DE19845112A1

DE19845112A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE19845112A1
Application number: DE1998145112
Authority: DE
Inventors: Maximilian Fleischer; Frank Daeche; Hans Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: DE19845112C2

Abstract

Es wird ein Gassensor mit einem Substrat, einem Heizelement (12) und einem gassensitiven halbleitenden Material (14) beschrieben, der sich auszeichnet durch eine Schichtstruktur, bei der sich zwischen einer ersten und einer zweiten Substratschicht (10, 11) das Heizelement (12) befindet und bei der auf eine freie Fläche zumindest einer der Schichten das gassensitive halbleitende Material (14) aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit einem Substrat, einem Heizelement und einem gassensitiven halbleitenden Material.

Gassensoren dieser Art sind insbesondere für einen miniatu risierten Substrataufbau geeignet und werden im allgemeinen bei hohen Temperaturen betrieben. Unter Anwendung des Funktionsprinzips von halbleitenden Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit eine unmittelbare Funktion der Konzentration eines zu detektierenden Gases ist, können kostengünstige Gassensoren realisiert werden, die zahlreiche Vorteile aufweisen. Die Sensoren sind im allgemeinen sehr einfach aufgebaut und robust und stellen mit der Ausgangsgröße Widerstand ein für eine kostengünstige Elektronik einfach zu verarbeitendes Signal zur Verfügung.

Ferner wurden in jüngster Zeit Materialien wie zum Beispiel n-halbleitendes Ga₂O₃ entwickelt, die bei Temperaturen zwi schen 500 und 1000°C betrieben werden können und gegenüber bisherigen Sensormaterialien, die bei tieferen Temperaturen angewendet werden, wesentlich verbesserte gassensitive Eigenschaften aufweisen.

Üblicherweise werden als Sensormaterialien halbleitende Me talloxide verwendet, die bei hohen Temperaturen betrieben werden. Durch den schichtweisen Aufbau der Sensormaterialien, die im allgemeinen in Dünn- oder Dickschichttechnik präpa riert werden, werden die gassensitiven Eigenschaften der Sensoren verbessert. Gleichzeitig ist eine kostengünstige Produktion der Sensoren möglich.

Voraussetzung hierfür ist, daß ein Trägermaterial geschaffen wird, das neben der Funktion als mechanischer Träger auch Meßelektroden zur Messung des elektrischen Widerstandes des Sensormaterials sowie Heizelemente zum Thermostatisieren des Sensormaterials auf konstanter hoher Temperatur aufweist. Um die Heizleistung begrenzen zu können, muß das Substrat mög lichst kleine Abmessungen haben.

Als Trägermaterial werden im allgemeinen keramische Substrate verwendet, auf die die Meßelektroden und die Heizungsstrukturen aufgebracht werden. Dabei besteht einerseits die Möglichkeit, diese Elemente auf eine Seite aufzubringen. Dies hat jedoch mehrere Nachteile, da der Flächenbedarf relativ hoch ist und somit eine große Substratoberfläche benötigt wird, für die eine relativ hohe Heizleistung erforderlich ist. In diesem Zusammenhang ist auch zu berücksichtigen, daß in der Technologie der Hochtemperatur-Gassensoren weder die Meßelektroden noch die Heizungsstrukturen beliebig klein skaliert werden können.

Andererseits besteht auch die Möglichkeit, zweiseitige Trä gersubstrate zu verwenden, bei denen auf einer Seite die Meß elektroden und auf der anderen Seite die Heizungsstrukturen angeordnet sind. Diese Sensorchips werden in entsprechenden Sockeln aufgehängt, wobei sie über ihre Anschlußdrähte befestigt sind.

Ein solcher bekannter Gassensor-Chip ist in den Fig. 8a, 8b gezeigt, bei dem sich gemäß Fig. 8a auf der Vorderseite eine Interdigitalelektrodenstruktur 13 mit Anschlüssen 13a, 13b zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit der darüber abgelagerten gassensitiven Schicht befindet. Auf der Rückseite sind gemäß Fig. 8b Heizungsstrukturen 12 in Form von Heizmäandern aus leitendem Material (zum Beispiel Platin) angeordnet, denen über Anschlüsse 12a, 12b ein Heizstrom zugeführt wird. Hierbei kann die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes der Leiterbahnstruktur auch zur Bestimmung der Chiptemperatur verwendet werden.

Dieser Gassensor weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Durch den Zweiseitenaufbau wird zwar eine relative kleine Sensorfläche erreicht, die zweiseitige Bearbeitung und das nicht unproblematische Bonden auf beiden Seiten stellt jedoch einen hohen Kostenfaktor bei der Herstellung der Sensoren dar. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Leiterbahnen dem Umgebungsgas ausgesetzt sind, wodurch es insbesondere bei einer bei hohen Temperaturen betriebenen Heizungsstruktur zu starken Alterungserscheinungen durch Materialsublimation sowie Materialabtrag durch die Bildung flüchtiger Oxide kommen kann. Zudem wird durch offenliegende, katalytisch aktive Leiterbahnen die Konzentration zu detektierender reduzierender Gase aufgrund deren katalytischer Verbrennung verfälscht. Daraus würde ein Fehler in der Anzeige des Sensors resultieren. Aus diesen Gründen sind zusätzliche Abdeckschichten zumindest auf der Heizungsstruktur vorzusehen, was zusätzliche Verarbeitungsschritte erfordert. Weiterhin hat sich in Ver suchen gezeigt, daß solche Abdeckschichten nur in einem begrenzten Temperaturbereich (bis maximal etwa 850°C) einsetzbar sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor mit einem Substrat, einem Heizelement und einem gassensitiven halbleitenden Material zu schaffen, der insbesondere für einen miniaturisierten Aufbau geeignet und wesentlich kostengünstiger herstellbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einem Gassensor der genannten Art, der sich durch folgende Merkmale auszeichnet: eine Schichtstruktur, bei der sich zwischen einer ersten und einer zweiten Substratschicht das Heizelement befindet und bei der auf eine freie Fläche zumindest einer der Schichten das gassensitive halbleitende Material aufgebracht ist.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt. Danach ist insbesondere die Schichtstruktur aus einem HTCC (High Temperature Cofired Ceramics)-Substrat gebildet. Dieses Substrat hat den besonderen Vorteil, daß das Heizelement vollständig von den Umgebungsgasen abgeschirmt und passiviert wird. Außerdem wird mit diesem Substrat eine hohe Temperaturstabilität auch bei höchsten Temperaturen gewährleistet.

Das Heizelement ist insbesondere eine mäanderförmige Leitungsstruktur, mit der über die gesamte Fläche eine gleichmäßige Wärmeverteilung erzielbar ist.

Zwischen dem gassensitiven Material und der freien Fläche des Substrates befindet sich vorzugsweise eine Meßelektrodenstruktur zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Materials.

Zwischen der gassensitiven Schicht und der freien Fläche des Substrates kann eine Diffusionssperrschicht angeordnet sein, mit der eine Wechselwirkung zwischen der gassensitiven Schicht und dem Substrat verhindert wird.

Das gassensitive Material kann auch als Teil einer weiteren Keramikschicht ausgebildet sein.

Zur Verbindung des Heizelementes mit auf einer freien Fläche des Substrates liegenden Anschlüssen können erste Durchkontaktierungen durch die betreffende Schicht des Substrates vorgesehen sein.

Die Anschlüsse des Heizelementes und die Anschlüsse der Meß elektrodenstruktur können in der Ebene des Heizelementes lie gen, wobei zweite Durchkontaktierungen zur Verbindung der Meßelektrodenstruktur mit den zugeordneten Anschlüssen vorgesehen sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Aus führungsform;

Fig. 2 einen schematischen Teil-Querschnitt durch die erste Ausführungsform;

Fig. 3a, b schematische Teil-Querschnitte durch verschiedene Abwandlungen der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 einen schematischen Teil-Querschnitt durch die zweite Ausführungsform;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform und

Fig. 8a, b zwei Ansichten eines bekannten Gassensors.

Die Verwendung von HTCC (High Temperature Cofired Ceramics)-Sub straten zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gassensoren hat besondere Vorteile. Dies gilt insbesondere dann, wenn gassensitive Materialien auf der Basis von zum Beispiel Ga₂O₃ verwendet werden. Bei HTCC-Substraten werden als Ausgangsmaterial mehrere Schichten von zunächst noch ungesinterter ("grüner") Keramik bereitgestellt. Auf eine solche Schicht werden dann zum Beispiel mit einem Siebdruckverfahren Leiterbahnstrukturen für die Heizungselektroden aufgebracht. Die Schichten werden dann durch Pressen zusammengefügt und durch einen Sintervorgang bei einer Temperatur von mehr als 1000°C laminiert. Als Ergebnis entsteht eine kompakte keramische Struktur mit innenliegenden Heizungs-Leiterbahnen, die vollständig von dem Umgebungsgas abgeschirmt sind, so daß für deren Schutz und Stabilität keine weiteren Schutz- oder Passivierungsschichten benötigt werden.

Eine erste Ausführungsform eines solchen erfindungsgemäßen Gassensors ist perspektivisch in Fig. 1 gezeigt. Der Gassensor umfaßt eine erste und eine zweite Substratschicht 10, 11, zwischen denen sich ein Heizelement 12 befindet, das im wesentlichen zum Beispiel in Form der in Fig. 8b gezeigten mäanderförmigen Leiterbahnen ausgebildet sein kann. Die Anschlüsse 12a, 12b (Anschlußpads) dieses Heizelementes sind durch geeignete Aussparungen 11a, 11b in der zweiten Substratschicht 11 zum Anschluß einer Leistungsversorgung (nicht dargestellt) zugänglich.

Auf der freien Fläche der zweiten Substratschicht 11 befindet sich eine Meßelektrodenstruktur 13, die zum Beispiel die in Fig. 8a gezeigte Form haben kann. Auf diese Meßelektrodenstruktur wird schließlich das gassensitive halbleitende Material in Form einer Schicht 14 aufgebracht. Die Meßelektrodenstruktur dient zum Messen des Widerstandes dieser Schicht und ist zu diesem Zweck mit Anschlüssen 13a, 13b (Anschlußpads) versehen, über die eine Meßeinrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen wird.

Ein Querschnitt durch einen Teil dieses Sensors ist in Fig. 2 gezeigt. Die Schichtstruktur setzt sich danach aus der ersten Substratschicht 10 sowie der zweiten Substratschicht 11 zusammen, zwischen denen sich das Heizelement 12 befindet. Auf der freien Fläche der zweiten Substratschicht 11 befindet sich die Meßelektrodenstruktur 13, auf die wiederum die gassensitive Schicht 14 aufgebracht ist.

Fig. 3a zeigt eine zweite Schichtstruktur, die sich wiederum aus der ersten Substratschicht 10 und der zweiten Substratschicht 11 mit dem dazwischen liegenden Heizelement 12 zusammensetzt. Auf die Meßelektrodenstruktur 13 ist die gassensitive Schicht 14 aufgebracht. Im Unterschied zu Fig. 2 befindet sich zwischen der Meßelektrodenstruktur 13 und der freien Fläche der zweiten Substratschicht 11 eine Diffusionssperrschicht 15, mit der eine Wechselwirkung zwischen der gassensitive Schicht 14 und der zweiten Substratschicht 11 verhindert wird.

Als bevorzugte Materialien können für die gassensitive Schicht β-Ga₂O₃, WO₃, TiO₂/WO₃-Mischverbindungen, CeO₂, NiO, MoO₃ und Nb₂O₅ verwendet werden. Die Heiz- und Meßelektrodenstrukturen sind vorzugsweise aus Pt, Pt-Rh- Legierungen, Ir, Pt-Ir-Legierungen oder W gebildet. Zur Erzeugung der Diffusionssperrschicht kann insbesondere SiO₂, Si₃N₄ dienen. Alle diese Materialien sind für alle hier beschriebenen Ausführungsformen geeignet.

Fig. 3b zeigt eine weitere Abwandlung der Schichtstruktur, die wiederum aus der ersten und der zweiten Substratschicht 10, 11 mit dazwischen liegendem Heizelement 12 gebildet ist. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungen befindet sich auf der Meßelektrodenstruktur 13 in diesem Fall eine gassensitive Schicht 14, die in Form einer dünnen Keramiklage aufgebracht ist. Diese Ausführung hat insbesondere bei der Herstellung Vorteile, da die Keramiklage in einem HTCC-Prozeß mit der ersten und der zweiten Substratschicht erzeugt und mit diesen laminiert werden kann. Dadurch entfällt das ansonsten in getrennten technischen Prozessen notwendige separate. Aufbringen der gassensitiven Schicht, was eine deutliche Vereinfachung der Herstellung und somit eine Verringerung der Kosten zur Folge hat.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungen befinden sich in der zweiten Substratschicht 11 zwei Aussparungen 11a, 11b, in der die Anschlüsse 12a, 12b des Heizelementes 12 liegen.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anschlüsse 12a, 12b für das Heizelement 12 in der Ebene der Meßelektrodenstruktur 13 liegen und die Aussparungen 11a, 11b folglich entfallen. Auch dieser Gassensor umfaßt im übrigen die erste und zweite Substratschicht 10, 11, zwischen denen sich das Heizelement 12 befindet. Zur Verbindung des Heizelementes 12 mit den Anschlüssen 12a, 12b sind erste Durchkontaktierungen 12c, 12d durch die zweite Substratschicht 11 vorgesehen. Dies ist auch in Fig. 5 angedeutet, in der zusätzlich die gassensitive Schicht 14 gezeigt ist. Darüberhinaus ist bei dieser zweiten Ausführungsform auch die in Fig. 3a dargestellte Diffusionssperrschicht 15 vorgesehen.

Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß die Bondungen der Anschlußdrähte für das Heizelement und die Meßelektrodenstruktur in einer Ebene vorgenommen werden können, was in vielen Fällen wesentlich einfacher sein wird, als das Bonden bei der ersten Ausführungsform.

Einen weiter vereinfachten Sensor zeigt die dritte Ausfüh rungsform gemäß Fig. 6. Hierbei haben das Heizelement 12 und die Meßelektrodenstruktur 13 einen gemeinsamen Elektrodenanschluß 12b; 13b (zum Beispiel Massepotential). Dadurch vermindert sich die Anzahl der benötigten Bonddrähte auf drei. Auch dies führt zu einer spürbar einfacheren Herstellung, die sich insbesondere bei einer Massenproduktion auswirkt. Eine Vereinfachung ist auch im Hinblick auf einen eventuellen Einbau des Gassensors in einen Sockel zu erzielen.

Fig. 7 zeigt schließlich eine vierte Ausführungsform, bei der die zweite Substratschicht 11 mit insgesamt vier Aussparungen versehen ist. Durch die erste und zweite Aussparung 11a, 11b sind die beiden Anschlüsse 12a, 12b des Heizelementes 12 zugänglich. In einer dritten und vierten Aussparung 11c, 11d liegen in der gleichen Ebene wie die Anschlüsse des Heizelementes 12 die Anschlüsse 13a, 13b der Meßelektrodenstruktur 13. Diese Anschlüsse sind über zweite Durchkontaktierungen 13c, 13d mit der Meßelektrodenstruktur 13 verbunden.

Diese Ausführungsform ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Sensor bei besonders hohen Temperaturen betrieben werden soll, um zum Beispiel Sauerstoff oder Methan erfassen zu können. In diesem Fall sind relative hohe Heizströme erforderlich, die, wenn sie durch eine elektrische Durchkontaktierung geführt werden würden, aufgrund der begrenzten Strombelastbarkeit der Durchkontaktierung zu Instabilitäten führen können. Um trotzdem den Vorteil des Bondens aller Anschlüsse in einer Ebene nutzen zu können, sind die Anschlüsse der Meßelektrodenstruktur 13a, 13b über die zweiten Durchkontaktierungen 13c, 13d, die nur einen relativ geringen Meßstrom führen, in die Ebene des Heizelementes geführt.

Bezugszeichenliste

10

erste Substratschicht

11

zweite Substratschicht

11

a,

11

b,

11

c,

11

d Aussparungen in der zweiten Substratschicht

12

Heizelement

12

a,

12

b Anschlüsse des Heizelementes

12

c,

12

d erste Durchkontaktierungen

13

Meßelektrodenstruktur

13

a,

13

b Anschlüsse der Meßelektrodenstruktur

13

c,

13

d zweite Durchkontaktierungen

14

gassensitives Material

15

Diffusionsschicht

Claims

1. Gassensor mit einem Substrat, einem Heizelement und einem gassensitiven halbleitenden Material, gekennzeichnet durch eine Schichtstruktur, bei der sich zwischen einer ersten und einer zweiten Substratschicht (10, 11) das Heizelement (12) befindet und bei der auf eine freie Fläche zumindest einer der Schichten das gassensitive halbleitende Material (14) aufgebracht ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstruktur aus einem HTCC (High Temperature Cofired Ceramics)-Substrat gebildet ist.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (12) eine mäanderförmige Leitungsstruktur ist.

4. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem gassensitiven Material (14) und der freien Fläche des Substrates eine Meßelektrodenstruktur (13) zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Materials befindet.

5. Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem gassensitiven Material (14) und der freien Fläche des Substrates eine Diffusionssperrschicht (15) befindet.

6. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gassensitive Material (14) als Teil einer Keramikschicht ausgebildet ist.

7. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrodenstruktur (13) und das Heizelement (12) einen gemeinsamen Anschluß aufweisen.

8. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung des Heizelementes (12) mit den auf einer freien Fläche des Substrates liegenden Anschlüssen (12a, 12b) erste Durchkontaktierungen (12c, 12d) durch die betreffende Schicht des Substrates vorgesehen sind.

9. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (12a, 12b) des Heizelementes (12) und die Anschlüsse (13a, 13b) der Meßelektrodenstruktur (13) in der Ebene des Heizelementes liegen, wobei zweite Durchkontaktierungen (13c, 13d) zur Verbindung der Meßelektrodenstruktur (13) mit den zugeordneten Anschlüssen (13a, 13b) vorgesehen ist.