DE4105025C1

DE4105025C1 -

Info

Publication number: DE4105025C1
Application number: DE4105025A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl.-Phys. 7140 Ludwigsburg De Stecher; Detlef Dr. 7000 Stuttgart De Baresel; Peter Dipl.-Ing. 7582 Buehlertal De Nolting; Botho Dipl.-Phys. Dr. 7410 Reutlingen De Ziegenbein; Martin Dipl.-Phys. 7400 Tuebingen De Holland
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-02-19
Filing date: 1991-02-19
Publication date: 1992-07-02
Anticipated expiration: 2011-02-20
Also published as: US5211053A; GB2253060B; JPH04337449A; GB2253060A; JP3083622B2; GB9203641D0

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Gassensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

In der europäischen Patentanmeldung 03 23 937 wird ein Gassensor mit einem Träger beschrieben, auf dem das Sensorelement in Dünn schicht- oder auch in Dickschichttechnik aufgebracht ist. Als Träger dient ein Plättchen aus elektrisch isolierendem Material, wie zum Beispiel Glas, Siliziumoxid oder Keramik. Dieser Träger weist Durch brüche auf, die so angeordnet sind, daß ein Mittelbereich und ein Außenbereich ausgebildet sind, die über Stege miteinander verbunden sind. Auf dem Mittelbereich ist zunächst eine Widerstandsschicht, die zum Heizen des Sensorelementes dient, aufgebracht. Über dieser Widerstandsschicht ist eine elektrisch isolierende Schicht abge schieden. Darauf sind zwei einander gegenüber angeordnete Elektroden aufgebracht, deren elektrische Verbindung durch eine empfindliche Schicht hergestellt ist, die über dem Mittelbereich über den Elektroden abgeschieden ist. Die elektrische Kontaktierung der Widerstandsschicht und der beiden Elektroden dieses Schichtaufbaus ist über auf den Stegen abgeschiedenen Leiterbahnen auf den Außen bereich geführt. Bei dem in dieser Schrift beschriebenen Gassensor sind die Stege geradlinig ausgebildet. Um eine gute thermische Isola tion des Mittelbereichs vom Außenbereich des Trägers zu erzielen, müssen die Stege sehr dünn ausgebildet sein, da sie auch relativ kurz sind. Die Elektroden des hier beschriebenen Sensorelementes sind als rechteckige bzw. punktförmige Flächen ausgebildet. Derartige Sensor elemente sind relativ hochohmig, was sich unvorteilhaft auf den Meß bereich des Gassensors auswirkt.

Aus der DE 30 19 387 A1 ist ein Dünnschichtgassensor mit einem Widerstand und einem Heizelement bekannt, wobei das Heizelement auf der Unterseite des Trägers angeordnet ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gassensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus. Durch das Aufbringen der mindestens einen Heizvorrichtung auf der Unterseite des Mittelbereichs des Trägers und das Aufbringen der Elek troden und der empfindlichen Schicht des Sensorelementes direkt auf die Oberseite des Mittelbereichs des Trägers vereinfacht sich die Herstellung des Sensors gegenüber der nach dem Stand der Technik. Die Wahl des Trägersubstrats selber als elektrisch isolierende Schicht zwischen Heizvorrichtung und Sensorelement ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung dünner Keramiksubstrate, da hier der Wärmeaustausch zwischen Vorder- und Rückseite sehr schnell erfolgt. Das Aufbringen des Sensorelementes direkt auf der Oberseite des Trägersubsttates ist auch deshalb von Vorteil, da dadurch die Möglichkeit besteht, sowohl Dickschicht-Sensorelemente, wie zum Beispiel SnO₂-Sensorelemente, als auch Dünnschicht-Sensorelemente, wie zum Beispiel Phthalocya nin-Sensorelemente, aufzubringen. Die spiralförmige Ausbildung der Stege um den Mittelbereich bewirkt eine besonders gute thermische Abkopplung des Mittelbereichs mit der Heizvorrichtung und dem Sensor element vom Außenbereich. Da die Stege vergleichsweise lang sind, können diese wesentlich stabiler ausgelegt werden. Die Spiralstruktur der Stege gewährleistet außerdem, daß der Platzbedarf des Sensors vergleichsweise gering ist. Die Ausbildung der Elektroden des Sensorelementes als ineinander greifende Kammstrukturen ist besonders günstig, da hierdurch eine Parallelschaltung vieler Widerstandselemente entsteht, wodurch der Gesamtwiderstand der darüber liegenden Sensorschicht wesentlich herabgesetzt wird. Der Gesamtwiderstand des Sensorelementes variiert dadurch bei Adsorption von Schadgasen in einem der Messung gut zugänglichen Widerstandsbereich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die zur exakten Temperatur regelung erforderlichen Temperatur-Meßwiderstände ebenfalls auf der Unterseite des Mittelbereichs anzuordnen. Besonders vorteilhaft für die Herstellung ist es, die Heizvorrichtung in Form von Heizwider ständen zu realisieren, indem die Heizwiderstände und Temperatur- Meßwiderstände zunächst als geschlossene Dickschichtfläche gedruckt werden und anschließend durch Laserschneiden strukturiert werden. Durch geeignete Wahl der Widerstandsanordnung und Heizregelung läßt sich vorteilhaft eine homogene Temperaturverteilung auf dem Sensor element erreichen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elek trische Kontaktierung der auf der Rückseite des Trägers aufge brachten Widerstände mittels Durchkontaktierungen in dem Träger 10, beispielsweise in Dickschichttechnik, auf die Oberfläche des Trägers geführt sind. Dadurch wird eine wesentliche Vereinfachung der Auf bautechnik erreicht. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird die Heizleistung und damit die Verlustleistung der Heizregelung relativ gering gehalten. Dadurch ist es möglich, daß auch die Heizregelung mit Leistungsbauelementen und zumindest Teile der Auswerteschaltung auf dem Träger im Außenbereich aufgebracht sind, was eine vorteil hafte Platzeinsparung darstellt. Der gesamte oder zumindest teil weise Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors in Dickschicht- und/oder Dünnschichttechnik ist kostengünstig und gut handhabbar.

Die gute thermische Entkopplung des erfindungsgemäßen Gassensors ermöglicht die Integration mehrerer, verschiedener Sensorelemente mit der Auswerteschaltung auf einem Trägersubstrat. Eine gute thermische Abkopplung der einzelnen Sensorelemente untereinander und vom Trägersubstrat ist aus thermodynamischen Gründen besonders wichtig, da die Sensorelemente ihren Widerstandswert bei Adsorption von Schadgasen, wie zum Beispiel CO, MOx, ändern und zur Verstärkung dieses Effekts bei erhöhten Temperaturen (ca. 150°C bis 500°C) betrieben werden.

Von Vorteil ist es, das fertige Sensormodul mit den Sensorelementen der Heizregelung und der Auswerteschaltung in einem Gehäuse mit mehreren Teilräumen anzuordnen, so daß die Auswerteschaltung in einem abgeschlossenen Teil des Gehäuses ruht, während sich jedes Sensorelement in einem belüfteten Teil des Gehäuses befindet. Beson ders vorteilhaft hierbei ist es, die zu untersuchende Luft über Filter zu leiten, die für jedes Sensorelement spezielle Anteile der zu untersuchenden Luft ausfiltern. Ein in das Gehäuse integrierter Lüfter mit einem Lüftermotor ist von Vorteil, da er ermöglicht, einen Gas- bzw. Partikelstrom mit konstanter Geschwindigkeit über die Sensorelemente zu leiten. Die Integrierbarkeit von Filtern und gegebenenfalls einem Lüfter mit Lüftermotor ermöglicht eine beson ders kompakte Bauweise eines Gassensors.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1a und b verschiedene Ausführungsformen eines strukturier ten Trägers, Fig. 2 den Schnitt durch einen mit Schaltungselementen versehenen strukturierten Träger, Fig. 3 die Aufsicht auf eine Elektrodenanordnung eines Sensorelementes und Fig. 4 einen Gas sensor mit Gehäuse.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1a ist mit 10 ein Träger bezeichnet aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Keramik oder Glas. Der Träger 10 weist Durchbrüche 14 auf, die so angeordnet sind, daß jeweils drei Durchbrüche 14 einen Mittelbereich 12 umgeben, der dann nur noch über Stege 13 mit einem Außenbereich 11 verbunden ist. Die Durchbrüche 14 sind so dimensioniert und angeordnet, daß die Stege 13 spiralförmig um den Mittelbereich 12 ausgebildet sind. Dadurch können sehr platzökonomisch lange Haltearme ausgebildet werden, die eine hohe Stabilität der Struktur und zusätzlich eine effiziente thermische Isolation des Mittelbereichs 12 vom Außenbereich 11 des Trägers 10 gewährleisten. Die Durchbrüche 14 können beispielsweise durch Laserschneiden in den Träger 10 eingebracht sein; es kann sich dabei um einfache Schnitte handeln wie in Fig. 1b dargestellt oder aber auch um Herausschneiden von Segmenten des Trägermaterials wie in Fig. 1a dargestellt. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Durchbrüche bereits aus der ungesinterten (grünen) Keramik heraus zustanzen.

In Fig. 2 ist der Schnitt durch einen wie in Fig. 1a strukturier ten Träger 10 dargestellt, der mit Schaltungselementen entsprechend der Funktion des Gassensors versehen ist. Auf der Oberseite des Mittelbereichs 12 des Trägers 10 sind zwei Elektroden 201 und 202 einander gegenüber angeordnet. Darüber ist eine empfindliche Schicht 21 abgeschieden, die die leitende Verbindung zwischen den beiden Elektroden 201 und 202 herstellt. Auf die Unterseite des Mittel bereichs 12 ist ein Heizwiderstand 25 und ein Temperatur-Meßwider stand 26 aufgebracht. Der Mittelbereich 12 ist durch die Durchbrüche 14 vom Außenbereich 11 getrennt und ist nur über die spiralförmig ausgebildeten Stege 13 mit dem Außenbereich 11 verbunden. Auf der Ober- und der Unterseite der Stege 13 sind Leiterbahnen 311, 312 bis auf den Außenbereich 11 hin abgeschieden. Über diese Leiterbahnen 311, 312 sind die beiden Elektroden 201 und 202 sowie der Heizwider stand 25 und der Temperatur-Meßwiderstand 26 kontaktierbar. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Gassensors befinden sich im Außenbereich 11 des Trägers 10 Durchkontaktierungen 32, über die die auf der Unterseite des Mittelbereichs 12 aufge brachten Schaltungselemente, in diesem Falle die Widerstände 25 und 26, von der Oberseite des Trägers 10 aus elektrisch kontaktierbar sind. Sowohl die Auswerteschaltung 30 als auch eine in Fig. 2 nicht dargestellte Heizregelung 35 sind auf die Oberseite des Trägers 10 im Außenbereich 11 aufgebracht. Das Aufbringen der einzelnen Schal tungselemente auf den Träger 10 entsprechend Fig. 2 kann in Dick schicht- oder in Dünnschichttechnik erfolgen. So besteht beispiels weise die Möglichkeit, den Heizwiderstand 25 und den Temperatur-Meß widerstand 26 zunächst als eine geschlossene Dickschichtwiderstands fläche auf die Unterseite des Mittelbereichs 12 des Trägers 10 auf zudrucken und anschließend durch Laserschneiden zu strukturieren. Für beide Komponenten des eigentlichen Sensorelementes, nämlich die Elektroden 201 und 202 und die empfindliche Schicht 21 kommt neben einer Dickschichtrealisierung auch eine Dünnschichtrealisierung in Frage, da diese Komponenten direkt auf den Träger 10 aufgebracht werden. Auch die Leiterbahnen 311, 312 können entweder in Dick schicht- oder ggf. in Dünnschichttechnik realisiert werden. Das Durchkontaktieren zur elektrischen Verbindung der auf der Unterseite des Mittelbereichs 12 des Trägers 10 aufgebrachten Widerstände 25 und 26 ist ein Standardverfahren der Dickschichttechnik.

Das Meßprinzip des in Fig. 2 dargestellten Sensors beruht darauf, daß sich der Gesamtwiderstand der Anordnung der beiden Elektroden 201 und 202 mit der empfindlichen Schicht 21 je nach Menge des von der empfindlichen Schicht 21 adsorbierten Schadgases ändert. Die zu untersuchende Luft wird also über die mit dem Sensorelement behaftete Oberseite des Trägers 10 geleitet. Die Widerstandsänderung des Sensorelementes wird erfaßt und mit der Auswerteschaltung 30 ausgewertet. Aus thermodynamischen Gründen werden die Sensorelemente bei erhöhten Temperaturen je nach Art des Schadgases, das detektiert werden soll, bei Temperaturen von ca. 150°C bis ca. 500°C betrie ben. Die Beheizung des Sensorelementes erfolgt durch den Heizwider stand 25 auf der Unterseite des Mittelbereichs 12 des Trägers 10, kann aber auch durch eine andere Heizvorrichtung erfolgen. Der Temperatur-Meßwiderstand 26 dient zur exakten Temperaturregelung, da die Güte des Meßergebnisses entscheidend von einer homogenen Tem peraturverteilung auf dem Sensorelement abhängt. Durch die erfin dungsgemäße Struktur der Stege 13 wird eine so gute thermische Abkopplung des Mittelbereichs 12 vom Außenbereich 11 des Trägers 10 erreicht, daß mehrere, getrennt beheizbare Sensorelement auf mehreren Mittelbereichen 12 eines Trägers angeordnet werden können und zur Detektion von unterschiedlichen Schadgasen eingesetzt werden können. Diese gute thermische Entkopplung ermöglicht auch, die Aus werteschaltung sowie die Heizregelung mit Leistungsbauelementen auf dem verbleibenden Teil, dem Außenbereich 11, des Trägers 10 anzu ordnen.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Elektroden 201 und 202. Erfindungsgemäß werden sie als ineinandergreifende Kamm strukturen ausgebildet, über denen dann die empfindliche Schicht 21 abgeschieden wird. Diese spezielle Ausgestaltung wirkt wie eine Parallelschaltung von mehreren hochohmigen Widerständen und dient dazu, den Gesamtwiderstand des Sensorelementes in einen gut meßbaren Bereich zu verlagern, so daß das Ausmaß von Widerstandsänderungen exakt erfaßt werden kann.

In Fig. 4 ist mit 50 ein Gehäuse bezeichnet, das mehrere Teilräume 501, 502, 503 und 504 aufweist. Der Träger 10 mit den Sensor elementen 1 und 2 sowie der Auswerteschaltung 30 und der Heiz regelung 35 ist so in dem Gehäuse 50 eingebaut, daß in dem abge schlossenen Teilraum 503 die Auswerteschaltung 30 und die Heiz regelung 35 angeordnet sind. An diesem abgeschlossenem Teilraum 503 befindet sich ein Anschlußstecker 57 für den Sensor. In zwei Teil räumen 501 und 502 befindet sich jeweils ein Sensorelement 1 und 2. Diese Teilräume können mittels eines Lüfters 53, der an einen in einem vierten Teilraum 504 angeordneten Belüftungsmotor 54 ange schlossen ist, belüftet werden. Ferner befinden sich in den Außen wänden der Teilräume 501 und 502 jeweils Filter 51 und 52, die ggf. eine Aufbereitung der zu untersuchenden Luft vor der Messung vor nehmen können. Mit dem in das Gehäuse 50 integrierten Lüfter 53 und Lüftermotor 54 kann ein Gas- bzw. Partikelstrom mit konstanter Geschwindigkeit über die Sensorelemente 1 und 2 geleitet werden. Der erfindungsgemäße Gassensor mit einem Gehäuse entsprechend Fig. 4 zeichnet sich durch ein sehr kompaktes Bauvolumen aus.

Claims

1. Gassensor, mit einem plattenförmigen Träger aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise Keramik, der so mit Durchgangslö chern versehen ist, daß er mindestens einen Außenbereich und einen Mittelbereich aufweist, die über Stege miteinander verbunden sind, mit mindestens einem auf dem mindestens einen Mittelbereich angeordneten Sensorelement, das zwei einander gegenüber angeordnete Elektroden auf weist und eine empfindliche Schicht, die die leitende Verbindung zwi schen den Elektroden herstellt, mit mindestens einer Heizvorrichtung für das Sensorelement und mit auf den Stegen angeordneten Leiterbahnen zum elektrischen Anschluß des Sensorelementes und der Heizvorrichtung, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Stege (13) spiralförmig um den Mittelbereich (12) ausgebil det sind,
- daß das Sensorelement (1, 2) mit den beiden Elektroden (201, 202) und der empfindlichen Schicht (21) direkt auf die Oberseite des Mittelbereiches (12) aufgebracht ist,
- daß die beiden Elektroden (201, 202) als ineinandergreifende Kamm strukturen ausgebildet sind
- und daß die Heizvorrichtung (25) auf die Unterseite des Mittelbe reiches (12) aufgebracht ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Heizvorrichtung (25) durch mindestens einen Heizwiderstand realisiert ist.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß mindestens ein Temperatur-Meßwiderstand (26) auf der Unterseite des Mittelbereichs (12) angeordnet ist.

4. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Heizwiderstand und/oder der mindestens eine Tempera tur-Meßwiderstand (26) durch in den Träger (10) eingebrachte Durchkontaktierungen (32) von der Oberseite des Trägers (10) elektrisch kontaktierbar sind.

5. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Auswerteschaltung (30) und/oder eine oder mehrere Heiz regelungen (35) auf dem Außenbereich (11) des Trägers (10) ange ordnet sind.

6. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Sensorelement (1, 2), der Heizwiderstand, der Tempera tur-Meßwiderstand (26), die Leiterbahnen (311, 312), die Durch kontaktierungen (32), die Auswerteschaltung (30) und die Heiz regelung (35) zumindest teilweise in Dickschichttechnik und/oder in Dünnschichttechnik realisiert sind.

7. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß auf einem Träger (10) mehrere, getrennt beheizbare Sensorelemente (1, 2) auf jeweils einem Mittelbereich (12) angeordnet sind.

8. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Träger (10) mit dem mindestens einen Sensorelement (1, 2), der Auswerteschaltung (30) und der Heizregelung (35) in einem Gehäuse (50) mit mehreren Teilräumen (501, 502, 503, 504) angeordnet ist, so daß die Auswerteschaltung (30) und die Heizregelung (35) in einem von der Luftzufuhr abgeschlossenen Teilraum (503) angeordnet ist und das Sensorelement in einem weiteren Teilraum (501, 502) angeordnet ist, der von der zu untersuchenden Luft durchströmt wird.

9. Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein Lüfter (53) mit einem Lüftermotor (54) vorhanden ist, so daß die Luftzufuhr zu dem Sensorelement (1, 2) regelbar ist.

10. Gassensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,

- daß mindestens ein Filter (51, 52) vorhanden ist, zur Filterung der den Teilraum (501, 502) durchströmenden Luft, in dem das Sensorelement (1, 2) angeordnet ist.