Titel

SENSORELEMENT MIT EINER NANODRAHTE ENTHALTENDEN SCHUTZSCHICHT UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN DIESES SENSORELEMENTS Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement, wie insbesondere ein in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs angeordnetes Gassensorelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Sensorelements.

Stand der Technik

Sensoren, wie beispielsweise Gassensoren, sind weit verbreitet und in vielen Anwendungen einsetzbar. Beispielsweise ist die Verwendung von Sensoren in dem Abgasstrang eines Fahrzeugs als Abgassensor bekannt. Dabei kann insbesondere der Schutz vor einem Thermoschock, etwa durch das Auftreffen von Wasser, wie etwa durch einen Wasserschlag, von besonderer Bedeutung bezüglich der Funktionseigenschaften von Abgassensoren sein. Heutzutage eingesetzte Lösungen für einen Schutz vor Thermoschock (TSP, thermal schock protection) umfassen meist eine poröse keramische Schicht. Eine derartige

Schicht kann jedoch unter Umständen spezielle Kundenanforderungen nicht erfüllen.

Aus dem Dokument DE 10 2008 043 305 A1 ist ein Sensorelement bekannt, welches eine Schutzschicht aufweist, die in einem Abgas auszusetzenden

Bereich angeordnet ist. Dabei kann die Schutzschicht beispielsweise eine Schicht umfassen, die Nanopartikel aufweisen kann.

Das Dokument DE 10 2005 062 598 A1 beschreibt ferner ein Sensorelement zur Bestimmung einer Gaskonzentration eines Messgases, umfassend eine zu dem

Messgas gerichtete und auf einem Basiskörper angeordnete Elektrode, die von einer Schutzschicht gegen das Messgas umgeben ist. Auf der ersten

Schutzschicht ist eine zweite Schutzschicht mit einer Vielzahl von

Faserelementen angeordnet, welche durch einen Binder an der ersten

Schutzschicht befestigt sind.

Das Dokument WO 2012/047869 A2 beschreibt einen Wasserstoffsensor mit einem Netzwerk aus metallischen Nanodrähten, welche insbesondere aus Palladium ausgebildet sind und welche an einer Vielzahl von Verbindungsstellen miteinander verbunden sind.

Aus dem Dokument US 2010/0221 148 A1 ist ferner ein Gassensor zur Messung der Konzentration eines Gases bekannt. Ein derartiger Sensor kann eine poröse Katalysatorlage aufweisen, welche beispielsweise aus faserartigen oder clusterförmigen Kohlenstoff-Nanoröhren ausgebildet ist.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorelement, insbesondere für einen Abgassensor, umfassend ein Substrat mit einer gasexponierbaren aktiven Sensoroberfläche, wobei auf der gasexponierbaren aktiven Sensoroberfläche eine Schutzschicht angeordnet ist, insbesondere wobei das Substrat ein keramisches Material umfasst, und wobei die Schutzschicht eine Mehrzahl von mit ihrer Basis unmittelbar an der aktiven Sensoroberfläche fixierten nicht vernetzten Nanodrähten aufweist.

Eine gasexponierbare aktive Sensoroberfläche kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Oberfläche sein, welche einem zu vermessenden Gasstrom beziehungsweise einem zu vermessenden Gas ausgesetzt werden kann. In anderen Worten kann an der gasexponierbaren aktiven

Sensoroberfläche insbesondere die eigentliche Messung realisierbar sein.

Eine Schutzschicht kann ferner insbesondere eine auf der aktiven

Sensoroberfläche ausgebildete Schicht sein, welche das Substrat

beziehungsweise den Sensor vor den Einflüssen eines Thermoschocks schützen kann. Somit ist die Schutzschicht insbesondere eine Thermoschutzschicht. Nanodrähte können ferner massive, also insbesondere ausgefüllte und nicht hohle längliche Strukturen sein, welche in zumindest einer Dimension, insbesondere in ihrem Durchmesser, im Nanometerbereich, also grundsätzlich beispielsweise in einer Dimension von kleiner als 100nm, liegen.

Ein vorliegendes Sensorelement bietet insbesondere verbesserte

Thermoschockschutzeigenschaften und ist deshalb besonders langlebig, beziehungsweise arbeitet besonders sicher und verlässlich. Ein derartiges Sensorelement kann ferner insbesondere Bestandteil eines Gassensors, wie insbesondere eines Abgassensors sein und kann als solches etwa in dem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein.

Das vorbeschriebene Sensorelement umfasst zunächst ein Substrat. Das Substrat kann insbesondere ein keramisches Substrat sein, welches in für den Fachmann bekannter Weise ausgestaltet sein kann. Insbesondere kann das Substrat in Abhängigkeit des mit dem Sensorelement durchführbaren

Messverfahrens ausgestaltet sein. Beispielsweise, für den Fall dass das

Sensorelement ein auf lonenleitung beruhender Festkörper-Elektrolyt-Gassensor ist, kann das keramische Material etwa aus Zirkoniumoxid (Zr0 ₂ ) ausgestaltet sein. Für den Fall der Verwendung als resistiver Gassensor, beispielsweise, welcher etwa auf Chemiesorption basiert, kann das keramische Material etwa Zinnoxid (Sn0 ₂ ) oder Wolframoxid (W0 ₃ ) umfassen oder sein. Die

vorbeschriebenen Beispiele sind jedoch nicht beschränkend, sondern das Substrat kann vielmehr als aktive Sensoroberfläche, gegebenenfalls mit weiteren Elementen wie beispielsweise Elektroden, versehen sein, wie es der Fachmann in an sich bekannter Weise für Sensoren wie insbesondere Gassensoren bekannt ist.

Zweckmäßigerweise umfasst das Substrat dabei als aktive Sensoroberfläche eine gasexponierbare Oberfläche, welche während eines Messverfahrens dem zu vermessenden Gas, wie beispielsweise Abgasstrom, zumindest teilweise ausgesetzt sein kann. Eine derartige Oberfläche als aktive Sensoroberfläche ist für den Fachmann an sich bekannt. Für eine derartige Oberfläche kann insbesondere ein Schutz vor einem Thermoschock vorteilhaft sein, welche insbesondere in allen Betriebssituationen den Sensor vor einem Wasserschlag schützen kann. Durch einen derartigen Schutz kann, beispielsweise wenn der Sensor als Abgassensor in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs dient, eine Motorsteuerung sofort ab Motorstart ermöglicht werden. Dadurch kann der Motor zu jedem Betriebszustand optimal eingestellt sein, was das Einhalten besonders strikter Abgasnormen ermöglichen kann und ferner einen besonders niedrigen

Kraftstoffverbrauch ermöglichen kann.

Um einen derartigen Schutz zu realisieren, umfasst das Sensorelement auf der gasexponierbaren Oberfläche eine Schutzschicht. Diese Schutzschicht ist insbesondere eine Thermoschockschutzschicht und dient somit dazu, das

Substrat vor zu hoher Temperaturbeeinflussung zu schützen.

Bei einem vorbeschriebenen Sensor weist die Schutzschicht eine Mehrzahl von mit ihrer Basis unmittelbar an der aktiven Sensoroberfläche fixierten nicht miteinander vernetzten Nanodrähten auf.

Somit ist die Schutzschicht gebildet, und kann insbesondere bestehen aus, einer Mehrzahl von Nanodrähten. Die Nanodrähte sind dabei mit ihrer Basis an dem Substrat beziehungsweise auf der aktiven Sensoroberfläche fixiert. Dies kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die Nanodrähte mit einem ihrer Enden über ihren Durchmesser beziehungsweise ihren

Querschnitt an dem Substrat beziehungsweise auf der aktiven Sensoroberfläche fixiert beziehungsweise befestigt sind. Somit sind die Nanodrähte mit einem Ende an dem Substrat befestigt und zeigen entlang ihrer Längserstreckung mit dem anderen Ende insbesondere von dem Substrat weg. Dabei kann der Verlauf der Nanodrähte innerhalb der Schutzschicht parallel zueinander sein und senkrecht zu dem Substrat ausgerichtet sein, oder aber es können schräge beziehungsweise gebogene Verläufe ausgebildet werden. Die genaue

Ausbildung der Nanodrähte beziehungsweise die Ausrichtung der Nanodrähte kann insbesondere abhängig sein von einem Verhältnis der Länge zu ihrem Durchmesser, so dass die Mikrostruktur beispielsweise über dieses Verhältnis einstellbar sein kann. Insbesondere bei einem hohen Länge/Durchmesser- Verhältnis können die Nanodrähte verbogen und verdreht erscheinen, so dass die Mikrostruktur der Nanodrahtschicht wie ein Filz erscheint. Ferner sind die Nanodrahte insbesondere unmittelbar an dem Substrat beziehungsweise an der aktiven Sensoroberfläche befestigt, so dass die

Nanodrähte mit einem Ende an der aktiven Sensoroberfläche anliegen, und mit dem anderen Ende in Richtung des zu detektierenden Gases zeigen

beziehungsweise in diesem angeordnet sind. Dadurch kann auf das Vorsehen einer weiteren Schutzschicht oder etwaiger Zwischenschichten verzichtet werden, so dass der Sensor besonders kostengünstig ausgestaltet werden kann.

Beispielsweise können die Nanodrähte parallel angeordnet sein. Eine parallele Anordnung kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die Nanodrähte im Wesentlichen ausgehend von ihrer

Befestigungsstelle über ihre gesamte Länge an dem Substrat in die gleiche Richtung zeigen. Folglich können die Nanodrähte insbesondere eine kammartige Struktur ausbilden.

Weiterhin können die Nanodrähte untereinander bzw. miteinander, insbesondere nicht vernetzt sein. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Nanodrähte vorzugsweise keine Verbindungsstellen untereinander aufweisen, sondern jeder Nanodraht für sich alleine steht. Dabei ist von einer nicht vernetzten

Ausgestaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst, dass etwa herstellungsbedingt einzelne Nanodrähte an etwa einer Verbindungsstelle miteinander verbunden sind. Das definierte Vorsehen einer Mehrzahl von Verbindungsstellen zum Ausbilden einer definierten vernetzten Struktur kann im Sinne der vorliegenden Erfindung jedoch vorteilhafter Weise insbesondere vermieden werden.

Durch das Vorsehen einer derartigen Schutzschicht, welche etwa eine fellartige Struktur von Nanodrähten aufweisen kann, bildet sich an der Sensoroberfläche ein Luftkissen, welches dort zumindest teilweise gebunden wird. Dadurch kann ein Auftreffen der Wassertropfen beziehungsweise ein Fließen der

Wassertropfen bis hin zu der Sensoroberfläche deutlich reduziert oder sogar vollständig verhindert werden. Selbst wenn jedoch zunächst einige

Wassertropfen bis hin zu der Sensoroberfläche gelangen können, bildet sich durch den zusätzlichen bei einem Auftreffen von Wassertropfen auf die heiße Oberfläche entstehenden Wasserdampf ein besonders effektives Gaskissen aus, durch welches ein direkter Kontakt weiterer Tropfen mit der Sensoroberfläche noch effektiver verhindert werden kann. Somit kann durch die Struktur der Schutzschicht ermöglicht werden, dass ein Wassertropfen nicht durch die Schutzschicht bis hin zur Sensoroberfläche gelangt, sondern vielmehr von der aktiven Oberfläche der Schutzschicht zurück springt beziehungsweise abperlt, was durch eine unvernetzte Struktur der Nanodrähte weiter verbessert werden kann.

Durch eine parallele und nicht vernetzte Anordnung der Nanodrähte können weiterhin mechanische Spannungen innerhalb der Schutzschicht

beziehungsweise der Nanodrahtschicht, welche etwa hervorrufen werden können durch den Thermoschock, besonders gut durch eine individuelle Biegsamkeit der einzelnen Nanodrähte aufgenommen werden.

Dadurch, dass die Nanodrähte mit ihrer Basis an der aktiven Sensoroberfläche befestigt sind, ist ferner eine sehr geringe Kontaktfläche zwischen Nanodrähten beziehungsweise Schutzschicht und Substrat beziehungsweise aktiver

Sensoroberfläche vorhanden. Selbst eine eventuelle Abkühlung der Nanodrähte durch ein Auftreffen von Wassertropfen bewirkt daher keine signifikante mechanische Wechselwirkung der Schutzschicht mit der Sensoroberfläche, wodurch thermische Beanspruchung durch Hitzeunterschiede deutlich reduziert oder vollständig verhindert werden können.

Im Rahmen einer Ausgestaltung können die Nanodrähte ein Material aufweisen, das eine volumenspezifische Wärmekapazität in einem Bereich von größer oder gleich 2,0 x 10 ⁶ J/m ³ K aufweist und/oder das einen thermischen

Wärmeleitungskoeffizienten von kleiner oder gleich 30W/mK aufweist.

Insbesondere durch die vorgenannten Eigenschaften kann ein Einfluss eines kühlen Wassertropfens auf das heiße Substrat besonders gering gehalten werden. Im Detail kann ein Weiterleiten der kühlen Temperatur von den

Wassertropfen durch die Nanodrähte durch eine vorbeschriebene

volumenspezifische Wärmekapazität beziehungsweise einen vorgeschriebenen thermischen Wärmeleitkoeffizienten besonders gering gehalten werden. Dabei kann entweder eine vorbeschriebene volumenspezifische Wärmekapazität vorgesehen sein oder ein vorbeschriebener thermischer

Wärmeleitungskoeffizient oder beide der vorgenannten Eigenschaften können zusammen eingehalten werden. Somit kann insbesondere in dieser Ausgestaltung ein Thermoschock besonders gering gehalten werden durch einen besonders geringen Temperatureinfluss beziehungsweise durch eine besonders reduzierte Temperaturänderung des Substrats. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Nanodrahte ein Metalloxid aufweisen, insbesondere wobei die Nanodrahte aus Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ), Zirkoniumoxid (Zr0 ₂ ), Zinkoxid (ZnO), Magnesiumoxid (MgO), Manganoxid (Mn0 ₂ ), Mullit (3AI ₂ 0 ₃ ^■ 2Si0 ₂ ), Titanoxid (Ti0 ₂ ), oder einer Mischung umfassend ein oder einer Mehrzahl der vorgenannten Materialien ausgebildet sind.

Insbesondere derartige keramische Materialien beziehungsweise Metalloxide können besonders bevorzugt sein, um eine vorbeschriebene Schutzschicht ausbilden zu können. Im Detail bieten die vorbeschriebenen Materialien einen besonders vorteilhaften thermischen Wärmeleitungskoeffizienten und eine besonders geeignete volumenspezifische Wärmekapazität. Darüber hinaus sind derartige Materialien in besonders vorteilhafter Weise als Nanodrähte herstellbar, wobei sie auch als Nanodrähte noch eine ausreichende Stabilität aufweisen können. Dabei sind aus den vorbeschriebenen Materialien ausgebildete

Nanodrähte besonders vorteilhaft an ihrer Basis, also nur durch einen geringen Kontaktbereich, an dem Substrat befestigbar, so dass neben besonders vorteilhaften thermischen Eigenschaften auch eine besonders vorteilhafte mechanische Stabilität gegeben sein kann.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Nanodrähte ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von größer oder gleich 100 aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann eine Schutzschicht ausgebildet werden, durch welche sich in besonders vorteilhafter Weise ein Gaspolster zwischen den Nanodrähten und damit oberhalb der Sensoroberfläche immobilisieren lässt, wobei ferner eine ausreichende Dicke der Schicht gewährleistet sein kann, so dass eine

mechanische Beanspruchung durch Thermoschock des Substrats besonders vorteilhaft verhindert werden kann. Neben einer großen Dicke der Schutzschicht aufgrund der Länge der Nanodrähte kann dabei weiterhin ermöglicht werden, dass die Nanodrähte eine ausreichende Flexibilität aufweisen, so dass mechanische Spannungen gegebenenfalls durch eine Verformung besonders vorteilhaft aufgenommen werden können. Somit ist ein Sensorelement in dieser Ausgestaltung besonders langzeitstabil und arbeitet ferner besonders verlässlich.

Ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser beziehungsweise ein Länge/Durchmesser-Verhältnis von größer oder gleich 100 kann dabei insbesondere bedeuten, dass bei einem Durchmesser der Nanodrahte von 100nm deren Länge größer als 10μηι ist.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Nanodrahte eine Länge aufweisen, die in einem Bereich von größer oder gleich 100μηι liegt.

Insbesondere bei einer geraden Ausgestaltung der Nanodrähte beziehungsweise in der Ausrichtung in Form einer Geraden kann somit eine Dicke der

Schutzschicht erreicht werden, die in einem Bereich von größer oder gleich 100 μηη liegt. Durch diese Ausgestaltung ist somit ein besonders dickes Luftpolster erzeugbar, welches in dem Bereich der Schutzschicht immobilisiert ist. Darüber hinaus können Temperatureinflüsse bei einem Einwirken von kalten

Wassertropfen etwa auf die Nanodrähte bis hin zum Substrat besonders gering gehalten werden, so dass ein besonders vorteilhaftes Thermoschockverhalten ermöglicht werden kann.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Nanodrähte einen

Durchmesser in einem Bereich von kleiner oder gleich 100nm, insbesondere in einem Bereich von kleiner oder gleich 50nm aufweisen. In dieser Ausgestaltung weisen die Nanodrähte somit einen besonders geringen Durchmesser auf, wodurch die thermische Leitfähigkeit der Nanodrähte noch weiter reduziert werden kann. Durch eine weiter verringerte thermische Leitfähigkeit kann somit ein Temperatureinfluss von Wassertropfen, welche auf die Oberfläche der Schutzschicht auftreffen, auf die Substratoberfläche noch weiter vermieden werden. Dieser Effekt kann beispielsweise erklärt werden durch eine

Behinderung der Phononen durch eine Wechselwirkung mit der Oberfläche. Darüber hinaus kann ein Aufnehmen von mechanischen Spannungen innerhalb der Schutzschicht, etwa hervorgerufen durch den Thermoschock, durch eine besonders gute Biegsamkeit, welche durch den geringen Durchmesser hervorgerufen werden kann, noch weiter verbessert werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Schutzschicht einen

Volumenanteil der Nanodrähte in einem Bereich von größer oder gleich 25% aufweisen. Insbesondere in dieser Ausgestaltung ist ein großer Teil

beziehungsweise ist ein großes Volumen der Schutzschicht durch Nanodrähte ausgefüllt, so dass die Gefahr eines Durchtritts von Wasser und damit ein direkter Kontakt des Substrats mit Wasser besonders reduziert werden kann, so dass die Gefahr eines unmittelbaren Einflusses von Wassertropfen,

beispielsweise, auf das Substrat besonders wirkungsvoll verhindert werden kann.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Sensorelements wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der Figur sowie der

Figurenbeschreibung verwiesen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Sensorelements, insbesondere eines Abgassensors, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Substrats mit einer gasexponierbaren aktiven

Sensoroberfläche; und

b) Aufbringen einer Mehrzahl von Nanodrähten auf die gasexponierbare aktive Sensoroberfläche des Substrats, wobei die Nanodrähte mit Ihrer Basis auf der aktiven Sensoroberfläche aufgebracht werden.

Durch ein vorstehend beschrieben ausgestaltetes Herstellungsverfahren können Gassensoren in besonders einfacher und kostengünstiger weise herstellbar sein. Dadurch sind auf besonders einfache Weise die bezüglich des Gassensors beschriebenen Vorteile erzielbar, nämlich insbesondere die Ausbildung einer besonders effektiven Thermoschockschutzschicht und dadurch ein verbessertes Thermoschockschutzverhalten.

Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt a) ein Substrat bereitgestellt. Das Substrat kann insbesondere ein keramisches Substrat sein oder umfassen, und dabei beispielsweise wie für Gassensoren an sich bekannt ausgestaltet sein. Insbesondere ist das Substrat mit einer aktiven

Sensoroberfläche einem zu detektierenden Gas beziehungsweise einem zu detektierenden Gasstrom aussetzbar, so dass das Substrat eine

gasexponierbare aktive Sensoroberfläche aufweist. Die aktive Sensoroberfläche soll insbesondere gegen Beschädigungen durch Thermoschock geschützt werden. Dazu wird in dem Verfahrensschritt b) eine Schutzschicht aufgebracht. Dies erfolgt bei den vorbeschriebenen Verfahren derart, dass eine Mehrzahl von Nanodrähten auf die gasexponierbare aktive Sensoroberfläche des Substrats aufgebracht wird beziehungsweise dort aufwachsen, wobei die Nanodrähte mit Ihrer Basis auf der Substratoberfläche beziehungsweise auf der aktiven

Sensoroberfläche aufgebracht werden. Dadurch entsteht eine Schutzschicht mit einer Struktur, welche im Wesentlichen aus einer Mehrzahl beziehungsweise einer Vielzahl an Nanodrähten aufgebaut ist. Nanodrähte sind dabei mit ihrem Querschnitt beziehungsweise mit ihrer Basis an dem Substrat befestigt, so dass eine geringe Kontaktfläche zwischen Nanodrähten und Substrat

beziehungsweise aktiver Sensoroberfläche realisiert werden kann. Dadurch kann eine Übertragung von insbesondere kalten Temperaturen auf das Substrat in weiten Bereichen reduziert beziehungsweise vollständig verhindert werden. Darüber hinaus kann das Ableiten thermischer Spannungen etwa durch ein Verbiegen der Nanodrähte möglich werden. Weiterhin kann durch die

Schutzschicht ein Gasvolumen auf der Substratoberfläche immobilisiert werden, wodurch das Eindringen von Wassertropfen, beispielsweise, und ein

Kontaktieren der Substratoberfläche durch die Wassertropfen reduziert oder vollständig vermieden werden kann. Somit kann durch den Verfahrensschritt b) eine Schutzschicht erzeugt werden, welche besonders effektiv insbesondere als Thermoschockschutzschicht für das Substrat beziehungsweise für das

Sensorelement dienen kann.

Dabei kann die Schutzschicht, wie insbesondere die Nanodrahtschicht etwa bei der Verwendung bei einem Abgassensor etwa nur teilweise auf dem Sensor angebracht werden beziehungsweise auf einem Teil der in einem Abgasstrang angeordneten Sensoren. Insbesondere kann die Schutzschicht nur in dem abgasnahen beziehungsweise heißen Bereich des Sensorelements etwa rundum aufgebracht sein, um den Sensor besonders kostengünstig zu gestalten.

Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Verfahrensschritt b) ausgeführt werden durch eine Hydrothermalsynthese. Eine Hydrothermalsynthese ist besonders einfach durchführbar und es lassen sich besonders vorteilhafte Bedingungen einstellen, um definierte Wachstumseigenschaften von Nanostrukturen, wie insbesondere von Nanodrähten, ausbilden zu können. Eine derartige Synthese wird insbesondere ausgeführt in einer wässrigen Lösung, weshalb erhöhte Temperaturen beispielsweise ausgeführt werden können bis zu einem Bereich von 100°C oder auch darüber unter erhöhten Drücken. Ein Vorteil einer derartigen Synthese kann insbesondere darin liegen, dass ein derartiges

Verfahren im Gegensatz zu heute bekannten beziehungsweise angewendeten Verfahren, wie etwa dem Flammspritzen, in vielen Fällen eine Schädigung des

Substrats beziehungsweise des Sensorelements reduzieren kann. Dabei sollte, um eine Beschädigung weiter zu reduzieren, mit kurzen Prozesszeiten und bei niedrigen Temperaturen gearbeitet werden. Darüber hinaus können durch eine derartige Synthese die Nanodrähte direkt auf dem Substrat erzeugt werden beziehungsweise direkt auf das Substrat aufwachsen. In dieser Ausgestaltung kann somit besonders vorteilhaft realisiert werden, dass die Nanodrähte mit ihrer Basis auf dem Substrat verankert sind. Dadurch werden die vorbeschriebenen Vorteile erzielt, nämlich insbesondere, dass die für die mechanische

Spannungen relevante Kontaktfläche reduziert wird und dadurch auf die winzige Kontaktfläche eines einzigen Nanodrahtes reduziert wird, da die Nanodrähte untereinander an der Basis beziehungsweise auf der Substratoberfläche keine direkte Verbindung miteinander haben. Es können ferner Einkristalle erhalten werden. Dadurch kann die Gefahr einer Verzweigung reduziert werden und somit können besonders vorteilhaft unvernetzte Nanodrähte erhalten werden.

Grundsätzlich kann eine Hydrothermalsynthese ausgeführt werden, wie etwa beschrieben in Sunandan Baruah und Joydeep Dutta,„Hydrothermal growth of ZnO nanostructures", Sei. Technol. Adv. Mater. 10 (2009) 013001 , S. 18. Dabei handelt es sich in an sich bekannter Weise um ein Verfahren, bei dem eine Kristallisation der Nanodrähte aus insbesondere wässrigen Lösungen, beispielsweise bei Temperaturen von 25°C und insbesondere bis etwa 200°C und/oder erhöhtem Druck bis etwa 3000 bar (0,3 GPa) durchgeführt werden. Um Schädigungen des Substrats zu verhindern, können dabei insbesondere niedrige Temperaturen vorteilhaft sein.

Die hydrothermalen Verfahren unterscheiden sich geringfügig je nach Wahl des Materials der Nanodrähte insbesondere lediglich durch Wahl der Ausgangsstoffe. Beispielsweise können Nanodrähte aus Titanoxid wie in der vorbeschriebenen Literaturstelle beschrieben unter Verwendung von Zinknitrat, Ammoniak und Ammoniumhydroxid als Ausgangssubstanzen bei Verwendung von

Wachstumsbedingungen von 95°C für 30 min auf ein Substrat aufwachsen, wobei die Länge, beispielsweise, durch die Prozessdauer einstellbar sein kann und die Dicke etwa durch die Konzentration oder Hilfsstoffe einstellbar sei kann. Ferner kann beispielsweise Manganoxid aus KMn0 ₄ + NH ₄ CI bei rund 150°C für 24h und faserförmige Ti0 ₂ -Nanodrähte aus Ti0 ₂ in 10M NaOH bei 170°C für 24h mit nachfolgender Wärmebehandlung hergestellt werden. Ferner können Temperatur, Lösemittel und pH-Wert den Wachstumsprozess in geeigneter Weise steuern, wie dies für den Fachmann bekannt ist. Bei den genannten Beispielen Manganoxid und Titanoxid kann ein faserartiges Wachstum basieren auf den genannten Rohstoffen beziehungsweise den gewählten Bedingungen. Bei Zinkoxid, beispielsweise, kann etwa Urotropin als Hilfsstoff verwendet werden, welches sich auf die unpolaren Prismenflächen des sich bildenden Kristalls abscheidet. Wachsen werden dann nur noch insbesondere die polaren Basisflächen, welche unbedeckt von Urotropin bleiben. Dabei sind die vorgenannten Beispiele nicht beschränkend zu verstehen.

Ein Vorteil hydrothermalsynthetischer Kristalle kann insbesondere deren im Wesentlichen vollständige Spannungsfreiheit sein, wodurch ihr technischer Einsatz zunehmend an Interesse gewinnt. Ebenso ist eine Erzeugung ohne charakteristische Wachstumsfehler möglich, wie etwa Einschlüssen von

Tiegelmaterial, wie sie bei Synthesen nach dem Verneuil-Verfahren oder bei Tiegelziehmethoden aus der Schmelze häufig auftreten.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Verfahrensschritt b) ausgeführt werden durch eine Synthese der Nanodrähte aus der Gasphase. Beispielsweise kann Verfahrensschritt b) ausgeführt werden wie in Niranjan S. Rangir et al.,„Reactive VLS and the Reversible Switching between VS and VLS Growth Modes for ZnO Nanowire Growth", J. Phys. Chem. C, 2010, 1 14, 10323- 10329 beschrieben. Grundsätzlich kann bei einer Synthese von Metalloxid-Nanodrähten aus der

Gasphase ein Precursor des Metalloxids derart in die Gasphase gebracht werden, dass gasförmiges Metall in Nachbarschaft zu einem Substrat, etwa versehen mit Katalysatorpunkten vorliegt. Durch ein weiter vorliegendes

Oxidationsmittel kann das Metall oxidiert werden und dabei in Form von

Nanodrähten auskristallisieren. Dabei kann die Oberflächendichte der

Nanodrähte beispielsweise durch die Oberflächendichte der Katalysatorpartikel vorgegeben werden. Darüber hinaus können durch eine derartige Synthese die Nanodrahte einkristallin sein und direkt auf dem Substrat erzeugt werden beziehungsweise direkt auf das Substrat aufwachsen. In dieser Ausgestaltung kann somit besonders vorteilhaft realisiert werden, dass die Nanodrahte mit ihrer Basis auf dem Substrat verankert sind. Dadurch werden die vorbeschriebenen Vorteile erzielt, nämlich insbesondere, dass die für die mechanische

Spannungen relevante Kontaktfläche reduziert wird und dadurch auf die winzige Kontaktfläche eines einzigen Nanodrahtes reduziert wird, da die Nanodrähte untereinander an der Basis beziehungsweise auf der Substratoberfläche keine direkte Verbindung miteinander haben.

Parameter, um das Wachstum zu beeinflussen, sind dabei insbesondere die Temperatur, der Sauerstofffluss beziehungsweise der Fluss des

Oxidationsmittels, weitere Zusätze, wie insbesondere Ionische Flüssigkeiten, welche den Abscheidemechanismus von Vapor-Solid zu Vapor-Liquid-Solid beeinflussen.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement, der Figur sowie der

Figurenbeschreibung verwiesen.

Beispiele und Zeichnungen

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Beispiele und Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele und Zeichnung nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs einer

Ausführungsform eines Sensorelements gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist ein Teilbereich einer Ausführungsform eines Sensorelements 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Ein derartiges Sensorelement 10 kann insbesondere Verwendung finden bei einem Abgassensor, beispielsweise in dem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs. Somit kann das Sensorelement 10 in dem Abgasstrang eines Fahrzeugs angeordnet sein. Ein derartiges Sensorelement 10 umfasst ein Substrat 12 mit einer

gasexponierbaren aktiven Sensoroberfläche 14. Das Substrat 12 kann insbesondere ein keramisches Substrat sein. Auf der gasexponierbaren aktiven Sensoroberfläche 14 des Substrats 12 ist dabei eine Schutzschicht 16

angeordnet. Die Schutzschicht 16 kann insbesondere eine Mehrzahl von mit ihrer Basis18 unmittelbar an dem Substrat 12 beziehungsweise an der aktiven

Sensoroberfläche 14 fixierten nicht vernetzten Nanodrähten 20 aufweisen.

Die Nanodrähte 20 werden bei einer Herstellung auf die gasexponierbare Sensoroberfläche des Substrats 12, aufgebracht, wobei die Nanodrähte 20 mit Ihrer Basis 18 auf der Substratoberfläche fixiert werden beziehungsweise dort aufwachsen. Dieser Verfahrensschritt kann beispielsweise und nicht

beschränkend realisierbar sein durch eine Hydrothermalsynthese oder durch eine Synthese der Nanodrähte 20 aus der Gasphase. Im Detail kann in einem nicht beschränkenden Beispiel ein Goldmuster auf ein

Substrat aufgebracht werden durch ein Lithographie-Verfahren. Beispielsweise kann ein 20 nm dicker Goldfilm durch eine Maske abgedampft werden, woraufhin die Maske entfernt werden kann. Eine Temperaturbehandlung bei 500°C für 10 Minuten in Luft ergibt Goldpunkte auf dem Substrat. Ferner wird das so vorbereitete Substrat zusammen mit einer Precursormischung (ZnO, Graphit in einem Verhältnis von 1 :1 ) in einen Quartz-Ofen gegeben. Unter Verwendung eines durchströmenden Trägergases (Argon mit einer Flussrate von 7sscm und Sauerstoff mit einer Flussrate von 0,001 sscm) wurde ein Druck von 200mbar eingestellt und das Substrat für einen Bereich von 10-35 Minuten erhitzt, auf eine Temperatur in einem Bereich von 875°C bis 930°C.Die Goldpartikel

beziehungsweise ein Katalysatorbereich zum Aufwachsen der Nanodrähte sind dabei als zu den Nanodrähten zugehörig zu verstehen, da diese ebenfalls in diesen Dimensionen vorliegen und zum Aufbringen der Nanodrähte dienen. Daher ist auch in diesem Fall der Nanodraht unmittelbar an der aktiven

Sensoroberfläche befestigt. Die Nanodrähte 20 weisen vorzugsweise ein Material auf, dass eine

volumenspezifische Wärmekapazität in einem Bereich von größer oder gleich 2,0 x 10 ⁶ J/m ³ K aufweist und/oder das einen thermischen Wärmeleitungskoeffizienten von kleiner oder gleich 30W/mK aufweist. Beispielsweise können die Nanodrähte 20 ein Metalloxid aufweisen, wie etwa Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid, Manganoxid, Mullit, Titanoxid, oder einer Mischung aus einer Mehrzahl der vorgenannten Materialien. Weiterhin können die Nanodrähte 20 ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von größer oder gleich 100 aufweisen und/oder eine Länge aufweisen, die in einem Bereich von größer oder gleich Ι ΟΟμηη liegt. Alternativ oder zusätzlich können die Nanodrähte 20 einen

Durchmesser in einem Bereich von kleiner oder gleich 100nm, insbesondere in einem Bereich von kleiner oder gleich 50nm aufweisen.

Die Schutzschicht 16 kann ferner einen Volumenanteil der Nanodrähte 20 in einem Bereich von größer oder gleich 25% aufweisen.

In den folgenden Tabellen 1 und 2 sind exemplarische Materialien mit ihren jeweiligen Eigenschaften aufgeführt, welche in vorteilhafter Weise, aber nicht beschränkend, als Nanodrähte 20 gemäß der vorliegenden Erfindung

Verwendung finden können.

Tabelle 1

Tabelle 2