Gassensor und Verfahren zur Herstellung eines Gassensors

Stand der Technik Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor mit wohl definierten

Gasdiffusionseigenschaften sowie ein Verfahren zur Herstellung eines

Gassensors.

Gassensoren, wie z.B. Stickoxidsensoren, wie sie beispielsweise in

Kraftfahrzeugen Anwendung finden, sind üblicherweise Zweikammersysteme.

Dabei können eine erste Kammer und eine zweite Kammer in zwei übereinander angeordneten Substraten gebildet sind, wobei die beiden Kammern bezüglich der Oberfläche eines der Substrate betrachtet, nebeneinander angeordnet sein können, z.B. können sie im Wesentlichen bezüglich der Oberfläche eines der Substrate in derselben Tiefe angeordnet sein. Die Substrate sind durch einen

Dichtbereich gasdicht gegenüber der Umgebung abgedichtet. Die erste Kammer und die zweite Kammer stehen dabei über einen Verbindungsbereich in gasleitender Verbindung. Über eine Öffnung in einer ersten Kammer wird ein Gas, beispielsweise Abgas einer Brennkraftmaschine, in die erste Kammer eingeleitet. Der enthaltene Sauerstoff wird über eine Sauerstoffpumpe aus der ersten Kammer abgeführt, indem der Sauerstoff an einer Elektrode zu O ^2" reduziert und über eine

Sauerstoffionen-leitende Membran aus der ersten Kammer entfernt wird. Das Restgas diffundiert über den Verbindungsbereich in eine zweite Kammer, wo der

Gehalt an Stickoxiden ermittelt wird. Herkömmliche Verbindungsbereiche werden, analog zu Gassensoren basierend auf Feldeffekttransistoren (siehe DE 10 2008 054752 A1 ), oftmals aus porösem Silizium hergestellt.

Offenbarung der Erfindung Es hat sich gezeigt, dass herkömmliche Verbindungsbereiche eine stark stochastisch ausgeprägte Porenstruktur aufweisen, die als Diffusionsweg zwischen den zwei Kammern dient. Aufgrund der ungerichteten, zufällig angeordneten und in ihrer Größe stark schwankenden Porenstruktur ist ein Gastransport durch diese porösen Strukturen dauerhaft nicht mit gleichbleibend hoher Effizienz erzielbar. Zudem besteht das Risiko, dass die Poren durch im diffundierenden Gas enthaltene Partikel verstopfen oder durch Ablagerungen zusetzen, wodurch die Diffusionsrate unvorhersagbar sinkt. Schließlich können sich in den Poren auch wässrige Ablagerungen ansammeln, z.B. Säuren oder Basen aus z.B. Abgas. Diese Medien können das Silizium angreifen und beschädigen. Es kann daher ein Bedarf bestehen, die Verbindungsstruktur zwischen den beiden Kammern zu verbessern, so dass ein dauerhaft effizienter Gastransport möglich ist, die Diffusionsrate besser vorhersagbar ist und das Zusetzen der Verbindungsstruktur bzw. eine Degradation reduziert wird. Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gassensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases gemäß Anspruch 1 zeichnet sich durch mindestens einen gerichtet ausgebildete Gasdiffusionskanal und damit durch eine hoch effiziente

Gasdiffusion aus, die auch über eine lange Laufzeit erhalten bleibt. Der

Gassensor umfasst im Einzelnen ein erstes Substrat und eine erste Kammer, die zumindest teilweise im ersten Substrat angeordnet ist. Dabei kann die erste Kammer z.B. zwischen dem ersten Substrat und einem weiteren, zweiten

Substrat, angeordnet sein. Der Gassensor umfasst weiterhin eine zweite

Kammer. Die zweite Kammer kann z.B. zumindest teilweise im ersten Substrat angeordnet sein. Die zweite Kammer kann beispielsweise auch zwischen dem ersten Substrat und einem weiteren, zweiten Substrat, angeordnet sein. Die erste Kammer und die zweite Kammer sind lateral beabstandet angeordnet und damit insbesondere bezüglich einer Oberfläche des ersten Substrats nebeneinander angeordnet, also beispielsweise ungefähr in einer Ebene parallel zur Oberfläche des ersten Substrats. Die als Bezugspunkt dienende Oberfläche des ersten Substrats ist dabei diejenige Oberfläche, die eine große, flächige Ausdehnung aufweist und sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Anordnungsrichtung bzw.

Schichtdickenrichtung des ersten Substrats und der ersten Kammer erstreckt. Dabei sind die erste Kammer und die zweite Kammer durch einen zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer angeordneten ersten Dichtbereich voneinander getrennt. Der Dichtbereich kann in einer lateralen Richtung parallel zur Oberfläche des ersten Substrats zwischen den beiden Kammern angeordnet sein. Dabei ist im ersten Dichtbereich mindestens ein Gasdiffusionskanal ausgebildet, der sich von der ersten Kammer zur zweiten Kammer erstreckt. Der Gasdiffusionskanal kann ein gerichteter Gasdiffusionskanal sein. Mit anderen Worten verläuft eine Erstreckungsrichtung des mindestens einen, z.B.

gerichteten, Gasdiffusionskanals von der ersten Kammer zur zweiten Kammer. Dabei steht die erste Kammer mit der zweiten Kammer über den mindestens einen gerichteten Gasdiffusionskanal gasleitend in Verbindung.

Mit anderen Worten trennt der erste Dichtbereich den Gasraum der ersten Kammer vom Gasraum der zweite Kammer, so dass ein Gasaustausch ausschließlich durch den im Dichtbereich bzw. unterhalb bzw. oberhalb des Dichtbereichs ausgebildeten, mindestens einen Gasdiffusionskanal erfolgt, über den die erste Kammer mit der zweiten Kammer gasleitend in Verbindung steht.

Ein Gasdiffusionskanal im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Art Röhre oder ein Röhrensystem mit definiertem Durchmesser und definierter Länge, die bzw. das sich durch den ersten Dichtbereich des Gassensors von der ersten

Kammer zur zweiten Kammer erstreckt. Es handelt sich somit nicht um zufällig ausgebildete (diffuse) Strukturen, wie sie beispielsweise bei der Porenbildung in siliziumhaltigen Materialien entstehen. Insbesondere unterscheidet sich ein gerichteter, d.h. mit einer gezielten Richtung ausgebildeter, Gasdiffusionskanal von einer stochastischen Anordnung von Porenkanälen in z.B. porösem Silizium.

Im Gegensatz zu derartigen stochastischen Strukturen wird der

Gasdiffusionskanal mit vorgegebener Richtung, Länge und Durchmesser ausgebildet, was einen dauerhaft hohen und definierten Gasdurchsatz ermöglicht und damit die Effizienz des Gassensors steigert. Der Gasdiffusionskanal hat eine durchgehend röhrenartige Struktur, wodurch die Gaspenetration gefördert wird, ohne dass Gasanteile in Sacklöchern oder Totvolumina zurückbleiben. Dies führt zu kurzen Ansprechzeiten des Sensors. Erfindungsgemäß können auch mehrere Gasdiffusionskanäle vorhanden sein, die den ersten Dichtbereich überbrücken und ebenfalls eine gasleitende Verbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer herstellen.

Vorzugsweise sind mehrere, mindestens drei, insbesondere sogar mindestens fünf Gasdiffusionskanäle vorhanden, da so die Gasdiffusion gezielt steuerbar und mit höherem Durchsatz erfolgen kann. Außerdem ist so auch eine Redundanz geschaffen, die bei Verstopfen bzw. Zusetzen eines der Kanäle den

Gasaustausch zwischen den beiden Kammern durch einen der anderen

Gasdiffusionskanäle ermöglicht. Werden daher im Folgenden Eigenschaften des „mindestens einen Gasdiffusionskanals" beschrieben, so kann die Beschreibung, analog für alle vorgesehenen Gasdiffusionskanäle, sofern mehrere

Gasdiffusionskanäle vorhanden sind, gelten. Sind mehrere Gasdiffusionskanäle vorgesehen, so können diese im Rahmen der Erfindung gleich oder

unterschiedlich strukturiert, dimensioniert bzw. angeordnet sein. Allen etwaig vorhandenen Gasdiffusionskanälen im Sinne der Erfindung ist jedoch gemein, dass sie gerichtet ausgebildet sind und sich durchgehend von der ersten

Kammer zur zweiten Kammer erstrecken. Vorteilhaft ist ein Verlauf in der Substratebene des mindestens einen

Gasdiffusionskanals wabenförmig ausgebildet, z.B. mit einem runden, elliptischen oder polygonalen (dreieckigen, viereckige, fünfeckigen,

sechseckigen, etc.) Verlauf. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen

Gassensors erstreckt sich der mindestens eine gerichtete Gasdiffusionskanal im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des ersten und/oder eines zweiten Substrats, falls vorhanden. Dies vereinfacht die Struktur des erfindungsgemäßen

Gassensors.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der

Gassensor ein mikromechanisch hergestellter Gassensor ist. Dadurch lässt sich der Gassensor besonders einfach und prozesssicher herstellen. Durch die bei mikromechanischer Herstellungsweise vorzugsweise verwendeten

photolithografischen Herstellungsschritte lassen sich besonders geringe

Toleranzen bewirken, außerdem kann der Gassensor besonders klein bzw. kompakt bauen. Dadurch kann eine zum Beheizen des Gassensors

gegebenenfalls notwendige Heizleistung vorteilhaft erheblich reduziert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gassensors erstreckt sich der erste Dichtbereich zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer im Wesentlichen entlang einer Dichtbereichslinie. Die Dichtbereichslinie kann sich beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer kürzesten Verbindungslinie zwischen den zwei Kammern erstrecken. Dabei erstreckt sich der mindestens eine gerichtete Gasdiffusionskanal senkrecht zur Dichtbereichslinie, insbesondere in Richtung der Verbindungslinie zwischen den beiden Kammern. Gleichzeitig erstreckt er sich vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Substrats. Der Gasdiffusionsweg wird somit verkürzt und die Gasdiffusionsrate vergrößert.

Alternativ oder zusätzlich erstreckt sich der mindestens eine gerichtete

Gasdiffusionskanal entlang seiner Erstreckungsrichtung derart, dass er bezüglich der Dichtbereichslinie einen Winkel von +/-50 ⁰ , insbesondere von +/-6O ⁰ oder sogar von +/-90", nicht überschreitet. Im Einzelnen ist die Form und Anordnung des mindestens einen gerichteten Gasdiffusionskanals nicht beschränkt. Möglich sind daher auch Strukturen in Form einer Doppelspirale. Dadurch kann vorteilhaft auch bei einem sehr geringen Abstand zwischen den beiden Kammern eine ausreichend lange Diffusionsstrecke bereitgestellt werden. Mit anderen Worten lässt sich auf diese Weise der Diffusionspfad gezielt auf eine bestimmte Länge einstellen.

Weiter vorteilhaft umfasst der mindestens eine Gasdiffusionskanal geradlinige und/oder gewellte und/oder kreuzförmig angeordnete Kanalabschnitte, da sich derartige Strukturelemente sehr einfach zu beliebigen übergeordneten

Gasdiffusionskanalsystemen kombinieren lassen und darüber hinaus einfach herstellbar sind. Geradlinige Teilstrukturen erhöhen durch ihre kurze Wegstrecke die Gasdiffusionsrate. Durch gewellte bzw. kreuzförmig angeordnete

Teilstrukturen kann der fluidische Widerstand der Diffusionskanäle und damit die Diffusionsrate der Gase angepasst werden. Eine Kombination von

unterschiedlich geformten Teilstrukturen ermöglicht eine gezielte Einstellung der

Gasdiffusionsrate.

Vorteilhaft beträgt eine Länge des mindestens einen Gasdiffusionskanals 50 μηη bis 500 μηη. Da der erste Dichtbereich zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer in der Regel eine Breite von weniger als 50 μηη aufweist, die es zu überbrücken gilt, ist eine Länge des Gasdiffusionskanals von mindestens 50 μηη bereits ausreichend, um eine gasleitende Verbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer herzustellen. Gasdiffusionskanäle mit einer Länge von über 500 μηη sind im Hinblick auf einen effizienten Gastransport mit möglichst kurzen Wegen weniger bevorzugt. Die Länge eines

Gasdiffusionskanals wird in Richtung seiner Erstreckung, also in

Erstreckungsrichtung von der ersten Kammer zur zweiten Kammer bestimmt. Bei sich kreuzenden Kanalabschnitten des mindestens einen Gasdiffusionskanals sind für die Längenermittlung die Einzellängen der Kanalabschnitte

zusammenzufassen, die in Richtung von der ersten Kammer zur zweiten

Kammer verlaufen. Mit anderen Worten sind Abschnitte nicht mitzurechnen, die vom Kreuzungspunkt ausgehend wieder in Richtung von der zweiten Kammer zur ersten Kammer verlaufen, es sei denn, dass es keinen anderen Pfad für das Gas gibt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Durchmesser einer Querschnittsfläche des mindestens einen

Gasdiffusionskanals senkrecht zur Erstreckungsrichtung des mindestens einen Gasdiffusionskanals an seiner breitesten Stelle, also gemessen an der breitesten Stelle der Querschnittsfläche, 1 μηη bis 100 μηη beträgt. Dies bedeutet, dass über die gesamte Länge des betrachteten Gasdiffusionskanals die Breite bzw. der Durchmesser des betrachteten Gasdiffusionskanals im angegebenen Bereich von 1 μηη bis 100 μηη liegt. Bei kreisförmigen Querschnittsflächen des

Gasdiffusionskanals entspricht der Durchmesser dem Durchmesser des Kreises. Mit anderen Worten ist als Durchmesser die größte Erstreckung des Hohlraums in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des ersten Substrats und senkrecht zur Gasflussrichtung anzusehen. Dies gilt insbesondere für stark anisotrope

Formen bzw. Erstreckungen des Hohlraums in verschiedenen Richtungen.

Hierdurch wird gewährleistet, dass selbst bei partikelhaltigen Gasen über einen langen Zeitraum eine gleichbleibend hohe Gasdiffusionsrate erhalten bleibt, da etwaige abgeschiedene Partikel den Durchmesser des Gasdiffusionskanals nicht wesentlich beeinträchtigen.

Alternativ oder additiv dazu beträgt vorteilhafterweise ein Halbzylinderquerschnitt des mindestens einen Gasdiffusionskanals senkrecht zur Erstreckungsrichtung des mindestens einen Gasdiffusionskanals 0,7 μηη ² bis 8000 μηη ² .

Zur Verbesserung der Stabilität des mindestens einen Gasdiffusionskanals ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass eine Wandung des mindestens einen Gasdiffusionskanals aus einem Material gebildet ist, welches Siliziumnitrid umfasst. Bevorzugt umfasst das Material der Wandung Siliziumnitrid zu mehr als 70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Wandmaterials, besonders bevorzugt zu mehr als 90 Gew.-%. Siliziumnitrid (SiNx) hat sich dabei als besonderes resistent bzw. inert gegenüber den zu transportierenden Gasen gezeigt und ist daher bestens als Wandmaterial geeignet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Gassensors ist vorgesehen, dass der Gassensor ferner mindestens ein zweites Substrat umfasst, wobei das erste

Substrat und das zweite Substrat übereinander angeordnet sind, wobei die erste Kammer und die zweite Kammer im ersten Substrat und im zweiten Substrat gebildet sind und das erste Substrat und das zweite Substrate durch einen zweiten Dichtbereich miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten werden die erste Kammer und die zweite Kammer durch Aussparungen bzw. Hohlräume derart gebildet, dass ein erster Bereich der ersten Kammer im ersten Substrat, ein zweiter Bereich der ersten Kammer in dem über dem ersten Substrat angeordneten zweiten Substrat, ein erster Bereich der zweiten Kammer im ersten Substrat und ein zweiter Bereich der zweiten Kammer in dem über dem ersten Substrat angeordneten zweiten Substrat gebildet ist. Die übereinander angeordneten, also gestapelten Substrate sind durch den zweiten Dichtbereich derart miteinander verbunden, dass die erste Kammer und die zweite Kammer gegenüber der umliegenden Umgebung gasdicht abgedichtet werden. Die beiden Kammern können beispielsweise parallel zur Oberfläche des ersten und/oder zweiten Substrats betrachtet nebeneinander und damit lateral voneinander beabstandet angeordnet sein. Diese Ausgestaltung bietet die Möglichkeit, einen Gassensor mit einer geringen Anzahl an Prozessschritten mit hoher Präzision und darüber hinaus auch kleinbauend herzustellen. Eine derartige Weiterbildung kann besonders vorteilhaft für einen Gassensor sein, der in Form eines mikroelektrochemischen Gassensors ausgebildet ist, also durch

mikromechanische Prozesse hergestellt ist.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Gassensors kann durch die vorteilhafte Weiterbildung erleichtert werden, dass der mindestens eine Gasdiffusionskanal, über den die erste Kammer mit der zweiten Kammer gasleitend in Verbindung steht, im ersten Substrat und/oder im zweiten Substrat ausgebildet ist. Vorteilhaft wird der mindestens eine Gasdiffusionskanal in demjenigen Substrat ausgebildet, in dem ähnliche Strukturen bzw. Elemente im Herstellungsprozess strukturiert werden, so dass eine effiziente Herstellung gewährleistet ist.

Die Struktur des erfindungsgemäß vorgesehenen Gasdiffusionskanals ist im Einzelnen nicht beschränkt. Vorteilhaft umfasst der mindestens eine Gasdiffusionskanal jedoch eine im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Substrats verlaufende erste Teilstruktur und eine zur ersten Teilstruktur im Wesentlichen senkrecht verlaufende zweite Teilstruktur, wobei sich die erste Teilstruktur und die zweite Teilstruktur kreuzen. Hieraus ergibt sich, in einem Schnitt durch den Gasdiffusionskanal senkrecht zur Substratoberfläche, lediglich beispielhaft, eine T-förmige, t-förmige, kreuzförmige, doppelt L-förmige oder auch J-förmige Grundstruktur. Mindestens im Kreuzungsbereich der ersten und der zweiten Teilstruktur ist zudem ein Hohlraum ausgebildet bzw. vorhanden, der Gas aufnehmen kann bzw. für eine Gasleitung Volumen bereitstellen kann. Dabei erstreckt sich der Hohlraum in Erstreckungsrichtung des

Gasdiffusionskanals bzw. ist der Hohlraum unterbrechungsfrei und damit durchgehend entlang der Erstreckungsrichtung des Gasdiffusionskanals ausgebildet. Dabei kann der Hohlraum beispielsweise entlang seiner

Erstreckungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Substrats ausgebildet sein. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem

Hohlraum im Prinzip um eine im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Substrats verlaufende Röhre. Diese Röhre kann beispielsweise aus mehreren Abschnitten mit unterschiedlicher Richtung gebildet sein. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass an einem ersten oberen

Abschnitt der ersten Teilstruktur eine erste Öffnung vorgesehen ist, die einerseits mit der ersten Kammer und andererseits mit dem Hohlraum gasleitend in Verbindung steht. Darüber hinaus ist an einem zweiten oberen Abschnitt der ersten Teilstruktur eine zweite Öffnung vorgesehen, die einerseits mit der zweiten Kammer und andererseits ebenfalls mit dem Hohlraum gasleitend in

Verbindung steht, so dass Gas aus der ersten Kammer durch den

Gasdiffusionskanal in die zweite Kammer gelangen kann.

Ein Gasdiffusionskanal mit einer wie oben beschriebenen Struktur aus sich kreuzenden ersten und zweiten Teilstrukturen mit dazwischen angeordnetem

Hohlraum kann zusätzlich zu einem effizienten Gastransport auch eine stabilisierende Wirkung auf die umgebenden Strukturen des Dichtbereichs ausüben. Besonders vorteilhaft verläuft hierzu die erste Teilstruktur im

Wesentlichen senkrecht bzw. in einem Winkel bis zu +/-50 ⁰ zur Dichtbereichslinie des ersten Dichtbereichs und überbrückt damit den ersten Dichtbereich zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer auf einer möglichst kurzen Strecke bzw. entlang einer, definiert durch das Layout des mindestens einen Gasdiffusionskanals, bestimmten Streckenlänge. Die zweite Teilstruktur verläuft dabei in Schichtdickenrichtung des Dichtbereichs bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des ersten Substrats bzw. senkrecht zur Oberfläche des zweiten Substrats. Der Dichtbereich kann somit durch die Struktur des Gasdiffusionskanals gegenüber mechanischen Kräften besser stabilisiert werden.

Zudem vorteilhaft ist es in dieser Ausführungsform, wenn eine Länge eines Abschnitts, insbesondere entlang der Erstreckungsrichtung des mindestens einen Gasdiffusionskanals von der ersten Kammer zur zweiten Kammer, zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung 50 μηη bis 500 μηη beträgt.

Die erste und die zweite Öffnung müssen dabei nicht zwingend an je einem Ende der ersten Teilstruktur vorhanden sein, sondern können entlang einer Oberfläche der ersten Teilstruktur beliebig verteilt sein. Eine Ausführungsform, in der die erste Öffnung an einem ersten Ende der ersten Teilstruktur und die zweite Öffnung an einem zweiten Ende der ersten Teilstruktur vorgesehen sind hat sich aber als vorteilhaft im Lichte eines wohldefinierten Gasdiffusionsweges herausgestellt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor mindestens zwei Gasdiffusionskanäle umfasst, die über mindestens einen Schnittpunkt oder mindestens einen Schnittbereich miteinander gasleitend in Verbindung stehen. Im Unterschied zu einer schwammartigen Struktur bzw. z.B. einer Struktur aus porösem Silizium, sind die Schnittpunkte bzw.

Schnittbereiche der Gasdiffusionskanäle reproduzierbar an definierten Stellen zwischen den beiden Kammern angeordnet bzw. anordenbar. Dadurch lassen sich die Eigenschaften des Gastransports zwischen den beiden Kammern gezielt einstellen bzw. modifizieren und somit planbar voraussagen. Diese

Ausführungsform schließt auch ein, dass mehrere Gasdiffusionskanäle im Sinne der vorliegenden Erfindung miteinander über mindestens einen Schnittpunkt oder mindestens einen Schnittbereich miteinander gasleitend in Verbindung stehen. Mit anderen Worten entstehen auf diese Weise mindestens abschnittsweise oder bereichsweise miteinander verbundene Gasdiffusionskanäle, so dass für das diffundierende Gas mehrere unterschiedliche Optionen bestehen von der ersten

Kammer in die zweite Kammer zu gelangen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn einzelne Gasdiffusionskanäle, oder Abschnitte derselben, beispielsweise durch Partikel teilweise oder ganz verstopft sind. Somit hat das diffundierende Gas durch Wechsel zwischen den Gasdiffusionskanälen die Möglichkeit schnell in die zweite Kammer zu gelangen, ohne dass es zu einer merklichen Verminderung der Diffusionsgeschwindigkeit oder der diffundierenden Gasmenge kommt. Ein derart ausgebildeter Gassensor hat eine dauerhaft hohe

Gasaustauschkapazität.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die erste Kammer eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten

Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete erste Sauerstoffionen-Ieitende

Feststoffelektrolytmembran sowie eine dritte Elektrode, eine vierte Elektrode und eine zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode angeordnete zweite Sauerstoffionen-Ieitende Feststoffelektrolytmembran. Die zweite Kammer umfasst eine fünfte Elektrode und eine sechste Elektrode und eine zwischen der fünften Elektrode und der sechsten Elektrode angeordnete dritte Sauerstoffionen-

Ieitende Feststoffelektrolytmembran. Unter einer Feststoffelektrolytmembran im Sinne der Erfindung wird sowohl eine einzige, durchgehende Membran als auch eine aus mehreren Einzelmembranen oder einem Bündel von Einzelmembranen aufgebaute Feststoffelektrolytmembran verstanden. Jede

Feststoffelektrolytmembran weist eine Membranebene auf. Unter einer

Membranebene wird eine Ebene angesehen, die in Richtung der flächigen Ausdehnung der Feststoffelektrolytmembran und damit senkrecht zur

Stapelrichtung von beispielsweise mindestens teilweise übereinander

angeordneten Einzelmembranen, liegt. Die Feststoffelektrolytmembran weist Sauerstoffionen-Ieitende Eigenschaften auf. Die Feststoffelektrolytmembran kann z.B. aus einem Material gebildet sein, welches Zirkon(di)oxid bzw.

yttriumstabilisiertes Zirkon(di)oxid (YSZ) umfasst.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erste Sauerstoffionen- leitende Feststoffelektrolytmembran und/oder die zweite Sauerstoffionen-Ieitende

Feststoffelektrolytmembran und/oder die dritte Sauerstoffionen-Ieitende

Feststoffelektrolytmembran mindestens eine Versteifungsstruktur aufweist, die die Feststoffelektrolytmembran stabilisiert. Die Versteifungsstruktur kann dabei in einer Aufsicht auf die Feststoffelektrolytmembran beispielsweise wabenförmig ausgebildet sein. Die Versteifungsstruktur kann z.B. in einem Schnitt senkrecht zur Membranebene eine T-förmige, t-förmige, J-förmige, doppelt L-förmige oder kreuzförmige Grundstruktur aufweisen. Diese T-förmige oder t-förmige, J- förmige, doppelt L-förmige oder kreuzförmige Grundstruktur weist z.B.

mindestens eine erste Teilstruktur und eine zweite Teilstruktur auf, wobei die erste Teilstruktur im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Teilstruktur angeordnet ist. Die erste Teilstruktur kann wie eine Auskragung oder ein Sims ausgebildet sein und verläuft dabei insbesondere parallel zur Oberfläche der entsprechenden Feststoffelektrolytmembran, also somit parallel zur

Membranebene. Insbesondere bei einer Feststoffelektrolytmembran aus mehreren Einzelmembranen oder einem Bündel aus Einzelmembranen hat sich eine derartig ausgebildete Versteifungsstruktur als vorteilhaft erwiesen, indem auf der ersten Teilstruktur die einzelnen Einzelmembranen aufliegen. Die

Vielzahl der auf den ersten Teilstrukturen der Versteifungsstrukturen

aufliegenden und somit im Wesentlichen in einer Ebene angeordneten

Einzelmembranen bildet die Festelektrolytmembran aus. Ferner ragt die zweite Teilstruktur in Schichtdickenrichtung bzw. Stapelrichtung der Einzelmembranen in die Feststoffelektrolytmembran hinein bzw. zwischen den Einzelmembranen hindurch, wodurch eine Resistenz der Feststoffelektrolytmembran gegenüber mechanischer Deformation erhöht wird. Wie oben dargelegt können dazu die Einzelmembranen auch an den Versteifungsstrukturen aufgehängt sein bzw. auf den Versteifungsstrukturen aufliegen.

Weiter vorteilhaft kann die Versteifungsstrukturen in einer Aufsicht auf die Festelektrolytmembran betrachtet wabenförmig ausgebildet sein, z.B. mit einem runden, elliptischen oder polygonalen (dreieckigen, viereckige, fünfeckigen, sechseckigen, etc.) Verlauf.

Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer

Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases beschrieben. Der Gassensor kann wie vorstehend ausgeführt gebildet sein und umfasst ein erstes Substrat und eine erste Kammer, die zumindest teilweise im ersten Substrat angeordnet ist. Dabei kann die erste Kammer z.B. zwischen dem ersten Substrat und einem weiteren, zweiten Substrat angeordnet sein. Der Gassensor umfasst weiterhin eine zweite Kammer. Die zweite Kammer ist zur ersten Kammer lateral beabstandet angeordnet. Dabei kann die zweite Kammer z.B. zumindest teilweise im ersten Substrat angeordnet sein. Die zweite Kammer kann beispielsweise auch zwischen dem ersten Substrat und einem zweiten Substrat angeordnet sein. Mit anderen Worten sind die erste Kammer und die zweite Kammer insbesondere bezüglich einer Oberfläche des ersten Substrats nebeneinander angeordnet, also z.B. parallel zu einer Oberfläche des ersten Substrats betrachtet voneinander beabstandet. Dabei sind die erste Kammer und die zweite Kammer durch einen zwischen der ersten Kammer und der zweiten

Kammer angeordneten ersten Dichtbereich voneinander getrennt. Im ersten Dichtbereich ist mindestens ein gerichteter Gasdiffusionskanal ausgebildet, der sich von der ersten Kammer zur zweiten Kammer erstreckt und sich

insbesondere im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Substrats erstreckt. Dabei steht die erste Kammer mit der zweiten Kammer über den

Gasdiffusionskanal gasleitend in Verbindung.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der mindestens eine

Gasdiffusionskanal durch ein Ätzverfahren hergestellt. Hierzu wird in einem ersten Schritt ein Substrat bereitgestellt. Auf dem Substrat werden anschließend eine erste Schicht einer Ätzmaske und eine zweite Schicht einer Ätzmaske abgeschieden. Anschließend erfolgt eine Strukturierung der Ätzmaske, beispielsweise zur Ausbildung von Öffnungen in der Ätzmaske, die bis auf das Substrat reichen. Anschließend wird ein isotroper Ätzschritt zur Erstellung einer oberflächennahen Verbreiterung im Substrat, einer sogenannten Auskragung, durchgeführt. Die Verbreiterung bzw. Auskragung stellt im später fertiggestellten Gasdiffusionskanal ein bestimmtes Volumen für den Gastransport bzw. den Querschnitt des Kanals bzw. der Röhre in einem Schnitt senkrecht zur

Oberfläche des ersten Substrats bereit. Die Verbreiterung und kann z.B.

kelchartig ausgebildet sein. Der isotrope Ätzschritt wird daher so gesteuert, dass die sich bildende Verbreiterung mit der gewünschten Dimension bzw.

Ausdehnung erhalten wird.

Hieran schließt sich ein anisotroper Ätzschritt zur Erstellung einer in das Substrat hineinragenden Struktur an. Die Ätztiefe kann durch Wahl der entsprechenden

Parameter gezielt eingestellt werden. Durch die Ätzvorgänge ergibt sich eine im Wesentlichen T-förmige Grundstruktur, mit einer ersten, im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des herzustellenden Gasdiffusionskanals verlaufenden ersten Teilätzstruktur und einer im Wesentlichen senkrecht zur ersten Teilätzstruktur verlaufenden zweiten Teilätzstruktur. Im Kreuzungsbereich der ersten

Teilätzstruktur und der zweiten Teilätzstruktur ist die Verbreiterung vorhanden. Anschließend wird die zweite Schicht der Ätzmaske entfernt. In einem weiteren Schritt wird ein Wandmaterial abgeschieden. Die Abscheidung kann z.B. durch Chemical Vapor Deposition (CVD) erfolgen, so dass sich das Material konform entlang der geätzten Strukturen unter Herstellung einer insbesondere im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Substrats bzw., falls vorhanden, zur Oberfläche eines zweiten Substrats verlaufenden ersten Teilstruktur und einer zur ersten Teilstruktur im Wesentlichen senkrecht verlaufenden zweiten Teilstruktur abscheidet. Das Wandmaterial kann

beispielsweise Siliziumnitrid umfassen, vorzugsweise zu wenigstens 70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Wandmaterials. Hierbei ergibt sich aufgrund der geätzten Struktur, bei der sich die erste Teilstruktur und die zweite Teilstruktur kreuzen, dass sich mindestens im Kreuzungsbereich der ersten und der zweiten Teilstruktur ein Hohlraum bildet bzw. überbleibt, der nicht mit Wandmaterial verfüllt ist. Mit anderen Worten kann der Abscheideprozess derart durchgeführt werden, dass die Wandung in einem Querschnitt senkrecht zur

Oberfläche des ersten Substrats einen geschlossenen Raum umschließt, der gasdicht ist und in dessen Inneren ein Hohlraum ausgebildet ist.

Im Anschluss wird das Wandmaterial oberflächlich bis auf Kragenbereiche über den Ätzzugängen entfernt. Dadurch dass die erste Schicht der Ätzmaske auf dem Substrat verblieben ist, ragt das abgeschiedene Wandmaterial, auch über die Substratoberfläche hinaus und bildet auf dieser einen Kragenbereich. Dieser Kragenbereich ist aufgrund der Strukturierung der Ätzmaske und der gewählten Dicke des Wandmaterials im Wesentlichen geschlossen.

Anschließend kann für den mindestens einen gerichteten Gasdiffusionskanal eine erste Öffnung an einem ersten oberen Abschnitt der ersten Teilstruktur gebildet werden, die im Bereich der ersten Kammer angeordnet ist. Dadurch können die erste Kammer und der Hohlraum im Inneren der durch das

Wandmaterial gebildeten Struktur gasleitend in Verbindung gelangen. Zusätzlich wird eine zweite Öffnung an einem zweiten oberen Abschnitt der ersten

Teilstruktur vorgesehen, die im Bereich der zweiten Kammer angeordnet ist. Auf diese Weise können die zweite Kammer und der Hohlraum gasleitend in

Verbindung gelangen, so dass ein Gasdiffusionspfad von der ersten Kammer über die erste Öffnung der ersten Teilstruktur über den Hohlraum und die zweite

Öffnung der ersten Teilstruktur zur zweiten Kammer gebildet wird. In einem letzten Schritt wird die erste Schicht der Ätzmaske entfernt. Weitere Verfahrensschritte können im erfindungsgemäßen Verfahren

vorgesehen sein. Beispielsweise kann vor dem Vorsehen der Öffnungen ein Schritt der oberflächlichen Entfernung des Wandmaterials bis auf die gebildeten Kragenbereiche ausgeführt werden.

Das Verfahren verwendet herkömmliche Standardprozesse, wobei es

überraschend war, eine erste Teilstruktur mittels eines isotropen Ätzvorganges zu schaffen, die eine so große räumliche Ausdehnung hat, dass sie den ersten Dichtbereich des Gassensors gasleitend überspannen kann, also durchgängig bzw. ununterbrochen geöffnet ist. Ein einzelner auf diese Weise gebildeter, gerichteter Gasdiffusionskanal ist damit schon ausreichend um eine definierte Gasmenge dauerhaft effektiv zu transportieren. Das Verfahren ermöglicht somit das Erzeugen mindestens eines gerichteten Gasdiffusionskanals, der

Gasdiffusionspfade in Form von durchgängig röhrenartigen Strukturen bereitstellt, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Substrats verlaufen. Es handelt sich also nicht um Diffusionspfade, die bezüglich der Oberfläche senkrecht übereinander angeordnete Kammern gasleitend als vertikale Struktur miteinander verbinden. Insbesondere wenn der Hohlraum im Inneren des Substrats durch das isotrope Ätzen und anschließende Auskleiden mit Wandmaterial gebildet wird, kann auch ein anschließender Prozessschritt des Bondens eines zweiten Substrats auf dem ersten Substrat unter Erzeugung eines ersten und zweiten Dichtbereichs den Gasdiffusionskanal nicht

verschließen. Das Wandmaterial, beispielsweise aus einem Material, welches sich von dem Material des ersten und/oder des zweiten Substrats unterscheiden kann, schützt auf diese Weise den Gasdiffusionskanal. Das Verfahren ist einfach anwendbar und ermöglicht das gezielte Herstellen von gerichteten

Gasdiffusionskanälen in einem Gassensor mit mindestens zwei Kammern. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist: Figur 1 eine Schnittansicht eines Gassensors gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung, Figur 2 eine Draufsicht auf das zweite Substrat des Gassensors aus Figur 1 ,

Figur 3 ein erster Detailquerschnitt durch eine

Feststoffelektrolytmembran des Gassensors aus Figur 2 im Bereich der ersten Kammer,

Figur 4 ein zweiter Detailquerschnitt des Gassensors aus Figur 2

senkrecht zur Stapelrichtung,

Figur 5 eine Detailaufsicht des Gassensors aus Figuren 2 und 4 im

Bereich des ersten Dichtbereichs,

Figur 6 eine Detailaufsicht auf lineare Gasdiffusionskanäle,

Figur 7 eine Detailaufsicht auf wellenförmig geformte

Gasdiffusionskanäle,

Figur 8 eine Detailaufsicht auf sich kreuzende Gasdiffusionskanäle und

Figur 9 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Gassensors bzw. eines Gasdiffusionskanals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die erfindungswesentlichen Aspekte dargestellt. Alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.

Im Detail zeigt Figur 1 einen Gassensor 1 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases. Der Gassensor 1 kann z.B. als Lambdasonde oder als Stickoxidsensor verwendet werden. Der Gassensor 1 kann z.B. mikromechanisch hergestellt und in Dünnschichttechnologie ausgebildet sein. Der Gassensor 1 ist ein Mehrkammergassensor und umfasst eine erste Kammer 6 und eine zweite Kammer 7, die zwischen einem ersten Substrat 2 und einem zweiten Substrat 3 gebildet sind und bezüglich der Oberfläche des ersten Substrats lateral voneinander beabstandet und damit nebeneinander angeordnet sind. Die erste Kammer 6 und die zweite Kammer 7 sind ungefähr in derselben Ebene angeordnet und damit lateral bzw. in der Figur horizontal voneinander beabstandet. Das erste Substrat 2 und das zweite Substrat 3 sind in

Stapelrichtung S übereinander angeordnet und mittels eines zweiten

Dichtbereichs 5 gasdicht gegenüber der Umgebung abgedichtet. Die erste

Kammer 6 und die zweite Kammer 7 sind zudem durch einen ersten Dichtbereich 4 voneinander gasdicht getrennt.

Zwischen der ersten Kammer 6 und der zweiten Kammer 7 ist mindestens ein Gasdiffusionskanal 8 vorhanden, wobei im dargestellten Schnitt senkrecht zur

Substratoberfläche ein Gasdiffusionskanal 8 zu erkennen ist, der sich im ersten Substrat 2 erstreckt. Der mindestens eine Gasdiffusionskanal 8 ist im ersten Dichtbereich 4 angeordnet und überbrückt diesen derart, dass die erste Kammer 6 und die zweite Kammer 7 über den Gasdiffusionskanal 8 gasleitend

miteinander in Verbindung stehen, so dass Gas in Erstreckungsrichtung des

Gasdiffusionskanals 8 aus der ersten Kammer 6 durch den Gasdiffusionskanal 8 in die zweite Kammer 7 diffundieren kann. Der erste Dichtbereich 4 erstreckt sich beispielsweise zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer im

Wesentlichen entlang einer Dichtbereichslinie A (siehe hierzu insbesondere Figur 2). Die Dichtbereichslinie A erstreckt sich insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu einer kürzesten Verbindungslinie zwischen den zwei Kammern 6, 7 und damit in Figur 1 in z-Richtung. Der mindestens eine gerichtete

Gasdiffusionskanal 8 kann sich wie in der Figur angedeutet z.B. im Wesentlichen senkrecht zur Dichtbereichslinie A erstrecken. Mit anderen Worten verläuft der Gasdiffusionskanal 8 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten bzw. des zweiten Substrats und gleichzeitig im hier dargestellten Beispiel im

Wesentlichen senkrecht zur Dichtbereichslinie A.

Der Gasdiffusionskanal 8 ist gerichtet ausgebildet. Dies bedeutet, dass er röhrenartig in vordefinierter Form, Dimension und Länge und in vorbestimmter Richtung im Dichtbereich mit durchgängiger Struktur ausgebildet ist. Hierdurch wird eine effiziente Gasdiffusion von der ersten Kammer 6 in die zweite Kammer 7 ermöglicht.

In der ersten Kammer 6 sind zwei Membranelektrodenanordnungen angeordnet, eine erste Membranelektrodenanordnung, die eine in Richtung der ersten Kammer 6 gerichtete erste Elektrode 10, eine in Richtung der Umgebung (z.B. einem Messgasraum) des Gassensors 1 gerichtete zweite Elektrode 1 1 und eine zwischen der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 1 1 angeordnete erste Feststoffelektrolytmembran 12, umfasst. Die erste

Feststoffelektrolytmembran 12 kann aus einer oder mehreren Einzelmembranen aufgebaut sein, die z.B. in einer wabenförmig ausgebildeten Stützstruktur bzw. Versteifungsstruktur angeordnet bzw. aufgehängt sind. Die

Feststoffelektrolytmembran ist beispielhaft für Sauerstoffionen leitend ausgebildet und ermöglicht somit einen Durchtritt von Sauerstoffionen, O ^2" . Sie kann als Material z.B. yttriumstabilisiertes Zirkon(di)oxid aufweisen.

Analog zu der ersten Membranelektrodenanordnung ist in der ersten Kammer 6 eine zweite Membranelektrodenanordnung ausgebildet, die eine in Richtung der ersten Kammer 6 gerichtete dritte Elektrode 13, eine in Richtung der Umgebung (z.B. einem Referenzgasraum) des Gassensors 1 gerichtete vierte Elektrode 14 und eine zwischen der dritten Elektrode 13 und der vierten Elektrode 14 angeordnete zweite Feststoffelektrolytmembrane 15, umfasst.

In der zweiten Kammer 7 ist eine dritte Membranelektrodenanordnung

ausgebildet, die eine in Richtung der zweiten Kammer 7 gerichtete fünfte

Elektrode 16, eine in Richtung der Umgebung (z.B. dem Referenzgasraum) des Gassensors gerichtete sechste Elektrode 17 und eine zwischen der fünften Elektrode 16 und der sechsten Elektrode 17 angeordnete dritte

Feststoffelektrolytmembran 18, umfasst.

Die für die erste Feststoffelektrolytmembran 12 beschriebenen Ausführungen und Eigenschaften gelten analog für die zweite und die dritte

Feststoffelektrolytmembran 15, 18.

Es ist auch denkbar, dass die erste Kammer 6 und die zweite Kammer 7 jeweils nur eine einzige Membranelektrodenanordnung aufweisen. Die erste Kammer 6 weist zudem noch eine Zugangsöffnung 9 auf, die einen Gaszutritt, beispielsweise für Abgas einer Brennkraftmaschine, in die erste Kammer 6 ermöglicht.

Um einen derartigen Gassensor 1 herzustellen, können z.B.

mikrosystemtechnische Herstellungsprozesse, also Prozesse aus der

Halbleiterherstellung, zur Anwendung kommen. Insbesondere können z.B. photolithografische Herstellungsverfahren Anwendung finden im Vergleich zu Siebdruckverfahren bzw. Rakelprozessen bei der Herstellung von

herkömmlichen Sensoren, die in Dickschichttechnologie hergestellt werden.

Um die in Figur 1 beschriebene Anordnung aus den zwei Kammern 6 und 7 herzustellen können z.B. zwei zunächst voneinander separate Wafer, z.B. aus Silizium, die als erstes Substrat 2 und als zweites Substrat 3 dienen, jeweils einzeln strukturiert werden. Diese beiden Wafer können anschließend z.B. entlang der in Figur 1 dargestellten horizontalen Linie aufeinander gesetzt und somit in Stapelrichtung S übereinander angeordnet werden. Dabei können sie z.B. an den Berührungsstellen durch Sealglasbonden miteinander verbunden werden. Der Gasdiffusionskanal 8 verläuft im Wesentlichen parallel zur

Oberfläche eines der beiden Wafer in einem der beiden Wafer zwischen den beiden Kammern 6, 7 und erstreckt sich im Wesentlichen auf einer Linie, die senkrecht zur Dichtbereichslinie A des ersten Dichtbereichs 4 verläuft. Die Verbindung der Wafer miteinander kann vorzugsweise fest und unlösbar (außer durch Zerstörung lösbar) und insbesondere gasdicht ausgebildet sein.

Anschließend können einzelne Gassensoren durch einen im Übrigen bekannten Sägeprozess aus den beiden miteinander verbundenen Wafern vereinzelt werden.

Zur weiteren Veranschaulichung wird die Funktionsweise des in Figur 1 dargestellten Gassensors 1 anhand eines Stickoxidsensors für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen erläutert.

Durch die Zugangsöffnung 9 tritt Abgas der Brennkraftmaschine in die erste Kammer 6. Zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas wird der im Abgas enthaltene Sauerstoffgehalt über die zweite Membranelektrodenanordnung mit dem Sauerstoffgehalt eines Referenzgases, beispielsweise Luft, verglichen. Das Referenzgas befindet sich z.B. in einem Referenzgasraum, der in Fig. 1 in bzw. unterhalb der ersten Kammer 6 angeordnet sein kann. An der ersten Elektrode 10 der ersten Membranelektrodenanordnung wird der im Abgas enthaltene Sauerstoff katalytisch in Sauerstoffionen umgewandelt und penetriert die erste Feststoffelektrolytmembran 12, so dass der Sauerstoff aus der ersten Kammer 6 in das Abgas zurück gepumpt wird. In diesem Zusammenhang spricht man auch von einer Pumpelektrode oder Pumpleistung einer

Membranelektrodenanordnung.

Das verbleibende Restgas, das z.B. Stickoxide enthält, diffundiert sodann durch den gerichteten Gasdiffusionskanal 8 in die zweite Kammer 7. In der zweiten

Kammer 7 findet eine Bestimmung der Stickoxide unter Freisetzung von

Stickstoff z.B. an der dritten Membranelektrodenanordnung statt. Der durch die katalytische Umsetzung der Stickoxide entstehende Sauerstoffionenstrom ist ein Maß für die Stickoxidkonzentration im Abgas.

Der Gassensor 1 weist eine dauerhaft hohe Diffusionsrate für Gase aus der ersten Kammer 6 in die zweite Kammer 7 auf. Besonders vorteilhaft lässt sich durch das geometrische Layout des wenigstens einen Gasdiffusionskanals 8 bzw. der Mehrzahl von Gasdiffusionskanälen 8 und durch das Layout des Querschnitts des Hohlraums die Gasdiffusionsrate gezielt einstellen. Der

Gassensor 1 kann somit hoch effizient selbst in kleinbauender Bauweise ausgeführt werden.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Gassensor 1 , der in Figur 1 im Detail dargestellt ist, also folglich die x-z-Ebene. Hierbei ist zu erkennen, dass die erste

Kammer 6, die zweite Kammer 7 und der erste Dichtbereich 4 auf einer Linie liegen, die senkrecht zur Dichtbereichslinie A des ersten Dichtbereichs 4 angeordnet ist. Die Dichtbereichslinie A erstreckt sich hier im Wesentlichen senkrecht zu einer kürzesten Verbindungslinie zwischen den zwei Kammern 6, 7. Der zweite Dichtbereich 5 umgibt den gesamten Bereich der ersten Kammer 6, der zweiten Kammer 7 und des ersten Dichtbereichs 4. Im ersten Dichtbereich 4 ist der gerichtete Gasdiffusionskanal 8 ausgebildet, der in Pfeilrichtung und damit auf einer Linie senkrecht zur Dichtbereichslinie A des ersten Dichtbereichs 4 und damit in Erstreckungsrichtung von der ersten Kammer 6 zur zweiten Kammer 7 verläuft.

Für Detailquerschnitte wird auf Figuren 3 bis 5 Bezug genommen. Figur 3 zeigt einen ersten Detailquerschnitt des Gassensors 1 aus Figur 2 im Bereich der ersten Kammer 6, genauer gesagt im Bereich der zweiten

Feststoffelektrolytmembran 15. Die Membranebene der

Feststoffelektrolytmembran 15 verläuft sin der x-z-Ebene. Dabei ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur das erste Substrat 2 dargestellt und das zweite Substrat 3 weggelassen. Die dritte und vierte Elektrode 13, 14, die sich üblicherweise oberhalb bzw. unterhalb der zweiten Feststoffelektrolytmembran 15 befinden, sind nicht dargestellt. Am linken bzw. rechten Rand ist die zweiten

Feststoffelektrolytmembran 15 durch das erste Substrat 2 begrenzt bzw. mit dem

Gesamtsensor verbunden, wobei das erste Substrat 2 eine Substratoberfläche 2a aufweist. Die dünne Schicht stellt die Sauerstoffionen-leitende zweite

Feststoffelektrolytmembran 15 dar, die hier aus einer Vielzahl von

Untermembranen zusammengesetzt ist. Die zweite Feststoffelektrolytmembran 15 ist mit Versteifungsstrukturen 19 durchsetzt, die auch als Stützstrukturen bezeichnet werden können. In einer hier nicht dargestellten Aufsicht sind die Versteifungsstrukturen 19 z.B. wabenförmig ausgebildet, z.B. mit einem runden, elliptischen oder polygonalen (dreieckigen, viereckige, fünfeckigen,

sechseckigen, etc.) Verlauf. Die Form der Versteifungsstrukturen 19 ist so gewählt, dass sie zum einen mechanisch wie ein L- oder T-Profil die aus einer

Vielzahl von Untermembranen zusammengesetzte zweite

Feststoffelektrolytmembran 15 stabilisiert. Die Versteifungsstrukturen 19 können dabei quer zur Stapelrichtung S auskragende Verbreiterungen 20 aufweisen, auf denen die Untermembranen aufliegen. Die Verbreiterung 20 unterhalb der zweiten Feststoffelektrolytmembran 15 bietet somit eine vergrößerte

Auflagefläche und damit wiederum eine stabilere und abgedichtete Verbindung zwischen den Einzelmembranen.

Die Versteifungsstrukturen 19 können herstellungsbedingt in ihrer Mitte

Hohlräume 21 aufweisen. Die Versteifungsstrukturen 19 können ferner z.B. keilförmig ausgebildet sein. Wenn die dritte Elektrode 13 und die vierte Elektrode 14 anschließend auf die zweite Feststoffelektrolytmembran 15 aufgebracht worden sind, umgeben sie die Versteifungsstruktur 19 teilweise bzw. sogar vollständig. Die Versteifungsstruktur 19 kann z.B. als Material ihrer Wandung Siliziumnitrid umfassen. Figur 4 zeigt einen zweiten Detailquerschnitt des Gassensors aus Figur 2 senkrecht zur Stapelrichtung S inklusive des Bereichs des zweiten Dichtbereichs 5. Auch hier ist wie in Fig. 3 nur das erste Substrat 2 dargestellt. Zusätzlich zu den Details, die bereits in Figur 3 beschrieben sind, ist im mittleren Abschnitt des ersten Substrats 2 ein erfindungsgemäßer, gerichteter Gasdiffusionskanal 8 dargestellt, der im ersten Substrat 2 und damit auch im ersten Dichtbereich 4 gebildet ist. Der Gasdiffusionskanal 8 verläuft im Wesentlichen auf einer Linie senkrecht zur Dichtbereichslinie A des ersten Dichtbereichs 4, wobei die

Dichtbereichslinie A in z-Richtung verläuft, während die Erstreckungsrichtung des Gasdiffusionskanals in x-Richtung verläuft.

Der Gasdiffusionskanal 8 ist durch eine Wandung 22 begrenzt, die vorzugsweise ein Material aufweist, das Siliziumnitrid umfasst, insbesondere zu mehr als 70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Wandmaterials. Zudem weist der Gasdiffusionskanal 8 einen definierten Hohlraum 25 auf, der einen effizienten

Gastransport von der ersten Kammer 6 in die zweite Kammer 7 ermöglicht. Der Hohlraum 25 erstreckt sich durchgängig, bzw. ununterbrochen von der ersten Kammer 6 bis zur zweiten Kammer 7. Um das Gas von der ersten Kammer 6 zur zweiten Kammer 7 zu leiten, umfasst der Gasdiffusionskanal 8 eine erste Öffnung 23, die sowohl mit der ersten Kammer 6 als auch mit dem Hohlraum 25 gasleitend in Verbindung steht und eine zweite Öffnung 24, die sowohl mit der zweiten Kammer 7 als auch mit dem Hohlraum 25 gasleitend in Verbindung steht. Ein Durchmesser einer Querschnittsfläche des Gasdiffusionskanals 8 senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Gasdiffusionskanals 8 beträgt an seiner breitesten Stelle vorzugsweise 1 bis 100 μηη. Der Durchmesser D entspricht dabei beispielsweise der Erstreckung des Hohlraums 25 in vertikaler Richtung. Er kann auch als Hohlraumtiefe bezeichnet werden. Zudem beträgt eine Länge L des Gasdiffusionskanals 8 zwischen der ersten Öffnung 23 und der zweiten Öffnung 24 50 μηη bis 500 μηη. Diese Länge ist ausreichend um den ersten Dichtbereich 4 zu überbrücken und eine gasleitende Verbindung zwischen der ersten Kammer 6 und der zweiten Kammer 7 bereitzustellen.

Figur 5 zeigt eine Detailaufsicht des Gassensors aus Figur 2 und Figur 4 im Bereich des ersten Dichtbereichs 4. Wieder ist nur das erste Substrat 2 dargestellt. Beispielhaft sind sieben Gasdiffusionskanäle 8 gezeigt, mittels derer die erste Kammer 6 mit der zweiten Kammer 7 gasleitend verbunden ist. Die Gasdiffusionskanäle 8 weisen eine T-förmige Grundstruktur auf. Im Detail weist jeder Gasdiffusionskanal 8 eine im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Substrats 2 bzw. damit auch parallel zur Oberfläche des ersten Substrats 2a verlaufende erste Teilstruktur 26 und eine zur ersten

Teilstruktur 26 im Wesentlichen senkrecht verlaufende zweite Teilstruktur 27 auf.

Die erste Teilstruktur 26 bildet dabei den waagrechten Abschnitt der T-förmigen Grundstruktur, während die zweite Teilstruktur 27 den senkrechten Abschnitt der T-förmigen Grundstruktur bildet. Der Durchmesser D kann auch durch die Außenabmessungen der zweiten Teilstruktur 27 gegeben sein. Dieser

Durchmesser kann dann als Außentiefe bezeichnet werden. Die erste Teilstruktur

26 und die zweite Teilstruktur 27 kreuzen sich in mindestens einem

Kreuzungsbereich 28. Im Kreuzungsbereich 28 der ersten und der zweiten Teilstruktur 26, 27 ist ein Hohlraum 25 vorhanden. Obwohl in Figur 5 nicht dargestellt, ist an einem ersten oberen Abschnitt der ersten Teilstruktur 26 eine erste Öffnung 23 vorgesehen, die mit der ersten Kammer 6 und dem Hohlraum

25 gasleitend in Verbindung steht (z.B. vor der Bildebene). Zudem ist an einem zweiten oberen Abschnitt der ersten Teilstruktur 26 eine zweite Öffnung 24 vorgesehen, die mit der zweiten Kammer 7 und dem Hohlraum 25 gasleitend in Verbindung steht (z.B. hinter der Bildebene), so dass Gas aus der ersten

Kammer 6 durch den Gasdiffusionskanal 8 in die zweite Kammer 7 gelangen kann. Ein oberer Bereich der Gasdiffusionskanäle 8 kann beispielhaft mit der zweiten Feststoffelektrolytmembrane 15 partiell oder vollständig bedeckt sein.

Ein in dieser Form ausgebildeter Gasdiffusionskanal 8 bietet den Vorteil, dass er mit denselben Prozessen, wie auch die Versteifungsstrukturen 19 in die

Feststoffelektrolytmembran eingebracht werden, hergestellt werden kann, nämlich vorzugsweise durch mikrosystemtechnische Prozesse. Damit vereinfacht sich das Herstellverfahren für den Gassensor. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es möglich ist, auch über eine relativ große Distanz von 50μηι bis δθθμηη den Hohlraum 25, der sich im Wesentlichen zur Oberfläche des ersten

Substrats 2a bzw. des zweiten Substrats 3 erstreckt, durchgängig offen zu halten und gleichzeitig den Gasdiffusionskanal gasdicht, also mit einer geschlossenen Wandung auszubilden.

Figur 6 zeigt eine Detailaufsicht auf lineare Gasdiffusionskanäle 8, die im ersten Dichtbereich 4 ausgebildet sind. Die Gasdiffusionskanäle 8 sind gerichtet ausgebildet und überbrücken auf kürzestem Weg und daher auf einer zum ersten Dichtbereich 4 senkrechten Linie den ersten Dichtbereich 4. Durch die ersten Öffnungen 23 werden die Gasdiffusionskanäle 8 mit der ersten Kammer 6 verbunden, während die zweiten Öffnungen 24 eine gasleitende Verbindung zur zweiten Kammer 7 bereitstellen.

Figur 7 zeigt eine Detailaufsicht auf wellenförmig geformte Gasdiffusionskanäle 8, die im ersten Dichtbereich 4 ausgebildet sind. Die Gasdiffusionskanäle 8 sind gerichtet ausgebildet und verlaufen so, dass sie entlang ihrer

Erstreckungsrichtung bezüglich der Dichtbereichslinie A einen Winkel α von +1- 50° nicht überschreiten.

Figur 8 zeigt eine Detailaufsicht auf sich kreuzende Gasdiffusionskanäle 8, die im ersten Dichtbereich 4 ausgebildet sind. Beispielhaft sind hier je vier erste und zweite Öffnungen 23, 24 vorgesehen. Ausgehend von jeder ersten Öffnung 23 erstrecken sich rautenförmig zwei Gasdiffusionskanäle 8, die sich ungefähr in einem Winkel α von +30° bis +50° bzw. von -30° bis -50° bezüglich der

Dichtbereichslinie A in Richtung der zweiten Kammer 7 erstrecken. An jeder zweiten Öffnung 24 münden auch zwei Gasdiffusionskanäle 8 bzw.

Kanalabschnitte 8a der von den ersten Öffnungen 23 ausgehenden

Gasdiffusionskanäle. Die verschiedenen Gasdiffusionskanäle 8 kreuzen sich in einem rautenförmigen Muster, sind jeweils gerichtet ausgebildet und stehen über mehrere Schnittpunkte 30 miteinander gasleitend in Verbindung. Diese

Ausführungsform bietet den Vorteil, dass wenn ein Abschnitt eines

Gasdiffusionskanals 8 beispielsweise durch Partikel verstopft ist, das aus der ersten Kammer 6 diffundierende Gas die Möglichkeit hat über einen Schnittpunkt 30 in einen anderen Gasdiffusionskanal 8 zu gelangen, um über diesen in die zweite Kammer 7 zu diffundieren. Ein Gassensor mit sich kreuzend

angeordneten Gasdiffusionskanälen 8 zeichnet sich über eine lange Zeit durch eine hoch effiziente Gasleitung aus.

Figur 9 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Der Gassensor kann dabei wie vorstehend ausgeführt gebildet sein und eine erste Kammer und eine zweite Kammer umfassen, die durch einen ersten Dichtbereich 4 voneinander getrennt sind. Gasdiffusionskanäle 8 werden wie nachstehend beschrieben im ersten Dichtbereich 4 mit gerichteter Struktur ausgebildet und ermöglichen dann einen Gastransport von der ersten Kammer in die zweite Kammer. Mit anderen Worten stehen die erste Kammer und die zweite Kammer über die Gasdiffusionskanäle 8 gasleitend in Verbindung.

In einem ersten Schritt wird beispielhaft ein erstes Substrat 2 bereitgestellt. Auf dem ersten Substrat 2 werden anschließend eine erste Schicht einer Ätzmaske 31 und eine zweite Schicht einer Ätzmaske 32 abgeschieden. Anschließend erfolgt eine Strukturierung der Ätzmasken 31 , 32, beispielsweise zur Ausbildung von Öffnungen, die bis auf das erste Substrat 2 reichen.

Anschließend wird ein isotroper Ätzschritt zur Erstellung einer oberflächennahen Verbreiterung 34, einer sogenannten Auskragung, durchgeführt. Die

Verbreiterung 34 bzw. Auskragung stellt im später gefertigten Gasdiffusionskanal ein bestimmtes Volumen, also einen Hohlraum 25 für den Gastransport bereit. Der isotrope Ätzschritt wird also mit solchen Parametern ausgeführt, dass ein ausreichend dimensionierter Gasdiffusionskanal mit gewünschter Länge und Durchmesser, erhalten werden kann.

Hieran schließt sich ein anisotroper Ätzschritt zur Erstellung einer in das erste Substrat 2 hineinragenden Struktur 35 an. Die Ätztiefe kann durch Wahl der entsprechenden Parameter gezielt eingestellt werden.

Durch den isotropen und anisotropen Ätzvorgang ergibt sich eine im

Wesentlichen T-förmige Grundstruktur der geätzten Struktur, mit einer im

Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Substrats 2 bzw. des zweiten Substrats 3 verlaufenden ersten Teilätzstruktur 36 und einer im Wesentlichen senkrecht zur ersten Teilätzstruktur 36 verlaufenden zweiten Teilätzstruktur 37. Im Kreuzungsbereich 38 der ersten Teilätzstruktur 36 und der zweiten

Teilätzstruktur 37 ist die Verbreiterung 34 vorhanden. Anschließend wird die zweite Schicht der Ätzmaske 32 entfernt.

In einem weiteren Schritt wird entlang der geätzten Strukturen unter Herstellung einer im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten bzw. zweiten Substrats 2, 3 verlaufenden ersten Teilstruktur 26 und einer zur ersten Teilstruktur 26 im Wesentlichen senkrecht verlaufenden zweiten Teilstruktur 27 ein Wandmaterial 39 abgeschieden (z.B. mittels CVD oder eines vergleichbaren Verfahrens), das insbesondere Siliziumnitrid umfassen kann. Hierbei ergibt sich aufgrund der zuvor geätzten Struktur, dass sich die erste Teilstruktur 26 und die zweite Teilstruktur 27 kreuzen, wobei mindestens im Kreuzungsbereich der ersten und der zweiten Teilstruktur 28 ein Hohlraum 25 gebildet wird bzw. überbleibt, auf dem kein Wandmaterial 39 abgeschieden wird. Dieser Hohlraum 25 stellt in die Bildebene hinein verlaufend den Gasdiffusionskanal 8 bzw. die Röhre dar.

Im Anschluss wird das Wandmaterial 39 oberflächlich bis auf die Bereiche über den Ätzlöchern entfernt. Dadurch, dass die erste Schicht der Ätzmaske 31 auf dem ersten Substrat 2 gebildet ist, ragt das abgeschiedene Wandmaterial 39 auch über die Oberfläche des ersten Substrats 2 hinaus und bildet auf der Oberfläche des Substrats 2 einen Kragenbereich 40, der den ursprünglichen Ätzzugang zum Hohlraum 25 verschließt.

Es ist daher sinnvoll, dass in einem weiteren Schritt nun z.B. punktuell im Bereich der ersten Kammer 6 eine erste Öffnung 23 an einem ersten oberen Abschnitt der ersten Teilstruktur 26 gebildet wird, die eine gasleitende Verbindung zwischen der ersten Kammer 6 und dem Hohlraum 25 schafft. Ferner ist es sinnvoll, z.B. punktuell im Bereich der zweiten Kammer 7 auch eine zweite Öffnung 24 an einem zweiten oberen Abschnitt der ersten Teilstruktur 26 vorzusehen, die eine gasleitende Verbindung zwischen dem Hohlraum 25 und der zweiten Kammer 7 bereitstellt. Auf diese Weise wird ein Gasdiffusionspfad von der ersten Kammer 6 über die erste Öffnung der ersten Teilstruktur 23, über den Hohlraum 25 und die zweite Öffnung der ersten Teilstruktur 24 zur zweiten Kammer 7 gebildet.

In einem letzten Schritt wird die erste Schicht der Ätzmaske 31 entfernt.

Wird die zweite Schicht der Ätzmaske 32 vor dem Herstellen der ersten Öffnung 23 und der zweiten Öffnung 24 entfernt, so kann sich ebenfalls vor dem

Herstellen der Öffnungen 23, 24 beispielsweise ein Abscheiden einer

Feststoffelektrolytmembran auf der Oberfläche der Gasdiffusionskanäle 8 und über das erste Substrat 2 hinweg erfolgen. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.

Das Verfahren ist einfach anwendbar und ermöglicht das gezielte Herstellen von gerichteten Gasdiffusionskanälen in einem Gassensor mit mindestens zwei Kammern.