(57)【要約】【課題】従来技術の欠点を克服した微細電子化学センサを提供すること【解決手段】メンブランは、第１の部分面と第２の部分面とを有しており、かつ、この領域において特定の化学種のイオンを通し、かつ、陥入部を液密に封鎖しており、条片は、メンブランの第１の面において第１の部分面と第２の部分面との間に配置されており、かつ、メンブランを動作温度に温度調節するように構成されており、第１の電極は、第１の部分電極と第２の部分電極とを有しており、かつ、液体を通し、かつ、メンブランの第１の面において第１の部分面および第２の部分面上に配置されており、ここで条片は第１の電極とメンブランとの間の電気的な接触接続を阻止し、第２の電極は、第３の部分電極と第４の部分電極とを有しており、かつ、液体を通し、かつ、メンブランの第２の面において第１の部分面および第２の部分面上に配置されている微細電子化学センサ。【選択図】図１
2014174178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細電子化学センサ（１００）であって、少なくとも、メンブラン（１０２）と、条片（１０４）と、第１の電極（１０６）と、第２の電極（１０８）とを有しており、
前記メンブラン（１０２）は、第１の部分面（１１０ａ）と第２の部分面（１１０ｂ）とを有しており、かつ、少なくとも前記第１の部分面（１１０ａ）および前記第２の部分面（１１０ｂ）の領域において特定の化学種のイオンを通し、かつ、基体（１１４）内の陥入部（１１２）に渡って配置されて、前記陥入部（１１２）を液密に封鎖しており、
前記条片（１０４）は、前記メンブラン（１０２）の第１の面において、前記第１の部分面（１１０ａ）と前記第２の部分面（１１０ｂ）との間に配置されており、かつ、前記第１の部分面（１１０ａ）と前記第２の部分面（１１０ｂ）の領域において、電気的なエネルギーを用いて、前記メンブラン（１０２）を動作温度に温度調節するように構成されており、
前記第１の電極（１０６）は、第１の部分電極（１０６ａ）と第２の部分電極（１０６ｂ）とを有しており、かつ、液体を通し、かつ、前記メンブラン（１０２）の前記第１の面において、少なくとも前記第１の部分面（１１０ａ）および前記第２の部分面（１１０ｂ）上に配置されており、ここで前記条片（１０４）は、前記条片（１０４）の領域において、前記第１の電極（１０６）と前記メンブラン（１０２）との間の電気的な接触接続を阻止するように構成されており、
前記第２の電極（１０８）は、第３の部分電極（１０８ａ）と第４の部分電極（１０８ｂ）とを有しており、かつ、液体を通し、かつ、前記メンブラン（１０２）の第２の面において、少なくとも前記第１の部分面（１１０ａ）および前記第２の部分面（１１０ｂ）上に配置されている、
ことを特徴とする、微細電子化学センサ（１００）。
【請求項２】
前記条片（１０４）はラスタとして形成されており、前記第１の部分面（１１０ａ）と前記第２の部分面（１１０ｂ）は前記条片（１０４）によって包囲されている、および／または、前記第１の部分電極（１０６ａ）は前記第２の部分電極（１０６ｂ）と電気的に接続されている、および／または前記第３の電極（１０８ａ）は前記第４の部分電極（１０８ｂ）と電気的に接続されている、請求項１記載の微細電子化学センサ（１００）。
【請求項３】
前記メンブラン（１０２）は、前記陥入部（１１２）の周囲に絶縁領域（４０２）を有しており、当該絶縁領域（４０２）には電極が設けられておらず、前記絶縁領域（４０２）は前記メンブラン（１０２）の材料および／または絶縁材料（１０００）から成る、請求項１または２記載の微細電子化学センサ（１００）。
【請求項４】
前記条片（１０４）は、温度調節のために加熱部材（５００）を有しており、当該加熱部材は前記条片（１０４）と前記メンブラン（１０２）との間に配置されている、および／または、前記第１の電極（１０６）と前記条片（１０４）との間に配置されており且つ電気的に前記第１の電極（１０６）および前記メンブラン（１０２）から絶縁されている、または
前記条片（１０４）の材料は、電気的な抵抗を有しており、ここで当該条片（１０４）の材料は、前記第１の電極（１０６）および／または前記第２のメンブラン（１０２）から絶縁されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の微細電子化学センサ（１００）。
【請求項５】
前記第１の電極（１０６）および／または前記第２の電極（１０８）および／または前記加熱部材（５００）はそれぞれ、少なくとも１つの導体路（６００、６０２、６０４）を介して接触接続されており、前記導体路（６００、６０２、６０４）は前記絶縁領域（４０２）を介して、前記基体（１１４）へと延在している、および／または、電気的に前記メンブラン（１０２）から絶縁されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の微細電子化学センサ（１００）。
【請求項６】
前記メンブラン（１０２）の温度および／または周辺温度を検出する温度センサを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の微細電子化学センサ（１００）。
【請求項７】
前記陥入部（１１２）は封鎖されたチャンバ（１４００）として形成されている、および／または、前記メンブラン（１０２）に対向している、前記チャンバ（１４００）の壁部は第３の電極（１４０２）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の微細電子化学センサ（１００）。
【請求項８】
前記対向する壁部は別のメンブラン（１５００）として形成されており、前記別のメンブラン（１５００）は、別の条片（１５０２）と第４の電極（１５０４）とを有している、および／または、前記チャンバ（１４００）は拡散開口部（１５０８）を有している、請求項７記載の微細電子化学センサ（１００）。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項記載の微細電子化学センサ（１００）の動作方法（２００）であって、前記方法（２００）は、
前記化学種のイオンを、前記メンブラン（１０２）を通してポンピングするために、ポンピング電圧を、前記第１の電極（１０６）と前記第２の電極（１０８）との間に印加するステップ（２０２）を有している、
ことを特徴とする、微細電子化学センサ（１００）の動作方法（２００）。
【請求項１０】
前記第１の電極（１０６）と前記第３の電極（１４０２）との間の前記容量および／または容量の変化を検出するステップを有しており、前記容量の変化を用いて前記メンブラン（１０２）の撓みを求める、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法（２００）。
【請求項１１】
前記撓みを用いて、前記メンブラン（１０２）に加わる圧力を求めるステップを有している、請求項１０記載の方法（２００）。
【請求項１２】
前記印加ステップ（２０２）において、所定の持続時間の間および／または前記撓みが所定の値よりも大きくなるまで前記ポンピング電圧を印加する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法（２００）。
【請求項１３】
前記第１の電極（１０６）におけるイオンの第１の濃度と前記第２の電極（１０８）におけるイオンの第２の濃度との第１の割合を検出するために、前記第１の電極（１０６）と前記第２の電極（１０８）との間の電圧を測定する、および／または、前記第３の電極（１４０２）におけるイオンの第１の濃度と前記第４の電極（１５０４）におけるイオンの第３の濃度との第２の割合を検出するために、前記第３の電極（１４０２）と前記第４の電極（１５０４）との間の電圧を測定するステップを有している、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法（２００）。
【請求項１４】
所定の層厚を有する薄膜（１０２）を製造する方法（３００）において、
薄膜（１０２）と第１の電極（１０６）を準備する（３０２）ステップであって、当該薄膜を前記所定の層厚よりも薄く析出し、前記電極（１０６）は少なくとも、前記薄膜（１０２）の部分領域（１１０）にわたって延在している、ステップと、
電極を前記薄膜（１０２）の面の上に析出するステップ（３０４）と、
前記薄膜（１０２）の現在の層厚を、前記第１の電極（１０６）と第２の電極を用いて測定する（３０６）ステップであって、前記第２の電極を、一時的に前記第１の電極（１０６）に対向している、前記薄膜（１０２）の面に直接的に配置する、ステップと、
第２の部分層を前記第１の部分層上に析出する（３０８）ステップであって、前記第２の部分を、前記現在の層厚と前記所定の層厚とを用いて求められた残りの層厚で析出し、これによって前記所定の層厚を有する前記薄膜（１０２）を製造する、ステップと、
を有することを特徴とする、所定の層厚を有する薄膜（１０２）を製造する方法（３００）。
【請求項１５】
装置上で実行される場合に、請求項９から１４までのいずれか１項記載の方法を実施するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細電子化学センサ、微細電子化学センサの動作方法、並びに、相応するコンピュータプログラム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼プロセスのための燃料量と、供給される酸素量との間の割合を整合させることを可能にするために、燃焼プロセスの排ガス内の酸素濃度に関する情報が必要となる。排ガスは、測定箇所で多くの場合に、高い温度を有しているので、酸素濃度を求めるための、温度に依存するセンサが必要である。
【０００３】
ＤＥ１９９４１０５１Ａ１号は、混合気内の酸素濃度を求めるためのセンサ部材と、これを製造する方法を記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＤＥ１９９４１０５１Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術の欠点を克服した微細電子化学センサ、微細電子化学センサの動作方法、所定の層厚を有する薄膜を製造する方法、およびコンピュータプログラム製品を提供すること。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題は、少なくとも、メンブランと、条片と、第１の電極と、第２の電極とを有しており、前記メンブランは、第１の部分面と第２の部分面とを有しており、かつ、少なくとも前記第１の部分面および前記第２の部分面の領域において特定の化学種のイオンを通し、かつ、基体内の陥入部に渡って配置されて、前記陥入部を液密に封鎖しており、前記条片は、前記メンブランの第１の面において、前記第１の部分面と前記第２の部分面との間に配置されており、かつ、前記第１の部分面と前記第２の部分面の領域において、電気的なエネルギーを用いて、前記メンブランを動作温度に温度調節するように構成されており、前記第１の電極は、第１の部分電極と第２の部分電極とを有しており、かつ、液体を通し、かつ、前記メンブランの前記第１の面において、少なくとも前記第１の部分面および前記第２の部分面上に配置されており、ここで前記条片は、前記条片の領域において、前記第１の電極と前記メンブランとの間の電気的な接触接続を阻止するように構成されており、前記第２の電極は、第３の部分電極と第４の部分電極とを有しており、かつ、液体を通し、かつ、前記メンブランの第２の面において、少なくとも前記第１の部分面および前記第２の部分面上に配置されている、ことを特徴とする、微細電子化学センサによって解決される。さらに、上記の課題は、化学種のイオンを、前記メンブランを通してポンピングするために、ポンピング電圧を、前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加するステップを有している、ことを特徴とする、微細電子化学センサの動作方法によって解決される。さらに、上記の課題は、薄膜と第１の電極を準備するステップを有しており、ここで当該薄膜を前記所定の層厚よりも薄く析出し、前記電極は少なくとも、前記薄膜の部分領域にわたって延在しており、電極を前記薄膜の面の上に析出するステップを有しており、前記薄膜の現在の層厚を、前記第１の電極と第２の電極を用いて測定するステップを有しており、ここで前記第２の電極を、一時的に前記第１の電極に対向している、前記薄膜の面に直接的に配置し、第２の部分層を前記第１の部分層上に析出するステップを有しており、ここで前記第２の部分を、前記現在の層厚と前記所定の層厚とを用いて求められた残りの層厚で析出し、これによって前記所定の層厚を有する前記薄膜を製造する、ことを特徴とする、所定の層厚を有する薄膜を製造する方法によって解決される。さらに、上記の課題は、装置上で実行される場合に、上記方法を実施するプログラムコードを有するコンピュータプログラム製品によって解決される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の１つの実施例に従った、微細電子化学センサのブロック回路図
【図２】本発明の１つの実施例に従った、微細電子化学センサの動作方法のフローチャート
【図３】本発明の１つの実施例に従った、所定の層厚を有する薄膜を製造する方法のフローチャート
【図４】本発明の１つの実施例に従った、微細電子化学センサの図
【図５】本発明の１つの実施例に従った、微細電子化学センサの条片の詳細図
【図６】本発明の１つの実施例に従った、微細電子化学センサの底面図
【図７】本発明の１つの実施例に従った、微細電子化学センサの平面図
【図８】本発明の１つの実施例に従った、微細電子化学センサのリブの詳細図
【図９】本発明の別の実施例に従った、微細電子化学センサのリブの詳細図
【図１０】本発明の別の実施例に従った、微細電子化学センサの図
【図１１】本発明の別の実施例に従った、微細電子化学センサの条片の詳細図
【図１２】本発明の別の実施例に従った、微細電子化学センサの底面図
【図１３】本発明の１つの実施例に従った、微細電子化学センサの線区間の詳細図
【図１４】本発明の１つの実施例に従った、チャンバを有する微細電子化学センサの図
【図１５】本発明の別の実施例に従った、チャンバを有する微細電子化学センサの図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の開示
従来技術を背景にして、本発明によって、独立請求項に記載されている、微細電子化学センサ、微細電子化学センサの動作方法、さらに薄膜を製造する方法並びに、最後に、相応するコンピュータプログラム製品が提示される。有利な構成は、各従属請求項および以降の明細書に記載されている。
【０００９】
微細電子化学センサのセンサ面を温度調節するために、電気エネルギーが必要である。この電気エネルギーは、加熱器によって熱エネルギーに変換され、センサ面で放出される。センサの基体は、センサ面の領域において温度調節される。基体からメンブランへの熱線路を介して、メンブランが温度調節される。
【００１０】
これとは異なり、エネルギーを節約し、それにも係わらず、できるだけ大きいセンサ面を温度調節することを可能にするために、加熱器をセンサ面に配置することができる。ここでセンサ面は電気的に接触接続されていない。加熱器を、微細電子化学センサの基体から分離することができる。これによってセンサ面は直接的に温度調節される。緩衝する慣性質量としての基体を用いることなく、センサ面での周辺温度の変化を直接的かつ迅速に、加熱器によって補償することができる。
【００１１】
少なくとも以降の特徴を有する微細電気化学センサセンサが提示される：
第１の部分面と第２の部分面とを有しているメンブランを備えており、ここでこのメンブランは少なくとも第１の部分面と第２の部分面の領域において、特定化学種のイオンに対して透過性であり、ここでこのメンブランは、基体内の陥入部を横切って配置されており、陥入部を液密に封鎖している；
条片を有しており、この条片はメンブランの第１の面、第１の部分面と第２の部分面との間に配置されており、ここでこの条片は、メンブランが第１の部分面と第２の部分面の領域において、電気エネルギーを用いて、動作温度に温度調節されるように構成されている；
第１の電極を有しており、この第１の電極は第１の部分電極と第２の部分電極とを有している。ここで第１の電極は液体を通し、メンブランの第１の面に少なくとも、第１の部分面と第２の部分面の上に配置されている。ここで条片は、条片の領域において、第１の電極とメンブランとの間の電気的な接触接続を阻止するように構成されている；
第２の電極を有しており、この第２の電極は第３の部分電極と第４の部分電極とを有している。ここでこの第２の電極は液体を通し、メンブランの第２の面に少なくとも、第１の部分面と第２の部分面の上に配置されている。
【００１２】
メンブランとは、薄膜材料である。メンブランは、種々の材料から組成される。メンブランの部分面は、センサのセンサ面を表し得る。少なくとも、これらの部分面内で、メンブランはセラミック材料を有し得る。メンブランないしは部分面は、液密であり得る。メンブランないしは部分面は選択的に透過性であり得る。メンブランないしは部分面に触媒機能を持たせることができる。触媒によって、メンブランないしは部分面上で、および択一的にまたは付加的にメンブランないしは部分面内で、メンブランないしは部分面は化学種をイオン化することができる。基体は、半導体材料および択一低または付加的にセラミック材料を有し得る。基体は、センサを接触接続するための電気的なコンタクトを有し得る。陥入部は、貫通孔または空洞であり得る。条片は、リブであり得る。条片は分岐し得る。条片は、基体の材料を有し得る。条片は、基体から離れ得る。条片は、メンブランを補強するように構成され得る。条片は、電気抵抗での熱損失を介してメンブランを温度調節するように構成され得る。動作温度は、メンブランでの化学種のイオン化温度であり得る。第１の電極は、条片以外に、メンブランに接触接続することができる。第１の電極は、複数の部分電極に分けられ得る。第２の電極も同様に、複数の部分電極に分けられ得る。これらの部分電極は相互に接し得る。これらの電極は多孔性であり得る。これらの電極は導電性である。これらの電極に、触媒作用を持たせることができる。部分面は、両側で、電極と接触接続している。
【００１３】
さらに、本願に開示されたアプローチに従ったセンサの動作方法が開示される。ここでこの方法は以下のステップを有している：
すなわち、化学種のイオンをメンブランを通してポンピングするために第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加するステップを有している。
【００１４】
電極に電圧を印加することによって、イオンはメンブランを通って圧送される。この圧送の方向は、電圧の優先性によって決められる。電圧を印加することによって、封鎖された容積内で、より高い圧力が形成される。なぜなら、圧力を形成するために機械的な部分を動かす必要がなく、公称の電圧損失が生じないからである。電圧を印加する場合には、純粋な化学種が、メンブランの第１の面に生じる。別の面では、この種は、化学的な化合物からも離される。これはメンブランがイオン化されている、または、この化合物が既にイオン化して存在している場合である。
【００１５】
この方法は、第１の電極と第３の電極との間の容量の変化を検出するステップを有しており、これによって、メンブランの撓みがこの変化用いて求められる。第３の電極は、メンブランで液密に封鎖されているチャンバまたはキャビティ内に配置され得る。メンブランの第１の面での圧力と、メンブランの第２の面での圧力との間の圧力差によって、メンブランは、静止位置から、第３の電極の方へと、または第３の電極から離れるように、押される。電極間の間隔が変化することによって、第１の電極と第３の電極から成るコンデンサの電気的な容量が変化する。ここで、これらの電極間の間隔が低減すると、このコンデンサによって蓄積可能な電荷量が上昇する。この間隔は、容量にほぼ線形に影響を与える。
【００１６】
この方法は、撓みを用いて、メンブランに加わる圧力を求めるステップを有し得る。この圧力は、メンブランの第１の面の第１の絶対圧力と、メンブランの第２の面の第２の絶対圧力との間の結果として生じる圧力差であり得る。この圧力差によって、メンブランが変形する。この圧力は、メンブラン内にある機械的な特徴を用いて特定される。
【００１７】
電圧を、特定の持続時間の間、印加することができる。択一的または付加的に、電圧を、撓みが特定の値よりも大きくなるまで印加することができる。持続時間を制限することによって、および、択一的または付加的に、たわみを制限することによって、メンブランでの損傷が低減される。この電圧は、所定の休止後に再び印加される。同様に、撓みが別の所定の値よりも小さくなると、電圧は再び印加される。
【００１８】
この方法は、測定のステップを有し得る。ここでは、第１の電極と第２の電極との間の電圧が測定され、これによって、第１の電極での第１のイオン濃度と、第２の電極での第２のイオン濃度との間の第１の割合が検出される。択一的または付加的に、電圧が、第３の電極と第４の電極との間で測定され、これによって、第３の電極での第１のイオン濃度と、第４の電極での第３のイオン濃度との間の第２の割合が検出される。ポンピング電圧が印加されていない場合にも、電圧は測定される。相互に依存せずに切り替え可能な電極対の場合には、第１の電極と第２の電極にポンピング電圧が印加される。また、第３の電極と第４の電極の間の電圧が検出される。またこれとは異なり、第３の電極と第４の電極にポンピング電圧が印加され、また第１の電極と第２の電極の間の電圧が検出される。殊に、メンブランは、拡散箇所を有し得る。この拡散箇所を通して、高い圧力によって、キャビティ内に原子が拡散される。従って、ポンピングによって、また間隔の空いたポンピングによっても、メンブランの間の別の化学種の濃度が、検出閾値の下方に低化し得る。このような場合には、ポンピング電圧によって基準液体が提供され、この基準液体を用いて、測定されるべき液体内の化学種のうちの１つの絶対的な濃度が特定される。
【００１９】
さらに、所定の層厚を有する薄膜を製造するための方法が開示される。ここでこの方法は以下のステップを有している：
第１の電極を提供するステップ。ここで、この電極は、少なくとも、薄膜の部分領域にわたって延在している；
薄膜の面上に薄膜の第１の部分層を析出するステップ。ここでこの第１の部分層は、所定の層厚よりも薄く析出される；
薄膜の現在の層厚を、第１の電極と第２の電極を用いて測定するステップ。ここで第２の電極は一時的に、直に、第１の電極に対向している薄膜面に配置される；
第２の部分層を第１の部分層上に析出するステップ。ここで第２の部分層は、現在の層厚および所定の層厚を用いて求められた残りの層厚で析出され、これによって、所定の層厚を有する薄膜が製造される。
【００２０】
析出とは、堆積または凝縮である。析出は化学的に、例えば、沈殿によっても行われる。析出を、気相析出プロセスを使用して行うことができる。例えば、化学的または択一的または付加的に物理的な気相析出プロセスを使用することができる。現在の層厚を電気的に求めることができる。第２の電極を、薄膜上に析出することができる。これによって、現在の層圧が極めて正確に求められる。第２の電極は、薄膜上にも印刷され得る。これによって、第２の電極を容易に、再び除去することができる。
【００２１】
条片は、ラスタとして構成され得る。第１の部分面と第２の部分面は、この条片によって包囲され得る。同様に部分面をラスタとして形成することができる。このラスタによって、部分面の大きさが制限され、これによって、安定性が得られる。複数の部分面は、１つの大きい全体面をセンサ面として提供することができる。第１の部分電極は、第２の部分電極と電気的に接続可能である。第３の部分電極は、第４の部分電極と電気的に接続可能である。第２の面上の第１の電極は条片を包囲し得る。従って、条片は第１の電極とメンブランの間に配置されている。メンブランの１つの面での部分電極は、共通の電気的なポテンシャルを有し得る。従って、メンブランの面毎に、基体に対する個別の接続線路が１つだけ必要となる。
【００２２】
メンブランは、陥入部の周りに延在している絶縁領域を有し得る。この絶縁領域には電極が設けられていない。絶縁領域は、この場合には殊に環状に形成され、この陥入部を包囲することができる。絶縁領域は、メンブランの材料と、択一的または付加的に、絶縁材料とから成る。絶縁領域は、部分面の周辺の縁部を形成し得る。絶縁領域は、基体と部分面との間に配置可能である。絶縁領域は部分面を熱的および択一的または付加的に電気的に、基体から絶縁することができる。この絶縁領域によって、メンブランの温度調節のためのエネルギー消費が低減される。
【００２３】
条片は、温度調節のために、加熱部材を有することができる。この加熱部材は、条片とメンブランとの間に配置されており、択一的または付加的に、第１の電極と条片の間に配置されており、電気的に第１の電極とメンブランから絶縁されている。択一的に、条片の材料は、電気的な抵抗を有し得る。ここで条片のこの材料は、第１の電極および、択一的または付加的に、メンブランから絶縁されている。電気的な抵抗は、オーム抵抗であり得る。この抵抗では、電気的なエネルギーが熱エネルギーに変換される。
【００２４】
第１の電極は第１の導体路を介して接触接続可能である。第２の電極は、第２の導体路を介して接触接続可能である。加熱部材は、第３の導体路と第４の導体路を介して、接触接続可能である。これらの導体路は、絶縁領域を介して基体へと延在し、択一的または付加的に電気的に、メンブランから絶縁され得る。
【００２５】
導体路は導電性であり、かつ僅かなオーム抵抗を有し得る。導体路は柔軟性であり得る。例えば、導体路はメアンダを有することができる。これによって、引張負荷および択一的または付加的に湾曲負荷を受容することができる。
【００２６】
導体路は少なくとも、部分区間を介して、陥入部の縁部に接線に配向され得る。導体路は、メンブランの各リブによって絶縁され得る。択一的または付加的に、導体路を絶縁材料内に埋設することができる。導体路の接線配置は結果として、導体路内の特に僅かな湾曲モーメントを生じさせ得る。リブは、絶縁領域を介した、基体への条片の延長部であり得る。このリブを、条片と同じ材料から成形することができる。絶縁材料によって、複数の導体路を相互に密に隣接して配置することができる。
【００２７】
センサは、メンブランとセンサの別の部分との間の１つおよび複数の間隔変化を検出する装置を有することができる。択一的または付加的に、センサは、メンブランの温度、および、択一的または付加的に周辺温度を検出する温度センサを有することができる。間隔を検出するための装置は、容量性センサであり得る。これは、間隔変化に応じて、電気信号を提供する。この検出装置によって、メンブランの撓みを検出することができる。この撓みから、圧力の差が、メンブランを介して検出される。メンブランの温度を検出する温度センサをメンブラン上に配置することが可能であり、これは導体路を介して基体と接続可能である。温度センサは、メンブランの第２の面に配置され得る。周辺温度を検出する温度センサは、メンブランに対する最低距離で配置され得る。この温度センサによって、化学種が検出される。この化学種に対して、部分面は不透過性である。
【００２８】
陥入部は、封鎖されたチャンバとして形成され得る。メンブランに対抗するチャンバ壁部は、第３の電極を有することができる。周辺から封鎖されたチャンバによって、メンブランを圧力センサとして使用することができる。メンブランを通した、イオンのアクティブなポンピングによって、チャンバの密閉性をテストすることができる。第３の電極によって、第１の電極を用いて、および択一的または付加的に、第２の電極を用いて、変化可能な容量を形成することができる。これを介して、電極間の間隔の変化が検出される。
【００２９】
対向する壁部は、別のメンブランとして形成可能である。この別のメンブランは別の条片および第４の電極を、ここに開示されているアプローチに即して有することができる。２つの依存せずに使用可能なメンブランの場合には、メンブランの１つは、この化学種１００％から成る基準液体を提供するために使用される。これらのメンブランは、自由に、チャンバ内に配置可能である。第２のメンブランは、周辺液体におけるこの種の絶対的な含有量を特定するために、使用される。
【００３０】
チャンバは、拡散開口部を有することができる。拡散開口部は、液体が、拡散速度においてのみ、これを通ることができる程度に小さい。この拡散開口部によって、液体の原子および分子がチャンバから漏れ出る。この種の活性イオンがチャンバ内に圧送される場合には、ある程度の時間の後、この種以外の外来原子または外来分子は、チャンバ内に存在しなくなる。
【００３１】
プログラムコードを有するコンピュータプログラムも有利である。このプログラムコードは、機械読み出し可能な担体、例えば半導体メモリ、ハードディスクメモリ、または光学的なメモリ上に記憶可能であり、コンピュータまたは装置上で実施されると、上述した実施形態のうちの１つに従ってこの方法を実行するために用いられる。
【００３２】
本発明を以下で、添付の図面に基づいて例として、詳細に説明する。
【実施例】
【００３３】
本発明の有利な実施例の以下の説明では、種々の図に示されており、類似の機能を有する部材に対して、同じまたは類似の参照番号が使用される。ここでは、このような部材の繰り返しの記載は省かれている。
【００３４】
図１は、本発明の実施例に即した微細電子化学センサ１００を示している。この微細電子化学センサ１００は、少なくとも１つのメンブラン１０２と、条片１０４と、第１の電極１０６と、第２の電極１０８とを有している。メンブラン１０２は、第１の部分面１１０ａと第２の部分面１１０ｂとを有している。メンブラン１０２は、少なくとも、第１の部分面１１０ａと第２の部分面１１０ｂの領域において、特定の化学種のイオンを通す。メンブラン１０２は、陥入部１１２に対して横向きに、基体１１４内に配置されており、陥入部１１２を液密に封鎖する。条片１０４は、メンブラン１０２の第１の面に、第１の部分面１１０ａと第２の部分面１１０ｂとの間に配置されている。条片１０４は、第１の部分面１１０ａと第２の部分面１１０ｂの領域においてメンブラン１０２を、電気的なエネルギーを用いて、動作温度に温度調節するように構成されている。第１の電極１０６は、第１の部分電極１０６ａと第２の部分電極１０６ｂとを有している。第１の電極１０６は液体を通し、メンブラン１０２の第１の面に、少なくとも第１の部分面１１０ａと第２の部分面１１０ｂ上に配置されている。条片１０４は、次のように配置ないしは構成されている。すなわち、条片１０４の領域において、第１の電極１０６とメンブラン１０２との間で電気的なコンタクトが阻止されるように配置ないしは構成されている。第２の電極１０８は、第３の部分電極１０８ａと第４の部分電極１０８ｂとを有している。第２の電極１０８は同様に、液体を通し、かつメンブラン１０２の第２の面に、少なくとも第１の部分面１１０ａと第２の部分面１１０ｂ上に配置されている。
【００３５】
ここに提示されたアプローチは、酸素および二酸化窒素のための固体電解質ベースのセンサ１００の種々の実現方法を表しており、殊に、組み込まれており、選択的に作用し、動作に必要な加熱部を有しているセンサ１００の構造を表している。
【００３６】
図２は、本発明の１つの実施例に即した、微細電子化学センサの動作方法２００のフローチャートを示している。この方法２００は、例えば図１に示された微細電子化学センサ上で実行される。この方法２００は、第１の電極と第２の電極との間に電気的なポンピング電圧を印加するステップ２０２を有している。これによって、化学種のイオンを、メンブランを通してポンピングする。
【００３７】
図３は、本発明の実施例に従った、所定の層厚を有する薄膜の製造方法３００のフローチャートを示している。この薄膜は、例えば、ここに挙げたアプローチに従ったセンサのメンブランの構成部分であり得る。この方法３００は、提供ステップ３０２と、第１の析出ステップ３０４と、測定ステップ３０６と、別の析出ステップ３０８とを有している。提供ステップ３０２では、メンブランが、第１の電極を備えた薄膜で提供される。これは、少なくとも、薄膜の部分領域にわたって延在している。第１の部分層であるメンブランは、ここで、所定の層厚よりも薄く析出されている。第１の析出ステップ３０４では、第２の、暫定的な電極が薄膜の所定の面上に析出される。ここで、第２の電極は、有利には直接的に、第１の電極に対向する、薄膜面に配置されており、薄膜の小さい面のみを覆う。測定ステップ３０６では、薄膜の現在の層厚が第１の電極と、第２の暫定的な電極とを用いて測定される。さらなる析出ステップ３０８では、次に、第２の部分層が第１の部分層上に析出される。この第２の部分層は、残りの層厚で、全体的な薄膜上に析出される。これによって、所定の厚さを有する薄膜が製造される。このために残りの層厚は、現在の層厚と、ステップ３０６において測定された特性と、所定の層厚とを用いて求められる。
【００３８】
換言すれば、図３は、微細電子化学センサエレメントを製造する方法３００のフローチャートである。ここでは、メンブランの厚さは、次のように調整される。すなわち、電気的なガス測定特性が、所定の偏差内にある、ないしは所定の標準と同一であるように調整される。これによって、再現性が改善される。
【００３９】
センサの機能材料としての薄膜の析出時には、例えばパルス状のレーザ堆積またはＣＶＤ方法を介して、既にその場で析出時に、継続的にまたは一時的にのみ、極めて高い温度が調節され、これによって、この層自体が、既にイオン導電性になる。すでに、第１の電極も、析出された材料の下にある場合には、第２の、局部的に制限され、場合によっては一時的にのみ被着された上側の電極によって、メンブランのイオン導電性材料が特徴付けられ、調整される。前面では、電極は例えばスタンプを介して表される。これは一時的に押圧される、または、小さい、縁部に近い面上に電極が析出されることによって、行われる。これは、次に、電気的に接触接続される。測定１０６は、インピーダンススペクトロスコープによって、または、補償電流の測定を介して行われる。
【００４０】
析出はステップ毎に行われ、第１の層が析出され３０４、目標厚さを下回る厚さないしは電気的な目標値を下回る値が実現される。析出３０８と測定３０６とから成る繰り返しプロセスでは、次に、厚さないしは電気的な特徴での目標値が調節される。既に、機能層の析出時にも、ウェハで、前面または背面に、異なるガスが印加され得るので、既に析出時に、ガス機能が測定される。さらに、測定の構成部分として、設備におけるウェハでの析出と測定の間の温度処理ステップも可能である。
【００４１】
図４は、本発明の実施例に即した、微細電子化学センサ１００の図を示している。センサ１００は、図１に示されたセンサに相応する。分かりやすくするために、全ての部分面１１０は、まとめて示されている。付加的に、センサ１００は３つの別の条片１０４を有している。これらは、図１における条片と同じように、メンブラン１０２の第１の面に配置されている。条片１０４は、連続しているリブ構造４００を形成する。条片１０４間の間隙内には、３つの部分面１１０が相互に隣接して配置されている。条片１０４と基体１１４との間で、メンブラン１０２は、熱的に絶縁する担体媒体１０２を備えた包囲領域４０２を有している。絶縁領域４０２は、部分面１１０を基体１１４に対して絶縁している。メンブラン１０２は、基体１１４の表面上に配置されており、陥入部１１２を介して延在している。リブ構造体４００は、規則的なラスタを形成する。９つの部分面１１０が、条片１０４の間に配置されている。第１の電極１０６は、貫通する層内で、部分面１１０およびリブ構造４００にわたって延在している。ここで、基体１１４の方を向いている、リブ構造４００の縁は、自由である。第１の電極１０６は、三次元に形成されている。リブ構造４００を包囲している条片１０４上には、第１の導体路４０４が、第１の電極１０６の電極端子として配置されている。第２の電極１０８は、同様に、貫通している層内に、リブ構造４００および部分面１１０に対向している、メンブラン１０２の領域にわたって延在している。第２の電極１０８は平らに、または、二次元に形成されている。第２の電極１０８は、第２の導体路４０６を介して、メンブラン１０２の第２の面で、基体１１４へと接触接続されている。
【００４２】
換言すれば、図４は、固体電解質１０２を備えた、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ベースのガスセンサ１００である。この組み合わせから、微細電子化学センサエレメント（ＭＥＣＳ）が得られる。固体電解質ガスセンサは、例えば、λセンサの形態の酸素センサである。構造幅（典型的に３０μｍを上回る）でも層厚（典型的に１０μｍを上回る）でも大きい最低寸法が必要なセラミック厚膜技術と比較して、ＭＥＭＳベースのセンサは、格段に小さく構成される。複数のセルを組み合わせることによって、酸素センサの他に、別のセンサ、例えば窒素酸化物に対するセンサも製造される。
【００４３】
図４では、選択的に加熱される、加熱器を有しているＭＥＣＳセル１１０の装置の実現に対する例が示されている。これは、微細電気化学センサエレメント１００（ＭＥＣＳ）を加熱するための装置の断面図として示されている。ＭＥＣＳ１００はここで、酸素を通す材料から成る複数の個々の小さいメンブラン１１０から成る。加熱部は、メンブラン１１０の間の条片１０４上に配置されている。条片１０４は、熱を均等に分ける。周りを囲んでいるメンブランリング４０２は、基板１１４に対する熱的な絶縁を提供する。これによって、選択的な加熱が実現され、センサ１００のエネルギー需要が少なくなる。
【００４４】
センサ１００を、別のセンサないしは測定方法と組み合わすことができ、これによって測定精度が高められる、ないしは別の測定量を可能にする。
【００４５】
ここで挙げられたアプローチの特徴は、センサ１００の層のシーケンスである。上方の電極１０８に、イオン伝導性の材料（メンブランの形態で）１０２が続く。これに、条片１０４の条片の領域内に、絶縁層、加熱部が続き、電極の領域内に下方の電極１０６が続く。ここで少なくとも１つの層、絶縁部、加熱部、条片１０４は、次のように構造化されている。すなわち、個々のメンブラン１１０またはメンブラン領域１１０が、イオン伝導性の材料から生じるように構造化されている。これは、上方および下方から、電極材料によって接触接続されている。絶縁領域、加熱部および担体１０４の下方には、ここで、少なくとも１つの電極１０６が、メンブラン１０２に接触せずに存在する。
【００４６】
ＭＥＣＳセンサ１００は、種々の小さい、個々のメンブラン１１０から構成されている。活性領域１１０は、イオン伝導性のメンブラン１０２から構成されている。このメンブランの両側には、電極１０６、１０８が被着されている。動作温度（典型的に４００℃を上回る）において、活性領域１１０において、電極１０６、１０８に印加される電圧を介して酸素がイオン導電性の材料１０２によってポンピングされるか、または、メンブラン１０２の両側での酸素の濃度差によって、気体を通す電極１０６、１０８で電位差が生じる。これは測定可能である。メンブランの活性領域１１０は、気密性に覆われるべきではない。なぜなら、ポンピング流によって、極めて高い圧力が生じ得るからである。これは、層結合体の破裂を生じさせ得る。従って、電位差が、ガスが流れ得るメンブラン１０２の箇所１１０にのみ加えられる。これは、図４では、次のことによって実現される。すなわち、電極１０６、１０８が、個々のメンブラン１１０を解放した後にはじめて被着され、条片１０４が、高い動作温度のもとで非導電性の材料から製造されるか、または、電極ポテンシャルから電気的に絶縁されることによって行われる。この絶縁は例えば、基板材料１１４としてＳｉ（ケイ素）を使用する場合には、熱による酸化によって行われる。ここでは、Ｓｉの全ての表面（条片１０４の側壁でも）絶縁されている。理想的には、この酸化は、温度調節ステップで行われる。これは、メンブラン１０２のコンディショニングのために必要である。
【００４７】
図４では、個々のＭＥＣＳメンブラン１１０とＭＥＣＳ１００の加熱構造とを有する、加熱される領域４０８が、基板１１４の残りから、熱的に、イオン伝導性のメンブラン材料１０２のみによって分離されている。択一的にここでは、この絶縁層だけが使用されても、２つの層が共に使用されてもよい。基本的にここでは、別のメンブラン材料も使用可能である。
【００４８】
図５は、本発明の第１の実施例に即した、微細電子化学センサ１００の条片１０４の詳細図を示している。条片１０４は、図４の微細電子化学センサの条片に相当する。条片１０４は拡大して示されている。付加的に、図５には、加熱部材５００を用いて部分面を加熱する実施例が示されている。加熱部材５００は、条片１０４の縁部領域５０２内に埋設されている。このために、条片１０４の材料は次のように変えられる。すなわち、縁部領域５０２が電気的に絶縁性であるように変えられる。縁部領域５０２は、第１の電極１０６の方を向いている。縁部領域５０２は、完全に、第１の電極１０６によって覆われている。メンブランはここで、図示されていない。第１の電極１０６は、図４におけるのと同様に、条片１０４の側方で、メンブランの接している部分面上に延在している。
【００４９】
図５では、詳細図として、加熱構造５００を備えている、２つのＭＥＣＳメンブランの間の間隙領域が示されている。この絶縁部５０２内には、加熱部５００が埋設されている。加熱部５００の下の第１の絶縁層５０２は、例えば、熱的に酸化によって形成され、加熱部５００上の第２の絶縁層５０２は、析出絶縁層５０２を介して、例えばＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相成長法）またはＬＰＣＶＤ（減圧化学蒸着）酸化物または窒化物を介して形成可能である。
【００５０】
図６は、本発明の実施例に即した、微細電子化学センサ１００の第１の面を下から見た図を示している。センサ１００は、図４のセンサに相応する。ここでは、リブ構造４００が正方形であることが見て取れる。リブ構造４００は、長手方向における４つの条片１０４と、横方向における４つの条片とから形成されている。条片１０４は、メンブランを機械的に補強するために用いられる。リブ構造４００は、個々のＭＥＣＳメンブランである、同じ大きさの、９つの正方形の部分面を包囲している。リブ構造４００は、部分面１１０とともに、背面の第１の電極１０６によって覆われている。リブ構造４００は、絶縁領域４０２によって包囲されており、絶縁領域４０２によって基体１１４から分けられている。絶縁領域４０２は、一周にわたって変わらない幅を有している。絶縁領域４０２は、３つの導体路６００、６０２、６０４によってバイパスされている。導体路６００、６０２、６０４は、Ｓ字クランクの形を有しており、メアンダ状である。導体路６００、６０２、６０４は、この実施例では、リブ構造４００のコーナーから、リブ構造４００の縁から垂直に離れるように、絶縁領域４０２の最初の半分にわたって延在している。次に、導体路６００、６０２、６０４は直角に曲がり、リブ構造４００の縁に対して平行に、リブ構造４００の次のコーナーまで延在している。従って、導体路の長さは、絶縁領域４０２を超える直接的な接続と比べて、格段に延長されており、これによって、リブ構造４００から基体１１４への熱の流出が低減される。次のコーナーでは、導体路６００、６０２、６０４は、再び、直角に曲がり、絶縁領域４０２の第２の半分を横断する。第１の導体路６００は、背面の電極端子としての第１の電極１０６へのリード線である。第２の導体路６０２と第３の導体路６０４は、条片１０４内の加熱部材に対する接続端子である。加熱部は、条片１０４内で、個々のＭＥＣＳメンブラン１１０間に延在しており、基板から、および電極材料に対して絶縁されている。
【００５１】
加熱部と前面および背面の電極１０６を有するＭＥＣＳセル１１０の選択的に加熱される装置のここに示されている実現において、図６における加熱部６０２、６０４も、電極端子６００も、メンブラン１０２を介して、外へと案内されている。改善された熱の絶縁を実現するために、および、生じる熱機械ストレスを低減するために、端子６００、６０２、６０４の区間を、接線配置によって延長することができる。
【００５２】
図７は、本発明の実施例に従った微細電子化学センサ１００の平面図を示している。センサ１００は、図４におけるセンサに相応する。第２の電極１０８は、第１の電極と等しく延在している。これは図６に示されている。第２の電極１０８は、部分面１１０と、条片に対向する面７００に接触している。絶縁領域４０２は、第２の電極１０８によって覆われていない。第２の電極１０８は、取り囲んでいる導体路リング７０２を電極端子として有している。第２の電極１０８は、電極端子７０２へのリード線としての第４の導体路７０４を介して、基体１１４の前面と接続されている。第４の導体路７０４は、Ｓ時クランクの形状を有している。これは、図６の３つの導体路と同様である。
【００５３】
図８は、本発明の実施例に即した、微細電子化学センサのリブ８００の詳細図を示している。リブ８００は、図６および図７における導体路に対する基礎構造として、例えば加熱器に対する接続端子として使用される。リブ８００は、条片の材料から成る。リブ８００は、条片と同じ作業ステップにおいて製造される。リブ８００は、半導体材料からエッチングされる。このエッチングによって、結果として、リブ８００の台形状の横断面が得られる。リブ８００は、直接的に、絶縁領域４０２内のメンブラン１０２に配置されている。リブ８００は、図５の条片のように、縁部層５０２を有している。縁部層５０２内では、リブ８００の材料は電気的に絶縁性である。メンブラン１０２と反対側の、リブ８００の面には、導体路６００、６０２、６０４、７０４が配置されている。
【００５４】
図９は、本発明の別の実施例に従った、微細電子化学センサのリブ８００の詳細図を示している。リブ８００は、図８のリブに対応している。図８とは異なり、導体路６００、６０２、６０４、７０４はここでは、電気的に絶縁性の縁部領域５０２内に埋設されており、完全に包囲されている。
【００５５】
図１０は、本発明の別の実施例に即した、微細電子化学センサ１００の図を示している。センサ１００は、図４のセンサに相応する。図４とは異なり、条片１０４は、直接的に、メンブラン１０２上に配置されない。メンブラン１０２と条片１０４との間には、加熱部材が配置されている。加熱部材は、絶縁層１０００内に埋設されている。絶縁層１０００は直接的にメンブラン１０２上に配置されている。条片１０４はそれぞれ、絶縁層１０００上に配置されており、絶縁層１０００によって、電気的にメンブラン１０２から絶縁されている。さらに、第１の電極１０６はここで、図４において、リブ構造４００の自由縁部も包囲している。
【００５６】
図１０には、選択的に加熱される、加熱部を備えたＭＥＣＳセル１１０のアレイの実現に対する別の例が、断面図として示されている。ここでは、場合によって存在する、条片材料の導電性も、下方電極１０６の部分を相互にないしは冗長的に相互に接触接続するために使用される。条片１０４によって覆われた、メンブラン１０２の領域は、絶縁材料１０００によって電気的に分けられており、アクティブではない。基板１０４、絶縁部１０００、導体路およびイオン導電性材料１０２のシーケンスによって構造が容易になり、このような構造においても、周辺領域４０２において、イオン伝導性のメンブラン１０２が、絶縁材料１０００の貫通している層によって補強される。
【００５７】
図示された実施例に対して択一的に、条片１０４が、電流が直接的に流れる加熱材料から形成されてもよい。これはメンブラン１０２および電極１０６に対して電気的に絶縁されている。図１０では、ＭＥＣＳ１００と、別の、かつガスセンサであるＭＥＣＳによって直接的に測定可能でない構成成分（例えばＣＯ２）を検出するための、周辺空気用の熱導電性測定原理との組み合わせは示されていない。
【００５８】
加熱されるメンブラン１０２および周辺温度を測定する別のセンサ上に、温度センサを配置することによって、ＭＥＣＳ１００の加熱性能および温度の検出を介して、ＭＥＣＳ測定原理に対して同時に、周辺空気の組成に対する熱伝導性原理も実現される。ここでメンブラン１０２上のこの温度の検出が加熱部によって行われてもよい。これは例えば、抵抗測定の形で行われ、さらに、加熱性能および加熱抵抗が同時に測定される。温度（複数の温度）の検出を次のように行うこともできる。すなわち、逆方向の影響が、例えばメンブラン１０２の縁部で生じるように行うこともできる。これは、適切なキャリブレーションを介して補償される。
【００５９】
加熱性能および温度情報によって、ガスに対して、特別の熱導電性を測定することによって、濃度測定が行われる。ここで、部分圧力の測定または絶対圧力の測定も行われる。熱伝導性によって殊にガスが測定される。これは異なる特徴的な熱伝導性を有しており、ＭＥＣＳ１００によって検出されない。例えばＨ２ＯまたはＣＯ２または炭化水素である。
【００６０】
この測定によってさらに、ＭＥＣＳシステム１００の拡張された機能コントロールが行われ、例えば加熱器の性能調整が行われ、加熱器の温度が測定される。ここから例えば、ＭＥＣＳ１００のメンブラン１０２での変化が識別される、または、湿気または凝縮された水の堆積ないしは蓄積である。
【００６１】
図１１は、本発明の別の実施例に即した微細電子化学センサの条片１０４の詳細図を示している。この条片１０４は、図１０における条片に対応する。示されているのは、この実施例では、メンブラン１０２上に配置されている絶縁層１０００である。この中には、相互に隣接して配置されている２つの加熱部材５００並びに導体路１１００が埋設されている。絶縁層１０００上に、条片１０４が配置されている。導体路１１００は、第１の電極１０６用のリード線として用いられ、これは、図５に示されているように、部分面１１０上に直接的にメンブラン１０２に配置されており、条片１０４を完全に包囲している。導体路１１００は、少なくとも部分的に開放されており、これによって、背面電極１０６を接触接続する。この絶縁材料１０００は、条片１０４をメンブラン１０２に対して絶縁する。
【００６２】
図１２は、本発明の別の実施例に示されている微細電子化学センサ１００上の下方層を示している。センサ１００は、図６におけるセンサ１００に相応する。図６に示されているように、センサ１００は、９つの、ラスタ状に配置されている部分面１１０を有している。これは、リブ構造４００を形成する条片１０４によって囲まれている。第１の電極１０６は、部分面１１０とリブ構造４００にわたって延在している。絶縁領域４０２は、部分面１１０とリブ構造４００を基体１１４から分ける。図６におけるセンサとは異なり、導体路は、線区間１２００に一本化されている。この線区間はリブ構造４００を基体１１４と結び付け、絶縁領域４０２を渡る。線区間１２００は、図６における導体路のように、Ｓ字クランクの形状を有している。
【００６３】
図１３は、本発明の実施例に示された微細電子化学センサの線区間１２００の詳細図を示している。線区間１２００は、図１２における線区間に相応する。線区間１２００は、電気的に絶縁性の材料１０００を有している。ここには、導体路６００、６０２、６０４が相互に隣接して埋設されている。導体路６００、６０２、６０４は、絶縁材料１０００内で、相互に間隔を空けて、かつ相応に平行に延在している。この絶縁性の材料１０００は、直接的に、メンブラン１０２に固定されている。導体路６００、６０２、６０４は、加熱部材およびセンサの第１の電極の給電に用いられる。
【００６４】
図１４は、本発明の１つの実施例に即したチャンバ１４００を有している微細電子化学センサ１００の図を示している。センサ１００は、図４のセンサに相応する。付加的に、基体１１４は、封鎖されたまたは拡散メンブランを介して結合されたキャビティを、チャンバ１４００として形成する。第１の電極１０６は、チャンバ１４００内に、ＭＥＣＳ用の背面電極として、かつ、メンブラン１０２ないしはリブ構造４００とともに動く電極として配置されている。第１の電極１０６に対向する、チャンバ１４００の背面壁部上には、第３の電極１４０２が、圧力測定のための固定電極１４０２として配置されている。チャンバ１４００は液密に、構成されている。第１の電極１０６と第３の電極１４０２は一緒に、プレートコンデンサを形成する。プレートコンデンサの容量は、近似的に、線形に、第１の電極１０６と第３の電極１４０２との間の間隔に影響される。間隔が小さくなると、容量はより大きくなり、間隔が大きくなると、容量はより小さくなる。可変容量によって、メンブラン１０２の変形が測定される。これは例えば、チャンバ１４００内の圧力および／またはメンブラン１０２の第２の面で圧力が変化する場合である。第１の電極１０６と第２の電極１０８との間にポンピング電圧が印加される場合には、化学種のイオンはメンブラン１０２を通って搬送される。ポンピング電圧は、次のように印加される。すなわち、これらのイオンがチャンバ１４００内に搬送されるように印加される。これによって、チャンバ１４００内の圧力が高まる。メンブラン１０２は、圧力によって湾曲される。従って、第１の電極１０６と第３の電極１４０２との間の間隔が大きくなる。チャンバ１４００は液密であるので、チャンバ１４００内の圧力を高めることによって、メンブラン１０２の密閉性を検査することができる。
【００６５】
図１４には、圧力測定装置を備えたＭＥＣＳ１００が示されている。これは、圧力および気体組成測定のための、ＭＥＣＳ１００の内側キャビティ１４００のため、および択一的または付加的に、ＭＥＣＳ１００の機能監視のためのものである。
【００６６】
図示されているのは、ＭＥＣＳ１００との関連における圧力センサの簡易化された形態である。圧力測定はこの実施例では、ＭＥＣＳ１００の固定電極１４０２と背面電極１０６との間の容量の測定を介して行われる。これは、内側空間と外側空間との間の圧力差に依存して動く。メンブラン１０２の容量と機械的な特性はここで、圧力差の尺度である。
【００６７】
封鎖された内側容積１４００の場合には、絶対圧力が測定される。メンブラン１０２を通して酸素をポンピングすることによって、内側圧力を外側圧力に対して、所期のように変ることができる。これは、センサ１００の機能コントロールのために利用される。ＭＥＣＳ部材による酸素のポンピング時の、圧力センサ１００による圧力上昇または圧力下降の監視によって、メンブラン１０２の気密性を継続的な動作時に検査することができる。酸素を内側容積１４００内にポンピングすることによって、ここで、より高い酸素部分圧力が形成される。内側容積１４００内のガスはこの場合には、ＭＥＣＳセンサ１００によって、周辺ガスに対する基準ガスとして使用される。
【００６８】
図１５は、本発明の別の実施例に即した、チャンバ１４００を有する微細電子化学センサ１００の図を示している。センサ１００は、図１４と同様に、チャンバ１４００を有している。図１４とは異なり、基体１１４内の陥入部１１２は、基体１１４の第２の面への貫通孔として形成されている。この貫通孔の第１の面は、メンブラン１０２によって閉ざされている。この貫通孔の第２の面は、第２のメンブラン１５００によって閉ざされている。これは部分面１１０を有する第２のリブ構造１５０２と、第３の電極１４０２と、第４の電極１５０４と、第２の絶縁領域１５０６とを有している。第２のメンブラン１５００は、メンブラン１０２と同様に構成されている。第１の電極１０６と第３の電極１４０２は、図１４に示されているように、可変容量を有するプレートコンデンサとして接続されており、これによって、間隔を検出する。メンブラン１０２はここで、拡散開口部１５０８を有している。この拡散開口部１５０８は、液体構成成分がメンブラン１０２を通って移動することを可能にする。第１の電極１０６と第２の電極１０８とに、メンブラン１０２を通ってチャンバ１４００内にイオンをポンピングするためにポンピング電圧が加えられる場合には、液体構成成分はこの拡散開口部１５０８を通って、ポンピングされたイオン流と反対方向において、メンブラン１０２を通って拡散される。この拡散によって、より緩慢な圧力補償が、メンブラン１０２を介して行われる。ポンピング電圧が印加されると、別の液体構成成分がポンピングされた種の原子ないしは分子として、この拡散開口部１５０８を通って、チャンバ１４００から洗浄される。ポンピング電圧が継続的にまたは規則的に、より長い時間にわたって印加される場合には、チャンバ１４００内に基準液体が生じる。これは完全に、ポンピングされた種の原子ないしは分子から生じる。基準液体の濃度は既知であるので、濃度は、メンブランの別の面で絶対的に決められる。拡散開口部１５０８が、チャンバ１４００の別の箇所に配置されてもよい。２つのメンブラン１０２、１５００に、異なる液体が印加される場合には、チャンバ１４００内の共通の基準液体によって、２つの液体内の種の濃度が絶対的に測定される。図１４のセンサが同様に、チャンバでの拡散開口部１５０８を有する場合には、チャンバ内に同様に、基準液体が形成されるだろう。このために、イオンのポンピングは、濃度の測定と交互に行われる。
【００６９】
所定の拡散開口部１５０８と組み合わされたセンサ１００の形態が有利である。これは次のように構成されている。すなわち、少なくとも一時的に、センサ１００の内部空間１４００内で過圧が形成されるように構成されている。これによって一時的にポンピング動作は、密閉性検査のための高いポンピング性能で行われる。ここでセンサ１００の圧力経過は、圧力センサを介して観察される。さらに、短時間の圧送によって、少なくとも短時間の間、高い酸素部分圧力が内部１４００で形成される。これは、ラムダゾンデ測定用の基準ガス体積として使用される。
【００７０】
例えば、ラムダセンサとしての使用のためのＭＥＣＳ１００での重要な利点は、析出時に既に、イオン伝導層１０２の特徴の補償によって生じる。これは、層がまずはグリーンボディとして存在するセラミックラムダゾンデに比べて、実質的な相違である。測定可能なセンサは、ここではじめて、焼成および焼結の後に生じる。しかしその後、これらの層は依然として制限される、または、コストのかかる方法を介して変えられる。
【００７１】
図１５には、広域ラムダゾンデとしてのＭＥＣＳシステム１００の実現の例示的な横断面図が示されている。ガス空間は、排ガスと接触している。このガス空間は、センサ１００を介して周辺空気と接続されている。メンブラン１０２、１５００は、ポンピングセルとして使用され、別のメンブラン１０２、１５００は測定箇所ないしはネルンストセルとして使用可能である。２つの背面電極１０６、１４０２の間では、ポンピングセルによって一時的に形成された圧力が測定される。
【００７２】
ここで提示されたアプローチによって、ガスセンサ１００は、内燃機関の排気に対して、殊に、オンボード診断（自己故障診断）に対しても提供される。殊に、ここで提示されたセンサ１００は、ＮＯｘ検出のために、および酸素測定のために、および酸素を含有するガスの測定のために使用される。
【００７３】
記載されたおよび図示された実施例は、単なる例として選択されている。種々の実施例は、完全にまたは個々の特徴に関して相互に組み合わされる。実施例に、別の実施例の特徴を付与することもできる。
【００７４】
さらに、本発明のステップは繰り返し可能である、並びに、記載された順番と異なった順番で実施可能である。
【００７５】
実施例が、用語「および／または」による結合を、第１の特徴と第２の特徴の間に含んでいる場合には、これは次のように読まれるべきである。すなわちこの実施例が、ある実施形態では第１の特徴も第２の特徴も有しており、別の実施形態では第１の特徴のみ、または第２の特徴のみを有している、と読まれるべきである。
【図１】
2014174178.tif 000003
【図２】
2014174178.tif 000004
【図３】
2014174178.tif 000005
【図４】
2014174178.tif 000006
【図５】
2014174178.tif 000007
【図６】
2014174178.tif 000008
【図７】
2014174178.tif 000009
【図８】
2014174178.tif 000010
【図９】
2014174178.tif 000011
【図１０】
2014174178.tif 000012
【図１１】
2014174178.tif 000013
【図１２】
2014174178.tif 000014
【図１３】
2014174178.tif 000015
【図１４】
2014174178.tif 000016
【図１５】
2014174178.tif 000017