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TWI621841B - 用於檢測導電及／或可極化粒子之感測器以及用於製造該感測器之方法 - Google Patents

用於檢測導電及／或可極化粒子之感測器以及用於製造該感測器之方法 Download PDF

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TWI621841B
TWI621841B TW104143135A TW104143135A TWI621841B TW I621841 B TWI621841 B TW I621841B TW 104143135 A TW104143135 A TW 104143135A TW 104143135 A TW104143135 A TW 104143135A TW I621841 B TWI621841 B TW I621841B
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卡爾漢茲 韋納德
Karlheinz Wienand
史蒂芬 迪特曼
Stefan Dietmann
提姆 亞斯瑪斯
Tim Asmus
Original Assignee
赫拉爾斯感測科技有限責任公司
Heraeus Sensor Technology Gmbh
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Abstract

本發明係有關於一用於檢測導電及/或可極化粒子，特別是用於檢測煙塵粒子之感測器，其含一基板、第一電極層、及排列在該基板與該第一電極層之間的第二電極層，其中一絕緣層係排列在該第一電極層與該第二電極層之間，且該第一電極層及該絕緣層各具有至少一於其等之內所形成的開口，其中在第一電極層內之該開口、及在絕緣層內之該開口至少在區段內係以一個在另一個上面的方式排列以形成至少一通至該第二電極層之通道。

Description

用於檢測導電及/或可極化粒子之感測器以及用於製造該感測器之方法
本發明係有關於一用於檢測導電及/或可極化粒子，特別是用於檢測煙塵粒子之感測器。而且，本發明係有關於一用於製造該用於檢測導電及/或可極化粒子之感測器的方法。
已知最新發展的技術具有一感測器承載器，其中電極及加熱結構體係以平面方式排列在該承載器上。在一檢測操作內，可極化及/或導電粒子係沉積在本平面型排列上。該等沉積粒子會導致該等電極間之電阻的減少，其中本電阻之下降係作為一用於測定該沉積微粒質量的方法。當與該電阻比較時，達一預定臨限值時，藉該等加熱結構體而加熱該感測器排列，因此該等沉積粒子經燒盡且，一旦清潔步驟完成時，該感測器可用於進一步的檢測循環。
DE 10 2005 029 219 A1描述一用於檢測得自燃機之廢氣流內之粒子的感測器，其中該等電極-、加熱-及溫度-感測器結構體係以平面排列在一感測器承載器上被製 成。本感測器排列之一缺點係由於以下事實而產生：為了在測定導電或可極化粒子(諸如煙塵)時可獲得一可接受的靈敏度範圍，該等欲經橋連的電極之長度必須最小。然而，據此，該等感測器組件必須具有一特定大小，因此才可獲得該等欲經橋連之電極的最小長度。在這些感測器組件之製造時，其會導致相應的成本問題之缺點。
本發明係基於提議一用於檢測導電及/或可極化粒子，特別是用於檢測煙塵粒子之進一步經研發之感測器的需求，其中該感測器之大小係經最小化，因此可克服上述缺點。
而且，本發明之該需求為說明一用於製造此種感測器的方法。
根據該發明，可藉一如請求項1之用於檢測導電及/或可極化粒子，特別為用於檢測煙塵粒子之感測器而滿足本需求。就該方法而言，可藉如請求項19之特徴或藉如請求項26之特徴而滿足該需求。
根據本發明之該感測器的優點及方便的設計，以及該用於製備此種感測器的方法係陳述在次請求項內。
本發明係相據下述的理想：提出一種用於檢測導電及/或可極化粒子，特別為用於檢測煙塵粒子之感測器，其含一基板、第一電極層、及排列在該基板與該第一電極層之間的第二電極層，其中一絕緣層係在該第一電極層與該第二電極層之間形成，且該第一電極層與該絕緣層 各具有至少一開口，其中在第一電極層內之該開口、及在緣層內之該開口至少在區段內係以一個在另一個上面的方式排列以形成至少一通至該第二電極層之通道。
換言之，係提供一感測器，其中第一及第二電極層係以一個在另一個上面的方式平行排列，且一絕緣層係在這兩層電極層之間形成。為了形成一通至該第二電極層之通道以致使欲經檢測之粒子(特別為煙塵粒子)可借助於該通道而到達該第二電極層，該第一電極層及該絕緣層皆各具有至少一開口，其中在第一電極層內之該開口，及在絕緣層內之該開口至少在區段內係以一個在另一個上面的方式排列以形成或可形成至少一通至該第二電極層之通道。
粒子因此僅可自該感測器之一側(亦即自最接近該第一電極層之該感測器的一側)經由至少一通道抵達該第二電極層。導電及/或可極化粒子因此可位於該第二電子層之一區段上。
在第一電極層內之該開口較佳與該第一電極層之周邊分隔開，且絕緣層之該開口較佳與該絕緣層之周邊分隔開。該等開口因此較佳不在外圍、或不在該相關層之側緣上形成。
該第一電極層與第二電極層係藉該位於其等之間的絕緣層而彼此隔絕。與最新發展的感測器比較，本建構方式可形成具有較小結構大小的高靈敏性感測器。
該第二，較佳為扁平形狀的電極層係間接或直接 經該基板連接。可藉一促黏層而間接連接該第二電極層與該基板。可在該第二電極層與該基板之間形成一促黏層。該促黏層可以由，例如氧化鋁(Al2O3)或二氧化矽(SiO2)所組成。該促黏層較佳很薄且因此僅具有很小之厚度。
該絕緣層可具有以下之厚度：0.5微米，特別為1.0微米至40微米，特別為5.0微米至30微米，特別為7.5微米至20微米，特別為8微米至12微米。可藉該絕緣層的厚度而設定該第一電極層到該第二電極層的距離。可藉減少該等疊置平面電極層間之距離而增加該感測器的靈敏度。該感測器的靈敏度越高，該絕緣層的厚度越小。
該絕緣層可以由氧化鋁(Al2O3)或二氧化矽(SiO2)或氧化鎂(MgO)或氮化矽(Si2N4)或玻璃所組成。
該絕緣層較佳側向圍繞該第二電極層。換言之，該絕緣層可覆蓋該第二電極層之側表面以致使該第二電極層經側向絕緣。
該第一電極層及/或該第二電極層係由金屬或合金製成，尤其由抗高溫金屬或抗高溫合金製成，更特佳自鉑金屬或自鉑金屬合金製成。該等鉑金屬之元素為鈀(Pd)、鉑(Pt)、銠(Rh)、鋨(Os)、銥(Ir)及釕(Rh)。可使用具有鎳(Ni)之普通金屬或普通金屬合金，諸如鎳/鐵。所述之該等金屬或金屬合金特別具抗高溫性，因此適用於形成可用以檢測得自燃機之廢氣流中的煙塵粒子之感測器元件。
在本發明之另一實施例中，該第二電極層係自一具有抗蝕性高於製成該第一電極層之該金屬或合金的金屬 或合金製成。其優點為該第二電極層可被建構為一在製程內可中止該蝕刻製程的層。換言之，可使用經本方式建構的第二電極層以測定，例如一欲在，例如該感測器結構內被製成之通道的蝕刻深度。
在其背對該第一電極層之該絕緣層的該側上，可形成一覆蓋層(其特別係自陶瓷及/或玻璃及/或金屬氧化物所形成)。換言之，該覆蓋層係在該電極層的一側上形成，其係位於該絕緣層的反向側上。該覆蓋層可作為一擴散障壁且此外，可減少於高溫(在一廢氣流內其可高如850℃)下，該第一電極層的蒸發。
該覆蓋層可側向圍繞該第一電極層。在本發明之另一實施例中，該覆蓋層可另外側向圍繞該絕緣層。換言之，該第一電極層之該等側表面、以及在其下面之該絕緣層的該等側表面可藉該覆蓋層而覆蓋。而且，該覆蓋層亦可側向圍繞該第二電極層。該覆蓋層之側圍繞部份/側圍繞區域因此可自該第一電極層抵達該第二電極層。其係藉該第一電極層及/或該絕緣層及/或該第二電極層之一側絕緣作用而引起。
此外，一多孔過濾層可在其背對該絕緣層之該第一電極層的該側上，或在其背對該第一電極層之該覆蓋層的該側上形成。借助於此種多孔過濾層，可以使大粒子碎片遠離含兩疊置電極層的排列。該過濾層之孔隙率可，例如大於1微米。更特佳為在20微米至30微米範圍內的孔隙率。該多孔過濾層可，例如由陶瓷材料形成。而且，該多 孔過濾層可形氧化鋁發泡體形成。借助於該過濾層(其亦可覆蓋至少一通至該第二電極層的通道)，可以使會干擾測定步驟之大粒子(特別為煙塵粒子)遠離該至少一通道，因此，此等粒子不會導致短路。
該至少一通至該第二電極層之通道可呈一盲孔(blind hole)形式，其中該第二電極層之一區段可形成該盲孔的基底，且該盲孔可至少延伸通過該絕緣層及該第一電極層。若該感測器具有一覆蓋層，則該盲孔亦延伸通過該覆蓋層。換言之，該第一電極層以及該絕緣層與該覆蓋層各具有一開口，其中該等開口係以一個在另一個上面的方式排列，因此其等可形成一盲孔，其基底係藉該第二電極層之一區段而形成。該盲孔之基底可，例如藉面向該絕緣層之該第二電極層的上側而形成。而且該第二電極層之特徴為具有一可形成該盲孔之基底的凹處。
該盲孔之開口橫截面係藉可將該第一電極層之開口，該絕緣層之開口及，若合適，該覆蓋層之開口定界限的邊緣區段而形成。該至少一盲孔之該開口橫截面可以是圓形或方形或長方形或扁豆狀或蜂巢狀或多邊形。亦涵蓋其它構形。
例如該盲孔可具有一具有以下面積之方形橫截面：自3x3微米2至150x150微米2、特別為自10x10微米2至100x100微米2、特別為自15x15微米2至50x50微米2、特別為自20x20微米2。
在本發明之另一研發產物中，該感測器可具有數 個盲孔，其中這些盲孔係如上述方法而形成。而且，可知至少兩盲孔可具有不同的橫截面，因此可形成具有數個領域的感測器排列，其中可使用數個具有不同大小之盲孔橫截面的測量室。導電及/或可極化粒子(特別為煙塵粒子)之平行檢測可獲得有關於該等粒子大小或該等粒子大小分佈的額外資訊。
在本發明之另一實施例中，該第一電極層及該第二電極層皆係為多孔性設計，其中該第一電極層之至少一開口、及該絕緣層之至少一開口各係由至少一細孔所製成，其中在絕緣層內之該等細孔、及在第一電極層內之該等細孔至少在區段內係以一個在另一個上面的方式排列以形成該至少一通至該第二電極層的通道。換言之，接著就沒有主動性/後續性結構化該通道的必要，其中該第一電極層及該絕緣層可穿透至該欲經測定的介質。
其可，例如藉這兩層之一多孔狀或粗粒的構造而成為可能。該第一電極層及該絕緣層皆可藉將各該粒子一起燒結而製成，其中用於欲經測定該介質之細孔或空穴係藉該繞結法而形成。因此，其背對該絕緣層之第一電極層的該側開始高至其面向該絕緣層之第二電極層的該側，由於該第一電極層及該絕緣層之該等細孔的該疊置排列，所以必須形成至少一通道，該通道可以使一粒子通至該用於測定/檢測其等之該等第二電極層。若該感測器具有一覆蓋層，該覆蓋層應該亦具多孔狀，因此在該覆蓋層內之一細孔、在該第一電極層內之一細孔、及在該絕緣層內之一 細孔可形成一通至該第二電極層之通道。
為了進行該測定或檢測需求，可將該第一電極層及/或該絕緣層及/或該覆蓋層之粒度分佈最佳化。
該第一電極層及/或該絕緣層及，若合適，該覆蓋層可具有含不同孔隙率的區段，因此形成一具有數個含不同孔隙率之領域的感測器排列。具有含不同孔隙率之層區段的平行檢測允許測定欲經分析之該介質或欲經檢測之介質的”指紋(fingerprint)”。經由使用本方式，可獲得有關於該等欲經測定之粒子之大小或大小分佈的進一步資訊。
該第一電極層及第二電極層各具有一不含排列在各該電極層上之感測器層的電接觸表面，且其等係各經連接或可連接至一連接墊。彼此隔離之這兩電極層係經連接或可連接至連接墊。每一電極層形成至少一電接觸表面，其係容易接受在該連接墊附近的電接觸。該第一電極層之該電接觸表面不含任何覆蓋層及被動多孔過濾層。換言之，在該第一電極層之該電接觸表面上，不存在特定覆蓋層及特定過濾層。
該第二電極層之該電接觸表面不含該絕緣層、該第一電極層、且若合適，亦不含一覆蓋層及被動多孔過濾層。換言之，在該第二電極層之電接觸表面上，不存在該特定絕緣層及該特定第一電極層、或該特定絕緣層及該特定被動多孔過濾層。
在本發明之另一實施例中，該第一電極層及/或該第二電極層具有導體徑跡環路，因此該第一電極層及/ 或該第二電極層可形成一加熱旋管及/或一溫度靈敏層及/或一防護電極。該第一電極層及/或該第二電極層具有至少一不含排列在該電極層(亦即該第一及/或第二電極層)上之感測器層的另外電接觸表面，且其係經連接或可連接至一額外連接墊。換言之，該第一電極層及/或該第二電極層具有兩電接觸表面，其中這兩電接觸表面皆不含排列在該電極層上之感測器層。
當該電極層呈一加熱旋管及/或溫度靈敏層及/或防護電極的形式形成時，必須在一電極層上形成兩電極接觸。該第二電極層較佳具有兩電接觸表面。該第二電極層較佳呈加熱旋管以及溫度靈敏層、與防護電極的形式形成。若該電接觸表面係以合適方式經電接觸時，該電極層可作為加熱器或溫度靈敏層/防護電極。由於一電極層可呈現許多功用，所以使用本方式建構的電極表面意指可提供袖珍型感測器。因此，並不需要各別的加熱旋管及/或溫度靈敏層及/或防護電極。
可獲得以下結論：由於根據本發明之該結構，可提供顯著小於已知感測器之很準確的感測器。而且，可在該基板或晶圓上形成顯著較多的元件。與一般平面建成的結構比較，本結構亦具重大的成本優點。
依照另一方面，本發明係有關於用於製造一用以檢測導電及/或可極化粒子之感測器的方法，特別為用於製造如根據本發明所述之感測器的方法。
根據該方法，係製成一含第一電極層及第二電極 層、與一排列在該第一電極層及第二電極層間之絕緣層的多層複合物，其中係接著將至少一通道導入該多層複合物內，其可延伸通過該第一電極層及該絕緣層，其中該通道之基底係藉該第二電極層之一區段而形成。該方法係根據以下之理想：製造一由至少第一電極層、第二電極層及絕層所組成的多層複合物以將至少一通道導入該多層複合物內。該通道允許欲經檢測的粒子(特別為煙塵粒子)進入該第二電極層內。
可使用薄切割技術或厚切割技術或這些技術的組合來達到多層複合物及/或多層複合物之個別層之製造。就可適用的薄切割技術而言，可選擇蒸發方法或較佳陰極濺鍍方法。就厚切割技術而言，尤其可使用網版印刷法。可藉化學蒸氣沉積法(CVD方法)或電漿輔助的化學蒸氣沉積法(PECVD方法)而形成該絕緣層及/或一在其背對該絕緣層之該第一電極層的該側上所形成的覆蓋層。
以可側向圍繞該第二電極層的方式製成該絕緣層。亦以可側向圍繞該第一電極層及/或該絕緣層及/或該第二電極層的方式製成一可擇的覆蓋層。因此，該絕緣層以及該覆蓋層可形成一額外側包覆物。
可形成，例如呈盲孔形狀的該通道，其中係藉至少一蝕刻法，特別為藉電漿離子蝕刻法、或藉數種適用於該多層複合物之各該層的連續蝕刻法而將至少一盲孔或該盲孔之一區段導入該多層複合物內。換言之，相對於欲經滲透或蝕刻之各層，一盲孔經導入該多層複合物內的方式 可使用一適用於本層的最佳蝕刻法，且因此可進行數種連續的蝕刻步驟。
而且，已知可藉化學蝕刻法而自一液相或氣相導入該盲孔或該盲孔之一區段。該第一電極層較佳由相當容易經完整蝕刻，或蝕刻之金屬(特別為鉑層)製成。
在根據本發明之該方法的一合適實施例中，當該第二電極層係自一其抗蝕刻性相對上高於該第一電極層及該絕緣層之抗蝕刻性的材料製成時，於該第二電極層進行的該蝕刻操作可中止。若該多層複合物或該感測器包括一額外覆蓋層，則該第二電極層的特徴亦為具有一其抗蝕刻性高於該覆蓋層之抗蝕刻性的材料。例如該第二電極層可自鉑一鈦合金(Pt/Ti)製成。而且，可知該第二電極層係由一已填充金屬氧化物的層所組成。
在根據本發明之該方法的另一實施例中，可形成一呈能中止該蝕刻法的層形式之該絕緣層，在另一步驟內，係在回火法或回火步驟內，將該盲孔之一區段導入該絕緣層內，且該絕緣層會產生相變。
在根據本發明之該方法的另一實施例中，該至少一通道及/或該一通道被建構為一盲孔，且本盲孔或該至少一盲孔或該盲孔之一區段係藉雷射方法而導入該多層複合物內，其中該雷射源及/或該雷射之波長及/或脈衝頻率適於欲經使用之該多層複合物的各該層。用於產生該通道(其被建構為一盲孔)的另一可行方法因此係為藉雷射而進行之該多層複合物的部份移蝕。可使用具有適於欲經移 蝕之各該材料的不同波長及/脈衝頻率之雷射源。此種方法具有以下的優點：可快速進行各該雷射步驟，因為其等經調整適於構成該欲經移蝕之層的材料，因此，可充份地改善通道及/或盲孔進入該多層複合物內的導入性。已證明超短的脈衝雷射尤其有用。
在根據本發明該方法之另一實施例中，在製備該多層複合物時，介於該第一電極層與第二電極層間之該絕緣層可特別藉網版印刷法或噴塗法或浸漬法或旋塗法而在該第一電極表面與第二電極表面之間形成一未經穿插表面，且一後續製程步驟內，係特別藉溶解或蝕刻或燒除法而移除該絕緣層之至少一區段以產生該可延伸穿過該第一電極層與該絕緣層的通道。此種方法相當於損失形式的原理。因此經由使用該損失形式之原理，尤其可使用溫度穩定性材料以建構其等。一損失形式係用以產生一自該第一電極層通至該第二電極層的通道。自一溫度穩定性材料所製成的該絕緣層或絕緣化層係在該第一電極層與該第二電極層之間產生，其中係較佳在施加該第一電極層之後，藉溶解或蝕刻或燒除法而移除該絕緣層的一區段。因此，亦移除位於其上之該第一電極層。當形成一覆蓋層時，亦可藉該絕緣層之該區段的溶解或蝕刻或燒除法而移除在該絕緣層之經移除區段上之該覆蓋層的該區段。
在將該通道及/或一盲孔導入該多層複合物內之後，施加一被動多孔過濾層至該覆蓋層。例如自氧化鋁發泡體形成該被動多孔過濾層。本發泡體亦係在該至少一 通道或該至少一盲孔之上面形成。
依照另一方面，本發明係有關於用以製造一用於檢測導電及/或可極化粒子之感測器(特別為如請求項15至18中任一項之感測器)的方法。係製成一具有第一電極層及第二電極層，與一在該第一電極層及第二電極層之間所形成之絕緣層的多層複合物，其中係形成呈多孔層形式之該絕緣層及該第一電極層。該第一電極層及該絕緣層的該等孔隙率經設定以致使在該第一電極層內之至少一細孔，以及在該絕緣層內之至少一細孔至少在區段內係以一個在另一個上面的方式排列，因此產生至少一通至該第二電極層的通道。
當該感測器具有一覆蓋層時，亦可施加本覆蓋層至該具有某一孔隙率的第一電極層，其中在該覆蓋層內之至少一細孔係至少在區段內排列在該第一電極層內之一細孔上以及排列在該絕緣層內之一細孔上，因此形成至少一自該覆蓋層通至該第二電極層的通道。最後，接著可施加一被動多孔過濾層至該覆蓋層。
依照另一方面，係提議用於製造一用以檢測導電粒子之感測器(特別為用於製造一如請求項1至18中任一項感測器)的方法，其中係製成一具有第一電極層、第二電極層、及一排列在該第一電極層與該第二電極層間之絕緣層的多層複合物，其中該絕緣層及該第一電極層係以有組織的方式產生，特別係藉抬離(lift-off)方法及/或噴墨法及/或壓印法，因此由於各該層係以一層在另一層上的方式有 組織地施加，所以可形成一通至該第二電極層的通道。
換言之，已在該絕緣層及/或該第一電極層之製造期間儘早產生一具有開口或凹處的結構，其中許多開口係至少在區段內以一個在另一個上面的方式排列以形成至少一通至該第二電極層的通道。若該感測器具有一覆蓋層，則本覆蓋層亦可輕易地有組織地施加至該第一電極層。
就用以製造一用於檢測導電及/或可極化粒子之感測器的所有上述方法而言，該第一電極層及該第二電極層各必須包含一電接觸表面。其經獲得的原因在使該第一電極層及該第二電極層之該等區段不含排列在各該電極層上之各該感測器層。另一方面，其經獲得的原因在該等電接觸表面係藉經由移蝕及/或蝕刻及/或雷射法而移除任何排列在其等之上的感測器層所產生。可知當該絕緣層及/或該電極層及/或該覆蓋層經組裝在一起時，其等已經具組織結構性，因此在各該感測器層之製造期間，該等電接觸表面已經曝露。
在本發明之另一實施例中，可知在建構該多層複合物時，係借助於模板而遮掩該等電接觸表面，因此在各該感測器層之製造期間，該等電接觸表面已曝露。
10‧‧‧感測器
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一電極層
13‧‧‧第二電極層
14‧‧‧絕緣層
15‧‧‧開口，第一電極層
16‧‧‧開口，第二電極層
17‧‧‧通道
18‧‧‧促黏層
19‧‧‧側表面，第二電極層
20‧‧‧該第一電極層之側面
21‧‧‧覆蓋層
22‧‧‧側表面，第一電極層
23‧‧‧側表面，絕緣層
24‧‧‧上區段，覆蓋層
25‧‧‧側區段，覆蓋層
26‧‧‧側面，覆蓋層
27‧‧‧多孔過濾層
28‧‧‧基底，盲孔
29‧‧‧開口，覆蓋層
30‧‧‧粒子
31‧‧‧側面，第二電極層
32‧‧‧邊緣區域，第一電極層
33‧‧‧電接觸表面，第一電極層
34‧‧‧電接觸表面，第二電極層
35‧‧‧另外的電接觸表面，第二電極層
36‧‧‧導體徑跡環路
37‧‧‧側面，絕緣層
40‧‧‧細孔，第一電極層
41‧‧‧細孔，絕緣層
d‧‧‧厚度，絕緣層
現在可參考附加示意圖而藉代表性實施例以更詳述說明本發明。
圖1a-c表示用於檢測導電及/或可極化粒子之感測器之不同實施例的截面圖； 圖2表示一根據本發明之感測器的透視平面圖；圖3表示一第二電極層之可能的設計；圖4表示一用於檢測導電及/或可極化粒子之感測器之另一實施例的截面圖。
在下文內，相同的參考數字係用於相同的或以相同方式操作的部件。
圖1a表示一用於檢測導電及/或可極化粒子(特別為用於檢測煙塵粒子)之感測器10的截面圖。該感測器10包含一基板11、第一電極層12、及一排列在該基板11與該第一電極層12之間的第二電極層13。一絕緣層14係在該第一電極層12與該第二電極層13之間形成。該第一電極層12及該絕緣層14各具有至少一於其等之內所形成的開口，其中在該第一電極層12內之該開口15，以及在該絕緣層14內之該開口16係以一個在另一個上面的方式排列，因此可形成一通至該第二電極層13的通道17。
就耐高溫應用而言，係自，例如氧化鋁(Al2O3)或氧化鎂(MgO)，或自鈦酸鹽或塊滑石(steatite)形成該基板11。
該第二電極層13係藉促黏層18而間接連接至該基板11。該促黏層18可，例如由很薄形成的氧化鋁(Al2O3)或二氧化矽(SiO2)所組成。
在該實施例中，該第一電極層12係由一鉑層所組成。在該所示實施例內之該第二電極層13係由一鉑-鈦合金 (Pt-Ti)所組成。該第二電極層13之鉑-鈦合金比該第一電極層12更具抗蝕刻性。
藉該絕緣層14之厚度d而測定該第一電極層12與該第二電極層13間的距離。該絕緣層14之厚度d可以是0.5微米至50微米。在本情況下，該絕緣層14之厚度d為10微米。可藉減少該第一電極層12與該第二電極層13間之距離且因此藉減少該絕緣層14的厚度d而增加根據本發明該感測器10的靈敏度。
該絕緣層14可覆蓋所述側表面19上之該第二電極層13以側向圍繞並隔絕該第二電極層13。
形成呈盲孔形式之該通道17，其中該第二電極層13之一區段可形成該盲孔之基底28。該盲孔及/或該通道17可延伸通過該絕緣層14並通過該第一電極層12。換言之，該通道17係藉以一個在另一個上面的方式排列之該等開口15及16而形成。在所示該實施例內，該等開口15及16並非在該邊緣之該側上形成。
煙塵粒子30可進入該通道17內。在圖1a內，該粒子30係停靠在該盲孔之基底28上，因此可位於該第二電極層13之一側31上。然而，該粒子30並不會碰觸可界定該開口15之該第一電極層12之邊緣區域32。由於該粒子30係沉積在該基底28上，且與第二電極層13之該側31接觸，所以可減少該電阻。本電阻之下降係作為一用於測定該經聚集之微粒狀團塊的方法。當該電阻達一預定底限值時，該感測器10經加熱以致使該經沉積粒子30經燒除，且在經燒除 後，在一後續檢測循環內，該感測器10可檢測導電及/或可極化粒子。
在一截面圖內，圖1b亦表示一用於檢測導電及/或可極化粒子，特別為用於檢測煙塵粒子之感測器10。亦描述該第一電極層12、及排列在該基板11與該第一電極層12間之第二電極層13。在該第一電極層12與該第二電極層13之間形成一絕緣層14。就該等開口15及16之性質及設計而言，應該參考根據圖1a之該實施例的內容之解釋。
在其背對該絕緣層14之該第一電極層12的該側20上，係提供一可，例如自陶瓷及/或玻璃及/或金屬氧化物製成的覆蓋層21。該覆蓋層21可圍繞該第一電極層12之側表面22、該絕緣層14之側表面23、及該第二電極層13之側表面19。該覆蓋層21因此可覆蓋該等側表面19、22、及23，因此該第一電極層12、該第二電極層13及該絕緣層14經側向隔絕。該覆蓋層21因此包含一在該第一電極層12之該側20、以及一側區段25上形成的上區段24，其係用以側向隔絕該感測器10。
在一截面圖內，圖1c表示一用於檢測導電及/或可極化粒子，特別為用於檢測煙塵粒子之感測器10。該感測器10包含一基板11、第一電極層12、及排列在該基板11與第一電極層間12之第二電極層13。一絕緣層14係在該第一電極層12與該第二電極層13之間形成。該第一電極層12及該絕緣層14各具有至少一開口，其中在第一電極層12內之該開口15及在絕緣層14內之該開口16係以一個在另一個 上面的方式排列，因此形成一通至該第二電極層13的通道17。
就耐高溫應用而言，係自，例如氧化鋁(Al2O3)或氧化鎂(MgO)，或自鈦酸鹽或塊滑石(steatite)形成該基板11。
該第二電極層13係藉促黏層18而間接連接至該基板11。該促黏層18可，例如由很薄形成的氧化鋁(Al2O3)或二氧化矽(SiO2)所組成。
在該實施例中，該第一電極層12係由一鉑層所組成。在該實施內之該第二電極層13係由一鉑-鈦合金(Pt-Ti)所組成。該第二電極層13之鉑-鈦合金比該第一電極層12更具抗蝕刻性。
該絕緣層14係由一具有高絕緣阻抗之抗溫材料所組成。該絕緣層14可，例如自氧化鋁(Al2O3)或二氧化矽(SiO2)或氧化鎂(MgO)或氮化矽(Si3N4)或玻璃形成。
藉該絕緣層14之厚度d而測定該第一電極層12與該第二電極層13間的距離。該絕緣層14之厚度d可以是0.5微米至50微米。在本情況下，該絕緣層之厚度d為10微米。可藉減少該第一電極層12與該第二電極層13間之距離且因此藉減少該絕緣層14的厚度d而增加根據本發明該感測器10的靈敏度。
在其背對該絕緣層14之該第一電極層12的該側20上，係提供一可，例如自陶瓷及/或玻璃及/或金屬氧化物製成的覆蓋層21。該覆蓋層21可圍繞該第一電極層12 之側表面22、該絕緣層14之側表面23、及該第二電極層13之側表面19。該覆蓋層21因此可覆蓋該等側表面19、22、及23，因此該第一電極層12、該第二電極層13及該絕緣層14經側向隔絕。該覆蓋層21因此包含一在該第一電極層12之該側20、以及一側區段25上形成的上區段24，其係用以側向隔絕該感測器10。
在本發明之另一實施例內，可知該覆蓋層21亦可側向地圍繞該基板11。
在其背對該第一電極層12之該覆蓋層21的該側26上形成一多孔過濾層27。由於本被動多孔過濾或防護層27(就該等欲經檢測之導電及/或可極化粒子而言，其係面向該介質)之形成，該感測器10之靈敏度增加，因為可以使會干擾該測定或檢測之較大粒子或碎片遠離該第一電極層12及該第二電極層13。由於該通道17係藉該多孔過濾層27而覆蓋，所以粒子仍可通過該多孔過濾層27之該等細孔，且由於該多孔過濾層27，所以可防止藉該等較大粒子之侵入而引起的短路現象。
該通道17係呈一盲孔形式形成，其中該特定的第二電極層13可形成該盲孔的基底28。該盲孔/該通道17可延伸通過該絕緣層14、該第一電極層12，並通過該覆蓋層21。據此，該覆蓋層21亦具有一開口29。換言之，該通道17係藉以一個在另一個上面的方式所形成的該等開口29、15及16而形成。
由於該等用於各該層之材料的選擇，以及各該層 彼此的隔絕，所以所述該感測器10適於至高，例如850℃之高溫應用。該感測器10可因此作為一用於燃機之廢氣流的煙塵粒子感測器。
在通過該多孔過濾層27後，煙塵粒子30可進入該通道17內。在圖1c內，該粒子30係駐留在該盲孔之基底28上，因此可位於該第二電極層13之一側31上。然而，該粒子30並不會碰觸可界定該開口15之該第一電極層12之邊緣區域32。由於該粒子30係沉積在該基底28上，且與第二電極層13之該側31接觸，所以可減少該電阻。本電阻之下降係作為一用於測定該經聚集之微粒狀團塊的方法。當該電阻達一預定底限值時，該感測器10經加熱以致使該經沉積粒子30經燒除，且在經燒除後，在一後續檢測循環內，該感測器10可檢測導電及/或可極化粒子。
圖2表示感測器10之透視圖。該感測器10具有9個通道17。為了更佳的具象化，該多孔過濾層27並未示於圖2內。可看到該覆蓋層21之上區段24，以及該覆蓋層21之側區段25。該等通道17之基底28係藉該第二電極層13之區段而形成。這9個通道17具有一方形橫截面，其中該方形橫截面可具有15x15平方微米至50x50平方微米之面積。
該第一電極層12具有一電接觸表面33。該第二電極層13亦具有一電接觸表面34。這兩電接觸表面33、34不含排列在各該電極層12及13之上面的感測器層。這兩電接觸表面33、34係各經連接或可連接至一連接墊(圖中未顯示)。
該第二電極層13具有另一電接觸表面35，其亦不含排列在該電極層13上之感測器層。本額外的電接觸表面35可經連接至另一連接墊。為了可使用該第二電極層13作為加熱旋管或作為溫度靈敏層或作為防護電極，必須具有該額外的電接觸表面35。根據該等電接觸表面34及35之該接觸任務(見圖3)，該第二電極層13可加熱或燒除該粒子30或檢測該粒子30。
為了使用一電極層(在本情況下係為該第二電極層13)作為加熱旋管及/或作為溫度靈敏層及/或作為防護電極，該第二電極層13具有少數導體徑跡環路36。
圖4表示合適感測器10之另一實施例。該第一電極層12及該絕緣層14皆被設計成具多孔性，其中在第一電極層12內之該至少一開口15、及在絕緣層14內之該至少一開口16係藉至少一細孔而形成，其中在絕緣層14內之該細孔41、及在第一電極層12內之該細孔40係至少在區段內以一個在另一個上面的方式排列以形成該至少一通至該第二電極層13的通道17。換言之，接著就不需進行該等通道之主動/後續結構化步驟，其中該第一電極層12及該絕緣層14可穿透過該欲經測定之介質。該等通道17係藉圖4內的直立箭號表示。
該等通道17可藉層12及14兩者之多孔狀或粗粒狀結構而形成。可藉將各該粒子一起燒結而製成該第一電極層12以及該絕緣層14，其中細孔40及41或用於該欲經測定之介質的空穴係藉燒結法而形成。因此，由於在該第一 電極層12及該絕緣層14內之細孔40及41的疊置排列，所以必須形成一自其背對該絕緣層14之第一電極層12的該側20通至朝向該絕緣層14之第二電極層13的該側31之通道，其允許欲經測定或檢測的粒子進入該第二電極層13。
在所述該實例內，第二電極層13之該側表面19係藉該多孔絕緣層14而完全經圍繞。第二電極層13之該側31及該等側表面19因此藉該多孔絕緣層14而覆蓋。另一方面，該多孔第一電極層12可圍繞該絕緣層14之側表面23及其背對該第二電極層之該側37。絕緣層14之該側37及該等側表面23因此藉該第一電極層12而覆蓋。
若該感測器10具有一覆蓋層，則所形成本覆蓋層亦必須具多孔性，因此該覆蓋層之一細孔、該第一電極層12之一細孔40、及該絕緣層14之一細孔41可形成一通至該第二電極層13的通道17。
就有關於圖1a-1c、2及4內之該等感測器10的合適製法而言，可參考已描述的該等製法選擇方案，特別為蝕刻法。
現在指明上述所有元素及組件、以及圖1至4內揭文的該等實施例本身、或其等之任何組合，特別為在該等圖示內所描述的細節，被認為具新穎重要性。

Claims (39)

  1. 一種用於檢測導電及/或可極化粒子之感測器，其包含一基板、一第一電極層，及一排列在該基板與該第一電極層間之第二電極層，其中一絕緣層係在該第一電極層與該第二電極層之間形成，且該第一電極層與該絕緣層各具有一於其等之中所形成的開口，其中在第一電極層內之該開口、及在絕緣層之該開口係至少在區段內以一個在另一個上面的方式排列，以形成至少一通至該第二電極層之通道，其中多數個通道形成為盲孔，其中該第二電極層之一區段形成該等盲孔之基底，且該等盲孔延伸通過至少該絕緣層，並通過該第一電極層，其中至少兩個盲孔具有不同大小的橫截面。
  2. 如請求項1之感測器，其係用於檢測煙塵粒子。
  3. 如請求項1之感測器，其中第一電極層內之該開口係於離該第一電極層之邊緣區域一段距離的位置上形成，且絕緣層內之該開口係於離該絕緣層之邊緣區域一段距離的位置上形成。
  4. 如請求項1或3之感測器，其中該第二電極層係藉一促黏層而間接連接至該基板、或直接連接至該基板。
  5. 如請求項1或3之感測器，其中該絕緣層具有一以下的厚度：0.5微米至50微米。
  6. 如請求項1或3之感測器，其中該絕緣層具有一以下的厚度：1.0微米至40微米。
  7. 如請求項1或3之感測器，其中該絕緣層具有一以下的厚度：5.0微米至30微米。
  8. 如請求項1或3之感測器，其中該絕緣層具有一以下的厚度：7.5微米至20微米。
  9. 如請求項1或3之感測器，其中該絕緣層具有一以下的厚度：8微米至12微米。
  10. 如請求項1或3之感測器，其中該絕緣層係由氧化鋁(Al2O3)或二氧化矽(SiO2)或氧化鎂(MgO)或氮化矽(Si3N4)或玻璃製成。
  11. 如請求項1或3之感測器，其中該絕緣層係側向地圍繞該第二電極層。
  12. 如請求項1或3之感測器，其中該第一電極層及/或該第二電極層係由金屬或一合金製成。
  13. 如請求項1或3之感測器，其中該第一電極層及/或該第二電極層係由一抗高溫金屬或抗高溫合金製成。
  14. 如請求項1或3之感測器，其中該第一電極層及/或該第二電極層係由鉑金屬之金屬、或鉑金屬之金屬的合金製成。
  15. 如請求項1或3之感測器，其中該第二電極層係由一具有比該第一電極層之金屬或合金更高的蝕刻抗性之金屬或合金所製成。
  16. 如請求項1或3之感測器，其中在背對該絕緣層之第一電極層的該側上，有一由陶瓷及/或玻璃及/或金屬氧化物所形成的覆蓋層。
  17. 如請求項16之感測器，其中該覆蓋層係側向圍繞該第一電極層。
  18. 如請求項16之感測器，其中該覆蓋層係側向圍繞該第一電極層及該絕緣層。
  19. 如請求項16之感測器，其中該覆蓋層係側向圍繞該第一電極層、該絕緣層及該第二電極層。
  20. 如請求項1或3之感測器，其中一多孔過濾層係在背對該絕緣層之第一電極層的該側上、或在背對該第一電極層之覆蓋層的該側上形成。
  21. 如請求項16之感測器，其中該盲孔延伸通過該覆蓋層。
  22. 如請求項21之感測器，其中該盲孔具有一如下之表面積的方形橫截面：3x3平方微米至150x150平方微米。
  23. 如請求項21之感測器，其中該盲孔具有一如下之表面積的方形橫截面：10x10平方微米至100x100平方微米。
  24. 如請求項21之感測器，其中該盲孔具有一如下之表面積的方形橫截面：15x15平方微米至50x50平方微米。
  25. 如請求項21之感測器，其中該盲孔具有一如下之表面積的方形橫截面：20x20平方微米。
  26. 如請求項1或3之感測器，其中該第一電極層及該絕緣層被形成以具有多孔性，且在第一電極層內之該至少一開口、及絕緣層內之該至少一開口各係藉至少一細孔而形成，其中在絕緣層內之該細孔、及在第一電極層內之該細孔係至少在區段內以一個在另一個上面的方式排列，其方式可以使其等形成該至少一通至該第二電極層的通道。
  27. 如請求項26之感測器，其中該第一電極層及/或該絕緣層具有含不同孔隙率的區段，從而形成一具有許多含不同孔隙率之區域的感測器陣列。
  28. 如請求項1或3之感測器，其中該第一電極層及該第二電極層各具有一電接觸表面，其等係不含該等排列在各該電極層之上面的感測器層，且其等各經連接或可連接至一連接墊。
  29. 如請求項28之感測器，其中該第一電極層及/或該第二電極層具有導體徑跡環路，因此可將該第一電極層及/或第二電極層建構為一加熱旋管及/或一溫度靈敏層及/或一防護電極，其中該第一電極層及/或該第二電極層具有至少一額外的電接觸表面，其係不含排列在各該電極層上之感測器層，且係經連接或可連接至一額外連接墊。
  30. 一種用於製造如請求項1至29中任一項之用於檢測導電及/或可極化粒子之感測器的方法，其中係製成一具有一第一電極層、一第二電極層、及一排列在該第一電極層與該第二電極層間之絕緣層的多層複合物，其中係接著將至少一通道導入該多層複合物內，其可延伸通過該第一電極層及該絕緣層，其中該通道之該基底係藉該第二電極層之一區段而形成。
  31. 如請求項30之方法，其中該多層複合物及/或該多層複合物之個別層係使用蒸發法或陰極濺鍍法之薄切技術而製成。
  32. 如請求項30之方法，其中該多層複合物及/或該多層複合物之個別層係使用網版印刷法之厚切技術而製成。
  33. 如請求項30、31或32之方法，其中該在背對該絕緣層之第一電極層的該側上所形成之絕緣層及/或一覆蓋層，係藉化學蒸氣沉積法或經電漿輔助的化學蒸氣沉積法而形成。
  34. 如請求項30、31或32之方法，其中該通道係呈一盲孔形式形成且該至少一盲孔或該盲孔之一區段係藉至少一蝕刻法，或藉許多各適於欲經蝕刻之該多層複合物的各該層之連續進行的蝕刻法而導入該多層複合物內。
  35. 如請求項30、31或32之方法，其中該通道係呈一盲孔形式形成且該至少一盲孔或該盲孔之一區段係藉電漿離子蝕刻法，或藉許多各適於欲經蝕刻之該多層複合物的各該層之連續進行的蝕刻法而導入該多層複合物內。
  36. 如請求項34之方法，其中該絕緣層係呈一可中止該蝕刻法之層的形式形成，且在進一步的步驟內，係經由使用一可以使該絕緣層產生相變的回火方法而將該盲孔之一部份區段導入該絕緣層內。
  37. 如請求項30、31或32之方法，其中該通道係呈一盲孔的形式形成，且至少一盲孔或該盲孔之一部份區段係藉雷射法而導入該多層複合物內，其中該雷射之雷射源及/或該波長及/或該脈衝頻率係經調整適於該欲經蝕刻之多層複合物的各該層。
  38. 如請求項30之方法，其中當在製造該多層複合物時，係藉網版印刷法或噴塗法或浸漬法或旋塗法而在該第一電極層與該第二電極層之間以一未經穿插的表面形式形成絕緣層，且在一後續製程步驟內，係藉有組織性溶解或蝕刻或燒除法而移除該絕緣層之至少一區段，以形成該延伸通過該第一電極層及該第二電極層之通道。
  39. 一種用於製造如請求項1至29中任一項之用於檢測導電及/或可極化粒子之感測器的方法，其中係製成一含第一電極層、第二電極層、及一排列在該第一電極層與該第二電極層間之絕緣層的多層複合物，其中該絕緣層及該第一電極層係藉抬離法及/或噴墨法及/或壓印法而製成，因此形成一結構，使得由於以一層在另一層上面的方式有組織性施加個別層，因此形成一通至該第二電極層之通道。
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