(57)【要約】  本発明は、測定ガス域（１１４）内のガスの少なくとも１つの特性を測定するため、特に、内燃機関の排ガスの少なくとも１つのガス成分を検出するためのセンサ要素に関する。センサ要素（１１０）は、測定ガス域（１１４）からアクセス可能な少なくとも１つのセンサ面（１４０）を備えたセンサ本体（１１８）を有している。センサ要素（１１０）は、センサ本体（１１８）上に施された電気絶縁性の被覆（１４２）を有している。被覆（１４２）は、第１のほぼガス密の少なくとも１つの層（１４４）及び第２のガス透過性の少なくとも１つの層（１４６）を含んでいる。センサ面（１４０）は、第１の層（１４４）によって実質的にほとんど被われていないのに対して、センサ面（１４０）は、第２の層（１４６）によってほぼ完全に被われている。
2011519024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガス域（１１４）内のガスの少なくとも１つの特性を測定するためのセンサ要素（１１０）、特に、内燃機関の排ガスの少なくとも１つのガス成分を検出するためのセンサ要素であって、前記センサ要素（１１０）は、前記測定ガス域（１１４）からアクセス可能な少なくとも１つのセンサ面（１４０）を備えたセンサ本体（１１８）を有しており、前記センサ要素（１１０）は、前記センサ本体（１１８）上に施された電気絶縁性の被覆（１４２）を有しており、該被覆（１４２）は、第１のほぼガス密の少なくとも１つの層（１４４）及び第２のガス透過性の少なくとも１つの層（１４６）を有しており、前記センサ面（１４０）は、前記第１の層（１４４）によって実質的にほとんど被われておらず、かつ前記センサ面（１４０）は、前記第２の層（１４６）によってほぼ完全に被われていることを特徴とする、センサ要素。
【請求項２】
前記センサ要素（１１０）は、半導体センサ要素を含み、特に、半導体材料としてのSiC 及び／又はGaN を有する半導体センサ要素を含んでおり、特に、電界効果トランジスタをベースとするセンサ要素（１１０）は、有利には化学的な電界効果トランジスタ（１１２）を含んでいる請求項１に記載のセンサ要素。
【請求項３】
前記第１の層（１４４）は、次の材料の少なくとも１つを有し、つまり誘電物質、若しくは無機質の誘電物質、ガラス、特に低温溶融性のガラス、特に４００℃〜８００℃の溶融範囲、特に５５０℃〜６５０℃の溶融範囲にあるガラス、セラミック材料、並びにガラス及びセラミックの混合物のうちの少なくとも１つを有している請求項１又は２に記載のセンサ要素。
【請求項４】
前記第１の層（１４４）は、０．１μｍ〜１０μｍの層厚さ、特に０．５μｍ〜３μｍの層厚さを有している請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ要素。
【請求項５】
前記第２の層（１４６）は、ほぼ耐摩耗性でかつ多孔質の材料、特に多孔質のセラミック材料、有利には酸化アルミニウムを有している請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ要素。
【請求項６】
前記第２の層（１４６）は、１０μｍ〜５００μｍの厚さ、特に２０μｍ〜３００μｍの厚さを有している請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ要素。
【請求項７】
内燃機関の排ガスの少なくとも１つのガス成分の濃度を測定するための方法、特に、次の物質のうちの少なくとも１つ、つまり、NO、NO2 、NH3 、並びに炭化水素のうちの少なくとも１つを選択的に測定するための方法において、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ要素（１１０）を用いることを特徴とする、ガス成分の濃度を測定するための方法。
【請求項８】
測定ガス域（１１４）内のガスの少なくとも１つの特性を測定するためのセンサ要素（１１０）、特に、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ要素（１１０）の製造のための方法であって、前記センサ要素（１１０）は、前記測定ガス域（１１４）からアクセス可能な少なくとも１つのセンサ面（１４０）を備えたセンサ本体（１１８）を有しており、該センサ本体（１１８）上に電気絶縁性の被覆（１４２）を施す形式のものにおいて、次の工程を有しており、つまり、
ａ）  第１のほぼガス密の少なくとも１つの層（１４４）を、前記センサ本体（１１８）上に施し、前記センサ面（１４０）は、前記第１の層（１４４）によって実質的にほとんど被われず、
ｂ）  第２のガス透過性の少なくとも１つの層（１４６）を、前記センサ本体（１１８）上に施し、前記センサ面（１４０）は、前記第２の層（１４６）によってほぼ完全に被われることを特徴とする、センサ要素の製造のための方法。
【請求項９】
前記工程（ａ）及び（ｂ）のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのベース材料を前記センサ本体（１１８）上に施すための少なくとも１つの第１の部分工程、及び少なくとも１つの熱作用式の硬化工程を含んでいる請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記工程（ａ）において、少なくとも１つのパターン形成可能な塗布法を用い、特に、次の塗布法のうちの少なくとも１つ、つまり、プリント法、パッド印刷法、インジェクター法、ディスペンサー法、スプルー法、並びにスプレー法のうちの少なくとも１つを用いる請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
前記工程（ａ）及び（ｂ）のうちの少なくとも１つにおいて、塗布法として少なくとも１つのスプレー法、特に少なくとも１つのプラズマスプレー法、若しくは少なくとも１つのサスペンションプラズマスプレー法を用いる請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定ガス域内のガスの少なくとも１つの特性を測定するためのセンサ要素に関する。ここで、少なくとも１つの特性は、ガスの物理的及び化学的な特性であり、特にガスの組成を意味している。センサ要素は例えば、ガス、例えば内燃機関の排ガス内の特定のガス成分の濃度及び／又は分圧を測定するため、若しくはガス成分を質的及び／又は量的に検出するために用いられる。ガス成分の代わりに、若しくはガス成分に加えて、他の種類の分析物を検出することができ、例えば他のガス状の凝集状態の分析物、例えば流動性の分析物及び／又は分析粒子を検出することができる。
【０００２】
公知技術から、前記種類の多くのセンサ要素（センサエレメント）が知られている。本発明は、主として半導体・センサ要素に係るものの、これに限定されるものではない。特にガスの少なくとも１つのガス成分の質的及び／又は量的な検出のための半導体・センサ要素は、一般的に次の原理に基づいており、つまり、半導体構成要素の電気的な特性は、特定の条件下では、特定のセンサ面（作用面）と特定の物質との接触に基づき測定可能に変化している。検出すべき物質、つまり検出すべきガス成分は、センサ要素と種々に相互作用し、つまり、例えば吸着及び／又は化学吸着若しくは化学反応、或いは別の作用によって、センサ要素、例えば半導体構成要素のセンサ面と相互作用するものである。このような相互作用は、センサ面を、該センサ面が検出すべき分析物若しくは少なくとも１つのガス成分と特別に相互作用するように、形成することにより、意図的に促進される。
【０００３】
ガス成分の検出のための前記種類のセンサ要素は、一例として、化学的な電界効果トランジスタ若しくはChemFETsとも呼ばれる電界効果トランジスタをベースにしたセンサ要素である。化学的な電界効果トランジスタは、化学的なセンサとして働くものであり、MOSFETに類似して構成されていてよい電界効果トランジスタである。この場合に、電界効果トランジスタのゲート・電極は、通常は完全に若しくは部分的にセンサ面によって形成されており、ゲート・電極でのチャージは、化学的なプロセス若しくは物理・化学的なプロセスによって行われる。この種のChemFETsは、液体や気体内の原子、分子若しくはイオンを質的及び／又は量的に検出するために用いられるものである。「ガス」なる記載は、以下において、本来の意味でのガス状の媒体又は気体の他に、他の流動性の媒体、例えば、液体の意味でも用いられるものである。
【０００４】
化学的な電界効果トランジスタは、例えば特殊なゲート・被覆を備えており、該ゲート・被覆は、本来のセンサ面を形成していて、検出の化学選択性を高めるものである。例えばガス分子は、ゲート・被覆に吸着され、若しくは化学吸着され、或いはゲート・被覆と反応して、電界効果トランジスタのゲート・領域内の電荷担体厚さを変化させることになる。これによって、電界効果トランジスタの、ガスの濃度の信号として評価されるべき特性が変化される。この種の化学的な電界効果トランジスタは、独国特許出願公開第２６１０５３０号明細書に記載してあり、該記載内容は、化学的な電界効果トランジスタの構成の理解のために役立つものである。それぞれ特殊なゲート・被覆を有する化学的な電界効果トランジスタのアレーは、ガス成分の種類によって異なるものである。
【０００５】
化学的な電界効果トランジスタは、原理的に自動車分野にも用いられるものである。特に、NO、NO2 、NH3 、炭化水素のための排ガスセンサとしての使用が考えられる。しかしながら、公知の化学的な電界効果トランジスタを自動車分野の排ガスセンサとして使用する場合には、耐熱性や機械的な耐久性に関する高い要求を満たさなければならないという問題がある。特に排ガスセンサは、高い熱負荷にさらされるものであり、排ガスに含まれる粒子による機械的な負荷も著しいものである。センサ面若しくは測定面又は検出面を有する従来のセンサ要素は、前記要求に対応して構成されているものではない。
【０００６】
本発明は、自動車分野においてセンサ要素に課せられる耐熱要求が、高熱用半導体材料、例えば炭化ケイ素(SiC )及び／又は窒化ガリウム(GaN )によって満たされるものであるという知見に基づいている。しかしながら、本来のセンサ面は、特に化学的な電界効果トランジスタにおいて、ゲート・電極であり、重要な部位である。従って、一面において、本来のセンサ本体、つまり半導体チップを、その電気的な接触部を含めて、排ガスによる不都合な影響、例えば摩耗や汚染に対して機械的に確実に保護し、かつ他面において、センサ面への妨げられることのないガス供給を可能にし、ひいては測定能を維持するというコンセプトが必要である。
【０００７】
前記基本的な課題は、本発明によれば、少なくとも二層の構造を有する被覆により解決される。被覆のこのような少なくとも二層の構造において、機械的な保護の機能と電気的な絶縁の機能とは、互いに機能的に分離されている。
【０００８】
前記被覆を用いて形成されるセンサ要素は、特に、測定ガス域内のガスの少なくとも１つのガス成分の検出のために用いられるものである。特に、センサ要素は自動車分野に、特に内燃機関の排気系の排ガスのために用いられるものである。
【０００９】
センサ要素は、測定ガス域からアクセス可能な少なくとも１つのセンサ面を備えたセンサ本体を有している。センサ面は、該センサ面によりガスの少なくとも１つのガス成分を検出できるように形成されているものである。特に、センサ面によって、測定ガス域内の少なくとも１つのガス成分を選択して質的及び／又は量的に検出するようになっている。この目的のために、センサ面は、実施形態では、無機質の半導体材料の半導体表面を含んでおり、該半導体表面は、必要に応じて追加的に、検出被覆を備え、例えば特定のガス成分の検出の選択性を高めるための検出被覆を備えていてよいものである。例えば実施形態では、センサ面は、トランジスタ要素若しくは電界効果トランジスタの１つのゲート・面を含んでいる。有利には、センサ面は、センサ本体の外側の表面に配置され、例えば無機質の半導体層構造、特に半導体チップの外側の表面に配置されている。
【００１０】
更に本発明によれば、センサ要素は、センサ本体に施されていて全体的に電気絶縁性の特性を有し、かつ前記課題を解決する１つの被覆を含んでいる。
【００１１】
本発明による被覆は、第１のほぼガス密の少なくとも１つの層及び第２のガス透過性の少なくとも１つの層を有している。この場合に、センサ面は、第１の層によっては実質的にほとんど被われていないのに対して、第２の層によってはほぼ完全に被われている。有利には、層形成は次の順序で行われ、つまり、センサ本体は、まずガス密の第１の層によって被覆され、次いでガス透過性の第２の層によって被覆される。しかしながら、原理的には別の順序も考えられ、例えば考えられる１つの実施形態では、センサ本体は、まずガス透過性の第２の層で被われ、次いでガス密の第１の層で被われる。更に追加的な層を設けることも可能である。「実質的にほとんど被われていない」なる記載は、センサ面の、十分なセンサ信号を得るのに適した少なくとも１つの領域が被われないままであることを意味し、有利には、センサ面の８０％以上の領域を意味している。「ほぼ完全に被われている」なる記載は、有利にはセンサ面の９５％以上を意味し、特に有利には、全センサ面を被うことを意味している。
【００１２】
被覆は、全体的に電気絶縁性の特性を有するようになっており、実施形態では、第１の層及び／又は第２の層が電気絶縁性の特性を有していてよい。「ほぼガス密」なる記載は、測定ガス域内のガスが、センサ面の外側ではセンサ本体からほぼ完全に遠ざけられていることを意味している。特に、半導体チップから成るセンサ本体の電気的な接触部、つまり接点や供給通路は、第１の層によって被われ、有利には第２の層によっても被われていてよい。この場合に、第１の層は、厚い排ガスが、センサ本体の接点及び他の領域を化学的及び／又は物理的に、特に化学的及び／又は機械的に損傷してしまうことを防止するようになっている。ガス透過性の第２の層は、実施形態では多孔質の層として形成されており、該多孔質の層は、ガスに対してわずかな流れ抵抗を発生させるものの、測定ガス域からセンサ面へのガスの供給を可能にするものである。
【００１３】
センサ要素は、前に述べてあるように、特に半導体センサ要素を含んでいてよく、有利には、所定の半導体材料を有する半導体センサ要素を含んでいてよく、所定の半導体材料は、炭化ケイ素及び／又は窒化ガリウムを含んでいる。前に述べてあるように、センサ要素は、特に１つの電界効果トランジスタを含んでいてよく、若しくは電界効果トランジスタをベースとするセンサ要素を含んでいてよく、有利には化学的な電界効果トランジスタを含んでいてよい。
【００１４】
第１の少なくとも１つの層は、次に挙げる材料のうちの少なくとも１つを有し、つまり、誘電物質、特に無機質の誘電物質、つまりガラス、特に低温溶融性のガラス、特に溶融温度が４００℃〜８００℃の領域の溶融範囲に、特に５５０℃〜６５０℃の領域の溶融範囲にあるガラス、若しくはセラミック材料、或いはガラス及びセラミックの混合物のうちの少なくとも１つを有している。第１の層は、有利には０．１μｍ〜１０μｍの層厚さ、特に０．５μｍ〜３μｍの範囲の層厚さを有している。例えばガラス及び／又は電気絶縁性のセラミック材料から成る第１の密な層は、本来のChemFET・ゲートを除いて、高熱用半導体チップを被うために用いられるものである。
【００１５】
有利には第１の層の下側に位置する第２の少なくとも１つの層は、多孔質の絶縁性の材料を含んでいてよく、ゲート若しくはセンサ面を機械的な作用に対して保護すると共に、ゲート若しくはセンサ面へのガスの供給を可能にするために用いられるものである。このために、第２の層は、ほぼ耐摩耗性でかつ多孔質の材料、特に多孔質のセラミック材料、有利には酸化アルミニウム又はAl2O3 を有している。第２の層は、気密に関する要求が課せられるものではなく、逆に第２の層を介したガスの通過が可能にされねばならず、有利な実施形態では、第１の層よりも著しく厚く形成されていて、機械的な要求を満たし、かつセンサ要素、特にセンサ面を機械的な作用に対して保護すると共に、ガスの通過を可能にするものである。特に有利には、第２の層は、１０μｍ〜５００μｍの範囲の厚さ、特に２０μｍ〜３００μｍの範囲の厚さを有している。
【００１６】
本発明により形成されるセンサ要素は、特に有利には内燃機関の排ガス系内の少なくとも１つのガス成分の濃度を測定するために用いられる。特に有利には、本発明の前述の形態に係るセンサ要素は、次に挙げる物質のうちの少なくとも１つ、つまり、NO、NO2 、NH3 、炭化水素のうちの少なくとも１つの選択的な測定（すなわち、質的及び／又は量的な検出）のために用いられる。本発明の特別な利点、特に本発明により形成されるセンサ要素の特別な利点は、被覆の二層の構成により得られ、被覆の二層の構成は、センサ面若しくはゲート・電極の外側でセンサ要素のチップ全体を排ガス成分に対して、つまり腐食に対して保護するようになっている。密な第１の層は、確立したプロセスを用いて、例えば印刷プロセス若しくはスプレープロセスを用いて、或いは追加的に行われるリソグラフィック式のパターニング法を用いてパターン成形される。更に、第２の多孔質の比較的厚い層は、それ自体パターン化されることなく、センサ要素を、機械的に、例えば排ガス内に含まれる固体粒子による摩耗に対して保護するものである。
【００１７】
更に、本発明は、センサ要素の製造のための方法、特に、本発明の前述の態様の少なくとも１つに係るセンサ要素の製造のための方法にも関するものである。センサ要素は、測定ガス域からアクセス可能な少なくとも１つのセンサ面を備えたセンサ本体を有しており、電気絶縁性の被覆がセンサ本体上に施されている。センサ要素の本発明による製造のための方法は、次に挙げる工程を有し、しかしながら記載の順序に限定されるものではなく、
ａ）第１のほぼガス密の少なくとも１つの層を、センサ本体上に施し、該工程においてセンサ面は、第１の層によって実質的にほとんど被われず、
ｂ）第２のガス透過性の少なくとも１つの層を、センサ本体上に施し、該工程においてセンサ面は、第２の層によってほぼ完全に被われる。
【００１８】
被覆は、第１及び第２の層の他に、別の層を含んでいてよい。しかしながら、前記二層の構成が特に有利である。
【００１９】
工程（ａ）及び（ｂ）のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのベース材料をセンサ本体上に施すための少なくとも１つの第１の部分工程、及びベース材料を第１の層若しくは第２の層へ変成するための少なくとも１つの熱作用式の硬化工程若しくは熱処理工程を含んでいる。実施形態では、ベース材料は、第１若しくは第２の層の本来の材料を含んでいて、例えば結合剤、溶剤若しくは類似のものと混合されており、結合剤や溶剤は後続の熱作用式の硬化工程で除去される。更に、前記実施形態とは異なり、或いは熱作用式の硬化工程において追加的に、ベース材料の焼結、溶融若しくは類似の均質化処理を行って、第１の層若しくは第２の層を形成することができる。
【００２０】
工程（ａ）において、第１の層の形成のために、少なくとも１つのパターン成形可能な塗布法を用いて、これにより特にセンサ面の被覆を避けることができる。このような構成により、つまりパターン成形可能な塗布法を用いることにより、第１の層を後でセンサ面から除去するというような作業が省略される。しかしながら、後からの除去は、別の実施形態として、或いは追加的に（例えばリソグラフィック式のパターニング法によって）可能である。特に有利には、パターン成形可能な塗布法はプリント法又は印刷法を含み、特にパッド印刷法若しくはインジェクター法を含んでいる。異なる実施形態として、或いは追加的にディスペンサー法を用いることができ、つまり、流動性及び／又はエーロゾル状の材料を分配装置によってセンサ本体上に施すことができる。このために、例えば分配ニードル若しくは分配カニューレを用いることができる。異なる実施形態として、或いは追加的に、パターン成形可能な塗布法としてスプルー法を用いることができ、スプルー法は塗料はけ法に類似するものである。更に、異なる実施形態として、或いは追加的に、被覆しないままにしておく面、特にセンサ面を塗布に対して保護するために、マスクを用いることができる。パターン成形可能な塗布法は、特に、第１の層の形成のための少なくとも１つのベース部材を塗布するために、つまり例えば、後で熱作用式の硬化工程により本来の第１の層の形成のための先駆物質を塗布するために用いられる。
【００２１】
第２の層は、前に述べてあるように、必ずしもパターン化される必要がなく、有利には第１の層よりも大きな厚さを有していて、塗布率の高い別の方法で行われてよい。特に有利には、第２の層の塗布のための工程（ｂ）において少なくとも１つのスプレー法が用いられる。種々のスプレー法が、特に第２の耐摩耗性の厚い層を形成するために考えられて、有利に用いられる。特に有利には、セラミック製の多孔質の層、例えばAl2O3 層を高い塗布率で成形できるプラズマスプレープロセスが用いられる。工程（ａ）のためにも、つまり第１の層の形成のためにも、原理的にスプレー法、特にプラズマスプレー法を用いることができる。第１の層の形成のために、例えばサスペンションプラズマスプレー法を用いることができる。この場合に、プラズマジェットに対するセンサ本体の巧みな案内により、パターンを得ることができる。更に、ガス密な第１の層の塗布成形において、パラメータは、第１の層の高いシール性、特にガス密性若しくは気密性を保証するように選ばれ、このようなシール性は、例えば、プラズマ内での相応に長い滞留時間による粒子の完全な溶融に基づき、かつプラズマ法の素材のための適切な粒子サイズの選択に基づき達成される。
【００２２】
次に、本発明を図示の実施形態に基づき詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】公知技術に基づく未被覆のセンサ要素を示す図である。
【図２】本発明に係る被覆されたセンサ要素を示す図である。
【００２４】
図１には、公知技術による構成のセンサ要素１１０が示されている。センサ要素１１０の各構成部分の詳細な構造及び機能は、例えば独国特許出願公開第２６１０５３０号明細書に記載してある。
【００２５】
センサ要素１１０は、図示の例では化学的な電界効果トランジスタ１１２を有している。該化学的な電界効果トランジスタは、例えば互いに異なる複数のガス成分を同時に検出するために、化学的な電界効果トランジスタ１１２のアレーの形で複数設けられていてよいものである。センサ要素１１０は、図１に概略的に示す測定ガス域１１４内のガスの１つ若しくは複数のガス成分の質的及び／又は量的な検出のために用いられるものである。測定ガス域１１４は、例えば内燃機関の排ガス通路である。
【００２６】
センサ要素１１０は、図１に示す例では支持基板１１６を含んでいる。支持基板１１６は、例えば半導体材料、例えば半導体チップを含んでいて、かつ更に電気的な供給路（導入路）又はリード線、接点パッド若しくは類似のものを含んでいてよい。本来の化学的な電界効果トランジスタ１１２は、支持基板１１６上に取り付けられ、或いは完全に若しくは部分的に支持基板１１６内に組み込まれている。
【００２７】
化学的な電界効果トランジスタ１１２は、センサ本体１１８を含んでおり、該センサ本体は、半導体材料として完全に若しくは部分的にSiC 若しくはGaN を含んでいてよく、また必要に応じて種々のドーピングを含んでいてよい。センサ本体１１８は、例えば半導体チップとして形成されていてよいものである。センサ本体１１８は、ソース・領域１２０及びドレーン・領域１２２を含んでおり、該ソース・領域及びドレーン・領域は例えば、センサ本体１１８の適切なドーピングによって、例えば領域１２０，１２２のｎ・ドープによって形成されるのに対して、センサ本体１１８の残りの領域はｐ・ドープによって形成されていてよい。ソース・領域１２０及びドレーン・領域１２２は、対応する電極接点１２４，１２６に接続され、かつ電気的な供給路１２８，１３０を介して制御されるようになっている。
【００２８】
ソース・領域１２０とドレーン・領域１２２との間で、センサ本体１１８内に輸送チャンネル１３２を形成してある。輸送チャンネル１３２の形状又は伸長及び電気的な特性、ひいてはソース・領域１２０とドレーン・領域１２２との間の輸送流若しくは移送流は、通常の電界効果トランジスタにおいてはゲート・電極１３４によって制御されるようになっている。ゲート・電極１３４の機能は、化学的な電界効果トランジスタ１１２においては、酸化物質から成る金属電極を介して生ぜしめられるのではなく、センサ本体１１８の、ソース・領域１２０とドレーン・領域１２２との間の表面１３６を介して生ぜしめられるようになっており、該表面は一般的にセンサ被覆１３８を備えている。センサ被覆１３８は、ガス分子、若しくは検出すべき別の分析物を選択的に吸着し、若しくは吸収し、若しくは化学吸収するため、或いは分析物を化学反応させるために用いられる。測定ガス域１１４内における検出すべき分析物、例えば検出すべきガス成分のガス分子の存在により、ゲート・電極１３４の電気的な特性、ひいては輸送チャンネル１３２の位置、伸長及び電気的な特性が規定されることになる。つまり、ソース・領域１２０とドレーン・領域１２２との間の輸送流は、検出すべき分析物が存在しているか否かによって影響を受けることになる。ソース・領域１２０とドレーン・領域１２２との間の表面１３６が、或いはセンサ被覆１３８を設けてある場合には、該センサ被覆１３８の、測定ガス域１１４に向いた表面が、センサ面１４０を成しており、該センサ面において、検出すべき分析物が吸着され、若しくは吸収され、若しくは化学吸着され、或いは、該センサ面と検出すべき分析物が化学反応するようになっている。
【００２９】
図１に示してあるセンサ要素１１０は、特に電極接点１２４，１２６、電気的な供給路１２８，１３０及びセンサ本体１１８の他の構成部分が、測定ガス域１１４内の腐食作用のあるガスによって損傷されてしまうという欠点を有している。更に、センサ要素１１０の表面全体が、該センサ要素１１０の表面に沿って流れるガス内の粒子によって、例えば機械的に損傷されてしまうことになる。このような問題の解決のために、図２に、本発明の実施形態のセンサ要素１１０を示してある。センサ要素１１０は、図１に示すセンサ要素の構成とほぼ同様の構成を有している。
【００３０】
図１に示す公知技術のセンサ要素に対して異なる点として、図２に示す本発明の実施形態のセンサ要素１１０は、被覆１４２を有しており、該被覆は、全体的に電気絶縁特性を有している。被覆１４２は、図示の実施形態では、有利な形態として化学的な電界効果トランジスタ１１２を全体的に被っており、つまり、一緒に電極接点１２４，１２６も被い、かつ電気的な通路１２８，１３０の少なくとも一部分も被っている。被覆１４２は、本発明によれば、個別の少なくとも２つの層、つまり、第１の層１４４及び第２の層１４６を有している。第１の層１４４は、センサ面１４０を除いて、化学的な電界効果トランジスタ１１２をほぼ完全に被っており、センサ面１４０は、第１の層からは完全に解放されており、つまり第１の層によっては被われていない。第１の層１４４は、ほぼガス密であり、従って、測定ガス域１１４から化学的な電界効果トランジスタ１１２の損傷しやすい領域、例えば電極接点１２４，１２６及び電気的な供給路１２８，１３０内へのガスの浸入を阻止している。このような構成により、損傷しやすい電極接点１２４，１２６及び／又は電気的な供給路１２８，１３０の腐食が少なくともほぼ避けられるようになっている。
【００３１】
第２の層１４６は、ガス透過性に形成され、かつ第１の層１４４よりも著しく厚く形成されていて、化学的な電界効果トランジスタ１１２を、有利には完全に被っており、特にセンサ面１４０を被っている。
【００３２】
比較的に薄い第１の層１４４は、典型的には０．５μｍ〜３μｍの厚さを有し、ほぼガス密であり、かつ有利には電気絶縁作用を有している。第１の層１４４は、特に電極接点１２４，１２６の上、及びセンサ本体１１８の残りの半導体チップの上に施されており、ゲート・領域１３４、特にセンサ面１４０は被覆されないままにされている。第１の層１４４の塗布成形技術としては、ディスペンサー法及び／又はインジェクター法、或いは類似の成形法、例えばパッド印刷を用いて局所的な被覆が行われ、このような被覆は、３次元成形、つまり、段階にわたる被覆成形を可能にし、追加的に、かつパターン化して行われ得るものである。このような構成により、例えばセンサ面１４０を露出させるために追加的に後から行われるパターン形成工程は、省略される。
【００３３】
第１の層１４４の材料としては、低い温度（例えば約５５０℃〜６５０℃）で溶融する特にガラス、若しくはガラス及びセラミック材料から成る混合物が用いられる。溶融温度は、センサ要素１１０の耐用年数を超えて被覆１４２の機能を保証するために、センサ要素１１０の後の作動温度を超えているようにしたい。第１の層１４４の硬化は、熱処理によって行われ、熱処理の最大温度は、該最大温度により、耐熱用半導体におけるセンサ要素１１０を損傷させることがないように、選ばれている。したがって、有利には低温溶融可能なガラスが用いられる。
【００３４】
第１の層１４４上に、別の工程で、例えばプラズマスプレープロセスにより第２の層１４６を設けてある。第２の層１４６は、高い多孔性を有している。該実施形態では、有利にはセラミックの粉末、例えばAl2O3 が用いられ、或いはサスペンションプラズマスプレープロセスの場合には、セラミックの成分を含む懸濁液が用いられる。プラズマスプレー法は、プラズマスプレープロセスのパラメータ変更により第２の層１４６の多孔性を良好に調整できるので、第２の層１４６の塗布成形に特に適している。パラメータは、例えばプラズマ内での粉末の滞留時間である。長い滞留時間により、物質の完全な溶融を可能にし、ひいては、より早く閉じられた密な第２の層１４６を成形することができるのに対して、短い滞留時間では、素材物質の表面のみしか溶融されず、多孔質の層をセンサ本体１１８上に形成することができる。
【００３５】
更に、プラズマスプレープロセスにおいては、センサ本体１１８若しくはセンサ要素１１０へのプラズマの衝突速度を変化させることができる。衝突速度は、典型的には１５０ｍ／ｓ〜４５０ｍ／ｓである。更に、厚い層、典型的には８０μｍ〜３００μｍの厚さの層を形成することができ、サスペンションプラズマスプレー法の場合には薄い層、例えば２０μｍ〜８０μｍの厚さの層を形成することもできる。
【００３６】
更に、プラズマスプレープロセスにおいては、被覆１４２の成形の際に、センサ要素１１０の熱負荷を小さく保つことができる。プラズマの３００００Ｋまでの高い温度にも拘わらず、センサ要素１１０若しくはセンサ本体１１８における温度は４００℃よりも低く保たれる。プラズマスプレー法においては、単独に行われる別個の熱処理工程、特に素材物質の架橋結合のための高温工程を省略することができ、なぜならば、このような工程がプラズマスプレープロセス内に既に含まれるからである。更に、プラズマスプレー法は正確に再現可能に実施され、かつ製造ラインに良好に組み込まれるものである。センサ要素１１０の、化学的な電界効果トランジスタ１１２全体を含むセンサ上端部全体は、プラズマスプレー法を用いて、第２の層１４６の形の多孔質の保護表皮により問題なくかつ完全に被覆される。このような完全な被覆は、熱衝撃に対する保護膜として機能して、熱せられたセンサ要素１１０への小さな水滴のぶつかりによる熱衝撃負荷を防止するものである。
【００３７】
センサ要素１１０を製造する方法、特に被覆１４２を成形するための方法の本発明に係る別の実施形態では、薄いガス密な第１の層１４４も、プラズマスプレープロセス、有利にはサスペンションプラズマスプレープロセスにより塗布成形される。この場合に、特にゲート・領域１３４及びセンサ面１４０を被覆しないままにするために、被覆の局所的な成形、つまり、パターン成形が行われる。このような方法（被覆の局所的な成形若しくはパターン成形又は選択的な被覆）は、プラズマジェットに対するセンサ要素１１０の巧みな案内によって実施される。更に、ガス密な第１の層１４４の塗布成形においては、パラメータは、第１の層１４４のガス密性若しくは気密性を保証するために、第１の層１４４ができるだけ密に成形されるように、選ばれる。このことは、前に述べてあるように、プラズマ内での滞留時間をできるだけ長くすることに基づき素材粒子の完全な溶融により、かつ適切な粒子サイズ、特にできるだけ小さい粒子サイズの選択により実施される。
【符号の説明】
【００３８】
１１０  センサ要素、  １１２  電界効果トランジスタ、  １１４  測定ガス域、  １１６  支持基板、  １１８  センサ本体、  １２０  ソース・領域、  １２２  ドレーン・領域、  １２４，１２６  電極接点、  １２８，１３０  供給路、  １３２  輸送チャンネル、  １３４  ゲート・電極、  １３６  表面、  １３８  センサ被覆、  １４０  センサ面、  １４２  被覆、  １４４，１４６  層
【図１】
2011519024.tif 000003
【図２】
2011519024.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月25日(2011.1.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガス域（１１４）内のガスの少なくとも１つの特性を測定するためのセンサ要素（１１０）であって、前記センサ要素（１１０）は、前記測定ガス域（１１４）からアクセス可能な少なくとも１つのセンサ面（１４０）を備えたセンサ本体（１１８）を有しており、前記センサ要素（１１０）は、前記センサ本体（１１８）上に施された電気絶縁性の被覆（１４２）を有しており、該被覆（１４２）は、第１のほぼガス密の少なくとも１つの層（１４４）及び第２のガス透過性の少なくとも１つの層（１４６）を有しており、前記センサ面（１４０）は、前記第１の層（１４４）によって実質的にほとんど被われておらず、かつ前記センサ面（１４０）は、前記第２の層（１４６）によってほぼ完全に被われていることを特徴とする、センサ要素。
【請求項２】
前記センサ要素（１１０）は、半導体センサ要素を含んでおり、該半導体センサ要素は、電界効果トランジスタをベースとするセンサ要素（１１０）、若しくは化学的な電界効果トランジスタ（１１２）である請求項１に記載のセンサ要素。
【請求項３】
前記第１の層（１４４）は、次の材料の少なくとも１つを有し、つまり誘電物質、若しくは無機質の誘電物質、ガラス、セラミック材料、並びにガラス及びセラミックの混合物のうちの少なくとも１つを有している請求項１又は２に記載のセンサ要素。
【請求項４】
前記第１の層（１４４）は、０．１μｍ〜１０μｍの層厚さを有している請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ要素。
【請求項５】
前記第２の層（１４６）は、耐摩耗性でかつ多孔質の材料を有している請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ要素。
【請求項６】
前記第２の層（１４６）は、１０μｍ〜５００μｍの厚さを有している請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ要素。
【請求項７】
内燃機関の排ガスの少なくとも１つのガス成分の濃度を測定するための方法であって、次の物質のうちの少なくとも１つ、つまり、NO、NO2 、NH3 、並びに炭化水素のうちの少なくとも１つを選択的に測定する形式のものにおいて、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ要素（１１０）を用いることを特徴とする、ガス成分の濃度を測定するための方法。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ要素（１１０）の製造のための方法であって、前記センサ要素（１１０）は、前記測定ガス域（１１４）からアクセス可能な少なくとも１つのセンサ面（１４０）を備えたセンサ本体（１１８）を有しており、該センサ本体（１１８）上に電気絶縁性の被覆（１４２）を施す形式のものにおいて、次の工程を有しており、つまり、
ａ）  第１のガス密の少なくとも１つの層（１４４）を、前記センサ本体（１１８）上に施し、前記センサ面（１４０）は、前記第１の層（１４４）によって実質的にほとんど被われず、
ｂ）  第２のガス透過性の少なくとも１つの層（１４６）を、前記センサ本体（１１８）上に施し、前記センサ面（１４０）は、前記第２の層（１４６）によってほぼ完全に被われることを特徴とする、センサ要素の製造のための方法。
【請求項９】
前記工程（ａ）及び（ｂ）のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのベース材料を前記センサ本体（１１８）上に施すための少なくとも１つの第１の部分工程、及び少なくとも１つの熱作用式の硬化工程を含んでいる請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記工程（ａ）において、少なくとも１つのパターン形成可能な塗布法を用いる請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
前記工程（ａ）及び（ｂ）のうちの少なくとも１つにおいて、塗布法として少なくとも１つのスプレー法を用いる請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
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2011519024.tif 000006
2011519024.tif 000007
2011519024.tif 000008