DE10019979C1 - Electrical material sensor used for determining the concentration of a component in a gas mixture has an intermediate layer arranged between a sensor function layer and a structural element - Google Patents

Electrical material sensor used for determining the concentration of a component in a gas mixture has an intermediate layer arranged between a sensor function layer and a structural element

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Ralf Moos
Frank Rettig
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Abstract

Electrical material sensor has an intermediate layer (8) arranged between a sensor function layer (10) and a structural element (2). The intermediate layer contains the material component of the function layer as well as the material component of the structural element. The intermediate layer has a higher electrical resistance than the sensor function layer. Preferred Features: The structural element is a substrate or an electrically insulating layer. The intermediate layer is 1-100 mu m thick. The substrate is made from Al2O3, MgO, ZrO2 or AlN. The sensor function layer is a doped or non-doped metal oxide, double metal oxide, multiple metal oxide, zeolite or ion-conducting oxide.

Description

Die Erfindung betrifft einen in Schichttechnik hergestellten Stoffsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a layer technology Substance sensor according to the preamble of patent claim 1.

Unter einem Stoffsensor soll hier ein Sensor zur Bestimmung der Konzentration eines Stoffes in einer Stoffmischung, d. h. z. B. ein Sensor zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Gasmischung oder ein Sensor zur Bestimmung einer Kompo­ nente einer Flüssigkeit oder ein Sensor, der aufgrund der Wechselwirkung mit einem Gas oder einer Flüssigkeit sein Aus­ gangssignal verändert, verstanden werden.Under a substance sensor here is a sensor for determining the Concentration of a substance in a mixture, d. H. e.g. B. a sensor for determining the concentration of a component a gas mixture or a sensor for determining a compo nente of a liquid or a sensor, due to the Interaction with a gas or a liquid will be off output signal changed, understood.

Immer schärfere Abgasgrenzwerte verbunden mit dem Druck zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches zwingen die Automobil­ hersteller zu neuen Konzepten für Verbrennungskraftmaschinen. Es zeigt sich, dass die beiden o. g. Forderungen am besten bei einem Betrieb mit Luftüberschuss (Luftzahl λ < 1) miteinander in Einklang gebracht werden können. Derartige moderne Mager­ konzepte erfordern eine präzise Kenntnis des Sauerstoffgehaltes des Abgases. Das Prinzip der herkömmlichen potentiometrischen λ-Sonde kann nur mit großem Aufwand für hohe Sauerstoffkonzent­ rationen, wie sie in solch magerem Abgas vorkommen, ausgelegt werden.Ever stricter emission limits associated with the pressure Reducing fuel consumption is forcing the automobile manufacturer of new concepts for internal combustion engines. It turns out that the two above. Demands at best an operation with excess air (air ratio λ <1) with each other Can be reconciled. Such modern skinny concepts require precise knowledge of the oxygen content of the exhaust gas. The principle of conventional potentiometric λ probe can only with great effort for high oxygen concentration rations, as they occur in such lean exhaust gas become.

Um auch im mageren Bereich den Sauerstoffgehalt des Abgases messen zu können, wurde zum Beispiel in der EP 0 191 627, in der DE 38 41 611 sowie von [1] vorgeschlagen, amperometrische Sonden nach dem Grenzstromprinzip ("Grenzstromsonde") aus einem sauerstoffionenleitenden Werkstoff aufzubauen. Es besteht aber nach der DE 23 34 044 sowie gemäß [2] auch die Möglichkeit, die Sauerstoffpartialdruckabhängigkeit der elekt­ rischen Leitfähigkeit eines metalloxidischen Werkstoffes als Sensoreffekt auszunutzen, und daraus einen Sensor herzustellen, aus dessen elektrischem Widerstand R auf den Sauerstoffpartial­ druck pO2 des Abgases und daraus auf den Sauerstoffgehalt im Abgas geschlossen werden kann.In order to be able to measure the oxygen content of the exhaust gas even in the lean range, it was proposed, for example in EP 0 191 627, in DE 38 41 611 and by [1], amperometric probes based on the limit current principle ("limit current probe") made of an oxygen ion-conducting material build up. However, according to DE 23 34 044 and [2] there is also the possibility of using the oxygen partial pressure dependency of the electrical conductivity of a metal oxide material as a sensor effect and producing a sensor from its electrical resistance R to the oxygen partial pressure pO 2 of the exhaust gas and from this the oxygen content in the exhaust gas can be concluded.

Besonders gründlich wurden dotiertes Titanoxid (TiO2) und Strontiumtitanat (SrTiO3) untersucht (DE 37 23 051, [2]), da solche Titanoxide aufgrund ihrer chemi­ schen Stabilität den rauhen Betriebsbedingungen im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors standhalten können.Doped titanium oxide (TiO 2 ) and strontium titanate (SrTiO 3 ) have been examined particularly thoroughly (DE 37 23 051, [2]), since such titanium oxides can withstand the harsh operating conditions in the exhaust system of an internal combustion engine due to their chemical stability.

Jedoch besitzen Sensoren aufgebaut aus diesen Verbindungen - wie auch aus den meisten anderen Metalloxiden - eine sehr starke Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes, die eine aufwendige Heizungsregelung verbunden mit umfang­ reichen konstruktiven Maßnahmen, welche die Einflüsse plötzli­ cher Temperaturänderungen abmildern, erfordert.However, sensors have built up from these connections - like most other metal oxides - a very strong temperature dependence of the electrical resistance, a complex heating control combined with extensive constructive measures that suddenly influence the influences mitigate temperature changes required.

Daher schlugen Williams et al. in der EP 0 062 994 vor, im SrTiO3 das Titan (Ti) teilweise durch Eisen (Fe) zu ersetzen und fanden heraus, dass Sensoren hergestellt aus der Verbindung SrTi0.7Fe0.3O3- δ in mageren Atmosphären oberhalb 500°C . . 600°C nahezu keine Temperaturabhängigkeit des elektrischen Wider­ standes, aber eine Sauerstoffpartialdruckabhängigkeit gemäß R ~ pO2 -1/5 besitzen. In der DE 197 44 316 wurde dies bestätigt, aber gezeigt, dass die Temperaturunabhängigkeit des elektri­ schen Widerstandes nur bei einem Sauerstoffpartialdruck um 10-2 bar (λ ≈ 1,055) gegeben ist.Therefore, Williams et al. in EP 0 062 994 proposed to partially replace the titanium (Ti) with iron (Fe) in the SrTiO 3 and found that sensors made from the compound SrTi 0.7 Fe 0.3 O 3- δ in lean atmospheres above 500 ° C. , 600 ° C almost no temperature dependence of the electrical resistance, but have an oxygen partial pressure dependence according to R ~ pO 2 -1/5 . This was confirmed in DE 197 44 316, but it was shown that the temperature independence of the electrical resistance is only given at an oxygen partial pressure of around 10 -2 bar (λ ≈ 1.055).

In der DE 197 44 316 wird daher dieses Material weiter verbes­ sert, indem durch gezielte Variation (Dotierung) des Werkstof­ fes der Sauerstoffpartialdruckbereich der Temperaturunabhängig­ keit variiert werden kann. This material is therefore further improved in DE 197 44 316 sert by selective variation (doping) of the material fes the oxygen partial pressure range of the temperature independent speed can be varied.  

Sowohl in der EP 0 062 994 als auch in der DE 197 44 316 ist vorgesehen, aus einem solchen temperaturunabhängigen Sensor­ werkstoff einen Sensor in Dickschichttechnik durch folgende, für die Dickschichttechnik üblichen Schritte
Both EP 0 062 994 and DE 197 44 316 provide for a sensor in thick-film technology from such a temperature-independent sensor material by the following steps, which are customary for thick-film technology

  • - Herstellen des Pulvers- Making the powder
  • - Fertigen einer siebdruckfähigen Paste- Manufacture of a screen printable paste
  • - Siebdruck auf ein Substrat- Screen printing on a substrate
  • - Brennen- burning

herzustellen. Dieses Verfahren wird im Folgenden als dick­ schichttechnisches Standardverfahren bezeichnet.to manufacture. This procedure is called thick below called layering standard process.

Jedoch ist bei den Herstellungsversuchen zu beobachten, dass Wechselwirkungen zwischen Substrat und Werkstoff beim Brennvor­ gang auftreten. Es ist dann festzustellen, dass ein derart hergestellter Sensor keine temperaturunabhängige Kennlinie mehr aufweist.However, it can be observed in the production trials that Interactions between substrate and material during firing occur. It is then to be noted that such manufactured sensor no longer a temperature-independent characteristic having.

Dieses Problem wurde schon in der DE 199 27 725 aufgezeigt. Dort wurde als Lösung vorgeschlagen, das Sensormaterial nach dem Aufbringen auf das Substrat, aber vor dem Brennen uniaxial zu verdichten mit einem Druck, vorzugsweise zwischen 80 MPa und 160 MPa. Zusätzlich wurde eine Schutzfolie zwischen Sensor­ schicht und Substrat als besonders vorteilhaft angesehen.This problem has already been shown in DE 199 27 725. There, the sensor material was proposed as a solution application to the substrate, but uniaxial before firing compress with a pressure, preferably between 80 MPa and 160 MPa. In addition, a protective film between the sensor layer and substrate are considered to be particularly advantageous.

Die Lösung des Problems, wie sie in der DE 199 27 725 vorge­ schlagen wird, besitzt aber den Nachteil, dass ein für die Herstellung in Siebdrucktechnik völlig unüblicher Prozess­ schritt, nämlich ein uniaxialer Pressvorgang eingesetzt werden muss.The solution to the problem, as featured in DE 199 27 725 but has the disadvantage that one for the Production using screen printing technology is a completely unusual process step, namely a uniaxial pressing process can be used got to.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Stoffsensor zu schaffen, der eine verbesserte Herstellbarkeit aufweist und dadurch insbesondere kostengünstiger zu produzieren ist. It is therefore an object of the invention to provide a substance sensor create, which has an improved manufacturability and this makes it more cost-effective to produce.  

Diesen Aufgabe wird durch den Stoffsensor nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstände von Unteran­ sprüchen.This object is achieved by the substance sensor according to claim 1 solved. Advantageous designs are objects from below sayings.

Die vorliegende Erfindung überwindet die beschriebenen Nachtei­ le des Standes der Technik dadurch, dass der Stoffsensor eine die Herstellbarkeit verbessernde Zwischenschicht umfasst, die dafür sorgt, dass die Eigenschaften des Sensorwerkstoffes auch ohne uniaxialen Pressvorgang auf das Substrat übertragen werden können. Unabhängig vom Brennvorgang bleibt dann die oben be­ schriebene Temperaturunabhängigkeit des Widerstandes erhalten.The present invention overcomes the disadvantages described le of the prior art in that the substance sensor a the manufacturability-enhancing intermediate layer, which ensures that the properties of the sensor material also can be transferred to the substrate without a uniaxial pressing process can. Regardless of the burning process, the above remains get the written temperature independence of the resistance.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below by way of example explained in more detail on figures. Show it:

Fig. 1: den Verlauf des elektrischen Widerstandes über dem Sauerstoffgehalt eines keramischen Probenkörpers der Zusammensetzung La0,05Sr0,95Ti0.65Fe0.35O3- δ. Die Probe wurde entsprechend der DE 197 44 316 gefertigt. Fig. 1: the course of the electrical resistance over the oxygen content of a ceramic sample body of the composition La 0.05 Sr 0.95 Ti 0.65 Fe 0.35 O 3- δ . The sample was manufactured in accordance with DE 197 44 316.

Fig. 2: den Verlauf des elektrischen Widerstandes über dem Sauerstoffgehalt, wenn aus dem Werkstoff nach Fig. 1 ein Sauerstoffsensor nach oben beschriebenem dick­ schichttechnischen Standardverfahren gefertigt wird. FIG. 2: the course of the electrical resistance over the oxygen content when an oxygen sensor is manufactured from the material according to FIG. 1 according to the thick-layer standard method described above.

Fig. 3: in verschiedenen Ansichten eine mögliche Ausführungs­ variante eines resistiven Sauerstoffsensors, der die erfindungsgemäße Zwischenschicht enthält. FIG. 3 shows various views of a possible execution variant of a resistive oxygen sensor containing the intermediate layer of the invention.

Fig. 4: den Verlauf des elektrischen Widerstandes über dem Sauerstoffgehalt, wenn aus dem Werkstoff nach Fig. 1 ein Sauerstoffsensor gefertigt wird, der die erfin­ dungsgemäße Zwischenschicht enthält. Fig. 4: the course of the electrical resistance over the oxygen content when an oxygen sensor is manufactured from the material of FIG. 1, which contains the intermediate layer according to the Invention.

Aus Fig. 1 kann man entnehmen, welche Eigenschaften der elekt­ rische Widerstand R eines keramischen Probenkörpers bzgl. Temperatur und Sauerstoffpartialdruck pO2 der umgebenden Gasat­ mosphäre aufweist, wenn er entsprechend der DE 197 44 316 präparierter ist. Ein typischer Werkstoff nach DE 197 44 316 ist eine mit Eisen und Lanthan versetzte Strontiumtitanat­ verbindung (z. B. La0,05Sr0,95Ti0.65Fe0.35O3- δ). Es ist deutlich erkenn­ bar, dass zwischen 700°C und 900°C der elektrische Widerstand R des keramischen Probenkörpers praktisch nur vom Sauerstoffpar­ tialdruck und nicht von der Temperatur abhängt. Anders ausge­ drückt, die Kurven für 700°C, 800°C und 900°C liegen fast aufeinander.From Fig. 1 it can be seen which properties of the electrical resistance R of a ceramic sample body with respect to temperature and partial pressure of oxygen pO 2 of the surrounding gas atmosphere have if it is prepared according to DE 197 44 316. A typical material according to DE 197 44 316 is a strontium titanate compound mixed with iron and lanthanum (e.g. La 0.05 Sr 0.95 Ti 0.65 Fe 0.35 O 3- δ ). It can be clearly seen that between 700 ° C and 900 ° C the electrical resistance R of the ceramic specimen practically depends only on the oxygen partial pressure and not on the temperature. In other words, the curves for 700 ° C, 800 ° C and 900 ° C are almost on top of each other.

Wird nun gemäß dem oben beschrieben dickschichttechnischen Standardverfahren eine siebdruckfähige Dickschichtpaste aus diesem Werkstoff gefertigt, auf ein Al2O3-Substrat gedruckt und gebrannt, so geht die Temperaturunabhängigkeit des Widerstands­ werkstoffes verloren, wie Fig. 2 zeigt. Analysen zeigen, dass sich beim Brennen eine oxidische Verbindung aus Bestandteilen des Al2O3-Substrates und des Werkstoffes nach DE 197 44 316 gebildet hat, die man zwischen Substrat und Sensorschicht nachweisen kann. Durch die Bildung dieser Zwischenschicht wird demnach der sensitive Werkstoff dadurch verändert, dass er beim Brennen eine Komponente abgibt, die in das Substrat diffun­ diert, und eine unerwünschte Verbindung gebildet wird. Es ist daher nicht verwunderlich, dass sich auch die Kennlinie des sauerstoffsensitiven Materials verändert und die Temperatur­ unabhängigkeit des elektrischen Widerstandes verschwindet.If a screen-printable thick-film paste is now made from this material, printed on an Al 2 O 3 substrate and fired in accordance with the above-described standard thick-film process, the temperature independence of the resistance material is lost, as shown in FIG. 2. Analyzes show that an oxidic compound formed from components of the Al 2 O 3 substrate and the material according to DE 197 44 316 during firing, which can be detected between the substrate and the sensor layer. The formation of this intermediate layer accordingly changes the sensitive material in that, when fired, it emits a component that diffuses into the substrate and an undesired connection is formed. It is therefore not surprising that the characteristic curve of the oxygen-sensitive material changes and the temperature independence of the electrical resistance disappears.

Um dem abzuhelfen, wird erfindungsgemäß zuerst auf das Substrat eine Zwischenschicht aufgebracht, die aus mindestens je einer Komponente des Substrates und aus einer Komponente des gassen­ sitiven Werkstoffes besteht. Von Bedeutung dabei ist, dass die Zwischenschicht einen größeren, insbesondere wesentlich größe­ ren elektrischen Widerstand als die Sensorfunktionsschicht besitzt. To remedy this, the substrate is first according to the invention applied an intermediate layer consisting of at least one each Component of the substrate and a component of the gas sititive material. It is important that the Interlayer a larger, in particular much larger electrical resistance than the sensor functional layer owns.  

Danach wird die Paste des sensitiven Werkstoffes gemäß oben beschriebenem dickschichttechnischem Standardverfahren aufge­ bracht und gebrannt. Wechselwirkungen von Substrat und gassen­ sitiver Funktionsschicht beim Brennen werden durch diese Zwi­ schenschicht verhindert. Eine solche erfindungsgemäße Zwischen­ schicht kann z. B. ebenfalls als siebdruckfähige Paste herge­ stellt werden, die, bevor die gassensitive Funktionsschicht aufgebracht wird, eingebrannt wird.Then paste the sensitive material according to the above described standard thick-film process brought and burned. Interactions between substrate and lanes siti functional layer when firing are by this Zwi layer prevents. Such an intermediate according to the invention layer can e.g. B. also Herge as a screen printable paste be put before the gas sensitive functional layer is applied, is baked.

Ein uniaxialer Pressvorgang ist als nicht nötig. Dies verbes­ sert die Herstellbarkeit des Sensors wesentlich, so dass die Herstellkosten gesenkt werden.A uniaxial pressing process is not necessary. This is better sert manufacturability of the sensor significantly, so that Manufacturing costs can be reduced.

Die Stärke der erfindungsgemäßen Zwischenschicht kann insbeson­ dere zwischen 1 µm und 100 µm betragen. Als ideal hat sich für einen resistiven temperaturunabhängigen, in Dickschichttechnik hergestellten Sauerstoffsensor mit dem aus der DE 197 44 316 oder EP 0062994 bekannten Werkstoff als Sensorfunktionsmaterial und Al2O3 als Substrat eine 30 µm starke, in Dickschichttechnik hergestellte SrAl2O4-Schicht herausgestellt. Allgemein wird die Zwischenschicht aus einem Werkstoff bestehen, der mindestens eine stoffliche Komponente der Funktionsschicht und eine Kompo­ nente des Substrates enthält.The thickness of the intermediate layer according to the invention can in particular be between 1 μm and 100 μm. A 30 µm thick SrAl 2 O 4 layer produced in thick-film technology has proven to be ideal for a resistive temperature-independent oxygen sensor manufactured in thick-film technology using the material known from DE 197 44 316 or EP 0062994 as sensor functional material and Al 2 O 3 as substrate . In general, the intermediate layer will consist of a material which contains at least one material component of the functional layer and one component of the substrate.

Eine mögliche erfindungsgemäße Ausführungsform, hier anhand eines resistiven Sauerstoffsensors gezeigt, ist in Fig. 3 dargestellt. Zur Vereinfachung wurden alle Elemente, die nicht dem unmittelbaren Verständnis der Erfindung dienen, wie z. B. Sensorheizung, Temperaturmesseinrichtung, Schutzschichten, Abschirmschichten, Sensorgehäuse etc. nicht dargestellt. Ledig­ lich das Substrat 2, elektrische Zuleitungen 4, Kontaktpads 6, die Zwischenschicht 8, und die Sensorfunktionsschicht 10 sind in verschiedenen Ansichten dargestellt. Wichtig ist, wie auch aus Fig. 3 zu entnehmen ist, dass die Funktionsschicht 10 immer durch die Zwischenschicht 8 vom Substrat 2 getrennt ist. Die elektrischen Zuleitungen 4 können sowohl zuerst hergestellt werden und liegen dann wie hier gezeichnet unterhalb der Funk­ tionsschicht 10. Oder aber auf die Zwischenschicht 8 wird zuerst die Funktionsschicht 10 und danach die Zuleitungen 4 aufgebracht, so dass die Zuleitungen 4 oberhalb der Funktions­ schicht 10 angeordnet sind.A possible embodiment according to the invention, shown here using a resistive oxygen sensor, is shown in FIG. 3. To simplify all elements that do not serve the immediate understanding of the invention, such. B. sensor heating, temperature measuring device, protective layers, shielding layers, sensor housing etc. not shown. Only the substrate 2 , electrical leads 4 , contact pads 6 , the intermediate layer 8 , and the sensor functional layer 10 are shown in different views. It is important, as can also be seen from FIG. 3, that the functional layer 10 is always separated from the substrate 2 by the intermediate layer 8 . The electrical supply lines 4 can both be manufactured first and are then, as shown here, below the function layer 10 . Or to the intermediate layer 8, the functional layer 10, and thereafter the leads 4 is first applied, so that the leads 4 above the functional layer 10 are disposed.

Die Auswirkungen einer solchen Zwischenschicht demonstriert Fig. 4. Mit derselben Paste, aus der der Sensor nach Fig. 2 hergestellt wurde, wurde ein Sensor präpariert, der zusätzlich zwischen Substrat und Funktionsschicht die erfindungsgemäße Zwischenschicht enthält. Alle anderen Parameter, wie Brenntem­ peratur, Brenndauer oder Aufheizraten blieben unverändert. Man kann deutlich erkennen, dass die Kennlinie des elektrischen Widerstandes R über dem Sauerstoffpartialdruck pO2 temperatur­ unabhängig ist und praktisch der Kennlinie des keramischen Probenkörpers entspricht. Geometriebedingt ist natürlich der Absolutwert des Widerstandes ein anderer. FIG. 4 demonstrates the effects of such an intermediate layer. With the same paste from which the sensor according to FIG. 2 was produced, a sensor was prepared which additionally contains the intermediate layer according to the invention between the substrate and the functional layer. All other parameters, such as burning temperature, burning time or heating rates, remained unchanged. It can clearly be seen that the characteristic curve of the electrical resistance R is temperature-independent over the oxygen partial pressure pO 2 and practically corresponds to the characteristic curve of the ceramic sample body. Due to the geometry, the absolute value of the resistance is of course different.

Die Schicht wurde in obigem Beispiel in Dickschichttechnik aufgebracht. Man kann aber auch die Zwischenschicht in Dünn­ schichttechnik (Aufdampfen, PVD, CVD etc.) aufbringen und darauf den sensitiven Werkstoff aufbringen.In the example above, the layer was made using thick-film technology upset. But you can also use the intermediate layer in thin apply layer technology (vapor deposition, PVD, CVD etc.) and apply the sensitive material to it.

Eine solche Zwischenschicht ist auch besonders geeignet, Diffu­ sionsvorgänge zu verhindern, wenn die Sensorfunktionsschicht selbst in Dünnschichttechnik hergestellt wird. Als Beispiel sei eine gassensitive Funktionsschicht erwähnt, die z. B. auf ein Al2O3-Substrat aufgesputtert und anschließend bei 1100°C getem­ pert wird. Auch in diesem Fall können beim Tempern die elektri­ schen Eigenschaften der nur wenige hundert Nanometer dicken Schicht dadurch verloren gehen, dass ein Teil der gassensitiven Funktionsschicht mit dem Substrat wechselwirkt. Gerade bei solch dünnen Schichten reicht eine nur geringe Diffusion aus, um die Eigenschaften einer solchen Funktionsschicht völlig zu verändern. Es ist offensichtlich, dass auch in diesem Fall das vorherige Aufbringen einer erfindungsgemäßen Zwischenschicht, z. B. ausgeführt in Dickschichttechnik, die Diffusionsvorgänge verhindert und somit dazu führt, dass die Eigenschaften der Funktionsschicht von Wechselwirkungen mit dem Substrat unbeein­ flusst bleiben. Such an intermediate layer is also particularly suitable for preventing diffusion processes if the sensor functional layer is itself manufactured using thin-film technology. As an example, a gas-sensitive functional layer may be mentioned, which, for. B. sputtered onto an Al 2 O 3 substrate and then getert pert at 1100 ° C. In this case too, the electrical properties of the layer, which is only a few hundred nanometers thick, can be lost during the annealing process because part of the gas-sensitive functional layer interacts with the substrate. With such thin layers in particular, only slight diffusion is sufficient to completely change the properties of such a functional layer. It is obvious that the previous application of an intermediate layer according to the invention, e.g. B. executed in thick-film technology, which prevents diffusion processes and thus leads to the fact that the properties of the functional layer remain unaffected by interactions with the substrate.

Es ist aber ebenfalls als erfindungsgemäß anzusehen, wenn die Zwischenschicht statt auf das Substrat auf eine andere Schicht, die z. B. als elektrische Isolationsschicht dienen kann, aufge­ bracht wird. Beispielsweise kann direkt auf der Oberseite des Substrates eine Platinstruktur aufgebracht und diese mit einer elektrischen Isolationsschicht z. B. wiederum aus Al2O3 abgedeckt werden. Die Platinstruktur dient z. B. als elektrische Abschirm­ schicht zur Vermeidung des Übersprechens einer Sensorheizungs­ regelung auf das Sensorsignal. Auf die Al2O3-Schicht kann dann die erfindungsgemäße Zwischenschicht aufgebracht werden, um Wechselwirkungen mit dieser Isolationsschicht zu vermeiden. Dass diese andere Schicht nicht aus dem Substratwerkstoff bestehen muss, bedarf keiner weiteren Erläuterung.However, it is also to be considered according to the invention if the intermediate layer is instead of the substrate on another layer which, for. B. can serve as an electrical insulation layer, is brought up. For example, a platinum structure can be applied directly to the top of the substrate and this with an electrical insulation layer z. B. again be covered from Al 2 O 3 . The platinum structure serves e.g. B. as an electrical shielding layer to avoid crosstalk of a sensor heating control on the sensor signal. The intermediate layer according to the invention can then be applied to the Al 2 O 3 layer in order to avoid interactions with this insulation layer. The fact that this other layer does not have to consist of the substrate material requires no further explanation.

In obiger Ausführung wurden die Auswirkungen der Zwischen­ schicht für Titanate als resistive Sauerstoffsensoren beispiel­ haft beschrieben. Die Vorteile einer erfindungsgemäßen Zwi­ schenschicht gelten genauso für andere stoffsensitiven, insbe­ sondere gassensitiven Funktionsschichten, die bei einem Brenn-, Temper- oder einem anderem thermischen Prozess während der Herstellung mit dem Substrat wechselwirken, z. B. alle dotierten oder undotierten Metall- und Doppelmetall- und Mehrfachmetall­ oxide aber auch für Zeolithe, Silikate oder auch für ionenlei­ tende Oxide.In the above, the effects of the intermediate layer for titanates as resistive oxygen sensors for example described. The advantages of an intermediate according to the invention layer apply equally to other material-sensitive, in particular special gas-sensitive functional layers that are Tempering or another thermal process during the Manufacturing interact with the substrate, e.g. B. all endowed or undoped metal and double metal and multiple metal oxides but also for zeolites, silicates or also ionic oxides.

Beispiele für Substratmaterialien können sein: Al2O3, MgO, ZrO2, AlN, oder alle anderen, in der Schichttechnologie üblichen Materialien.Examples of substrate materials can be: Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , AlN, or all other materials customary in layer technology.

Es sei noch angemerkt, dass die erfindungsgemäße Zwischen­ schicht auch auf elektrisch leitfähige Substrate, wie z. B. Aluminium angewandt werden kann, da die Zwischenschicht dann als elektrischer Isolator wirkt.It should also be noted that the intermediate according to the invention layer on electrically conductive substrates, such as. B. Aluminum can be applied as the intermediate layer then acts as an electrical insulator.

In der Beschreibung zitierte Literatur zum Stand der TechnikPrior art literature cited in the description

[1] Kleitz M., Siebert E., Fabry P., Fouletier J.: Solid-State Electrochemical Sensors. In: Sensors. A comprehensive Survey. Chemical and Biochemi­ cal Sensors Part I. Göpel W. et al. (Hrsg.), VCH-Verlag, Weinheim, 1991, Seite 341-428.
[2] Schönauer U.: Dickschicht Sauerstoffsensoren auf der Basis keramischer Halbleiter. Technisches Messen 56 [6] 260- 263, 1989.[1] Kleitz M., Siebert E., Fabry P., Fouletier J .: Solid-State Electrochemical Sensors. In: Sensors. A comprehensive survey. Chemical and Biochemical sensors Part I. Göpel W. et al. (Ed.), VCH-Verlag, Weinheim, 1991, pages 341-428.
[2] Schönauer U .: Thick-film oxygen sensors based on ceramic semiconductors. Technical measurement 56 [6] 260-263, 1989.

Claims (10)

1. In Schichttechnologie hergestellter elektrischer Stoffsensor, bei dessen Herstellung ein Brennprozess durchlaufen wird, umfassend ei­ ne Sensorfunktionsschicht (10), sowie ein weiteres struktu­ relles Element (2), dadurch gekennzeichnet, dass sich zwi­ schen der Sensorfunktionsschicht (10) und dem weiteren strukturellen Element (2) eine Zwischenschicht (8) befindet, um bei dem Brennprozess Wechselwirkungen zwischen Sensor­ funktionsschicht (10) und dem weiteren strukturellen Element (2) zu verhindern, wobei die Zwischenschicht (8) sowohl eine stoffliche Komponente der Funktionsschicht (10) als auch ei­ ne stoffliche Komponente des weiteren strukturellen Elements (2) enthält, und die Zwischenschicht (8) einen höheren e­ lektrischen Widerstand aufweist als die Sensorfunktions­ schicht (10).1. An electrical material sensor produced in layer technology, in the production of which a combustion process is carried out, comprising a sensor functional layer ( 10 ) and a further structural element ( 2 ), characterized in that there is between the sensor functional layer ( 10 ) and the further structural Element ( 2 ) is an intermediate layer ( 8 ) in order to prevent interactions between the sensor functional layer ( 10 ) and the further structural element ( 2 ) in the firing process, the intermediate layer ( 8 ) being both a material component of the functional layer ( 10 ) and ei ne material component of the further structural element ( 2 ), and the intermediate layer ( 8 ) has a higher electrical resistance than the sensor function layer ( 10 ). 2. Stoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere strukturelle Element ein Substrat (2) ist.2. Material sensor according to claim 1, characterized in that the further structural element is a substrate ( 2 ). 3. Stoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere strukturelle Element eine elektrische Isolati­ onsschicht ist.3. substance sensor according to claim 1, characterized in that the other structural element is an electrical isolati is layer. 4. Stoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenschicht (8) zwi­ schen 1 und 100 µm beträgt.4. Material sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the intermediate layer ( 8 ) is between 1 and 100 microns. 5. Stoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) aus Al2O3, MgO, ZrO2, AlN besteht. 5. Substance sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 2 ) consists of Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , AlN. 6. Stoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere strukturelle Element (2) elektrisch leitfähig ist.6. Substance sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the further structural element ( 2 ) is electrically conductive. 7. Stoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfunktionsschicht (10) ein do­ tiertes oder undotiertes Metalloxid oder Doppelmetalloxid oder Mehrfachmetalloxid oder ein Zeolith, ein Silikat oder ein ionenleitendes Oxid ist.7. Substance sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor functional layer ( 10 ) is a doped or undoped metal oxide or double metal oxide or multiple metal oxide or a zeolite, a silicate or an ion-conducting oxide. 8. Stoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er in Dünnschichttechnik oder in Dick­ schichttechnik oder aus einer Kombination beider Verfahren hergestellt ist.8. substance sensor according to one of the preceding claims, characterized characterized that he is in thin film technology or in thick layer technology or a combination of both processes is made. 9. Stoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als resistiver Sauerstoffsensor aus­ gebildet ist, dessen Sensorfunktionsschicht titanhaltige o­ xidische Verbindungen enthält.9. substance sensor according to one of the preceding claims, characterized characterized that he was a resistive oxygen sensor is formed, the sensor functional layer containing titanium o contains oxidic compounds. 10. Stoffsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (5) aus SrAl2O4 besteht.10. Material sensor according to claim 9, characterized in that the intermediate layer ( 5 ) consists of SrAl 2 O 4 .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104897735A (en) * 2015-04-28 2015-09-09 北京大学 Double layer structural photocatalytic formaldehyde sensor and preparation method thereof

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2334044A1 (en) * 1972-07-08 1974-01-31 Hitachi Ltd GAS DETECTOR ELEMENT AND METHOD OF DETECTING OXIDIZABLE GASES
EP0062994A2 (en) * 1981-04-07 1982-10-20 LUCAS INDUSTRIES public limited company Oxygen sensors
EP0191627A1 (en) * 1985-02-14 1986-08-20 Ngk Insulators, Ltd. Electrochemical apparatus and method of manufacturing the same
DE3723051A1 (en) * 1987-07-11 1989-01-19 Kernforschungsz Karlsruhe SEMICONDUCTOR FOR A RESISTIVE GAS SENSOR WITH HIGH RESPONSE SPEED
DE3841611A1 (en) * 1988-12-10 1990-06-13 Bosch Gmbh Robert SENSOR ELEMENT FOR LIMIT CURRENT SENSORS FOR DETERMINING THE (LAMBDA) VALUE OF GAS MIXTURES
DE19744316A1 (en) * 1997-10-08 1999-04-29 Univ Karlsruhe Oxygen sensor is based on a complex metal oxide comprising a doped strontium titanate
DE19927725A1 (en) * 1999-06-17 2001-01-11 Univ Karlsruhe Resistive oxygen sensor used in the production of exhaust gas sensors for lean-burn engines comprises a substrate and an adhesive thick layer

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2334044A1 (en) * 1972-07-08 1974-01-31 Hitachi Ltd GAS DETECTOR ELEMENT AND METHOD OF DETECTING OXIDIZABLE GASES
EP0062994A2 (en) * 1981-04-07 1982-10-20 LUCAS INDUSTRIES public limited company Oxygen sensors
EP0191627A1 (en) * 1985-02-14 1986-08-20 Ngk Insulators, Ltd. Electrochemical apparatus and method of manufacturing the same
DE3723051A1 (en) * 1987-07-11 1989-01-19 Kernforschungsz Karlsruhe SEMICONDUCTOR FOR A RESISTIVE GAS SENSOR WITH HIGH RESPONSE SPEED
DE3841611A1 (en) * 1988-12-10 1990-06-13 Bosch Gmbh Robert SENSOR ELEMENT FOR LIMIT CURRENT SENSORS FOR DETERMINING THE (LAMBDA) VALUE OF GAS MIXTURES
DE19744316A1 (en) * 1997-10-08 1999-04-29 Univ Karlsruhe Oxygen sensor is based on a complex metal oxide comprising a doped strontium titanate
DE19927725A1 (en) * 1999-06-17 2001-01-11 Univ Karlsruhe Resistive oxygen sensor used in the production of exhaust gas sensors for lean-burn engines comprises a substrate and an adhesive thick layer

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Sensors. A comprehensive Surrey. Chemical and Biochemical Sensors Part I., Hrsg.: W. GÖPEL et al VCH-Verlag Weinheim 1991, S. 341-428 *
Technisches Messen tm, Bd. 56, Nr. 6(1989), S. 260-263 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104897735A (en) * 2015-04-28 2015-09-09 北京大学 Double layer structural photocatalytic formaldehyde sensor and preparation method thereof
CN104897735B (en) * 2015-04-28 2017-12-19 北京大学 A kind of photocatalysis formula formaldehyde sensor of double-decker and preparation method thereof

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