DE19606272C2 - Halbleiter-Gassensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Gassensor, bei dem auf einem Substrat eine laserstrukturierte Metallschicht aufgebracht ist, auf welcher sich eine sensitive Schicht in Form einer Metalloxidschicht und einer Heizung befindet, wobei die Metallschicht so strukturiert ist, daß mindestens zwei Elektroden in Form einer Interdigitalstruktur kammförmig ineinander greifen.

Im Stand der Technik sind Gas-Sensoren bekannt, die eine dünne Schicht eines halbleitenden Werkstoffes, insbesondere eines Metalloxides enthalten, welche auf einem isolierenden Substrat angeordnet ist. Der Werkstoff hat die Eigenschaft, daß sich sein elektrischer Widerstand bei Vorhandensein von bestimmten Gasen verändert.

Derartige Halbleiter-Sensoren sind im Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt.

In DE 31 39 617 A1 ist ein Halbleiter-Sensor beschrieben, der ein isolierendes Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete Widerstands-Heizbahn, eine Elektrode in der Nähe der Heizbahn und eine mittels Ionenplattierung erzeugte, wenigstens im Bereich zwischen der Elektrode und der Heizbahn angeordnete halbleitende Metalloxidschicht besitzt, deren spezifischer Widerstand der Konzentration des Gases proportional ist. Der Sensor ist dabei mit drei Elektroden, einer im wesentlichen U-förmigen auf dem Substrat angeordneten und mit zwei Elektroden verbundenen Widerstands-Heizbahn in einer ionenplattierten Schicht versehen. Die Oxidschicht wird dabei von beiden Elektroden kontaktiert, wobei eine der Elektroden als Streifenelektrode ausgebildet und eine weitere U-förmig gestaltet ist.

Halbleiter-Gassensoren benötigen zur Erzielung ihrer Gasempfindlichkeit eine erhöhte Arbeitstemperatur, die je nach der Bauart des Sensors, seiner chemischen Zusammensetzung und dem zu dedektierenden Medium zwischen 150°C und 400°C liegt.

Für die Gestaltung dieser Heizelemente sind verschiedene Ausführungen bekannt. Verwendet werden unter anderem Heizwendel, die meist aus Platindraht hergestellt sind um erforderliche Korrosionsfestigkeit zu gewährleisten.

Es sind auch Heizschichten aus Metallegierungen bekannt, die auf das Substrat aufgedampft werden.

In DE 30 19 387 C2 ist ein Halbleiter-Gassensor beschrieben, bei dem auf einem Siliziumsubstrat auf der Oberseite eine als Sensorschicht dienende Metalloxid-Halbleiterschicht aufgebracht ist, die über aufgedampfte Kontaktmetallstreifen aus Platin mit Anschlußdrähten verbunden ist. Auf der Unterseite des Substrates ist eine Heizschicht angebracht, die ebenfalls an beiden Seiten mit aufgedampften Kontaktmetallstreifen aus Platin versehen ist, an denen die Anschlußdrähte für die Heizschicht angeschlossen sind.

Nach DE 44 00 838 A1 und nach US 44 53 397 sind Gassensoren mit einem Substrat und darauf angeordneten Elektroden sowie Heizstrukturen bekannt.

Bei der in DE 44 00 838 A1 angegebenen Anordnung weist der Sensor zwei in Form einer Interdigitalstruktur kammförmig ineinander greifende Elektroden auf, wobei die Anschlüsse für die Elektroden und den Heizer sich an den Ecken des Substrates befinden.

Bei der in US 44 53 397 beschriebenen Sensoranordnung ist eine Heizungsanordnung vorgesehen, bei der die Elektroden im Außenbereich von einer Heizstruktur umfaßt werden.

Ferner ist nach DE 44 23 289 C1 ein Gassensor für reduzierende oder oxidierende Gase bekannt, der mehrere dünne gassensitive Felder aufweist, die auf einem Substrat angebracht sind.

Bei den bekannten Sensorsystemen, bei denen die Heizung des Sensor auf der einen Seite des Chips liegt und die Elektrodenstruktur zur Kontaktierung der Wirkschichten auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, ist nachteilig, daß sie zu ihrer Herstellung einen hohen Fertigungsaufwand erfordern.

Die Anordnungen, bei denen der Heizer des Sensors hufeisenförmig um die Elektrodenstruktur gelegt wurde, weisen den Nachteil auf, daß die Zuführungsdrähte an einer Seite liegen und damit eine freitragende Aufhängung des Chips sehr erschwert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Gassensor anzugeben, der eine freitragende Aufhängung des Sensors ermöglicht und der eine homogen Temperaturverteilung bei möglichst niedrigen Energieaufwand gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Halbleiter-Gassensors sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Gassensor wird es möglich, mit verhältnismäßig geringem Fertigungsaufwand eine oder mehrere Wirkschichten auf dem Substrat nebeneinander anzuordnen. Durch die Anordnung der Heizbahnen, die um die Interdigitalstruktur der Elektroden greiften, kann dabei erreicht werden, daß eine symmetrische Anordnung der Kontaktierungsdrähte möglich wird. Weiterhin ist es möglich, mehrere Elektrodenpaare anzuordnen. Durch die Gestaltung der kammartigen Interdigitalstruktur wird eine hohe Gleichmäßigkeit der Beheizung erreicht, wobei durch Unterteilung in einfacher Weise ermöglicht wird, die Temperatur in verschiedenen Bereichen auf dem Chip unterschiedlich zu steueren. Durch die Anordnung der Heizeinrichtung im äußeren Bereich, kann die Kontaktierung der Anschlußdrähte im Außenbereich der Gesamtanordnung erfolgen. Damit ergibt sich als wichtiger Vorteil in einfacher Weise die Möglichkeit einer freitragenden Anordnung, da die Anschlußdrähte an den vier Ecken des Chips angebracht werden können. Die durch die Interdigitalstruktur gegebene Optimierungsmöglichkeit der Elektrodenstruktur gestattet es, eine homogene Temperaturverteilung zu erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnen zeigen:

Fig. 1 die Gestaltung eines erfindungsgemäßen Gassensors mit vier Anschlußkontakten in den Ecken des Substrates;

Fig. 2 und Fig. 3 Ausführungsformen für mehrere Schichten und Mittelanschluß für die Heizung und

Fig. 4 eine Ausführung mit Abgleichmöglichkeit für den Heizwiderstand.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist auf dem Substrat eine Platinschicht aufgebracht, die durch Laserschnitte unterteilt wurde. Die Unterteilung ist dabei so erfolgt, daß sich Interdigitalstrukturen für die Elektroden ergeben, die an den Anschlüssen 4 und 5 mit Anschlußdrähten kontaktierbar sind. Der Anschluß für das Heizelement erfolgt über die Elektroden 1 und 2, wobei die Struktur so ausgeführt ist, daß das Heizband die Interdigitalstruktur der Elektroden umgreift.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der mehrere Anschlüsse 4, 5, 6, 7 für Wirkschichten angebracht sind. Im dargestellten Beispiel ist die Elektroden umfassende Heizschicht mit den Anschlüssen 1, 2 und 3 versehen. Der Anschluß 2 ist dabei als Mittelanschluß vorgesehen und ermöglicht damit die Erzeugung zweier unterschiedlicher Temperaturbereiche. Es ist hierbei auch möglich, eine mehrfache Unterteilung vorzusehen.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der mit vier Anschlußdrähten zwei Wirkschichtsysteme kontaktiert werden. Im dargestellten Beispiel gibt es einen gemeinsamen Masseanschluß, einen Anschluß für den Heizer R_H und zwei Anschlüsse für die Wirkschicht R_S1 und R_S2.

Fig. 4 erläutert eine Möglichkeit zum Abgleich des Heizwiderstandes. Hierzu wird der Nennwert des Heizwiderstandes in den Bereichen A, B und C so verändert, daß ein vorbestimmter Sollwert erreicht wird.

Claims (4)

1. Halbleiter-Gassensor, bei dem auf einem Substrat eine laserstrukturierte Metallschicht aufgebracht ist, auf welcher sich eine sensitive Schicht in Form einer Metalloxidschicht und einer Heizung befindet, wobei die Metallschicht so strukturiert ist, daß mindestens zwei Elektroden in Form einer Interdigitalstruktur kammförmig ineinander greifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Interdigitalstruktur im Außenbereich von einer als Heizung dienenden Struktur in Form eines Heizbandes so umfaßt wird, daß die Anschlüsse für die Elektroden und den Heizer jeweils an den vier Ecken des Substrates angeordnet sind.

2. Halbleiter-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinander mehrere Anordnungen auf einem Substrat angebracht sind.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung mit einem im äußeren Randbereich des Substrates angebrachten Mittelanschluß versehen ist.

4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand an mindestens zwei Stellen durch Laserschnitte abgleichbar ist.