WO1992015101A1 - Hochtemperatur-platinmetall-temperatursensor - Google Patents

Hochtemperatur-platinmetall-temperatursensor Download PDF

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WO1992015101A1
WO1992015101A1 PCT/EP1992/000223 EP9200223W WO9215101A1 WO 1992015101 A1 WO1992015101 A1 WO 1992015101A1 EP 9200223 W EP9200223 W EP 9200223W WO 9215101 A1 WO9215101 A1 WO 9215101A1
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platinum
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thick
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Josef Gerblinger
Hans Meixner
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • H01C7/021—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient formed as one or more layers or coatings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/183—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer characterised by the use of the resistive element

Definitions

  • the present invention relates to a fast platinum metal temperature sensor for high-temperature sensors, in particular for use in automotive exhaust gas monitoring technology.
  • thermocouples made of platinum / platinum-rhodium or nickel / chrome-nickel have been used for operating temperatures up to 1000oC.
  • these elements have two major disadvantages. On the one hand, they cannot be integrated on hybrid components and, on the other hand, they have relatively long response times to temperature changes in their environment. So far, screen-printed platinum-metal temperature sensors or other thin-film technologies (PVD or CVD processes) can only be used up to a maximum of 850oC, since at this temperature at the latest the platinum metals form both stable and volatile oxides, which lead to a resistance drift of the temperature sensor.
  • a platinum metal temperature sensor provided with an aluminum oxide protective layer is known for example from GB 2 171 253.
  • a platinum resistance film with a silicon nitride protective layer is known from 3P-A 63269502.
  • a platinum film resistor with a titanium dioxide / silicon dioxide double layer can be found in DE-OS 36 03 757.
  • a disadvantage of the known sensors is that an oxidation of the platinum is observed at temperatures above 850 ° C despite passivation and protective layers, which leads to the impermissible resistance drift of the temperature sensor.
  • the oxidation is particularly due to cracks in the passivation layers, which occur when cooling from high temperatures. up to room temperature due to different thermal expansion coefficients of the materials used for the sensor.
  • Glass layers to be applied as a passivation layer in thick-film technology also form cracks during cooling, which allow oxygen to enter and thus oxidize the platinum.
  • the present invention has for its object one.
  • This object is achieved according to the invention by a fast platinum metal temperature sensor with the features of claim 1.
  • a platinum resistance layer is usually applied in the form of meanders in thick or thin layer processes to the substrates usually used in microsystem technology (for example made of Al 2 O 3 ).
  • the oxidation of the platinum metals is prevented by a passivation, which is applied to the surface of the temperature sensor.
  • the passivation layer is produced according to the invention as a thin double layer (typical layer thicknesses in the range from 1 to 15 ⁇ m).
  • metal nitride e.g. Si 3 N 4
  • Si 3 N 4 metal nitride
  • Carbon C metal carbide
  • oxygen 0 metal oxide
  • any glass can be considered for the glass layer, for example silicate glasses, which are commercially available as pastes for thick-film technology.
  • the layer sequence of ceramic and glass layers is interchangeable, so that the glass layer or the ceramic layer can be applied directly over the platinum resistance layer.
  • the glass layer serves as a buffer layer which softens at higher temperatures and thus reduces or prevents the formation of tensions between the ceramic layer and the layers below. Due to the non-occurring stresses, no cracks are observed in the ceramic layer despite the high temperature interval when the temperature sensor is operated from room temperature to 1000 ° C.
  • the glass layer serves as a sealing layer, which also softens at higher temperatures and is able to penetrate into any cracks in the ceramic layer underneath, thereby sealing it. Even when it cools down, the glass adheres to the cracks and cracks in the ceramic layer and ensures an oxygen-tight passivation through this double layer. This prevents oxygen from passing through the passivation to the surface of the platinum metal and from forming a metal oxide layer between the platinum metal and the passivation.
  • care must also be taken to ensure that no reactions occur between the passivation and the platinum metal used as a temperature sensor, even at high operating temperatures of up to 1000 * 0. The latter would also lead to irreparable resistance drifts in the temperature sensor.
  • the ceramic layer can be produced using both thick-film and thin-film technology.
  • a ceramic green sheet can first be produced and then baked, or the ceramic can be produced directly by a plasma or gas phase deposition process, for example by PVD or CVD processes. Sputtering and vapor deposition processes are also suitable.
  • Typical layer thicknesses for the ceramic layer are between 1 and 10 ⁇ m, while the layer thickness of the glass layer is chosen between 5 and 10 ⁇ m.
  • a higher layer thickness may be required due to an uneven substrate surface, usually a ceramic, in order to achieve a uniform and dense
  • the ceramic layer is made of a metal / non-metal compound that shows no interaction with oxygen.
  • the ceramic layer is made of a metal / non-metal compound that is impermeable to oxygen.
  • the first (lower) passivation layer is made of a metal / non-metal compound that shows no interaction with platinum metals.
  • a fast temperature sensor is available for the first time, which is suitable for temperatures up to 1000 ° C is particularly suitable for the interval from 850 to 1000 ° C, and which shows no resistance drift even when used in an oxygen-containing atmosphere and therefore provides reliable and reliable measured values even with a long service life.
  • This makes it possible for the first time to measure exhaust gas temperatures of internal combustion engines immediately behind the combustion chamber in order to optimally control other gas sensors with the measurement value obtained and thus to enable optimal combustion with maximum energy utilization with minimal pollutant emissions.
  • Figure 1 shows the arrangement of a platinum resistance layer on a substrate during
  • Figure 2 shows a schematic section through a finished temperature sensor.
  • FIG. 1 A platinum resistance layer Pt with a thickness of, for example, 5 ⁇ m is applied to a substrate S. At least partially, the platinum structure Pt has the shape of meanders Gur, which form the actual measuring resistor.
  • FIG. 2 shows a section through a finished temperature sensor in the area of the meander structure Gur.
  • the platinum conductor tracks Pt applied to the substrate S are covered by a double layer DS as a passivation layer.
  • the lower layer US can be a glass layer and the upper layer OS can be a ceramic layer or vice versa.

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Abstract

Für einen schnellen Platinmetall-Temperatursensor wird vorgeschlagen, über der Platinwiderstandsschicht zur Verhinderung der Oxidation eine Doppelschicht als Passivierungsschicht aufzubringen. Die Doppelschicht besteht aus einer Keramikschicht und aus einer Glasschicht und verhindert selbst bei hohen Temperaturen bis 1000 °C ein Hinzutreten von Sauerstoff zur Platin-Widerstandsschicht.

Description

Hochtemperatur-Platinmetall-Temperatursensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen schnellen Platinmetall-Temperatursensor für die Hochtemperatur-Sensorik, ins- besondere zur Verwendung in der Kfz-Abgasüberwachungstechnik.
Für viele Anwendungen im Bereich der Hochtemperatursensorik (zum Beispiel emissionskontrollierte Verbrennung) werden Sensoren benötigt, die mit Zeitkonstanten kleiner als 100 ms die Temperaturen in ihrer Umgebung erfassen können. Im Bereich der Abgassensorik ist es zum Beispiel notwendig, die gasempfindlichen Elemente auf konstanter Temperatur von ca. 1000ºC zu halten. Die Temperaturschwankungen des Abgases müssen möglichst schnell erfaßt werden, um die auf dem Sensorchip integrierten Heizelemente so steuern zu können, daß die Temperatur der gassensitiven Schicht nahezu konstant bleibt.
Für Einsatztemperaturen bis 1000ºC wurden bisher Thermoelemente aus Platin/Platin-Rhodium oder Nickel/Chrom-Nickel verwendet. Diese Elemente haben jedoch zwei entscheidende Nachteile. Zum einen können sie nicht auf hybriden Bauelementen integriert werden und zum anderen weisen sie relativ große Ansprechzeiten auf Temperaturwechsel in ihrer Umgebung auf. Siebgedruckte oder in sonstigen Dünnschicht-Technologien (PVD- oder CVD-Verfahren) hergestellte Temperaturfühler aus Platinmetallen sind bisher nur bis maximal 850ºC einsetzbar, da spätestens ab dieser Temperatur die Platinmetalle sowohl stabile als auch flüchtige Oxide ausbilden, die zu einem Widerstandsdriften des Temperatursensors führen.
Zum Schutz des Platinmetall-Temperatursensors vor der Oxidation und damit zur Verhinderung des Widerstandsdriftens des Sensors wird das Platinmetall mit verschiedenen Schutzschichten abgedeckt. Ein mit einer Aluminiumoxid-Schutzschicht versehener Platinmetall-Temperatursensor ist zum Beispiel aus der GB 2 171 253 bekannt.
Aus der 3P-A 63269502 ist ein Platinwiderstandsfilm mit einer Siliziumnitrid-Schutzschicht bekannt. Ein Platinschichtwiderstand mit einer Titandioxid/Siliziumdioxid-Doppelschicht ist der DE-OS 36 03 757 zu entnehmen.
Aus einem Artikel von J. C. Godefreuy et al in J. Vac. Sei. Technol. A 5 (5), 1987, Seiten 2917 bis 2923 ist ein Piatindünnfilmtemperatursensor bekannt, der einen komplizierten Mehrschichtaufbau mit einer in Aluminiumoxid eingebetteten Platindünnschicht aufweist.
Nachteilig an den bekannten Sensoren ist, daß bei Temperaturen über 850ºC trotz Passivierungs- und Schutzschichten eine Oxidation des Platins beobachtet wird, die zu dem unzulässigen Widerstandsdriften des Temperatursensors führt. Die Oxidation ist insbesondere auf Risse in den Passivierungsschichten zurückzuführen, die sich beim Abkühlen von hohen Temperaturer. bis hin zur Raumtemperatur aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der für den Sensor verwendeten Materialien ausbilden.
Auch in Dickschichttechnik als Passivierungsschicht aufzubringende Glasschichten bilden beim Abkühlen Risse aus, die einen Sauerstoffzutritt und somit eine Oxidation des Platins erlauben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer. Platinmetall-Temperatursensor für einen Temperaturbereich bis zu 1000ºC zu schaffen, der eine geringe Ansprechzeit hat, einen einfachen, leicht herstellbaren Aufbau aufweist und der auch bei Temperaturen über 850°C ein stabiles Meßverhalten ohne Widerstandsdriften besitzt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einer, schnellen Platinmetall-Temperatursensor mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie erfindungsgemäße Verwendungen des Temperatursensors sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen beschrieben.
In Temperatursensoren wird eine Platin-Widerstandsschicht meist in Form von Mäandern in Dick- oder Dünnschichtverfahren auf die in der Mikrosystemtechnik üblicherweise verwendeten Substrate (zum Beispiel aus Al2O3) aufgebracht. Die Oxidation der Platinmetalle wird durch eine Passivierung, die auf die Oberfläche des Temperatursensors aufgebracht ist, unterbunden. Um trotz der Passivierung möglichst geringe Ansprechzeiten des Temperatursensors mit Zeitkonstanten kleiner als 100 ms zu erhalten, wird die Passivierungsschicht erfindungsgemäß als möglichst dünne Doppelschicht hergestellt (typische Schichtdicken im Bereich von 1 bis 15 μm).
Besonders geeignet für die Keramikschicht sind Verbindungen aus Metallen M mit Stickstoff N (Metallnitrid; z. B. Si3N4),
Kohlenstoff C (Metallcarbid) oder Sauerstoff 0 (Metalloxid; z.
B. Al2O3), Bor (Metallboriden), Silizium (Metallsilizide) oder
Kombinationen aus Suiziden, Nitriden, Carbiden Boriden oder
Oxiden.
Für die Glasschicht kommen beliebige Gläser in Betracht, beispielsweise Silikatgläser, die als Pasten für die Dickschichttechnik im Handel erhältlich sind. Bei der erfindungsgemäßen Doppelschicht ist die Schichtreihenfolge von Keramik- und Glasschicht austauschbar, so daß direkt über der Platinwiderstandsschicht die Glasschicht oder die Keramikschicht aufgebracht sein kann. Bei der Anordnung Platin/Glas/Keramik dient die Glasschicht als Pufferschicht, die bei höheren Temperaturen erweicht und so das Ausbilden von Spannungen zwischen der Keramikschicht und den darunterliegenden Schichten vermindert bzw. verhindert. Aufgrund der nicht auftretenden Spannungen werden trotz des hohen Temperaturintervalls beim Betrieb des Temperatursensors von Raumtemperatur bis 1000ºC keine Risse in der Keramikschicht beobachtet.
Bei der Anordnung Platin/Keramik/Glas dient die Glasschichi als Dichtungsschicht, die ebenfalls bei höheren Temperaturen erweicht und dabei in sich eventuell bildende Risse der darunterliegenden Keramikschicht einzudringen vermag und diese dadurch abdichtet. Auch beim Abkühlen bleibt das Glas in aufgetretenen Spalten und Rissen der Keramikschicht haften und sorgt für eine sauerstoffdichte Passivierung durch diese Doppelschicht. Auf diese Weise wird verhindert, daß Sauerstoff durch die Passivierung hindurch zur Oberfläche des Platinmetalls gelangt und sich zwischen dem Platinmetall und der Passivierung eine Metalloxidschicht ausbildet. Bei der Auswahl der Passivierung muß jedoch auch darauf geachtet werden, daß selbst bei den hohen Einsatztemperaturen bis 1000*0 keine Reaktionen zwischen der Passivierung und dem als Temperatursensor verwendeten Platinmetall auftritt. Auch letzteres würde zu irreparablen Widerstandsdriften des Temperatursensors führen. Keine Gefahr von chemischen Reaktionen zwischen Widerstandsschicht und Passivierungsschicht besteht bei der direkten Anordnung der Glasschicht über der Platinschicht. Nur wenn die Platinschicht der Keramikschicht in Kontakt tritt, darf die Keramikschicht keinen Sauerstoff enthalten und dabei gleichzeitig ionenleitend sein. Es sind nur solche Oxide als Keramik erlaubt, die ausschließlich festcebundenen Sauerstoff enthalten, der nicht zur Platinoxidbildung geeignet ist.
Während die Glasschicht in einem Dickschichtverfahren erzeugt wird, beispielsweise durch Aufdrucken einer Glaspsrtikεl ent haltenden Paste und anschließendes Einbrennen, kann die Keramikschicht sowohl in Dickschicht- als auch in Dünnschichttechnik hergestellt werden. Es kann zunächst eine Keramik-Grünfolie erzeugt und anschließend eingebrannt werden, oder man erzeugt die Keramik direkt durch ein Plasma- oder Gasphasenabscheideverfahren, beispielsweise durch PVD- oder CVD-Verfahren. Auch Sputter- und Aufdampfverfahren sind geeignet. Typische Schichtdicken für die Keramikschicht liegen zwischen 1 und 10 μm, während die Schichtdicke der Glasschicht zwischen 5 und 10 μm gewählt wird. Für die untere, direkt auf der Widerstandsschicht und dem Substrat aufliegende Teilschicht der Passivierungsschicht kann aufgrund einer unebenen Substratoberfläche, üblicherweise eine Keramik, eine höhere Schichtdicke erforderlich sein, um eine gleichmäßige und dichte
Schicht zu gewährleisten.
Im Fall eines in Dickschicht-Technik hergestellten Platinmetall-Temperatursensors, bei dem zur Erzielung einer minimalen Ansprechzeit des Temperatursensors die erste Passivierungsteilschicht in Dünnschicht-Technik hergestellt ist, ergibt sich durch Auftragen einer Dichtungslage auf die Passivierungsschicht zur Abdichtung von nach dem Aufheizen und anschließendem Abkühlen zum Zwecke einer Temperung des Sensorrohlings entstandenen Rissen in der Passivierungsschicht praktisch eine in Dickschicht-Technik hergestellte Passivierungsschicht.
Die Keramikschicht ist aus einer Metall/Nichtmetall-Verbindung hergestellt, die keine Wechselwirkung mit Sauerstoff zeigt.
Außerdem ist die Keramikschicht aus einer Metall/NichtmetallVerbindung hergestellt, die undurchlässig für Sauerstoff ist.
Schließlich ist die erste (untere) Passivierungsschicht aus einer Metall/ Nichtmetall-Verbindung hergestellt, die keine Wechselwirkung mit Platinmetallen zeigt.
Mit der Erfindung wird erstmals ein schneller Temperatursensor zur Verfügung gestellt, der für Temperaturen bis 1000ºC, ins besondere für das Intervall von 850 bis 1000°C geeignet ist, und der auch bei Einsatz in sauerstoffhaltiger Atmosphäre kein Widerstandsdriften zeigt und daher auch bei großer Lebensdauer sichere und zuverlässige Meßwerte liefert. Somit wird es erstmals möglich, Abgastemperaturen von Verbrennungskraftmaschinen unmittelbar hinter dem Verbrennungsraum zu messen, um mit dem erhaltenen Meßwert andere Gassensoren optimal zu steuern und damit eine optimale Verbrennung mit maximaler Energieausnutzung bei minimalem Schadstoffausstoß zu ermöglichen.
Im folgenden wird der Aufbau eines erfindungsgemäßen Temperatursensors durch zwei Figuren näher erläutert. Figur 1 zeigt die Anordnung einer Platinwiderstandsschicht auf einem Substrat während
Figur 2 einen schematischen Schnitt durch einen fertigen Temperatursensor zeigt.
Figur 1: Auf einem Substrat S ist eine Platinwiderstandsschicht Pt in einer Stärke von zum Beispiel 5 μm aufgebracht. Zumindest teilweise weist die Platinstruktur Pt die Form von Mäandern Mä auf, die den eigentlichen Meßwiderstand bilden.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen fertigen Temperatursensor im Bereich der Mäanderstruktur Mä. Die auf dem zum Beispiel aus Aluminiumoxid bestehenden Substrat S aufgebrachten Platinleiterbahnen Pt we rden von einer Doppelschicht DS als Passivierungsschicht abgedeckt. Dabei kann die untere Schicht US eine Glasschicht und die obere Schicht OS eine Keramikschicht sein oder umgekehrt.

Claims

Patentansprüche
1. Schneller Platinmetall-Temperatursensor mit einer auf einem Keramiksubstrat (S) aufgebrachten Platinwiderstandsschicht (Pt, Mä) und einer darüber aufgebrachten Passivierungsschicht, wobei die Passivierungsschicht eine Doppelschicht (DS) aus einer Keramikschicht und einer Glasschicht ist.
2. Temperatursensor nach Anspruch 1, bei dem die Glasschicht in Dickschichttechnik hergestellt ist.
3. Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Material der Keramikschicht aus der Klasse der Nitride, Boride, Carbide, Oxide oder Suizide von Metallen ausgewählt ist.
4. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Glasschicht aus Silikatglas besteht.
5. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Keramikschicht in Dick- oder Dünnschichttechnik ausgeführt ist und eine Dicke von ca. 1 bis 10 μm aufweist.
6. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem über der Platinwiderstandsschicht eine Glas-Dickschicht und darüber eine 1 bis 10 μm dicke Keramikschicht aufgebracht ist.
7. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem über der Platinwiderstandsschicht (Pt, Mä) eine 1 bis 10 μm dicke Keramikschicht und darüber eine Glasschicht in Dickschichttechnik aufgebracht ist.
8. Verwendung des Temperatursensors nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Temperaturmessung bis 1000°C, insbesondere im Bereich von 850 bis 1000ºC.
9. Verwendung eines Temperatursensors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in der Kfz-Technik zur Abgasüberwachung.
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