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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Sensor, z.B. einen Metalloxidsensor,
mit einem Träger
bzw. Isolator, zwei Elektroden, die typischerweise als Interdigitalstruktur
(IDT) ausgebildet sind, einer gassensitiven Schicht, deren elektrische
Leitfähigkeit
entsprechend der Konzentration einer Messgaskomponente variiert
und die über
die beiden Elektroden der Interdigitalstruktur kontaktiert wird,
und einer Heizerstruktur, wobei die Elektroden der Interdigitalstruktur, die
gassensitive Schicht und die Heizerstruktur auf einer Seite des
Trägers
bzw. Isolators angeordnet sind.
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Ein
derartiger Sensor ist beispielsweise in der
DE 196 06 272 C2 beschrieben.
Hierbei ist die Heizerstruktur um die Interdigitalstruktur herum
angeordnet, wobei mittels der Interdigitalstruktur und der damit
kontaktierten gassensitiven Schicht das eigentliche Sensorelement
gebildet wird. Aufgrund der Anordnung sowohl der Interdigitalstruktur,
der gassensitiven Schicht und der Heizerstruktur auf derselben Seite
des Trägers
bzw. Isolators ergeben sich im Vergleich zu solchen Sensoren, bei
denen die Heizerstruktur und die Interdigitalstrukturen auf unterschiedlichen
Seiten des Trägers
bzw. Isolators angeordnet sind, fertigungstechnische Vorteile. Aufgrund der
Anordnung der Heizerstruktur um die Interdigital strukturen herum
ist eine gleichmäßige Wärmeverteilung
jedoch nicht erreicht. Hierdurch entsteht sehr häufig ein zu unspezifisches
Sensorverhalten, wodurch eine zuverlässige Steuerung bzw. Regelung entsprechend
vorgegebener Konzentrationen von Messgaswerten schwierig bzw. teilweise
unmöglich wird.
Ein weiterer Nachteil der oben genannten Anordnung ist der, dass
bei einer notwendigen Mindestfläche
der gassensitiven Schicht der Platzbedarf auf dem Träger größer als
diese Mindestfläche
ist und einer Verkleinerung des Sensors entgegensteht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs
geschilderten Gattung derart weiterzubilden, dass bei weiterer Verringerung des
technisch-konstruktiven Aufwands zur Herstellung des Sensors eine
gleichmäßige Wärmeverteilung
möglich
ist und der gesamte Flächenbedarf
reduziert wird, um den Sensor kleiner und preiswerter produzieren
zu können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei
die Heizerstruktur gleichzeitig eine der notwendigen Elektroden
zur Kontaktierung der gassensitiven Schicht bildet.
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Wird
die Heizerstruktur mäanderförmig ausgebildet
und weist die zweite Elektrode miteinander verbundene Finger auf,
die zwischen den mäandrierenden,
zueinander mehr oder weniger parallelen Abschnitten des Heizmäanders angeordnet
sind, erhält
man eine vorteilhafte Interdigitalstruktur zur Kontaktierung der
gassensitiven Schicht.
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Die
zweite notwendige Elektrode kann in nahezu beliebeigen geeigneten
Geometrien ausgebildet werden. Sehr gute homogene Ausprägungen werden
erreicht, wenn die zweite Elektrode durch einen kontaktierbaren
Leiterzug gebildet wird, der in einem festen Abstand parallel zum
Verlauf der Heizerstruktur verläuft.
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Ein
derart ausgestalteter erfindungsgemäßer Sensor kann bei erheblichen
fertigungstechnischen Einsparungen durch Integration der Heizerstruktur
in das eigentliche Sensorelement eine sehr gleichmäßige Wärmeverteilung
für die
gassensitive Schicht des eigentlichen Sensorelements gewährleisten.
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Dies
gilt insbesondere dann, wenn die miteinander verbundenen Finger
der zweiten Elektrode sich jeweils über die gesamte Länge zweier
mäandrierender,
zueinander mehr oder weniger paralleler Abschnitte des Heizmäanders zwischen
diesen erstrecken.
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Die
Heizerstruktur wird mit elektrischem Strom beaufschlagt, bis am
Sensor bzw. am eigentlichen Sensorelement dessen Betriebstemperatur
erreicht ist. Bei Erreichen der Betriebstemperatur wird vorteilhafterweise
der die Heizerstruktur beaufschlagende Heizstrom abgeschaltet. Über die
Heizerstruktur und die zweite Elektrode wird der Leitwert der gassensitiven
Schicht gemessen. Anschließend kann
der die Heizerstruktur beaufschlagenden Heizstrom wieder eingeschaltet
werden.
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Vorteilhaft
können
mehrer Sensoren auf einem Träger
ausgebildet werden, wenn mehrere separate Elektroden mit dem Heizungsmäander jeweils eine
Interdigitalstruktur bilden.
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Wenn
auf der anderen Seite des Trägers bzw.
Isolators zumindest eine weitere Interdigitalstruktur und eine darauf
aufgebrachte gassensitive Schicht angeordnet sind, kann der Sensor
mit einer erhöhten
Komplexität
versehen und zur Messung weiterer Gase eingesetzt werden. Wenn nunmehr
die gassensitive Schicht, die auf der anderen Seite des Trägers bzw.
Isolators angeordnet ist, eine niedrigere Betriebstemperatur hat
als die gassensitive Schicht auf der einen Seite des Trägers bzw.
Isolators, kann für
den Betrieb des Sensorelements auf der anderen Seite des Trägers bzw.
Isolators die Wärmeenergie der
auf der einen Seite des Trägers
bzw. Isolators angeordneten Heizerstruktur ausreichend sein.
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Sofern
die gassensitiven Schichten auf den unterschiedlichen Seiten des
Trägers
bzw. Isolators bei etwa der gleichen Betriebstemperatur arbeiten, ist
es vorteilhaft, wenn auf der anderen Seite des Trägers bzw.
Isolators ebenfalls zumindest eine Heizvorrichtung vorgesehen ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors
sind die zumindest eine auf der anderen Seite des Trägers bzw.
Isolators angeordnete Interdigitalstruktur, ggf. die zumindest eine
Heizvorrichtung und die zumindest eine gassensitive Schicht so ausgebildet
wie die Interdigitalstruktur, die Heizvorrichtung und die gassensitive
Schicht auf der einen Seite des Trägers bzw. Isolators.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
auf beiden Seiten des Trägers
bzw. Isolators jeweils mehrere vorstehend beschriebene eigentliche
Sensorelemente auszugestalten bzw. anzuordnen, wobei vorteilhafterweise
der Heizmäander
gemeinsamer Bestandteil mehrerer oder aller so ausgebildeten Sensoren
ist.
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Die
aus den miteinander verbundenen Leiterstrukturen gebildete zweite
Elektrode kann durch eine beliebige geeignete Leitergeometrie ersetzt
werden, die an das jeweils im konkreten Fall vorliegende Anforderungsprofil
anpassbar ist.
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Auch
die zweite Elektrode kann als weitere Heizerstruktur ausgebildet
sein, wobei der Widerstand der gassensitiven Schicht zwischen den
dann zwei Heizerstrukturen messbar ist.
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Des
Weiteren kann die Heizerstruktur gemeinsame Elektrode mehrerer einzelner
Sensoranordnungen sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors
sind auf der der Heizungsstruktur abgewandten Seite des Isolators
eine oder mehrere Interdigitalstrukturen aufgebracht, mittels denen
der Widerstand unterschiedlicher gassensitiver Schichten messbar
ist, wobei die Aufheizung der gassensitiven Schichten durch den Isolator
hindurch mittels der Heizerstruktur erfolgt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors,
wobei zur Verdeutlichung eine gassensitive Schicht des Sensors nicht
dargestellt ist; und
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2 eine
Prinzipdarstellung der in 1 gezeigten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors
mit der gassensitiven Schicht.
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Zu
einer in den 1 und 2 prinzipiell dargestellten
Sensoranordnung 1 gehört
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors 2, der
schaltungstechnisch in geeigneter Weise in die Sensoranordnung 1 integriert
ist.
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Der
Sensor 2 hat in der in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform
einen Träger
bzw. Isolator 3, in 1 gezeigte,
miteinander verbundene Leiterstrukturen 4, 7, 8,
eine lediglich in 2 gezeigte gassensitive Schicht 5 und
eine Heizerstruktur 6. Wie aus den 1 und 2 hervorgeht,
sind die miteinander verbundenen Leiterstrukturen 4, 7, 8,
die gassensitive Schicht 5 und die Heizerstruktur 6 auf derselben
Seite des Trägers
bzw. Isolators 3 angeordnet, der aus einem hitzebeständigen Werkstoff, z.B.
aus einem keramischen Werkstoff oder aus Silizium, ausgebildet sein
kann.
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Wie
insbesondere aus 1 hervorgeht, weisen die miteinander
verbundenen Leiterstrukturen 4, 7, 8 mehrere
zueinander parallele Finger 7, 8 auf, die mittels
einer Verbindung 4 miteinander verbunden sind. Hier dargestellt
sind zwei Finger 7, 8, die jeweils zwischen zwei
mäandrierende,
zueinander mehr oder weniger parallele Abschnitte 10, 11; 12, 13 der
Heizerstruktur 6 eindringen. Es ist hier jede beliebige
andere Anzahl vorstellbar.
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Die
Heizerstruktur 6 liegt in Form eines Heizmäanders 9 vor,
der die mäandrierenden,
zueinander mehr oder weniger parallelen Abschnitte 10, 11, 12, 13 hat.
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Die
Finger 7, 8 der miteinander verbundenen Leiterstrukturen 4, 7, 8 stehen
zwischen die Abschnitte 10, 11 bzw. 12, 13 des Heizmäanders 9 der
Heizerstruktur 6 vor, wobei die Finger 7, 8 sich,
wie aus 1 hervorgeht, etwa über die
gesamte Länge
der zueinander parallelen Abschnitte 10, 11 bzw. 12, 13 des
Heizmäanders 9 erstrecken.
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Hierdurch
sind die Finger 7, 8 der miteinander verbundenen
Leiterstrukturen 4, 7, 8 und die durch
den Heizmäander 9 ausgebildete
Heizerstruktur 6 in Form einer Interdigitalstruktur 4, 7, 8; 6 so
ineinander greifend angeordnet, dass zwischen den miteinander verbundenen
Leiterstrukturen 4, 7, 8 und dem Heizmäander 9 der
Widerstand der darüber
aufgebrachten, in 2 gezeigten gassensitiven Schicht 5 messbar
ist. Dieser Widerstand der gassensitiven Schicht 5 kann
an mehreren Messstellen gemessen werden.
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Für den Betrieb
des Sensors 2 wird dieser mittels des Heizmäanders 9 mit
elektrischem Strom auf seine Betriebstemperatur gebracht, die, sofern
es sich bei dem Sensor 2 um einen Metalloxidsensor handelt,
bei ca. 300 Grad C liegt. Bei Erreichen der Betriebstemperatur des
Sensors 2 wird der elektrische Strom abgeschaltet. Über die
Heizerstruktur und die miteinander verbundenen Leiterstrukturen 4, 7, 8 wird
der Widerstand gemessen. Anschließend wird der elektrische Strom
zum Betrieb des Heizmäanders 9 wieder
eingeschaltet.
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Aufgrund
der Anordnung der miteinander verbundenen Leiterstrukturen 4, 7, 8,
der gassensitiven Schicht 5 und der Heizerstruktur 6 auf
derselben Seite des Trägers
bzw. Isolators 3 kann zu einer komplexeren Ausgestaltung
des Sensors 2 auf der anderen Seite des Trägers bzw.
Isolators 3 zumindest ein weiteres Sensorelement untergebracht
werden. Sofern eine auf der anderen Seite des Trägers bzw. Isolators 3 angeordnete gassensitive
Schicht eine niedrigere Betriebstemperatur als die der gassensitiven Schicht 5 auf
der einen Seite des Trägers
bzw. Isolators 3 aufweist, kann für den gesamten Sensor 2 die auf
der einen Seite vorgesehene Heizerstruktur 6 ausreichend
sein. Falls die auf unterschiedlichen Seiten des Trägers 3 vorgesehenen
gassensitiven Schichten 5 mehr oder weniger dieselbe Betriebstemperatur
aufweisen, muss für
jede sensitive Schicht eine Heizerstruktur vorgesehen werden.