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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10119405 ist ein Gassensor bekannt,
bei dem auf einer Membran eine Heizstruktur, eine Auswertestruktur
und eine sensitive Schicht vorgesehen ist. Weiterhin sind allgemein
kommerziell erhältliche
Halbleitergassensoren bekannt, die in Dickschichttechnik realisiert
sind. Hierbei ist üblicherweise
eine gasempfindliche Sensorschicht auf einem keramischen Trägerplättchen aufgebracht.
Die Sensorschicht besteht aus einem halbleitenden Material, welches
seinen Widerstand abhängig
von der umgebenden Gaszusammensetzung verändert. Das keramische Trägerplättchen besitzt
Metallelektroden, mit denen der Widerstand der Sensorschicht gemessen
werden kann. Desweiteren besitzt ein herkömmlicher Halbleitergassensor
auch eine Heizerstruktur, mit deren Hilfe das Trägerplättchen und damit die Sensorschicht
auf die notwendige Betriebstemperatur von ca. 200°C bis 400°C gebracht
werden kann. Sowohl die Elektrodenstrukturen als auch die Heizerstrukturen
und die Sensorschicht werden üblicherweise
im Siebdruckverfahren hergestellt. Neuere Ansätze verwenden anstelle des
keramischen Trägerplättchens
eine mikrostrukturierte Membran. Diese Membran wird mit Techniken
der Mikrosystemtechnik bzw. der Mikromechaniktechnologie hergestellt.
Sie besitzt analog zum keramischen Trägerplättchen metallische Dünnfilmstrukturen
zur Darstellung von Elektroden und Heizer. Das Aufbringen der Sensorschicht
kann durch das Aufbringen eines Pastentropfens bzw. allgemein eines
Tropfens erfolgen. Die sich ausbildende Sensorschicht ist damit
im Wesentlichen kreisförmig.
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Der
erfindungsgemäße Gassensor
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den
Vorteil, dass eine Verbesserung der Sensitivität und der Selektivität des erfindungsgemäßen Gassensors
gegenüber
Gassensoren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, erreicht
wird.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Gassensors möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die sensitive Schicht einen ersten
Bereich aufweist, in dem die sensitive Schicht direkt an das zu
sensierende Gas angrenzt und dass die sensitive Schicht einen zweiten
Bereich aufweist, in dem nur die funktionale Schicht direkt an das
zu sensierende Gas angrenzt. Dadurch können einzelne Bestandteile
der umgebenden Gasatmosphäre
die eigentliche Sensorschicht nicht erreichen. Die Selektivität und/oder
die Sensitivität
der Sensoren wird so weiter erhöht.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die zweite Auswertestruktur im ersten
Bereich der sensitiven Schicht vorgesehen ist und dass die erste
Auswertestruktur im zweiten Bereich der sensitiven Schicht vorgesehen
ist. Damit kann auch messtechnisch eine klare Trennung zwischen
dem ersten Bereich der sensitiven Schicht und dem zweiten Bereich
durchgeführt
werden. Dies erhöht
weiterhin die Selektivität und/oder
die Sensitivität
des erfindungsgemäßen Gassensors.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die funktionale Schicht auf der
sensitiven Schicht vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, dass
die obere funktionale Schicht aus einem anderen Material besteht, als
die eigentliche Sensorschicht bzw. die eigentliche sensitive Schicht
und dass daher eine Konversions- bzw. Filterfunktion durch die funktionale
Schicht übernommen
wird. Dies verbessert weiterhin die Selektivität und/oder die Sensitivität des erfindungsgemäßen Gassensors.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die sensitive Schicht und die funktionale
Schicht jeweils eine im Wesentlichen kreisförmige Begrenzung aufweisen,
die insbesondere konzentrisch vorgesehen sind. Dadurch ist es möglich, dass
eine spezielle Elektroden- und Heizergeometrie für mikrostrukturierte Sensorelemente
erfindungsgemäß möglich ist. Die
spezielle Geometrie ist dabei so ausgelegt, dass mehrere Funktionsschichten,
welche als Tropfen aufgebracht werden und damit kreisförmige Schichten bilden,
miteinander kombiniert werden können. Durch
die spezielle Elektrodengeometrie und die spezielle Heizergeometrie
ist es möglich,
eine optimale Flächennutzung
zu erreichen. Weiterhin ist von Vorteil, dass der Gassensor als
mikrostrukturierter Gassensor vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, einen
solchen Sensor besonders klein vorzusehen, wodurch Baukosten und
Platzbedarf gesenkt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine Anordnung der Heizerstruktur und
der ersten und zweiten Auswertestruktur des erfindungsgemäßen Gassensors,
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2 ein Beispiel für den prinzipiellen
Aufbau eines erfindungsgemäßen Gassensors
und
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3 ein erfindungsgemäßer Gassensors
in Draufsicht und in einer Querschnittsdarstellung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine spezielle Elektrodenanordnung
für einen
erfindungsgemäßen Gassensor
dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 12 ist eine Heizerstruktur
bezeichnet, welche als Leiterbahn mit einem vergleichsweise großen Querschnitt
dargestellt ist. Mit dem Bezugszeichen 14 ist eine erste
Auswertestruktur dargestellt, welche insbesondere im Wesentlichen
kreisförmig
vorgesehen ist und im Inneren der Heizerstruktur 12 vorgesehen
ist. Mit dem Bezugszeichen 16 ist eine zweite Auswertestruktur
bezeichnet, die ebenfalls im Wesentlichen kreisförmig vorgesehen ist, jedoch
außerhalb
der Heizerstruktur 12 vorgesehen ist.
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In 2 ist ein Beispiel für den prinzipiellen Aufbau
eines erfindungsgemäßen Gassensors
dargestellt. Auf einen Substrat 1 ist eine Membran 10 vorgesehen,
auf welcher sich eine sensitive Schicht 20 und eine funktionale
Schicht 30 befindet.
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Zumindest
einseitig ist die Membran 10 und die auf ihr aufgebrachten
Schichten 20, 30 von einer Gasatmosphäre 40 umgeben,
deren Zusammensetzung zumindest in Teilen durch den Gassensor bestimmt
werden soll. Die Gasatmosphäre 40 wird
im Folgenden auch als Gas 40 bezeichnet. In 2 ist ein Querschnitt durch
den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Gassensors dargestellt,
wobei in der Querschnittsdarstellung die sensitive Schicht 20,
die direkt auf der Membran 10 vorgesehen ist, eine größere Breite
aufweist als die funktionale Schicht 30, die oberhalb der
sensitiven Schicht 20 vorgesehen ist. Hierdurch ergibt
sich ein, mit dem Bezugszeichen 41 versehener, erster Bereich
der sensitiven Schicht 20, welcher nicht durch die funktionale Schicht 30 abgedeckt
ist und welcher somit dem Gas 40 direkt ausgesetzt ist.
Weiterhin ergibt sich ein zweiter Bereich der sensitiven Schicht 20,
welcher von der funktionalen Schicht 30 bedeckt ist und
in dem somit das Gas 40 keinen direkten Zutritt zur sensitiven
Schicht 20 aufweist. Unterhalb der Membran 10 ist
erfindungsgemäß insbesondere
eine Ausnehmung 9 vorgesehen, die der Isolierung der Komponenten
des Gassensors auf der Membran 10 dient. Durch die geringe
Dicke der Membran 10 ist der mittlere Bereich der Membran 10 und
somit die Komponenten des endungsgemäßen Gassensors thermisch gut
gegenüber
ihrer Umgebung isoliert. Ein für
den Betrieb des Gassensors vorgesehenes Aufheizen der Mitte der
Membran 10 ist somit ohne einen großen Wärmeverlust möglich. Als
Substrat 1 kommt insbesondere Siliziumsubstrat in Frage,
es können jedoch
auch andere Substrate vorgesehen sein. Zur Ausbildung der Ausnehmung 9 ist
es beispielsweise vorgesehen, dass mittels einer Bulk-Mikromechaniktechnologie
das Substrat 1 von seiner Rückseite her derart geätzt wird,
dass lediglich die Membran 10 stehen bleibt. Alternativ
dazu ist es möglich,
eine oberflächenmikromechanische
Herstellungsmethode anzuwenden und eine Ausnehmung 9 bzw.
einen Hohlraum 9 von der Vorderseite her vorzusehen. Dies
ist jedoch in 2 nicht
dargestellt, sondern lediglich ein Beispiel für einen schematischen Aufbau
des erfindungsgemäßen Gassensors.
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In 3 ist in einer Draufsicht
und in einer Schnittdarstellung der mittlere Teil der Membran 10 dargestellt.
In diesem mittleren Teil der Membran 10 ist auf der Membran 10 die
Heizstruktur 12, die erste Auswertestruktur 14 und
die zweite Auswertestruktur 16 dargestellt. Hierauf ist
in 3 die sensitive Schicht 20 aufgebracht.
Auf der sensitiven Schicht 20 ist die funktionale Schicht 30 aufgebracht,
wobei hierbei der erste Bereich 41 der sensierenden Schicht 20 vorgesehen
ist, welcher von der funktionalen Schicht 30 nicht abgedeckt
wird und der somit an das zu sensierende Gas 40, was jedoch
in 3 nicht dargestellt
ist, angrenzt. Weiterhin weist die sensierende Schicht 20 den
zweiten Bereich 42 auf, welcher durch die funktionale Schicht 30 abgedeckt
ist. Im zweiten Bereich 42 grenzt die sensitive Schicht 20 nicht
direkt an das Gas 40 an, sondern es ist allein die funktionale
Schicht 30, die direkt an das zu sensierende Gas 40 angrenzt.
Im oberen Teil der 3 ist
eine Schnittlinie AA dargestellt, die die Stelle des Schnittes angibt,
der im unteren Teil der 3 dargestellt
ist. Die Darstellung der Heizerstruktur 12, der ersten
Auswertestruktur 14 und der zweiten Auswertestruktur 16 sind
im oberen und unteren Teil der 3 nicht unbedingt
maßstäblich und
völlig übereinstimmend dargestellt.
Im unteren Teil der 3 ist
lediglich angedeutet, in welchem Bereich die entsprechenden Strukturen 12, 14, 15 ungefähr vorgesehen
sein können.
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Die 3 zeigt lediglich ein Ausführungsbeispiel
für ein
Doppelschicht-Sensorelement, welches als Gassensor verwendbar ist.
Die erste Auswertestruktur 14 wird auch als innere Elektroden 14 bezeichnet.
Diese sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer
interdigitalen Struktur ausgeformt. Dies ist nicht zwingend. Die
Elektroden der ersten Auswertestruktur 14 könnten auch
in einer anderen Anordnung, beispielsweise in Form von konzentrischen,
ineinander greifenden Teilkreisen, vorgesehen sein. Wichtig ist
lediglich, dass die äußere Elektrodenbegrenzung
der ersten Auswertestruktur 14 kreisförmig oder doch weitgehend kreisförmig ausgeführt ist.
Die Heizstruktur 12, welche im Folgenden auch als Heizer 12 bezeichnet
wird, ist in diesem Beispiel in Form einer Heizerbahn, d.h. einer
Leiterbahn, zwischen den inneren und den äußeren Elektroden ausgeführt. Die
zweite Auswertestruktur 16 wird im Folgenden auch als äußere Elektroden 16 bezeichnet.
Die Ausgestaltung des Heizers 12 als Heizerbahn bzw. als
Leiterbahn ist ebenfalls erfindungsgemäß nicht zwingend vorgesehen.
Der Heizer 12 könnte
durchaus auch an anderer Stelle, beispielsweise außerhalb
der äußeren Elektroden, 16,
dargestellt werden. Er könnte
auch in einer andere Schichtebene der Membran 10, welche
auch als Trägermembran 10 bezeichnet
wird, vorgesehen sein. Die auch als äußere Elektroden 16 bezeichnete
zweite Auswertestruktur 16 ist im in 3 dargestellten Beispiel in Form ineinandergreifender
Teilkreise geformt. Dies ist ebenfalls nicht zwingend. Die Elektroden
der zweiten Auswertestruktur 16 könnten auch in einer anderen
Anordnung dargestellt werden. Für
die Ausgestaltung der sensitiven Schicht 20 und der funktionalen
Schicht 30 in Form von kreisförmigen Schichten ist es jedoch
für die
zweite Auswertestruktur 16 wichtig, dass die äußere Elektrodenbegrenzung kreisförmig ausgeführt ist
und dass die inneren Elektroden 14 umfasst werden. Statt
der konzentrisch ineinander greifenden Teilkreise der zweiten Auswertestruktur
16 im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass
die zweite Auswertestruktur 16 in Form einer Interdigitalstruktur vorgesehen
ist.
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Hinsichtlich
des Aufbaus der sensitiven Schicht 20 bzw. der funktionalen
Schicht 30 ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf der
Membran 10 eine Doppelschicht angeordnet ist, die die sensitive
Schicht 20 und die funktionale Schicht 30 umfasst. Hierbei
ist es erfindungsgemäß insbesondere
vorgesehen, dass die sensierende Schicht 20 sowohl die inneren
Elektroden 14 als auch den Heizer 12 als auch
die äußeren Elektroden 16 überdeckt.
Die äußeren Elektroden 16 sind
durch ihre kreisförmige
Begrenzung optimal auf die Schichtaufbringung der sensitiven Schicht 20 als
Tropfen angepasst. Die funktionale Schicht, welche im Folgenden
auch als zweite Sensorschicht bezeichnet wird, überdeckt lediglich die inneren
Elektroden 14 und im dargestellten Ausführungsbeispiel auch den Heizer 12.
Jedenfalls überdeckt
die zweite Sensorschicht 30 nicht die äußeren Elektroden 16.
Hierdurch entsteht der erste Bereich 41 der sensierenden
Schicht 20, welcher einem direkten Kontakt der sensierenden
Schicht mit dem Gas 40 zulässt und es entsteht der zweite
Bereich 42 der sensierenden Schicht 20, welcher
keine direkte Verbindung zum umgebenden Gas 40 vorsieht,
sondern der eine Abdeckung durch die funktionale Schicht 30 vorsieht
und wobei die funktionale Schicht 30 einen direkten Zugang
zum umgebenden Gas 40 aufweist. Sowohl die äußeren Elektroden 16 als
auch die inneren Elektroden 14 sind durch ihre kreisförmige Begrenzung
optimal auf die Schichtaufbringung der sensierenden Schicht 20 bzw.
der funktionalen Schicht 30 in Form von Tropfen angepasst. Hierdurch
ergibt sich eine kreisförmige
Begrenzung der sensierenden Schicht 20 und der funktionalen Schicht 30.
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Als
Ausführungsbeispiel
für die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Gassensors
sei hier beispielsweise angenommen, dass die sensierende Sensorschicht 20 bzw.
die sensierende Schicht 20 wie eine gassensitive Schicht
wirkt und dass die funktionale Schicht 30 wie eine Filterschicht
wirkt. Es ergibt sich dann das folgende Detektionsverhalten eines
solchermaßen
vorgesehen, erfindungsgemäßen Gassensors:
Im ersten Bereich 41, d.h. in dem Bereich, in dem sich
die äußeren Elektroden 16 befinden,
zeigt die erste Sensorschicht bzw. sensierende Schicht 20,
ihr intrinsisches Detektionsverhalten. Dieses kann beispielsweise
durch störende
Beimengungen von Gasen in dem zu detektierenden bzw. zu messenden
Gas 40 dadurch gestört
werden, dass das erfindungsgemäße Gassensorelement
ebenfalls auf solche beigemengten Gase empfindlich reagiert. Im
zweiten Bereich, d.h. im Bereich der inneren Elektroden 14 wirkt
die funktionale Schicht 30 als vorgeschaltete Filterschicht über der
sensierenden Schicht 20. Das Detektionsverhalten im Bereich
der inneren Elektroden 14 ist damit aus der Kombination
der beiden Schichten 20, 30 gegeben. Beispielhaft
seien hier Materialien angegeben, die zur Bildung der sensierenden
Schicht 20 dienen können:
Zinkoxid zur Detektion von NOx, Zinnoxid,
Titanoxid, Wolframoxid oder andere halbleitende Materialien.
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Als
Beispiel für
die Bildung einer Funktionsschicht 30 dient beispielsweise
das folgende Material: Metalloxidmischungen zum Beispiel Zinnoxid,
die dotiert sein können
(zum Beispiel mit Tantal) und/oder zum Beispiel mit katalytisch
wirkenden Metallen, wie Platin oder Rhodium versetzt sind.
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Erfindungsgemäß ist es
selbstverständlich möglich, dass
die dargestellte Struktur noch weitere, insbesondere kreisförmig begrenzte,
Elektrodenbereiche und Sensorschichten umfasst. Dadurch entsteht
ein Gassensorelement, welches mehrere Schichten bzw. mehrere Lagen
von detektierenden bzw. filternden Schichten aufweist. Die funktionale Schicht 30 wird
insbesondere auch als Filterschicht 30 bezeichnet, weil
sie eine Filterfunktion aufweist.
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Die
erste und zweite Auswertestruktur 14, 16 werten
eine elektrisch messbare Eigenschaft der Sensorschicht 20 aus,
beispielsweise deren Kapazität
oder deren Widerstand. Die erste und zweite Auswerteschicht 14, 16 sind
in ihrer Struktur, beispielsweise eine Interdigitalstruktur, an
diese Messung angepasst. Die erste und zweite Auswertestruktur 14, 16 werden
dafür über nicht
eigens bezeichnete Kontaktierungselemente mit einer nicht eigens
bezeichneten Ansteuerungs- und Auswerteschaltung verbunden.