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betreffend einen
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"Sensor für die katalytische Verbrennung"
Die Erfindung
Letrifft einen Sensor für die katalytische V rbrennung, insbesondere von Methan
(CH4), mit einem Widerstands-Heizelement aus Metall, vorzugsweise aus Platin oder
Gold, mit einem von dem Widerstands-Heizelement beheizten Katalysatormaterial, vorzugsweise
mit einer Verbindung der Platingruppe, das heißt einer Palladium-, Platin, Rhodium-
oder Iridiumverbindung, in dem Katalysatormaterial, und gegebenenfalls mit einer
Diffusionssperrschicht zum Schutz des Katalysatormaterials vor dem Zutritt von schädlichen
Stoffen wie beispielsweise Schwefeldioxid. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen Sensors.
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Der bekannte Sensor für die katalytische Verbrennung, der insbesondere
für die Verbrennung von brennbaren Gasen, beispielsweise Methan (CH4), in einer
sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise Luft, bestimmt und geeignet ist, wird,
vom englischen Begriff "pellets" = "Kügelchen" kommend, als Pellistor bezeichnet
(vgl. die GB-OS 20 83 630). Für die katalytische Verbrennung von Methan (CH4) arbeitet
dieser bekannte Sensor mit einer Temperatur von ca. 800 K, für andere Stoffe wie
Butan, Propan und andere Kohlenwasserstoffe, die mit einem solchen Sensor nachgewiesen
werden sollten, sind niedrigere Temperaturen bis zu ca. 500 K möglich.
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Die zuvor erläuterten Temperaturen im bekannten Sensor für die katalytische
Verbrennung werden durch die elektrische Beheizung des Katalysatormaterials durch
das Widerstands-Heizelement erzielt. Dieses Widerstands-Heizelement dient gleichzeitig
aber auch der Messung, also dem Nachweis des Auftretens einer katalytischen Verbrennung
und damit des Auftretens beispielsweise von Methan (CH4). Tritt also Methan (CH4)
und damit eine katalytische Verbrennung auf, so steigt mit der eigenen Ternperatur
des Widerstands-Heizelementes auch dessen Widerstand selbst an. Diese Widerstandsänderung
wird als Meßgröße für die Konzentration von nachzuweisendem Methan (ob4) herangezogen.
Das gilt natürlich in gleicher Weise für alle anderen nachzuweisenden Kohlenwasserstoffe.
Nun ist aber für einen als Widerstands-Heizelement besonders geeigneten Platindraht
die Änderung des Widerstands mit der Temperatur mit ca. 0,003 K-1 außerordentlich
klein.
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Ähnliches gilt auch für andere geeignete Materialien für Widerstands-Heizelemente
wie Gold oder Palladium. Es bedarf also außerordentlich empfindlicher Auswertungsgeräte,
um eine befriedigende Meßempfindlichkeit derartiger Sensoren für die katalytische
Verbrennung zu gewährleisten.
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Sensoren für die katalytische Verbrennung, insbesondere von Methan
(CH4), werden in zunehmendem Maße unter Unweltschutzgesichtspunkten nicht nur für
die Meß- und Analysentechnik, sondern insbesondere für sicherheitstechnische Einrichtungen
benötigt. Daher ist es unbefriedigend, daß der bekannte Sensor für die katalytische
Verbrennung, von dem die Erfindung ausgeht, mit seiner komplizierten Gestaltung
als Pellistor schwierig in der Herstellung und sehr empfindlich ist. Auch die Ansprechgeschwindigkeit
des bekannten Sensors ist nicht optimal. Schließlich ist der bekannte Sensor wegen
seiner komplizierten Herstellung auch kostenmäßig verbesserungsfähig.
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Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung
nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Sensor für die katalytische Verbrennung
herstellungstechnisch einfacher sowie mechanisch und elektrisch unempfindlicher
auszugestalten und dabei gleichzeitig eine möglichst hohe Meßempfindlichkeit und
Ansprechgeschwindigkeit zu realisieren.
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Der erfindungsgemäße Sensor für die katalytische Verbrennung, bei
dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun dadurch gekennzeichnet, daß
ein plattenartiger Träger vorgesehen und das Widerstands-Heizelelemt als Dünnfilmwiderstand
oder als Dickfilmwiderstand flächenhaft und vorzugsweise mäanderförmig auf den Träger
aufgebracht ist und das Katalysatormaterial als flächenhafte Beschichtung auf das
Widerstands-Heizelement und gegebenenfalls den Träger aufgebracht ist. Auch im Rahmen
der Erfindung gilt die ganz breite Anwendbarkeit eines solchen Sensors für die katalytische
Verbrennung, wobei hierfür das bevorzugte Anwendungsbeispiel Methan (CH4) in keiner
Weise einschränkend zu verstehen ist. Auch der erfindungsgemäße Sensor für die katalytische
Verbrennung ist also in entsprechender Abwandlung für eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen,
beispielsweise Butan oder Propan, zu verwenden.
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Wesentlich für den erfindungsgemäßen Sensor für die katalytische Verbrennung
ist die Tatsache, daß es sich hier um eine flächenhafte Konstruktion handelt, die
herstellungstechnisch weit weniger Probleme bietet als die bekannte Konstruktion
mit einem gewendelten Platindraht als Widerstands-Heizelement. Das flächenhaft auf
den Träger aufgebrachte Widerstands-Heizelement ist herstellungstechnisch außerordentlich
einfach zu handhaben und im Ergebnis ist ein solcher Sensor sehr unempfindlich in
mechanischer und elektrischer Hinsicht.
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Aus Gründen der mechanischen Empfindlichkeit insbesondere während
der iSerstellung muß der Träger einerseits eine bestimmte Mindestdicke aufweisen;
diese Dicke hängt natürlich vom Material des Trägers ab. Andererseits sollte der
Träger so dünn wie eben möglich sein, damit seine Wärmekapazität so klein wie möglich
ist. Nur dann ist nämlich eine ausreichende Ansprechgeschwindigkeit und Meßempfindlichkeit
des erfindungsgemäßen Sensors gewährleistet.
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Im zuvor erläuterten Zusammenhang geht nun eine weitere Lehre der
Erfindung dahin, den Sensor für die katalytische Verbrennung so auszugestalten,
daß der Träger zur erleichterten Handhabung während des Herstellungsprozesses als
massive Platte einer bestimmten Dicke ausgebildet ist und nach beendetem Herstellungsprozeß,
frühestens nach Aufbringung des Widerstands-Heizelementes auf den Träger, das Material
des Trägers von der vom Widerstands-Heizelement abgewandten Seite her auf eine aus
Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche Dicke abtragbar ist. Erfindungsgemäß
wird also der Träger während des mechanisch besondere Belastungen verursachenden
Herstellungsprozesses und auch, um während des Herstellungsprozesses den Träger
leicht handhaben zu können, zunächst als massive Platte einer bestimmten Dicke D
ausgebildet. Welche Dicken hierbei in Frage kommen, wird später noch genauer erläutert.
Nachfolgend wird dann das Material des Trägers auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten
mindestens erforderliche Dicke D' abgetragen. Im Betrieb hat also dann der Träger
des erfindungsgemäßen Sensors nur gerade die Dicke, die aus mechanischen Gründen
unbedingt erforderlich ist, jedoch die geringstmögliche Wärmekapazität mit sich
bringt.
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Die zuvor erläutert Ausführungsform des erfindungsgemäße Sensors läßt
sich besonders zweckmäßig noch dadurch weiter ausgestalten, daß das Material des
Trägers nur in den Bereichen auf die Dicke D' abgetragen ist - Abtragsbereiche -,
in denen auf der dem Widerstands-Heizelement zugewandten Seite das Widerstands-Heizelement
tatsächlich angeordnet ist. Dieser Lehre der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß es mitunter aus Festigkeitsgesichtspunkten nicht vertretbar ist, die gesamte
den Träger zunächst darstellende massive Platte auf die geringe Dicke D' abzutragen.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß aus wärmetechnischen Gründen
auch ein Abtragen des Materials des Trägers in den Bereichen des Widerstands-Heizelementes
ausreicht, da die für die Wärmeabgabe an den Träger relevante Wärmekapazität des
Trägers primär durch die dem Widerstands-Heizelement nahen Bereiche bestimmt wird.
Die stegartig stehenbleibenden Bereiche des Trägers mit der ursprünglichen Dicke
D sind unter Festigkeitsgesichtspunkten, das heißt generell hinsichtlich der mechanischen
Belastbarkeit des Trägers des erfindungsgemäßen Sensors außerordentlich hilfreich,
stören jedoch in wärmetechnischer Hinsicht praktisch nicht.
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Dann, wenn der Träger zumindest in den Abtragsbereichen eine möglichst
geringe Dicke aufweist, folgt die Temperatur auf der vom iliderstands-Heizelement
abgewandten Seite des Trägers zumindest in den Abtragsbereichen sehr schnell der
Temperatur des Widerstands-Heizelementes selbst. Die geringe Temperaturempfindlichkeit
des Widerstands-Heizelementes bei Verwendung üblicher Metalle läßt sich dadurch
wirkungsmäßig umgehen, daß auf der vom Widerstands-Heizelement abgewandten Seite
des Trägers, das heißt vorzugsweise in den Abtragsbereichen, zumindest in einem
Abtragsbereich, ein Temperatur-Meßelement, vorzugsweise ein Thermoelement, ein temperaturempfindlicher
Widerstand, ein Thermistor, ein Transistor oder eine Diode, vorgesehen ist bzw.
sind. Hierbei wird also dem Widerstands-Heizelement die Meßfunktion genommen und
einem eigenständigen und möglichst hochempfindlichen Meßelement zugeordnet. Dadurch
wird die Meßempfindlichkeit und die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Sensors
in ganz erheblichem Maße gesteigert. Dies ist jedoch nur dadurch möglich, daß die
Ansprechgeschwindigkeit
wegen des geringen Abstands des Widerstands-Heizelementes
vom Temperatur-Meßelement ausreichend hoch ist. Welcher Art das Temperatur-Meßelement
genau ist, hängt von den im Betrieb zu erwartenden Temperaturen ab, die wiederum
von dem durch die katalytische Verbrennung nachzuweisenden Gas abhängen.
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Hinsichtlich der Maße des Trägers empfiehlt sich eine Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Sensors, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Träger eine
Dicke D von 0,3 bis 1,0 mm und in den Abtragsbereichen vorzugsweise eine Dicke D'
von 0,05 bis 0,2 mm aufweist.
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Zuvor ist bereits erläutert worden, daß der erfindungsgemäße Sensor
- bezüglich des Widerstands-Heizelementes - eine geringstmögliche Wärmekapazität
haben soll. Insoweit ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform ergänzend dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger in den an das Widerstands-Heizelement angrenzenden
Bereichen mit Materialaussparungen versehen ist und/oder zwischen dem Träger und
dem Widerstands-Heizelement thermisch isolierende Distanzelemente vorgesehen sind.
Dadurch wird also erreicht, daß das Widerstands-Heizelement gleichsam in den übrigen
Träger eingehängt ist bzw. auf dem Träger aufgeständert ist.
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Der Träger des erfindungsgemäßen Sensors sollte vorzugsweise aus einem
isolierenden Material bestehen, beispielsweise Aluminiumoxid, irgendeiner anderen
temperaturbeständigen Keramik oder anderem temperaturbeständigem Material. Anstatt
aus einem vollständig isolierenden Material kann der Träger natürlich auch aus einem
Halbleitermaterial bestehen, vorzugsweise aus einkristallinem Silizium. Dieses Silizium
kann undotiert oder dotiert sein. Meistens empfiehlt es sich hier, zwischen dem
Träger und dem Widerstands-Heizelement eine Isolierschicht vorzusehen. Besteht der
Träger aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus einkristallinem Silizium,
so kann der Träger gleichzeitig als Grundmaterial für einen integrierten Schaltkreis
dienen. Beim heutigen Integrationsgrad von elektronischen Schaltungen läßt sich
so unter Unständen in den Sensor selbst die komplette Auswerteschaltung integrieren.
Das ist natürlich ganz besonders kostengünstig.
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Selbstverständ!ich kann bei dem erfindungsgemäßen Sensor der Träger
auch aus einem Metall bestehen, wobei dann selbstverständlich auch zwischen dem
Träger und dem Widerstands-Heizelement eine Isolierschicht vorzusehen ist.
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Die Isolierschicht, von der bei der zuvor gegebenen Erläuterung bevorzugter
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors die Rede war, besteht besonders
vorzugsweise aus Siliziumoxid (sie2), Siliziumnitrid (Si3N4) oder Glas; sie hat
eine Schichtdicke von 0,001 bis 0,1 mm (1 bis 100 ;ihm).
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Die Schichtdicke des Widerstands-Heizelementes bei dem erfindungsgemäßen
Sensor beträgt vorzugsweise 0,0005 bis 0,1 mm (0,5 bis 10 pm). Die Schichtdicke
des Katalysatormaterials beträgt vorzugsweise 0,0001 bis 0,01 mm (0,1 bis 10 rom).
Schließlich beträgt die Schichtdicke der Diffusionssperrschicht, wenn sie als das
Katalysatormaterial abdeckende Beschichtung ausgeführt ist, vorzugsweise 0,001 bis
0,01 mm (1 bis 10 Fm).
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Bei einem entsprechend dünn ausgebildeten Träger des erfindungsgemäßen
Sensors können die auf den Träger aufgebrachten weiteren Schichten, nämlich die
Isolierschicht, das Widerstands-Heizelement, die Beschichtung aus Katalysatormaterial
und gegebenenfalls die Diffusionssperrschicht zu einer Erhöhung der mechanischen
Festigkeit, also der mechanischen Belastbarkeit des Sensors dienen. Diese Schichten
erfüllen dann einen doppelten Zweck, einerseits den physikalisch/chemischen Zweck,
der zuvor im einzelnen jeweils erläutert worden ist, andererseits einen mechanischen
Zweck.
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Die Diffusionssperrschicht muß nach Art einer Membran für die mittels
katalytischer Verbrennung nachzuweisenden Gase und den Luftsauerstoff durchlässig,
für schädliche Stoffe, wie beispielsweise Hexamethyl-Disiloxan oder Schwefeldioxid,
undurchlässig sein. Un welche Stoffe es sich hier im einzelnen handelt, läßt sich
für die unterschiedlichen Anwendungsfälle aus der Fachliteratur ohne weiteres ermitteln.
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In verfahrensmäßiger Hinsicht geht die Lehre der Erfindung zur Herstellung
von Sensoren dahin, daß zunächst auf den als massive Platte der Dicke D
ausgebildeten
Träger eine Isolierschicht und danach das Widerstands-Heizelement aufgebracht wird
und danach das Material des Trägers, vorzugsweise nur in den Abtragsbereichen, von
der vom Widerstands-Heizelement abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten
mindestens erforderliche Dicke D' abgetragen wird. Handhabungstechnisch erscheint
es besonders zweckmäßig, wenn nach dem Auftragen des Widerstands-Heizelementes zunächst
noch die Beschichtung aus Katalysatormaterial und gegebenenfalls die Diffusionssperrschicht
aufgebracht werden und danach erst das Material des Trägers abgetragen wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigt Fig. 1 in Draufsicht und rein
schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors für die katalytische
Verbrennung, Fig. 2 in rein schematischer Darstellung, nicht maßstabgetreu und stark
vereinfacht, einen Schnitt durch den Gegenstand nach Fig. 1 entlang der Linie II
- II und Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors.
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Der in den Figuren dargestellte Sensor 1 ist für die katalytische
Verbrennung von Methan (CH4) oder anderen Kohlenwasserstoffen bestimmt und weist
ein Widerstands-Heizelement 2 aus Platin auf. Von dem Widerstands-Heizelement 2
wird ein nicht näher dargestelltes Katalysatormaterial beheizt, nämlich ein Material
mit einer Verbindung der Platingruppe, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
einer Palladiumverbindung. Nicht dargestellt ist auch eine Diffusionssperrschicht
zum Schutz des Katalysatormaterials vor dem Zutritt von schädlichen Stoffen wie
Schwefeldioxid.
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In den Figuren ist deutlich erkennbar, daß ein plattenartiger Träger
3 vorgesehen und das Widerstands-Heizelement 2 als Dünnfilmwiderstand
flächenhaft
urd mäanderförmig auf den Träger 3 aufgebracht ist. Nicht erkennbar ist, daß das
Katalysatormaterial als flächenhafte Beschichtung auf das Widerstands-Heizelement
2 aufgebracht ist.
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Fig. 2 läßt erkennen, daß der Träger 3 zur erleichterten Handhabung
während des Herstellungsprozesses als massive Platte einer Dicke D ausgebildet ist
und nach beendetem Herstellungsprozeß das Material des Trägers 3 von der vom Widerstands-Heizelement
2 abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche
Dicke D' abgetragen worden ist. Genau gesagt ist das Material des Trägers 3 jedoch
nur in den Bereichen auf die Dicke D' abgetragen, in denen auf der dem Widerstands-Heizelement
2 zugewandten Seite das Widerstands-Heizelement 2 tatsächlich angeordnet ist. Dies
sind die sogenannten Abtragsbereiche 4. Auf der "Rückseite" oder "Unterseite" des
Trägers 3 des Sensors 1 bleiben also zwischen den Abtragsbereichen 4 mit geringer
Dicke D' Stege 5 des Trägers 3 mit der ursprünglichen Dicke D stehen. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist D = 0,65 mm, während D' = 0,09 mm ist.
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Aus Fig. 2 läßt sich erkennen, daß in den Abtragsbereichen 4 auf der
vom Widerstands-Heizelement 2 abgewandten Seite des Trägers 3 ein Temperatur-Meßelement
6, nämlich ein temperaturempfindlicher Widerstand in ebenfalls mäanderförmiger Ausgestaltung
vorgesehen ist. Die Temperatur an der Unterseite des Trägers 3 im Abtragsbereich
4 bzw. in den Abtragsbereichen 4 folgt sehr schnell der Temperatur des Widerstands-Heizelementes
2, so daß bei entsprechender Empfindlichkeit des Temperatur-Meßelementes 6 eine
äußerst empfindliche und schnelle Messung gewährleistet ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht der Träger
3 aus einkristallinem Silizium und ist zwischen dem Träger 3 und dem Widerstands-Heizelement
2 eine im einzelnen nicht dargestellte Isolierschicht vorgesehen. Der Träger 3 dient,
auch das ist in der Zeichnung nicht dargestellt, gleichzeitig als Grundmaterial
für einen integrierten Schaltkreis. Die Isolierschicht besteht aus Siliziumoxid
(SiO2), kann also in üblicher Standardtechnik
au; der Oberseite
des Trägers 3 erzeugt werden. Sie hat eine Schichtdicke von ca. 2)im. Das Widerstands-Heizelement
2 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke von ca. 1 pm, für das
Katalysatormaterial, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, empfiehlt sich
eine Schichtdicke von ca. 0,5 pm, die Diffusionssperrschicht weist im dargestellten
Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke von ca. 2 pm auf.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind ergänzende Maßnahmen zur weiteren
Reduzierung der Wärmekapazität verwirklicht. Einerseits ist der Träger 3 in den
an das Widerstands-Heizelement 2 angrenzenden Bereichen mit Materialaussparungen
7 verstehen, andererseits sind zwischen dem Träger 3 und dem Widerstands-Heizelement
2 thermisch isolierende Distanzelemente 8 vorgesehen. Wegen der Materialaussparungen
7 und der thermisch isolierenden Distanzelemente 8 wird die Wärmekapazität im wesentlichen
durch die Wärmekapazität des Widerstands-Heizelementes 2 bestimmt; die Wärmekapazität
des Trägers 3 geht wegen der Materialaussparungen 7 und der thermisch isolierenden
Distanzelemente 8 nur noch reduziert in die insgesamt wirksame Wärmekapazität ein.