DE4037528A1

DE4037528A1 - Verfahren zur herstellung eines metalloxid-gassensors in hybridtechnik

Info

Publication number: DE4037528A1
Application number: DE19904037528
Authority: DE
Inventors: Adrian Schramm; Olaf Dr Ing Kiesewetter; Hans-Ullrich Dr Ing Marquardt; Wolfgang Dr Ing Storch; Klaus Dr Ing Roth; Michael Dipl Ing Hausknecht; Hans-Juergen Dipl Ing Troeger; Karsten Schneider
Original assignee: ENERGIEVERSORGUNG SUEDSACHSEN
Current assignee: ERDGAS SUEDSACHSEN GMBH, 09113 CHEMNITZ, DE
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1992-05-27

Description

Der in Hybridtechnik hergestellte Metalloxid-Gassensor ist in Gasmeß-, -prüf-, -spür- und -warngeräten zum Nachweis reduzierend wirkender Gase und Dämpfe bei Anwesenheit von Sauerstoff vorteilhaft dann einsetzbar, wenn

- ein so geringer Leistungsverbrauch des Sensors gefordert ist, daß die genannten Geräte mit elektrischen Spannungsquellen begrenzter Kapazität (Batterien) betrieben werden können,
- kurze Ansprech- und Abklingzeiten gefordert sind,
- die Austauschbarkeit des Sensors ohne Nachkalibrieren gegeben sein muß,
- ein Stören der eingestellten Arbeitstemperatur des Sensors während des Betriebes möglich ist, aber ausgeglichen werden muß,
- Konzentration der betreffenden Gase oder Dämpfe bis in den Spurenbereich (ppm-Bereich) festgestellt werden müssen.

Die mit diesem Sensor ausgestatteten Gasmeß-, -prüf-, -spür- oder -warngeräte sind für die Bereiche der Gaswirtschaft, der Chemischen und chemische Produkte verarbeiteten Industrie, der Arbeitshygiene und des Umweltschutzes anwendbar.

Der prinzipielle Aufbau eines Metalloxid-Gassensors zum Bestimmen der Konzentration reduzierend wirkender Gase oder Dämpfe bei Anwesenheit von Sauerstoff, bestehend aus Heizer, Träger (Substrat), Elektroden und gasempfindlicher Metalloxidschicht, in allen gegenwärtig technisch möglichen Anordnungen und Materialien, sowohl in Dünnschicht- als auch in Dickschichttechnik, ist bekannt. Auch das gleichzeitige Verwenden des Heizers als Elektrode ist bereits beschrieben worden.

Es gibt außerdem Varianten, die den Heizer mittels Leistungsmessung als Temperaturmeßeinrichtung und eine Elektrode zur Steuerung benutzen. Eine Zusammenfassung des aktuellen Standes befindet sich in der Patentanmeldung "Meßanordnung zur Bestimmung der Konzentration reduzierender Gase", Reg.-Nr. WP G 01 N/317 956 5 beim Amt für Erfindungs- und Patentwesen der DDR.

Das Benutzen einer zum Gassensor externen, der Umgebungstemperatur ausgesetzten Widerstandsanordnung, die im Zusammenwirken mit einem Steuerbaustein den Einfluß der Umgebungstemperatur auf den Dedektor kompensiert, ist im DE-PS 35 00 412 C1 enthalten.

Die Nachteile des Gassensors,

- verhältnismäßig hoher Heizleistungsbedarf (mehr als 4 Watt),
- verhältnismäßig große aktive Flächen (mehr als 4×4 mm²),
- ungenügende Beständigkeit des Heizers und/oder der Elektroden bei längerem oder alternierendem Betrieb im Bereich der Arbeits- und Stabilisierungstemperaturen der gassensitiven Schicht,
- ungenügende Nachweisempfindlichkeit der gassensitiven Schicht,
- ungenügende Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse des Sensors,
- ungenügende Langzeitstabilität der gasempfindlichen Schicht,
- unökonomischer Aufwand für reproduzierbare Herstellungsbedingungen der gasempfindlichen Schicht

verhindern bisher eine breite Anwendung, vor allem im batteriebetriebenen Gasmeß-, -prüf-, -spür- und -warngerät.

Ebenso bekannt sind Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren für gasempfindliche Metalloxide, wie sie z. B. in der DD- PS 2 37 450 beschrieben und zum Aufbau von Dickschichtsensoren verwendet werden.

Diese Dickschicht-Gassensoren haben sich zwar vor allen anderen beschriebenen Arten auf dem Markt durchgesetzt, weisen u. a. jedoch die Nachteile eines verhältnismäßig großen Fertigungsaufwandes mit einem hohen Anteil manueller Arbeiten und einer erheblichen Exemplarstreuung trotz vergleichbarer Herstellungsbedingungen auf.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches das Herstellen eines kostengünstigen Metalloxid-Gassensors ermöglicht, der auf Grund seiner Eigenschaften einen Beitrag zum Erhöhen der Sicherheit beim Einsatz von Gasmeß-, -prüf-, -spür- und -warngeräten darstellt und damit die Zuverlässigkeit und Bedeutung des Gasnachweises verbessert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht im möglichst weitestgehendem Beseitigen der den Arbeitsschritten und den Ausführungsformen aller bisher bekannten Lösungen anhaftenden Mängel durch Auswahl und Kombination solcher Technologien und Bauformen, die zu einem praxisgerechten Metalloxid-Gassensor mit stabilen Parametern führen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Substrat eine dünne, planare Al₂O₃-Keramik (Dicke weniger als 0,7 mm) eingesetzt wird, auf der einseitig eine im Heizer und Elektroden strukturierte, passivierte, temperaturbeständige (bis 1200°C), dünne Platinschicht aufgebracht wird, wobei der Heizer gleichzeitig als Pt-Widerstandsthermometer und damit zum Einhalten der eingestellten Arbeitstemperatur dient.

Auf die Platinschicht - die vorher mit einer Passivierungsschicht bedeckt wird - wird die gasempfindliche Metalloxidschicht aufgetragen und der für ihr Stabilisieren notwendigen Temperaturbehandlung bei 1000°C unterzogen. Die dünne Platinschicht wird durch Hochvakuumbedampfen, Sputtern, Ionenimplantation o. ä. Verfahren aufgebracht.

Das Strukturieren und Einstellen des elektrischen Widerstandes der Platinschicht erfolgen mittels Nd-YAG-Laser.

Das Trennen des Substrat-Scheibenverbandes geschieht durch CO₂-Laser.

Die gassensitive Metalloxidschicht wird mittels Dünn- oder Dickfilmtechnologien (z. B. Siebdruck) aufgetragen und anschließend temperaturbehandelt, wobei Modifikation und Stöchiometrie des Metalloxides nicht ge- oder zerstört werden.

Das Kontaktieren von Heizer und Elektroden wird durch Thermokompressionsbonden von Anschlußdrähten oder Steckverbinder erreicht. Das Flächenmaß des Gassensors sowie der Verflechtungsgrad von Heizer und Elektroden einschließlich ihrer minimalen Trennweiten stellen die Grenzen des gegenwärtig technisch Möglichen und fertigungsmäßig Beherrschbaren dar.

Weitere Vorteile liegen in der unmittelbaren Wirkung des Heizers auf die gassensitive Schicht, im Gewährleisten sicherer Kontakte und in der direkten Temperaturmessung der aktiven Schicht, da der Heizer gleichzeitig Pt-Widerstandsthermometer ist.

Die Wärmebilanz des Gassensors wird weiter verbessert, wenn der bzw. die Heizer als Elektroden verwendet werden.

Die Erfindung soll durch folgendes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die als Substrat dienende planare Al₂O₃-Keramik wird möglichst genau auf die Formate 100×60 mm² gebracht. Dieser Scheibenverband wird im Hochvakuum einseitig mit einer Platinschicht von 1 bis 2 µm Stärke bedeckt.

Nach dem Tempern bei mehr als 1000° erfolgt das Strukturieren in Heizer (1) und Elektroden (2) gemäß Fig. 1 mittels Nd-YAG-Laser. Damit wird anschließend auch das exakte Einstellen des elektrischen Widerstandes vom Heizer (1) vorgenommen.

Im Siebdruckverfahren wird Multilayerpaste EB 510 auf den Heizer (1) gebracht, die nach einer Temperaturbehandlung zwischen 800 und 900°C als Passivierungsschicht wirkt. Ebenfalls im Siebdruckverfahren wird das gassensitive Zinnoxid aufgetragen und bei mehr als 800°C stabilisiert. Nun erfolgt das Setzen der Trennschnitte mit CO₂-Laser, woran sich das Vereinzeln in Chlips anschließt.

An die Kontaktstellen (3) werden die Anschlußdrähte (4) für Elektroden (2) und Heizer (1) gebondet und mit Spezialglasur, die bei 800 bis 900°C temperaturbehandelt wird, mechanisch arretiert.

Die soweit vorbereiteten Gassensoren werden in ihren Parametern gefestigt, indem sie über einen Zeitraum von mindestens 120 Stunden einer Temperatur von mehr als 200°C ausgesetzt werden.

Für ihren Betriebseinsatz werden die Sensoren auf jeweils einen handhabbaren Sockel und/oder eine Meßschaltung mit Kompensation der Umgebungstemperatur gebracht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metalloxid-Gassensors in Hybridtechnik, gekennzeichnet dadurch, daß auf einer Seite eines planaren Al₂O₃-Keramiksubstrates eine dünne Platinschicht abgeschieden und so getrennt wird, daß Heizer und Elektroden platzsparend ineinandergreifen, wodurch Heizleistungen von 1,0 W abwärts erreicht werden, die Abstände und eine Passivierungsschicht zwischen Heizer, Elektroden und Sensorschicht garantieren, daß in der gassensitiven Schicht elektrische Nebenanschlüsse vermieden sind und eine hohe Oberflächenleitfähigkeit bei großer Steilheit der Gaskonzentrationsabhängigkeit gewährleistet ist, weiterhin die Platinschicht des Heizers durch die dünne Passivierungsschicht geschützt wird, der Heizer wegen seiner Eigenschaften als Platin- Widerstandsthermometer gleichzeitig als Temperaturmeßvorrichtung und Geber für ein Konstanthalten der einzustellenden Arbeitstemperatur genutzt wird sowie die Zinndioxidschicht als Dickschicht oder Dünnfilm unter Wahren des stöchiometrischen Verhältnisses von Zinn und Sauerstoff aufgetragen und temperaturbehandelt wird.

2. Verfahren zur Herstellung eines Metalloxid-Gassensors in Hybridtechnik, gekennzeichnet dadurch, daß in Abhängigkeit vom Einsatzfall die dünne Platinschicht nach Anspruch 1. als Zweiheizersystem ausgebildet wird und zwischen einer Elektrode und einem Heizer oder zwischen beiden Heizern die gaskonzentrationsabhängige Meßspannung abgegriffen wird.