DE4223432A1 - Gassensor mit einem temperaturfuehler - Google Patents
Gassensor mit einem temperaturfuehlerInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperaturfühler zur
Erfassung der Temperatur des Gassensors, wobei der Temperatur
fühler gemeinsam mit dem Gassensor in planarer Technik auf dem
Substrat angeordnet ist.
Bisher wurden sogenannte resistive Temperaturfühler-Signale
als Eingangsgröße für die Sensorbeheizung benutzt. Der Wider
stand von Platinleiterbahnen (in Dickschicht- bzw. Dünn
schichttechnologie realisiert) besitzt im relevanten
Temperaturbereich eine gut auswertbare Temperaturabhängigkeit.
Außerdem ist es bekannt, zur Einstellung der erforderlichen
Betriebstemperatur des Sensors eine Kompensationsschaltung aus
einem aktiven und einen passivierten (d. a. gasdicht abgedeckten)
Gassensorelement zur Kompensation kurzfristiger Temperatur
schwankungen zu verwenden. Mit der Temperaturabhängigkeit des
elektrischen Widerstands des passivierten Gassensorelements
wird die Temperaturabhängigkeit des Widerstands des aktiven
Sensorelements über eine Brückenschaltung ausgeglichen. Durch
die zum Teil geforderten extrem hohen Einsatztemperaturen und
extrem rauhen Einsatzbedingungen ist mit beiden der bekannten
Verfahren eine Langzeitstabilität nur mit aufwendigen und ent
wicklungsintensiven Vorkehrungen zu erreichen. Die beiden ge
nannten Aufgaben konnten bisher nur wie zuvor beschrieben, mit
zwei getrennten Vorrichtungen gelöst werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen
Sensor mit integriertem Temperaturfühler zu schaffen, der
die zuvor genannten Nachteile beim Stand der Technik ver
meidet und als Hochtemperatur-Gassensor zur Erfassung
schneller Temperaturwechsel geeignet ist, wobei der Gassensor
einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen soll.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Gassensor der eingangs ge
nannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
vorgeschlagen. Der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist,
daß der Temperaturfühler als Thermoelement ausgebildet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in
den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Der
erfindungsgemäße Gassensor mit dem integrierten Temperatur
fühler in Form eines Thermoelements ist vorteilhafterweise
insbesondere zur Erfassung und Kompensation kurzfristiger
Temperaturschwankungen, wie sie beispielsweise bei Last
wechseln eines Verbrennungsmotors auftreten, zu verwenden.
Temperaturschwankungen im Sub-Sekundenbereich können im allge
meinen nicht durch Nachregelung der Heizung vermieden werden.
Bei Verwendung der schnellen Temperatursensoren entfällt die
Notwendigkeit der technologisch äußerst aufwendig zu reali
sierenden Passivierungsschicht.
Der erfindungsgemäße Gassensor mit dem integrierten Temperatur
fühler ist vorteilhaft beispielsweise als schneller, zylinder
selektiver Sauerstoffsensor im Kfz-Abgastrakt oder als Sensor
für reduzierende Gase bei hohen Temperaturen auf dem Gebiet
der Kfz-Motoren oder auf dem Gebiet chemischer Großprozesse
anzuwenden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im
Einzelnen beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gassensor
struktur mit einem gemeinsamen Substrat oder Träger
körper für eine gassensitive Schicht mit einer Inter
digitalen Kontaktelektrodenanordnung sowie einer so
genannten Thermopaarung mit einer für Thermoelemente
typischen Kontaktstelle.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsge
mäßen Gassensors, wobei die Thermopaarung mit ihrer
Kontaktstelle zwischen den Zu- bzw. Abführungsleiterbahnen
für die Kontaktelektrodenanordnung vorgesehen ist.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei der die Thermopaarung mit einer ihrer Leiterbahnen
gemeinsam mit einer der Leiterbahnen der Kontakt
elektrodenanordnung für die gassensitive Schicht aus
gebildet ist.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung bei der zwei unabhängig voneinander arbeitende
Gassensoren mit einer gemeinsamen Thermopaarung auf dem
Trägerkörper oder dem Substrat angeordnet sind, wobei
eine der Leiterbahnen der Thermopaarung gemeinsam mit
einer der Leiterbahnen einer der Kontaktelektrodenan
ordnungen ausgebildet ist.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung mit mehreren Temperaturzonen auf einem für
mehrere Gassensoren gemeinsamen Trägerkörper, wobei nur
in einer einzigen Temperaturzone von einer Vielzahl von
Temperaturzonen ein gemeinsames Thermoelement zur
direkten bzw. indirekten Erfassung der jeweiligen
Sensor-Betriebstemperatur vorgesehen ist und wobei
Temperaturzonen durch Einfügen einer Wärmebarriere in
dem Trägerkörper gebildet sind.
Die vorliegende Erfindung sieht, wie bereits eingangs er
läutert, die Verwendung eines stabilen Dünnschicht-Thermo
elements zur Lösung der genannten Aufgabe vor.
Die Verwendung von Thermoelementen bedeutet die Anwendung
eines Meßprinzips, das von seiner Funktion her eine besonders
gute Stabilität und Unempfindlichkeit gegenüber erodierenden
Einflüssen besitzt.
Bekanntermaßen existiert eine Reihe von Thermopaarungen, die
auch bei höchsten Temperaturen ohne weitere Stabilisierungs
maßnahmen eine hohe Langzeitstabilität aufweisen. Zur Auswahl
geeigneter Materialien sei z. B. auf T. Elliott, "Selecting
thermocouples for high-temperature applications" Power (USA),
vol. 133. No. 7 (1989) p. 41, verwiesen. Gute Stabilitäts
eigenschaften, auch in aggressiven Atmosphären besitzen z. B.
Thermopaarungen auf der Basis von Legierungen von Platin
metallen (z. B. Pt vs. Pt/10%Rh oder Pt/30%Rh vs. Pt/6%Rh)
oder auf der Basis von Inconell.
Übliche Realisierungen von Thermoelementen (Schweißperle als
Verbindung zweier verschiedener Drähte) weisen aufgrund ihrer
zu hohen Wärmekapazität nicht das geforderte schnelle Ansprech
verhalten auf. Die nötige Verringerung der Wärmekapazität wird
durch die Realisierung der Thermoelemente in Form dünner
Schichten erreicht. Diese Dünnschicht-Thermoelemente besitzen
optimalen Temperaturkontakt zum Sensorsubstrat. Die Her
stellung solcher Thermoelemente ist unter Verwendung von Dünn
schichttechnologie (Sputtern, siehe z. B. J. G. Godefroy et
al., "Thin-film temperature sensors deposited by radio
frequency cathodic sputtering", J. Vac. Sci. Technol. AS (5)
Sep/Oct 1987, p. 2917) oder unter Verwendung von Dickschicht-
Technologie möglich. Die Herstellung dieser planaren Thermo
elemente ist somit technologiekompatibel zu der Herstellung
der Hochtemperatur-Gassensoren.
Thermoelemente benötigen eine Referenztemperatur. Bei be
sonders hohen Anforderungen ist dies durch eine elektronische
Referenz zu verwirklichen, bei nicht so hohen Anforderungen
oder wenn hauptsätzlich kurzzeitige Temperaturschwankungen
detektiert werden sollen, kann die Umgebungstemperatur als
Referenz verwendet werden. Wenn derartige Thermoelemente in
schnellen, zylinderselektiven Sauerstoffsensoren eingesetzt
werden, ist die Auswertung der Thermospannung im mS-Zeitbereich
erforderlich. Bei elektronisch abgespeicherten Kennlinien der
Thermoelemente ist das mit üblichen Digitalelektroniken
problemlos realisierbar.
- - Die thermoelektronische Spannung stellt im Gegensatz zu den zuvor angegebenen Verfahren eine geometrieunabhängige Größe dar. Sie wird somit in erster Näherung von dem, bei den extrem hohen Einsatztemperaturen auftretenden Materialver lust von Platinmetallen nicht berührt.
- - Wenn mit einer zusätzlichen Passivierung die Stabilität der Thermoelemente weiter gesteigert werden soll, sind die technologischen und materialtechnischen Anforderungen an eine solche Schicht weitaus geringer als bei der zuvor genannten Passivierung der Sensorschicht.
- - Da die thermoelektrische Spannung eine geometrieunabhängige und nur materialabhängige Größe darstellt, ist eine kalibrierfreie Herstellung derartiger Temperaturfühler möglich.
- - Die zu den Gassensoren technologiekompatiblen Thermoelemente erlauben eine problemlose Integrierbarkeit in den bisherigen Sensoraufbau in Form eines Mikrosystems.
Die erfindungsgemäße Gassensor-Struktur 1 und die Thermo
element-Struktur 2 können erfindungsgemäß in Dünnschicht-
Technik, in Dickschicht-Technik oder für die Gassensor-
Struktur in Dünnschicht-Technik und die Thermoelement-Struktur
In Dickschicht-Technik bzw. die Gassensor-Struktur in Dick
schicht-Technik und die Thermoelement-Struktur in Dünnschicht-
Technik ausgebildet sein.
Die Gassensor-Struktur 1 und die Thermoelement-Struktur 2 können
seitlich nebeneinander auf dem gemeinsamen Trägerkörper 3 ange
ordnet sein (vgl. Fig. 1) oder es kann vorgesehen sein, daß
die Thermoelement-Struktur hinter der Gassensor-Struktur in
Richtung auf den erforderlichen Befestigungssockel auf dem
Trägerkörper angeordnet ist (vgl. Fig. 2). Gemäß einem anderen
Ausführungsbeispiel können die Thermoelement-Struktur und die
Gassensor-Struktur derart ausgebildet sein, daß ein Schenkel
der Thermopaarung des Thermoelements zumindest teilweise Be
standteil einer Zuführungs- oder Abführungsleiterbahn des Gas
sensors ist (vgl. Fig. 3). Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen,
daß zumindest zwei Gassensor-Strukturen 1 nebeneinander auf dem
Trägerkörper 3 angeordnet sind und daß ein Schenkel der Thermo
element-Struktur 2 zumindest teilweise Bestandteil einer Zu
führungs- oder Abführungs-Leiterbahn einer der zumindest zwei
Gassensor-Strukturen ist (vgl. Fig. 4).
Die Gassensorstruktur und/oder die Thermoelement-Struktur sind
vorzugsweise mit einer Schutzschicht zum Schutz gegen Errosion
abgedeckt. Erfindungsgemäß kann eine hochohmige, reaktions
schnelle Elektronik zur Auswertung des jeweiligen Spannungs
signals des Thermoelements vorgesehen sein, wobei die
Elektronik gemeinsam für den Gassensor und das Thermoelement
zu benutzen ist.
Als Thermopaarung für das Thermoelement kann die Kombination
Pt/90%Pt, 10%Rh vorgesehen sein. Es ist auch möglich, für die
Thermopaarung des Thermoelements unterschiedliche Legierungen
aus Platin-Metallen vorzusehen. Schließlich kann vorgesehen
sein, daß für die Thermopaarung des Thermoelements unter
schiedliche Legierungen auf der Basis von verschiedenen
zunderfreien Stählen, z. B. Inconell, vorgesehen sind. Die
erfindungsgemäße Gassensor-Struktur mit integriertem
Temperaturfühler ist auch dafür geeignet, sie im Rahmen eines
Gassensor-Array mit einer Vielzahl von Gassensoren 1 gemäß den
genannten Ausführungsbeispielen zu verwenden, wobei gegebenen
falls mehrere Temperaturfühler 2 für verschiedene Betriebs
temperaturfelder oder Zonen auf dem der Vielzahl von Gas
sensoren 1 gemeinsamen Trägerkörper 3 zur Betriebstemperaturer
fassung und Regelung der verschiedenen Betriebstemperaturen
vorgesehen sein können (vgl. Fig. 5).
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Gas
sensors oder eines Gassensor-Array mit zumindest einem diesem
zugeordneten Temperaturfühler in Form eines Thermoelements
sieht vor, daß gemeinsame Schritte zur Bildung der Gassensor-
Struktur und eines Schenkels des Thermoelements durchgeführt
werden.
Claims (16)
1. Gassensor mit einem Temperaturfühler zur Erfassung
der Temperatur des Gassensors, wobei der Temperaturfühler
gemeinsam mit dem Gassensor in planarer Technik auf einem
Trägerkörper angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Temperaturfühler (2) als Thermoelement ausgebildet
ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gassensor-Struktur und die Thermoelement-Struktur
jeweils in Dünnschicht-Technik ausgebildet sind.
3. Gassensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gassensor-Struktur und die Thermoelement-Struktur
jeweils in Dickschicht-Technik ausgebildet sind.
4. Gassensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gassensor-Struktur in Dünnschichttechnik und
die Thermoelement-Struktur in Dickschichttechnik ausgebildet
sind.
5. Gassensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gassensor-Struktur in Dickschichttechnik und die
Thermoelement-Struktur in Dünnschichttechnik ausgebildet
ist.
6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gassensor-Struktur und die Thermoelement-Struktur
seitlich nebeneinander auf dem Trägerkörper angeordnet
sind.
7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Thermoelementstruktur hinter der Gassensor-Struk
tur in Richtung auf den Befestigungssockel auf dem Träger
körper angeordnet ist.
8. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Thermoelementstruktur und die Gassensor-Struktur
derart ausgebildet sind, daß ein Schenkel der Thermopaarung
des Thermoelements zumindest teilweise Bestandteil einer Zu
führung- oder Abführungsleiterbahn des Gassensors ist.
9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest zwei Gassensor-Strukturen nebeneinander auf dem
Trägerkörper angeordnet sind und daß ein Schenkel der
Thermoelementstruktur zumindest teilweise Bestandteil einer
Zuführungs- oder Abführungs-Leiterbahn einer der zumindest zwei
Gassensor-Strukturen ist.
10. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gassensor-Struktur und/oder die Thermoelementstruktur
mit einer Schutzschicht zum Schutz gegen Erosion abgedeckt
sind.
11. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine hochohmige, reaktionsschnelle Elektronik zur Aus
wertung des jeweiligen Spannungssignals des Thermoelementes
vorgesehen ist, wobei die Elektronik gemeinsam für den Gas
sensor und das Thermoelement zu benutzen ist.
12. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Thermopaarung für das Thermoelement die Kombination
Pt/90%Pt, 10% Rh vorgesehen ist.
13. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Thermopaarung des Thermoelementes unterschied
liche Legierungen aus Platin-Metallen vorgesehen sind.
14. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Thermopaarung des Thermoelementes unterschied
liche Legierungen auf der Basis von verschiedenen zunder
freien Stählen, z. B. Inconell, vorgesehen sind.
15. Gassensor-Array mit einer Vielzahl von Gassensoren nach
einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Temperaturfühler (2) für verschiedene Betriebs
temperaturfelder auf dem der Vielzahl von Gassensoren (1)
gemeinsamen Trägerkörper (3) zur Betriebstemperaturerfassung
und Regelung der verschiedenen Betriebstemperaturen vorgesehen
sind.
16. Verfahren zur Herstellung eines Gassensors oder eines
Gassensors-Array mit einem diesem zugeordneten Temperaturfühler
in Form eines Thermoelementes,
dadurch gekennzeichnet,
daß gemeinsame Schritte zur Bildung der Gassensorstruktur
und eines Schenkels des Thermoelementes vorgesehen sind.
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