DE68912830T2 - Integrierter heizbarer Fühler. - Google Patents

Integrierter heizbarer Fühler.

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Sensor, insbesondere aber nicht ausschließlich, auf einen integrierten aufheizbaren Sensor für die Messung einer Gaskonzentration.
  • Konzentrationsmessungen für unterschiedliche Gasarten werden im zunehmenden Ausmaß sowohl für die Umwelt des Menschen als auch für industrielle Verfahren durchgeführt. Leicht entzündliche Gase können unter Verwendung von Sensoren gemessen werden, die mit einer über die Umgebungstemperatur erhöhten Oberflächentemperatur betrieben werden. Leicht entzündliche Gase in der Umgebungsluft werden dadurch auf der Sensoroberfläche oxydiert, und Elektronen, die in dem Oxydationsprozess frei werden, verändern die elektrische Leitfähigkeit des Sensors.
  • Diese Änderung des Sensorwiderstandes wird herkömmlicherweise in eine Spannung oder einem Strom konvertiert, deren Größe proportianal zu der zu messenden Gaskonzentration ist.
  • Die Sensoren werden bei Konstruktionen des Standes der Technik, für gewöhnlich als separate Sensorelemente (oder - chips) hergestellt, die mittels elektrischen Leitungen an das den Sensor einkapselnden Gehäuse gebondet werden. Zusätzlich fungieren diese Bondverbindungen als Federn, die den Sensor tragen. Ein anderes Verfahren besteht darin, den Sensor auf wärmeisolierenden Stützen zu befestigen, während die elektrischen Anschlüsse mittels dünner Leiterelemente gebondet werden.
  • Die erstgenannte Konstruktion hat zwei prinzipielle Nachteile. Erstens muß die ferdernde Leitung mit einer ausreichenden Dicke ausgebildet sein, um den Sensor gegen mechanische Beanspruchungen, z.B. vor solchen, die durch Erschütterungen verursacht werden, zu schützen. Demgegenüber leitet aber eine dickere Zuführung soviel Wärme von dem Sensorelement ab, so daß der Einsatz erhöhter Heizleistung erforderlich wird. Obwohl zweitens Massenproduktionsverfahren bei der Verarbeitung der Sensoren angewandt werden, macht das Herstellen in Form separater Chips, das individuelle Befestigen in dem Sensorgehäuse und das Bonden an die zur Verfügung gestellte Elektronik, die Sensorherstellung zu einem komplizierten und teuren Verfahren.
  • In GB-A-2158586 ist ein Sensor offenbart, der ein Sensorelement, ein Heizelement zum Erwärmen des Sensors, eine elektronische Schaltung und ein Substrat aufweist, auf dem das Heizelement, das Sensorelement und die elektronische Schaltung plaziert werden. Das Sensorelement weist ein Widerstandssensorelement zum Bereitstellen eines Leitfähigkeitssignales auf, dessen Wert proportional zu der zu messenden Gaskonzentration ist, wobei das Heizelement derart angeordnet ist, daß das Sensorelement auf eine im wesentlichen konstante Temperatur erwärmt wird. Das Substrat ist mit Öffnungen versehen, um das Sensorelement thermisch von dem restlichen Teil des Substrats zu isolieren, wobei die Öffnungen um das Sensorelement angeordnet sind und sich durch das Substrat erstrecken.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Form von integrierten aufheizbaren Sensoren zu schaffen.
  • Insbesondere wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein integrierter Sensor für die Messung einer Gaskonzentration gemäß dem Anspruch 1 vorgestellt.
  • Die Erfindung ermöglicht es, einen aufheizbaren Sensor auf beispielsweise das Substrat einer Dickfilm-Hybrid Schaltung so zu integrieren, daß der Sensor und das Substrat eine integrierte Struktur bilden, bei der der Wärmefluß von dem Sensor auf das Substrat minimiert ist. Der Sensor kann während eines einzigen Arbeitsgangs des Masseproduktionsverfahrens auf ein die elektronischen Schaltungen enthaltendes Substrat integriert werden. Ein vorteilhaftes Verfahren, und zwar die Laserbearbeitung, läßt sich ferner auf die Herstellung der Öffnungen anwenden, indem dieser Arbeitsschritt mit der Dickfilm-Widerstandsfeinabgleichbehandlung kombiniert wird, die während der Kalibrierung des Sensors durchgeführt wird.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
  • Fig. 1 eine Draufsicht eines integrierten Sensoraufbaus;
  • Fig. 2 eine Draufsicht eines anderen integrierten Sensoraufbaus; und
  • Fig. 3 eine Ansicht von unten des in Fig. 2 dargestellten Sensoraufbaus.
  • Unter Bezugnahme auf die Produktionsverfahren der Dickfilm- und Dünnfilm-Hybrid-Schaltungen, die ausführlich beispielsweise in solchen Veröffentlichungen wie "Hammer D.W., Biggers J.V., Thick Film Hybrid Microcircuit Technology, Wiley-Interscience 1972", und "Holmes P. J., Handbook of Thick Film Technology, Electrochemical Publications Ltd., 1976" beschrieben sind, wird auf Details der zuvor erwähnten Techniken nicht eingegangen.
  • Ein auf Zinnoxid basierender Sensor 2 wird gemäß Fig. 1 auf einem Aluminiumsubstrat auf herkömmliche Weise hergestellt, wohingegen ein zusätzlicher Arbeitsgang ebenfalls durchgeführt wird, bei dem gleichzeitig die Leitungsverbindungen 3 der auf der Oberfläche angebrachten elektronischen Komponenten 4 sowie Widerstände 6 hergestellt werden. Der Heizwiderstand des Sensors 2 kann entweder auf der unteren oder der oberen Oberfläche des Substrats plaziert werden. In dem in der Figur dargestellten Aufbau, wird der Heizwiderstand außerhalb des dargestellten Bereiches unter dem Sensor 2 plaziert. In Verbindung mit dem Bonden der auf der Oberfläche angebrachten Komponenten 4, werden Öffnungen 5 um den Sensorbereich an geeigneten Plätzen beispielsweise unter Verwendung eines Lasers hergestellt. Diese Öffnungen 5 isolieren den Sensor 2 thermisch von dem restlichen Teil des Substrats. Eine typische Größe des Sensors beträgt ein paar Quadratmillimeter und die Größe des Substrats beträgt beispielsweise 2 x 3 cm². Die Breite der Schnittöffnungen kann beispielsweise ein paar hundert Mikrometer betragen.
  • Metallelektroden 8 und Leiter 12 werden gemäß Fig. 2 auf das Substrat unter Anwendung von Dickfilm- oder Dünnfilm- Techniken aufgearbeitet. Eine gasempfindliche Schicht 10 eines geeigneten Sensormaterials, beispielsweise SnO&sub2;, wird auf die Elektroden 8 gesintert. Die im vorliegenden Fall als Sensor 15 bezeichnete Gesamtheit umfaßt definitionsgemäß eine Sensormaterialschicht 10 und die Elektroden 8. In dem in der Figur dargestellten Aufbau, sind die Öffnungen so angeordnet, daß der Sensor 15 von einem ringförmigen ersten Satz von inneren Öffnungen umgeben ist, der aus vier L-förmigen Öffnungen 17 besteht, die ferner von einem zweiten Satz von äußeren Öffnungen umgeben sind, der aus vier rechteckigen Öffnungen 13 besteht. Die Leiter 12 der Elektroden 8 werden über Brücken 14 geführt, die zwischen den Öffnungen 13 und 17 verbleiben. Das Verhältnis der Brücken zu dem Umfang des Sensors 15 beträgt ca. 10 %, wobei dieser Parameter von 5 % bis 15 % variieren kann, was durch die Materialart und andere Vorgaben vorgeschrieben wird. Die elektronische Schaltungen, zusammen mit ihren zugeordneten Komponenten, sind in der Figur nicht dargestellt; jedoch ist deren Position in Figur 1 angegeben.
  • In Fig. 3 ist die Plazierung des Heizwiderstands 11 des Sensors an die Unterseite des Substrats 7 dargestellt. Leiter 16 des Heizwiderstands werden entlang den zwischen den Öffnungen 13 und 14 verbleibenden Brücken geführt.
  • Die Form der Öffnungen kann natürlich innerhalb sehr großer Grenzen variieren, da das vorteilhafteste Werkzeug der Laser einen extrem großen Freiraum der Steuerung bietet. Folglich können die vorgeschlagenen rechteckigen Formen der Öffnungen auf einfache Weise durch frei ausgewählte Formen mit gekrümmten Konturen ersetzt werden. Ferner kann die ideale Kreisform durch eine elliptische Kontur ersetzt werden.

Claims (7)

1. Integrierter Sensor, welcher ein ebenflächiges Aluminiumsubstrat (1, 7), ein Sensorelement (8, 10) auf einer Seite des Aluminiumsubstrats, ein Heizelement (11) zum Erwärmen des Sensors auf der anderen Seite des Aluminiumsubstrats und eine elektronische Schaltung (18) aufweist, wobei das Sensorelement (8, 10) ein Widerstandssensorelement zum Bereitstellen eines Leitfähigkeitssignals ist, dessen Wert proportional zu der zu messenden Gaskonzentration ist, das Heizelement (11) derart angeordnet ist, daß das Sensorelement auf eine im wesentlichen konstante Temperatur erwärmt wird, das Substrat mit Öffnungen (5, 13, 17) versehen ist, um das Sensorelement thermisch von dem restlichen Teil des Substrats (1, 7) zu isolieren, die Öffnungen um das Sensorelement (8, 10) angeordnet sind und durch das Substrat (1, 7) derart verlaufen, daß dünne Brücken (14) zwischen den Öffnungen (5, 13, 17) das Sensorelement (8, 10) mit dem umgebenden Teil des Substrats verbinden und Bahnen (12) für Leiter zu der elektronischen Schaltung (18) gebildet werden und die elektronische Schaltung (18) derart ausgelegt ist, daß die gewünschten elektrischen Eigenschaften des Sensorelements (8, 10) gemessen werden, und das Heizelement (11) gesteuert wird, und wobei die elektronische Schaltung Komponenten aufweist, welche auf der Oberfläche des Aluminiumsubstrats angebracht sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (8, 10) und die Schaltung (18) auf dem ebenflächigen Aluminiumsubstrat (1, 7) unter Anwendung von Dickfilmtechniken ausgebildet sind.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Heizelement (11) des Sensorelements (8, 10) auf der Bodenfläche des Aluminiumsubstrats (7) derart vorgesehen ist, daß es zum Sensorelement (8, 10) ausgerichtet ist.
4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Heizwiderstand (11) des Sensorelements (8, 10) auf der oberen Fläche des Aluminiumsubstrats (7) derart vorgesehen ist, daß er zu dem Sensorelement (8, 10) ausgerichtet ist.
5. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Öffnungen (5, 3, 17) unter Einsatz eines Lasers ausgebildet sind.
6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwei Sätze von Öffnungen (13, 17) koaxial und kreisförmig das Sensorelement (8, 10) umgeben.
7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Sensorelement an dem restlichen Teil des Aluminiumsubstrats (1, 7) entlang Brücken mit 5 ... 15 %, vorzugsweise 10 % des Umfangs angebracht ist.
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