NL9101879A - Werkwijze voor het vervaardigen van een gassensor. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het vervaardigen van een gassensor

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een gassensor, waarbij op een elektrisch isolerend drager-substraat twee elektroden en een de beide elektroden verbindende gas-gevoelige laag worden aangebracht en een katalysator wordt toegevoegd.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit DE-A-3 422 823. Hierbij worden op het dragersubstraat met behulp van een dikke-filmtechniek drie elektroden aangebracht, waarbij twee van de elektroden als meetelektroden dienen en één elektrode voor het verhitten van de sensor dient. Tussen de elektroden is de gasgevoelige laag aangebracht, die uit tinoxide of met aluminium gedoteerd tinoxide bestaat. Op de gasgevoelige laag is een film opgedampt, die als katalysator wordt gebruikt. Deze film bestaat uit platina of andere actieve metalen. Deze gassensor reageert in het bijzonder op zwavelwaterstof, waarbij zijn elektrisch geleidingsvermogen bij toenemende gasconcentratie stijgt. De gassensor werkt typisch bij 280 °C.

In US-4 197 089 wordt een gassensor geopenbaard, waarbij op een keramisch dragersubstraat drie elektroden worden aangebracht, waarbij een elektrode als meetelektrode, de tweede elektrode als verhittingselektrode en de derde elektrode als gemeenschappelijke massa-elektrode dienen. De gasgevoelige laag tussen de elektroden bestaat in dit geval uit een wolf-raamtrioxidefilm. Hierbij wordt een wolfraamtrioxide-oplossing vervaardigd, die tussen de elektroden wordt gedruppeld. Hierna vindt gedurende vijftien minuten een verhitting plaats bij een temperatuur van 600 eC. Om de gassensor gevoelig te maken voor ammoniak, wordt eerst een druppel platinazuur tussen de elektroden gedruppeld, zodat een metaalachtig platina wordt gevormd. Vervolgens wordt de wolfraamtrioxidelaag aangebracht. Deze sensor vereist een werktemperatuur van 150 °C tot 300 °C.

In EP-A-141 033 is een werkwijze beschreven voor het vervaardigen van materialen voor een gassensor, waarbij een metaaloxide met een als katalysator werkend metaalzout, bijvoorbeeld platinazuur, in een oplossing wordt gemengd. De oplossing wordt dan aan een uv-bestraling blootgesteld. Het aldus behandelde materiaal wordt langzaam tot ca. 300 °C verhit. Na het afkoelen en op maat snijden worden de elektroden toegevoegd. Afhankelijk van het gekozen metaaloxide en het gekozen metaalzout worden gassensoren verkregen met bepaalde gevoeligheden ten opzichte van gekozen gassoorten. Deze gassensoren kunnen ook bij kamertemperatuur werken. Hun vervaardiging is echter relatief duur.

Doel van de uitvinding is een goedkopere werkwijze voor het vervaardigen van een gassensor aan te geven, die bij kamertemperatuur kan werken en bij voorkeur op een vooraf bepaald gas reageert.

Dit doel wordt bij een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort daardoor bereikt, dat als katalysator een in water of in een alcohol opgelost metaalzout aan de gasgevoelige laag wordt toegevoegd en de sensor tot een temperatuur onder het kookpunt van het metaalzout wordt verhit.

Gebleken is dat door het beperken van de temperatuur tot een gebied onder het kookpunt van het metaalzout een bijzonder gevoelige katalysatorlaag kan worden gevormd, zodat de gassensor reeds bij kamertemperatuur kan werken. De werkwijze voor het vervaardigen is daarbij relatief eenvoudig, daar er bij het aanbrengen van de katalysator met relatief lage temperaturen kan worden gewerkt. Het metaal slaat niet neer, het metaalzout dient veeleer als katalysator.

In een voorkeursuitvoeringsvorm wordt de gassensor bij een temperatuur onder het kookpunt gedroogd. Het verhitten op deze temperatuur duurt dus zolang, tot het vochtgehalte van de sensor, in het bijzonder van de katalysatorlaag of van de gasgevoelige laag tot een bepaald percentage is gedaald.

Ook verdient het de voorkeur dat de katalysator op het oppervlak van de gasgevoelige laag wordt aangebracht. Hierbij is de reactiemogelijkheid met het te registreren gas het grootst. Bovendien ontstaan hier de minste problemen bij het vervaardigen.

Bij voorkeur worden de gasgevoelige laag en/of de elektroden voorzien van uitsparingen. Zo ontstaat de mogelijkheid om de weerstands-waarde van de gassensor op een bepaalde waarde te trimmen. De gassensor kan aldus aan de gevoeligheid van evaluatie-inrichtingen worden aangepast.

Hierbij verdient het de voorkeur dat de uitsparingen met behulp van een laserstraal worden gevormd. Met de laserstraal kunnen zeer fijne structuren worden gevormd, zodat de weerstandswaarde met grote nauwkeurigheid kan worden ingesteld.

Hierbij is het van voordeel dat de gasgevoelige laag door de uitsparingen een meandervormig uiterlijk krijgt. Daardoor kan een relatief grote elektrische weerstand worden verkregen. De door het te registreren gas veroorzaakte weerstandsveranderingen zijn overeenkomstig groot en kunnen gemakkelijk worden geregistreerd.

Bij voorkeur worden de uitsparingen vóór het aanbrengen van de katalysatorlaag gevormd. Daardoor kan worden gegarandeerd dat de kataly-satorlaag niet boven de vereiste temperatuur wordt verhit.

Bij voorkeur worden de beide elektroden na het reinigen van het dragersubstraat door middel van dikke- of dunne-filmtechniek aangebracht. Met dikke- en dunne-filmtechniek kunnen zeer nauwkeurige structuren worden gevormd. Bovendien kan de ruimtelijke uitbreiding van de elektroden relatief nauwkeurig worden begrensd. Dit is in het bijzonder dan van voordeel wanneer voor de elektroden waardevolle materialen, zoals goud, worden gebruikt.

Ook is het van voordeel dat de gasgevoelige laag in vacuüm wordt opgedampt. Bij een dergelijke werkwijze kan de dikte van de gasgevoelige laag met hoge nauwkeurigheid worden ingesteld. De gassensoren kunnen hierbij met hoge nauwkeurigheid reproduceerbaar worden vervaardigd.

Op voordelige wijze wordt de gasgevoelige laag door een laag tin gevormd, die bij een temperatuur in het gebied van 400 eC tot 500 eC, in het bijzonder in het gebied van 440 eC tot 460 eC wordt geoxideerd. Tin kan als laag gemakkelijk worden aangebracht. Door het verhitten tot een temperatuur in het genoemde gebied, bijvoorbeeld 450 *C kan een oxydatie worden bereikt. Hierbij wordt een laag tinoxide (Sn0x) verkregen, die buitengewoon bruikbaar is gebleken voor het observeren van gassen door verandering van het elektrische geleidingsvermogen.

Hierbij verdient het de voorkeur dat als katalysator platinazuur in een waterige oplossing (H2PtCl6 (6h20) ) wordt gebruikt. De sensor wordt hierbij bijzonder gevoelig voor ammoniak.

Daarbij is het van voordeel dat de sensor bij een temperatuur in het gebied van 70 eC tot 115 eC, in het bijzonder in het gebied van 105 °C tot 115 °C, gedurende verscheidene uren, in het bijzonder 20 tot 28 uur, wordt gedroogd. Bij deze temperaturen is een zeer omzichtige droging mogelijk. De katalysator kan dan zijn gunstige werking ten opzichte van ammoniak ontplooien.

De uitvinding wordt onderstaand aan de hand van een voorkeursui tvoerings voorbeeld in samenhang met de tekening beschreven. Daarin tonen: figuur 1 een gassensor en figuur 2 een dwarsdoorsnede door de gassensor op grotere schaal.

Een gassensor 1 bevat een dragersubstraat 2, dat bijvoorbeeld als keramisch substraat (A1203) of als een Si-substraat met isolator (nitride of oxide) kan zijn gevormd. Op het substraat bevinden zich twee elektroden 3· Tussen de elektroden 3 Is een gasgevoelige laag 4 opgedampt. Deze bestaat uit tinoxide (SnOx). Op de gasgevoelige laag 4 bevindt zich een katalysator 5· De gasgevoelige laag 4 is voorzien van uitsparingen 6, die naast elkaar gelegen delen van de gasgevoelige laag 4 elektrisch van elkaar scheiden, zodat de gasgevoelige laag 4 een meandervormig verloop heeft. Op dezelfde wijze kunnen ook de elektroden 3 zijn voorzien van niet meer weergegeven uitsparingen.

Voor het vervaardigen wordt het substraat 2 eerst gereinigd. Daarna worden twee uit een inert metaal, bijvoorbeeld platina of goud, bestaande elektroden 3 door middel van dikke- of dunne-filmtechniek aangebracht, dat wil zeggen dat ze op het substraat worden gedrukt en daarna bij ca. 85Ο °C worden ingebrand. Nadat het opnieuw is gereinigd en gedroogd wordt het substraat 2 met daarop de elektroden 3 in een vacuüm-inrichting gebracht. Daar wordt de gasgevoelige laag 4 opgedampt, bijvoorbeeld door middel van dunne-filmtechniek (reactief opdampen). De gasgevoelige laag heeft een elektrische verbinding met de beide elektroden. De gasgevoelige laag bestaat hier uit tin (Sn) met een dikte van ca. 100 nm. Na het aanbrengen van de tinlaag wordt de totale inrichting tot ca. 45Ο eC verhit, waardoor de Sn-laag wordt omgezet in een laag tinoxide (SnOx). Hierop worden met behulp van een laserstraal de uitsparingen 6 in de gasgevoelige laag gesneden.

Op de gasgevoelige laag wordt een oplossing van een katalysator of een katalysatormengsel aangebracht, die later de laag 5 vormt. Hierdoor wordt de gevoeligheid voor een gekozen gassoort versterkt. In het onderhavige geval wordt platinazuur in een waterige oplossing (H2PtCl6 (6H20)) gebruikt. Hierna wordt de gassensor gedurende ca. 24 uur bij een temperatuur van 115 eC gedroogd. Deze temperatuur ligt onder het kookpunt van het platinazuur. Een dergelijke sensor is met name ten opzichte van ammoniak selectief. Hierbij stijgt de elektrische weerstand van de beide elektroden 3 bij toenemende ammoniakconcentratie.

Claims (12)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een gassensor, waarbij op een elektrisch isolerend dragersubstraat twee elektroden en een de beide elektroden verbindende gasgevoelige laag worden aangebracht en een katalysator wordt toegevoegd, met het kenmerk, dat als katalysator (5) een in water of in een alcohol opgelost metaalzout aan de gasgevoelige laag (4) wordt toegevoegd en de sensor (1) tot een temperatuur onder het kookpunt van het metaalzout wordt verhit.

2. Werkwijze overeenkomstig figuur 1, met het kenmerk, dat de gassensor bij een temperatuur onder het kookpunt wordt gedroogd.

3. Werkwijze overeenkomstig conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de katalysator (5) op het oppervlak van de gasgevoelige laag (4) wordt aangebracht.

4. Werkwijze overeenkomstig een van de conclusies 1 tot 3t met het kenmerk, dat de gasgevoelige laag (4) en/of de elektroden (3) worden voorzien van uitsparingen (6).

5. Werkwijze overeenkomstig conclusie 4, met het kenmerk, dat de uitsparingen (6) met behulp van een laserstraal worden gevormd.

6. Werkwijze overeenkomstig conclusie 4 of 5* met het kenmerk, dat de gasgevoelige laag (4) door de uitsparingen (6) een meandervormig uiterlijk krijgt.

7. Werkwijze overeenkomstig een van de conclusies 4 tot 6, met het kenmerk, dat de uitsparingen (6) vóór het aanbrengen van de katalysatorlaag (5) worden gevormd.

8. Werkwijze overeenkomstig een van de conclusies 1 tot 7. met het kenmerk, dat de beide elektroden (3) na het reinigen van het dragersubstraat (3) door middel van dikke- of dunne-filmtechniek worden aangebracht.

9. Werkwijze overeenkomstig een van de conclusies 1 tot 8, met het kenmerk, dat de gasgevoelige laag (4) in vacuüm wordt opgedampt,

10. Werkwijze overeenkomstig een van de conclusies 1 tot 9. met het kenmerk, dat de gasgevoelige laag (4) door een laag tin wordt gevormd, die bij een temperatuur in het gebied van 400 eC tot 500 °C, in het bijzonder in het gebied van 440 eC tot 460 ®C wordt geoxideerd.

11. Werkwijze overeenkomstig een van de conclusies 1 tot 10, met het kenmerk, dat als katalysator (5) platinazuur in een waterige oplossing (H2PtCl6 (6H20)) wordt gebruikt.

12. Werkwijze overeenkomstig conclusie 11, met het kenmerk, dat de sensor bij een temperatuur in het gebied van 70 ®C tot 115 eC, in het bijzonder in het gebied van 105 °C tot 115 °C, gedurende verscheidene uren, in het bijzonder 20 tot 28 uur, wordt gedroogd.