JP4880931B2 - プラットフォームチップを備えるセンサの使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラットフォームチップを備えるセンサの使用方法に関する。

ＤＥ３５０４４９８Ａ１から自動車排気ガス中のガス構成成分の検出のための高温ガスセンサが公知であり、このセンサでは担体上に薄膜半導体センサ及び加熱装置が配置されている。この加熱装置はメアンダ形状であり、半導体センサは櫛状にかみ合っている。

ＥＰ０７３８３８５Ｂ１は内燃機関の熱い脈動性排気ガスに関して十分な機械的及び熱的負荷耐性を有するラムダセンサを記述している。ここではＡｌ_２Ｏ_３の上に白金から成るコンタクトパスが付着剤を介して塗布される。

マテリアル流が加熱されたセンサによってこのセンサのエネルギ消費を介して検出される。高温センサは白金被覆されたチップを含み、例えば４５０℃までの温度において排気ガスのＣＯ測定のために使用される。より高い温度ではチップが消耗してしまい、それゆえ６００℃、とりわけ７００℃より上の領域では持続使用には適さない。

とりわけ電極の抵抗乃至は導電率は変化し、そのために測定が不正確かつ使用不能になってしまう。
ＤＥ３５０４４９８Ａ１ ＥＰ０７３８３８５Ｂ１

本発明の課題は、６５０℃〜９５０℃までの領域において検出される例えばＯ２のようなガス成分を検出又は測定するためにプラットフォームチップ加熱を必要とする又は６００℃より上の熱い排気ガスにおいて測定を持続的に行うことができる、ガス濃度検出のためのセンサの使用方法を提供することである。

前記課題は本発明により、前記プラットフォームチップは、外部影響にさらされる第１の導電構造体を有し、前記第１の導電構造体は、白金、ロジウム又はイリジウムもしくは白金、ロジウム又はイリジウムの合金から成る塗布物を有し、前記塗布物は、酸化ロジウムまたは酸化イリジウムによってカバーされており、かつ、前記導電体構造の一部分が６００℃と９５０℃との間の高温負荷の下で持続的に安定的な抵抗特性曲線を有し、前記センサは、加熱装置を有し、前記加熱装置によって６００℃〜９５０℃に加熱され、燃焼装置制御部の制御のために又は内燃機関の排気ガス再循環の制御のために使用することによって解決される。

本発明の課題は、ガス感応層と接触しているプラットフォームチップ又はセンサの電極がイリジウム、ロジウムもしくは白金、ロジウム又はイリジウム合金もしくは導電性酸化物層を有することによって解決される。これらのセンサはプラットフォームチップであり、このプラットフォームチップの上には感応層が塗布されている。

このためにプラットフォームチップが提供され、このプラットフォームチップは５００℃と１１００℃との間の温度において１年以内は抵抗特性曲線のとりわけ僅少な変化を示す。とりわけ１０００℃までの適用事例では抵抗特性曲線は安定したままであり、センサの機能性は数年間に亘って維持され、９５０℃までなら数十年間に亘って保持されうる。抵抗特性曲線は所定の温度領域に亘る導電体の電気抵抗を特徴付ける。抵抗特性曲線は導体構造の全ての部分に亘って一定でなければならない。

本発明の基礎となるプラットフォームチップは少なくとも１つの担体、電気的機能パターン及び少なくとも１つの更に別の層を有する電気的構成部材である。この電気的パターンは有利には導電体構造として形成されるか、もしくは、白金又はロジウム又はイリジウムの他に導電性酸化物を有する塗布物である。この更に別の層は有利には感応層又はヒータである。

この電気的パターンは５００℃から１１００℃までの間の温度において外部影響に対するその耐性によって、とりわけ安定的な抵抗特性曲線によって際立っている。他の任意の導体構造、塗布物又は被覆層はこの耐性を有する必要はないが、ただし例えばマルチセンシティブセンサ又は任意の保護されていないヒータ又は温度センサの更に別の保護されていない導体構造を有するような特別な実施形態の場合は別である。

適当なプラットフォームチップは導電性酸化物から成る被覆層を有するか又は導電性酸化物によってカバーされているイリジウム、ロジウム又は白金から成る被覆層を有する。

更に別の適当なプラットフォームチップは、イリジウム、ロジウム又は白金合金から成る外側被覆層の他に、さらに内部の電気的に絶縁された導体層を有し、この導体層はヒータ及び／又は温度センサとして形成されうる。

有利なイリジウム合金は白金（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）又はロジウム（Ｒｈ）もしくはＰｔ、Ｒｅ及びＲｈの混合物を含む。有利な白金合金は少なくとも５重量％Ｒｈ及び／又はＩｒを含む。酸化イリジウム及び酸化ロジウムは有利な導電性酸化物である。

本発明の中間生成物は白金、ロジウム又はイリジウムもしくは白金、ロジウム又はイリジウムの合金から成る塗布物を有するプラットフォームチップであり、この塗布物の上には導電性酸化物が形成又は塗布される。この塗布物から導体構造がフォトリソグラフィによって構造化される。

このプラットフォームチップの外側被覆層への感応性誘電体の塗布によって独特の高温安定性感応センサが得られる。感応層は外部影響を感知するという特性を有する。この感応層は外部影響に対してオープンであり、それゆえ電極も外部影響から保護しない。

簡単な実施形態では、プラットフォームチップが感応層を有する場合には、このプラットフォームチップは感応センサとして形成されうる。感応層は誘電体として形成され、外部影響の下でその誘電特性が制御可能であることによってセンシティブに作用する。

有利な実施形態では、感応層はガス感応層として形成される。ガス感応層はガスに対して透過的であるという特性を有し、この場合、その電気化学的特性を変化させる。それゆえ、ガス感応層の下にある電極も雰囲気の影響を被ったままである。

これによって高温安定性ガスセンサが提供され、これらのガスセンサでは外部電極にガス感応性誘電体が設けられている。

この装置によって燃焼装置排気ガスからの有害物質が検査され、このためにはガスのタイプに応じて６５０℃〜９５０℃までのチップ加熱が必要不可欠である。さらに、例えば内燃機関から排出されるような６００℃より上の熱い排気ガスにおける有害ガスは有害物質に関して継続的に検査されうる。

本発明は、燃焼装置又は車両内燃機関のもとめられたパラメータから僅少な環境負荷及び効率に関して動作の最適化を実現することを可能にする。

従って、燃焼装置又は内燃機関の燃焼混合気が常に最適化され、とりわけ車両内燃機関の空気流入領域への部分的な排気ガス再循環のための方法が提供され、この方法では排気ガス及び流入空気から制御によって調整可能な混合気がマシンに供給され、少なくとも１つの排気ガス成分が高温ガスセンサによってもとめられ、燃料量が排気ガスにおけるもとめられた濃度に依存して供給され、測定される排気ガスは５００℃より上で測定される。

更に有利には電極は櫛状に互いに向かい合って配置されている。

更に別の有利な実施形態では、電極が白金ロジウム合金を有し、この合金はとりわけロジウム酸化物表皮を形成する。ロジウム酸化物表皮は導電性を有し、更なる酸化又は昇華から白金ロジウム合金を保護する。有利な白金ロジウム合金は５〜５０重量％ロジウム、とりわけ１０〜２０重量％ロジウムを有する。

更に別の有利な実施形態では、高温チップはセンサユニットの他に少なくとも１つの更なる電気回路、とりわけ加熱構造を有する。とりわけ有利には、加熱ユニットの温度は温度センサとして形成された更に別の電気回路によって管理される。加熱装置及び温度センサはパッシベーション層によって保護され、この結果、これらの加熱装置及び温度センサの抵抗特性は高温においても消耗しない。それゆえ、加熱ユニット及び／又は温度センサを形成するためのこれらの電気回路は公知のやり方で形成され、例えば白金から成るメアンダ状の加熱電極として形成される。

以下の本発明による高温センサは６００℃より上の温度、とりわけ６５０℃〜１１００℃までの温度、それどころか数十年に亘る持続負荷において８００℃〜９５０℃を耐える。

外部影響にさらされる導電体構造を有するプラットフォームチップにおいて、導電体構造は導電性酸化物を有し及び／又は導電体構造の部分は５００℃より上の、とりわけ６００℃と９５０℃との間の高温負荷の下で持続的に安定的な抵抗特性曲線を有する。

白金、ロジウム又はイリジウムもしくは白金、ロジウム又はイリジウムの合金から成る塗布物を有するプラットフォームチップにおいて、この塗布物は導電性酸化物によってカバーされている。

担体上に電気的絶縁層により被覆された導電構造体が配置されているプラットフォームチップにおいて、電気的絶縁性の層の上にイリジウム、ロジウムもしくは白金、ロジウム又はイリジウム合金が塗布されている。

担体上に電気的絶縁層により被覆された導電構造体が配置されているプラットフォームチップにおいて、担体のもう一方の側面上にイリジウム、ロジウムもしくは白金、ロジウム又はイリジウム合金が塗布されている。

担体又は絶縁層上にある電極が感応層と接触して配置されているプラットフォームチップ又は高温安定センサにおいて、電極は白金、ロジウム又はイリジウムもしくは導電性酸化物層を有する。

プラットフォームチップ又は高温安定センサは、複数の導体構造を有する。

プラットフォームチップ又は高温安定センサは、ガス感応ユニットを有する。

６００℃と１０００℃との間の、とりわけ６５０℃と９５０℃との間の温度において持続的に使用するためのセンサの使用において、センサは加熱装置によって６００℃〜１０００℃に加熱され、又は、燃焼装置制御部の制御のために又は内燃機関の排気ガス再循環の制御のために使用される。

貴金属を有する懸濁液を用いる薄膜の塗布によりプラットフォームチップ又はセンサを製造するための方法において、懸濁液は貴金属粒子を有し、この貴金属粒子は５０ｎｍ、とりわけ２０ｎｍより小さい。

薄膜の第１の部分は貴金属を有する懸濁液による直接塗布によって発生し、この上に通常のＰＶＤ法によってより厚い層が発生する。

白金、イリジウム、ロジウムもしくは白金、ロジウム又はイリジウム合金は酸化アルミニウム又はシリコンを有する担体材料の上に直接塗布される。

最終層として導電性酸化物又は導電性酸化物を形成する層が塗布される。

以下において本発明を図面に関する実施例に基づいて説明する。

図１は分解図においてプラットフォームチップを示す。

図示されたセンサは、白金又はイリジウム合金から成るＩＤＫ構造２（ＩＤＫ＝ｉｎｔｅｒ ｄｉｇｉｔａｌｅｒ Ｋｏｎｄｅｎｓａｔｏｒ）の上の活性センサ層１ととりわけ酸化アルミニウムから成る酸化物担体５との間に任意のイリジウム又は白金構造４及びその上にある絶縁層３を有する。これらの任意の導体構造はヒータ及び／又は温度センサとして形成される。

図２は分解図においてプラットフォームチップとして両面に被覆された担体を示す。ここでは担体５の両面が任意の接着層６によって被覆されている。一方の側面には保護層３によりカバーされているヒータ４が付着している。もう一方の側面には接着層６の上に導電パスが付着しており、導電パスはガス感応層１によって被覆されている。

ヒータ４によって感応層１はその理想的な測定温度にまで加熱される。付加的に、温度センサ４がヒータ４の温度管理及び制御に使用される。温度センサ４はヒータと共に１つの層に形成されるか、又は、絶縁層３によってカバーされ、担体５と導体路２との間に配置される。

感応センサの製造のためには、プラットフォームチップが準備され、これらのプラットフォームチップにおいて基板５は温度センサ４によって被覆され、絶縁層３はヒータ４、更なる絶縁層３及びＩＤＫ構造２によって被覆され、その後で、最後の作業ステップにおいてこの前もって製造されたプラットフォームチップは特殊な感応性誘電体１によって被覆され、この際に感応センサとしてのその特別な機能を得る。従って、ガス感応層１の最終的な塗布によってガスセンサが完成する。しかし、任意に別の感応層１をプラットフォームチップボディ上に塗布することもできる。これらの別の感応層１はこの場合センサにその固有の感応特性を与える。市販の合金としてＩＤＫ構造に対しては白金ロジウム１０及び白金ロジウム２０が適している。

センサの製造のためには、基板５の上に導電層２が塗布される。場合によっては、この基板は拡散バリアによって被覆され、この土台に金属が付着できるように場合によってはさらに接着層６によって被覆される。有利には、被覆は蒸着又はスパッタ技術及びこれに続くパターンのエッチングによって行われる。同様に、未公開のＤＥ１０２００４０１５４６７．８による接着層６の被覆又は形成も適している。ガス感応センサのために、さらにガス感応層１が外側金属層２の上に塗布される。付加的なヒータ４及び保護層３を有する実施形態は応用領域を拡張することができる。

付加的な内部金属層４は実質的に２つの電気的絶縁層３又は５の間に配置される導体装置４から成る。この内部金属層４の一部分はしばしば接続パッドと呼ばれ、層３から外へと突出しており、電流源に接続される。

金属層２又は４の構造はメアンダとして又は互いに噛み合う櫛構造のコンデンサとして形成されうる。内部金属構造層４も全くイリジウム又は白金合金から構成されうる。しかし、カバーされない導体パス２だけは、チップを５００℃以上、とりわけ７００℃以上の高温での持続的な使用に適応させるために、５μｍ、とりわけ２μｍより下の厚さによって白金又はイリジウム合金として形成しなければならない。

有利な白金合金は０．０５〜５０重量％ロジウム、有利には５〜２０重量％ロジウムを含む。イリジウム合金は有利にはレニウム及び／又はロジウムを含む。このチップは５００℃と１０００℃との間の温度領域において排気ガス成分の検出に適している。

プラットフォームチップの製造
例１
酸化アルミニウムから成る担体５は未公開のＤＥ１０２００４０１５４６７．８に記載のイリジウム又は白金懸濁液により多重懸濁液塗布及びこれに続く乾燥によって０．７μｍの層厚まで被覆される。これに続いてロジウム懸濁液の一回だけの塗布が行われる。このロジウム懸濁液の乾燥及び焼き付けの後で金属層２から成るパターン２が発生される。このパターン２はフォトリソグラフィックな方法による公知のエッチング方法によって又はレーザによる書き込みによって発生されうる。こうして導体パス２が生成され、この導体パス２は互いに噛み合う向かい合った櫛２の形状で形成されうる。抵抗特性曲線は大量生産において一定のままである。

例２
酸化アルミニウムから成る担体５は未公開のＤＥ１０２００４０１５４６７．８に記載のイリジウム又は白金懸濁液により多重懸濁液塗布及びこれに続く乾燥によって１μｍの層厚まで被覆される。例１に従って金属層２にパターン４が生成される。こうして導体パス４が発生され、この導体パス４はメアンダ４又は互いに噛み合う向かい合った櫛４の形状で形成されうる。この導体パスは電気的絶縁材料３によって被覆される。この絶縁層３上にはまた担体５上の先のような導体パス４が発生される。更に別の絶縁３が行われ、これに続いて導体パスの新たな塗布が行われる。最も外側の導体パス上にロジウム懸濁液の一回だけの塗布が行われ、これに続いて例１の場合と同じステップが行われる。

例３
酸化アルミニウムから成る担体５は電子ビーム蒸着のＰＶＤ方法によって全面的に白金により被覆される。この被覆層４はリソグラフィによるエッチング方法によって加熱メアンダ４に構造化される。これに続いて金属酸化物及びガラスセラミックから成る高温安定層による封止３が行われる。担体５のもう一方の側面では有利には金属酸化物から成る全面的な絶縁層６が塗布される。次いで、電子ビーム蒸着によって白金ロジウム合金が塗布され、この白金ロジウム合金はフォトリソグラフィ及びエッチング方法によって電極櫛２に構造化される。次いで外側酸化物層を形成するために高温処理が行われる。

例４
例３に類似するが、以下の差異を有する。すなわち、金属酸化物層６又はセラミック５への改善された付着剤として、ＤＥ１０２００４０１５４６７．８記載の貴金属懸濁液が塗布され及び焼き付けられる。

例１〜４により製造されるプラットフォームチップは５００℃〜１０００℃までの高温領域における持続適用事例においてその抵抗特性曲線の変化をほとんど示さず、とりわけ６００℃と９００℃との間の高温適用事例における複数年に亘って持続する高い機能性を可能にする。

感応センサの製造
例５
例１〜４のうちの１つにより製造されるプラットフォームチップの外側パターン２は、例えば酸化ガリウムベースにおいて特殊な感応性材料１によって被覆される。ガス感応性材料１による被覆１により、このガスセンサの基礎となるプラットフォームチップの長期間持続する機能性を有するガスセンサが生じる。

これらのセンサは排気ガス流を測定するのに適しており、とりわけ内燃機関の排気ガス再循環の制御に使用されうる。従って、これらのセンサは、一方では燃料のエネルギをより良く利用し、他方で排気ガス中の有害物質を減少させることに寄与する。担体材料の選定は、センサが６５０℃、７５０℃、８５０℃又はこれより上で動作されるかどうかに従う。有利にはチップはプラットフォームチップとして形成される。これらは、セラミック、酸化アルミニウム、ガラス、サファイア、結晶質の石英又は電気的に絶縁された金属から成る表側の面及び／又は裏側の面がヒータ及び／又は温度センサによって被覆されていることによって際立っている。

一般によく行われている被覆方法の他にもまだ未公開のＤＥ１０２００４０１５４６７．８の被覆方法も適している。

分解図においてプラットフォームチップを示す。 分解図においてプラットフォームチップとして両面に被覆された担体を示す。

符号の説明

１ 活性センサ層
２ ＩＤＫ構造
３ 絶縁層、保護層
４ イリジウム又は白金構造、金属層、ヒータ
５ 担体、基板
６ 接着層

Claims (4)

1. プラットフォームチップを備えるセンサの使用方法であって、
   前記プラットフォームチップは、外部影響にさらされる第１の導電構造体（２）を有し、
   前記第１の導電構造体（２）は、白金、ロジウム又はイリジウムもしくは白金、ロジウム又はイリジウムの合金から成る塗布物（２）を有し、前記塗布物は、酸化ロジウムまたは酸化イリジウムによってカバーされており、かつ、前記導電体構造（２）の一部分が６００℃と９５０℃との間の高温負荷の下で持続的に安定的な抵抗特性曲線を有し、
   前記センサは、加熱装置（４）を有し、前記加熱装置（４）によって６００℃〜９５０℃に加熱され、燃焼装置制御部の制御のために又は内燃機関の排気ガス再循環の制御のために使用されることを特徴とする、
   センサの使用方法。
2. 担体（５）上に電気的絶縁層（３）により被覆された第２の導電構造体（４）は前記加熱装置（４）であり、
   前記電気的絶縁層（３）上にイリジウム、ロジウムもしくは白金ロジウム、白金イリジウム、白金、ロジウム又はイリジウム合金が塗布されていることを特徴とする、請求項１記載のセンサの使用方法。
3. 前記担体（５）の、前記第２の導電構造体（４）が配置された面の反対側の面上にイリジウム、ロジウムもしくは白金、ロジウム又はイリジウム合金が塗布されていることを特徴とする、請求項２記載のセンサの使用方法。
4. 前記プラットフォームチップには、担体（５）又は絶縁層（３）上にある第１の導電構造体（２）が前記ガス感応層（１）と接触して配置されており、
   前記第１の導電構造体（２）は白金の他にさらに、ロジウム又はイリジウムもしくは酸化ロジウムまたは酸化イリジウムからなる導電性酸化物層を有することを特徴とする、請求項１記載のセンサの使用方法。

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