DE102008047369A1

DE102008047369A1 - Epitaktischer Rußsensor

Info

Publication number: DE102008047369A1
Application number: DE102008047369A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dr. Wienand; Karlheinz Dr. Ullrich
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Yageo Nexensos GmbH
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-04-15
Also published as: ITRM20090463A1; JP2010066267A; FR2936058A1; US20100066388A1; IT1398365B1

Abstract

Rußsensor mit einer rußsensitiven Edelmetallstruktur aus Leiterbahnabschnitten auf einem elektrisch isolierenden Träger, deren Leiterbahnabschnitte zwischen 5 und 100 µm breit sind und zwischen 5 und 100 µm voneinander beabstandet sind, wobei der elektrisch isolierte Träger ein Einkristall ist und das Edelmetall auf einer Oberfläche des Einkristalls auskristallisiert ist oder der elektrisch isolierte Polykristallin ist und das Edelmetall auf dem polykristallinen elektrisch isolierten Träger auskristallisiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Rußsensoren auf Basis von rußsensitiven Platindünnschicht-Strukturen.
In Massenproduktion hergestellte Dickschichtstrukturen weisen zu grobe Leiterbahnstrukturen für genaue Messungen auf. Die feineren Dünnschichtstrukturen lösen sich im Gebrauch vom Substrat ab.
WO 2006/111386 offenbart Rußsensoren mit IDK- und Heizleiterstrukturen auf elektrisch isolierenden Substraten. Maßgeblich ist, dass der Ruß mit der rußsensitiven Struktur in Wechselwirkung tritt, weshalb die rußsensitive Struktur nicht abgedeckt wird. Für die dauerhafte Verwendung derartig offener Strukturen werden die für den Ruß offenen Strukturen mit einem Heizleiter, der beispielsweise auf der Rückseite eines Substrats angeordnet ist, ausgeglüht und dabei vom Ruß befreit. Problematisch ist jedoch, dass sich die Platinstrukturen unter den Betriebsbedingungen ablösen. Deshalb weisen derartige Rußsensoren eine kurze Lebensdauer auf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, hochsensitive in Massenproduktion herstellbare rußsensitive Strukturen mit langer Lebenszeit bereitzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Edelmetall, insbesondere Platin fester auf dem isolierenden Untergrund befestigt. Hierzu erfolgt erfindungsgemäß ein kristallisches, insbesondere epitaktisches Aufwachsen des Edelmetalls, insbesondere Platins auf einen elektrisch isolierenden Träger, insbesondere Einkristall.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungen beschrieben.
Kristallines, insbesondere gerichtetes (epitaktisches) Aufwachsen des Edelmetalls auf dem Träger bewirkt einen festeren Halt der Edelmetallschicht, insbesondere Platinschicht, gegenüber einer üblicherweise amorpheren Dünnschichtstruktur. Mit zunehmender Kristallinität der Grenzflächen wird der Rußsensor bezüglich seinen Arbeitsbedingungen belastbarer. Kristalline, insbesondere epitaktisch aufgetragene Edelmetallschichten werden mit üblichen Methoden wie z. B. Fotolithografie zu feinen und damit besonders rußsensitiven Strukturen, insbesondere Kammstrukturen (IDK-Strukturen) strukturiert. Hierbei werden Leiterbahnabschnitte mit Breiten und Abständen voneinander zwischen 5 und 100 μm geschaffen, insbesondere 10 bis 50 μm. Bewährt haben sich epitaktische Schichtdicken von 0,2 bis 2 μm, insbesondere 0,8 bis 1,5 μm. Unterhalb von 0,2 μm bewirken Verunreinigungen bereits eine relativ hohe Drift. Der Herstellungsaufwand und Einsatz an Material ist für Schichtdicken über 5 μm nicht mehr zu rechtfertigen.
Bevorzugte Einkristalle sind Saphir (Alpha-Al₂O₃), MgO und Spinell. Bei einer Kristallinität von PCA im engeren Sinn ist ein kristalliner Verbund erzielbar, der sich bezüglich seiner Haftung des Edelmtetalls auf seinem polykristallinen Träger durch verbesserte Haftung gegenüber üblichen Beschichtungen auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird der aufwendig hergestellte Chip mit der rußsensitiven Struktur, insbesondere für die Massenproduktion, sehr vorteilhaft auf einem einfachen Substrat befestigt, welches einen Heizleiter aufweist. Während dann die mittels erhöhtem Aufwand gegen Ablösen gesicherte rußsensitive Struktur freiliegend anwendbar ist, wird die einfach auf einem Substrat angeordnete Heizleiterstruktur abgedeckt und dadurch vor einem Ablösen bewahrt. Eine Massenproduktion von Rußsensoren, bei denen Leiterbahnen auf einfachen Substraten abgedeckt und hierauf Chips mit unter den Betriebsbedingungen fester haftenden rußsensitiven Strukturen befestigt, insbesondere geklebt werden, ist sehr effektiv.
In einer bevorzugten Ausführung wird der Einkristall mit der gerichtet aufgewachsenen rußsensitiven Platinstruktur auf einem Substrat mit Heizleiter befestigt, so dass der Einkristall den Heizleiter abdeckt, wodurch der Heizleiter im Gegensatz zur rußsensitiven Platinstruktur geschützt wird. Besonders für die Massenproduktion ist es aufwand- und materialsparend einen einfachen Heizleiter auf einem einfachen Substrat anzuordnen und den im Vergleich hierzu aufwendigen Träger, insbesondere Einkristall mit der kristallinen, insbesondere epitaktischen Struktur, auf dem Heizleiter zu befestigen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf Zeichnungen verdeutlicht.
1 und 2 zeigen den Aufbau der erfindungsgemäßen Rußsensoren in Explosionsdarstellung.
3 zeigt eine Versuchsanordnung zur Untersuchung der Haftung.
1 zeigt einen Heizchip 1 aus einem Substrat 2 mit einem Heizleiter 3, eine Klebeschicht 4 und einen Meßchip 5, bei dem die rußsensitive Struktur 6 an der Kristallstruktur des Trägers 7 auskristallisiert ist.
2 zeigt eine allgemeine Explosionsdarstellung aus Heizleiter 3, Substrat 2, Klebeschicht 4, kristallinem Träger 7 und an den Kristallen des kristallinen Trägers eine kristallisierte rußsensitive Struktur 6. Der Heizleiter 3, insbesondere aus Platin oder Platinlegierung, wird auf dem elektrisch isolierenden Substrat 2, insbesondere aus Aluminiumoxid, in herkömmlicher Dünn- oder Dickschichttechnik aufgetragen. Eine Heizleiter-Dünnschichtstruktur 3 wird durch eine Glasur vor Umgebungseinflüssen geschützt. Damit ist die Heizleiter-Dünnschichtstruktur 3 für den Betrieb als Rußsensor langlebig versiegelt. Auf diesem Substrat 2 ist weiterhin ein Träger 7 und auf diesem eine rußsensitive Struktur 6 befestigt. In einer Ausführung deckt der Träger 7 den Heizleiter 3 dabei ab. Vorzugsweise ist der Träger 7 jedoch auf der der dem Heizleiter 3 abgewandten Seite des Substrats 2 aufgeklebt. Dies hat den Vorteil, dass die elektrischen Anschlüsse besser voneinander getrennt werden können. Die Befestigung des Trägers 7 erfolgt vorzugsweise mit einer Schicht 4 aus Glaslot oder Zement.
Dieser allgemeine Aufbau beinhaltet auch den bevorzugten Aufbau nach 1 gemäß dem die beiden äußeren Strukturen als Chips 1, 5 vorgefertigt werden und mit der mittleren Klebeschicht 4 zusammengeklebt werden. Unter der Berücksichtigung, dass es bedeutend aufwendiger ist, eine Edelmetallschicht, insbesondere Platinschicht, auf einer elektrisch isolierenden Kristallstruktur, insbesondere einer auf Saphir (Alpha-Al₂O₃) auszukristallisieren, insbesondere epitaktisch zu kristallisieren werden zwei Massenproduktionen separat voneinander betrieben, bei der in einer Fertigung die aufwendig herzustellenden Chips 5 mit der rußsensitiven Struktur 6 hergestellt werden und in einer anderen Serie die leicht zu fertigenden Substrate 2 mit Heizleiterstruktur 3. Nach dem Vereinzeln der in großen Serien hergestellten Chips 1, 5 werden die jeweils unterschiedlich hergestellten Chips 1, 5 in einem einfachen Verfahrensschritt zusammengeklebt. Die Effizienz dieser Vorgehensweise liegt darin, dass die aufwendigen Produktionskosten auf die Herstellung des aufwendigen Chips 5 begrenzt werden. Die rußsensitive Schicht 6 darf nicht abgedeckt werden und muß deshalb besonders fest auf ihrem Untergrund haften. Der Aufwand für die Befestigung der rußsensitiven Schicht 6 rechtfertigt sich durch die gegenüber bisherigen Dünnschichten erhöhte Lebensdauer und gegenüber Dickschichten er höhte Sensitivität. Im Gegensatz hierzu braucht der Heizleiter 3 nicht dem Medium ausgesetzt zu werden. Der Heizleiter wird zum Erhalt seiner Funktion auf einfache Art und Weise geschützt. Hierzu reicht beispielsweise eine Ausführung in Dickschichttechnik oder eine Verglasung auf einer Ausführung in Dünnschichttechnik, beispielsweise die zwischen den Chips 1, 5 angeordnete und zu deren Befestigung vorgesehene Verklebung 4. Alternativ kann der Heizleiter 3 auch vom anzuklebenden Meßchip 5 abgewandt auf der anderen Seite des Substrats 2 mit einer Dünnschichtbeschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Aluminiumoxid, geschützt werden (in den Figuren nicht gezeigt).
Maßgeblich für die erfindungsgemäße Langlebigkeit der rußsensitiven Struktur 6 ist die Ausbildung der Kristallstruktur der Edelmetallschicht 6 auf dem Kristall 7 oder den Kristallen des elektrisch isolierenden Trägers 7 einhergehend mit dem Vermeiden amorpher Übergangsbereiche vom Träger 7 zum Edelmetall 6. Dabei ist gegenüber konventionellen Keramiksubstraten, insbesondere aus Aluminiumoxid, bereits ein erfindungsgemäßer Vorteil realisierbar, wenn stattdessen eine gröbere kristalline Struktur verwendet wird, die mit dem Ausdruck PCA verbunden wird. Idealerweise erfolgt die Kristallisation der Edelmetallschicht 6 an Einkristallen 7 wie beispielsweise Saphir oder MgO. Ein Optimum wird durch gerichtetes (epitaktisches) Aufwachsen auf einem Einkristall 7 erzielt.
An Platinmeßwiderständen Pt10000 gemäß 3 wurden Haftungstests vorgenommen. Vergleichstests 5 3 entsprechend Platinstrukturen auf Dünnfilmaluminiumoxidkeramik wurden 30 Minuten in ein Wasser/Glycerin-Gemisch aus einem Volumenteil vollentsalztem Wasser und vier Volumenteilen Glycerin bei Raumtemperatur gegeben und anschließend in Wasser abgespült. Dabei wurden alle Platinstrukturen unterwandert und abgelöst.
Beispiel 1:
Fünf Meßwiderstände, bei denen Platinmeßwiderstände Pt10000 gemäß 3 auf einer auf Saphir 5 epitaktisch aufgetragenen Platinschicht fotolithografisch zur Struktur 7, 8 gemäß 3 strukturiert werden, sind analog dem Vergleichsversuch 30 Minuten in ein Wasser/Glycerin-Gemisch aus vollentsalztem Wasser und Glycerin im Volumenverhältnis von 1:4 bei Raumtemperatur behandelt und anschließend mit Wasser abgespült worden. Im Unterschied zum Vergleichsversuch hafteten noch alle Leiterbahnen fest auf dem Untergrund.
Beispiel 2:
An einen Meßwiderstand gemäß Beispiel 1 werden zwei Drähte an die beiden Kontaktfelder 8 geschweißt. Hierauf wurde der Meßwiderstand 7 bei Raumtemperatur in eine 10%ige Schwe felsäurelösung getaucht. Dann wurde durch den Meßwiderstand 10 Stunden lang ein Strom von 1 mA geschickt. Nach dem Versuchsende hafteten noch alle Platinstrukturen 7 auf ihrem Untergrund 5.
Beispiel 3:
An einem Meßwiderstand 7 gemäß Beispiel 1 wurde ein Platindraht an ein Kontaktfeld 8 geschweißt. Hierauf wurde der Meßwiderstand 7 bei Raumtemperatur in eine 10%ige Schwefelsäurelösung getaucht. Der Draht wurde mit dem Minuspol einer Stromquelle verbunden, von deren Pluspol aus eine Elektrode in die Lösung getaucht wurde. Durch den Elektrolyten wurde für die Dauer von 10 Stunden ein Strom von 1 mA geschickt. Nach dem Versuchsende hafteten die Platinstrukturen noch immer fest auf dem Substrat.
In Vergleichsversuchen lösten sich in Standartdünnschichttechnik hergestellte Pt-Strukturen bereits nach wenigen Minuten von einem Standartsubstrat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/111386 [0003]

Claims

Rußsensor mit einer rußsensitiven Edelmetallstruktur aus Leiterbahnabschnitten auf einem elektrisch isolierenden Träger, dereren Leiterbahnabschnitte zwischen 5 und 100 um breit sind und zwischen 5 und 100 um voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierte Träger ein Einkristall und das Edelmetall auf einer Oberfläche des Einkristalls auskristallisiert ist oder der elektrisch isolierte Träger Polykristallin ist und das Edelmetall auf dem polykristallinen elektrisch isolierten Träger auskristallisiert ist.
Rußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetall epitaktisch auf dem Träger angeordnet ist.
Rußsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der rußsensitiven Struktur 0,5 bis 2 μm beträgt.
Rußsensor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer rußsensitiven Edelmetallstruktur (6) auf einem elektrisch isolierenden Träger (7) und einer Heizleiterstruktur (3) auf einem davon unterschiedlichen elektrisch isolierenden Substrat (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Träger 7 mit der rußsensitiven Struktur (6) eine grobkristallinere Übergangsstruktur von dem elektrisch isolierenden Träger (7) auf die Edelmetallschicht (6) aufweist als das mit dem Heizleiter (3) beschichtete Substrat (2).
Verfahren zur Herstellung eines Rußsensors, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platinschicht epitaktisch auf einem Heizleiter aufwächst und die so aufgebaute epitaktische Platinschicht zu einer rußsensitiven Struktur strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der Platinschicht fotolithografisch erfolgt.
Verfahren zur Herstellung von Rußsensoren, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei unterschiedliche Chips aufeinander befestigt werden, von denen ein Chip eine Heizleiterstruktur aufweist und der andere Chip eine rußsensitive Struktur, die serienmäßig schwieriger ablösbar ist als die Heizleiterbahn des anderen Chips.