DE102009028634A1

DE102009028634A1 - Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht für Widersstandssensoren und Widerstandssensor

Info

Publication number: DE102009028634A1
Application number: DE102009028634A
Authority: DE
Inventors: Florian Dr. Krogmann; Olga Schmitz; Jiri Dr. Polak
Original assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Current assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-03-03
Also published as: DE102009028634A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht (4), insbesondere für einen Widerstandssensor (1), welcher eine metallische Widerstandsschicht (3) aufweist, die auf einem Substrat (2) aufgebracht ist. Die Erfindung beinhaltet, dass das Material der Schutzschicht (4) derart auf die metallische Widerstandsschicht (3) aufgebracht wird, dass die Partikel der Schutzschicht (4) so miteinander verbunden werden, dass sich eine poröse Schutzschicht (4) ausbildet. Weiterhin wird ein nach diesem Verfahren hergestellter Widerstandssensor (1) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht für einen Widerstandssensor, welcher eine auf einem Substrat aufgebrachte metallische Widerstandsschicht enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Widerstandssensor mit einer nach diesem Verfahren hergestellten Schutzschicht, welche über einer auf einem Substrat aufgebrachten metallischen Widerstandsschicht aufgebracht ist. Ein derartiger Widerstandssensor dient beispielsweise der Bestimmung der Temperatur oder der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums oder dient als Gassensor.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, einen Widerstand aus Metall, insbesondere aus Platin, zur Temperaturmessung zu verwenden. Dieser wird meist mäanderförmig in einer Dünnschicht- oder Dickschichttechnik auf einem Träger aufgebracht. Zur Abschirmung des Widerstands gegen äußere Einflüsse, wie zum Beispiel Feuchtigkeit oder Korrosion, wird dieser mit einer Glas- oder Glaskeramikschicht versehen. Dies ist beispielsweise in der Schrift DE 199 32 411 A1 beschrieben.
Ein Nachteil der Aufbringung einer solchen Glaspassivierung ist, dass fast alle Gläser Silizium enthalten, welches bei hohen Temperaturen aus dem Glas heraus diffundieren kann und den Platinwiderstand vergiftet. Die Folge ist eine geringere Empfindlichkeit des Platinsensors und somit ein falsches Messsignal.
Ein Lösungsansatz ist in DE 19901184 C1 beschrieben. Dort wird ein System gezeigt, bei welchem die gläserne Schutzschicht durch eine Keramikabdeckschicht ersetzt ist, welche mittels einer Verbindungsschicht verklebt wird. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass im Allgemeinen auch die Verbindungsschichten Stoffinhalte aufweisen, welche die Platinschicht in ihren elektrischen Eigenschaften verändern.
Ein anderer Lösungsansatz aus dem Stand der Technik ist aus der Schrift EP 0973020 A1 bekannt. Dort wird ein Sensor beschrieben, bei welchem eine zusätzliche Elektrode auf der der Substratoberfläche abgewandten Seite der Widerstandsschicht im Abstand dazu aufgebracht ist, um die Platinschicht vor vagabundierenden Siliziumatomen zu schützen. Dieser Aufbau zeigt aber den Nachteil, dass der Sensor Polarisationsabhängig ist, d. h. der Sensor in der richtigen Art und Weise kontaktiert werden muss.
Ein weiteres Problem entsteht, wenn ein Sensor in ein geschlossenes Gehäuse eingebaut wird, wie es in vielen Anwendungen als zusätzlicher Schutz des Sensors vor der Umgebung zum Tragen kommt. Dort kann sich auf Grund hoher Temperaturen eine reduzierende Atmosphäre bilden, sobald Materialien eingeschlossen sind, die oxidiert werden können. Dies können zum Beispiel organische oder metallische Oberflächen sein. Im Fall von organischen Flächen genügen bereits Temperaturen von etwa 400°C, um zur Bildung einer reduzierenden Atmosphäre zu führen.
Die Folge einer reduzierenden Atmosphäre kann ebenfalls eine Vergiftung des Platinwiderstands sein.
In EP 0 327 535 B1 wird ein Verfahren beschrieben, um eine Vergiftung des Platins durch Aufbringen einer dielektrischen Zwischenschicht und einer Sperrschicht zu vermeiden. Hierbei soll die Zwischenschicht, welche bevorzugt aus SiO₂ besteht, eine Isolationsschicht bereitstellen und die Sperrschicht, welche bevorzugt aus TiO₂ besteht, die Diffusion von verunreinigenden Materialien zum Platinsensorelement aufhalten und die Diffusion von Sauerstoff ermöglichen. Ein Nachteil bei dieser Ausgestaltung ist, dass zwei relativ dicke Schichten aufgebracht werden müssen und die Aufbringung der dielektrischen Schicht nur in einem aufwändigen Verfahren der chemischen Dampfdeposition erfolgen kann.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht für einen eine metallische Widerstandsschicht enthaltenden Widerstandssensor bereitzustellen, welche die metallische Widerstandsschicht vor Vergiftung schützt. Des Weiteren soll ein Widerstandssensor mit einer nach diesem Verfahren hergestellten Schutzschicht bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass das Material der Schutzschicht derart auf die Widerstandsschicht aufgebracht wird, dass die Partikel der Schutzschicht so miteinander verbunden werden, dass sich eine poröse Schutzschicht ausbildet. Unter einer porösen Schutzschicht ist zu verstehen, dass Lufteinschlüsse in der Schicht enthalten sind und dass aber gleichermaßen sichergestellt ist, dass die unter der Schutzschicht liegende Schicht an keiner Stelle in Kontakt mit der Atmosphäre außerhalb der Schutzschicht steht. Es befinden sich also Hohlräume in der Schutzschicht, die jedoch nicht durchgängig von der Unterseite der Schutzschicht, welche in Kontakt mit der Widerstandsschicht ist, zur Oberseite der Schutzschicht reichen.
Die poröse Ausgestaltung der Schutzschicht mit nur leicht verbundenen Partikeln ermöglicht es, die Widerstandsschicht gleichermaßen vor Korrosion und vor Vergiftung bei hohen Temperaturen zu schützen. Das Verfahren ist einfach umzusetzen und ermöglicht dadurch eine einfache und kostengünstige Methode zum Schutz metallischer Widerstandsschichten.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird die Schutzschicht in Form einer Beschichtungspaste aufgebracht. Das Aufbringen kann hierbei mit einer beliebigen Methode erfolgen, beispielsweise in einem Siebdruck-, Tauch- oder Dosierverfahren.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schutzschicht in Form eines Pulvers aufgebracht.
Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird die Schutzschicht unterhalb und/oder im Nahbereich oberhalb des Transformationspunktes des Materials/der Materialien der Schutzschicht eingebrannt. Im Nahbereich oberhalb des Transformationspunktes des Materials bedeutet, dass das Material nicht so weit erhitzt wird, bis es vollständig schmilzt. Das Material wird für eine kurze Zeit auf eine Temperatur knapp oberhalb des Transformationspunktes erhitzt, sodass sich die Partikel des Materials zu einer Schicht verbinden ohne vollständig zu schmelzen.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Schutzschicht gesintert wird.
Die Aufgabe wird weiterhin bezüglich eines Widerstandssensors dadurch gelöst, dass es sich bei dem Material bzw. den Materialien der Schutzschicht um für die metallische Widerstandsschicht ungiftiges Material bzw. ungiftige Materialien handelt, und dass die Schutzschicht des Widerstandssensors in einem Verfahren hergestellt ist, durch welches das Material der Schutzschicht derart auf die metallische Widerstandsschicht aufgebracht ist, dass eine poröse Schutzschicht ausbildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung bleibt die Korngröße des Ausgangsmaterials bzw. der Ausgangsmaterialien der Schutzschicht bei deren Herstellungsprozess im Wesentlichen erhalten.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Widerstandssensors beträgt die Dicke der Schutzschicht zwischen 30 und 120 μm.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass es sich bei der Schutzschicht um eine Glaskeramik handelt.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich bei dem Material der Schutzschicht um Al₂O₃-CaO-SrO oder Al₂O₃-CaO-BaO.
In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich bei dem Material der Schutzschicht um SrO, CaO, BaO, Al₂O₃ oder MgO. Es ist gleichermaßen Teil der erfindungsgemäßen Lösung, dass zumindest eines dieser Materialien anteilig in der Schutzschicht enthalten ist.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Widerstandssensors sieht vor, dass es sich bei der Widerstandsschicht um eine Platinschicht handelt. Das Platin kann hierbei in hochreiner Form vorliegen, oder gezielt mit Anteilen eines anderen Materials versehen sein.
In einer weiteren Weiterbildung der Lösung handelt es sich bei dem Widerstandssensor um einen Temperatursensor, Strömungssensor oder Gassensor.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert.
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Widerstandssensors mit poröser Schutzschicht.
In 1 ist der Schichtaufbau eines Widerstandssensors 1 schematisch dargestellt. Zuleitungen bzw. Kontaktierungsflächen sind nicht dargestellt. Auf einem Substrat 2 aufgebracht ist eine metallische Widerstandsschicht 3. Bevorzugt handelt es sich bei der Widerstandsschicht 3 um eine Platinschicht, welche mäanderförmig auf dem Substrat 2 aufgebracht ist. Zum Schutz vor Korrosion und Feuchte ist auf der Widerstandsschicht 3 eine Schutzschicht 4 aufgebracht. Das Material der Schutzschicht 4 ist bevorzugt eine Glaskeramik, welche kein Silizium enthält. Beispielsweise handelt es sich um SrO, MgO, CaO, BaO, Al₂O₃, Al₂O₃-CaO-SrO oder Al₂O₃-CaO-BaO. Siliziumatome würden bei hohen Temperaturen aus der Schutzschicht 4 heraus diffundieren und sich auf der Widerstandsschicht 3 absetzen, was zu einer Verringerung der Genauigkeit des Widerstandssensors 1 führen würde. Dies wird durch die genannte Auswahl an Materialien für die Schutzschicht 4 vermieden. Die Partikel der Schutzschicht 4 sind nicht vollständig miteinander verschmolzen, sondern nur lose verbunden. Das bedeutet, dass Einschlüsse von Luft, insbesondere von Sauerstoff, vorhanden sind, sich allerdings trotzdem eine durchgängige Schutzschicht 4 auf der Widerstandsschicht 3 befindet, sodass keine Fremdatome auf direktem Weg durch die Poren der Schutzschicht 4 zur Widerstandsschicht 3 gelangen können.
Durch den Einschluss des Sauerstoffs wird erreicht, dass etwaig auftretende reduzierende Atmosphäre keine Vergiftung des Sensors nach sich zieht. Ein weiterer Vorteil der porös ausgestalteten Schutzschicht 4 ist, dass durch die große aktive Oberfläche Fremdatome gebunden werden. Die Dicke der Schutzschicht 4 liegt hierbei vorteilhaft im Bereich zwischen 10 μm und 300 μm.
Die Schutzschicht 4 ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf der Widerstandsschicht 3 aufgebracht. Das Verfahren umfasst das Aufbringen des Materials der Schutzschicht 4 auf der Widerstandsschicht 3 und dem die Widerstandsschicht 3 tragenden Substrat 2 und das Einbrennen der Schutzschicht 4. Das Aufbringen der Schutzschicht 4 erfolgt bevorzugt entweder in Pulverform oder in Pastenform beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens. Das aufgebrachte Material der Schutzschicht 4 wird dann beispielsweise gesintert. In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Material der Schutzschicht 4 unterhalb und/oder im Nahbereich oberhalb dessen Transformationspunktes eingebrannt. Der Nahbereich oberhalb des Transformationspunktes umfasst hierbei einige bis einige zehn Grad Celsius. Die Korngröße des Ausgangsmaterials der Schutzschicht 4 bleibt hierbei während und nach dem Einbrennen der Schutzschicht 4 im Wesentlichen erhalten, so dass eine geschlossene Schutzschicht 4 entsteht, welche trotzdem porös ist.
Bezugszeichenliste

1: Widerstandssensor
2: Substrat
3: Metallische Widerstandsschicht
4: Schutzschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19932411 A1 [0002]
DE 19901184 C1 [0004]
EP 0973020 A1 [0005]
EP 0327535 B1 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht (4), insbesondere für einen Widerstandssensor (1), welcher eine metallische Widerstandsschicht (3) aufweist, die auf einem Substrat (2) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Schutzschicht (4) derart auf die metallische Widerstandsschicht (3) aufgebracht wird, dass die Partikel der Schutzschicht (4) so miteinander verbunden werden, dass sich eine poröse Schutzschicht (4) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) in Form einer Beschichtungspaste aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) in Form eines Pulvers aufgebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) unterhalb und/oder im Nahbereich oberhalb des Transformationspunkts des Materials/der Materialien der Schutzschicht (4) eingebrannt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) gesintert wird.
Widerstandssensor (1), welcher eine metallische Widerstandsschicht (3) aufweist, die auf einem Substrat (2) aufgebracht ist, und welche mit einer Schutzschicht (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Material bzw. den Materialien der Schutzschicht (4) um für die metallische Widerstandsschicht (3) ungiftiges Material bzw. ungiftige Materialien handelt, und dass die Schutzschicht (4) des Widerstandssensors (1) in einem Verfahren hergestellt ist, durch welches das Material der Schutzschicht (4) derart auf die metallische Widerstandsschicht (3) aufgebracht ist, dass eine poröse Schutzschicht (4) ausbildet ist.
Widerstandssensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Ausgangsmaterials bzw. der Ausgangsmaterialien der Schutzschicht (4) bei deren Herstellungsprozess im Wesentlichen erhalten bleibt.
Widerstandssensor (1) nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schutzschicht (4) zwischen 10 und 300 μm beträgt.
Widerstandssensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Schutzschicht (4) um eine Glaskeramik handelt.
Widerstandssensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Material der Schutzschicht (4) um Al₂O₃-CaO-SrO oder Al₂O₃-CaO-BaO handelt.
Widerstandssensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Material der Schutzschicht (4) um SrO, CaO, BaO, Al₂O₃ oder MgO handelt oder zumindest eines dieser Materialien anteilig in der Schutzschicht (4) enthalten ist.
Widerstandssensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 6–11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der metallischen Widerstandsschicht (3) um eine Platinschicht handelt.
Widerstandssensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 6–12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Widerstandssensor (1) um einen Temperatursensor, Strömungssensor oder Gassensor handelt.