DE4038140A1

DE4038140A1 - Verfahren zum herstellen eines gassensors

Info

Publication number: DE4038140A1
Application number: DE19904038140
Authority: DE
Inventors: Per Brandt Rasmussen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-06-04
Also published as: DK190091D0; SE9103017D0; NL9101879A; JPH04269649A; DE4038140C2; FR2670012A1; GB9125334D0; CA2053049A1; DK190091A; SE9103017L; GB2250823A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gassensors, bei dem auf ein elektrisch isolieren des Trägersubstrat zwei Elektroden und eine die beiden Elektroden verbindende gasempfindliche Schicht aufge bracht werden und ein Katalysator hinzugefügt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus DE 34 22 823 A bekannt. Hierbei werden auf das Trägersubstrat mit Hilfe einer Dickfilmtechnik drei Elektroden aufgebracht, wobei zwei der Elektroden als Meßelektroden und eine der Erwärmung des Sensors dienen. Zwischen den Elektroden ist die gasempfindliche Schicht angeordnet, die aus Zinnoxid oder mit Aluminium dotiertem Zinnoxid besteht. Auf die gasempfindliche Schicht ist ein Film aufgedampft, der als Katalysator verwendet wird. Dieser Film besteht aus Platin oder anderen aktiven Metallen. Dieser Gas sensor reagiert insbesondere auf Schwefelwasserstoff, wobei seine elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Gaskonzentration steigt. Der Gassensor wird typischer weise bei 280°C betrieben.

US 41 97 089 offenbart einen Gassensor, bei dem auf ein keramisches Trägersubstrat drei Elektroden aufge bracht werden, wobei eine Elektrode als Meßelektrode, die zweite Elektrode als Heizelektrode und die dritte Elektrode als gemeinsame Masseelektrode dient. Die gas empfindliche Schicht zwischen den elektroden besteht in diesem Fall aus einem Wolfram-Trioxid-Film. Hierbei wird eine Wolfram-Trioxid-Lösung hergestellt, die zwi schen die Elektroden getropft wird. Hierauf erfolgt eine fünfzehnminütige Erwärmung bei einer Temperatur von 600°C. Um den Gassensor für Ammoniak empfindlich zu machen, wird zunächst ein Tropfen Platinsäure zwischen die Elektroden getropft, so daß sich metallisches Platin bildet. Sodann wird die Wolfram-Trioxid-Schicht aufge bracht. Dieser Sensor verlangt eine Arbeitstemperatur von 150° bis 300°C.

EP 1 41 033 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Materialien für einen Gassensor, wobei ein Metall oxid mit einem als Katalysator wirkenden Metallsalz, beispielsweise Platinsäure, in einer Lösung gemischt wird. Die Lösung wird dann einer UV-Bestrahlung ausge setzt. Das so behandelte Material wird langsam auf etwa 300°C erhitzt. Nach Abkühlung und Zurechtschneiden wer den die Elektroden hinzugefügt. Abhängig von dem gewähl ten Metalloxid und dem gewählten Metallsalz erhält man Gassensoren mit bestimmten Empfindlichkeiten gegenüber ausgewählten Gasarten. Diese Gassensoren können auch bei Zimmertemperatur arbeiten. Allerdings ist die Her stellung relativ aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengün stiges Verfahren zur Herstellung eines Gassensors anzu geben, der bei Zimmertemperatur arbeiten kann und bevor zugt auf ein vorbestimmtes Gas reagiert.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Katalysator ein in Wasser oder einem Alkohol gelöstes Metallsalz der gasempfindlichen Schicht hinzugefügt wird und der Sensor bis zu einer Temperatur unterhalb des Siedepunkts des Metallsalzes erhitzt wird.

Es hat sich herausgestellt, daß durch die Beschränkung der Temperatur auf einen Bereich unterhalb des Siede punkts des Metallsalzes eine besonders empfindliche Katalysatorschicht erzeugt werden kann, so daß der Gas sensor bereits bei Zimmertemperatur arbeiten kann. Das Herstellungsverahren ist dabei relativ einfach, da man beim Aufbringen des Katalysators mit relativ niedrigen Temperaturen arbeiten kann. Das Metall wird nicht ausge fällt. Vielmehr dient das Metallsalz als Katalysator.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Gassensor bei der Temperatur unterhalb des Siedepunkts getrocknet. Die Erwärmung auf diese Temperatur dauert also so lange, bis der Feuchtigkeitsgehalt des Sensors, inbesondere der Katalysatorschicht oder der gasempfindlichen Schicht, auf einen bestimmten Prozentsatz abgesunken ist.

Auch ist bevorzugt, daß der Katalysator auf die Oberflä che der gasempfindlichen Schicht aufgetragen wird. Hier bei ist die Reaktionsmöglichkeit mit dem zu erfassenden Gas am größten. Darüber hinaus ergeben sich hier die wenigsten Probleme bei der Fertigung.

Mit Vorteil werden die gasempfindliche Schicht und/oder die Elektroden mit Ausnehmungen versehen. Es entsteht so die Möglichkeit, den Widerstandswert des Gassensors auf einen bestimmten Wert zu trimmen. Der Gassensor kann somit an die Empfindlichkeit von Auswerteeinrich tungen angepaßt werden.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Ausnehmungen mit Hilfe eines Laserstrahls erzeugt werden. Mit dem Laserstrahl lassen sich sehr feine Strukturen erzeugen, so daß der Widerstandswert mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann.

Hierbei ist es von Vorteil, daß die gasempfindliche Schicht durch die Ausnehmungen eine mäanderförmige Ge stalt erhält. Dadurch läßt sich ein relativ großer elek trischer Widerstand erzeugen. Die durch das zu erfassen de Gas bewirkten Widerstandsänderungen sind dementspre chend groß und lassen sich leicht erfassen.

Bevorzugterweise erfolgt die Erzeugung der Ausnehmungen vor dem Auftragen der Katalysatorschicht. Dadurch läßt sich sicherstellen, daß die Katalysatorschicht nicht über die geforderte Temperatur hinaus erwärmt wird.

Bevorzugterweise werden die beiden Elektroden nach dem Peinigen des Trägersubstrats mittels Dick- oder Dünnfilm technik aufgetragen. Mit Dick- oder Dünnfilmtechnik lassen sich hochgenaue Strukturen erzeugen. Zudem läßt sich die räumliche Ausdehnung der Elektroden relativ genau begrenzen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn für die Elektroden wertvolle Materialien, wie Gold, verwendet werden.

Auch ist von Vorteil, daß die gasempfindliche Schicht im Vakuum aufgedampft wird. Bei einem derartigen Verfah ren läßt sich die Dicke der gasempfindlichen Schicht mit hoher Genauigkeit einstellen. Die Gassensoren lassen sich hierbei mit hoher Genauigkeit reproduzierbar her stellen.

Vorteilhafterweise wird die gasempfindliche Schicht durch eine Schicht aus Zinn gebildet, die bei einer Temperatur im Bereich von 400° bis 500°C, insbesondere im Bereich von 440° bis 460°C, oxidiert wird. Zinn läßt sich als Schicht leicht aufbringen. Durch die Erwärmung auf eine Temperatur im genannten Bereich, beispielsweise 450°C, läßt sich eine Oxidation erreichen. Hierbei er hält man eine Schicht von Zinnoxid (SnO_x), die sich als außerordentlich brauchbar für die Wahrnehmung von Gasen durch Änderung der elektrischen Leitfähigkeit erwiesen hat.

Hierbei ist bevorzugt, daß als Katalysator Platinsäure in wäßriger Lösung (H₂PtCl₆(6H₂O)) verwendet wird. Der Sensor wird hierbei besonders empfindlich gegenüber Ammoniak.

Dabei ist es von Vorteil, daß der Sensor bei einer Tempe ratur im Bereich von 70°C bis 150°C, insbesondere im Bereich von 105°C bis 115°C, über mehrere Stunden, insbe sondere 20 bis 28 Stunden, getrocknet wird. Diese Tempe raturen ermöglichen eine sehr schonende Trocknung. Der Katalysator kann dann seine vorteilhafte Wirkung gegen über Ammoniak entfalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Gassensor und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Gassensor in vergrößertem Maßstab.

Ein Gassensor 1 weist ein Trägersubtrat 2, das beispiels weise als Keramiksubstrat (Al₂O₃) oder einem Si-Substrat mit Isolator (Nitrid oder Oxid) gebildet sein kann, auf. Auf dem Substrat befinden sich zwei Elektroden 3. Zwischen den Elektroden 3 ist eine gasempfindliche Schicht 4 aufgedampft. Sie besteht aus Zinnoxid (SnO_x). Auf der gasempfindlichen Schicht 4 befindet sich ein Katalysator 5. Die gasempfindliche Schicht 4 ist mit Ausnehmungen 6 versehen, die benachbarte Abschnitte der gasempfindlichen Schicht 4 elektrisch voneinander isolieren, so daß die gasempfindliche Schicht 4 einen mäanderförmigen Verlauf hat. In gleicher Weise können auch die Elektroden 3 mit nicht mehr dargestellten Aus nehmungen versehen sein.

Zur Herstellung wird das Substrat 2 zunächst gereinigt. Danach werden zwei aus einem inerten Metall, beispiels weise Platin oder Gold, bestehende Elektroden 3 mittels Dick- oder Dünnfilmtechnik aufgetragen, d. h. sie werden aufgedruckt und danach bei etwa 850°C eingebrannt. Nach erneuter Reinigung und Trockung wird das mit den Elektro den 3 versehende Substrat 2 in eine Vakuum-Anlage ge bracht. Dort wird die gasempfindliche Schicht 4 aufge dampft, beispielsweise mittels Dünnfilmtechnik (reaktives Aufdampfen). Die gasempfindliche Schicht hat eine elek trische Verbindung mit den beiden Elektroden. Die gas empfindliche Schicht besteht hier aus Zinn (Sn) mit einer Stärke von etwa 100 nm. Nach dem Aufbringen der Zinn-Schicht wird die ganze Anordnung auf etwa 450°C erwärmt, wodurch sich die Sn-Schicht in eine Schicht aus Zinnoxid (SnO_x) umwandelt. Hierauf werden mit Hilfe eines Laserstrahles die Ausnehmungen 6 in die gasempfind liche Schicht hineingeschnitten.

Auf die gasempfindliche Schicht wird eine Lösung eines Katalysators oder einer Katalysatormischung aufgetragen, der später die Schicht 5 bildet. Hierdurch wird die Empfindlichkeit gegenüber einer ausgewählten Gasart verstärkt. Im vorliegenden Fall wird Platinsäure in wäßriger Lösung (H₂PtCl₆(6H₂O)) verwendet. Hierauf wird der Gassensor etwa 24 Stunden lang bei 115°C ge trocknet. Diese Temperatur liegt unterhalb des Siede punkts der Platinsäure. Ein derartiger Sensor ist be sonders gegenüber Ammoniak selektiv. Hierbei steigt der elektrische Widerstand zwischen den beiden Elektroden 3 mit steigender Ammoniakkonzentration.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Gassensors, bei dem auf ein elektrisch isolierendes Trägersubstrat zwei Elektroden und eine die beiden Elektroden verbindende gasempfindliche Schicht aufgebracht werden und ein Katalysator hinzugefügt wird, dadurch gekennzeich net, daß als Katalysator (5) ein in Wasser oder einem Alkohol gelöstes Metallsalz der gasempfindlichen Schicht (4) hinzugefügt wird und der Sensor (1) bis zu einer Temperatur unterhalb des Siedepunkts des Metallsalzes erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor bei einer Temperatur unterhalb des Siedepunkts getrocknet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Katalysator (5) auf der Oberfläche der gasempfindlichen Schicht (4) aufgetragen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gasempfindliche Schicht (4) und/oder die Elektroden (3) mit Ausnehmungen (6) versehen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (6) mit Hilfe eines Laserstrahls erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die gasempfindliche Schicht (4) durch die Ausnehmungen (6) eine mäanderförmige Gestalt erhält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (6) vor dem Auftragen der Katalysatorschicht (5) erzeugt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (3) nach dem Peinigen des Trägersubstrats (2) mittels Dick- oder Dünnfilmtechnik aufgetragen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gasempfindliche Schicht (4) im Vakuum aufgedampft wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gasempfindliche Schicht (4) durch eine Schicht aus Zinn gebildet wird, die bei einer Temperatur im Bereich von 400° bis 500°C, insbesondere im Bereich von 440° bis 460°C, oxidiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator (5) Platinsäure in wäßriger Lösung (H₂PtCl₆(6H₂O)) verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor bei einer Temperatur im Bereich von 70° bis 115°C, insbesondere im Bereich von 105° bis 115°C, über mehrere Stunden, insbesondere 20 bis 28 Stunden, getrocknet wird.