DE10041921A1 - Stoffsensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stoffsensor, insbesondere Gassensor, umfassend DOLLAR A - ein Substrat oder eine Trägerschicht, DOLLAR A - eine auf dem Substrat oder der Trägerschicht aufgebrachte Kondensatorstruktur mit zwei, auf unterschiedlichem Potential liegenden Elektroden, DOLLAR A - eine Sensorfunktionsschicht in Kontakt mit der Kondensatorstruktur, DOLLAR A - einen elektrischen Widerstand zur Temperaturmessung oder Sensorheizung. DOLLAR A Erfindungsgemäß bildet der elektrische Widerstand zur Temperaturmessung oder Sensorheizung zugleich eine der Elektroden der Kondensatorstruktur.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stoffsensor, insbesondere einen Gassensor, nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.

Steigende Anforderungen an den Umweltschutz und an die Luftqualität erfordern neben technischen Lösungen zur Verbesserung der Luftqualität auch Maßnahmen zu deren Überwachung. Aus Kostengründen versucht man, den Einsatz teurer Gasana­ lysengerät zu vermeiden, und stattdessen kleine, preiswert herzustellende Gassen­ soren als Detektor für die Luftqualität einzusetzen. Ein Anwendungsfall, wo höchste Anforderungen an Langlebigkeit und Störsicherheit unter rauhesten Umgebungsat­ mosphären gefordert werden, ist das Abgas eines Automobils, wobei für verschiede­ ne Antriebskonzepte jeweils ganz spezielle, auf bestimmte Gase selektive Sensoren benötigt werden.

Kostengünstig lassen sich solche Gassensoren in Planartechnik herstellen. Solche planar aufgebauten Gassensoren werden üblicherweise bei Temperaturen im Bereich mehrerer hundert Grad Celsius betrieben und haben typischerweise einen in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Auf ein üblicherweise elektrisch isolierendes Substrat 1 ist auf der Sensorunterseite eine Heizung und/oder eine Temperaturmesseinrichtung 2 in Form eines Widerstandsthermometers aufgebracht. Sie besteht aus Zuleitungen, die einen möglichst geringen Zuleitungswiderstand aufweisen sollen und aus einer häufig mäanderförmigen Heiz- und Temperaturmessanordnung. Auf der Sensorober­ seite ist dann eine den speziellen Anforderungen angepasste Elektrodenstruktur 3 aufgebracht, die in der Ausführung nach Fig. 1 eine Kondensatorstruktur mit zwei auf unterschiedlichem Potential liegenden Elektroden bildet. Auf der Kondensatorstruktur 3 ist eine Funktionsschicht 4 aufgebracht, die die speziellen Eigenschaften des Sensors, wie z. B. die Selektivität auf ein bestimmtes Gas o. ä., bestimmt. Diese Funktionsschicht ändert ihre elektrischen Eigenschaften abhängig von der Zusam­ mensetzung der den Sensor umgebenden Gasatmosphäre. In Fig. 1 ist der Über­ sichtlichkeit halber die Funktionsschicht in der Aufsicht nicht dargestellt. An der Sensorspitze soll auf der Sensoroberseite in dem Bereich, in dem die Funktions­ schicht aufgebracht ist, eine konstante Temperatur herrschen, die mit Hilfe der Heizung und des Temperaturfühlers auf der Sensorunterseite auf eine bestimmte Temperatur, die sog. Arbeitstemperatur, geregelt wird.

Die von der Umgebungsatmosphäre abhängigen elektrischen Eigenschaften der Funktionsschicht werden im folgenden als "Messgröße" bezeichnet. Ein typisches Beispiel ist die komplexe Impedanz Z oder daraus abgeleitete Größen, wie z. B. die Kapazität, der Verlustwiderstand, der Phasenwinkel oder der Betrag der komplexen Impedanz. Im Falle einer Messfrequenz von 0 Hz (Gleichspannung) ist auch der Gleichstromwiderstand als Messgröße zu verstehen. Die hier vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kondensatorstruktur 3. Eine solche kapazitive Elektrodenstruktur ist häufig als Interdigitalkondensatorstruktur (IDK) ausgebildet, wie sie für Gassenso­ ren in [1], DE 197 03 796 A, EP 0 527 259 A oder DE 196 35 977 A verwendet wird. Detailliert ist eine solche IDK-Struktur, wie sie dem Stand der Technik entspricht, in Fig. 2 skizziert. Die IDK-Struktur besteht typischerweise aus zwei kammartigen Elektroden, die wechselweise versetzt angeordnet sind, so dass die beiden Elektro­ den mit ihren Stegen in einander greifen. In Fig. 2 bedeutet b die Breite eines Steges und s der Abstand zwischen den Stegen.

Zusätzlich werden diese Elektroden mit Zuleitungen 10 und 12 und Kontaktpads 14 und 16 versehen.

Typische Gassensoren, die in oben beschriebener Weise aufgebaut sind, können den im folgenden angegebenen Schriften entnommen werden. In der EP 0 426 989 A wird ein selektiver HC-Sensor vorgestellt, dessen Kapazität sich mit Gasbeprobung verändert. In der DE 197 03 796 A, wird ein selektiver Ammoniaksensor offenbart, dessen Verlustwiderstand und Kapazität sich im Bereich von 20 Hz bis 1 MHz als Funktion der Gaskonzentration ändert. DE 197 56 891 A, DE 197 44 316 A, EP 0 498 916 A und DE 43 24 659 A haben Sauerstoffsensoren auf Titanatbasis zum Gegenstand, deren Gleichstromwiderstand bei mehreren hundert Grad Celsius vom Sauerstoffpartialdruck des Umgebungsgases abhängt.

Die oben beschriebenen Sensoren sind so aufgebaut, dass sie mit einem Heizwider­ stand auf der Unterseite versehen sind, der den Sensor auf Arbeitstemperatur bringt. Um die Temperatur zu bestimmen, wird der Widerstand dieser Heizanordnung vermessen. Leider ist das Substrat üblicherweise einige hundert µm stark, was zur Folge hat, dass ein Gassensor, der einer starken Anströmung ausgesetzt wird, wie es z. B. bei einem Abgassensor der Fall ist, auf der Sensoroberseite, auf der sich die Funktionsschicht, deren elektrische Eigenschaften vermessen werden sollen, befindet, eine andere Temperatur als auf der Sensorunterseite, auf der sich die Temperaturmessung befindet, aufweist. Da die elektrischen Eigenschaften der Funktionsschicht üblicherweise aber nicht nur von der Gasatmosphäre abhängen, sondern auch temperaturabhängig sind, ist eine solche Anordnung sehr anfällig auf Temperatureinflüsse. Im automobilen Abgas macht sich das besonders stark be­ merkbar, da nicht nur das Abgas unterschiedliche Temperaturen aufweisen kann, sondern auch der Volumenstrom stark schwankt. Man kann zur Abhilfe einen solchen Sensor in ein Gehäuse verpacken, das eine möglichst kleine Öffnung (geringer Gasdurchsatz) aufweist. Dadurch wird aber die Einstellkinetik recht langsam. Es ist aber auch möglich, auf der Sensoroberseite einen separaten Temperatursensor anzuordnen. Zum Beispiel entnimmt man aus [2] einen mit Zuleitungen 32, 34 versehenen Temperatursensor 30 um die gassensitive Funktionsschicht herum zu platzieren, wie dies in Fig. 3 skizziert ist. Durch einen solchen Aufbau wird die Temperatur zwar wesentlich näher an der Struktur gemessen und die Regelung wird schneller. Einige wesentliche Nachteile bleiben aber immer noch bestehen bzw. treten zusätzlich auf. Zum einen nimmt ein solcher Widerstand auf der Sensorober­ seite zusätzlich Platz ein, was zu einer reduzierten Fläche für die Funktionsschicht führt. Dies ist häufig nicht tolerabel. Da der Temperatursensor sich neben der Funktionsschicht befindet, und da die Oberseite des Sensors üblicherweise einen Temperaturgradienten aufweist, wie schon die DE 199 57 991 A zeigt, misst man mit einer solchen Anordnung häufig einen falschen Wert für die Temperatur der Funkti­ onsschicht. Als weiterer Nachteil ist der erhöhte Fertigungsaufwand zu nennen, da solche Widerstände üblicherweise in einer anderen Technologie oder zumindest aus einem anderen Werkstoff als die Elektroden hergestellt werden. Für viele Anwendun­ gen muss ein solcher freiliegender Temperatursensor abgedeckt werden, um nicht mit der Umgebungsatmosphäre in Kontakt zu treten, d. h. um die Alterung zu vermei­ den.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stoffsensor, insbesondere Gassen­ sor, zu schaffen, mit der die genannten Nachteile hinsichtlich der Temperaturmes­ sung überwunden werden können.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß bildet der Widerstand zur Temperaturmessung gleichzeitig eine der Elektroden der Kondensatorstruktur. Anstatt zur Temperaturmessung kann der Widerstand auch als Heizwiderstand für die Beheizung des Sensors eingesetzt werden. Im Zeit- oder Frequenzmultiplex kann der Widerstand auch als Heizung und Temperatursensor verwendet werden.

Da der Temperatursensor oder die Sensorheizung gleichzeitig als Elektrode für die Kondensatorstruktur dient, wird eine solche erfindungsgemäße Anordnung im folgenden als IDKT-Struktur bezeichnet.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist sichergestellt, dass an dem räumlichen Bereich, an dem das Sensorfunktionsmaterial vermessen wird, auch die Aufnahme der Temperaturmesswerte erfolgt.

Typische Anwendungsfälle für einen Sensor mit erfindungsgemäßer IDKT-Struktur können sein:

• - Stoffsensoren, wobei hier unter einem Stoffsensor 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 der Konzentration einer Komponente einer Flüssigkeit oder ein Sensor der aufgrund der Wechselwirkung mit einem Gas oder einer Flüssigkeit sein Ausgangssignal verändert, verstanden werden soll. Immer dann, wenn von einer Funktionsschicht oder einem sensitiven Substrat eine komplexe Impedanz wie oben definiert in Verbindung mit einer Temperatur gemessen wer­ den soll, kann die oben beschriebene IDKT-Struktur angewandt werden.
• - Aber auch um das Substrat bzw. die Funktionsschicht auf Temperatur zu bringen, kann diese Erfindung angewandt werden. Der Widerstand R wird dann als Heiz­ widerstand betrieben. Sofern gleichzeitig noch der Heizwiderstand gemessen wird, kann mit der oben beschriebenen Anordnung auch die Temperatur des Sub­ strates bzw. der Funktionsschicht gemessen werden und somit eine Temperatur­ regelung aufgebaut werden.
• - Bei einem kapazitiven Feuchtigkeitssensor könnte man einen Widerstand als Heizleiter verwenden, um die Feuchtigkeit schneller aus der sensitiven Schicht auszutreiben. Der Sensor wird dadurch bei abnehmender Feuchte schneller rea­ gieren können.
• - Auch für sogenannte SAW-Sensoren (Surface Acoustic Wave) wo kammartige Strukturen als Sende- bzw. Empfangsteil benutzt werden, kann man eine solche IDKT-Anordnung verwenden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines Gassensors nach dem Stand der Technik, wie in der Beschreibungseinleitung beschrieben;

Fig. 2 den Aufbau eines Interdigitalkondesators nach dem Stand der Technik, wie in der Beschreibungseinleitung beschrieben;

Fig. 3 den Aufbau eines bekannten Gassensors mit einem Temperaturmesswider­ stand auf der Sensoroberseite, wie in der Beschreibungseinleitung beschrie­ ben;

Fig. 4 eine erste erfindungsgemäße Ausführung der IDKT-Struktur;

Fig. 5 eine vereinfachtes Ersatzschaltbild der in Fig. 4 dargestellten IDKT-Struktur, sowie ein Beispiel für die Beschaltung dieser IDKT-Struktur;

Fig. 6 in einer normierten Darstellung die Ortskurve eines Gassensors mit einer herkömmlichen IDK-Struktur;

Fig. 7 in einer ebenfalls normierten Darstellung (gleicher Zahlenwert für den Normierungsfaktor F) die Ortskurve für einen Gassensor mit einer erfin­ dungsgemäßen IDKT-Struktur nach Fig. 4;

Fig. 8 den Widerstandsverlauf über der Temperatur des Temperatursensors der erfindungsgemäßen IDKT-Struktur nach Fig. 4;

Fig. 9 die Temperatur der Funktionsschicht eines in einem Gasstrom angeordneten Gassensors, in Abhängigkeit von der Temperatur des Gasstroms und vom Volumenstrom des Gasstroms (ausgefüllte Symbole: IDK-Struktur; offene Symbole: erfindungsgemäße IDKT-Struktur);

Fig. 10 bis 12 jeweils erfindungsgemäße IDKT-Strukturen;

Fig. 13 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 12 dargestellten IDKT-Struktur, sowie ein Beispiel für die Beschaltung dieser IDKT-Struktur.

Fig. 4 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführung für eine erfindungsgemäße IDKT-Struktur. Um die einzelnen Stege einer aus den Elektroden 44,46 gebildeten IDK-Struktur mäandriert ein schwarz gezeichneter Widerstand zur Temperaturmes­ sung 42 (im folgenden auch Temperatursensor genannt) hindurch. Er wird über den Teilwiderstand 40, der außerhalb der beiden ineinandergreifenden Elektroden 46,44 angeordnet ist, zurückgeführt. Die beiden Elektroden 44,46 sind über eine nicht dargestellte elektrische Verbindung im nicht beheizten Teil des Sensors kurzge­ schlossen und liegen somit auf gleichem elektrischen Potential. Zusammen bilden sie eine Elektrode der Kondensatorstruktur zur kapazitiven Messung der Sensorfunkti­ onsschicht. Der Temperatursensor 42 übernimmt gleichzeitig die Funktion einer weiteren Elektrode der Kondensatorstruktur zur kapazitiven Messung des Sensor­ funktionsschicht. Es ist darauf hinzuweisen, dass in den Fig. 2, 4 und 10 bis 12, jeweils nur ein Ausschnitt einer IDK bzw. IDKT-Struktur dargestellt ist, und dass Zuleitungen, Anschlusspads etc. nicht gezeichnet wurden.

Ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der IDKT-Struktur nach Fig. 4 ist in Fig. 5a darge­ stellt. Der Temperatursensor aus den Teilwiderständen 42 und 40 weist einen Widerstand R auf. Gegen die eine Teilelektrode 46 der Kondensatorstruktur existiert eine Kapazität C, und gegen die andere Teilelektrode 44 die Kapazität C₂. Wie man aus der Beschaltung gemäß Fig. 5b erkennt, sind die Teilelektroden 44 und 46 miteinander verbunden. Die Temperaturmessung kann dann z. B. stattfinden, indem die Temperaturabhängigkeit des Temperaturmesswiderstandes R ausgenutzt wird. Diese Messung kann z. B. als Gleichstrommessung oder als Wechselstrommessung bei der Frequenz f_T durchgeführt werden. Die Kapazitätsmessung zwischen dem Teilwiderstand 42 einerseits und den Teilelektroden 44/46 andererseits wird dann bei einer anderen Messfrequenz f_c durchgeführt. Es ist auch möglich, zeitlich versetzt R und C mit der gleichen Frequenz bzw. mit Gleichspannung zu vermessen. Eine Gleichspannungsmessung kann dann sinnvoll sein, wenn die Funktionsschicht eher von leitfähiger als von dielektrischer Natur ist, und wenn sich ihr Gleichspannungswi­ derstand mit der Beprobung ändert.

Die im folgenden erläuterten Fig. 6 bis 9 sollen am Beispiel eine Gassensors die vorteilhaften Eigenschaften der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik de­ monstrieren.

Fig. 6 zeigt in einer normierten Darstellung die Ortskurve eines Gassensors mit einer herkömmlichen IDK-Struktur, der bei Arbeitstemperatur betrieben wurde. Dabei spiegeln einzelne Messpunkte die Impedanzmessung bei einer bestimmten Frequenz wider. Aufgetragen wurde der negative Imaginärteil über dem Realteil der komplexen Impedanz Z. Die Messkurven wurden mit einem Faktor F normiert. Deutlich erkennt man den Unterschied mit und ohne Gasbeaufschlagung. Der Messbereich betrug 120 Hz bis 1 MHz. Somit kann durch Messung bei einer bestimmten Frequenz aus der Änderung der komplexen Impedanz bzw. aus einer davon wie oben beschrieben abgeleiteten Größe auf die Gaskonzentration geschlossen werden.

Fig. 7 zeigt im Vergleich hierzu in einer ebenfalls normierten Darstellung (gleicher Zahlenwert für den Normierungsfaktor F) das Messergebnis für einen mit oben beschriebener IDKT-Struktur hergestellten Gassensor. Die aufgebrachte Funktions­ schicht, ihre Herstellungsparameter und die Arbeitstemperatur waren identisch bei beiden Sensoren. Lediglich der Abstand zwischen den Stegen und die Stegbreiten wichen ein wenig voneinander ab. Die Breite des Temperatursensors war etwas größer als die Stegbreite der Elektroden der IDK-Struktur. Man erkennt deutlich, wie beide Sensoren das gleiche Verhalten aufweisen. Der Absolutwert ist aufgrund der etwas unterschiedlichen geometrischen Abmessungen etwas verschieden. Fig. 7 zeigt demnach, dass der Sensoreffekt der Funktionsschicht nicht nur in der IDK- sondern auch in der erfindungsgemäßen IDKT-Anordnung gemessen werden kann.

Fig. 8 zeigt den Widerstandsverlauf über der Temperatur des Temperatursensors dieser IDKT-Anordnung. Dabei sind Punkte Messwerte und die durchgezogene Linie ist eine Näherung zweiter Ordnung. Der Aufbau des Sensors entsprach Fig. 1, aber mit dem Unterschied, dass statt einer IDK-Struktur eine IDKT-Struktur auf der Sensoroberseite aufgebracht war. Der Sensor wurde unterseitig mit einer Heizer­ struktur beheizt. Die Temperatur auf der Funktionsschicht wurde mit einem Strah­ lungspyrometer gemessen. Der Widerstand des IDKT-Temperatursensors wurde durch eine Gleichstrommessung in Zweidrahttechnik bestimmt. Fig. 8 zeigt, dass als Temperatursensor die mäandrierende Leitung zwischen den Stegen des IDK ver­ wendet werden kann, um die Temperatur der Funktionsschicht zu bestimmen.

Besonders deutlich sieht man den Vorteil der erfindungsgemäßen IDKT-Struktur im Vergleich zum Stand der Technik anhand von Fig. 9. Untersucht wurde, welche Temperatur die Funktionsschicht eines Gassensors, der in einem Gasstrom ange­ ordnet wird, annimmt, wenn sowohl die Temperatur des Gasstromes als auch dessen Volumenstrom variiert wird. Es wurden jeweils ein Sensor nach dem Stand der Technik (ausgefüllte Symbole) und ein erfindungsgemäßer Sensor (offene Symbole) geregelt betrieben. Beim Sensor nach dem Stand der Technik wurde die Temperatur auf konstanten Heizwiderstand geregelt (Solltemperatur 420°C), wobei die Messung, um Verfälschungen durch Zuleitungseffekte zu vermeiden, in einer aufwendigen Vierdrahttechnik durchgeführt wurde. Beim Sensor mit der IDKT-Struktur (offene Symbole) wurde auf konstanten Widerstand des Temperatursensors geregelt. Aufgrund des hohen Widerstandes mussten bei der IDKT-Anordnung keine Zulei­ tungseffekte berücksichtigt werden. Die Messung des Widerstandes des Tempera­ tursensors erfolgte in Zweidrahttechnik. Die Sensortemperatur wurde wiederum mit einem Strahlungspyrometer auf der Oberfläche der Funktionsschicht gemessen.

Deutlich erkennt man, wie der Einfluss der Geschwindigkeit des Gasstromes (d. h. die Steigung in Fig. 9) bei den erfindungsgemäßen Sensoren (offene Punkte) wesentlich geringer ist. Egal ob heißes oder kaltes Gas, die Änderung zwischen kleinem und großem Gasstrom bleibt immer kleiner als 3°C. Im Bereich großer Gasströme ist der Einfluss sogar kleiner als 1°C. Nicht so bei den nach dem Stand der Technik gefer­ tigten Sensoren. Hier beträgt der Einfluss der Gasgeschwindigkeit immer 6°C, unabhängig von der Gastemperatur. Wie sofort ins Auge fällt, ist auch der Einfluss der Gastemperatur beim erfindungsgemäßen Sensor (d. h. der Abstand der beiden Linien mit offenen Symbolen) wesentlich geringer als beim Sensor nach dem Stand der Technik (Abstand der beiden Linien mit ausgefüllten Symbolen).

Als gesamten Temperaturfehler (Differenz aus maximalem Temperaturwert und minimalem Temperaturwert in Fig. 9) findet man beim Sensor nach dem Stand der Technik 13°C, wohingegen man beim erfindungsgemäßen Sensor lediglich einen gesamten Temperaturfehler von 6°C findet.

Um den Wert des Widerstandes des Temperatursensors zu steigern, kann auch der Rückleiter des Temperatursensors mäanderförmig ausgestaltet werden. Fig. 10 und Fig. 11 sind Beispiele für eine solche Ausführungsform.

Fig. 10 zeigt eine Ausführung der IDKT-Struktur, bei der der erste elektrische Teilwi­ derstand 42 - wie bei der Ausführung nach Fig. 4 - mäanderförmig zwischen den beiden Teilelektroden 44, 46 einer Elektrode der Kondensatorstruktur verläuft.

Darüber hinaus verläuft auch der andere Teilwiderstand 40 mäanderförmig zwischen den in einander greifenden Teilelektroden 44, 46. Anders als bei der Ausführung der Fig. 4 sind die beiden Teilelektroden 44, 46, die zusammen eine Elektrode der Kondensatorstruktur bilden, im beheizten Teil des Sensors miteinander verbunden. Die gezeigte Ausführung hat den Vorteil, dass ein zusätzlicher Anschluss oder eine Kreuzung im kalten Teil des Sensors zur Verbindung der Elektroden 44 und 46 entfällt. Als Nachteil der gezeigten Ausführung muss man die Abnahme der Sensor­ kapazität in Kauf nehmen, da zwischen den beiden Teilwiderständen 42, 40 des Temperatursensors kein elektrisches Wechselfeld herrscht.

Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform, die verglichen mit der Ausführung nach Fig. 10 einen etwa doppelt so großen Widerstandswert des Temperatursensors aber keinen Kapazitätsverlust aufweist. Dazu ist zwischen den Mäandern des Temperatursensors mit den Teilwiderständen 40 und 42 eine zusätzliche, mäanderförmige Teilelektrode 48 aufgebracht. Diese Teilelektrode 48 ist mit Teilelektrode 44 oder 46 elektrisch verbunden. Die Teilelektroden 44, 46, 48 bilden zusammen eine Elektrode der Kon­ densatorstruktur zur kapazitiven Messung der Sensorfunktionsschicht.

Es ist auch als erfindungsgemäß anzusehen, wenn wie in Fig. 12 gezeigt zwei ineinander verschlungene Elektroden die Kondensatorstruktur mit der Kapazität C bilden. Die erste Elektrode mit dem Widerstandswert R₁ weist eine kammartig ausgebildete Teilelektrode 120 und eine mäanderförmige Teilelektrode 122 auf. Die zweite Elektrode mit dem Widerstandswert R₂ umfasst ebenfalls eine kammartige Teilelektrode 126 und eine mäanderförmige Teilelektrode 124. Wie man aus der Fig. 12 gut erkennt, greifen die kammartig ausgebildeten Teilelektroden 120, 126 ineinan­ der und die mäanderförmig ausgebildeten Teilelektroden 122,124 greifen ebenfalls ineinander. An der einzigen Kreuzungsstelle ist eine Isolationsschicht 128 vorhanden.

Den Vorteil kann man dem Ersatzschaubild gemäß Fig. 13 entnehmen. Man hat zwei voneinander unabhängige Widerstände R₁, R₂ in der IDKT-Struktur vorliegen. Diese können einerseits zur gegenseitigen Überwachung eingesetzt werden, andererseits kann ein Leiter als Heizleiter und der andere als Temperatursensor betrieben wer­ den. Dazu bietet es sich an, den Heizleiter breiter und den Temperaturmesswider­ stand schmäler auszugestalten. In einer weiteren Ausführung können auch beide Widerstände als Heizleiter eingesetzt werden.

Die Herstellung einer erfindungsgemäßen IDKT-Struktur kann in Dickschichttechnik oder in Dünnschichttechnik oder in Planartechnik oder in einer Kombination der Technologien erfolgen.

Ein Beispiel für die Herstellung dieser Struktur in Dickschichttechnik ist die Herstel­ lung über Siebdruckverfahren. Dazu wird ein Sieb mit geeigneten Öffnungen, die der IDKT-Struktur entsprechen, versehen. Danach wird eine Metallpaste, die als Elektro­ denpaste dient, mittels eines Rakels auf die zu beschichtende Fläche, z. B. auf ein Substrat, im Siebdruckverfahren aufgebracht und anschließend eingebrannt. Eine typische Elektrodenpaste kann aus Gold aber auch aus Platin oder anderen Edel­ metallen bestehen. Anschließend wird die Funktionsschicht aufgebracht und wieder­ um eingebrannt. Da die Funktionsschicht die IDKT abdeckt, ist die IDKT-Struktur gegen Einflüsse von außen, z. B. gegen Oxidation, geschützt und es können auch Nichtedelmetalle, wie z. B. Nickel, als IDKT-Werkstoff verwendet werden.

Es ist auch möglich, durch Verwendung zweier verschiedener Siebe eine IDKT- Anordnung mit Kondensatorelektrode und Temperaturmesswiderstand aus verschie­ denen Werkstoffen herzustellen. Zum Beispiel kann zuerst die Struktur des Tempe­ ratursensors aus Platin gedruckt und bei 1200°C eingebrannt werden. Danach wird mit einem weiteren Sieb die Elektrodenstruktur aus Gold gedruckt und bei 750°C eingebrannt.

Ein weiteres, sehr vorteilhaftes Herstellverfahren, das es erlaubt, Strukturbreiten im 10 µm-Bereich in Dickschichttechnik herzustellen, soll im folgenden beschrieben werden.

Mittels Siebdrucktechnik wird eine Goldschicht ganzflächig oder schon vorstrukturiert aufgebracht und eingebrannt. Auf diese Goldschicht wird eine photoempfindliche Lackschicht mittels eines Spin-Prozesses aufgetragen und so erwärmt, dass der Lack vernetzt. Eine Photomaske, die die IDKT-Struktur enthält, wird auf der Photo­ lackschicht exakt platziert und der Photolack wird belichtet. Anschließend wird entwickelt, wobei die belichteten Teile des Lackes in einer geeigneten alkalischen Lösung entfernt werden. Die nun noch auf der Goldschicht vorhandenen Lackteile sind ein Abbild der IDKT-Struktur. In einem Ätzbad, bestehend z. B. aus einer Jod- Kaliumjodid-Lösung, werden die nicht vom Lack abgedeckten Flächen der Gold­ schicht entfernt. Danach müssen sorgfältig Reste der Ätzlösung in destilliertem Wasser entfernt werden. In einem geeigneten Lösemittel (z. B. Aceton) werden dann die restlichen Lackflächen entfernt. Darunter kommt dann die IDKT-Struktur zum Vorschein, die noch einmal gereinigt wird. Um evtl. noch vorhandene Lack- oder Lösemittelreste zu vernichten, wird die Goldschicht noch einmal saubergebrannt. Auf die Entfernung der Lackschicht per Lösemittel kann auch verzichtet werden, indem direkt der Lack verbrannt wird. Nach diesem Prozess ist die IDKT-Struktur fertigge­ stellt und es kann die Funktionsschicht aufgebracht werden. Die maximal erzielbare Auflösung wurde im Rahmen der Versuche, abhängig von der Wahl der Goldpaste auf ca. 15 µm bestimmt. Die Arbeiten sollten in einem Reinraum durchgeführt werden, da Verunreinigungen sofort zu einem Fehler (Kurzschluss oder Unterbre­ chung) in der IDKT-Struktur führen. Die verwendete Goldpaste sollte so beschaffen sein, dass sie im gebrannten Zustand eine möglichst glatte Oberfläche bildet, auf die die Belichtungsmaske aufgelegt werden kann.

Das beschriebene Verfahren ist eine Kombination aus einem typischen dickschicht­ technischen Verfahren mit einem photolithographischen Prozess, wie er in der Planartechnik für die Herstellung von Halbleiterbauelementen benutzt wird. Man erhält eine IDKT-Struktur, die alle für die Herstellung von Hochtemperaturgassenso­ ren benötigten Eigenschaften, wie Schichtdicke im µm-Bereich, Temperaturstabilität, Herstellbarkeit auf gewöhnlichen, für die Dickschichttechnik üblichen und kosten­ günstigen Substraten, aufweisen. Zusätzlich besitzen solche Transducer aber auch die oben beschriebene notwendige feine Auflösung.

Hier wurde die Herstellung einer IDKT-Struktur mittels einer photolithographisch strukturierten Goldschicht beschrieben. Auch aus Platin oder anderen hochtempera­ turstabilen Metallen kann eine solche IDKT-Struktur hergestellt werden. Im Falle von Platin als Werkstoff für die IDKT wird man eine geeignete Platinschicht in Dick­ schichttechnik aufbringen und diese mittels eines geeigneten Lacks und eines geeigneten Lösemittels strukturieren.

Alternativ zu dem beschriebenen photolithographischen Strukturierungsprozess, bei dem die aufgebrachte Photomaske der Kondensatorstruktur entspricht, und bei dem in einem weiteren Schritt die belichteten Bereiche der Lackschicht entfernt werden, kann auch ein Verfahren unter Einsatz eines sogenannten Negativlacks eingesetzt werden. Dabei entspricht die aufgebrachte Photomaske dem Negativ der Kondensa­ torstruktur, wobei in einem weiteren Schritt die unbelichteten Bereiche der Lack­ schicht entfernt werden.

Die Herstellung in einer reinen Dünnschichttechnik kann z. B. durch einen Sputterpro­ zess erfolgen, wobei mittels eines photolithographischen Verfahrens die Struktur hergestellt wird. Es ist für den Fachmann ohne weiteres nachvollziehbar, dass auch in Dünnschichttechnik verschiedene Werkstoffkombinationen bei der Sensorherstel­ lung möglich sind.

Es ist außerdem möglich, die Breite (vergleichbar dem Parameter b bei der reinen IDK-Struktur) der Elektrode, die Abstände (vergleichbar dem Parameter s bei der reinen IDK-Struktur) zwischen den Stegen verschiedener Teilelektroden und die Breite des Temperaturmesswiderstandes der IDKT-Struktur variabel zu gestalten. So kann, falls anstatt des elektrisch schlechter leitfähigen Platins das besser leitfähige Gold als Temperatursensor benutzt wird, dessen Breite verringert und somit der Widerstand des Temperatursensors erhöht werden. Zudem können, um die Leerka­ pazität zu erhöhen, die Abstände s verkleinert werden.

Literatur zum Stand der Technik

[1] Plog C., Maunz W., Kurzweil P., Obermeier E., Scheibe C.: Combustion gas sensitivity of zeolite layers on thin-film capacitors. Sensors and Actuators B 24-25, (1995), 403-406.
[2] Roth-Technik GmbH & Co, 76554 Gaggenau, Postfach 14 60, Deutschland: Die Grenzen werden enger; Überwachen mit Schadgassensoren; Firmenschrift (1999).

Claims (12)

1. Stoffsensor, insbesondere Gassensor, umfassend
ein Substrat (1) oder eine Trägerschicht,
einen auf dem Substrat (1) oder der Trägerschicht aufgebrachte Kondensa­ torstruktur (3) mit zwei, auf unterschiedlichem Potential liegenden Elektroden,
eine Sensorfunktionsschicht (4) in Kontakt mit der Kondensatorstruktur (3),
einen elektrischen Widerstand zur Temperaturmessung oder Sensorheizung, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand zur Temperaturmes­ sung und/oder Sensorheizung zugleich eine der Elektroden der Kondensator­ struktur bildet.

2. Stoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode der Kondensatorstruktur zwei kammartig ausgebildete, ineinander greifende Teil­ elektroden (44, 46) umfasst, und der elektrische Widerstand zur Temperaturmes­ sung und/oder Sensorheizung einen mäanderförmig ausgebildeten Teilwider­ stand (42) aufweist, der zwischen den beiden ineinander greifenden Teilelektro­ den (44, 46) der Kondensatorstruktur verläuft.

3. Stoffsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand zur Temperaturmessung und/oder Sensorheizung einen zweiten Teilwiderstand (40) umfasst, der außerhalb der beiden ineinander greifenden Teilelektroden (44, 46) der Kondensatorstruktur verläuft.

4. Stoffsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand zur Temperaturmessung und/oder Sensorheizung einen zweiten Teilwiderstand (40) aufweist, der zwischen den beiden ineinander greifenden Teilelektroden (44, 46) der Kondensatorstruktur verläuft, und mäanderförmig aus­ gebildet ist.

5. Stoffsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden mäanderförmigen Teilwiderständen (40, 42) eine weitere Teilelektrode (48) der Kondensatorstruktur verläuft, und mäanderförmig ausgebildet ist.

6. Stoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden der Kondensatorstruktur jeweils eine kammartig ausgebildeten Teil­ elektrode (120, 126) sowie jeweils eine mäanderförmig ausgebildete Teilelektrode (122, 124) aufweisen, wobei die beiden Elektroden derart ineinander verschlun­ gen sind, dass die kammartig ausgebildeten Teilelektroden (120, 126) ineinander greifen, und die mäanderförmig ausgebildeten Teilelektroden (122, 124) ineinan­ der greifen, wobei lediglich eine Kreuzungsstelle vorhanden ist.

7. Stoffsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Elektroden der Kondensatorstruktur zur Sensorheizung und die andere Elektrode der Kondensatorstruktur zur Temperaturmessung betrieben wird.

8. Stoffsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beiden Elektro­ den der Kondensatorstruktur zur Temperaturmessung betrieben werden.

9. Stoffsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden der Kondensatorstruktur zur Sensorheizung betrieben werden.

10. Verwendung eines Stoffsensors nach einem der vorangehenden Ansprüche als Gassensor, Feuchtigkeitssensor oder SAW-Sensor.

11. Verfahren zur Herstellung eines Stoffsensors nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorstruktur fol­ gendermaßen erzeugt wurde:
Aufbringen einer geschlossenen oder bereits vorstrukturierten elektrisch leit­ fähigen Schicht als Vorläufer der Kondensatorstruktur mittels Dickschichttech­ nik,
Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schicht mittels photolithographischem Strukturierungsverfahren.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schicht folgendermaßen erreicht wurde:
Aufbringen einer geschlossenen photoempfindlichen Lackschicht auf die e­ lektrisch leitfähige Schicht,
Aufbringen einer Photomaske, die der Kondensatorstruktur entspricht, auf die Lackschicht,
Belichtung der mit der Photomaske abgedeckten Lackschicht,
Entfernen der belichteten Bereiche der Lackschicht,
Entfernen der nicht vom Lack bedeckten Bereiche der elektrisch leitfähigen Schicht.