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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements
für einen
Gassensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
bekanntes Sensorelement (
DE 10 2004 046 882 A1 ) weist drei aufeinanderlaminierte,
keramische Lagen auf, die auf Aluminiumoxid- oder Zirkoniumoxid-Basis
hergestellt sind. Jede der Lagen trägt eine Funktionsschicht. Die
auf der freiliegenden Außenseite
der oberen Lage angeordnete Funktionsschicht bildet den Messbereich
eines Partikelsensors und weist zwei Elektroden auf, die interdigital
strukturiert, d.h. kammartig miteinander so verzahnt sind, dass
die von einem Kammrücken
abstehenden Kammzähne
mit Abstand voneinander parallel verlaufen und unterschiedlichen
Elektroden zugehörige Kammzähne einander
benachbart sind. Die Kammrücken
sind über
Anschlussbahnen an Kontaktflächen
angebunden, die ihrerseits mittels Anschlussleitungen an eine außerhalb
des Sensorelements liegenden Auswerteelektronik anschließbar sind.
Die auf der mittleren keramischen Lage angeordnete Funktionsschicht
ist ein Heizelement eines Widerstandsheizers und weist eine mäanderartig
verlegte Leiterbahn aus elektrischem Widerstandsmaterial auf. Anfangs-
und Endpunkt des Mäanders
sind jeweils über
auf der keramischen Lage verlaufende Anschlussbahnen an Kontaktflächen auf
der keramischen Lage angebunden, über die die Stromzuführung erfolgt.
Die dritte Funktionsschicht bildet den Messbereich eines Temperatursensors
und ist auf der freien Außenseite
der dritten keramischen Lage angeordnet. Diese Funktionsschicht
weist eine sehr dünne
Leiterbahn aus Platin auf, die als sehr fein strukturierter Mäander in
einem Oberflächenbereich der
keramischen Lage angeordnet ist. Anfangs- und Endpunkt des Mäanders sind
wiederum über
auf der Außenseite
der keramischen Lage verlaufende Anschlussbahnen an ebenda liegende
Kontaktflächen angebunden,
die ihrerseits an die außerhalb
des Sensorelements liegende Auswerteelektronik mittels Anschlussleitungen
angeschlossen werden können.
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Die
Kammelektroden sowie die Mäander
der beschriebenen Funktionsschichten werden üblicherweise auf die als Folien
ausgeführten
Lagen aufgedruckt, z.B. im Siebdruckverfahren. Im Siebdruckverfahren
können
derzeit innerhalb der Funktionsschichten Leiterbahnen mit minimal
80 μm Breite
und einem minimalen Parallelabstand voneinander von 80 μm sowie mit
einer Dicke, d.h. Auflagenstärke
auf der Lage, in einem Minimalbereich zwischen 7 bis 25 μm hergestellt
werden. Für
künftige
Anwendungen des Sensorelements ist es jedoch von wesentlicher Bedeutung,
bedeutend schmalere Leiterbahnen für Kammzähne und Mäander herstellen zu können, was aber
mit den herkömmlichen
Druckverfahren nicht realisierbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass dadurch,
dass die Funktionsschicht als Querschnittsfläche des Schichtverbunds gewonnen
wird, eine Vertauschung von Druckdicke und Druckbreite erfolgt und
somit eine Druckdicke, die z.B. beim Siebdruckverfahren sehr viel
kleiner ausgeführt
werden kann als die kleinste Druckbreite, zu entsprechend kleinen Breitenabmessungen
innerhalb der Funktionsschicht führt,
die mit dem herkömmlichen
Verfahren des Druckens nicht erreichbar sind. Z.B. können dadurch
in der Funktionsschicht Leiterbahnen problemlos realisiert werden,
deren Bahnbreite im Bereich zwischen 7 bis 25 μm liegt, während bei dem herkömmlichen Druckverfahren
die untere Grenze für
solche Leiterbahnbreiten bei 80 μm
liegt.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Verfahrens möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird der Schichtverbund so zusammengesetzt, dass beim
Vereinzeln von Funktionsschichten aus dem Schichtverbund in der
Funktionsschichtebene verlaufende, voneinander beabstandete, parallele
Leiterbahnen aus elektrisch leitendem Material entstehen. Hierzu
wird auf Schichten aus Isolationsmaterial jeweils einseitig ein
Film aus dem Leiterbahnmaterial mit einer Filmdicke aufgetragen, vorzugsweise
aufgedruckt, die der gewünschten Breite
der Leiterbahnen entspricht. Zum Bilden des Schichtverbunds werden
die Schichten so aufeinandergelegt, dass jeweils die filmlose Schichtseite
der folgenden Schicht auf dem Film der vorhergehenden Schicht aufliegt,
und miteinander z.B. durch Kleben oder Laminieren, verbunden. Aus
dem Schichtverbund wird dann die Funktionsschicht mit einer Dicke vereinzelt,
die der gewünschten
Dicke der Leiterbahnen auf dem Substrat entspricht. In der Funktionsschicht
können
so durch entsprechende Bemessung der aufgedruckten Filmdicke beliebige
Breiten der Leiterbahnen, insbesondere sehr kleine Breiten der Leiterbahnen,
und durch Bemessung der Schichtdicke der Schichten aus Isolationsmaterial
beliebig breite Abstände
zwischen den Leiterbahnen realisiert werden. Die Dicke der Leiterbahnen,
d.h. ihre Auflagehöhe
auf dem Substrat, kann durch Wahl des Abstands zweier Schnittführungen
durch den Schichtverbund hindurch bestimmt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung
in aufeinanderfolgenden Figuren einzelne Verfahrensstufen, und zwar:
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1 eine
Explosionsdarstellung eines Schichtverbunds,
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2 der
Schichtverbund in 1 mit Vereinzelung von Funktionsschichten,
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3 ausschnittweise
eine perspektivische Darstellung einer aus dem Schichtverbund gemäß 2 vereinzelten
Funktionsschicht,
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4 ausschnittweise
eine perspektivische Darstellung eines Substrats mit einer aufliegenden, vereinzelten
Funktionsschicht gemäß 3,
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5 eine
perspektivische Darstellung des Substrats mit Funktionsschicht in 4 mit
aufgedrucktem Anschlussbahnen-Layout,
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6 eine
vergrößerte Draufsicht
des Ausschnitts VI in 5,
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7 eine
gleiche Darstellung wie in 6 mit modifizierter
Funktionsschicht,
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8 eine
Explosionsdarstellung eines als Partikelsensor ausgebildeten Sensorelements.
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Das
in der Zeichnung mittels Verfahrensstufen illustrierte Verfahren
zur Herstellung eines Sensorelements für einen Gassensor ist beispielhaft
an der Herstellung eines Sensorelements für einen Partikelsensor, z.B.
zur Messung der Rußpartikelkonzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine, festgemacht. Generell kann dieses
Verfahren zur Herstellung solcher Sensorelemente angewendet werden,
die Funktionsschichten mit sehr feiner Strukturierung benötigen. Ein
weiteres Beispiel für
ein solches Sensorelement ist das Sensorelement eines Temperaturmessfühlers zum
Messen der Abgastemperatur.
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Das
in 8 in Explosionsdarstellung skizzierte Sensorelement
für einen
Partikelsensor, insbesondere Rußpartikelsensor,
weist einen keramischen Körper 10 auf,
der aus mehreren, vorzugsweise als Folien ausgebildeten, keramischen
Schichten zusammenlaminiert und gesintert ist. Im keramischen Körper 10 sind
zwei Funktionsschichten 11, 12 eingebettet. Die
eine Funktionsschicht 11 ist ein Heizelement einer Widerstandsheizvorrichtung
und die Funktionsschicht 12 stellt das Messelement für den Partikelsensor
dar. Jede Funktionsschicht 11, 12 ist auf einem
Substrat aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt, das von einer plattenförmigen Trägerschicht 13 bzw. 14 aus
hochisolierendem Werkstoff gebildet ist. Für beide Trägerschichten 13, 14 werden vorzugsweise
keramische Folien aus Aluminiumoxid (Al2O3) verwendet. Zur Implementierung der Funktionsschicht 11 ist
auf der Trägerschicht 13 eine
mäanderförmig verlaufende
Leiterbahn aus Widerstandsmaterial, der sog. Heizmäander 15,
aufgebracht. Anfangs- und Endpunkt des Heizmäanders 15 sind über auf
der Trägerschicht 13 angeordnete
Anschlussbahnen 16, 17 mit Kontaktpunkten 18, 19 verbunden, über die
die Stromzuführung
zum Heizmäander 15 erfolgt.
Die Funktionsschicht 11 ist von einer Isolierschicht 20,
die z.B. wiederum eine Folie aus Aluminiumoxid sein kann, abgedeckt.
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Die
auf der Trägerschicht 14 angeordnete Funktionsschicht 12 weist
zwei sog. interdigitale Kammelektroden 21, 22 auf,
die so angeordnet sind, dass die von ihren Kammrücken 211, 221 rechtwinklig
abstehenden, langgestreckten, dünnen
Kammzähne 212, 222 ineinander
so verzahnt sind, dass sie voneinander beabstandet parallel zueinander
verlaufen und verschiedenen Kammelektroden 21, 22 angehörige Kammzähne 212, 222 einander
benachbart sind. Eine vergrößerte Darstellung
der Kammelektroden 21, 22 findet sich in 6.
Jede Kammelektrode 21, 22 ist über eine Anschlussbahn 23, 24,
die ebenfalls auf der Oberfläche
der Trägerschicht 14 verlaufen,
mit Kontaktflächen 25, 26 (5)
verbunden. Die Kontaktflächen 25, 26 sind
mittels Anschlussleitungen an einer außerhalb des Sensorelements
liegende Auswerteelektronik anschließbar. Die Funktionsschicht 12 ist
teilweise von einer Isolierschicht 27 abgedeckt, wobei
die Isolierschicht 27 so ausgeführt ist, dass sie nur den Bereich
der Trägerschicht 14 überdeckt,
in welchem die Anschlussbahnen 23, 24 verlaufen,
wobei die Kontaktflächen 25, 26 ausgespart
bleiben. Die mit den Funktionsschichten 11, 12 belegten
Trägerschichten 13, 14 und
die Isolierschichten 20, 27 sind in der in 8 skizzierten
Reihenfolge aufeinander gelegt und durch Sintern zusammenlaminiert.
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Der
Heizmäander 15 der
Funktionsschicht 11, einschließlich der Anschlussbahnen 16, 17 und Kontaktpunkte 18, 19 wird
im Siebdruckverfahren mittels einer Paste aus elektrisch leitendem
Werkstoff, z.B. Platin, auf die Trägerschicht 13 aufgedruckt.
Im Siebdruckverfahren können
dabei je nach Auslegung des Heizmäanders 15 beliebige
Breiten der mäanderförmig verlegten
Leiterbahn gedruckt werden. Die Leiterbahnbreite des Heizmäanders 15 liegt
aber deutlich höher
als eine im Siebdruckverfahren noch herstellbare minimale Breite,
die etwa 80 μm
beträgt.
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Bei
der Herstellung der interdigitalen Kammelektroden 21, 22 der
Funktionsschicht 12 werden in Einzelfällen Breiten der Kammzähne 212, 222 gefordert,
die deutlich kleiner sind als 80 μm
und mit dem herkömmlichen
Siebdruckverfahren nicht unmittelbar auf die Trägerschicht 14 aufgedruckt
werden können.
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Um
mit den vorhandenen bekannten Verfahren, z.B. Siebdruckverfahren,
mit denen eine minimale Aufbringbreite, z.B. Druckbreite, nicht
unterschritten werden kann, in der Funktionsschicht 12 dennoch Leiterbahnen 37 (4)
zu realisieren, deren Breite unterhalb der minimalen Aufbringbreite
liegen, wird die Funktionsschicht 12 nicht wie bisher direkt
auf das Substrat, hier die Trägerschicht 14,
aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt, sondern aus einem Schichtverbund 30 (1 und 2)
durch senkrecht zur Schichtebene erfolgende Vereinzelung gewonnen
und erst dann auf das Substrat, hier die Trägerschicht 14, z.B.
durch Auflaminieren, aufgebracht. Die Vereinzelung der Funktionsschicht 12 wird
durch Schneiden des Schichtverbunds 30 in Mikrotontechnik
herbeigeführt.
Alternativ kann die Vereinzelung auch durch Abstempeln erfolgen.
Die vereinzelte Funktionsschicht 12 wird mit der Schnittebene
auf das Substrat, hier die Trägerschicht 14,
aufgelegt und mit diesem durch Laminiertechnik verbunden (4).
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Wie
in 1 skizziert ist, wird zur Herstellung des Schichtverbunds 30 auf
Schichten 31 aus Isolationsmaterial, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, einseitig
ein Film 32 aus elektrisch leitendem Material vollflächig aufgetragen,
vorzugsweise aufgedruckt. Der Film 32 wird dabei mit einer
Filmdicke b aufgetragen, die der gewünschten Breite b von strukturierten Leiterbahnen 37 (4)
in der Funktionsschicht 12, im Ausführungsbeispiel der Breite der
Kammzähne 212, 222,
entspricht. Mit den herkömmlichen
Verfahren, insbesondere dem Siebdruckverfahren, lässt sich
dabei eine minimale Filmdicke b bis in den Bereich von 7 μm–25 μm herstellen.
Die Schichten 31 mit aufgetragenem Film 32 werden
zum Schichtverbund 30 so aufeinandergelegt, dass jeweils
die filmlose Schichtseite der folgenden Schicht 31 auf
den Film 32 der vorhergehenden Schicht aufliegt. Auf dem
Film 32 der obersten Schicht 31 wird noch eine weitere
Schicht 31 aus Isoliermaterial aufgelegt. Alle im Schichtverbund 30 aufeinanderliegende
Schichten 31 werden miteinander verbunden, z.B. durch Kleben
oder Laminieren. Die Dicke a der Schichten 31 wird entsprechend
dem gewünschten
Abstand der Leiterbahnen 37 in der Funktionsschicht 12,
der im Ausführungsbeispiel
dem Abstand zwischen jeweils einem Kammzahn 212 und einen
Kammzahn 222, entspricht, bemessen. Der so hergestellte
Schichtverbund 30 wird gemäß 2 senkrecht
zur Schichtebene geschnitten, wie dies durch Pfeil 33 in 2 symbolisiert
ist. Die senkrecht zur Schnittebene vorgenommene Trennung des Schichtverbunds 30 kann aber
auch parallel zur Längskante
des Schichtverbunds 30 erfolgen, so dass dann der die Schnittebene
mit Schnittrichtung charakterisierende Pfeil 33 in 2 um
90° um die
Hochachse zu drehen wäre. Der
Abstand, in dem in 2 hintereinanderliegenden Trennschnitte
in den Schichtverbund 30 eingebracht werden, bestimmt die
Dicke d der Funktionsschicht 14 (3 und 4).
Diese Dicke d der Funktionsschicht 12 wird zwischen 10 μm–100 μm bemessen.
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In 3 ist
ausschnittweise eine durch Vereinzeln aus dem Schichtverbund 30 gewonnen
Funktionsschicht 12 stark vergrößert dargestellt. Diese Funktionsschicht 12 wird
nun mit ihrer Trennebene auf das Substrat, im Ausführungsbeispiel
auf die Trägerschicht 14,
aufgesetzt und mit dieser, z.B. durch Kleben oder durch Laminieren,
verbunden. Wie aus 4 ersichtlich ist, entstehen
aus den einzelnen Filmen 31 elektrische Leiterbahnen 37 mit
der Bahnbreite b, dem Leiterbahnabstand a und der Dicke oder der
Auftragshöhe
d. Der so gewonnene, fein strukturierte Bereich der Funktionsschicht 12 wird nunmehr
mit einem Anschlussbahnen-Layout 34, das
auf die Oberfläche
des Substrats, also der Trägerschicht 14,
aufgedruckt wird, vervollständigt.
Das Aufdrucken des Anschlussbahnen-Layouts 34 erfolgt in
herkömmlicher
Siebdrucktechnik mit einer gegenüber
der Breite b der Leiterbahnen 37 sehr viel größeren Druckbreite.
Wie 5 und 6 zeigen, umfasst das Anschlussbahnen-Layout 34 die
beiden Kammrücken 211 und 221 der
Kammelektroden 21, 22 sowie die Anschlussbahnen 23, 24 und
die Kontaktflächen 25, 26.
Durch das Aufdrucken der Kammrücken 211, 221 entstehen
aus den Leiterbahnen 37 (4) die feinstrukturierten
Kammzähne 212, 222 der
Kammelektroden 21, 22. Das so endgefertigte Substrat,
also die Trägerschicht 14,
mit Kammelektroden 21, 22, Anschlussbahnen 23, 24 und
Kontaktflächen 25, 26 wird
anschließend
einem Sinterprozess unterzogen.
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In 7 ist
in Draufsicht eine modifizierte Funktionsschicht 12' dargestellt,
die wiederum auf einem Substrat oder der Trägerschicht 14 angeordnet ist.
Diese Funktionsschicht 12' unterscheidet
sich von der Funktionsschicht 12 in 5, 6 und 8 insoweit,
als nach Erreichen der in 4 skizzierten
Verfahrensstufe ein anderes Anschlussbahnen-Layout 34' auf das Substrat
bzw. die Trägerschicht 14 aufgedruckt
worden ist. Dieses Anschlussbahnen-Layout 34' enthält neben den beiden Anschlussbahnen 23' und 24', die in gleicher
Weise wie in 5 zu auf der Trägerschicht 14 angeordneten Kontaktflächen (hier
nicht dargestellt) führen,
Verbindungsstege 35 und 36, die die Leiterbahnen 37 wechselweise
an deren Ende miteinander verbinden, so dass die Leiterbahnen 37 zu
einem fein strukturierten Mäander 38 aneinandergesetzt
sind. Ein eine solche Funktionsschicht 12' aufweisendes Sensorelement wird
in einem Temperatursensor zur Messung der Abgastemperatur von Brennkraftmaschinen
verwendet.
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Der
in 8 dargestellte, vorzugsweise aus Platin bestehende
Heizmäander 15 der
Funktionsschicht 11 im Rußpartikelsensor kann aus Gründen einer
besseren Heizenergieverteilung und Einsparung von teuerem Platinmaterial
ebenso wie die Kammelektroden 21, 22 in sog. Fineline-Struktur
hergestellt werden. Das Aussehen eines solchen Heizmäanders ist
identisch dem in 7 dargestellten Mäander einer
Temperatursonde. Die Herstellung erfolgt in der gleichen Weise wie
vorstehend beschrieben.