DE19624720A1 - Montagegerechte Sensoranordnungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft oberflächenmontierbare Sensoren.

Bekannt sind SMD-Substrate aus Keramik, die einen weiten Verbreitungsgrad aufweisen [J. Hacke. Montage integrierter Schaltungen. Springer-Verlag], [W. Göpel. Semiconductor Integrated Circuit Technology and Micromachining], [D. Sauter, H. Weinert (Hrsg.) Lexikon Elektronik und Mikroelektronik. VDI-Verlag].

Bekannt sind aber auch SMD-Substrate aus Polymeren, die überall dort, wo hermetische Kapselung und Temperaturstabilität nicht im Vordergrund stehen, eingesetzt werden.

Es kommen nur Typen mit unterschiedlich geformten Anschlußbeinchen vor. Ein Bauele­ mentechip wird hineinkontaktiert oder durch einen Kunststoff umschlossen.

Für die Oberflächenmontage ist umweltbedenkliches eutektisches Lot eingesetzt [elektronik industrie 4/1996, S. 52-57]. Es hat nur die Aufgabe der Verbindungsherstellung.

SMD-Bauteile sind für sehr viele elektrische Bauelemente wie Widerstände, Halbleiter, Heißleiter, Kondensatoren, Spulen, Übertrager, Dioden, Transistoren, Integrierte Schalt­ kreise bekannt.

Für Sensoren kommt diese Technik nur bei optoelektronischen Bauelementen wie Fotodioden und LED oder bei nichtlinearen Temperaturwiderständen zur Anwendung. Bei ersteren wird das sensorische Chip auf einen Keramikträger leitend geklebt und metallische Kontakte gebondet. Von der Oberseite des Keramikträgers gehen an den Seitenflächen metallisch leitende Verbindungen zur Unterseite herunter, um die Oberflächenmontage zu bewerkstelligen [Firmenschrift HED. Shortform SMD. CERLED®].

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Anordnungen für Sensoren zu finden, daß sowohl die Oberflächenmontage möglich als auch die sensorische Funktion verbessert, zumindest aber nicht erheblich gestört ist sowie eine geringe Umweltbelastung erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Träger aus Keramik und/oder Polymer innerhalb des Trägers organische Polymerbahnen von der Oberseite zur Unter­ seite aufweist und/oder diese Bahnen durch Isolation geschützt oder nicht geschützt am Rand des Trägers verlaufen sowie es Stellen gibt, an denen diese Bahnen in Sacklöcher oder durchende Löcher, die geschlossen oder nicht geschlossen sind, führen und daß diese Bahnen ,Schichten zwischen und auf diesen Bahnen sowie durchgehende oder Sacklöcher sensitiv sind und/oder mit sensitiven Materialien verfüllt oder beschichtet sind.

Die organisch leitenden Bahnen werden durch Verfüllen oder Beschichten von Löchern mit geeigneten Polymeren z. B. Kapton^TM, E. I. Dupont oder Polybenzimidazole (PBI) und anschließender Bestrahlung mit einem Laser leitend gemacht. Eine solche Umwandlungs­ technik ist beispielsweise beschrieben in der Arbeit [H. M. Phillips, R. A. Sauerbrey. Eximer-Laser - produced nanostructures in polymers. Optical Engineering Vol. 32 (1993), 10, S. 2424-2436].

Andere Verfahren sind ebenfalls möglich. Entscheidend ist, daß das Polymer örtlich selektiv als leitendes Polymer vorliegt oder gleich ein leitendes Polymer eingefüllt oder beschichtet wird. Angaben dazu werden z. B. gemacht in [K. Deuchert, S. Hüttig. Mehrstufige orga­ nische Redoxsysteme - ein allgemeines Strukturprinzip. Angew. Chemie 90 (1978), S. 927- 938], [Ch. B. Duke, H. W. Gibson. Polymers, conductive. Encyclopedia of chemical technology Vol. 18 (1982)], John Wileg & Sons Inc., S. 755-793].

Die leitenden Bahnen werden anschließend mit sensitiven Schichten versehen und/oder mit Materialien verfüllt, die sensitiv sind.

Vorteilhaft ist es, auf der Oberseite des Trägers ein Polymer aufzubringen, dessen Wider­ stand von der Gaskonzentration verändert wird. Er wird durch die leitenden Bahnen von der Oberseite zur Unterseite komtaktiert und eine Oberflächenmontage von unten ermöglicht. Notwendig kann es sein, die leitenden Bahnen auf der Oberseite so zu strukturieren, daß der Widerstand akzeptable Werte für die nachfolgenden elektronischen Schaltungen aufweist. Aggressive Gase können damit von den Kontaktstellen auf der Unterseite erleichtert ferngehalten werden.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung ist die Beschichtung mit elektrochemischem Elektrodenmaterial. Dabei ist wichtig, daß nur dieses Elektrodenmaterial mit der zu messenden Flüssigkeit in Berührung kommt und nicht die leitenden Bahnen, da deren elektrochemisches Potential das zu messende Potential verfälschen würde. Durch die leitenden Bahnen im Träger wird diese Aufgabe vorteilhaft gelöst, indem das elektro­ chemische Potential an der Oberseite erfaßt wird und die Kontaktierung räumlich getrennt an der Unterseite für die weitere Verarbeitung in elektronischen Schaltungen erfolgt.

Werden fotoempfindliche Schichten oder Materialien auf der Oberseite in den Löchern mit den leitenden Bahnen aufgebracht, so kann für jedes lichtempfindliche Dot eine Zweier­ anordnung der leitenden Bahnen nötig werden. Dazu werden die Löcher ineinander verschachtelt und ergeben dadurch zwei elektrisch getrennte leitende Bahnen.

In Ausgestaltung der Erfindung bestehen die organisch leitenden Bahnen selbst aus sensitivem Material. Damit wird zusätzlich oder auch allein die Vertikale als Ebene der Wechselwirkung eines zu messenden Parameters dazugewonnen.

Die Erfindung wird an Beispielen erläutert. Dazu dienen die folgenden Figuren:

Fig. 1 zeigt ein SMD-Träger mit inneren geschützten leitenden Bahnen und leitende Bahnen am Rand des Trägers.

Fig. 2 zeigt die Ausgestaltung als SMD-Gaspolymer-Sensor.

Fig. 3 zeigt die Ausgestaltung als SMD-Ionenelektrode.

Fig. 4 zeigt einen durch Heizung gesteuerten SMD-Sensor.

Fig. 5 zeigt den Einsatz von Sacklöchern als Depots.

Fig. 6 zeigt einen SMD-Dreifach-Gassensor.

Fig. 7 zeigt einen SMD-Dreifach-Ionensensor.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung für Multiionen-SMD-Sensoren.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung für Multiopto-SMD-Sensoren.

Fig. 10 zeigt eine Anordnung für Multithermo-SMD-Sensoren.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung für Multigas-SMD-Sensoren.

In Fig. 1 ist das Prinzip der geschützten inneren leitenden organischen Bahnen (1) gezeigt. Durch den Verlauf und im Inneren der Träger ist ausreichend Schutz und vor allen Dingen auch die Separation der Meßaufgabe von der Kontaktierungsaufgabe gegeben. Diese Trennung ist bei sensitiven Aufgaben durchaus wesentlich für die einwandfreie Funktion bei der SMD-Ausführung von Sensoren.

Fig. 2 zeigt einen SMD-Gaspolymer-Sensor, der an der Oberseite eine Elektrodenstruktur (2) zur Messung des Widerstandes mittels einer Vierpunktmethode einer Schicht aus Poly[2,5]-methylfurylen[1]-hydroxylethylen (PFHE), die durch Gase wie Ethanol, Methanol, Propanol verändert wird. An den Seiten sind leitende Bahnen (3) zur Herabführung der Kontaktierung von der Oberseite (4) auf die Unterseite (5) angebracht.

In Fig. 3 ist das Problem der elektrochemischen Elektroden demonstriert. Eine lateral aufgebrachte Schicht von Silberchlorid (6) ist einer Ionenkonzentration ausgesetzt. Die leitenden Bahnen von der Oberseite zur Unterseite müssen gegen diese isoliert sein (7). Vorteilhaft geschieht dies durch Verlauf im Inneren des Trägers oder eine Isolation. Werden vier solcher Bahnen benutzt, ergibt sich eine erhöhte Sicherheit der Kontaktierung.

In Fig. 4 ist eine Sensor-Aktor-Anordnung gezeigt, hier als als Heizung (8) und einer gasempfindlichen Zinndioxidschicht (9). In Fig. 5 ist zusätzlich demonstriert, wie Sacklöcher als Depots für Sensormaterialien genutzt werden können.

Fig. 6 und 7 demonstrieren Prinziplösungen für 3-fach Gassensoren und 3-fach Ionensensoren. Dabei sind 3 verschiedene gasempfindliche Polymere (10) oder 3-fach elektro­ chemische Elektrodenmaterialien (11) mit einer Referenzelektrode (12) eingesetzt. Wichtig ist auch hier die Entkopplung der Aufgaben der Oberseite als Erfassungsstelle für sensitive Parameter und der Unterseite als Kontaktierungsstelle für die SMD-Technik.

Fig. 8 bis 11 zeigen SMD-Sensoranordnungen im Querschnitt für Multiionen-, Multiopto-, Multithermo- und Multigassensoren. Durch das vielfache Einbringen der organischen, vor allen Dingen inneren leitenden Bahnen wird auch die Option der Redundanz und der Statistik möglich. So ist bei der Parallelschaltung von leitenden Bahnen an eine sensitive Schicht auf der Oberseite vorrangig eine Redundanz bei der Kontaktsicherheit vorhanden, während die Aufteilung der sensitiven Schicht auf der Oberseite in viele einzelne Teil­ schichten mit Kontaktierung durch je eine leitende Bahn für die Ermittlung statistischer Maßzahlen günstig ist. Hervorzuheben ist die Bildung der leitenden Bahnen durch viele einzelne dünne organisch leitende Polymerfäden. Ihr Durchmesser ist bis herunter in den Nanometerbereich realisierbar, wie die Arbeit von [Phillips und Sauerbrey] zeigt.

Fig. 8 zeigt eine für unterschiedliche Ionen geeignete aufgeteilte elektrochemische Elektrode z. B. aus Silberchlorid (13), Silbersulfid (14), Fluorid (15), Platin (16). Statistisch beliebig verteilte leitende Bahnen (1) führen von der Oberseite zur Unterseite (5) und kontaktieren die elektrochemischen Elektroden von unten ohne mit den zu messenden Ionen in Berührung zu kommen.

In Fig. 9 sind leitende Bahnen (1) direkt unter fotoempfindliche Gebiete (17) angeordnet, die die einzelnen fotoempfindlichen Gebiete kontaktieren und mit der Unterseite verbinden. Die Gegenelektrode für die fotoempfindlichen Gebiete ist hier als lichtdurchlässige anorganisch oder organisch leitende Schicht (18) über allen fotoempfindlichen Gebieten geführt.

Fig. 10 enthält auf der Oberseite thermisch empfindliche polymere Widerstände (19), die durch bündelförmig angeordnete leitende Bahnen (1) in der Nähe der Enden dieser Wider­ stände statistisch verteilt kontaktiert werden.

Fig. 11 enthält auf der Oberseite unterschiedlich auf Gase reagierende Polymere wie z. B. Poly[2,5]-furylenvinylen (20), thexyldimethylsilysierte Cellulose (21), trimethylsilysierte Cellu­ lose (22) und wie in Fig. 10 angeordnete leitende Bahnen (1).

Letztlich muß noch betont werden, daß eine Kopplung unterschiedlicher sensitiver Schich­ ten oder Sensorchips auf der Oberseite ebenfalls vorteilhaft möglich ist, in dem die Kontak­ tierung sich gegenseitig nicht stört oder mit den zu messenden Parametern in Berührung kommt.

Claims (7)

1. Bauelementeträger aus Keramik- und/oder Polymermaterialien für die vorzugsweise Verwendung in sensorischen Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß er organische Polymerbahnen von der Oberseite zur Unterseite aufweist und/oder diese Bahnen durch Isolation geschützt oder nicht geschützt am Rand des Trägers verlaufen sowie es Stellen gibt, an denen diese Bahnen in Sacklöcher oder durchgehende Löcher, die geschlossen oder nicht geschlossen sind, führen und daß diese Bahnen, Schichten zwischen und auf diesen Bahnen sowie durchgehende oder Sacklöcher sensitiv sind und/oder mit sensitiven Materialien verfüllt oder beschichtet sind.

2. Bauelementeträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen vielfach und/oder beliebig geometrisch verteilt von der Oberseite zur Unterseite geführt werden.

3. Bauelementeträger nach den Ansprüchen 1, und 2 dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite eine oder viele gasempfindliche Polymerschichten von unten her durch die leitenden Bahnen kontaktiert sind.

4. Bauelementeträger nach den Ansprüchen 1, und 2 dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite eine oder viele elektrochemische Elektrodenschichten von unten her durch die leitenden Bahnen kontaktiert sind.

5. Bauelementeträger nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite eine oder viele fotoempfindliche Schichten von unten her durch die leitenden Bahnen kontaktiert sind und daß einige Bahnen hohl oder lichtleitend sind.

6. Bauelementeträger nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite eine oder viele thermisch empfindliche Schichten von unten her durch die leitenden Bahnen kontaktiert sind.

7. Bauelementeträger nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter­ schiedliche chemisch, biologisch und/oder physikalisch ansprechende Schichten oder Sensorchips auf der Oberseite aufgebracht sind.