DE102007039280A1

DE102007039280A1 - Elektronische Nase

Info

Publication number: DE102007039280A1
Application number: DE102007039280A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dr. Ullrich; Karlheinz Dr. Wienand
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Heraeus Nexensos GmbH
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2009-02-26
Also published as: ITRM20080464A1; JP2009047701A; US20090052152A1; SE0801802L; FR2920225A1; IT1391281B1

Abstract

Ein Hochtemperatur-Plattformchip weist erfindungsgemäß mindestens drei Elektroden auf einem als Heizplatte mit rückseitigem Heizleiter ausgebildeten, elektrisch isolierenden Substrat auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Plattformchip mit einer Vielzahl von Elektroden und einem daraus hergestellten Multimetalloxid-Sensor.
WO 03/087811 A1 offenbart Sensor Arrays zur simultanen Analyse zweier oder mehrerer Komponenten einer Mischung, insbesondere eines Verbrennungsgases. Hierzu werden verschiedene Elektroden mit verschiedenen sensitiven Materialien zu einem Array Chip beschichtet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Sensitivität und Messgenauigkeit derartiger Sensoren für den Hochtemperaturbereich zu verbessern.
Erfindungsgemäß wurde hierzu erkannt, dass die Reproduzierbarkeit durch eine rückseitige Beheizung des Chips verbessert wird. Zur weiteren Steigerung der Reproduzierbarkeit werden die Geometrie der Heizleiteranordnung sowie die Anordnung der sensitiven Schichten optimiert.
Die rückseitige Anordnung des Heizleiters auf dem Substrat bewirkt eine gleichmäßige Erwärmung der Vorderseite, auf der die sensitiven Elemente gleichmäßig erwärmt werden. Das Substrat dient als Heizplatte. Der damit ausgestattete Chip ist erfindungsgemäß ein Hochtemperaturchip, d. h. zur Anwendung von Temperaturen über 400°C, insbesondere 500°C bis 850°C und speziell zwischen 630°C und 750°C vorgesehen. Dabei handelt es sich um einen Plattformchip, d. h. der Chip ist eine Plattform zum Auftragen sensitiver Elemente, insbesondere Metalloxidsensoren.
Ein derartiger Hochtemperatur-Plattformchip weist erfindungsgemäß drei Elektroden auf einem als Heizplatte mit rückseitigem Heizleiter ausgebildeten, elektrisch isolierenden Substrat auf.
Der Heizleiter ist als Chip ausgebildet oder mit einer Passivierungsschicht abgedeckt, so dass er bei bestimmungsgemäßem Gebrauch vor der Atmosphäre geschützt ist.
Als Elektroden auf dem Substrat haben sich Platin- oder Platin-Rhodium-Elektroden bewährt.
Als Substrat haben sich Plättchen aus einem anorganischen Oxid, wie beispielsweise Al₂O₃ bewährt.
Der Heizleiter besteht vorzugsweise aus Platin oder Platin-Rhodium-Legierung. Die Elektroden sowie der Heizleiter sind in Dickschichttechnik herstellbar und vorzugsweise in Dünnschichttechnik hergestellt.
Ein zusätzlicher Temperatur-Messwiderstand ist vorzugsweise in Dünnschichttechnik hergestellt. Der Temperatur-Messwiderstand kann in einem Strukturierungsschritt zusammen mit den Elektroden hergestellt werden. Es hat sich auch bewährt, in Dünnschichttechnik erstellte Temperatur-Messwiderstands-Chips mit ihrer Leiterbahn auf dafür vorgesehene Anschlusskontaktfelder neben den Elektroden auf der Substratoberfläche zu befestigen.
Weiter bevorzugt wird die Temperaturdifferenz zwischen den Elektroden kleiner als 10°C, insbesondere kleiner als 5°C, gehalten, in dem die Elektroden auf Abschnitten des Substrats angeordnet werden, die beim Aufheizen mit dem Heizleiter auf 600°C bis 800°C annähernd gleiche Temperaturen aufweisen.
Aus dem Hochtemperatur-Plattformchip lässt sich durch Auftrag eines Metalloxidsensor-Arrays auf den Elektroden ein Metalloxidsensor-Array-Chip herstellen, bei dem analog zum Plattformchip die Metalloxidsensor-Array-Elemente so angeordnet sind, dass bei Aufheizen der Heizplatte mittels rückseitigem Heizleiter auf 600°C bis 800°C, insbesondere 630°C bis 750°C, die Temperaturdifferenz zwischen den Metalloxidsensor-Array-Elementen kleiner als 10°C, insbesondere kleiner als 5°C beträgt.
Die erfindungsgemäß minimierte Temperaturabgleichung optimiert die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit des Arrays.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen verdeutlicht.
1 zeigt eine Draufsicht auf die Sensorseite des Sensors;
2 zeigt die Sensorseite im Detail;
3 zeigt die Wärmeverteilung auf der Sensorseite;
4 zeigt die Schichten des Plattformchips in Explosionsdarstellung.
Der Sensor nach 1 bis 3 besteht aus einem Keramikstreifen 11, auf dem langgestreckte Leiterbahnen angeordnet sind. Die Leiterbahnen enden an der Anschlussseite des Sensors mit Verbreiterungen in Form von Anschlusskontaktfeldern (Pads). Im Bereich der Messspitze sind die Leiterbahnen zu Elektroden verbreitert. Der Chip ist als Plattformchip ausgebildet, dessen Elektroden 1 bis 8 für ein Beschichtungsarray vorgesehen sind, dessen Beschichtungen die Elektroden 1 bis 8 mit der Gegenelektrode 0 verbindet. Die Elektrode 9 ist für die Anordnung eines temperatursensitiven Dünnfilmchips vorgesehen, dessen Stromkreis ebenfalls über die Gegenelektrode 0 geschlossen wird. Das Muster aus Elektroden, Leiterbahnen und Pads wird durch Strukturieren einer metallischen Dünnschicht oder durch Siebdruck einer Metallpaste erzeugt.
3 zeigt die Wärmeverteilung auf der Elektrodenseite des Chips bei 640°C. Die Elektroden sind dabei auf dem Chip so angeordnet, dass die Elektrodenflächen eine möglichst geringe Temperaturdifferenz aufweisen.
Rückseitig weist der Chip im Bereich der Messspitze einen Heizleiter auf. Der Heizleiter ist für eine gleichmäßige Erwärmung des Chips ausgebildet. Nach 4 ist der Heizleiter als Keramikchip, insbesondere mit einer in Dünnschichttechnik aufgetragenen Leiterbahn ausgebildet oder rückseitig als Leiterbahn 12 auf dem Keramikstreifen aufgetragen und mit einer Passivierungsschicht 13 bedeckt.
Der Heizleiter 12 wird über Anschlusspads 14 elektrisch angeschlossen. Auf der Heizplatte, aus dem Keramikstreifen 11 mit Heizer wird eine Metallschicht 15 aufgetragen und zu dem Muster gemäß 1 bis 3 strukturiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 03/087811 A1 [0002]

Claims

Hochtemperatur-Plattformchip, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Elektroden des Plattformchips auf einem als Heizplatte mit rückseitigem Heizleiter ausgebildetem, elektrisch isolierenden Substrat angeordnet sind.
Plattformchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden so angeordnet sind, dass beim Aufheizen der Heizplatte mittels rückseitigem Heizer auf 600°C bis 800°C die Temperaturdifferenz zwischen den Elektroden kleiner als 10°C beträgt.
Hochtemperatur-Plattformchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattformchip einen Temperatur-Messwiderstand aufweist.
Hochtemperatur-Multi-Metalloxidsensor-Chip mit einer Multimetalloxidsensor-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip mindestens drei Elektroden auf einem als Heizplatte mit rückseitigem Heizleiter ausgebildeten, elektrisch isolierenden Substrat aufweist.
Multi- Metalloxidsensor-Chip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufheizen der Heizplatte mittels rückseitigem Heizleiter auf 700°C bis 800°C die Temperaturdifferenz zwischen den Metalloxidsensor-Schichten kleiner als 10°C beträgt.