DE102015204311A1

DE102015204311A1 - Herstellungsverfahren für einen Gassensor und entsprechender Gassensor

Info

Publication number: DE102015204311A1
Application number: DE102015204311.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krauss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-09-15
Also published as: CN107407652A; KR20170125957A; KR102411956B1; WO2016142080A1; TW201632877A; US20180031507A1; US10591433B2; CN107407652B

Abstract

Gassensor, mit: einem Substrat (7); einer beheizbaren Membran (8), ausgebildet auf einer Substratvorderseite (16) des Substrat (7); mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103), angeordnet auf einer Membranoberfläche (13) der Membran (8); einer ersten Beschichtung (4), ausgebildet auf einem Gebiet der Membranoberfläche (13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die erste Beschichtung (4) kontaktieren; einer zweiten Beschichtung (5), ausgebildet auf der ersten Beschichtung (4) und einem Gebiet der Membranoberfläche (13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die zweite Beschichtung (5) kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung (5) kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung (4) kontaktieren, verschieden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Gassensor und einen entsprechenden Gassensor.
Stand der Technik
Gassensoren spielen eine bedeutende Rolle in der Sicherheitstechnik, beispielsweise zur Erkennung von Kohlenstoffmonoxidgas, Kohlenwasserstoffen oder Stickstoffoxiden, bei der Messung der Emission von Kraftfahrzeugen oder bei der Überwachung der Luftgüte von Gebäuden.
Aus der EP 1192452 B1 ist ein chemischer Sensor bekannt, der aus einem Substrat besteht, auf dem ein Heizkörper aufgebracht ist, auf welchem wiederum eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist. Auf der Isolationsschicht befinden sich ein Sensorelement aus Metalloxid, an welches über Leiterbahnen ein elektrisches Signal gesendet werden kann, sowie eine Metalloxidschicht.
Derart aus tropf- oder dispensfähigen Materialien oder aus Materialien für Dickschichtprozesse hergestellte Gassensoren haben den Vorteil einer hohen Reproduzierbarkeit gegenüber den Materialien aus vielen Dünnschichtprozessen oder aus Nanopartikel-Tinten hergestellten Sensoren. Um mehrere kontaktierbare Metalloxidschichten aus Tropf- oder Dickschichtprozessen zu erhalten, müssen diese jedoch nebeneinander angebracht werden, wodurch die Miniaturisierung der Gassensoren nicht möglich ist oder eingeschränkt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Demgemäß ist ein Gassensor vorgesehen, mit: einem Substrat; einer beheizbaren Membran, ausgebildet auf einer Substratvorderseite des Substrats; mindestens drei Elektroden, angeordnet auf einer Membranoberfläche der Membran; einer ersten Beschichtung, ausgebildet auf einem Gebiet der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die erste Beschichtung kontaktieren; einer zweiten Beschichtung, ausgebildet zumindest teilweise auf der ersten Beschichtung und einem Gebiet der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die zweite Beschichtung kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung kontaktieren, verschieden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Herstellungsverfahren für einen Gassensor vorgesehen, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats; Ausbilden einer heizbaren Membran auf einer Substratvorderseite des Substrats; Ausbilden von mindestens drei Elektroden auf einer Membranoberfläche der Membran; Ausbilden einer ersten Beschichtung auf der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die erste Beschichtung kontaktieren; Ausbilden einer zweite Beschichtung zumindest teilweise auf der ersten Beschichtung und einem Gebiet der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die zweite Beschichtung kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung kontaktieren, verschieden ist; und Ausbilden einer Ausnehmung an einer Substratrückseite, wodurch ein Teil der Membran, auf welchem die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung ausgebildet sind, freigestellt wird.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Gassensor bereit, welcher zwei übereinander liegende Beschichtungen aufweist. Sowohl die erste Beschichtung als auch die zweite Beschichtung werden hierbei von Elektroden kontaktiert, so dass beide Beschichtungen jeweils für sich als Sensorschichten fungieren können.
Es ist daher ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen Gassensor mit mehreren Schichten bereitzustellen, wobei die Schichten individuell ansteuerbar sind, wodurch die Größe des Sensors kleingehalten wird. Grundsätzlich kann die Anordnung für Materialien aus allen Abscheideprozessen verwendet werden, gegebenenfalls auch für eine Kombination aus Dünn- und Dickschichtprozessen.
Dadurch, dass die zweite Beschichtung über der ersten Beschichtung liegt, ist der Platzverbrauch geringer als bei nebeneinander angeordneten Sensorschichten. Zur Herstellung des Gassensors kann dadurch auf kostengünstige Dickschicht- und Mehrschichtverfahren, z.B. Tropf- und Dispensverfahren, zurückgegriffen werden. Gleichzeitig weist die vorliegende Erfindung den Vorteil einer Miniaturisierungsmöglichkeit auf, so dass mehrere elektrisch aktive Schichten auf kleinem Raum angeordnet werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist mindestens eine der ersten Beschichtung und der zweiten Beschichtung eine Metalloxidbeschichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist mindestens eine weitere Beschichtung auf der zweiten Beschichtung und einem Gebiet der Membranoberfläche ausgebildet, wobei jede der mindestens einen weiteren Beschichtung von mindestens zwei der mindestens drei Elektroden kontaktiert wird, wobei jeweils mindestens eine dieser mindestens zwei Elektroden keine weitere Beschichtung kontaktiert. Dies hat den Vorteil, dass mehrere Beschichtungen übereinander angeordnet werden können, wodurch der Platzverbrauch des Gassensors klein gehalten werden kann und trotzdem sämtliche Beschichtungen individuell elektrisch messbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist die zweite Beschichtung als Filter oder als Katalysator verwendbar. Der Filter oder Katalysator dient für die darunterliegende erste Beschichtung. Zusätzlich können eine oder mehrere Abdeckschichten aufgebracht werden, was auch als Imprägnierung erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors sind die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung kreisförmig ausgebildet, wobei die zweite Beschichtung die erste Beschichtung vollständig überdeckt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist ein erstes Elektrodenende einer ersten Elektrode der mindestens drei Elektroden kreisscheibenförmig ausgebildet und die Elektrodenenden der von der ersten Elektrode verschiedenen Elektroden der mindestens drei Elektroden sind kreissegmentförmig um das erste Elektrodenende der ersten Elektrode angeordnet, wobei die kreissegmentförmigen Elektrodenenden der von der ersten Elektrode verschiedenen Elektroden konstante Abstände von dem ersten Ende der ersten Elektrode haben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist ein erstes Ende einer ersten Elektrode der mindestens drei Elektroden kreisscheibenförmig ausgebildet und die Enden der von der ersten Elektrode verschiedenen Elektroden der mindestens drei Elektroden sind kreissegmentförmig um das erste Ende der ersten Elektrode angeordnet, wobei die kreissegmentförmigen Enden der von der ersten Elektrode verschiedenen Elektroden konstante Abstände von dem ersten Ende der ersten Elektrode haben. Dies hat den Vorteil, dass alle Elektroden einen möglichst gleichmäßigen Abstand voneinander haben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist mindestens eine der ersten Beschichtung und der zweiten Beschichtung eine Metalloxidbeschichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird vor dem Ausbilden der ersten Beschichtung ein Bereich der Membranoberfläche gezielt vorbehandelt. So kann z.B. der Bereich außerhalb eines zwischen einer ersten Elektrode der mindestens drei Elektroden und einer zweiten Elektrode der mindestens drei Elektroden befindlichen Bereichs mit einem hydrophoben Material, etwa einer Silanisierung, beschichtet werden. Dies hat den Vorteil, dass sich beim Ausbilden der ersten Beschichtung die erste Beschichtung nur auf dem Gebiet verteilt, welches nicht mit dem hydrophoben Material beschichtet wurde. Dadurch ist eine gezieltere Aufbringung der ersten Beschichtung möglich. Insbesondere sind auch beliebige Formen der ersten Beschichtung möglich. Es können umgekehrt auch Bereiche beschichtungsaffin vorbehandelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird vor dem Ausbilden der ersten Beschichtung ein Bereich der Membranoberfläche zwischen einer ersten Elektrode der mindestens drei Elektroden und einer zweiten Elektrode der mindestens drei Elektroden mit einer Oberflächenstruktur versehen. Dies hat den Vorteil, dass sich beim Ausbilden der ersten Beschichtung nur auf dem Bereich der Membranoberfläche verteilt, welche mit einer Oberflächenstruktur verstehen wurde. Zusätzlich kann sich die Hafteigenschaft der ersten Beschichtung verbessern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1a eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
1b eine schematische Draufsicht auf Elektroden eines Gassensors gemäß der ersten Ausführungsformen der Erfindung;
2a eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
2b eine schematische Draufsicht auf Elektroden eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4, 5 schematische Draufsichten auf Elektroden eines Gassensors gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung; und
6 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für einen Gassensor.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1a zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung weist ein Substrat 7, beispielsweise ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, auf. Auf einer Substratvorderseite 16 des Substrats 7 befindet sich eine erste Membranschicht 8-1, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Dielektrikum. Auf der ersten Membranschicht 8-1 ist eine Heizstruktur 6 ausgebildet, welche aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Auf der Heizstruktur 6 und der ersten Membranschicht 8-1 ist eine zweite Membranschicht 8-2, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Dielektrikum, ausgebildet. Die erste Membranschicht 8-1, die zweite Membranschicht 8-2 und die Heizstruktur 6 bilden eine Membran 8 mit einer Membranoberfläche 13. Das Substrat 7 weist auf der Substratrückseite 15 eine Ausnehmung 14 auf, wodurch ein Teil der Membran 8 von der Rückseite her von einem Material des Substrats freigestellt ist. Die Heizstruktur 6 ist mit einer (nicht gezeigten) Stromquelle verbunden, und ist zum Heizen eines Teils der Membran 8 auf Temperaturen von beispielsweise 300°C ausgebildet.
Auf einem Teil der Membranoberfläche 13, an welchem die Membran 8 freigestellt ist, sind eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2 und eine dritte Elektrode 3 ausgebildet. Die Anordnung der Elektroden wird mit Bezug auf 1b im Folgenden näher erläutert. 1b zeigt eine schematische Draufsicht auf die Membranoberfläche 13, wobei 1a einer Querschnittsansicht entlang der in 1b gezeigten Achse 9 entspricht. Die erste Elektrode 1 weist einen linienförmigen ersten Elektrodenabschnitt 1-1 mit einer ersten Elektrodenbreite B1 und ein kreisscheibenförmiges erstes Elektrodenende 1-2 mit einem Radius r auf. Die zweite Elektrode 2 mit einer zweiten Elektrodenbreite B2 weist einen linienförmigen zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 parallel zum ersten Elektrodenabschnitt 1-1 auf, an welchen sich ein um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnetes kreissegmentförmiges zweites Elektrodenende 2-2 anschließt. Das zweite Elektrodenende 2-2 weist hierbei einen konstanten ersten Abstand d1 vom ersten Elektrodenende 1-2 auf. Eine dritte Elektrode 3 mit einer dritten Elektrodenbreite B3 weist einen linienförmigen dritten Elektrodenabschnitt 3-1 parallel zum ersten Elektrodenabschnitt 1-1 auf, an welchen sich ein um das zweite Elektrodenende 2-2 angeordnetes kreissegmentförmiges drittes Elektrodenende 3-2 anschließt. Das dritte Elektrodenende 3-2 weist hierbei einen zweiten Abstand d2 zum zweiten Elektrodenende 2-2 auf.
Der erste Abstand d1 kann hierbei gleich groß sein wie der zweite Abstand d2 sein und die erste Elektrodenbreite B1 kann gleich groß sein wie die zweite Elektrodenbreite B2 und/oder die dritte Elektrodenbreite B3, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Insbesondere kann die zweite Elektrodenbreite B2 breiter sein als die erste Elektrodenbreite B1 und die dritte Elektrodenbreite B3.
Die überstrichenen Winkel des kreissegmentförmigen ersten Elektrodenendes 1-2, des kreissegmentförmigen zweiten Elektrodenendes 2-2 und des kreissegmentförmigen dritten Elektrodenendes 3-2 sind dabei vorzugsweise größer als 180°, jedoch so gewählt, dass sich die erste Elektrode 1, die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 3 nicht kontaktieren, sondern durch ein Material der Membran 8 elektrisch voneinander isoliert sind.
Der Wert 2·(r + d1 + B2 + d2 + B3) des Gesamtdurchmessers des Gassensors liegt beispielsweise im Bereich von 50 bis 200 Mikrometern, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 150 Mikrometern.
Wie in 1b gezeigt, ist mit Bezug zur Achse 9 der dritte Elektrodenabschnitt 3-1 links dem ersten Elektrodenabschnitt 1-1 und der erste Elektrodenabschnitt 1-1 links neben dem zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 angeordnet, woraus folgt, dass das zweite Elektrodenende 2-2 vom zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 aus gegen den Urzeigersinn um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet ist, und das dritte Elektrodenende 3-2 vom dritten Elektrodenabschnitt 3-1 aus im Urzeigersinn um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Insbesondere kann sich auch der dritte Elektrodenabschnitt 3-1 mit Bezug zur Achse 9 links neben dem zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 und der zweite Elektrodenabschnitt 2-1 links neben dem ersten Elektrodenabschnitt 1-1 befinden, sodass sowohl das zweite Elektrodenende 2-2 als auch das dritte Elektrodenende 3-2 im Uhrzeigersinn um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet sind.
Darüber hinaus weist der in 1a gezeigte Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine erste Beschichtung 4 auf, welche auf der Membranoberfläche 13 ausgebildet ist. Die erste Beschichtung 4 ist hierbei kreisförmig ausgebildet, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + d1 und kleiner als der Wert r + d1 + B2, so dass die erste Beschichtung 4 das erste Elektrodenende 1-2 überdeckt und das zweite Elektrodenende 2-2 berührt aber nicht vollständig überdeckt. Vorzugsweise wird die Breite B2 der zweiten Elektrode 2 dafür ausreichend groß genug gewählt. Die Dicke der ersten Beschichtung 4 ist typischerweise im Zentrum am größten und nimmt radial ab.
Der Gassensor ist dazu ausgebildet, dass durch Anschließen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten) Messgeräts ein Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des ersten Elektrodenendes 1-2 und einem inneren Rand des zweiten Elektrodenendes 2-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der ersten Beschichtung 4 messbar ist. Der Widerstand des über dem ersten Elektrodenende 1-2 befindlichen Teils der ersten Beschichtung 4, welcher typischerweise die höchste Dicke aufweist, ist hierbei nicht messbar. Der Gassensor ist dazu ausgebildet, Gase, beispielsweise Kohlenstoffmonoxidgas, Kohlenwasserstoffe oder Stickstoffoxide zu detektieren, wobei in Anwesenheit von Gasen eine Widerstandsänderung messbar ist, wobei ein Teil der Membran 8 dazu zweckmäßigerweise mit Hilfe der Heizstruktur 6 auf eine Temperatur von beispielsweise 300 °C aufgeheizt werden kann.
Die erste Beschichtung 4 kann hierbei beispielsweise aus einer Metalloxidpaste bestehen, welche meist nasschemisch etwa aus Zinnoxid SnO₂ Nanopartikeln mit einer Edelmetalldotierung und stabilisierenden Zusätzen aus weiteren Oxiden, z.B. Aluminiumoxid Al₂O₃, hergestellt wird. Die Grundschritte der Herstellung der Metalloxidpaste sind hierbei eine Fällungsreaktion für das Grundmaterial und für nachfolgende Imprägnierungen sowie Mahlschritte, z.B. in Kugelmühlen. Die als Pulver vorliegenden Materialien werden anschließend mit Hilfe von beispielsweise polaren Lösungsmitteln und weiteren Mahlschritten auf Walzenmühlen zu höherviskosen und dispensbaren Pasten weiterverarbeitet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, insbesondere kann die erste Beschichtung 4 auch auf Kupferoxid CuO und/oder Indiumoxid und/oder Nickeloxid und/oder Kobaltoxid und/oder Zinkoxid basieren.
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform weist darüber hinaus eine zweite Beschichtung 5 auf der ersten Beschichtung 4 und einem kreisringförmigen Gebiet um die erste Beschichtung 4 auf der Membranoberfläche 13 auf, welche kreisförmig angeordnet ist, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + d1 + B2 + d2, so dass die zweite Beschichtung 5 das zweite Elektrodenende 2-2 und das dritte Elektrodenende 3-2 berührt. Die Dicke der zweiten Beschichtung 5 ist typischerweise im Zentrum am größten und nimmt radial ab.
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform ist dazu ausgebildet, dass durch Anschließen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten) Messgeräts ein Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des zweiten Elektrodenendes 2-2 und einem inneren Rand des dritten Elektrodenendes 3-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der zweiten Beschichtung 5 messbar ist.
Die zweite Beschichtung 5 kann hierbei beispielsweise aus einer nasschemisch hergestellten Metalloxidpaste basierend auf den oben genannten Materialien bestehen. Das Material der zweiten Beschichtung 5 kann hierbei von dem Material der ersten Beschichtung 4 verschieden sein. Insbesondere kann die zweite Beschichtung 5 als Filter und/oder als Katalysator für die Schicht 4 ausgebildet sein.
Alternativ kann beispielsweise der oberflächennahe Teil der zweiten Beschichtung 5 durch eine Imprägnierung mit einer Filter- oder Katalysatorfunktion versehen werden.
2a zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist hierbei eine Weiterentwicklung der ersten Ausführungsform, so dass die vorher beschriebenen Elemente nicht erneut beschrieben werden. Zusätzlich ist eine vierte Elektrode 11 mit einer vierten Elektrodenbreite B4 auf der Membranoberfläche 13 ausgebildet. Wie in 2b gezeigt, weist die vierte Elektrode 11 einen linienförmigen vierten Elektrodenabschnitt 11-1 auf, welcher sich mit Bezug zur Achse 9 rechts vom zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 und parallel zum zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 befindet, an welchen sich ein um das dritte Elektrodenende 3-2 angeordnetes kreissegmentförmiges viertes Elektrodenende 11-2 anschließt. Das vierte Elektrodenende 11-2 weist hierbei einen konstanten dritten Abstand d3 vom dritten Elektrodenende 3-2 auf. Der dritte Abstand d1 kann hierbei gleich groß wie der zweite Abstand d2 und/oder der dritte Abstand d3 sein und die vierte Elektrodenbreite B4 kann gleich groß sein wie die erste Elektrodenbreite B1, die zweite Elektrodenbreite B2 und/oder die dritte Elektrodenbreite B3, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die zweite Beschichtung 5 kreisförmig angeordnet, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + d1 + B2 + d2 und kleiner als r + d1 + B2 + d2 + B3, so dass die zweite Beschichtung 5 das zweite Elektrodenende 2-2 und das dritte Elektrodenende 3-2 berührt aber nicht vollständig überdeckt. Der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform weist darüber hinaus, wie in 2a gezeigt, eine dritte Beschichtung 17 auf der zweiten Beschichtung 5 und einem kreisringförmigen Gebiet um die zweite Beschichtung 5 auf der Membranoberfläche 13 auf, welche kreisförmig angeordnet ist, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + d1 + B2 + d2 + B3 + d3, so dass die dritte Beschichtung 17 das dritte Elektrodenende 3-2 und das vierte Elektrodenende 11-2 berührt.
Der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform ist dazu ausgebildet, dass durch Anschließen der dritten Elektrode 3 und der vierten Elektrode 11 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten) Messgeräts ein Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des dritten Elektrodenendes 3-2 und einem inneren Rand des vierten Elektrodenendes 11-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der dritten Beschichtung 17 messbar ist.
Die dritte Beschichtung 17 kann hierbei beispielsweise aus einer nasschemisch hergestellten Metalloxidpaste basierend auf Zinnoxid SnO₂, Kupferoxid CuO und/oder Aluminiumoxid Al₂O₃ bestehen. Das Material der dritten Beschichtung 17 kann hierbei von dem Material der ersten Beschichtung 4 und dem Material der zweiten Beschichtung 5 verschieden sein. Insbesondere kann die dritte Beschichtung 17 als Filter und/oder als Katalysator ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf zwei oder drei Beschichtungen beschränkt, insbesondere können mehr als drei Beschichtungen auf der Membranoberfläche 13 ausgebildet werden, wobei jede Beschichtung von mindestens zwei Elektroden kontaktiert wird.
Desweitern ist die vorliegende Erfindung nicht auf kreisförmige Beschichtungen beschränkt, sondern die Beschichtungen können insbesondere auch quadratisch, oval oder unregelmäßig ausgebildet sein.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau des Gassensors entspricht der zweiten Ausführungsform, insbesondere weist der Gassensor vier Elektroden, wie in 2b gezeigt, auf. Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform fehlt die dritte Beschichtung 17 in der dritten Ausführungsform. Des Weiteren unterscheiden sich die Ausmaße der ersten Beschichtung 4 und der zweiten Beschichtung 5 von der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform. Gemäß der dritten Ausführungsform ist die erste Beschichtung 4 kreisförmig ausgebildet, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + d1 + B2 und kleiner als der Wert r + d1 + B2 + d2, so dass die erste Beschichtung 4 das erste Elektrodenende 1-2 und das zweite Elektrodenende 2-2 vollständig überdeckt. Des Weiteren ist die zweite Beschichtung 5 kreisförmig ausgebildet, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + d1 + B2 + d2 + B3 + d3, sodass die zweite Beschichtung 5 das dritte Elektrodenende 3-2 überdeckt und das vierte Elektrodenende 4-2 berührt.
Der Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform ist dazu ausgebildet, dass durch Anschließen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten) ersten Messgeräts ein erster Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des ersten Elektrodenendes 1-2 und einem inneren Rand des zweiten Elektrodenendes 2-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der ersten Beschichtung 4 messbar ist. Zusätzlich ist durch Anschließen der dritten Elektrode 3 und der vierten Elektrode 11 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten) möglicherweise vom ersten Messgerät verschiedenen zweiten Messgeräts ein zweiter Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des dritten Elektrodenendes 3-2 und einem inneren Rand des vierten Elektrodenendes 11-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der zweiten Beschichtung 5 messbar. Erfindungsgemäß ist der Gassensor so ausgebildet, dass der erste Widerstand und der zweite Widerstand gleichzeitig gemessen werden können.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung der Elektroden gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der einzige Unterschied zur ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in der Anordnung der zweiten Elektrode 202. An einen linienförmigen zweiten Elektrodenabschnitt 202-1 schließt sich ein zweite Elektrodenende 202-2 an, welches wellenlinienförmig entlang eines Kreissegments um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet ist. Hierbei variiert ein Abstand des zweiten Elektrodenendes 202-2 vom ersten Elektrodenende 1-2 periodisch zwischen einem minimalen Abstand d_min und einem maximalen Abstand d_max um einen mittleren Abstand mit dem Wert d11 – ½ B2, wobei d11 ein vorgegebener Wert ist. Das dritte Elektrodenende 3-2 weist hierbei einen konstanten Abstand mit dem Wert d11 + d22 vom ersten Elektrodenende 1-2 auf, wobei d22 ein vorgegebener Wert ist. Hierbei ist der minimale Abstand d_min kleiner als der maximale Abstand d_max und der maximale Abstand d_max ist kleiner als der Wert d11 + d22.
Auch wenn die erste Beschichtung 4 nicht exakt kreisförmig ausgebildet ist, sondern beispielsweise oval oder unregelmäßig ausgebildet ist, wird gemäß der vierten Ausführungsform sowohl die erste Beschichtung 4 von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 kontaktiert als auch die zweite Beschichtung 5 von der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3 kontaktiert.
Die Form des zweiten Elektrodenabschnitts 2-2 ist nicht auf die Wellenform beschränkt, insbesondere kann der zweite Elektrodenabschnitt 2-2 auch zickzackförmig oder mit rechteckigen Ausbuchtungen entlang eines Kreissegments um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet sein.
5 zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung der Elektroden gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nur in der Anordnung der ersten Elektrode 1, der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3. Gemäß der fünften Ausführungsform weist eine erste Elektrode 101 einen linienförmigen ersten Elektrodenabschnitt 101-1 mit einer ersten Elektrodenbreite B1 und ein kreisscheibenförmiges erstes Elektrodenende 101-2 mit einem Radius r auf. Die zweite Elektrode 102 mit einer zweiten Elektrodenbreite B2 weist einen linienförmigen zweiten Elektrodenabschnitt 102-1 parallel zum ersten Elektrodenabschnitt 101-1 auf, an welchen sich ein um das erste Elektrodenende 101-2 angeordnetes kreissegmentförmiges zweites Elektrodenende 102-2 anschließt. Das zweite Elektrodenende 102-2 weist hierbei einen konstanten ersten Abstand d1 vom ersten Elektrodenende 101-2 auf. Eine dritte Elektrode 3 mit einer dritten Elektrodenbreite B3 weist einen linienförmigen dritten Elektrodenabschnitt 103-1 parallel zum ersten Elektrodenabschnitt 101-1 auf, an welchen sich ein um das zweite Elektrodenende 102-2 angeordnetes drittes Elektrodenende 103-2 anschließt. Das dritte Elektrodenende 103-2 weist hierbei einen zweiten Abstand d2 zum zweiten Elektrodenende 102-2 auf. Zusätzlich weist die erste Elektrode 101 eine Vielzahl von ersten Stegen 12-1 auf, welche in einer radialen Richtung des kreisscheibenförmigen ersten Elektrodenendes 101-2 an dem ersten Elektrodenende 101-2 angeordnet sind. Die zweite Elektrode 102 weist eine Vielzahl von zweiten Stegen 12-2 auf, welche in einer Richtung senkrecht zum zweiten Elektrodenende 102-2 an dem zweiten Elektrodenende 102-2 in Richtung des ersten Elektrodenendes 101-2 angeordnet sind. Die zweite Elektrode 102 weist eine Vielzahl von dritten Stegen 12-3 auf, welche in einer Richtung senkrecht zum zweiten Elektrodenende 102-2 an dem zweiten Elektrodenende 102-2 in Richtung des dritten Elektrodenendes 103-2 angeordnet sind. Die dritte Elektrode weist eine Vielzahl von vierten Stegen 12-4 auf, welche in einer Richtung senkrecht zum dritten Elektrodenende 103-2 an dem dritten Elektrodenende 103-2 in Richtung des zweiten Elektrodenendes 102-2 angeordnet sind. Die ersten Stege 12-1 und die zweiten Stege 12-2 haben eine Ausdehnung kleiner als ein Wert ½ d1 und die dritten Stegen 12-3 und die vierten Stege 12-4 haben eine Ausdehnung kleiner als ein Wert ½ d2. Die ersten bis vierten Stege 12-1 bis 12-4 können hierbei eine rechteckige, eine dreieckige oder eine unregelmäßige Grundfläche aufweisen. Die Erfindung ist nicht auf die vorliegende Form beschränkt, insbesondere können die ersten Stege 12-1 und die vierten Stege 12-4 fehlen.
Auch wenn die erste Beschichtung 4 nicht exakt kreisförmig ausgebildet ist, sondern beispielsweise oval oder unregelmäßig angeordnet ist, wird gemäß der fünften Ausführungsform sowohl die erste Beschichtung 4 von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 kontaktiert als auch die zweite Beschichtung 5 von der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3 kontaktiert.
6 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für einen Gassensor.
In einem ersten Schritt S1 wird auf einer Substratvorderseite 16 eines Substrats 7, beispielsweise eines Halbleitersubstrats, vorzugsweise eine Siliziumsubstrats, eine erste Membranschicht 8-1, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Dielektrikum, ausgebildet. Auf der ersten Membranschicht 8-1 wird eine Heizstruktur 6 ausgebildet, welche aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Auf der Heizstruktur 6 und der ersten Membranschicht 8-1 wird eine zweite Membranschicht 8-2, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Dielektrikum, ausgebildet. Die erste Membranschicht 8-1, die zweite Membranschicht 8-2 und die Heizstruktur 6 bilden eine Membran 8 mit einer Membranoberfläche 13.
In einem zweiten Schritt S2 werden auf der Membranoberfläche 13 eine erste Elektrode 1 mit einem ersten Elektrodenabschnitt 1-1 und einem ersten Elektrodenende 1-2, eine zweite Elektrode 2 mit einem zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 und einem zweiten Elektrodenende 2-2, sowie eine dritte Elektrode 3 mit einem dritten Elektrodenabschnitt 3-1 und einem dritten Elektrodenende 3-2 ausgebildet. Die Anordnung der Elektroden entspricht hierbei der in 1b gezeigten Anordnung und wird daher hier nicht wiederholt.
In einem dritten Schritt S3 wird eine erste Beschichtung 4 auf der Membranoberfläche 13 kreisförmig ausgebildet, mit einem Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + d1 und kleiner als r + d1 + B2, so dass die erste Beschichtung 4 das erste Elektrodenende 1-2 überdeckt und das zweite Elektrodenende 2-2 berührt aber nicht vollständig überdeckt. Die Ausbildung der ersten Beschichtung 4 kann hierbei beispielsweise durch ein Tropfverfahren oder ein Dispensverfahren erfolgen.
Die erste Beschichtung 4 kann hierbei beispielsweise aus einer nasschemisch hergestellten Metalloxidpaste, welche meist nasschemisch etwa aus Zinnoxid SnO₂ Nanopartikeln mit einer Edelmetalldotierung und stabilisierenden Zusätzen aus weiteren Oxiden, z.B. Aluminiumoxid Al₂O₃, hergestellt wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, insbesondere kann die erste Beschichtung 4 auch auf Kupferoxid CuO und/oder Indiumoxid und/oder Nickeloxid und/oder Kobaltoxid und/oder Zinkoxid basieren.
Nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 4 können bereits ein erster Trocknungsschritt und/oder ein Ausbrennschritt erfolgen. Nach dem Ausbrennschritt wird die ersten Beschichtung 4 fest und gassensitiv und weist hohe Porosität auf.
In einem vierten Schritt S4 wird eine zweite Beschichtung 5 auf der ersten Beschichtung 4 und einem kreisringförmigen Gebiet um die erste Beschichtung 4 auf der Membranoberfläche 13 kreisförmig ausgebildet, mit einem Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + d1 + B2 + d2, so dass die zweite Beschichtung 5 das zweite Elektrodenende 2-2 und das dritte Elektrodenende 3-2 berührt. Die Ausbildung der zweiten Beschichtung 5 kann hierbei beispielsweise durch ein Tropfverfahren oder ein Dispensverfahren erfolgen.
Nach dem Aufbringen der zweiten Beschichtung 5 kann entweder ein weiterer oder ein gemeinsamer Trocknungsschritt und/oder ein Ausbrennschritt für die Beschichtung 4 und 5 erfolgen. Nach dem Ausbrennschritt werden dann beide Beschichtungen 4 und 5 fest und gassensitiv und weisen eine hohe Porosität auf.
In einem fünften Schritt S5 wird auf einer Substratrückseite 15 des Substrats 7 eine Ausnehmung 14 gebildet, wodurch ein Teil der Membran 8, auf welchem die erste Beschichtung 4 und die zweite Beschichtung 5 ausgebildet sind, freigestellt wird. Die Ausnehmung 14 kann hierbei beispielsweise durch einen Ätzprozess, durch Fräsen oder mit Hilfe eines Lasers gebildet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Aufbringen der ersten Beschichtung in einem außerhalb des zweiten Elektrodenendes 2-2 befindlichen Bereich eine zusätzliche Beschichtung mit einem hydrophoben Material, beispielsweise eine Silanisierung, ausgebildet. Das Material der ersten Beschichtung 4 weist vorzugsweise ein Lösungsmittel, etwa einen polarer Polyalkohol auf. Beim Ausbilden der ersten Beschichtung 4 wird sich die erste Beschichtung 4 vorzugsweise nicht auf der zusätzlichen Beschichtung sondern in einem innerhalb des zweiten Elektrodenendes 2-2 befindlichen Bereich ablagern. Die zusätzliche Beschichtung sowie das im Material der ersten Beschichtung 4 enthaltene Lösungsmittel werden sich in einem weiteren Ausheizschritt unter Verwendung der Heizvorrichtung 6 verflüchtigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Aufbringen der ersten Beschichtung in einem zwischen dem ersten Elektrodenende 1-2 und dem zweiten Elektrodenende 2-2 befindlichen Bereich eine Oberflächenstrukturierung, beispielsweise durch einen Ätz- oder Abscheideprozess, ausgebildet. Beim Ausbilden der ersten Beschichtung 4 wird sich die erste Beschichtung 4 vorzugsweise auf der Oberflächenstrukturierung ablagern. Die Oberflächenstrukturierung kann sich auch auf das erste Elektrodenende 1-2 und das zweite Elektrodenende 2-2 selbst beziehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 4 und vor dem Aufbringen der zweiten Beschichtung 5 in einem außerhalb des dritten Elektrodenendes 3-2 befindlichen Bereich eine weitere zusätzliche Beschichtung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 4 und vor dem Aufbringen der zweiten Beschichtung 5 in einem zwischen dem zweiten Elektrodenende 2-2 und dem dritten Elektrodenende 3-2 befindlichen Bereich eine weitere Oberflächenstrukturierung ausgebildet.
Die Erfindung ist nicht auf die spezifischen Formen beschränkt. Insbesondere kann die Anordnung der ersten Elektrode 1, der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3 einer der in 2b, 4 oder 5 gezeigten Anordnungen entsprechen.
Weiter können noch weitere Beschichtungen ausgebildet werden, wobei vorzugsweise jede weitere Beschichtung von mindestens zwei Elektroden kontaktiert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1192452 B1 [0003]

Claims

Gassensor, mit einem Substrat (7); einer beheizbaren Membran (8), ausgebildet auf einer Substratvorderseite (16) des Substrat (7); mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103), angeordnet auf einer Membranoberfläche (13) der Membran (8); einer ersten Beschichtung (4), ausgebildet auf einem Gebiet der Membranoberfläche (13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die erste Beschichtung (4) kontaktieren; einer zweiten Beschichtung (5), zumindest teilweise ausgebildet auf der ersten Beschichtung (4) und einem Gebiet der Membranoberfläche (13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die zweite Beschichtung (5) kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung (5) kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung (4) kontaktieren, verschieden ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten Beschichtung (4) und der zweiten Beschichtung (5) eine Metalloxidbeschichtung ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei mindestens eine weitere Beschichtung auf der zweiten Beschichtung (5) und einem Gebiet des Membranoberfläche (13) ausgebildet ist, wobei jede der mindestens einen weiteren Beschichtung von mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) kontaktiert wird, wobei jeweils mindestens eine dieser mindestens zwei Elektroden keine weitere Beschichtung kontaktiert.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Beschichtung (5) als Filter oder als Katalysator verwendbar ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Beschichtung (4) und die zweite Beschichtung (5) kreisförmig ausgebildet sind, wobei die zweite Beschichtung (5) die erste Beschichtung (4) vollständig überdeckt.
Gassensor einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein erstes Elektrodenende (1-2) einer ersten Elektrode (1) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11) kreisscheibenförmig ausgebildet ist und die Elektrodenenden (2-2, 3-2; 11-2) der von der ersten Elektrode (1) verschiedenen Elektroden (2, 3; 11) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11) kreissegmentförmig um das erste Elektrodenende (1-2) der ersten Elektrode (1) angeordnet sind, wobei die kreissegmentförmigen Elektrodenenden (2-2, 3-2; 11-2) der von der ersten Elektrode (1) verschiedenen Elektroden (2, 3; 11) konstante Abstände (d1, d2; d3) von dem ersten Ende der ersten Elektrode (1; 101) haben.
Herstellungsverfahren für einen Gassensor, mit den Schritten: Ausbilden (S1) einer heizbaren Membran (8) auf einer Substratvorderseite (16) eines Substrats (7); Ausbilden (S2) von mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) auf einer Membranoberfläche (13) der Membran (8); Ausbilden (S3) einer ersten Beschichtung (4) auf der Membranoberfläche (13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die erste Beschichtung (4) kontaktieren; Ausbilden (S4) einer zweite Beschichtung (5) zumindest teilweise auf der ersten Beschichtung (4) und einem Gebiet der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die zweite Beschichtung (5) kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung (5) kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung (4) kontaktieren, verschieden ist; und Ausbilden (S5) einer Ausnehmung (14) an einer Substratrückseite (15), wodurch ein Teil der Membran (8), auf welchem die erste Beschichtung (4) und die zweite Beschichtung (5) ausgebildet sind, freigestellt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, wobei mindestens eine der ersten Beschichtung (4) und der zweiten Beschichtung (5) eine Metalloxidbeschichtung ist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei vor dem Ausbilden der ersten Beschichtung (4) ein Bereich der Membranoberfläche außerhalb eines zwischen einer ersten Elektrode (1; 101) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) und einer zweiten Elektrode (2; 102; 202; 302) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) befindlichen Bereichs mit einem hydrophoben Material, etwa einer Silanisierung, beschichtet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei vor dem Ausbilden der ersten Beschichtung (4) ein Bereich der Membranoberfläche zwischen einer ersten Elektrode (1; 101) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) und einer zweiten Elektrode (2; 102; 202; 302) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) mit einer Oberflächenstruktur versehen wird.