeit λ verringert wird. Die Heizleistung kann so vorteilhaft reduziert werden, da die eingetragene Heizleistung relativ betrachtet zu einem größeren Anteil in die Aufheizung der Schichtanordnung und zum Halten der Betriebstemperatur verwendet wird. Mit anderen Worten lässt sich die Verlust-Heizleistung deutlich reduzieren. Auch kann die Zeit deutlich verkürzt werden, die benötigt wird, um den Sensor bzw. die Schichtanordnung aus einer Ruhetemperatur auf die Betriebstemperatur zu heizen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Heizelemente kleiner dimensioniert werden können, z.B. in ihrem Querschnitt 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.Thereby, according to the above-mentioned equation (1), the heat flow from the first region to the second region can be reduced by the term for the (averaged) thermal conductivity λ is reduced. The heating power can be reduced so advantageous, since the registered heating power is relatively considered to a greater extent in the heating of the layer arrangement and to maintain the operating temperature is used. In other words, the loss of heating power can be significantly reduced. Also, the time that is required to heat the sensor or the layer arrangement from a quiescent temperature to the operating temperature can be significantly shortened. Another advantage is that the heating elements can be made smaller, for example in their cross-section A _H , which in principle an amount of precious metals required in particular for a production can be reduced. The sensor device can be made more compact and cheaper. The insulating region acts in the manner of a thermal insulating layer, which may for example be arranged substantially parallel to the layer thickness direction.

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.A "solid-state electrolyte sensor device" is generally to be understood as meaning a sensor device which uses at least one solid electrolyte, that is to say at least one solid material which is designed to conduct ions, for example oxygen ions. The solid electrolyte sensor device may in particular be designed to detect at least one property of a gas. The property of the gas may in this case be in particular an oxygen content and / or an air ratio and / or a proportion of a component in the gas, in particular an oxygen compound in the gas, in particular a NOx component. The micromechanically produced solid electrolyte sensor device, for example, can be set up to qualitatively and alternatively or additionally also quantitatively detect the property of the gas. The solid electrolyte sensor device may in particular be an oxygen sensor or a nitrogen oxide sensor. However, other solid electrolyte sensor devices are conceivable in principle. Such sensors can be used in particular in exhaust systems. However, other applications are also conceivable.

Unter einem “Festkörperelektrolyten“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit 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. In the context of the present invention, a "solid-state electrolyte" is to be understood as meaning a solid having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. In particular, the solid electrolyte may comprise zirconia, preferably yttria-stabilized zirconia. Other materials are also conceivable.

Unter dem Begriff "mikromechanisch" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft einer dreidimensionalen Struktur zu verstehen, welche Dimensionen im Mikrometerbereich, d.h. im Bereich unterhalb von 1 mm, aufweist. Beispielsweise können dies Breiten von Kavernen, Schichtdicken von Membranen oder ähnliche charakteristische Dimensionen sein, welche in 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.The term "micromechanical" in the context of the present invention is generally to be understood as meaning the property of a three-dimensional structure which has dimensions in the micrometer range, i. in the range below 1 mm. For example, these may be widths of caverns, layer thicknesses of membranes or similar characteristic dimensions that are within this range. Compared to conventional sensor devices, which are usually produced in thick-film technology using screen-printing methods, micromechanical sensor devices are produced, at least in large part, with microsystem technology processes. These can be, for example, photolithographic processes known from semiconductor technology, as well as etching steps for structuring surfaces.

Unter einem „Trägersubstrat“ ist hierbei ein Substrat zu verstehen, das geeignet ist, um daraus dir Schichtanordnung auszubilden oder die Schichtanordnung darin bzw. darauf anzuordnen. Das Trägersubstrat kann dabei z.B. eine flächige Erstreckung in einer Ebene haben und eine Dicke aufweisen, die z.B. erheblich geringer ist als die Erstreckung in der Ebene. Es kann sich z.B. um ein keramisches Trägersubstrat handeln oder um ein Halbleiter-Trägersubstrat bzw. ein Halbleitersubstrat.A "carrier substrate" here is to be understood as meaning a substrate which is suitable for forming a layer arrangement for you or for arranging the layer arrangement therein. The carrier substrate may be e.g. have a planar extension in a plane and have a thickness, e.g. is considerably less than the extension in the plane. It can be e.g. to act a ceramic carrier substrate or a semiconductor carrier substrate or a semiconductor substrate.

Unter einem "Halbleitersubstrat" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebig geformter Halbleiter zu verstehen. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat ein scheibenförmiges oder plattenförmiges 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. Under a "semiconductor substrate" in the context of the present invention is basically an arbitrarily shaped semiconductor to understand. For example, the semiconductor substrate may be a disk-shaped or plate-shaped semiconductor substrate. The semiconductor substrate may be formed in particular as a chip. The semiconductor substrate may further comprise at least one semiconductor material selected from the group consisting of: silicon; a silicon compound, in particular silicon carbide; a gallium compound, in particular gallium arsenide. However, further materials are conceivable in principle.

Unter einem "Schichtaufbau" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Aufeinanderfolge von einer oder von mehreren Schichten zu verstehen. Beispielsweise können die Schichten übereinander angeordnet sein. Die Schichten können sich ganz oder teilweise bedecken bzw. überdecken. Beispielsweise können die Schichten nebeneinander angeordnet sein. Jedoch sind die erste Elektrode, die Festkörperelektrolytschicht und die zweite Elektrode entlang der Schichtdickenrichtung (z) angeordnet, also übereinander. Die Schichten können beispielsweise jeweils eine Dicke von 100 nm bis 500 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. Under a "layer structure" in the context of the present invention is basically any sequence of one or more layers to understand. For example, the layers can be arranged one above the other. The layers can cover or cover themselves completely or partially. For example, the layers may be arranged next to one another. However, the first electrode, the solid electrolyte layer and the second electrode along the layer thickness direction (z) are arranged, so one above the other. The layers may, for example, each have a thickness of 100 nm to 500 microns. Other dimensions are possible in each case. The layer structure may further comprise layers of different materials. The layer structure may comprise several layers of the same material. Each layer alone may be unstructured or may also have a structure in a layer plane. Other embodiments are conceivable in principle.

Unter einer "Elektrode" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zum Austausch von Ionen bzw. Elektronen zwischen dem Element und einem Festkörperelektrolyten zu verstehen. Insbesondere können mittels der Elektrode mittels Ionen in den Festkörperelektrolyten eingebracht werden, beispielsweise Sauerstoffionen, was auch als "Einbau" der Ionen bezeichnet wird, und/oder Ionen aus dem Festkörperelektrolyten ausgetragen werden und beispielsweise in ein Gas umgewandelt werden, beispielsweise Sauerstoffgas, wobei dieser Vorgang auch als "Ausbau" der Ionen bezeichnet werden kann. Bei den Elektroden kann es sich somit insbesondere um elektrische Kontakte zur elektrischen und/oder ionischen Kontaktierung eines Festkörperelektrolyten handeln. An "electrode" in the context of the present invention generally means an element for the exchange of ions or electrons between the element and a solid electrolyte. In particular, by means of the electrode can be introduced by means of ions in the solid electrolyte, for example oxygen ions, which is also referred to as "incorporation" of the ions, and / or ions are discharged from the solid electrolyte and, for example, converted into a gas, for example oxygen gas, this process can also be referred to as "expansion" of the ions. The electrodes may thus be, in particular, electrical contacts for the electrical and / or ionic contacting of a solid electrolyte.

Unter einer "Porosität" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches als dimensionslose Messgröße zu verstehen. Diese Messgröße kann insbesondere in Prozent angegeben werden. Beispielsweise kann die erste poröse Elektrode und/oder die zweite poröse Elektrode ein elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial mit einer Porosität von mindestens 3% aufweisen, bevorzugt von mindestens 5%, besonders bevorzugt von mindestens 10%, ganz besonders bevorzugt von mindestens 20% oder sogar von mindestens 40%. Bei einer Einstellung der Porosität kann es wünschenswert sein, dass zumindest teilweise eine durchgängige Leitfähigkeit der ersten porösen Elektrode und/oder der zweiten porösen Elektrode vorliegt, indem vorzugsweise eine Bildung von isolierten Inseln zumindest weitgehend reduziert wird. In the context of the present invention, a "porosity" is to be understood as meaning a ratio of void volume to total volume of a substance or mixture of substances as a dimensionless measured variable. This measure can be specified in particular in percent. For example, the first porous electrode and / or the second porous electrode may comprise an electrically conductive electrode material having a porosity of at least 3%, preferably at least 5%, more preferably at least 10%, most preferably at least 20% or even at least 40%. When the porosity is adjusted, it may be desirable for at least partial continuity of the first porous electrode and / or the second porous electrode to be present, preferably by at least substantially reducing formation of isolated islands.

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. The porous, electrically conductive electrode material may comprise at least one ceramic compound, in particular composite materials of ceramic materials with a metallic matrix. The porous, electrically conductive electrode material may in this case comprise at least one metal, in particular platinum, palladium, gold, or copper, or a metallic alloy. Furthermore, nitrogen-doped graphene can be used. In particular, nitrogen-doped graphene can be used due to a catalytic effect. In principle, however, any material with electrically conductive properties can be used. The porous electrically conductive electrode material may further comprise at least one ceramic material, preferably selected from the group consisting of: alumina, zirconia. Other materials are basically usable.

Die erste poröse Elektrode und die zweite poröse Elektrode können Poren aufweisen, derart, dass ein Gasdurchtritt durch die erste poröse Elektrode und/oder die zweite poröse Elektrode möglich ist. So kann beispielsweise ein Gasdurchtritt durch die Elektroden erfolgen, wobei das Gas, z.B. Sauerstoff O₂, an einer Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Festkörperelektrolyten in Ionen, z.B. Sauerstoff-Ionen 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.The first porous electrode and the second porous electrode may have pores such that gas passage through the first porous electrode and / or the second porous electrode is possible. Thus, for example, a gas passage through the electrodes take place, wherein the gas, for example oxygen O ₂ , at an interface between the electrode and the solid electrolyte in ions, such as oxygen ions O ^2- , can be converted and wherein the ions in a grid of Solid state electrolytes can be installed. Conversely, ions, for example oxygen ions O ^2- , can also be converted into gas, for example oxygen O ₂ , at the interface. The first porous electrode and / or the second porous electrode may be electrically contactable.

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. The terms " first " and " second " porous electrode are to be considered as pure labels without giving any order or ranking, for example, without precluding the possibility of providing multiple types of first porous electrodes and multiple types of second porous electrodes, or just one type each can be. For example, additional porous electrodes, for example one or more third porous electrodes, may be present in the layer structure.

Die erste poröse Elektrode und die zweite poröse Elektrode können elektrisch kontaktierbar sein. Beispielsweise können auf dem Halbleitersubstrat mindestens ein Elektrodenkontakt für eine erste poröse Elektrode und mindestens 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.The first porous electrode and the second porous electrode may be electrically contactable. For example, at least one electrode contact for a first porous electrode and at least one electrode contact for a second porous electrode may be provided on the semiconductor substrate. The first porous electrode and the second porous electrode may, for example, be contactable by means of wire bonding and / or by means of at least one flip-clip method. Other embodiments are conceivable in principle.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Dabei umfasst das Verfahren eine Verwendung einer, insbesondere 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.According to a second aspect of the invention, a method for measuring a property of a gas in a measurement gas space is proposed. In this case, the method comprises a use of a, in particular micromechanical, solid-state electrolyte sensor device. In this case, the second porous electrode is exposed to the gas from the sample gas space. In this case, furthermore, the first porous electrode is subjected to a reference gas, for example air or oxygen or air, which has a known oxygen concentration. The method further comprises detecting at least one electrical signal on an electrode, the electrode being selected from the group consisting of: the first porous electrode and the second porous electrode. By using the solid-state electrolyte sensor device according to the invention, advantageously, the heating power for setting or maintaining the operating temperature can be reduced. In addition, can advantageously shorten the heating time.

Grundsätzlich kann alternativ hierzu auch die erste Elektrode mit dem Gas aus dem Messgasraum und die zweite Elektrode mit dem Referenzgas bzw. dem Gas aus dem Referenzgasraum beaufschlagt werden.Basically, alternatively, the first electrode with the gas from the sample gas chamber and the second electrode with the reference gas or the gas from the reference gas space are acted upon.

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.The method steps may preferably be carried out in the predetermined order; another order is conceivable. One or even several method steps can be performed simultaneously or overlapping in time. Furthermore, one, several or all of the method steps can be carried out simply or repeatedly. The method may additionally comprise further method steps.

Das Verfahren kann weiterhin eine Erfassung mindestens eines elektrischen Signals an der ersten porösen Elektrode und/oder an der zweiten porösen Elektrode umfassen. The method may further comprise detecting at least one electrical signal at the first porous electrode and / or at the second porous electrode.

Es kann insbesondere mindestens eine chemische Eigenschaft eines Gases und/oder eine physikalische Eigenschaft des Gases erfasst werden. 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.In particular, at least one chemical property of a gas and / or a physical property of the gas can be detected. In particular, in the method, an oxygen content and / or an oxygen partial pressure and / or a proportion of at least one component of the gas, in particular a proportion of an oxygen compound in the gas, in particular a NOx content, can be detected. Accordingly, the method can serve, for example, for detecting an air ratio. However, other properties can be detected alternatively or additionally.

Bei dem "Messraum" kann es sich insbesondere um einen Gasraum in einem Kraftfahrzeug handeln, beispielsweise einen Abgastrakt in einem Verbrennungskraftmotor. The "measuring space" may in particular be a gas space in a motor vehicle, for example an exhaust gas tract in an internal combustion engine.

Bei dem "Referenzgas" kann es sich insbesondere um mindestens ein Gas mit mindestens einer bekannten Zusammensetzung handeln, beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft. The "reference gas" may in particular be at least one gas with at least one known composition, for example air, in particular ambient air.

Bei dem mindestens einen "elektrischen Signal" an der ersten porösen Elektrode und/oder an der zweiten porösen Elektrode kann es sich beispielsweise um eine Spannung zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode handeln. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch ein oder mehrere Ströme an oder durch die erste poröse und/oder die zweite poröse Elektrode erfasst werden. Insbesondere kann ein Sprungsignal erfasst werden, also ein Spannungssignal bei einem Durchtritt einer Luftzahl λ = 1. Auch andere Messungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. The at least one "electrical signal" at the first porous electrode and / or at the second porous electrode may, for example, be a voltage between the first porous electrode and the second porous electrode. Alternatively or additionally, however, one or more currents may also be detected at or through the first porous and / or the second porous electrode. In particular, a jump signal can be detected, that is, a voltage signal at a passage of an air ratio λ = 1. However, other measurements are conceivable in principle.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder auch in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. Preferred developments of the invention, which can be implemented individually or in combination, are shown in the dependent claims.

Eine Weiterbildung der Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung sieht vor, dass der Isolierbereich wenigstens ein Material umfasst, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich.A development of the solid electrolyte sensor device provides that the insulating region comprises at least one material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region.

Mit anderen Worten: Der Schichtaufbau im ersten Bereich kann von dem 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.In other words, the layer structure in the first region can be separated from the carrier substrate or the semiconductor substrate in the second region in the insulating region, e.g. be insulated by an insulating material, in particular by a dielectric insulating material. In particular, the insulating material may have a low specific thermal conductivity or a low thermal conductivity relative to the thermal conductivity of the second region in order to avoid heat transfer. Also material mixtures are possible. Also, in the insulating region, a layering of different materials is possible, which in the weighted average have a lower specific thermal conductivity than the material in the second region, in particular as the material of the second region directly adjacent to the insulating region.

Auf diese Weise kann vorteilhaft durch eine Verringerung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit λ im Isolationsbereich gemäß der oben dargestellten 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 this way it can be advantageously reduced by reducing the specific thermal conductivity λ in the isolation region according to equation (1) shown above, the transfer of thermal power in the second region. Since this heat transfer into the second region corresponds to an undesirable heat loss, which is now reduced, the heat output can be advantageously reduced and the warm-up time for the solid electrolyte membrane or solid electrolyte layer to be heated decreases.

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. In one embodiment, it is provided that the insulating region comprises at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; an insulating plastic, in particular polyimide. With regard to a carrier substrate or semiconductor substrate in the second region, the heat transfer and thus the heat loss from the first region to the second region can be considerably reduced by this choice of material.

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.Thus, e.g. Silicon, which is e.g. As a material of the semiconductor substrate in the second region can be used, a thermal conductivity at room temperature of about 140 to 150 W / mK on. On the other hand, porous silicon can be made to have a specific thermal conductivity of less than 5 W / mK, preferably less than 2 W / mK. Silicon nitride can be made to have a specific thermal conductivity of less than 35 W / mK or less than 25W / mK.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass im Isolierbereich eine Kaverne ausgebildet ist. Dabei können z.B. die Seitenwände der Kaverne durch die dem zweiten Bereich zugewandten Außenwände des ersten Bereichs und/oder durch die dem ersten Bereich zugewandten Außenwände des zweiten Bereichs gebildet sein. Dabei können sich die Seitenwände der Kaverne beispielsweise im Wesentlichen parallel zur Schichtdickenrichtung erstrecken. A further embodiment provides that a cavern is formed in the insulating area. In this case, for example, the sidewalls of the cavern may be formed by the outer walls of the first area facing the second area and / or by the outer walls of the second area facing the first area. In this case, the side walls of the cavern, for example, extend substantially parallel to the layer thickness direction.

Unter einer "Kaverne" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein frei und/oder offen gestalteter Hohlraum zu verstehen. Die Kaverne und/oder die weitere Kaverne kann eine Quaderform aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.Under a "cavern" is generally understood in the context of the present invention, in principle, a free and / or open cavity designed. The cavern and / or the further cavern may have a cuboid shape. Other embodiments are conceivable in principle.

Dadurch wird vorteilhaft eine besonders geringe Wärme-Verlustleistung realisiert. In einer Betrachtung ohne Strahlungswärmeübertrag wirkt die im Isolierbereich ausgebildete Kaverne mit ihrer „Füllung“ aus Luft bzw. dem Umgebungsgas bzw. sogar Vakuum wie eine Materialschicht mit besonders geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit. Luft weist z.B. eine spezifische Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von weniger als 0,03 W/mK auf – sie ist also im Vergleich zu einer Festkörper-Wärmeleitfähigkeit vernachlässigbar. Die Kaverne wirkt also in erster Näherung wie eine Reduzierung der Fläche A aus der Gleichung (1), über die der erste Bereich mit dem zweiten Bereich in Kontakt steht. Selbst wenn also der Isolierbereich in einer Richtung senkrecht zur Schichtdickenrichtung nur sehr schmal ausgebildet ist, beispielsweise nur 50nm bis 1000nm, so sinkt im Isolierbereich vorteilhaft die (gemittelte) Wärmeleitfähigkeit durch die Anordnung der Kaverne erheblich, so dass die Wärmeverlustleistung stark herabgesetzt wird.This advantageously a particularly low heat loss performance is realized. In a consideration without radiant heat transfer formed in the insulating cavern acts with their "filling" of air or the ambient gas or even vacuum as a material layer with particularly low specific thermal conductivity. Air has e.g. a specific thermal conductivity at room temperature of less than 0.03 W / mK - so it is negligible compared to a solid-state thermal conductivity. The cavern thus acts as a first approximation as a reduction of the area A from the equation (1) over which the first area is in contact with the second area. Thus, even if the insulating region in a direction perpendicular to the layer thickness direction is formed only very narrow, for example, only 50nm to 1000nm, the (average) thermal conductivity decreases significantly in the insulating region by the arrangement of the cavern, so that the heat loss performance is greatly reduced.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass auf dem Halbleitersubstrat eine Schicht angeordnet ist, wobei die Schicht sich vom ersten Bereich bis in den zweiten Bereich erstreckt. Dabei kann die Schicht z.B. in ihren an die Kaverne grenzenden Abschnitten als Membran ausgebildet sein.A development provides that a layer is arranged on the semiconductor substrate, wherein the layer extends from the first region to the second region. The layer may be e.g. be formed in their adjacent to the cavern sections as a membrane.

Unter einer "Membran" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht oder Schichtenfolge zu verstehen, deren laterale Ausdehnung die Dicke der Schicht oder Schichtenfolge um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100, überschreiten. Die Membran kann im vorliegenden Fall durch den Schichtaufbau gebildet sein, wobei jedoch zusätzlich eine oder mehrere weitere Schichten in der Membran enthalten sein können.In the context of the present invention, a "membrane" is generally to be understood as meaning a layer or layer sequence whose lateral extent exceeds the thickness of the layer or layer sequence by at least a factor of 10, preferably by at least a factor of 100. The membrane may be formed in the present case by the layer structure, but in addition one or more further layers may be contained in the membrane.

Ein Wärmeübertrag kann vorteilhaft weiter reduziert werden, indem eine Dicke der Schicht reduziert ist bzw. sehr gering ausgebildet ist. Dies ergibt sich wieder aus Gleichung (1). Denn die Schichtdicke beeinflusst im Querschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich die Durchtrittsfläche A für die 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.A heat transfer can advantageously be further reduced by a thickness of the layer is reduced or is made very small. This again results from equation (1). Because the layer thickness affects the passage area A in the cross section between the first and the second area for the heat conduction. Ideally, the membrane is the only mechanical and thus thermally conductive connection between the first area and the second area. It can e.g. Bridging the cavern in the insulation area and thus representing the only thermal bridge. The smaller the thickness of the layer or membrane, the lower the passage area A. In this way, the, e.g. micromechanical solid electrolyte sensor device in particular be divided into at least one "hot region" in the first region and at least one "cold region" in the second region. The hot regions and the cold regions may be connected to each other through the membrane. The membrane may in particular have a small thickness, for example in the range from 0.1 to 100 μm, and furthermore have a thermally insulating function, so that only minimal heat transfer from the hot region to the cold region can take place.

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.A further development provides that the cavern along the layer thickness direction (z) considered the carrier substrate, e.g. formed as a semiconductor substrate, completely penetrates. As a result, the passage area A for heat from the first area to the second area is advantageously particularly greatly reduced or, as a result, the (average) thermal conductivity between the first area and the second area in the insulating area is particularly greatly reduced.

Unter einer Kaverne, welche das Trägersubstrat bzw. das Halbleitersubstrat vollständig durchdringt, ist dementsprechend ein Hohlraum zu verstehen, welcher das Trägersubstrat bzw. Halbleitersubstrat von einer Vorderseite des Trägersubstrats bzw. Halbleitersubstrats bis zu einer Rückseite des Trägersubstrats bzw. des Halbleitersubstrats vollständig durchsetzt.A cavity which completely penetrates the carrier substrate or the semiconductor substrate is accordingly to be understood as meaning a cavity which completely penetrates the carrier substrate or semiconductor substrate from a front side of the carrier substrate or semiconductor substrate to a rear side of the carrier substrate or the semiconductor substrate.

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.In this way, the passage area A for heat is maximally reduced. The first area may still be selectively connected to the second area in the insulating area by sections in which the cavern does not completely penetrate the carrier substrate or the semiconductor substrate. Alternatively or additionally, the first region may be connected to the second region by means of the layer or the membrane. In both cases, the heat transfer and thus the heat loss performance by reducing the passage area A and / or due to the low specific thermal conductivity at the joints are greatly reduced.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Kaverne zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, welches eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im zweiten Bereich, wobei die Kaverne insbesondere zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, porösem Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumnitrid; Polyimid.A further development provides that the cavern is at least partially filled with a material is, which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region, wherein the cavity is in particular at least partially filled with a material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; Polyimide.

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.As a result, heat dissipation from the first region to the second region can advantageously be reduced by the insulating region. At the same time a high mechanical stability of the solid electrolyte sensor device is advantageously ensured, since the cavern is filled with a solid. In this way, for example, thermal stresses in the insulating region over a large cross-sectional area (cross section parallel to the layer thickness direction) can be reduced. The cavern can after its production, e.g. by an etching process, are filled with the insulating material.

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.Alternatively or additionally, it may be provided that the layer comprises at least one material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region, wherein the layer comprises at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a Silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; a thermally insulating plastic, e.g. Polyimide.

Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass ein Wärmeübertrag vom ersten Bereich zum zweiten Bereich mittels der Schicht bzw. der als Membran 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.This advantageously has the effect that a heat transfer from the first region to the second region by means of the layer or the layer formed as a membrane according to the equation (1) is reduced not only because of the small passage area A. Rather, the specific thermal conductivity λ of the layer material is less than that of the material in the second region. As a result, a particularly low heat transfer can be ensured. If the layer is e.g. due to a cavern passing completely through the carrier substrate or semiconductor substrate, the only connection from the first region to the second region can be almost completely prevented by the proposed choice of material for the layer loss heat transfer from the first region to the second region. A heat loss is then essentially only caused by radiant heat, but no more or only greatly reduced by heat conduction.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung mindestens eine weitere Kaverne aufweist. Dabei kann die weitere Kaverne z.B. im ersten Bereich angeordnet sein. Dabei definiert die weitere Kaverne mindestens eine durch den Schichtaufbau gebildete weitere Membran.A further development provides that the micromechanical solid-state electrolyte sensor device has at least one further cavern. In this case, the further cavern, e.g. be arranged in the first area. In this case, the further cavern defines at least one further membrane formed by the layer structure.

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.This has the advantageous effect that the layer structure is particularly well thermally isolated from the environment. The further membrane is connected, for example, only at its edge regions with the carrier substrate or the semiconductor substrate. In another embodiment, the further cavern may be formed such that it does not completely penetrate the carrier substrate or the semiconductor substrate. In both cases, the heating power or the heating energy to be introduced, which is necessary to bring the solid electrolyte layer to the operating temperature can be advantageously further reduced. Because the thermal mass, which is heated, is significantly reduced. It consists of the layer structure and the material of the carrier substrate or the semiconductor substrate which is thermally conductively connected to the layer structure along the layer thickness direction below or above the further membrane. Furthermore, advantageously, the heating time is reduced, whereby the sensor device reaches the operating temperature faster and thus can be used more quickly.

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.The further cavern may be formed, for example, like the cavern. It can e.g. completely penetrate the carrier substrate or the semiconductor substrate. For example, the cavern and / or the further cavern may be wholly or partially formed as a continuous window from the front to the back, for example as a rectangular window. However, other forms are possible.

Der Schichtaufbau kann derart auf dem Trägersubstrat bzw. auf dem 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.The layer structure may be applied to the carrier substrate or to the semiconductor substrate such that the first porous electrode covers at least one surface of the further cavity and the second porous electrode is arranged on a side of the layer structure facing away from the semiconductor substrate. The solid electrolyte layer may define the further cavity at a front side of the semiconductor substrate.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran in einem Querschnitt parallel zur Schichtdickenrichtung (z) mindestens ein Profil aufweist, wobei das Profil ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Rechteck-Profil, mindestens einem T-Profil, mindestens einem Doppel-T-Träger-Profil.In a development, it is provided that the membrane has at least one profile in a cross section parallel to the layer thickness direction (z), wherein the profile is selected from the group consisting of: at least one rectangular profile, at least one T profile, at least one double profile I-beam profile.

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.Under the "profile" of the second membrane is in the context of the present invention, a cross-section through the membrane transverse to a Extension direction of the membrane or understood substantially parallel to the layer thickness direction. In this case, the cross section has a cross-sectional shape.

Das Rechteckprofil verfügt hierbei über eine rechteckige Querschnittsform. The rectangular profile has a rectangular cross-sectional shape.

Ein einzelnes T-Profil weist zusätzlich zu der rechteckigen Querschnittsform einen rechteckigen Balken auf, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der rechteckigen Querschnittsform erstreckt.A single T-profile, in addition to the rectangular cross-sectional shape, has a rectangular bar extending substantially perpendicular to the rectangular cross-sectional shape.

Ein Profil mit einer Mehrzahl von T-Profilen bzw. T-Profilabschnitten weist eine Mehrzahl von zusätzlichen im Wesentlichen senkrecht zur rechteckigen 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.A profile with a plurality of T-profiles or T-profile sections has a plurality of additional rectangular bars arranged substantially perpendicular to the rectangular cross-sectional shape. In other words, a profile which has a multiplicity of T-sections can in particular have a section which extends along the direction of extent of the membrane and have a multiplicity of webs which are at a distance from one another, in particular at a regular distance to each other, transverse, in particular perpendicular, align to the section.

Ein Doppel-T-Träger-Profil kann wie ein T-Profil ausgebildet sein, wobei am von der rechteckigen Querschnittsform abgewandten Ende des dazu senkrechten Balkens ein weiterer Balken angeordnet ist. Dieser weitere Balken kann beispielsweise im Wesentlichen parallel zu der rechteckigen Querschnittsform verlaufen. A double-T-beam profile may be formed as a T-profile, wherein at the end facing away from the rectangular cross-sectional shape of the beam perpendicular thereto another beam is arranged. For example, this further beam may be substantially parallel to the rectangular cross-sectional shape.

Bei einer Mehrzahl von Doppel-T-Träger-Profilen können die weiteren Balken derart miteinander verbunden sein, dass eine zur rechteckigen Querschnittsform im Wesentlichen parallele und im Wesentlichen durchgängig verbundene weitere rechteckige Querschnittsform ausgebildet ist. Mit anderen Worten: ein Profil, welches eine Vielzahl an Doppel-T-Träger-Profilen aufweist, kann sich insbesondere in einen oberen Teil und in einen unteren Teil aufteilen, welche parallel zueinander in der Erstreckungsrichtung der Membran verlaufen bzw. welche parallel zur x-y-Ebene verlaufen. Der erste Teil und der zweite Teil können dabei in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sein, so dass sich hierdurch in der Schichtdickenrichtung (z-Richtung) betrachtet dazwischen eine Lücke ausbildet. Innerhalb der Lücke können hierbei mehrere Stege angeordnet sein, welche sich quer, insbesondere senkrecht, zu der Erstreckungsrichtung der Membran ausrichten. Die Stege können hierbei insbesondere parallel zueinander angeordnet sein. In the case of a plurality of double-T-beam profiles, the further beams can be connected to one another in such a way that a further rectangular cross-sectional shape substantially parallel to the rectangular cross-sectional shape and essentially continuous is formed. In other words, a profile which has a large number of double-T-beam profiles can in particular be divided into an upper part and a lower part, which run parallel to one another in the direction of extension of the membrane or which run parallel to the xy- Level. In this case, the first part and the second part can be arranged at a defined distance from one another, so that as a result a gap is formed between them in the layer thickness direction (z direction). Within the gap in this case a plurality of webs may be arranged, which align transversely, in particular perpendicularly, to the direction of extension of the membrane. The webs can be arranged in this case in particular parallel to each other.

Dadurch, dass die Membran ein Profil aufweist wird sie vorteilhaft mechanisch gegen Zugspannungen oder Druckspannungen parallel zu ihrer Oberfläche stabilisiert in Folge eines erhöhten Flächenträgheitsmoments. Derartige 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.Because the membrane has a profile, it is advantageously mechanically stabilized against tensile stresses or compressive stresses parallel to its surface due to an increased area moment of inertia. Such tensions can occur, for example, if the first region is at least partially connected to the second region only by means of the membrane. The membrane spans the insulating area in the insulating area like a bridge. Since the first region has a considerably higher heating temperature than the second region, it expands and compresses the membrane. On contraction as a result of cooling, the membrane is placed under tension (always viewed in a plane substantially perpendicular to the layer thickness direction) ). The formation of a profile on the membrane can mechanically stabilize the membrane and prevent the formation of cracks.

Mit anderen Worten kann es beispielsweise während eines Betriebs einer, beispielsweise mikromechanischen, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung im Allgemeinen zu einem Aufheizen der heißen Region kommen, und die Membran kann sich in unerwünschter Weise bzw. unerwünscht stark verformen. Das Verformen kann durch die Profile, wie sie bereits beschrieben wurden oder im Folgenden beschrieben werden, reduziert werden.In other words, during operation of a, for example micromechanical, solid-state electrolyte sensor device, heating of the hot region may generally occur, for example, and the membrane may undesirably deform excessively. The deformation can be reduced by the profiles as already described or described below.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Membran eine Membranvorderseite und eine Membranrückseite umfasst, wobei die Membranrückseite zu der Kaverne hin gerichtet ist, wobei die Membranrückseite eine Vielzahl von zu der Kaverne offenen Einbuchtungen aufweist.A further development provides that the membrane comprises a membrane front side and a membrane rear side, the membrane rear side being directed towards the cavern, the membrane rear side having a multiplicity of indentations open to the cavern.

Der Begriff "Einbuchtung" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen offen ausgestalteten Hohlraum. Vorzugsweise kann es sich um einen in die Membran hineinragenden Hohlraum handeln.The term "indentation" in the context of the present invention basically refers to an open cavity. Preferably, it can be a cavity projecting into the membrane.

Eine Weiterbildung sieht dabei vor, dass die Einbuchtungen einen Querschnitt aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Kreis; einem Polygon, insbesondere einem Dreieck, insbesondere einem Hexagon, wobei die Einbuchtungen insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur angeordnet sind.A further development provides that the indentations have a cross section selected from the group consisting of: a circle; a polygon, in particular a triangle, in particular a hexagon, wherein the indentations are arranged in particular in the form of a regular structure.

Die Einbuchtungen können hierbei auf der Membranrückseite insbesondere in Form einer regelmäßigen Struktur, welche über nebeneinander angeordnete, gleichartige Einbuchtungen verfügt, angeordnet sein. In this case, the indentations can be arranged on the rear side of the membrane, in particular in the form of a regular structure, which has juxtaposed recesses arranged next to one another.

Durch diese Weiterbildungen wird vorteilhaft eine besonders große mechanische Stabilisierung erreicht. Gleichzeitig ist die Durchtrittsfläche A für einen 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.These refinements advantageously achieve a particularly large mechanical stabilization. At the same time, the passage area A for heat transfer from the first area to the second area via the membrane is still advantageously provided by the thinnest point of the membrane, ie the areas with the indentations, parallel to the layer thickness direction. So will be at high mechanical stability greatly reduces heat loss.

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. A development provides that the membrane has a thickness in the range of 100 nm to 500 microns, preferably from 500 nm to 100 microns.

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.As a result, the passage area A is advantageously particularly greatly reduced for heat transfer through the membrane. At the same time, this thickness is sufficient to form the membrane mechanically stable over the desired operating life of the sensor device.

Die Membran kann weiterhin eingerichtet sein, um einen Wärmeübertrag von dem Schichtaufbau zu weiteren Bereichen des Halbleitersubstrats zumindest weitgehend zu reduzieren. Dies kann wie oben dargestellt z.B. durch eine geeignete Materialauswahl und/oder durch eine Strukturierung bzw. Profilierung der Membran bewirkt werden.The membrane may further be arranged to at least substantially reduce heat transfer from the layer structure to further regions of the semiconductor substrate. This can be done as shown above e.g. be effected by a suitable choice of material and / or by a structuring or profiling of the membrane.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass die, beispielsweise mikromechanisch hergestellte, Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung ein Sauerstoffsensor oder ein Stickoxidsensor ist.A further development provides that the, for example micromechanically produced, solid-state electrolyte sensor device is an oxygen sensor or a nitrogen oxide sensor.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung mindestens ein Heizelement umfasst, wobei das Heizelement im ersten Bereich angeordnet ist. Das mindestens eine Heizelement kann dazu eingerichtet sein, die Festkörperelektrolytschicht des Schichtaufbaus zu heizen.A development provides that the micromechanical solid electrolyte sensor device comprises at least one heating element, wherein the heating element is arranged in the first region. The at least one heating element may be configured to heat the solid electrolyte layer of the layer structure.

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.Characterized in that the heating element is arranged in the first region, an unnecessary heating of the second region is advantageously avoided. In this way, the heating power can be reduced and / or the heating element can be made smaller.

Das Heizelement kann insbesondere mindestens ein elektrisches Heizwiderstandselement umfassen. Das Heizelement kann in einer Richtung senkrecht zur Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen der weiteren Membran und der Membran angeordnet sein.The heating element may in particular comprise at least one electrical heating resistance element. The heating element can be arranged between the further membrane and the membrane in a direction perpendicular to the layer thickness direction.

Die Elektroden-Festkörperelektrolyt-Elektroden-Struktur kann insbesondere in einer Richtung quer zur Schichtdickenrichtung angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das Heizelement beispielsweise den Schichtaufbau zumindest teilweise umschließen. Das Heizelement ist dann also in einer radialen Richtung in der x-y-Ebene der weiteren Membran betrachtet außerhalb der weiteren Membran angeordnet.The electrode-solid electrolyte-electrode structure may be arranged in particular in a direction transverse to the layer thickness direction. In other words, the heating element, for example, at least partially enclose the layer structure. The heating element is then arranged so viewed in a radial direction in the x-y plane of the other membrane outside the other membrane.

Dadurch kann vorteilhaft eine besonders effektive Erwärmung der Schichtanordnung sichergestellt werden.As a result, advantageously a particularly effective heating of the layer arrangement can be ensured.

Alternativ oder zusätzlich kann die Elektroden-Festkörperelektrolyt-Elektroden-Struktur in einer Richtung entlang der Schichtdickenrichtung zwischen dem Heizelement bzw. den Heizelementen angeordnet sein.Alternatively or additionally, the electrode-solid electrolyte-electrode structure may be arranged in a direction along the layer thickness direction between the heating element (s).

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.A further development provides that the heating element can be electrically contacted by a supply line penetrating the layer. As a result, the layer which can be formed as a membrane can be advantageously used for two purposes in a particularly simple manner: on the one hand, it can thermally decouple the first region from the second region. Second, it serves as a carrier for the electrical leads to the heating element and thus stabilizes the leads mechanically. Because, as stated above, strong mechanical stresses can occur between the first region and the second region in the insulating region, e.g. thermal stresses. To prevent damage to the electrical leads to the heating element, these can be advantageously embedded in the mechanically stabilized membrane.

Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen: Show it:

1A eine schematische Schnittdarstellung einer Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung; 1A a schematic sectional view of a solid electrolyte sensor device;

1B eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung; 1B a schematic sectional view of another solid electrolyte sensor device;

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). 2.1.1 to 2.4.2 Representations of various trained membranes of a solid electrolyte sensor device in a sectional view along an extension direction of the membrane (2.1.1, 2.2.1, 2.3.1, 2.4.1) and in a vertical sectional view (2.1.2, 2.2.2, 2.3.2 ) or in a view of the underside of the membrane (2.4.2).

Beschreibung der Ausführungsformen Description of the embodiments

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. 1A shows a cross section in an xz plane of the drawn Cartesian coordinate system by a solid electrolyte sensor device 110 for detecting at least one property of a gas. The solid electrolyte sensor device 110 can be produced, for example, in conventional thick-film technology, that is, for example, by screen printing. However, it can also be produced micromechanically, ie, for example, using photolithographic processes from microsystems technology. The solid state electrolyte sensor device 110 includes a carrier substrate 112 , This can eg in a micromechanical sensor device 110 for example as a semiconductor substrate 113 be formed, in thick-film technology, it may be a ceramic carrier substrate.

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.The carrier substrate 112 if it can be used as a semiconductor substrate 113 is formed to comprise at least one semiconductor material selected from the group consisting of: silicon; a silicon compound, in particular silicon carbide; a gallium compound, in particular gallium arsenide. The semiconductor substrate 113 may be formed in particular as a chip.

Die Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung 110 umfasst weiterhin mindestens einen Schichtaufbau 118, welcher mindestens eine erste porösen Elektrode 120, mindestens eine zweite porösen Elektrode 122 und eine entlang einer 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.The solid state electrolyte sensor device 110 furthermore comprises at least one layer structure 118 which comprises at least one first porous electrode 120 , at least one second porous electrode 122 and one along a layer thickness direction (z) between the first porous electrode 120 and the second porous electrode 122 embedded solid electrolyte layer 124 having. The at least one layer structure 118 is in a first area 210 of the at least one carrier substrate 112 arranged. This is the first area 210 with respect to a first plane (the xy plane) perpendicular to the layer thickness direction (z) of a second region 220 surround.

Die erste poröse Elektrode 120 kann dabei einem Messgasraum zugewandt sein, z.B. einem Abgas, wobei die Sensorvorrichtung 110 wenigstens eine Eigenschaft eines im Messgasraum vorhandenen Gases erfassen soll. Die zweite poröse Elektrode 122 kann dabei einem Referenzgasraum zugewandt sein, in dem z.B. eine definierte Sauerstoffkonzentration vorliegt.The first porous electrode 120 can be facing a measuring gas space, for example an exhaust gas, wherein the sensor device 110 to detect at least one property of a gas present in the sample gas space. The second porous electrode 122 may be facing a reference gas space in which, for example, a defined oxygen concentration is present.

Alternativ kann die erste Elektrode 120 dem Referenzgasraum zugewandt sein und die zweite Elektrode 122 dem Messgasgasraum.Alternatively, the first electrode 120 facing the reference gas space and the second electrode 122 the sample gas chamber.

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.In the drawn Cartesian coordinate system, the layer thickness direction (z) thus corresponds to the z direction while the planar extent of the layer structure 118 extends in the direction perpendicular to the layer thickness direction xy plane. Shown is in cross section of 1A only the xz plane. The y-direction extends into the image plane.

Dabei ist zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Bereich 210 und dem zweiten Bereich 220 ein Isolierbereich 230 vorgesehen. Dabei ist die 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.Here, at least in sections, between the first area 210 and the second area 220 an insulating area 230 intended. The thermal conductivity is in the insulating area 230 less than the thermal conductivity in the second range 220 , In the illustrated embodiment, this can be achieved, for example, by the use of a material in the insulating region 230 be effected whose specific thermal conductivity λ is less than the specific thermal conductivity λ of the insulating region 230 surrounding second area 220 , For example, the first area 210 and the second area 220 be at least partially made of the same material and include silicon, for example.

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.The solid state electrolyte sensor device 110 can continue at least one heating element 140 include, which in the first area 210 is arranged. This heating element 140 is set up, the layer arrangement 118 and especially the solid electrolyte membrane 124 to heat. The heating element 140 can the layer arrangement 118 in the first plane (xy plane) viewed radially outwardly at least partially surrounded.

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.When the heating element 140 is heated, it heats up next to the layer arrangement 118 by conduction also the second area 220 , The heat flow in the second area 220 is represented by arrows with the reference numeral "Q". The heat dissipation Q per time in the second area 220 is given by equation ( 1 ) above. The heated first area 210 is above a passage area A, of which only a one-dimensional line can be seen in the illustrated sectional drawing, with the second area 220 over the isolation area 230 in thermally conductive connection. A width d of the insulating area 230 is the third parameter from equation (1), which is the unwanted heat dissipation from the first region 210 in the second area 220 affected. By a suitable choice of the width d and / or the passage area A and / or the (averaged) thermal conductivity in the insulating region 230 can the heat dissipation, ie the heat flow from the first area 210 in the second area 220 , be specifically reduced.

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. 1B shows a further embodiment of a solid electrolyte sensor device 110 , which is micromechanically formed or manufactured here. Same reference numerals as in 1A identify elements with the same functions.

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.As in 1A includes the in 1B shown solid state electrolyte sensor device 110 at least one layer structure 118 with at least one first porous electrode 120 , at least one second porous electrode 122 and a layer thickness direction (z) viewed between the first porous electrode 120 and the second porous electrode 122 embedded solid electrolyte layer 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.The first porous 120 In this case, the electrode can face a measuring gas space and the second porous electrode 122 a reference gas space. Alternatively, the first electrode 120 facing the reference gas space and the second electrode 122 the sample gas chamber.

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.The carrier substrate 112 can here along the layer thickness direction (z) considered a front side 114 (in the figure above) and a back 116 (in the figure below).

Der Schichtaufbau 118 kann zumindest teilweise auf bzw. in der Vorderseite 114 des als Halbleitersubstrat 113 ausgebildeten Trägersubstrats 112 angeordnet sein. Der Schichtaufbau 118 und ein den Schichtaufbau 118 zumindest abschnittsweise umgebendes Heizelement 140 sind in dem ersten Bereich 210 angeordnet. The layer structure 118 can at least partially on or in the front 114 as a semiconductor substrate 113 formed carrier substrate 112 be arranged. The layer structure 118 and the layer structure 118 at least partially surrounding heating element 140 are in the first area 210 arranged.

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.From the first area 210 viewed radially outward in the xy plane joins the first area 210 the insulation area 230 in turn, to the second area 220 borders.

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.The micromechanical solid electrolyte sensor device 110 includes at least one layer 126 or insulation layer 126 , which on the front 114 of the semiconductor substrate 113 can be arranged. The layer 126 can with respect to the semiconductor substrate 113 be formed thermally insulating, ie, it may have a lower specific thermal conductivity λ than the second region 220 , It may be formed, for example, from a material which comprises at least one insulating material selected from the group consisting of: porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride or silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide or aluminum nitride; an insulating plastic, in particular polyimide. The insulation layer 126 In particular, it can be set up to the layer structure 118 from the semiconductor substrate 113 to isolate.

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.Furthermore, the micromechanical solid electrolyte sensor device comprises 110 at least one cavern 130 in the insulation area 230 is arranged. The cavern 130 may be formed, for example, as a rectangular window and the first area 210 partially or completely surrounded (viewed in the xy plane). The cavern 130 can the semiconductor substrate 113 completely penetrate. The cavern 130 defines at least one membrane 134 , thus at least partially in the insulating area 230 is arranged. The membrane 134 bridged in the insulation area 230 the cavern 130 and connects the first area 210 with the second area 220 , The membrane 134 can eg in the insulation area 230 , at least in the sections where the cavern 130 is arranged, the only connection between the first area 210 and the second area 220 represent. A heat conduction can then only through the layer 126 respectively. Here, the heat transfer by radiation is not considered. Thus, the heat transfer surface A in the insulating region 230 significantly reduced - because this area A is only the cross-sectional area of the membrane 134 , Alternatively or additionally, because of the low specific thermal conductivity of gases, the (averaged) thermal conductivity is in the insulating region 230 opposite the thermal conductivity in the second area 220 significantly reduced.

Die Membran 134 kann eingerichtet sein, um einen Wärmeübertrag von dem Schichtaufbau 118 zu weiteren Bereichen des Halbleitersubstrats 113 zumindest weitgehend zu reduzieren. Die Membran 134 kann eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 500 µm aufweisen, vorzugsweise von 500 nm bis 100 µm. The membrane 134 may be arranged to transfer heat from the layer structure 118 to other areas of the semiconductor substrate 113 at least largely reduce. The membrane 134 may have a thickness in the range of 100 nm to 500 microns, preferably from 500 nm to 100 microns.

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.The layer structure 118 may be on the semiconductor substrate 113 be applied to the first porous electrode 120 at least one surface 136 another cavern 128 covered. The further cavern 128 is in the first area 210 arranged. The further cavern 128 can basically be designed similar to the cavern 130 , The further cavern 134 For example, the semiconductor substrate 113 like the cavern 130 also completely penetrate in layer thickness direction (z). The further cavern 134 can at least one through the layer structure 118 formed further membrane 132 define. This further membrane 132 can through the layer construction 118 be given.

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. The second porous electrode 122 may be on one of the semiconductor substrate 113 opposite side 138 of the layer structure 118 be arranged. The solid electrolyte layer 124 can the further cavern 128 on the front side 114 of the semiconductor substrate 113 limit.

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. The heating element 140 can be seen in the xy plane between the other membrane 132 and the membrane 134 , especially on the front 114 of the semiconductor substrate 113 be arranged. The heating element 140 may be particularly adapted to the solid state electrolyte layer 124 of the layer structure 118 to heat. The heating element can through one, the layer 126 penetrating or one into the layer 126 embedded supply line 142 be electrically contacted. The (micromechanical) solid electrolyte sensor device 110 can continue at least one electrical contact 144 exhibit.

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. The 2.1.1 to 2.4.2 each show embodiments of the membrane 134 in the insulation area 230 the solid-state electrolyte sensor device according to the invention 110 out 1B , The membrane 134 is in the 2.1.1 . 2.2.1 . 2.3.1 and 2.4.1 each shown in a sectional view in the xz-plane. It is thus shown a detail of the insulating area 230 represents and in the figure left and right of the subsequent second area 220 or the first area 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 the 2.1.2 . 2.2.2 and 2.3.2 is the membrane 134 each in a sectional view transversely, in particular perpendicular, to the sectional view of the 2.2.1 . 2.2.1 . 2.3.1 and 2.4.1 , thus represented in a section in the yz plane, corresponding to the indicated cut lines from the 2.1.1 . 2.2.1 and 2.3.1 ,

In 2.4.2 ist eine Rückseite 148 der Membran 134 gezeigt, also eine Aufsicht auf die x-y-Ebene. In 2.4.2 is a back 148 the membrane 134 shown, so a view of the xy-plane.

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. The membrane 134 can transversely, in particular perpendicular, to its extension direction 146 in the illustrated section (here the extension direction thus corresponds to the x-direction) at least one profile 150 exhibit. For example, the membrane 134 as in the 2.1.1 and 2.1.2 represented, a rectangular profile 152 exhibit.

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. Alternatively, the membrane can 134 as in the 2.2.1 and 2.2.2 represented, for example via at least one T-profile 154 feature. In particular, the membrane 134 a variety of T-profiles 154 exhibit.

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.Alternatively, the membrane 134 as in the 2.3.1 and 2.3.2 shown over a profile 150 which has at least a double T-beam profile 156 includes. In particular, the membrane 134 a variety of double T-beam profiles 156 have, whereby a membrane 134 is created, which has two mutually substantially parallel, continuous layers which are formed along the layer thickness direction (z) spaced from each other. In the gap between the two layers, the beams extending perpendicular to the layer extension are formed in the manner of webs.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann, wie in den 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.In a further embodiment, as in the 2.4.1 and 2.4.2 represented, the back 148 the membrane 134 a variety of to the cavern 130 open indentations 158 exhibit. The membrane 134 can be a membrane front 160 and a membrane back 162 or back 148 of the membrane. The membrane back 162 can go to the cavern 134 be directed towards. The membrane back 162 can the indentations 158 exhibit.

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. The indentations 158 can, in particular, look like 2.4.2 shows, over a rectangular cross-section 164 feature. The indentations 158 can here, as continue from 2.4.2 especially in the form of a regular structure 166 be arranged.

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.By forming the profiles or the formation of the structure with the indentations 158 increases the area moment of inertia of the membrane 134 significantly, without significantly more heat across the membrane 134 from the first area 210 in the second area 220 can drain away.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012201304 A1 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Menzel et al., Origin of the Ultra-Nonlinear Switching Kinetics in Oxide-Based Resitive Switches, Adv. Funct. Mater., Vol. 21, pp. 4487-4492, 2011 [0003]

Claims

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) for detecting at least one property of a gas, wherein the solid electrolyte sensor device ( 110 ) is formed in particular micromechanically, the solid state electrolyte sensor device ( 110 ) comprising: • at least one carrier substrate ( 112 ), in particular as a semiconductor substrate ( 113 ) educated; • at least one layer structure ( 118 ), which has at least one first porous electrode ( 120 ), at least one second porous electrode ( 122 ) and one along a layer thickness direction (z) between the first porous electrode (FIG. 120 ) and the second porous electrode ( 122 ) embedded solid electrolyte layer ( 124 ) having; wherein the at least one layer structure ( 118 ) in a first area ( 210 ) of the at least one carrier substrate ( 112 ), the first region ( 210 ) with respect to a first plane (x, y) perpendicular to the layer thickness direction (z) of a second region ( 220 ), wherein at least in sections between the first area ( 210 ) and the second area ( 220 ) an insulating region ( 230 ), wherein the thermal conductivity in the insulating region ( 230 ) is lower than the thermal conductivity in the second region ( 220 ).

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the insulating region ( 230 ) comprises at least one material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region ( 220 ).

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the insulating region ( 230 ) comprises at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; an insulating plastic, in particular polyimide.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein in the insulating region a cavern ( 130 ) is formed, wherein in particular the side walls of the cavern ( 130 ) by the second area ( 220 ) facing outer walls ( 212 ) of the first area ( 210 ) and through the first area ( 210 ) facing outer walls ( 222 ) of the second area ( 220 ) are formed, wherein the side walls of the cavern in particular extend substantially parallel to the layer thickness direction.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to claim 4, wherein on the carrier substrate ( 112 ) a layer ( 126 ), wherein the layer ( 126 ) from the first area ( 210 ) to the second area ( 220 ), wherein the layer ( 126 ) in particular in their cavern ( 130 ) adjacent sections as a membrane ( 134 ) is trained.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to one of claims 4 or 5, wherein the cavern ( 130 ) along the layer thickness direction (z), the carrier substrate ( 112 ), in particular the semiconductor substrate ( 113 ), completely penetrates.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to one of claims 4 to 6, wherein the cavern ( 130 ) is at least partially filled with a material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region ( 220 ), wherein the cavern is in particular at least partially filled with a material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; an insulating plastic, in particular polyimide; and / or wherein the layer ( 126 ) comprises at least one material which has a lower specific thermal conductivity than the material in the second region ( 220 ), the layer ( 126 ) comprises at least one material selected from the group consisting of: silicon, porous silicon, a silicon compound, in particular silicon nitride, in particular silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide, in particular aluminum nitride; an insulating plastic, in particular polyimide.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the solid electrolyte sensor device ( 110 ) at least one further cavern ( 128 ), wherein the further cavern ( 128 ) especially in the first area ( 210 ), wherein the further cavern ( 128 ) at least one through the layer structure ( 118 ) formed further membrane ( 132 ) Are defined.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the membrane ( 134 ) in a cross section parallel to the layer thickness direction (z) at least one profile ( 150 ), the profile ( 150 ) is selected from the group consisting of: at least a rectangle profile ( 152 ), at least one T-profile ( 154 ), at least one double T-beam profile ( 156 ).

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the membrane ( 134 ) a membrane front side ( 160 ) and a membrane backside ( 162 ), wherein the membrane rear side ( 162 ) to the cavern ( 130 ), the membrane rear side ( 162 ) a variety of to the cavern ( 130 ) open recesses ( 158 ) having.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the recesses ( 158 ) a cross section ( 164 ) selected from the group consisting of: a circle; a polygon, in particular a triangle, in particular a hexagon, wherein the indentations ( 158 ), in particular in the form of a regular structure ( 166 ) are arranged.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the membrane ( 134 ) has a thickness in the range of 100 nm to 500 μm.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the solid electrolyte sensor device ( 110 ) at least one heating element ( 140 ), wherein the heating element ( 140 ) in the first area ( 210 ), wherein the at least one heating element ( 140 ) is particularly adapted to the solid electrolyte layer ( 124 ) of the layer structure ( 118 ) to heat.

Solid state electrolyte sensor device ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the heating element ( 140 ) by an insulating layer ( 126 ) penetrating supply line ( 142 ) is electrically contactable.

Method for measuring a property of a gas in a measuring gas space, comprising a use of the solid electrolyte sensor device ( 110 ) according to one of the preceding claims, - wherein the second porous electrode ( 122 ) is supplied with the gas from the measuring gas space and - wherein the first porous electrode ( 120 ) is applied to a reference gas, the method further comprising detecting at least one electrical signal at an electrode selected from the group consisting of: the first porous electrode ( 120 ) and the second porous electrode ( 122 ).