DE102007038680A1

DE102007038680A1 - Rußsensor mit glatter, reiner Al2O3-Oberfläche

Info

Publication number: DE102007038680A1
Application number: DE102007038680A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dr. Wienand; Karlheinz Dr. Ullrich
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Heraeus Nexensos GmbH
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2009021734A1

Abstract

Zur Herstellung eines Rußsensorchips, bei dem eine Leiterbahnstruktur auf einem elektrisch isoierenden Untergrund aufgetragen wird, wird erfindungsgemäß der elektrisch isolierende Untergrund durch Entfernen von Bindemittel, insbesondere SiO2, von der Oberfläche eines Aluminiumoxid-Substrats oder durch Auftragen von Aluminiumoxid ohne Bindemittelzusatz auf die Oberfläche des Substrats erzeugt. Ein erfindungsgemäßer Rußsensorchip weist eine Leiterbahnstruktur auf Saphier auf oder eine Al2O3-Oberfläche, die ohne SiO2-Zusatz aufgetragen oder gesintert ist oder in einer Reinheit von 99,99 Gew.-% aufgetragen oder gesintert ist oder eine gegenüber einer Brennhaut verringerte Oberflächenrauheit aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rußsensor, der die Verrußung von Abgasen ausgesetzten Gegenständen, wie z. B. dem Rußfilter, anzeigt.
Problematisch hierbei ist es, den Rußauftrag eines durch Ruß belasteten Gegenstandes aus dem Rußauftrag eines Chips herzuleiten. Um den Rußauftrag auf einem Chip festzuhalten, wurde gemäß DE 101 33 384 A1 ein Sensor bereitgestellt, bei dem Messelektroden mit einer Fanghülse überdeckt sind. Nach DE 103 31 838 B3 wird die Rauhigkeit der Oberfläche eines Sensorchips erhöht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Zuverlässigkeit der Rußmessung zu erhöhen, insbesondere reversible Ergebnisse über die Lebensdauer eines Fahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine zu gewährleisten.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß die Adsorption von Ruß auf einer Chipoberfläche erhöht, damit einmal auf der Oberfläche adsorbierter Ruß nicht vom Abgasstrom wieder mitgerissen wird. Erfindungsgemäß wird hierzu eine Chipoberfläche geschaffen, die frei von Bindemittel ist, welches bei der Herstellung der keramischen Substrate angewendet wird, insbesondere frei von SiO₂. Erfindungsgemäß kann daher zum einen die Brennhaut des Chipsubstrates entfernt werden, insbesondere weggeätzt werden. Alternativ oder in Kombination kann das Substrat mit einer bindemittelfreien Schicht aus Aluminiumoxid beschichtet werden, insbesondere in Dünnschichttechnik. Weiterhin ist insbesondere gemeinsam mit den beiden vorhergehenden Schritten erfindungsgemäß die Herstellung einer sehr glatten Aluminiumoxid-Oberfläche zur Verbesserung der Adsorptionskräfte hilfreich.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Um die Adsorption von Ruß auf der Chipoberfläche zu verbessern wird die Oberfläche eines Chips gemäß DE 103 31 838 rauer gestaltet, dagegen erfindungsgemäß glatter.
Kommerzielle Keramiksubstrate für die Halbleiter-Chipindustrie enthalten eine siliziumhaltige Brennhaut aus dem Herstellungsprozess mit einer Oberflächenrauhigkeit R_a > 500, R_q > 600, W_a > 200, W_q > 300 und TIR > 4000. Die Rauheitswerte R_a und R_q sind die arithmetische und geometrische Durchschnittsabweichung des Mittelwertes. Die Welligkeiten W_a und W_q sind die arithmetische und geometrische Abweichung der Ebenheit [Waviness average (W_a), Root-Mean-Square-Waviness (W_q)]. Die Differenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Punkt innerhalb einer Oberfläche wird mit TIR (Total Indicator Runout) bezeichnet. Erfindungsgemäß beträgt W_a < 200 oder W_q < 300 oder TIR < 3500. Vorzugsweise sind R_a < 500 und R_q < 600, insbesondere R_a 400–450 und R_q 500–550. Insbesondere liegt W_a zwischen 100 und 180 und W_q zwischen 150 und 250. TIR liegt vorzugsweise zwischen 2000 und 3000. Erfindungsgemäß wird die Absorption von Ruß auf der Keramik verbessert, wenn das Silizium aus der Oberfläche entfernt wird oder mit keramischem Material beschichtet wird. Insbesondere erfolgt die keramische Beschichtung in Dünnschichttechnik oder weist vorzugsweise eine Oberflächenrauhigkeit R_a < 450, R_q < 550, W_a < 180, W_q < 230 und TIR < 3000 auf. Insbesondere liegt W_a zwischen 150 und 170, Wq zwischen 200 und 230. TIR liegt vorzugsweise zwischen 2500 und 2800.
Eine besonders glatte, SiO₂-freie Oberfläche wird durch Saphir bereitgestellt. Saphirplättchen sind deshalb besonders geeignete Substrate für den Leiterbahnenauftrag ohne Vorbehandlungsschritte.
Vorzugsweise wird die Messelektrodenstruktur 2 bis 20 μm, insbesondere 5 bis 15 μm dick auf dem Substrat auf der vorbehandelten, insbesondere geglätteten Oberfläche des Substrates angeordnet. Hierzu ermöglicht ein Auftrag in Siebdrucktechnik den Erhalt der geglätteten Oberfläche. Alternativ wird eine Metallpaste aufgetragen, die mit Laserschnitten strukturiert, insbesondere mäandriert wird, so dass eine besonders große Anzahl von Elektrodenpaaren mit reproduzierbarer Messgenauigkeit entsteht. Die Elektrodenbreite beträgt vorzugsweise 20 bis 150 μm, insbesondere 50 bis 100 μm. Das Verhältnis der Elektrodenbreite und des aus dem mäanderförmigen Schnitt resultierenden Elektrodenabstands liegt typischerweise zwischen 4:3 und 4:1, insbesondere zwischen 3:2 und 3:1.
Der mäanderförmige Laserschnitt erreicht pro 10 mm² Substratoberfläche 5 eine Länge von 50 bis 100 mm. Die Substratoberfläche 5 beträgt vorzugsweise 10 bis 100 mm², insbesondere 20 bis 30 mm².
Vorzugsweise wird auf der Rückseite des Substrats ein Heizleiterchip mit einem in Dünnschichttechnik hergestelltem Heizleiter, insbesondere aus Platin oder Platinlegierung angeordnet, bevor das Substrat auf der Vorderseite geätzt und beschichtet wird. Die rückseitige Anordnung des Heizleiters ermöglicht eine maximale Ausnutzung der Vorderseite für die Messstruktur, insbesondere einen interdigitalen Kondensator (IDK) aus Platin.
Zur Anordnung des Heizleiters auf dem Substrat hat es sich bewährt, einen in Dünnschichttechnik erstellten Heizleiterchip rückseitig auf dem Substrat zu verglasen, bevor die Oberfläche der Vorderseite durch Ätzen und/oder Beschichten siliziumfrei bereitgestellt wird. Für die praktische Anwendung heißt siliziumfrei, dass das Silizium der Brennhaut, insbesondere der Oberfläche der Brennhaut um mindestens eine Größenordnung, insbesondere zwei Größenordnungen reduziert wird oder die Verringerung des Siliziums in der Oberfläche durch Beschichtung erfolgt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen verdeutlicht.
1 zeigt einen Aufbau eines Partikelsensors in Explosionsdarstellung. Das Substrat 1 ist ein 25 mm² starkes Plättchen aus Aluminiumoxiddünnfilmkeramik mit einer Oberflächenrauhigkeit, dessen Elektrodenseite vor dem Auftragen der Elektrodenstruktur in einem ersten Vorbehandlungsschritt in einem Trockenätzprozess ungefähr 2 μm tief angeätzt wird, um die Brennhaut mit einer Oberflächenrauheit R_a = 529, R_q = 678, W_a = 249, W_q = 332 und TIR = 4262 zu entfernen und auf die in einem zweiten Vorbehandlungsschritt durch Dünnfilmbedampfung eine ungefähr 0,2 μm dicke Schicht 5 mit einer Oberflächenrauheit R_a = 440, R_q = 537, W_a = 165, W_q = 216 und TIR = 2673 aus Aluminiumoxid aufgedampft wird. Diese glatte siliziumfreie Schicht 5 bildet die Grundlage für die aufzunehmenden Rußpartikel, die für die Rußbestimmung mit dem Messwiderstand maßgeblich sind. Als Messelektrodenstruktur 7 wird auf der vorbehandelten Oberfläche des Substrates eine Platin- oder Platinlegierungspaste gedruckt und bei ungefähr 1200°C eingebrannt. Die auf diese Weise erzeugte Platindickschicht 6 wird mit einem mäander förmigen 25 μm breiten Laserschnitt in zwei ineinandergreifende 60 μm breite kammförmig ineinandergreifende Elektroden 7 gemäß 2 strukturiert. Der mäanderförmige Laserschnitt ist ungefähr 42 × 4 mm lang.
Auf der Rückseite des Substrats wird ein in Dünnschichttechnik hergestellter Heizleiterchip aus einem Platin-Dünnfilmheizer 2 mit Anschlussfeldern (Pads) 4 auf passivierender Basis 3 angeordnet, bevor das Substrat 1 auf der Vorderseite geätzt und mit einer Al₂O₃ Dünnschicht 5 beschichtet wird. Die rückseitige Anordnung des Heizleiters 2 ermöglicht eine maximale Ausnutzung der Vorderseite für die als Pt-IDK erstellte Messstruktur. Hierzu wird der in Dünnschichttechnik hergestellte Heizleiterchip rückseitig auf dem Substrat verglast, bevor die Oberfläche der Vorderseite durch Ätzen der Brennhaut und Aufdampfen von Al₂O₃ praktisch siliziumfrei bereitgestellt wird.

1: Substrat Al₂O₃
2: Dünnfilmheizer auf Substratunterseite mit und
3: Passivierung und
4: Anschlusspads
5: Aufgedampfte, Ruß anziehende Dünnfilmschicht
6: Pt-Dickschicht, hochtemperatureingebrannt
7: Pt-Dickschicht, flächig laserstrukturiert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10133384 A1 [0002]
- DE 10331838 B3 [0002]
- DE 10331838 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rußsensorchips, bei dem eine Leiterbahnstruktur auf einem elektrisch isolierenden Untergrund aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende Untergrund durch Entfernen von Bindemittel, insbesondere SiO₂, von der Oberfläche eines Aluminiumoxid-Substrats oder durch Auftragen von Aluminiumoxid ohne Bindemittelzusatz auf die Oberfläche eines Substrats erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das SiO₂ aus der Oberfläche des Substrats geätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche des Substrats Aluminiumoxid in Dünnschichttechnik aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminiumoxid auf die Oberfläche des Substrats gesputtert oder gedampft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats oder des elektrisch isolierenden Untergrundes geglättet wird.
Rußsensorchip, mit einer Leiterbahnstruktur auf Saphir oder einer Al₂O₃-Oberfläche, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ohne SiO₂-Zusatz aufgetragen oder gesintert ist oder in einer Reinheit von 99,99 Gew.-% aufgetragen oder gesintert ist oder eine gegenüber einer Brennhaut verringerte Oberflächenrauheit aufweist.
Rußsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Al₂O₃-Oberfläche in Dünnschichttechnik auf einem Keramiksubstrat aufgetragen ist.
Rußsensorchip nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußsensorchip eine offene IDK-Struktur und eine abgedeckte Heizstruktur aufweist.
Verfahren zur Rußmessung, bei dem Ruß auf einer Al₂O₃-Oberfläche adsorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorption von Ruß auf Al₂O₃ durch eine hohe Reinheit des Al₂O₃ verbessert wird oder durch eine glatte Oberfläche oder durch eine Maßnahme, gemäß der die Oberfläche in ihrem SiO₂-Gehalt gegenüber der Oberfläche des gesinterten Substratmaterials reduziert ist, insbesondere um wenigstens eine Größenordnung.