DE4431456A1

DE4431456A1 - In Dick- oder Dünnschichttechnik hergestellter Gassensor

Info

Publication number: DE4431456A1
Application number: DE19944431456
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Fischer; Bernd Dr Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Paragon AG
Priority date: 1994-09-03
Filing date: 1994-09-03
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2014-09-04
Also published as: DE4431456C2; WO1996007898A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Gassensor nach der Gattung des Hauptanspruchs, wie er beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 43 34 672.3 vorgeschlagen wurde. Der dort vorgeschlagene Sensor besteht im wesentlichen aus zwei auf einem isolierenden Substrat aufgebrachten Leiterbahnen, über die eine halbleitende Metalloxidschicht aufgebracht ist. Die Metalloxidschicht wird mit einem Stickoxide enthaltenden Prüfgas beaufschlagt. Dabei ändert sie entsprechend der Konzentration der in dem Prüfgas enthaltenen Stickoxide ihren elektrischen Widerstand. Mittels der als Elektroden fungierenden Leiterbahnen wird dieser bestimmt.

Eine Schwierigkeit beim Aufbau solcher Sensoren besteht darin, daß viele in Betracht kommende sensitive Schichten, insbesondere für die Gase CO, NO_x, CO_x oder Sauerstoff einen sehr hohen elektrischen Widerstand von bis zu einigen Megaohm aufweisen. Ihre Widerstände liegen dann bereits im Bereich des Isolationswiderstands zwischen den Leiterbahnen. Die Messung des Widerstands der sensitiven Schicht kann deshalb unter realen Betriebsbedingungen nicht immer befriedigend erfolgen. Bei dem in der deutschen Anmeldung Aktenzeichen P 43 34 672.3 vorgeschlagenen Sensor wurde diesem Umstand durch eine kammartig ineinandergreifende Ausgestaltung der Leiterbahnen sowie durch Anordnung einer Heizung zum Erwärmen der sensitiven Widerstandsschichtrechnung getragen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranordnung mit weiter verbesserter Meßempfindlichkeit anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Indem die Elektroden nicht in Bezug auf die sensitive Widerstandsschicht nebeneinander, sondern unter Zwischenschaltung der Widerstandsschicht einander nach Art eines Sandwiches flächig gegenüberliegend angeordnet sind, hängt der Widerstand der sensitiven Widerstandsschicht wesentlich von der Fläche der Elektroden ab. Dadurch kann er in einfacher Weise auf kleine, und gut meßbare Werte gebracht werden.

Vorteilhaft setzt sich die die Oberseite der sensitiven Widerstandsschicht kontaktierende Elektrode aus einer auf das Substrat aufgebrachten Leiterbahn sowie einer über die sensitive Widerstandsschicht aufgebrachten Deckschicht zusammen, welche mit der Leiterbahn verbunden ist. Die andere Elektrode kann in herkömmlicher Weise als Leiterbahn auf das Substrat aufgebracht sein.

Der die Oberseite der Widerstandsschicht kontaktierende Teil der betreffenden Elektrode besteht vorteilhaft aus einem porösen, gasdurchlässigen Material.

Die Deckschicht kann in vorteilhafter Weise als reine Schutzschicht gegen Verunreinigungen oder gegenüber Bestandteilen im Prüfgas, welche die Eigenschaften der Sensorschicht stören, eingesetzt werden. Sie besteht in diesem Fall aus einem in Bezug auf die Gasdetektion neutralen Material.

Für einige Anwendungen kann ein Vorteil erreicht werden, indem die Deckschicht aus einem Material ausgeführt ist, welches die Gasdetektion zum Beispiel durch katalytische Eigenschaften vorteilhaft beeinflußt.

In einer besonders geeigneten Gestaltung der Elektroden-Leiterbahnen, soweit sie auf dem Substrat angeordnet sind, umschließt die eine Elektrode die andere in einer U-Form, so daß der Abstand zwischen den Elektrodenrändern minimal ist.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Zeichnung

Es zeigen

Fig. 1 einen Gassensor nach dem Stand der Technik, Fig. 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gassensor, Fig. 3 Schritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein Gassensor nach dem Stand der Technik ist in Fig. 1 wiedergegeben. Er besteht aus einem Substrat 1, auf das in einem Abstand A zwei nebeneinander parallel verlaufende Leiterbahnen 31, 32, sowie eine Widerstandsschicht 4 aufgebracht sind. Bei Beaufschlagung mit einem zu prüfenden Gas verändert die Widerstandsschicht 4 ihren elektrischen Widerstand. Er wird zwischen den beiden als Elektroden wirkenden Leiterbahnen 31, 32 gemessen. Die Widerstandsschicht 4 enthält je nach zu prüfendem Gas zum Beispiel Titanoxid (TiO₂), Zinnoxid (SnO₂) oder andere halbleitende Materialien. Ist D die Dicke der Widerstandsschicht 4 in Bezug auf die Oberfläche des Substrats 1 beziehungsweise der Leiterbahn 31, 32 und L die Länge des von der Widerstandsschicht 4 bedeckten Teils der Leiterbahnen 31, 32, so ergibt sich der zwischen den Leiterbahnen 31 und 32 meßbare elektrische Widerstand der Schicht 4 aus der Beziehung:

R = K·R₀·A/(D·L)

Darin ist R₀ der sich in Abhängigkeit von dem Prüfgas ändernde spezifische Widerstand des Materials der Widerstandsschicht 4, K eine Konstante, die der Verteilung des elektrischen Feldes in der Widerstandsschicht Rechnung trägt.

Des öfteren weisen die verwendeten Widerstandsschichten 4 spezifische Widerstände in der Größenordnung des Isolationswiderstands zwischen den Leiterbahnen 31, 32 auf. Das Meßergebnis besitzt in diesen Fällen eine hohe Ungenauigkeit. Eine Erhöhung der Meßgenauigkeit durch eine geschickte Dimensionierung von Leiterbahnen 31, 32 sowie Widerstandsschicht 4 ist nur in sehr engen Grenzen möglich. Drucktechnisch bedingt sind ohne erheblichen Mehraufwand für die Widerstandsschicht 4 Schichtdicken D von 5 bis 200 µm, für den Elektrodenabstand A Abstände von 50 bis 500 µm realisierbar.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der der Widerstand der Widerstandsschicht 4 regelmäßig kleinere Werte annimmt. Der in Fig. 2 wiedergegebene Sensor besteht ebenfalls aus einem Substrat 1, auf welches zunächst zwei Leiterbahnen 31, 32 als Elektroden aufgebracht sind. Auf die Leiterbahnen ist nun jedoch eine sensitive Widerstandsschicht 4 so aufgebracht, daß sie die eine Leiterbahn 31 vollständig, die zweite Leiterbahn 32 dagegen nur teilweise überdeckt. Über der Anordnung aus Widerstandsschicht 4 und Leiterbahnen 31, 32 ist weiterhin eine Deckschicht 5 aus leitfähigem, porösem Material aufgebracht. Sie bedeckt zum einen die Widerstandsschicht 4 sowie zum anderen jeweils zumindest einen Teil des von der Widerstandsschicht 4 nicht überdeckten Teils der Leiterbahn 32. Die Leiterbahn 31 berührt sie nicht. Auf diese Weise verlängert die Deckschicht 5 aus leitendem Material die Leiterbahn 32 auf die Oberseite der Widerstandsschicht 4. Die Messung des Widerstandes der Widerstandsschicht 4 beruht deshalb nicht mehr auf der Messung eines zwischen den Leiterbahnen 31, 32 parallel zur Oberfläche des Substrats durch einen kleinen Querschnitt fließenden Stroms. Grundlage der Messung bildet statt dessen der zwischen der Deckschicht 5 und der Oberfläche der Leiterbahn 31, senkrecht zur Oberfläche des Substrats durch einen großen Querschnitt fließende Strom. Ist B die Breite der von der Widerstandsschicht 4 vollständig überdeckten Leiterbahn 31, L die Länge des von der Widerstandsschicht 4 bedeckten Teils der Leiterbahn 31 und D wiederum die Dicke der Widerstandsschicht 4, so ergibt sich der Widerstand der Schicht 4 bei der Anordnung nach Fig. 2 näherungsweise aus der Gleichung:

R = R₀·D/(B·L),
wenn wiederum R₀ der spezifische Widerstand des Materials der Widerstandsschicht 4 ist.

Eine Verkleinerung der für die Widerstandsschicht 4 zu messenden Widerstandswerte kann demnach insbesondere durch großflächige Gestaltung des als Elektrode wirksamen Teils B·L der Leiterbahn 31 erreicht werden.

Eine mögliche vorteilhafte Ausgestaltung der Leiterbahnen 31, 32 zeigt Fig. 3a. Die Leiterbahn 31, welche im folgenden Schritt 3b vollständig von der Widerstandsschicht 4 überdeckt wird, ist in dem nachfolgend überdeckten Bereich nach Art einer Fahne verbreitert ausgebildet.

In den Fig. 3b und 3c sind die weiteren Schritte zur Herstellung eines Sensors nach Fig. 2 veranschaulicht. Auf die Leiterbahnen 31, 32 wird zunächst die sensitive Widerstandsschicht 4 so aufgebracht, daß sie den verbreiterten Kopfbereich der Leiterbahn 31 vollständig sowie die um den verbreiterten Kopfbereich der Leiterbahn 31 herumgeführte Leiterbahn 32 teilweise bedeckt. Anschließend wird die leitfähige, gasdurchlässige Deckschicht 5 so aufgebracht, daß sie einerseits die Widerstandsschicht 4 näherungsweise vollständig, sowie weiterhin den freien, von der Widerstandsschicht 4 nicht überdeckten Bereich der Leiterbahn 32 bedeckt. Letztere wird dadurch von der Deckschicht 5 elektrisch kontaktiert.

Die Deckschicht 5 besteht aus einem gasdurchlässigen Material, zum Beispiel (ZWC: Bitte Beispiele) . Außer als Elektrode wirkt sie in vorteilhafter Weise als Schutzschicht für die sensitive Widerstandsschicht 4. Sinnvoll ist es ferner, die Deckschicht durch eine geeignete Materialzusammensetzung dazu zu verwenden, die Gasdetektion positiv zu beeinflussen.

Bei resistiven TiO₂-λ-Sonden kann dies beispielsweise erreicht werden, in dem die Deckschicht als leitfähige Edelmetallschicht, beispielsweise aus Platin (PT) und/oder Rhodium (Rh), ausgeführt ist. Sie übt in dieser Form eine katalytische Wirkung auf das Prüfgas aus und beschleunigt die Einstellung eines Gleichgewichtssauerstoffpartialdrucks.

Bei Halbleiter-Gassensoren, etwa auf Zinnoxidbasis, ist es zweckmäßig, die Deckschicht aus halbleitenden Metalloxiden, etwa mit 1% tantaldotiertem Zinnoxid oder Metalloxidmischungen zu fertigen und ihr ferner katalytisch wirkende Metalle wie Platin (Pt) beizufügen, welche beispielsweise bei einer NO_x-sensitiven Schicht die CO- und/oder CH_x-Bestandteile oxidieren. Solche Metalle sind beispielsweise Platin (Pt) oder Platin-Rhodium-(Pt-Rh)- Legierungen. Für CO-CH_x-Sensoren empfiehlt sich die Verwendung unbeschichteter, nicht katalytisch aktiver Metalloxide wie tantaldotiertes Zinnoxid, die eine Abreaktion von brennbaren Bestandteilen mit der Deckschicht 5 verhindern.

Zur Erzielung besonders guter Meßergebnisse hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, die Elektroden 31, 32 derart zu gestalten, daß die Elektrode 32 den Kopf der Elektrode 31 U-förmig umgibt, wodurch der Weg zwischen den Elektrodenrändern minimal ist.

Claims

1. In Dick- oder Dünnschichttechnik hergestellter Gassensor mit einer auf einem Substrat aufgebauten sensitiven Widerstandsschicht, deren elektrischer Widerstand eine Aussage über wenigstens eine Eigenschaft eines in einem Prüfgas enthaltenen Gases liefert, sowie mit zwei Elektroden zum Messen des sich in der sensitiven Widerstandsschicht einstellenden Widerstandes, von denen zumindest eine erste zwischen Substrat und der Unterseite der sensitiven Widerstandsschicht angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der zweiten Elektrode (32, 5) der ersten (31) flächig gegenüberliegend auf der Oberseite der Widerstandsschicht (4) angeordnet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Oberseite der Widerstandsschicht (4) angeordnete Teil (5) der zweiten Elektrode (32) gasdurchlässig ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (32, 5) aus einer auf das Substrat (1) aufgebrachten Leiterbahn (32) sowie einer über der Widerstandsschicht (4) aufgebrachten Deckschicht (5) aus elektrisch leitendem Material aufgebaut ist, welche die Leiterbahn (32) kontaktiert.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht eine leitfähige Edelmetallschicht ist.

5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus halbleitenden Metalloxiden aufgebaut ist.

6. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht Materialbestandteile enthält, welche die Gasdetektion katalytisch unterstützen.

7. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (32) die andere Elektrode, welche von der Widerstandsschicht (4) vollständig überdeckt wird, U-förmig umgibt.