DE3028249C2

DE3028249C2 - Elektrische Heizeinrichtung für einen Gasdetektor

Info

Publication number: DE3028249C2
Application number: DE3028249A
Authority: DE
Inventors: Mitsuteru Prof. Tagajyo Miyagi Kimura
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1979-07-25
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1985-10-10
Also published as: DE3028249A1; CA1164943A; US4343768A; JPS6323500B2; JPS5618750A

Description

dadurch gekennzeichnet,daß

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d) die isolierende Schicht (10) und die leitende Schicht (13) an den Stellen (13a; der größten Wärmeabgabe mindestens eine Aussparung (2) in der Kontaktfläche des Substrates (1) über- 2Q brücken.

2. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen (t3a) größter Wärmeagabe im Vergleich mit dem übrigen Teil der elektrisch leitenden Schicht (13) eine verringerte Breite haben.

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Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung für einen Gasdetektor, der auf die bei Kontakt mit einem Gas auftretende Änderung des elektrischen Widerstandes anspricht, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eine solche Heizeinrichtung geht beispielsweise aus den Patents Abstracts of Japan 51-1 24 994; Veröffentlichungstag: 30. 10.76, oder Patents Abstracts of Japan 54-73 097; Veröffentlichungstag: 12.6.79 hervor und weist ein Substrat, eine auf dem Substrat ausgebildete, isolierende Schicht sowie eine als Heizelement dienende, elektrisch leitende Schicht auf der isolierenden Schicht auf. Kommt eine solche elektrische Heizeinrichtung in Kontakt mit einem Gas, das durch Verbrennen oder auf andere Weise auf diesen Kontakt reagiert, so ändert sich der elektrische Widerstand der als Heizelement dienenden, elektrisch leitenden Schicht, so daß aus dieser Widerstandsänderung das Vorhandensein des Gases festgestellt werden kann.

Bei einer solchen elektrischen Heizeinrichtung tritt jedoch das folgende Problem auf: Die elektrisch leitende, als Heizelement dienende Schicht und die isolierende Schicht sowie das Substrat sind über ihre gesamte Fläche in direktem Kontakt miteinander, so daß die von dem Heizelement abgegebene Wärme in das Substrat hinein gestreut wird. Als Ergebnis hiervon wird ein Teil der dem Heizelement zugeführten Energie für die Erwärmung des Substrates benötigt, so daß zusätzliche Energie aufgewandt werden muß, um das Heizelement auf der erforderlichen, relativ hohen Temperatur zu haiten.

Ein weiteres Problem liegt darin, daß nach dem Beginn der Aufheizung des Heizelementes eine relativ lange Zeitspanne benötigt wird, bis das Heizelement die erforderliche Temperatur erreicht hat; während dieser Aufwärmzeit sind keine exakten Messungen möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizeinrichtung für einen Gasdetektor der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der das Heizelement in kurzer Zeit mit möglichst geringem Energieverbrauch auf die erforderliche Temperatur gebracht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Eine zweckmäßige Ausführungsform wird im Anspruch 2 eingegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß sich an der Stelle der größten Wärmeabgabe des Heizelementes eine Aussparung in dem Substrat befindet, so daß in diesem Bereich der Wärmeübergang zum Substrat unterbrochen und dadurch gewährleistet ist, daß sich an dieser Stelle das Heizelement sehr rasch auf die erforderliche hohe Temperatur erwärmt Der geringe Energieverbrauch für die Erwärmung des Heizelementes ermöglicht wiederum die Verwendung einer kleinen Energiequelle, wie beispielsweise einer Trockenzelle. Trotz dieser Reduzierung des Energieverbrauchs wird die Empfindlichkeit des Gasdetektors im Vergleich mit herkömmlichen Ausführungsformen nicht beeinflußt

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung für einen Gasdetektor,

F i g. 2A einen Schnitt längs der Linie A-A von F i g. 1, F i g. 2B einen Schnitt längs der Linie B-B von F i g. 1,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

F i g. 5 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

F i g. 6 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

F i g. 7 eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

F i g. 8 einen Schnitt längs der Linie C-Cvon F i g. 7,

Fig.9 eine Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

Fig. 10 einen Schnitt längs der Linien D-D von Fig. 9,

Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie E-Evon F i g. 9,

Fig. 12 eine Draufsicht auf eine achte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

F i g. 13 einen Schnitt längs der Linie F-Fvon F i g. 12,

F i g. 14 eine Draufsicht auf eine neunte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

Fig. 15 einen Schnitt längs der Linie C-G von Fig. 14,

F i g. 16 eine Draufsicht auf eine zehnte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

Fig. 17 einen Schnitt längs der Linie H-H von Fig. 16,

Fig. 18 eine Draufsicht auf eine elfte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

F i g. 19 einen Schnitt längs der Linie /-/ von F i g. 18,

Fig.20 eine Draufsicht auf eine zwölfte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

Fig.21 eine Draufsicht auf eine dreizehnte Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung,

Fig. 22 einen Schnitt längs der Linie K-K von F ig. 21,

Fig.23 eine Draufsicht auf eine vierzehnte Ausfüh-

rungsform einer elektrischen Heizeinrichtung, und

Fig.24 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Aufbringung von porösen Schichten.

In den verschiedenen Figuren werden jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet, um gleiche bzw. einander entsprechende Teile zu bezeichnen

Die F i g. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung, während die F i g. 2A und 2B Schnitte längs der Linien A -A bzw. B-B vor. F i g. 1 darstellen.

Eine Siliziumdioxid-Schicht iO, die thermisch auf der Hauptebene eines Silizium-Scheibchens 1 gezogen worden ist, hat eine hohe Wärmebeständigkeit, einen hohen elektrischen Isolationsgrad, also einen hohen elektrischen Widerstand, sowie eine hohe mechanische Festigkeit Ein Ätzmittel, welches das Silizium-Scheibchen t angreifen kann, hat deshalb keine Wirkung auf die Siliziumdioxid-Schicht 10. In dem Silizium-Scheibchen 1 ist eine Aussparung 2 ausgebildet, während in der Siliziumdioxid-Schicht 10 auf noch zu erläuternde Weise Schlitze 11a und 11 b hergestellt werden.

Das Silizium-Scheibchen 1 wird in eine Dampf-Atmosphäre eingebracht und dort einige Stunden lang bei etwa HOO⁰C oxidiert, wodurch die Siliziumdioxid-Schicht 10 in einer Dicke von etwa 1, 0 μπι aufwächst Anschließend wird die Siliziumdioxid-Schicht 10 mittels einer üblichen Fotoätztechnik geätzt Zu diesem Zweck wird beispielsweise die Siliziumdioxid-Schicht 10 einem Ätzmittel der Ammoniumfluor-Reihe ausgesetzt; anschließend wird das Silizium-Scheibchen 1 mit einem Silbergiykol-Ätzmittel geätzt, dessen Ätzrate, unabhängig von der Richtung des Kristallwachstums, in allen Richtungen im wesentlichen gleich ist, wodurch zwei Rillen mit entsprechender Tiefe ausgebildet werden.

Anschließend wird ein Ätzmittel, das Silizium anisotrop angreift jedoch gegenüber SiO₂ im wesentlichen unwirksam ist, dazu verwendet, um die Seitenflächen der gebildeten Rillen anzugreifen und dadurch die Aussparung 2 auszubilden, indem die Siliziumdioxid-Schicht 10 unterschnitten und dadurch eine Verbindung zwischen den Rillen hergestellt wird. Dadurch bleibt eine Siliziumdioxid-Brücke 10a übrig.

Als nächstes wird eine leitende Schicht 13, die als Heizelement dient, durch ein Bedampfungsverfahren ausgebildet. Diese leitende Schicht 13 kann aus Pt oder einem Gemisch eines Materials mit relativ hohen Widerstandstemperaturkoeffizienten und Pt oder Pd bestehen, das bei Vorhandensein des festzustellenden Gases eine katalytische Reaktion bewirkt. Anschließend werden Leitungen 15a und 156 an der laufenden Schicht 13 angebracht

Bei einem Stromfluß durch diese Leitungen 15a und 156 erwärmt sich die Brücke 13a, nämlich der Bereich der leitenden Schicht 13, der über der Aussparung 2 ausgebildet ist Befindet sich im Bereich dieser Brücke 13a ein brennbares Gas, so wird es bei der Berührung mit der leitenden Schicht 13 verbrannt, wodurch sich der elektrische Widerstand der Brücke 13a ändert. Aus dieser Änderung des elektrischen Widerstandes kann das Vorhandensein des brennbaren Gases festgestellt werden.

Besteht die leitende Schicht 13 aus einem Material, das mit Kohlendioxid oder Chlor reagiert, wie beispielsweise SnO₂, wodurch sich ebenfalls eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Brücke 13a ergibt, so kann ein solches Gas ebenfalls festgestellt werden.

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausführunesform einer elektrischen Heizeinrichtung, deren Aufbau im wesentlichen dem Aufbau der ersten Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 entspricht; die leitende Schicht 13i besteht jedoch aus einem Material mit hohem Widerstandstemperaturkoeffizienten, wie beispielsweise SiC, und einer auf das Gas ansprechenden Schicht 14 aus SiO₂ oder einem ähnlichen Material; als Alternative hierzu kann eine katalytische Schicht aus Pt Pd oder einem ähnlichen Material über der leitenden Schicht 13i ausgebildet sein. Da die als Heizfläche dienende Brücke 13a der leitenden Schicht 13i unabhängig von der katalytischen oder auf Gas ansprechenden Schicht 14 ausgebildet ist und einen Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, der höher ist als der der Schicht 14, kann die Empfindlichkeit beträchtlich verbessert werden.

In F i g. 4 ist eine dritte Ausführungsform der elektrischen Heizeinrichtung dargestellt, welche im Aufbau im wesentlichen der zweiten, vorstehend anhand von Fig.3 beschriebenen Ausführungsform entspricht, außer daß eine Isolierschicht 16 zwischen der leitenden Schicht 13] und der katalytischen oder auf Gas ansprechenden Schicht 14 angeordnet ist Vorzugsweise wird die katalytische oder auf Gas ansprechende Schicht 14 unmittelbar auf der Brücke oder der Heizfläche 13a aufgebracht Wenn jedoch die Brücke 13a dazu neigt, bei hohen Temperaturen mit Gasen zu reagieren, oder wenn der Widerstand der Brücke 13a sich ändert, wenn auf ihr unmittelbar die katalytische oder auf Gas ansprechende Schicht 14 aufgebracht wird, dient die Isolierschicht 16 dazu, die Brücke 13a oder die leitende Schicht 13i abzuschließen oder die Brücke 13a oder die leitende Schicht 13i von der katalytischen oder auf Gas ansprechenden Schicht 14 elektrisch zu isolieren, wodurch dann die vorstehend angeführten Schwierigkeiten gelöst werden können.

In F i g. 5 ist eine vierte Ausführungsform dargestellt, welche im Aufbau im wesentlichen der dritten, vorstehend anhand von Fig.4 beschriebenen Ausführungsform entspricht, außer daß sie die nachstehend beschrie-

benen Ausführungsmerkmale aufweist Über der Isolierschicht 16 ist in einer Dicke von 0,2 bis 0,5 Mikrometer eine SiC-Schicht ausgebildet. Der "Widerstandstemperturkoeffizient der SiC-Schicht 18 ist in einem Betriebstemperaturbereich von beispielsweise 200 bis 500⁰C höher als der der leitenden Schicht 13₂. Die katalytische oder auf Gas ansprechende Schicht 14 ist über der SiC-Schicht 13 ausgebildet, und Anschlußdrähte 17a und 176 sind an der SiC-Schicht 18 angebracht.

Eine fünfte in F i g. 6 dargestellte Ausführungsform entspricht im Aufbau der vierten in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform, außer daß eine Isolierschicht 19 zwischen der SiC-Schicht 18 und der katalytischen oder auf Gas ansprechenden Schicht 14 angeordnet ist. Sowohl in der vierten als auch in der fünften Ausführungsform braucht kein Material mit einem hohen Widerstands-Temperaturkoeffizienten verwendet werden, wenn die Brücke oder Heizfläche (die leitende Schicht i3₂) ausgebildet ist. Mit anderen Worten, die leitende Schicht 13₂ kann aus einem Material mit einem niedrigen Widerstands-Temperaturkoeffizienten hergestellt werden.

Eine sechste Ausführungsform der elektrischen Heizeinrichtung ist in Fig.7 und 8 dargestellt. Die SiO₂-Schicht 10 ist mit drei Schlitzen 11a bis lic versehen, Jie durch Brücken 10a und 106 voneinander getrennt sind, über welchen Heizflächen 13a bzw. 136 aus der leitenden Schicht 13 ausgebildet sind.

In einer siebten, in Fig.9, 10 und 11 dargestellten Ausführungsform sind zwei Schlitzpaare Ha, Hai und

116 und Hb₂ in der Siliziumdioxidschicht 10 ausgebildet. Die Schlitze 11a, Hai und 116, 116i sind voneinander durch (nicht dargestellte) SiO₂-Brücken 10a und 106 getrennt, und über diesen Brücken sind Heizflächen 13a und 136 ausgebildet Sowohl die sechste als auch die siebte Ausführungsform haben das gemeinsame Merkmal, daß zwei Heizbereiche 13a und 136 vorgesehen sein können, welche sehr nahe beieinander angeordnet sind und im wesentlichen die gleichen Kenndaten aufweisen.

Eine achte, in Fig. 12 und 13 dargestellte Ausführungsform ist im Aufbau der sechsten Ausführungsform ähnlich, außer daß die Heizbereiche oder -elemente 13a und 136 elektrisch voneinander isoliert sind. Es sind daher getrennte leitende Schichten 134 und 13S ausgebildet und mit Anschlußdrähten 15a, 15ai und 156, 156i verbunden. Außerdem ist eine der Brücken oder Heizbereiche 13a oder 136 (in dieser Ausführungsform 13a) mit einer Schicht 14 versehen, welche bei einem festzustellenden Gas nicht aktiv bzw. wirksam ist.

Eine neunte, in Fig. 14 und 15 dargestellte Ausführungsform entspricht im Aufbau der sechsten in F i g. 7 und 8 dargestellten Ausführungsform, außer daß eine Schicht, die bezüglich eines festzustellenden Gases nicht wirksam ist, über einer der Brücken oder Heizflächen 13a oder 136 (in dieser Ausführungsform i3a) ausgebildet ist Sowohl die achte als auch die neunte Ausführungsform können in Brückenschaltungen eingesetzt werden.

In einer zehnten, in Fig. 16 und 17 dargestellten Ausführungsform ist ein rechteckiger Schlitz oder eine entsprechende Nut 11 in der SiO2-Schicht 10 ausgebildet, und in der Mitte der Längsseite sind nach innen vorstehende Aussparungen in Form eines Trapezoids lld ausgebildet, wodurch der S1O2- Bereich 10/„, der von der rechteckigen Nut 11 umgeben ist, an der Stelle lic/ eingekehrt ist und in symmetrische Teile aufgeteilt ist, die durch eine schmale Brücke über einer Ausnehmung 2c miteinander verbunden sind. Wenn folglich die leitende Schicht durch ein Aufdampf- oder Sputterverfahren u. ä. ausgebildet wird, werden die inneren und äußeren leitenden Schichten 13,>, und 13_our durch die rechteckige Nut 31 voneinander getrennt In diesem Fall ist, wie an der Stelle 13cf dargestellt ist das leitende Material durch die Nut 11 auch auf dem Boden der Vertiefung 2 aufgebracht; aber das Vorhandensein dieses Materials hat keinen nachteiligen Einfluß auf die Arbeitsweise des Gasdetektors. Die zehnte Ausführungsform ist besonders vorteilhaft da kein Abdeckverfahren angewendet werden muß, wenn die leitenden Schichten 13 ausgebildet werdea

In einer elften, in Fig. 18 und 19 dargestellten Ausführungsform ist eine Brücke 13ai so ausgebildet daß ihr Widerstand von der Mitte zu den Enden hin allmählich zunimmt Folglich weist die Brücke 13ai eine gleichförmige Temperaturverteilung auf.

In der elften Ausführungsform ist die Breite der Brükke 10a der SiO2-Schicht 10 die gleiche wie die geringste Breite der Brücke 13a der leitenden Schicht 13, wie durch gestrichelte Linien a\ in Fig. 18 dargestellt ist; dagegen ist in einer zwölften, in Fig.20 dargestellten Ausführungsform die Breite der SiO2-Brücke 10a gleich der größten Breite der leitenden Brücke 13a ausgebildet wie durch die ausgezogenen Linien a2 angezeigt ist Eine dreizehnte, in Fig.21 und 22 dargestellte Ausführungsform entspricht im Aufbau im wesentlichen der elften, in F i g. 18 und 19 dargestellten Ausführungsform, außer daß ein Teil der SiCVSchicht 10a unter der leitenden Brücke 13a entfallen ist.

Eine vierzehnte, in F i g. 23 dargestellte Ausführungsform entspricht im Aufbau im wesentlichen der zwölften, in Fig.20 dargestellten Ausführungsform, außer daß wie im Fall der dreizehnten Ausführungsform die SiO₂-Brücke 10a unter der leitenden Brücke 13a entfallen ist Sowohl bei der dreizehnten als auch bei der vierzehnten Ausführungsform ist vorteilhaft, daß sowohl das Ansprechverhalten als auch die Empfindlichkeit verbessert werden konnten, da die leitenden Brükken 13a eine niedrige thermische Zeitkonstante aufweisen.

Anhand von F i g. 24 wird ein Verfahren zum Ausbilden von porösen Schichten beschrieben. Die leitenden Schichten 13 und die darüber ausgebildeten, katalytischen oder auf Gas ansprechenden Schichten 14 sind beide porös. Derartige Schichten können auf folgende Weise geschaffen werden. In F i g. 24 wird die sogenannte Goldschwarz-Schicht 102 dadurch ausgebildet daß Gold (Au) in einem hohem Vakuum in der Größenordnung von einigen Torr auf die Oberfläche eines Glasträgers 101 aufgedampft wird. Die Goldschwarz-Schicht 102 besteht aus sehr feinen Partikeln und ist porös. Danach wird Platin (Pt) in einer Stärke in der Größenord-

nung von 100 A auf der Goldschwarz-Schicht 102 in einer Argon (Ar) -Gasatmosphäre von 100 mm Torr durch ein Sputter- oder Aufdampfverfahren im Vakuum abgeschieden. Das Platin bringt dann tief in die poröse Oberfläche der Goldschwarz-Schicht 102 ein und wird über die Porenoberflächen abgeschieden. Auf diese Weise ist dann ein poröser Platinüberzug 103 geschaffen. Ähnlich dem Platinschwarz hat die poröse Pt-Schicht 103 eine extrem große Oberfläche und ist folglich sehr vorteilhaft wenn sie in Gasdetektoren verwendet wird, bei denen bei einem Inkontaktkommen das Gas verbrennt

Platinschwarz wird mit verschiedenen Verfahren hergestellt, beispielsweise durch Reduktion einer wäßrigen Lösung von Platinsalzen u. L·, durch das Elektroplattieren mit einer Chlorplatinsäure, ein Verfahren zum Aufbringen einer Chlorplatinsäure-Lösung, durch Trocknen in Wasserstoff und durch Erwärmen auf 500⁰C, um dadurch Platinschwarz zu reduzieren, usw. Diese Verfahren sind Naßverfahren und außerdem benötigen einige Verfahren Heizvorgänge bei hohen Temperaturen.

Es können jedoch poröse Filme durch Trocken- und Niedrigtemperaturverfahren geschaffen werden, wie oben beschrieben ist Außerdem können poröse Legierungsschichten durch die entsprechende Auswahl der Aufdampfmaterialien gebildet werden. Beispielsweise kann mit einer Quelle von 80 Gewichtsprozent Platin zu 20 Gewichtsprozent Palladium eine Goldschwarz-Schicht mit einer Pt-Pd-Schicht bedeckt werden, so daß eine poröse Pt-Pd-Schicht geschaffen ist Bei den vorbeschriebenen Verfahren werden Gaspartikel verteilt so daß sie auf die Oberflächen der extrem kleinen Poren abgeschieden werden. Selbstverständlich sind die Heizelemente gemäß der Erfindung nicht auf die Verwendung bei Gasdetektoren beschränkt, sondern können auf verschiedenen Gebieten angewendet werden. Beispielsweise können sie bei Wärmeflußmessern angewendet werden, bei welchen die Temperaturänderungen entsprechend den Widerstandsänderungen ausgenutzt werden. Außerdem können sie in den sogenannten Pirani-Meßgeräten verwendet werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Heizeinrichtung für einen Gasdetektor, der auf die bei Kontakt mit einem Gas auftretende Änderung des elektrischen Widerstandes anspricht,

a) mit einem Substrat,

b) mit einer auf dem Substrat ausgebildeten, isolierenden Schicht, und

c) mit einer als Heizelement dienenden, elektrisch leitenden Schicht auf der isolierenden Schicht,