[发明专利]微机械固体电解质传感器装置及相应的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机械固体电解质传感器装置和一种相应的制造方法。

背景技术

固体电解质气体传感器在现有技术中是已知的，例如作为拉姆达探头形式的氧气传感器。构建为能斯脱探头的拉姆达探头测量固体电解质的电压，其中二氧化锆用作膜。在此，利用二氧化锆的如下特性，在高温（在陶瓷探头的情况下典型为650℃）下能够以电解质形式输送氧离子，由此形成可测量的电压。

DE 199 41 051 A1公开了一种气体传感器，该气体传感器构建为宽带拉姆达探头，该气体传感器具有陶瓷固体电解质基和多个电极，其安置在固体电解质的外侧上或腔中。

陶瓷厚膜工艺用作这种已知的固体电解质传感器装置的技术，厚膜工艺仅允许比较大的最小尺寸，更确切地说不仅在结构宽度（典型地大于30μm）方面而且在层厚度（典型地大于10μm）方面。通过组合多个单元除了可制造氧气传感器之外也可以制造其他气体传感器，例如用于氧化氮的气体传感器，但这些气体传感器成本高昂并且要求复杂的分析电子装置。

发明内容

本发明提出了一种根据权利要求1所述的微机械固体电解质传感器装置和一种根据权利要求7所述的相应制造方法。

优选的改进方案是相应的从属权利要求的主题。

本发明所基于的构思在于将微机械技术应用于基于固体电解质的气体传感器。因此，本发明能够实现这种传感器的小型化，降低成本并且由于其他传感器（譬如分析和激励电路）的集成可能性而提高可靠性。

尤其是，本发明将陶瓷厚膜气体传感器的化学功能材料和功能机构例如作为能够传导氧气的材料的固体电解质与微系统技术的工艺、结构和材料组合，例如用于实现所述气体传感器的经微结构化的膜。在电极材料和固体电解质材料的情况下小得比较多的尺寸的实现允许针对性地利用材料特性并且例如允许扩宽温度范围。

通过在从属权利要求中举出的措施可以有利地改进和改善在从属权利要求中所说明的装置和所说明的方法。

有利的是，承载衬底具有用于固定膜区域的敞开的内腔（Kaverne）并且第二多孔电极穿过内腔。这能够实现制造通过背侧微机构的传感器结构，使得多个小的且稳定的膜构建在晶片上并且以后在传感器中可以同时接触地（通过从前侧和背侧穿过的电极）被使用。

此外有利的是，承载衬底具有经多孔化的区域，在该区域的上方设置第一多孔电极、第二多孔电极和嵌在第一多孔电极与第二多孔电极之间的固体电解质。通过该措施省去了背侧微机构，承载衬底保持得更稳定，并且没有对压力敏感的膜。通过多孔化，待检测的气体仍然到达传感器，或在泵浦运行时，通过电解质泵浦的气体可以流走。

此外有利的是，承载衬底具有闭合的内腔并且第二多孔电极穿过该闭合的内腔。膜能够实现传感器的扩散受限的运行。利用多孔电极建立电连接，同时限定的气体也可以通过多孔的层溢流（nachstr?men）或流出。

此外有利的是，微机械承载衬底是晶片的一部分。通过该措施可以在晶片上同时并行制造多个传感器，更确切地说经由全部工序（涂覆电解质、电极、产生腔体等等）来制造。此外在晶片中还可以集成有电子电路，相应的处理优选可以已经事先进行，使得不会对有源传感器层产生不利的影响。

此外有利的是，晶片由Si、SiC或蓝宝石构成。有利地借助该措施可以制造成本低廉的衬底，该衬底可被简单处理并且能够实现电极的简单集成。此外，SiC是耐高温的并且在达到和超过500℃时能够实现在传感器中的电子部件。蓝宝石在没有附加的隔离材料的情况下是不导电的。

此外有利的是，在形成内腔之前在承载衬底的前侧上设置辅助膜，接着刻蚀内腔，随后将固体电解质和第一多孔电极设置在前侧上，之后将辅助膜从背侧开始去除并且最后涂覆第二多孔电极，使得第二多孔电极穿过内腔。该措施能够实现更为简单且更为可靠的制造。根据现有技术作为第一步骤以背侧微机构工艺（例如用KOH腐蚀液湿刻蚀Si）来制造膜。故障率在此比较高（与传感器层的沉积相比）。在以该工艺步骤开始时，可以使损耗最小化，因为在有缺陷的情况下只有少数经处理的晶片损毁。此外在该过程中以后在传感器中没有有源层（例如固体电解质）暴露于针对晶片的刻蚀介质或刻蚀方法。膜材料可以选择为使得相对于固体电解质对膜的刻蚀的选择性最佳。由于膜与晶片相比也薄很多，所以对膜的可能必要的过刻蚀与直接刻蚀晶片相比会短很多。在此，在膜区域之外残留的未被去除的辅助膜材料可以承担固体电解质与衬底的隔离。