TW201825711A - 製造感測器的方法、感測器及其用途 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於製造感測器，尤其是溫度感測器之方法，該感測器包含至少一個導電層及至少一個額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層。根據本發明，該導電層及/或該額外層，尤其是該鈍化層及/或該絕緣層，係藉助於氣溶膠沈積(氣溶膠沈積方法，ADM)製造。

Description

製造感測器的方法、感測器及其用途
本發明係關於一種用於製造感測器，尤其是溫度感測器之方法，該感測器包含至少一個導電層及至少一個額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層。本發明亦關於一種感測器，尤其是溫度感測器，其包含至少一個導電層及至少一個額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層，其中該感測器較佳地係藉助於根據本發明之方法而製造。此外，本發明係關於一種根據本發明之感測器在載具中之用途。
在溫度感測器中提供鈍化層以防止毒性污染為吾人所知。舉例而言，在熱敏電阻器之鉑結構上塗覆鈍化塗層。舉例而言，使用PVD或厚膜製程來塗覆鈍化層。然而，以此方式而塗覆之鈍化層並不完全地防漏。 在PVD方法中，將鈍化材料，尤其是氧化鋁材料(Al2 O3 )轉化成氣相且在感測器之表面上冷凝為膜。除了此方法中發生之莖生長(stem growth)以外，藉由蒸發而沈積之材料的相狀態亦為劣勢。 舉例而言，所使用之氧化鋁係以γ相存在，γ相在溫度曝露下轉化成穩定的α相。此類相變換可與高達約8%之體積收縮相關聯。此類體積收縮會在所塗覆之鈍化層中導致裂痕。 藉助於濺鍍製程之塗覆亦展示所描述之劣勢，在濺鍍製程中，使用標靶之離子轟擊而在電漿中移除鈍化材料，尤其是氧化鋁。 在厚膜製程中，藉由網版印刷方法將具有鈍化材料之糊狀物，尤其是具有氧化鋁粒子之糊狀物印刷於表面上。在驅出有機物之後，在1000℃至1500℃之溫度下燒結氧化鋁粒子，且即使在組合不同粒子直徑以達成高填集密度時，氧化鋁粒子仍含有空腔及缺陷。 為了密封藉由所描述之方法而製造的鈍化層，已知的是另外塗覆其他層，例如由玻璃組成。然而，耐熱玻璃具有極高的二氧化矽(SiO2 )含量，其在可存在的還原氛圍下還原為矽。若矽能夠通過孔隙及裂痕而擴散至導電層，尤其是擴散至鉑層，則此會導致對導電層之污染。此外，可發生矽化鉑形成，此可導致對導電層，尤其是鉑結構之毀壞。
本發明之目標係指定用於製造感測器，尤其是溫度感測器之另一開發方法，藉助於該方法可製造氣密密封式感測器層。 本發明之另一目標係指定另一開發感測器，其具有至少一個氣密密封式層，尤其是至少一個導電層及/或至少一個額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層，該感測器經設計為氣密密封式。 本發明之目標亦係指定根據本發明之感測器之合適可能應用。 根據本發明，藉由技術方案1之特徵，關於一種用於製造感測器，尤其是溫度感測器之方法而達成此目標。關於感測器，尤其是溫度感測器，其包含至少一個導電層及至少一個其他層，尤其是鈍化層及/或絕緣層，藉由技術方案7之特徵而達成該目標。關於根據本發明之感測器之用法，藉由技術方案18之特徵而達成該目標。
本發明係基於指定一種用於製造感測器，尤其是溫度感測器之方法的想法，感測器包含至少一個導電層及至少一個其他層，尤其是鈍化層及/或絕緣層，其中導電層及/或額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層係使用氣溶膠沈積方法[ADM]而製造。 ADM方法為冷塗佈方法，其中將合適粉末變換成氣溶膠。在塗佈腔室及氣溶膠產生器中，產生在1 mbar至50 mbar之範圍內的粗真空。由於將處理氣體添加至氣溶膠產生器中而引起的壓力差將氣溶膠輸送至噴嘴，其中氣溶膠加速至數百m/s且接著沈積於基板上。除了塑性變形以外，此亦會引起粉末粒子分解成奈米大小的碎片，此等碎片自身配置以形成緻密且黏接良好之層。 換言之，根據本發明之方法係基於以下事實：感測器之至少一個層係藉助於氣溶膠沈積而製造。 根據本發明之方法可具有以下步驟： a) 提供感測器載體； b) 將至少一個導電層直接或間接塗覆於感測器載體上； c) 藉助於氣溶膠沈積來塗覆至少一個額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層。 有可能的是，將尤其包含鉑之導電層直接沈積於感測器載體上。 亦有可能的是，將至少一個中間層形成於感測器載體與導電層之間。因此，在此至少一個中間層之沈積之後將導電層塗覆至該至少一個中間層。 感測器載體可由陶瓷及/或金屬及/或金屬合金及/或玻璃及/或玻璃-陶瓷及/或塑膠製成。詳言之，感測器載體係由諸如純氧化鋁(Al2 O3 )之絕緣氧化物構成，或其中氧化鋁被混合有添加劑及/或各種氧化鋯陶瓷或鋯混合氧化物陶瓷及/或各種氧化鎂(MgO)化合物及/或氧化矽(SiO2 )。 感測器載體之熱膨脹係數較佳地在0.05 • 10-6 K-1 至15 • 10-6 K-1 之範圍內。 感測器載體在600℃下之比電阻大於1010 Ω cm亦係有利的。 在本發明之另一實施例中，感測器載體可經設計為導電。 有可能的是，亦使用氣溶膠沈積(氣溶膠沈積方法)將中間層塗覆至感測器載體。在氣溶膠沈積(ADM)中，尤其是在步驟c)中，較佳地使用由以下各者組成之粉末： a) 氧化鋁(Al2 O3 )，其中基底材料之純度為至少94 wt%； 及/或 b) 氧化鎂(MgO)，其中基底材料之純度為至少94 wt%； 及/或 c) 鈦酸鎂，其呈組成物Mg2 TiO5 、MgTiO3 或MgT2 O5 之形式，其中基底材料之總純度為至少98 wt%； 及/或 d) 二元氧化鋯合金(ZrO2 )，其具有穩定劑氧化釔，尤其是0 wt.%至20 wt.%之氧化釔，及/或CaO，尤其是0 wt.%至15 wt.%之CaO，及/或MgO，尤其是0 wt.%至15 wt.%之MgO，其中基底材料之總純度為至少98 wt%； 及/或 e) 根據d)之三元氧化鋯合金(ZrO2 )，其具有額外添加劑Nb2 O5 ，尤其是0 wt.-%至30 wt.%之Nb2 O5 ，及/或Ta2 O5 ，尤其是0 wt.%至30 wt.%之Ta2 O5 ，其中基底材料之總純度為至少98 wt%。 基底材料可以任何比例而混合。 歸因於所使用粉末之純度，可在不嵌入外來材料之情況下製造特定氣密密封式層，外來材料在稍後製程中可能會引起對感測器，尤其是導電層之污染。 在氣溶膠沈積方法(ADM)中，尤其是在步驟(c)中，將惰性氣體用作運載氣體，尤其是氦氣(He)及/或氬氣(Ar)及/或氮氣(N2 )及/或氧氣(O2 )。 此外，較佳地在氣溶膠沈積期間施加不大於150℃之溫度。此為根據本發明之本方法被稱為冷塗佈製程的原因。 較佳地在塗佈腔室中實行氣溶膠沈積。詳言之，在氣溶膠沈積期間，在塗佈腔室中產生真空。因此，氣溶膠沈積係在真空下在塗佈腔室中進行。 在導電層及/或額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層之根據本發明之製造中，首先將運載氣體引入至塗佈粉末被轉化成氣溶膠之產生器中，亦即，將塗佈粉末精細地分散於運載氣流中。塗佈粉末尤其含有絕緣材料，較佳地為氧化物，尤其較佳地為氧化鋁。 藉助於噴嘴，將氣溶膠在真空條件下噴射至塗佈腔室中且噴射至待塗佈表面上。待塗佈表面，尤其是感測器載體隨著XY工作台而移動。 替代地或另外，有可能的是，噴嘴遍及待塗佈表面而移動。該兩者之組合亦係可能的，亦即，工作台及噴嘴在X-Y方向上朝向彼此而移動。 由於塗佈粒子之動能，尤其是氧化鋁粒子之動能，在撞擊待塗佈表面時，此等粒子將變得變形及壓縮。所得層極其緻密且無裂痕。 為了製造較厚層，亦可進行多個「遍次(pass)」。 應注意，氣溶膠塗佈之上述實施例應僅被認為係實例。氣溶膠塗佈之可能變化為例如移動噴嘴或由相繼地定位之若干噴嘴實現噴射。 為了在待塗佈表面上直接製造藉由ADM而製造之層的結構，可例如在塗佈之前應用遮罩。此處，一個選項係使用「蔽蔭遮罩(shadow mask)」，其位於待塗佈表面上方且僅在待塗佈位置處具有「開口」。 又，所要結構亦可藉助於特殊噴嘴幾何形狀及/或藉由在沈積期間在X-Y方向上移動噴嘴及/或工作台而產生。 所定義結構亦可藉由接通及關斷噴嘴射流而產生。 亦存在另一選項來使用起離技術而實施沈積於整個表面上方之ADM層的結構化。此涉及藉助於光束或電子束而在待塗佈表面上結構化光阻層。接著，使用ADM將表面塗佈於整個表面上方，且藉由溶解掉光阻而移除覆加的ADM層。 ADM為冷塗佈製程。因為塗佈粒子，尤其是氧化鋁粒子已經呈α相，所以在施加高溫之情況下將不會發生相變。因此，會避免所產生層中歸因於裂痕及孔隙之洩漏位點。 有可能結構化至少一個導電塗層，及/或以經結構化形式將至少一個導電塗層間接或直接塗覆於感測器載體上。結構化或經結構化形式未被定義為僅僅意謂在無間隙或無凹部之情況下實施之導電層的形式。代替地，經結構化導電塗層可具有例如曲折形狀。亦可設想具有凹部及/或溝槽及/或開口之其他形式。 舉例而言，在使用印刷製程之情況下，可以經結構化形式將導電塗層直接或間接塗覆至感測器載體。亦有可能的是，首先將連續平滑層直接或間接塗覆至感測器載體，且在另一步驟中將溝槽及/或凹部及/或開口引入至層中。 舉例而言，可使用光微影技術及/或藉由雷射來結構化導電層。 在本發明之另一實施例中，有可能的是，在塗覆至少一個其他層，尤其是鈍化層及/或絕緣層之後，將最終配置分裂成單獨片件。因此，有可能首先製造複數個感測器，尤其是複數個溫度感測器作為組合式結構，且接著將其分離。 本發明之另一次要態樣係關於一種感測器，尤其是溫度感測器，其包含至少一個導電層及至少一個額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層。根據本發明之感測器特別較佳地係根據本發明之方法而製造。 根據本發明之感測器，尤其是根據本發明之溫度感測器係基於以下想法：使用氣溶膠沈積(氣溶膠沈積方法)來製造至少一個層，亦即，導電層及/或額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層。作為冷塗佈製程之部分而塗覆以此類方式而製造之感測器之層。所塗覆之層為氣密密封式層。 使用氣溶膠沈積而製造之感測器之至少一個層包含氧化鋁(Al2 O3 )及/或氧化鎂(MgO)及/或 a) 氧化鋁(Al2 O3 )，其中基底材料之純度為至少94 wt%； 及/或 b) 氧化鎂(MgO)，其中基底材料之純度為至少94 wt%； 及/或 c) 鈦酸鎂，其呈組成物Mg2 TiO5 、MgTiO3 或MgT2 O5 之形式，其中基底材料之總純度為至少98 wt%；及/或 d) 二元氧化鋯合金(ZrO2 )，其具有穩定劑氧化釔，尤其是0 wt.%至20 wt.%之氧化釔，及/或CaO，且尤其是0 wt.%至15 wt.%之CaO，及/或MgO，尤其是0 wt.%至15 wt.%之MgO，其中基底材料之總純度為至少98 wt%； 及/或 e) 如d)中所指定之三元合金(氧化鋯ZrO2 )，其具有由以下各者形成之其他添加劑：Nb2 O5 ，尤其是0 wt.%至30 wt.%之Nb2 O，及/或Ta2 O5 ，尤其是0 wt.-%至30 wt.%之Ta2 O5 ，其中基底材料之總純度為至少98 wt%。 在本發明之特別較佳實施例中，使用氣溶膠沈積(ADM)而製造之層為絕緣氧化物之鈍化層，氧化鋁係特別較佳的。 使用氣溶膠沈積(ADM)而製造之至少一個層由高達至少95%之氧化鋁(Al2 O3 )組成亦係有利的。 為了測定所沈積之Al2 O3 層的晶相，較佳地使用X射線繞射方法。來自製造商Stoe & Cie GmbH之Stadi P型X射線繞射儀用於此目的。為了量化相，應用裏德伯爾德法(Rietveld method)。替代地，有可能製造所需組分之所定義混合物以供比較及分析。 使用發射光譜術來測定粉末之純度，尤其是氧化鋁粉末之純度。為了量測，使用Thermo Fisher Scientific供應之iCAP 6500 duo型或iCAP 7400 duo型ICP光譜儀。 根據DIN EN ISO 11885標準來實行量測。在氧化鋁(Al2 O3 )粉末之狀況下，將100 mg之樣本添加至8 ml之氯化氫(HCl)、2 ml之硝酸(HNO3 )及1.5 ml之氟化氫(HF)，且使用微波壓力消化製程進行增溶。接著將所溶解之樣本轉移至試管且重新填充純化水。將量測溶液泵送至量測裝置中，量測溶液在量測裝置中霧化，其中將氣溶膠引入至氬氣電漿中。於彼處，蒸發、原子化、激勵及部分地離子化樣本之組分。接著偵測隨著原子及離子返回至基態而發射之光。所發射之光的波長為樣本中所含有之各別元素的特性。波長之強度與各別元素之濃度成比例。 較佳地，在600℃之溫度下使用氣溶膠沈積製造之Al2 O3 層中的比電阻為至少1010 Ωcm。 使用氣溶膠沈積(ADM)製造之層，尤其是氧化鋁層的比電阻(RS)較佳地係根據ASTM D257-07標準運用4點量測或2點量測而測定。此需要首先製備例如大小為20 mm × 60 mm之基板，例如玻璃。將待檢驗層，尤其是氧化鋁材料，沈積至基板上。運用扁平金屬條帶來金屬化或壓印每一末端。金屬條帶係以10 mm之間隔彼此平行地配置。將電源連接至兩個接點且設定電流值。 在4點量測之狀況下，使用兩個探針及電位計(Hewlett-Packard 4355A)，量測金屬條帶之間的電位降且測定表面電阻(SR)。自並行地製造之層測定層厚度(d)。由以下關係給出比電阻(RS)：RS = SR × d。 此外，使用氣溶膠沈積而製造之至少一個層的厚度可為100 nm至50 µm。為了測定層厚度，較佳地使用機械Perthometer (觸針式儀器)。此需要首先製備例如大小為20 mm × 60 mm之玻璃基板。遮蔽基板表面之部分，例如金屬箔夾持於其上。將待檢驗層沈積於基板上。在移除遮罩之後，藉由使機械Perthometer (Tencor 500，解析度＜ 1 nm)之觸針通過層階上方來量測截塊厚度。 較佳地，使用氣溶膠沈積而製造之至少一個層係防濕的。使用氣溶膠沈積而製造之層抵禦濕氣進入之密封係根據DIN EN 60749-8: 2003-12標準而定義。在此製程下，將Pt200電阻感測器(HDA 420)塗佈有待測試層且接著浸潤於室溫下之水浴中達至少15分鐘。在室溫下移除及乾燥之後，量測感測器之電阻。對於具有充足防濕性之層，在+25℃下之電阻的改變一定不大於初始值之1%。 此外，根據本發明之感測器的特徵可在於，在大於1200℃下經過最少兩個小時之溫度處理且隨後冷卻至25℃之後，使用氣溶膠沈積而製造之層每平方公分具有少於一個裂痕。 較佳地，藉助於氣溶膠沈積而製造之層的熱膨脹係數在4 • 10-6 K-1 至14 • 10-6 K-1 之範圍內。可例如使用膨脹量測術來量測熱膨脹係數。 藉助於氣溶膠沈積而製造之層的孔隙率較佳地小於1%。可例如使用汞壓孔率測定法來量測藉由氣溶膠沈積而製造之層的孔隙率。為了執行汞壓孔率測定法，較佳地使用Porotec公司供應之裝置(Pascal 140在低壓範圍內，Pascal 440在高壓範圍內)。標準DIN 66133藉由壓汞法來定義孔隙體積分佈及比表面積。較佳地，在量測之前將相關層加熱至200℃達約一小時。 藉助於氣溶膠沈積而製造之層的硬度較佳地高於慣常製造之層的硬度。因此，舉例而言，藉由ADM方法而製造之Al2 O3 (＞99.9%)層的硬度為10 GPa。運用PVD方法及網版印刷方法(在兩種狀況下亦為純Al2 O3 )而製造之層的硬度分別為4.7 GPa及2.8 GPa。 可例如使用奈米壓痕來量測藉由氣溶膠沈積而製造之層的硬度。Nano-Test平台監測與樣本接觸之金剛石的運動。通過線圈之電流的改變會引起施加壓縮力(電磁力致動器原理)且致使金剛石之位置改變。在硬度量測期間，金剛石尖端連續地穿透樣本。經由電容器之電容改變，接著將此距離改變記錄為隨負載而變。因此，藉由準確地校準所施加之線圈電流且藉由量測距離改變，可測定穿透深度及外加負載兩者。為了分析負載對穿透深度曲線，通常使用Oliver & Pharr提出之方法。 藉由氣溶膠沈積而製造之層可為具有電容率之介電質，或為絕緣體。亦有可能的是，電子導體被形成為藉由氣溶膠沈積而製造之層。該層亦可為功能層。 根據本發明之感測器亦包含感測器載體，感測器載體可由陶瓷及/或金屬及/或金屬合金及/或玻璃及/或玻璃陶瓷及/或塑膠組成。以特定較佳形式，感測器載體包含亦可穩定的氧化鋁及/或氧化鎂及/或氧化鋯(zirconium oxide) (氧化鋯(zirconia))，及/或氧化矽。感測器載體之熱膨脹係數較佳地為0.05 • 10-6 K-1 至15 • 10-6 K-1 。 在600℃下的感測器載體或感測器載體之材料之比電阻為至少1010 Ωcm。關於比電阻之測定，可應用已經根據ASTM D257-07標準而描述之量測。 有可能將感測器載體設計為導電。 感測器之導電塗層較佳地係由金屬形成，尤其是由鉑(Pt)及/或銠(Rh)及/或銥(Ir)及/或鈀(Pd)及/或金(Au)及/或鎢(W)及/或鉭(Ta)及/或鎳(Ni)及/或銅(Cu)形成，及/或由指定金屬之合金形成。 替代地，有可能的是，至少一個導電層係由諸如碳化矽(SiC)之導電陶瓷製成。亦有可能使導電塗層包含導電陶瓷。 亦有可能使導電層由來自以下各者之群組的材料製成：貴金屬及/或鎳(Ni)及/或鉻(Cr)及/或鎳-鉻(NiCr)及/或氮化矽(Si3 N4 )，或指定元素之合金。 至少一個導電層可被結構化。有可能的是，導電層包含呈線及/或導體迴路及/或曲折結構及/或交叉指形結構及/或網狀結構及/或襯墊之形式的結構化物。 如先前所描述，可回顧性地作為根據本發明之方法之部分而將導電層之結構引入至導電塗層中。亦有可能已經以經結構化形式將導電層直接或間接塗覆於感測器載體上。 導電塗層至少在一些區段中被覆蓋至少一個功能層，尤其是保護層及/或感測器層及/或絕緣層及/或障壁層。導電塗層較佳地至少在一些區段中被覆蓋使用氣溶膠沈積而製造之層。 配置於感測器載體與導電層之間的至少一個中間層可為例如用於平滑目的之平衡層，或黏接層或用於機械解耦目的之層，或用於電絕緣之層，或用於防止導電層開裂之層。有可能將複數個中間層形成於感測器載體與至少一個導電層之間。 在本發明之一個實施例中，有可能的是，形成至少兩個導電層，其中藉由氣溶膠沈積而製造之至少一個層可形成於至少兩個導電層之間。 有可能的是，與藉由氣溶膠沈積而製造之至少一個層交替地塗覆至少一個導電結構。最頂導電層可被至少部分地曝露，亦即，至少在一些區段中不被覆蓋額外層。 若感測器具有至少兩個導電層，則有可能的是，導電層藉由至少一個量測橋接器而彼此連接。 此外，導電結構可完全地或至少在一些區段中彼此絕緣。可例如藉助於使用氣溶膠沈積而製造之層來提供絕緣。 至少一個導電層可用於加熱及/或量測。亦有可能的是，至少一個導電層可用於量測諸如電導率及/或電阻及/或阻抗及/或電壓及/或電流振幅及/或頻率及/或電容及/或相位偏移之參數。 本發明之另一次要態樣涉及一種根據本發明之感測器在載具中之用途，感測器用於量測溫度及/或粒子數量及/或灰粒數量及/或反應熱及/或氣體含量及/或氣體流量。獲得了相似優勢，如已經運用根據本發明之方法及/或結合根據本發明之感測器所呈現。 圖1 - 圖3展示根據本發明之感測器之溫度漂移相較於使用標準方法而製造之已知感測器可受到正面影響的程度。 根據本發明之感測器包含鉑導電層及氧化鋁(Al2 O3 )鈍化層。氧化鋁層係藉助於氣溶膠沈積而製造。 圖1 - 圖3展示相對於以不同方式塗覆之Al2 O3 鈍化層的比較。前三個長條圖各自係關於具有使用網版印刷方法而塗覆之Al2 O3 層的感測器。 另一方面，長條圖4 - 6係關於藉助於氣溶膠沈積(ADM)而塗覆之Al2 O3 層。 與此對比，長條圖7 - 9係關於使用物理氣相沈積(PVD)方法而塗覆至鉑結構之Al2 O3 層。 感測器之設計，亦即，鉑層、層厚度及尺寸相同。運用成品感測器來實行溫度改變測試。為此目的，使用設備將感測器置放至腔室爐中且接著再次自腔室爐移除。一旦感測器處於腔室爐外部，就亦對感測器吹空氣，使得獲得快速冷卻。 圖1之圖形展示在0℃下在12,000次循環之後以克耳文(Kelvin)為單位之溫度漂移。圖2中之圖形展示在100℃下量測的在12,000次循環之後以克耳文為單位之溫度漂移。圖3中之圖形展示在900℃下量測的在12,000次循環之後以克耳文為單位之溫度漂移。 清楚地看出，在所有溫度下，亦即，在0℃下及在100℃下以及在900℃下，具有使用氣溶膠沈積(ADM)而塗覆之Al2 O3 鈍化層的感測器展示顯著較低的漂移。 此等測試結果確認到，使用氣溶膠沈積(ADM)而製造之鈍化層，尤其是Al2 O3 層顯著地改良感測器，關於穩定性之要求被超過若干倍。 下表列出以不同方式製造之絕緣層之電阻的比較。為了產生此比較，首先藉助於氣溶膠沈積且其次藉由網版印刷方法來組裝模型，其中Al2 O3 絕緣層塗覆於兩個鉑電極區域之間。在每一狀況下，層厚度為9微米。 已發現，在室溫下，使用氣溶膠沈積而製造之層的電絕緣電阻比藉由網版印刷而製造之層的電絕緣電阻高17倍，亦即，ADM層實質上更好地絕緣。 在250℃下，藉由氣溶膠沈積(ADM)而製造之層的絕緣電阻值比網版印刷層高12倍。 圖4a展示使用PVD製程而慣常製造之Al2 O3 層。裂痕係可見的。此等裂痕係在溫度處理之後歸因於由自γ至α之相變換造成的收縮而出現。 圖4b展示藉由ADM而製造之Al2 O3 層。Al2 O3 粉末在層製造期間以o相而存在。因為ADM為冷塗佈方法，所以不會發生相變換。在溫度處理期間未產生裂痕。 因為孔隙率低、不存在裂痕且缺陷程度低，所以獲得了具有高電絕緣電阻與良好熱導率兩者之極其緻密的ADM層。 歸因於所描述之正面性質，諸如高電絕緣電阻與良好熱導率之組合，藉由ADM而製造之層特別良好地適於建構多層系統，其中與導電層或結構交替之ADM層用於建構感測器。 圖5a展示簡單的感測器設計。ADM層2塗覆至基板載體1。歸因於極好的絕緣電阻，若具有低電阻的諸如穩定的氧化鋯之金屬或氧化物用作基板載體材料，則ADM層2充當絕緣層。 在基板載體1具有粗糙、構形、多孔或有缺陷表面時，或若諸如裂痕或小孔之缺陷存在於表面中，則此設計亦用作平衡層。如上文所描述，用於形成此ADM層之經證實材料為氧化物或混合氧化物，較佳地為Al2 O3 或MgO。在絕緣層2上，塗覆至少一個導電結構或表面3，其較佳地由鉑、金、鎳或CrNi合金組成。 絕緣層2亦可用以影響導電表面或結構3之黏接。 圖5b展示至少一個導電層或結構3塗覆至基板載體1之結構。用作基板載體材料之經證實材料為Al2 O3 或穩定的ZrO2 。導電層或結構3較佳地由鉑、金、鎳或CrNi合金組成。 導電層或結構3被覆蓋ADM層4。Al2 O3 為用作塗層材料之經證實材料。ADM層4充當保護或鈍化層，此係因為如此製造之層極其緻密且具有低透氣性。此處，導電層或結構3之未經覆蓋區域用作用於電接觸之連接表面。此結構將用作溫度電阻器或加熱電阻器。 圖5c展示表示圖5a與圖5b之組合的結構。由例如鉑、金、鎳或CrNi合金製成之導電層或結構3嵌入於兩個ADM層2及4之間。此結構含有絕緣層2及覆蓋或鈍化層4之優勢且用作溫度電阻器或加熱電阻器。 以下設計實例展示特別良好地運用ADM而製造之層的優勢。如此製造之層具有低孔隙率、無裂痕及具有低缺陷，且具有極高密度。作為ADM層之經特別證實材料為Al2 O3 ，此係因為此等層具有高電絕緣電阻與良好熱導率之組合。取決於應用，在0.5至50 µm之範圍內的層厚度係實用的。5至10 µm之層厚度已被證實為特別成功。 圖6a展示圖5b之結構的延伸。此處，覆蓋第一導電表面或結構3之ADM層5為其上經塗覆額外導電表面或結構6之絕緣層。絕緣層材料由Al2 O3 、MgO或該兩種材料之混合物組成。Al2 O3 已被證實為特別成功。 此處所展示之導電表面或結構6被實施為電阻迴路且表示加熱器。舉例而言，該結構被用作基於風速計原理之流量或質量流量感測器，其中導電結構3係用作溫度電阻且另一導電結構6係用作加熱電阻器。所量測之性質為成比例的熱損耗。 圖6b展示圖6a之感測器結構的延伸。此外，頂層為用作鈍化層7之ADM層且保護其下方之導電表面或結構6來抵禦腐蝕侵蝕。 圖6c展示圖6a之設計變體，其中在此狀況下，上部導電層或結構6被實施為呈IDE結構之形式的雙電極結構。此結構可用作電導率感測器。在IDE結構浸潤於液體或氣流中時，IDE結構用以量測電極之間的電阻。亦可藉由電阻性量測來量測感測器表面上之沈積物。 圖6d展示圖6c之感測器結構的延伸。此外，最頂層為用作絕緣或鈍化層7之ADM層。圖6c所描述之感測器功能可藉助於電容性量測或阻抗量測予以評估。 圖7a展示在基板載體1上具有三個導電表面或結構3、6及9之感測器設計。導電表面或結構3、6及9為至少一個溫度電阻、一個加熱電阻器及一個電極結構。在每一狀況下，導電表面或結構3、6及9藉由至少一個ADM層5、8而彼此電絕緣。此結構可用作電導率感測器，其中對於用於量測電導率之IDE結構，至少一個加熱結構用於溫度控制感測器。電阻結構可用於溫度量測。 圖7b展示圖7a之另一實施例，其作為頂層而另外含有ADM層作為絕緣或鈍化層10。就此結構而言，可使用電容性量測或阻抗量測來偵測頂部ADM層10上之表面沈積物。 圖7c展示圖7a之實施例的延伸，其中額外層11塗覆於IDE結構上方。此層11用作功能層，其回應於特定氣體而改變電性質。此結構可用作氣體感測器。
1‧‧‧基板載體
2‧‧‧藉由(ADM)之絕緣層(I)
3‧‧‧導電層(I)或結構
4‧‧‧藉由ADM之覆蓋層(I)
5‧‧‧藉由(ADM)之絕緣層(II)
6‧‧‧導電層(II)或結構
7‧‧‧藉由ADM之覆蓋層(II)
8‧‧‧藉由(ADM)之絕緣層(III)
9‧‧‧導電層(III)或結構
10‧‧‧藉由ADM之覆蓋層(III)
11‧‧‧功能層
下文中，參考所附示意性圖式來更詳細地描述本發明。圖式展示： 圖1 - 圖3 根據本發明之感測器相較於已知感測器的比較性溫度漂移量測結果； 圖4a + 圖4b Al2 O3 層之平面圖，其中圖4a之Al2 O3 層係使用PVD製程而製造且圖4b之Al2 O3 層係藉由ADM而製造； 圖5a - 圖5c 以不同方式設計之感測器； 圖6a - 圖6d 具有絕緣層及覆蓋層之以不同方式設計之感測器；及 圖7a - 圖7c 具有複數個絕緣層及/或覆蓋層之以不同方式設計之感測器。

Claims (18)

  1. 一種用於製造感測器，尤其是溫度感測器之方法，該感測器包含至少一個導電層及至少一個額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層， 其特徵在於 該導電層及/或該額外層，尤其是該鈍化層及/或該絕緣層，係藉助於氣溶膠沈積(氣溶膠沈積方法，ADM)製造。
  2. 如請求項1之方法， 其特徵在於 以下步驟： a) 提供感測器載體； b) 將該至少一個導電層直接或間接塗覆於該感測器載體上； c) 藉助於氣溶膠沈積(ADM)來塗覆該至少一個額外層，尤其是該鈍化層及/或該絕緣層。
  3. 如請求項2之方法， 其中 在該氣溶膠沈積中，尤其是在步驟(c)中，使用以下各者之粉末： a) 氧化鋁(Al2 O3 )，其中基底材料之純度為至少94 wt.%； 及/或 b) 氧化鎂(MgO)，其中基底材料之純度為至少94 wt.%； 及/或 c) 鈦酸鎂，其呈組成物Mg2 TiO5 、MgTiO3 或MgT2 O5 之形式，其中基底材料之總純度為至少98 wt.%； 及/或 d) 二元氧化鋯合金(ZrO2 )，其具有穩定劑氧化釔，尤其是0 wt.%至20 wt.%之氧化釔，及/或CaO，且尤其是0 wt.%至15 wt.%之CaO，及/或MgO，尤其是0 wt.%至15 wt.%之MgO，其中基底材料之總純度為至少98 wt.%； e) 如d)中所指定之三元合金(氧化鋯ZrO2 )，其具有由以下各者形成之其他添加劑：Nb2 O5 ，尤其是0 wt.%至30 wt.%之Nb2 O5 ，及/或Ta2 O5 ，尤其是0 wt.-%至30 wt.%之Ta2 O5 ，其中基底材料之總純度為至少98 wt.%。
  4. 如請求項3之方法， 其中 在該氣溶膠沈積中，尤其是在步驟(c)中，使用基底材料之純度為至少95%的粉末，其中尤其使用基底材料之純度為至少95%的尤其經穩定的氧化鋁(Al2 O3 )及/或氧化鎂(MgO)及/或氧化鋯(氧化鋯(ZrO2 ))或其任何混合物的該粉末。
  5. 如請求項1至4中任一項之方法， 其中 在該氣溶膠沈積中，尤其是在步驟(c)中，將惰性氣體，尤其是氦氣(He)及/或氬氣(Ar)及/或氮氣(N2 )及/或氧氣(O2 )用作運載氣體，及/或使用不大於150℃之溫度處理。
  6. 如請求項2至4中任一項之方法， 其中 結構化該至少一個導電塗層，及/或以經結構化形式將該至少一個導電塗層間接或直接塗覆於該感測器載體上。
  7. 一種感測器，尤其是溫度感測器，其包含至少一個導電層及至少一個額外層，尤其是鈍化層及/或絕緣層，其中該感測器較佳地係藉助於如請求項1至6中任一項之方法製造， 其中 至少一個層，尤其是該鈍化層及/或該絕緣層，係藉助於氣溶膠沈積(氣溶膠沈積方法，ADM)製造。
  8. 如請求項7之感測器， 其中 使用氣溶膠沈積製造之至少一個層包含 a) 氧化鋁(Al2 O3 )，其中基底材料之純度為至少94 wt.%； 及/或 b) 氧化鎂(MgO)，其中基底材料之純度為至少94 wt.%； 及/或 c) 鈦酸鎂，其呈組成物Mg2 TiO5 、MgTiO3 或MgT2 O5 之形式，其中基底材料之總純度為至少98 wt.%； 及/或 d) 二元氧化鋯合金(ZrO2 )，其具有穩定劑氧化釔，尤其是0 wt.%至20 wt.%之氧化釔，及/或CaO，且尤其是0 wt.%至15 wt.%之CaO，及/或MgO，尤其是0 wt.%至15 wt.%之MgO，其中基底材料之總純度為至少98 wt.%；及/或 e) 如d)中所指定之三元氧化鋯合金(ZrO2 )，其具有由以下各者形成之其他添加劑：Nb2 O5 ，尤其是0 wt.%至30 wt.%之Nb2 O5 ，及/或Ta2 O5 ，尤其是0 wt.-%至30 wt.%之Ta2 O5 ，其中基底材料之總純度為至少98 wt.%。
  9. 如請求項8之感測器， 其中 使用氣溶膠沈積製造之至少一個層係由至少95%之氧化鋁(Al2 O3 )組成。
  10. 如請求項9之感測器， 其中 在600℃之溫度下藉助於氣溶膠沈積製造之至少一個Al2 O3 層的比電阻為至少1010 Ohm cm。
  11. 如請求項7之感測器， 其中 藉助於氣溶膠沈積製造之至少一個層的厚度為100 nm至50 µm。
  12. 如請求項7之感測器， 其中 藉助於氣溶膠沈積(ADM)製造之至少一個層的硬度為至少6 GPa。
  13. 如請求項7之感測器， 其中 藉助於氣溶膠沈積(ADM)製造之至少一個層係防濕的。
  14. 如請求項7至13中任一項之感測器， 其中 感測器載體包含 a) 氧化鋁(Al2 O3 )，其中基底材料之純度為至少94 wt.%； 及/或 b) 氧化鎂(MgO)，其中基底材料之純度為至少94 wt.%； 及/或 c) 鈦酸鎂，其呈組成物Mg2 TiO5 、MgTiO3 或MgT2 O5 之形式，其中基底材料之總純度為至少98 wt.%； 及/或 d) 二元氧化鋯合金(ZrO2 )，其具有穩定劑氧化釔，尤其是0 wt.%至20 wt.%之氧化釔，及/或CaO，且尤其是0 wt.%至15 wt.%之CaO，及/或MgO，尤其是0 wt.%至15 wt.%之MgO，其中基底材料之總純度為至少98 wt.%； e) 如d)中所指定之三元氧化鋯合金(ZrO2 )，其具有由以下各者形成之其他添加劑：Nb2 O5 ，尤其是0 wt.%至30 wt.%之Nb2 O5 ，及/或Ta2 O5 ，尤其是0 wt.-%至30 wt.%之Ta2 O5 ，其中基底材料之總純度為至少98 wt.%。
  15. 如請求項7至13中任一項之感測器， 其中 至少一個導電塗層較佳地由金屬組成，尤其是由鉑(Pt)及/或銠(Rh)及/或銥(Ir)及/或鈀(Pd)及/或金(Au)及/或鎢(W)及/或鉭(Ta)及/或鎳(Ni)及/或銅(Cu)組成，及/或由該等指定金屬之合金組成。
  16. 如請求項7至13中任一項之感測器， 其特徵在於 至少兩個導電層，其中在該至少兩個導電層之間，至少一個層係藉助於氣溶膠沈積製造。
  17. 如請求項7至13中任一項之感測器， 其特徵在於 至少兩個導電層，其中該等導電層係經由至少一個量測橋接器彼此連接。
  18. 一種如請求項7至17中任一項之感測器在載具中之用途，該感測器用於量測溫度及/或粒子數量及/或灰粒數量及/或反應熱及/或氣體含量及/或氣體流量。
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