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WO2016142080A1 - Herstellungsverfahren für einen gassensor und entsprechender gassensor - Google Patents

Herstellungsverfahren für einen gassensor und entsprechender gassensor Download PDF

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Publication number
WO2016142080A1
WO2016142080A1 PCT/EP2016/050508 EP2016050508W WO2016142080A1 WO 2016142080 A1 WO2016142080 A1 WO 2016142080A1 EP 2016050508 W EP2016050508 W EP 2016050508W WO 2016142080 A1 WO2016142080 A1 WO 2016142080A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coating
electrode
electrodes
gas sensor
membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/050508
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Krauss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to KR1020177028712A priority Critical patent/KR102411956B1/ko
Priority to US15/551,939 priority patent/US10591433B2/en
Priority to CN201680014964.9A priority patent/CN107407652B/zh
Publication of WO2016142080A1 publication Critical patent/WO2016142080A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/128—Microapparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/50—Multilayers
    • B05D7/52—Two layers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid

Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing method for a gas sensor and a corresponding gas sensor.
  • Gas sensors play an important role in safety engineering, for example, to detect carbon monoxide gas, hydrocarbons or nitrogen oxides, to measure the emission of automobiles or to monitor the air quality of buildings.
  • a chemical sensor which consists of a substrate on which a radiator is applied, on which in turn an electrical insulation layer is applied.
  • a sensor element made of metal oxide, to which via conductor tracks an electrical signal can be sent, as well as a metal oxide layer.
  • Such gas sensors made of drippable or dispensable materials or materials for thick film processes have the advantage of high reproducibility over the materials of many thin-film processes or sensors made of nanoparticle inks.
  • a gas sensor comprising: a substrate; a heatable membrane formed on a substrate front side of the substrate; at least three electrodes disposed on a membrane surface of the membrane; a first coating formed on a region of the membrane surface, wherein at least two of the at least three electrodes contact the first coating; a second coating formed at least partially on the first coating and a region of the membrane surface, at least two of the at least three electrodes contacting the second coating and at least one of the at least two electrodes contacting the second coating from the at least two electrodes contact the first coating is different.
  • a gas sensor manufacturing method comprising the steps of: providing a substrate; Forming a heatable membrane on a substrate front side of the substrate; Forming at least three electrodes on a membrane surface of the membrane; Forming a first coating on the membrane surface, wherein at least two of the at least three electrodes contact the first coating; Forming a second coating at least partially on the first coating and a region of the membrane surface, wherein at least two of the at least three electrodes contact the second coating, and at least one of the at least two electrodes contacting the second coating is separated from the at least two electrodes which contact first coating, is different; and forming a recess on a substrate backside, whereby a part of the membrane on which the first coating and the second coating are formed is released.
  • the present invention provides a gas sensor having two superimposed coatings. Both the first coating and the second coating are in this case contacted by electrodes, so that both coatings can each act as sensor layers. It is therefore an advantage of the present invention to provide a manufacturing method for a multilayer gas sensor, wherein the layers are individually controllable, thereby keeping the size of the sensor small. In principle, the arrangement can be used for materials from all deposition processes, possibly also for a combination of thin and thick film processes.
  • the space requirement is less than with sensor layers arranged side by side.
  • the gas sensor can be characterized on low-cost thick-film and multi-layer processes, e.g. Drip and dispensing procedures.
  • the present invention has the advantage of a miniaturization possibility, so that a plurality of electrically active layers can be arranged in a small space.
  • At least one of the first coating and the second coating is a metal oxide coating.
  • At least one further coating is formed on the second coating and a region of the membrane surface, wherein each of the at least one further coating is contacted by at least two of the at least three electrodes, wherein in each case at least one of these at least two electrodes no further Contacting the coating.
  • the second coating can be used as a filter or as a catalyst.
  • the filter or catalyst serves for the underlying first coating.
  • one or more cover layers can be applied, which can also be done as an impregnation.
  • the first coating and the second coating are circular, wherein the second coating completely covers the first coating.
  • a first electrode end of a first electrode of the at least three electrodes is circular disk-shaped and the electrode ends of the electrodes of the at least three electrodes, which are different from the first electrode, are arranged in a segmental circle around the first electrode end of the first electrode, the circular segment-shaped Electrode ends of the electrodes different from the first electrode have constant distances from the first end of the first electrode.
  • a first end of a first electrode of the at least three electrodes is formed circular disk-shaped and the ends of the electrodes of the at least three electrodes, which are different from the first electrode, are arranged in a circle segment around the first end of the first electrode, wherein the circular segment-shaped ends of the first electrode electrodes different from the first electrode have constant distances from the first end of the first electrode.
  • At least one of the first coating and the second coating is a metal oxide coating.
  • a region of the membrane surface is specifically pretreated before the formation of the first coating.
  • the region outside a region located between a first electrode of the at least three electrodes and a second electrode of the at least three electrodes can be coated with a hydrophobic material, for example a silanization.
  • a hydrophobic material for example a silanization.
  • a region of the membrane surface between a first electrode of the at least three electrodes and a second electrode of the at least three electrodes is provided with a surface structure.
  • 1a is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a gas sensor according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 1b is a schematic plan view of electrodes of a gas sensor according to the first embodiment of the invention
  • FIG. Fig. 2a is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a gas sensor according to a second embodiment of the invention
  • 2b is a schematic plan view of electrodes of a gas sensor according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a gas sensor according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4, 5 are schematic plan views of electrodes of a gas sensor according to further embodiments of the invention; and FIG. 6 is a flowchart for explaining a manufacturing method for a gas sensor.
  • the numbering of method steps is for the sake of clarity and, in particular, should not, unless otherwise indicated, imply a particular chronological order. In particular, several process steps can be carried out simultaneously.
  • Fig. La shows a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a gas sensor according to a first embodiment of the invention.
  • the gas sensor according to the first embodiment of the invention has a substrate 7, for example a semiconductor substrate, preferably a silicon substrate.
  • a substrate front side 16 of the substrate 7 is a first
  • Membrane layer 8-1 consisting of an electrically non-conductive dielectric.
  • a heating structure 6 is formed, which consists of an electrically conductive material.
  • a second membrane layer 8-2 is formed on the heating structure 6 and the first membrane layer 8-1.
  • Membrane layer 8-1, the second membrane layer 8-2 and the heating structure 6 form a membrane 8 with a membrane surface 13.
  • the substrate 7 has on the substrate back 15 a recess 14, whereby a part of the membrane 8 from the back of a material of the substrate is released.
  • the heating structure 6 is connected to a power source (not shown) and is designed to heat a portion of the membrane 8 to temperatures of, for example, 300 ° C.
  • a first electrode 1, a second electrode 2 and a third electrode 3 are formed on a part of the membrane surface 13 on which the membrane 8 is exposed.
  • the arrangement of the electrodes is explained in more detail below with reference to FIG. 1b.
  • Fig. Lb shows a schematic plan view the membrane surface 13, wherein Fig. La corresponds to a cross-sectional view along the axis 9 shown in Fig. Lb.
  • the first electrode 1 has a line-shaped first electrode section 1-1 with a first electrode width Bl and a circular disk-shaped first electrode end 1-2 with a radius r.
  • the second electrode 2 with a second electrode width B2 has a line-shaped second electrode section 2-1 parallel to the first electrode section 1-1, which is adjoined by a circular-segment-shaped second electrode end 2-2 arranged around the first electrode end 1-2.
  • the second electrode end 2-2 has a constant first distance dl from the first electrode end 1-2.
  • a third electrode 3 with a third electrode width B3 has a line-shaped third electrode section 3-1 parallel to the first electrode section 1-1, which is adjoined by a third electrode end 3-2 disposed around the second electrode end 2-2.
  • the third electrode end 3-2 has a second distance d2 to the second electrode end 2-2.
  • the first distance d1 can in this case be the same as the second distance d2 and the first electrode width Bl can be the same size as the second electrode width B2 and / or the third electrode width B3, but the invention is not limited thereto.
  • the second electrode width B2 may be wider than the first electrode width Bl and the third electrode width B3.
  • the swept angles of the circular segment-shaped first electrode end 1-2, the circular segment-shaped second electrode end 2-2 and the circular segment-shaped third electrode end 3-2 are preferably larger than
  • the value 2 * (r + dl + B2 + d2 + B3) of the total diameter of the gas sensor is, for example, in the range of 50 to 200 micrometers, preferably in the range of 100 to 150 micrometers.
  • the third electrode portion 3-1 is left of the first electrode portion 1-1 and the first electrode portion 1-1 to the left of the second electrode portion 2-1, from which it follows that the second electrode end 2-2 is disposed counterclockwise from the second electrode portion 2-1 about the first electrode end 1-2, and the third electrode end 3-2 from the third electrode portion 3-1 is arranged in a clockwise direction about the first electrode end 1-2.
  • the invention is not limited thereto.
  • the third electrode section 3-1 with respect to the axis 9 to the left of the second electrode section 2-1 and the second electrode section 2-1 can be located to the left of the first electrode section 1-1, so that both the second electrode end 2-2 and the third electrode end 3-2 are arranged in a clockwise direction about the first electrode end 1-2.
  • a first coating 4 which is formed on the membrane surface 13.
  • the first coating 4 is circular in this case, with a center in the first electrode end 1-2 and a radius greater than the value r + dl and smaller than the value r + dl + B2, so that the first coating 4, the first electrode end 1-2 covered and the second end of the electrode 2-2 touched but not completely covered.
  • the width B2 of the second electrode 2 is selected to be sufficiently large enough for this purpose.
  • the thickness of the first coating 4 is typically greatest in the center and decreases radially.
  • the gas sensor is designed such that by connecting the first electrode 1 and the second electrode 2 to two inputs of a (not shown)
  • the gas sensor is adapted to detect gases, for example carbon monoxide gas, hydrocarbons or nitrogen oxides, wherein in the presence of gases, a change in resistance is measurable, with a portion of the membrane 8 expediently heated by means of the heating structure 6 to a temperature of for example 300 ° C. can be.
  • gases for example carbon monoxide gas, hydrocarbons or nitrogen oxides
  • the first coating 4 can consist, for example, of a metal oxide paste which is usually made wet-chemically from, for example, tin oxide SnO 2 nanoparticles with a noble metal doping and stabilizing additives from further oxides, for example aluminum oxide Al 2 O 3 .
  • the basic steps in the preparation of the metal oxide paste are a precipitation reaction for the base material and for subsequent impregnations and milling steps, for example in ball mills.
  • the present as a powder materials are then further processed by means of, for example, polar solvents and further grinding steps on roll mills to higher viscosity and dispensable pastes.
  • the present invention is not limited thereto, in particular the first coating 4 may also be based on copper oxide CuO and / or indium oxide and / or nickel oxide and / or cobalt oxide and / or zinc oxide.
  • the gas sensor according to the first embodiment further has a second coating 5 on the first coating 4 and an annular area around the first coating 4 on the membrane surface 13, which is arranged in a circle, with a center in the first electrode end 1-2 and a radius larger as the value r + dl + B2 + d2, so that the second coating 5 contacts the second electrode end 2-2 and the third electrode end 3-2.
  • the thickness of the second coating 5 is typically greatest in the center and decreases radially.
  • the gas sensor according to the first embodiment is configured such that by connecting the second electrode 2 and the third electrode 3 to two inputs of a measuring device (not shown), a resistance between one outer edge of the second electrode end 2-2 and an inner edge of the third Electrodes of the annular portion of the second coating 5 located 3-2 is measurable.
  • the second coating 5 may in this case consist, for example, of a wet-chemically produced metal oxide paste based on the abovementioned materials.
  • the material of the second coating 5 may in this case be different from the material of the first coating 4.
  • the second coating 5 may be formed as a filter and / or as a catalyst for the layer 4 Alternatively, for example, the near-surface part of the second coating 5 can be provided with an impregnation with a filter or catalyst function.
  • Fig. 2a shows a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a gas sensor according to a second embodiment of the invention.
  • the second embodiment is a further development of the first embodiment, so that the previously described elements will not be described again.
  • a fourth electrode 11 having a fourth electrode width B4 is formed on the membrane surface 13.
  • the fourth electrode 11 has a line-shaped fourth electrode portion 11-1, which is located with respect to the axis 9 to the right of the second electrode portion 2-1 and parallel to the second electrode portion 2-1, to which a the third end of the electrode 3-2 arranged circular segment-shaped fourth electrode end 11-2 connects.
  • the fourth electrode end 11-2 has a constant third distance d3 from the third electrode end 3-2.
  • the third distance d1 can be the same as the second distance d2 and / or the third distance d3 and the fourth electrode width B4 can be the same size as the first electrode width Bl, the second electrode width B2 and / or the third electrode width B3, the invention but is not limited to this.
  • the second coating 5 is arranged in a circle, with center in the first electrode end 1-2 and a radius greater than the value r + dl + B2 + d2 and smaller than r + dl + B2 + d2 + B3, so that the second coating 5, the second electrode end 2-2 and the third electrode end 3-2 touched but not completely covered.
  • the gas sensor according to the second embodiment further has, as shown in Fig.
  • the gas sensor according to the second embodiment is configured such that by connecting the third electrode 3 and the fourth electrode 11 to two inputs of a measuring device (not shown), a resistance between one outer edge of the third electrode end 3-2 and an inner edge of the fourth Electrodes of the 11-2 located annular portion of the third coating 17 can be measured.
  • the third coating 17 may in this case for example consist of a wet-chemically produced metal oxide paste based on tin oxide SnO 2 , copper oxide CuO and / or aluminum oxide Al 2 O 3 .
  • the material of the third coating 17 may in this case be different from the material of the first coating 4 and the material of the second coating 5.
  • the third coating 17 may be formed as a filter and / or as a catalyst.
  • the present invention is not limited to two or three coatings, in particular, more than three coatings on the
  • Membrane surface 13 are formed, each coating is contacted by at least two electrodes.
  • the present invention is not limited to circular coatings, but the coatings may be formed in particular square, oval or irregular.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a gas sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • the structure of the gas sensor corresponds to the second embodiment, in particular, the gas sensor has four electrodes, as shown in Fig. 2b, on.
  • the third coating 17 is absent in the third embodiment.
  • the dimensions of the first coating 4 and the second coating 5 are different from the first embodiment and the second embodiment.
  • the first coating 4 is circular in shape, with a center in the first electrode end 1-2 and a radius greater than the value r + dl + B2 and smaller than the value r + dl + B2 + d2, so that the first coating 4 completely covers the first electrode end 1-2 and the second electrode end 2-2.
  • the second one Coating 5 is circular in shape, with a center in the first electrode end 1-2 and a radius greater than the value r + dl + B2 + d2 + B3 + d3, so that the second coating 5 covers the third electrode end 3-2 and the fourth electrode end 4-2. 2 touched.
  • the gas sensor according to the third embodiment is configured such that by connecting the first electrode 1 and the second electrode 2 to two inputs of a first meter (not shown), a first resistance of one between an outer edge of the first electrode end 1-2 and an inner edge of the second electrode end 2-2 located annular part of the first coating 4 is measurable.
  • a second resistance of a between an outer edge of the third electrode end 3-2 and an inner edge of the fourth electrode end 11 -2 located annular part of the second coating 5 measurable.
  • the gas sensor is designed so that the first resistor and the second resistor can be measured simultaneously.
  • FIG. 4 shows another preferred arrangement of the electrodes according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the only difference from the first embodiment of the present invention is the arrangement of the second electrode 202.
  • a second electrode end 202-1 is connected to a second electrode end 202-2, which runs like a wave along a circle segment around the first electrode end 1-2 is arranged.
  • a distance of the second electrode end 202-2 from the first electrode end 1-2 varies periodically between a minimum distance d min and a maximum distance d max by a mean distance having the value dll - Vi B2, where dll is a predetermined value.
  • the third electrode end 3-2 has a constant distance with the value dll + d22 from the first electrode end 1-2, where d22 is a predetermined value.
  • the minimum distance d min is smaller than the maximum distance d max and the maximum distance d max is smaller than the value dll + d22.
  • the first coating 4 is not formed exactly circular, but is formed for example oval or irregular, according to the fourth embodiment, both the first coating 4 of the first electrode 1 and the second electrode 2 contacted and the second coating 5 of the second Electrode 2 and the third electrode 3 contacted.
  • the shape of the second electrode portion 2-2 is not limited to the waveform, in particular, the second electrode portion 2-2 may also be arranged in a zigzag shape or with rectangular bulges along a circle segment around the first electrode end 1-2.
  • Fig. 5 shows another preferred arrangement of the electrodes according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the fifth embodiment differs from the first embodiment only in the arrangement of the first electrode 1, the second electrode 2, and the third electrode 3.
  • a first electrode 101 has a line-shaped first electrode portion 101-1 having a first electrode width Bl and a circular disk-shaped first electrode end 101-2 with a radius r.
  • the second electrode 102 with a second electrode width B2 has a line-shaped second electrode section 102-1 parallel to the first electrode section 101-1, which is adjoined by a circular segment-shaped second electrode end 102-2 arranged around the first electrode end 101-2.
  • the second electrode end 102-2 has a constant first distance d1 from the first electrode end 101-2.
  • a third electrode 3 having a third electrode width B3 has a line-shaped third electrode portion 103-1 parallel to the first electrode portion 101-1, to which adjoins a third electrode end 103-2 disposed around the second electrode end 102-2.
  • the third electrode end 103-2 in this case has a second distance d2 to the second electrode end 102-2.
  • the first electrode 101 has a plurality of first lands 12 - 1 arranged in a radial direction of the circular-disk-shaped first electrode end 101 - 2 at the first electrode end 101 - 2.
  • the second electrode 102 has a plurality of second lands 12-2 disposed in a direction perpendicular to the second electrode end 102-2 at the second electrode end 102-2 toward the first electrode end 101-2.
  • the second electrode 102 has a Plurality of third lands 12-3 disposed in a direction perpendicular to the second electrode end 102-2 at the second electrode end 102-2 toward the third electrode end 103-2.
  • the third electrode has a plurality of fourth lands 12-4 extending in a direction perpendicular to the third electrode end 103-2 at the third electrode end 103-2 in FIG.
  • the first lands 12-1 and the second lands 12-2 have an extent smaller than a value Vi dl
  • the third lands 12-3 and the fourth lands 12-4 have an extent smaller than a value Vi d2.
  • the first to fourth webs 12-1 to 12-4 may in this case have a rectangular, a triangular or an irregular base surface. The invention is not limited to the present form, in particular the first webs 12-1 and the fourth webs 12-4 may be missing.
  • FIG. 6 is a flowchart for explaining a manufacturing method of a gas sensor.
  • a first membrane layer 8-1 on a substrate front side 16 of a substrate 7, for example of a semiconductor substrate, preferably a silicon substrate, a first membrane layer 8-1, consisting of an electrically nonconducting one
  • a heating structure 6 is formed, which consists of an electrically conductive material.
  • a second membrane layer 8-2 is formed on the heating structure 6 and the first membrane layer 8-1.
  • the first membrane layer 8-1, the second membrane layer 8-2 and the heating structure 6 form a membrane 8 with a membrane surface 13.
  • a first electrode 1 with a first electrode section 1-1 and a first electrode end 1-2, a second electrode 2 with a second electrode section 2-1 are formed on the membrane surface 13 and a second electrode end 2-2, and a third electrode 3 having a third electrode portion 3-1 and a third electrode end 3-2.
  • the arrangement of the electrodes in this case corresponds to the arrangement shown in Fig. Lb and is therefore not repeated here.
  • Membrane surface 13 is circular, with a center in the first electrode end 1-2 and a radius greater than the value r + dl and smaller than r + dl + B2, so that the first coating 4, the first electrode end 1-2 covers and the second electrode end 2-2 touched but not completely covered.
  • the formation of the first coating 4 can in this case be effected, for example, by a dripping method or a dispensing method.
  • the first coating 4 may in this case be made, for example, from a wet-chemically produced metal oxide paste which is usually wet-chemically composed of, for example, tin oxide SnO 2 nanoparticles with a noble metal doping and stabilizing additives of further oxides, for example aluminum oxide Al 2 O 3 .
  • the present invention is not limited thereto, in particular the first coating 4 may also be based on copper oxide CuO and / or indium oxide and / or nickel oxide and / or cobalt oxide and / or zinc oxide.
  • the first coating 4 After the application of the first coating 4, a first drying step and / or a burnout step can already take place. After the burnout step, the first coating 4 becomes solid and gas sensitive and has high porosity.
  • a second coating 5 is formed on the first coating 4 and an annular area around the first coating 4 on the membrane surface 13 circular, with a center in the first electrode end 1-2 and a radius greater than the value r + dl + B2 + d2, so that the second coating 5 contacts the second electrode end 2-2 and the third electrode end 3-2.
  • the formation of the second coating 5 can be effected, for example, by a dropping method or a dispensing method.
  • either a further or a common drying step and / or a burnout step for the coating 4 and 5 can take place. After the burnout step, both coatings 4 and 5 become solid and gas-sensitive and have a high porosity.
  • a recess 14 is formed on a substrate rear side 15 of the substrate 7, whereby a part of the membrane 8, on which the first coating 4 and the second coating 5 are formed, is released.
  • the recess 14 may in this case be formed, for example, by an etching process, by milling or by means of a laser.
  • an additional coating with a hydrophobic material is formed before the application of the first coating in a region located outside the second electrode end 2-2.
  • the material of the first coating 4 preferably has a solvent, such as a polar
  • the first coating 4 will preferably not deposit on the additional coating but in a region located within the second electrode end 2-2.
  • the additional coating as well as the solvent contained in the material of the first coating 4 will volatilize in a further annealing step using the heating device 6.
  • a surface structuring for example by means of an etching or deposition process, is formed in a region located between the first electrode end 1-2 and the second electrode end 2-2.
  • the first coating 4 will preferably deposit on the surface structuring.
  • the surface structuring may also refer to the first electrode end 1-2 and the second electrode end 2-2 itself.
  • a further surface structuring is formed after the application of the first coating 4 and before the application of the second coating 5 in a region located between the second electrode end 2-2 and the third electrode end 3-2.
  • the arrangement of the first electrode 1, the second electrode 2 and the third electrode 3 may correspond to one of the arrangements shown in FIG. 2b, FIG. 4 or FIG.
  • each further coating is contacted by at least two electrodes.

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Abstract

Gassensor, mit einem Substrat (7); einer beheizbaren Membran (8), ausgebildet auf einer Substratvorderseite (16) des Substrats (7); mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103), angeordnet auf einer Membranoberfläche (13) der Membran (8); einer ersten Beschichtung (4), ausgebildet auf einem Gebiet der Membranoberfläche (13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die erste Beschichtung (4) kontaktieren; einer zweiten Beschichtung (5), ausgebildet auf der ersten Beschichtung (4) und einem Gebiet der Membranoberfläche (13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die zweite Beschichtung (5) kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung (5) kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung (4) kontaktieren, verschieden ist.

Description

Titel:
Herstellungsverfahren für einen Gassensor und entsprechender Gassensor Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Gassensor und einen entsprechenden Gassensor.
Stand der Technik
Gassensoren spielen eine bedeutende Rolle in der Sicherheitstechnik, beispielsweise zur Erkennung von Kohlenstoffmonoxidgas, Kohlenwasserstoffen oder Stickstoffoxiden, bei der Messung der Emission von Kraftfahrzeugen oder bei der Überwachung der Luftgüte von Gebäuden.
Aus der EP 1192452 Bl ist ein chemischer Sensor bekannt, der aus einem Substrat besteht, auf dem ein Heizkörper aufgebracht ist, auf welchem wiederum eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist. Auf der Isolationsschicht befinden sich ein Sensorelement aus Metalloxid, an welches über Leiterbahnen ein elektrisches Signal gesendet werden kann, sowie eine Metalloxidschicht.
Derart aus tropf- oder dispensfähigen Materialien oder aus Materialien für Dickschichtprozesse hergestellte Gassensoren haben den Vorteil einer hohen Reproduzierbarkeit gegenüber den Materialien aus vielen Dünnschichtprozessen oder aus Nanopartikel-Tinten hergestellten Sensoren. Um mehrere
kontaktierbare Metalloxidschichten aus Tropf- oder Dickschichtprozessen zu erhalten, müssen diese jedoch nebeneinander angebracht werden, wodurch die Miniaturisierung der Gassensoren nicht möglich ist oder eingeschränkt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Demgemäß ist ein Gassensor vorgesehen, mit: einem Substrat; einer beheizbaren Membran, ausgebildet auf einer Substratvorderseite des Substrats; mindestens drei Elektroden, angeordnet auf einer Membranoberfläche der Membran; einer ersten Beschichtung, ausgebildet auf einem Gebiet der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die erste Beschichtung kontaktieren; einer zweiten Beschichtung, ausgebildet zumindest teilweise auf der ersten Beschichtung und einem Gebiet der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die zweite Beschichtung kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung kontaktieren, verschieden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Herstellungsverfahren für einen Gassensor vorgesehen, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats; Ausbilden einer heizbaren Membran auf einer Substratvorderseite des Substrats; Ausbilden von mindestens drei Elektroden auf einer Membranoberfläche der Membran; Ausbilden einer ersten Beschichtung auf der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die erste Beschichtung kontaktieren; Ausbilden einer zweite Beschichtung zumindest teilweise auf der ersten Beschichtung und einem Gebiet der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die zweite Beschichtung kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung kontaktieren, verschieden ist; und Ausbilden einer Ausnehmung an einer Substratrückseite, wodurch ein Teil der Membran, auf welchem die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung ausgebildet sind, freigestellt wird.
Vorteile der Erfindung Die vorliegende Erfindung stellt einen Gassensor bereit, welcher zwei übereinander liegende Beschichtungen aufweist. Sowohl die erste Beschichtung als auch die zweite Beschichtung werden hierbei von Elektroden kontaktiert, so dass beide Beschichtungen jeweils für sich als Sensorschichten fungieren können. Es ist daher ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen Gassensor mit mehreren Schichten bereitzustellen, wobei die Schichten individuell ansteuerbar sind, wodurch die Größe des Sensors kleingehalten wird. Grundsätzlich kann die Anordnung für Materialien aus allen Abscheideprozessen verwendet werden, gegebenenfalls auch für eine Kombination aus Dünn- und Dickschichtprozessen.
Dadurch, dass die zweite Beschichtung über der ersten Beschichtung liegt, ist der Platzverbrauch geringer als bei nebeneinander angeordneten Sensorschichten. Zur Herstellung des Gassensors kann dadurch auf kostengünstige Dickschicht- und Mehrschichtverfahren, z.B. Tropf- und Dispensverfahren, zurückgegriffen werden. Gleichzeitig weist die vorliegende Erfindung den Vorteil einer Mi- niaturisierungsmöglichkeit auf, so dass mehrere elektrisch aktive Schichten auf kleinem Raum angeordnet werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist mindestens eine der ersten Beschichtung und der zweiten Beschichtung eine Metalloxidbeschichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist mindestens eine weitere Beschichtung auf der zweiten Beschichtung und einem Gebiet der Membranoberfläche ausgebildet, wobei jede der mindestens einen weiteren Beschichtung von mindestens zwei der mindestens drei Elektroden kontaktiert wird, wobei jeweils mindestens eine dieser mindestens zwei Elektroden keine weitere Beschichtung kontaktiert. Dies hat den Vorteil, dass mehrere Be- schichtungen übereinander angeordnet werden können, wodurch der Platzverbrauch des Gassensors klein gehalten werden kann und trotzdem sämtliche Be- schichtungen individuell elektrisch messbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist die zweite Beschichtung als Filter oder als Katalysator verwendbar. Der Filter oder Katalysator dient für die darunterliegende erste Beschichtung. Zusätzlich können eine oder mehrere Abdeckschichten aufgebracht werden, was auch als Imprägnierung erfolgen kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors sind die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung kreisförmig ausgebildet, wobei die zweite Beschichtung die erste Beschichtung vollständig überdeckt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist ein erstes Elektrodenende einer ersten Elektrode der mindestens drei Elektroden kreisscheibenförmig ausgebildet und die Elektrodenenden der von der ersten Elektrode verschiedenen Elektroden der mindestens drei Elektroden sind kreis- segmentförmig um das erste Elektrodenende der ersten Elektrode angeordnet, wobei die kreissegmentförmigen Elektrodenenden der von der ersten Elektrode verschiedenen Elektroden konstante Abstände von dem ersten Ende der ersten Elektrode haben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist ein erstes Ende einer ersten Elektrode der mindestens drei Elektroden kreisscheibenförmig ausgebildet und die Enden der von der ersten Elektrode verschiedenen Elektroden der mindestens drei Elektroden sind kreissegmentförmig um das erste Ende der ersten Elektrode angeordnet, wobei die kreissegmentförmigen Enden der von der ersten Elektrode verschiedenen Elektroden konstante Abstände von dem ersten Ende der ersten Elektrode haben. Dies hat den Vorteil, dass alle Elektroden einen möglichst gleichmäßigen Abstand voneinander haben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist mindestens eine der ersten Beschichtung und der zweiten Beschichtung eine Metalloxidbeschichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird vor dem Ausbilden der ersten Beschichtung ein Bereich der Membranoberfläche gezielt vorbehandelt. So kann z.B. der Bereich außerhalb eines zwischen einer ersten Elektrode der mindestens drei Elektroden und einer zweiten Elektrode der mindestens drei Elektroden befindlichen Bereichs mit einem hydrophoben Material, etwa einer Silanisierung, beschichtet werden. Dies hat den Vorteil, dass sich beim Ausbilden der ersten Beschichtung die erste Beschichtung nur auf dem Gebiet verteilt, welches nicht mit dem hydrophoben Ma- terial beschichtet wurde. Dadurch ist eine gezieltere Aufbringung der ersten Be- schichtung möglich. Insbesondere sind auch beliebige Formen der ersten Be- schichtung möglich. Es können umgekehrt auch Bereiche beschichtungsaffin vorbehandelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird vor dem Ausbilden der ersten Beschichtung ein Bereich der Membranoberfläche zwischen einer ersten Elektrode der mindestens drei Elektroden und einer zweiten Elektrode der mindestens drei Elektroden mit einer Oberflächenstruktur versehen. Dies hat den Vorteil, dass sich beim Ausbilden der ersten Beschichtung nur auf dem Bereich der Membranoberfläche verteilt, welche mit einer Oberflächenstruktur verstehen wurde. Zusätzlich kann sich die Hafteigenschaft der ersten Beschichtung verbessern. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. la eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus ei- nes Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. lb eine schematische Draufsicht auf Elektroden eines Gassensors gemäß der ersten Ausführungsformen der Erfindung; Fig. 2a eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2b eine schematische Draufsicht auf Elektroden eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
FIG. 4, 5 schematische Draufsichten auf Elektroden eines Gassensors gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung; und FIG. 6 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für einen Gassensor. In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrens- schritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. la zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung weist ein Substrat 7, beispielsweise ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, auf. Auf einer Substratvorderseite 16 des Substrats 7 befindet sich eine erste
Membranschicht 8-1, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Dielektrikum. Auf der ersten Membranschicht 8-1 ist eine Heizstruktur 6 ausgebildet, welche aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Auf der Heizstruktur 6 und der ersten Membranschicht 8-1 ist eine zweite Membranschicht 8-2, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Dielektrikum, ausgebildet. Die erste
Membranschicht 8-1, die zweite Membranschicht 8-2 und die Heizstruktur 6 bilden eine Membran 8 mit einer Membranoberfläche 13. Das Substrat 7 weist auf der Substratrückseite 15 eine Ausnehmung 14 auf, wodurch ein Teil der Membran 8 von der Rückseite her von einem Material des Substrats freigestellt ist. Die Heizstruktur 6 ist mit einer (nicht gezeigten) Stromquelle verbunden, und ist zum Heizen eines Teils der Membran 8 auf Temperaturen von beispielsweise 300°C ausgebildet.
Auf einem Teil der Membranoberfläche 13, an welchem die Membran 8 freigestellt ist, sind eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2 und eine dritte Elektrode 3 ausgebildet. Die Anordnung der Elektroden wird mit Bezug auf Fig. lb im Folgenden näher erläutert. Fig. lb zeigt eine schematische Draufsicht auf die Membranoberfläche 13, wobei Fig. la einer Querschnittsansicht entlang der in Fig. lb gezeigten Achse 9 entspricht. Die erste Elektrode 1 weist einen linien- förmigen ersten Elektrodenabschnitt 1-1 mit einer ersten Elektrodenbreite Bl und ein kreisscheibenförmiges erstes Elektrodenende 1-2 mit einem Radius r auf. Die zweite Elektrode 2 mit einer zweiten Elektrodenbreite B2 weist einen linienförmi- gen zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 parallel zum ersten Elektrodenabschnitt 1-1 auf, an welchen sich ein um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnetes kreis- segmentförmiges zweites Elektrodenende 2-2 anschließt. Das zweite Elektrodenende 2-2 weist hierbei einen konstanten ersten Abstand dl vom ersten Elekt- rodenende 1-2 auf. Eine dritte Elektrode 3 mit einer dritten Elektrodenbreite B3 weist einen linienförmigen dritten Elektrodenabschnitt 3-1 parallel zum ersten Elektrodenabschnitt 1-1 auf, an welchen sich ein um das zweite Elektrodenende 2-2 angeordnetes kreissegmentförmiges drittes Elektrodenende 3-2 anschließt. Das dritte Elektrodenende 3-2 weist hierbei einen zweiten Abstand d2 zum zwei- ten Elektrodenende 2-2 auf.
Der erste Abstand dl kann hierbei gleich groß sein wie der zweite Abstand d2 sein und die erste Elektrodenbreite Bl kann gleich groß sein wie die zweite Elektrodenbreite B2 und/oder die dritte Elektrodenbreite B3, die Erfindung ist je- doch nicht hierauf beschränkt. Insbesondere kann die zweite Elektrodenbreite B2 breiter sein als die erste Elektrodenbreite Bl und die dritte Elektrodenbreite B3.
Die überstrichenen Winkel des kreissegmentförmigen ersten Elektrodenendes 1- 2, des kreissegmentförmigen zweiten Elektrodenendes 2-2 und des kreisseg- mentförmigen dritten Elektrodenendes 3-2 sind dabei vorzugsweise größer als
180°, jedoch so gewählt, dass sich die erste Elektrode 1, die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 3 nicht kontaktieren, sondern durch ein Material der Membran 8 elektrisch voneinander isoliert sind. Der Wert 2*( r + dl + B2 + d2 + B3) des Gesamtdurchmessers des Gassensors liegt beispielsweise im Bereich von 50 bis 200 Mikrometern, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 150 Mikrometern.
Wie in Fig. lb gezeigt, ist mit Bezug zur Achse 9 der dritte Elektrodenabschnitt 3- 1 links dem ersten Elektrodenabschnitt 1-1 und der erste Elektrodenabschnitt 1-1 links neben dem zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 angeordnet, woraus folgt, dass das zweite Elektrodenende 2-2 vom zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 aus gegen den Urzeigersinn um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet ist, und das dritte Elektrodenende 3-2 vom dritten Elektrodenabschnitt 3-1 aus im Urzeigersinn um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Insbesondere kann sich auch der dritte Elektrodenabschnitt 3-1 mit Bezug zur Achse 9 links neben dem zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 und der zweite Elektrodenabschnitt 2-1 links neben dem ersten Elektrodenabschnitt 1-1 befinden, sodass sowohl das zweite Elektrodenende 2-2 als auch das dritte Elektrodenende 3-2 im Uhrzeigersinn um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet sind.
Darüber hinaus weist der in Fig. la gezeigte Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine erste Beschichtung 4 auf, welche auf der Membranoberfläche 13 ausgebildet ist. Die erste Beschichtung 4 ist hierbei kreisförmig ausgebildet, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + dl und kleiner als der Wert r + dl + B2, so dass die erste Beschichtung 4 das erste Elektrodenende 1-2 überdeckt und das zweite Elektrodenende 2-2 berührt aber nicht vollständig überdeckt. Vorzugswei- se wird die Breite B2 der zweiten Elektrode 2 dafür ausreichend groß genug gewählt. Die Dicke der ersten Beschichtung 4 ist typischerweise im Zentrum am größten und nimmt radial ab.
Der Gassensor ist dazu ausgebildet, dass durch Anschließen der ersten Elektro- de 1 und der zweiten Elektrode 2 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten)
Messgeräts ein Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des ersten Elektrodenendes 1-2 und einem inneren Rand des zweiten Elektrodenendes 2-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der ersten Beschichtung 4 messbar ist. Der Widerstand des über dem ersten Elektrodenende 1-2 befindlichen Teils der ers- ten Beschichtung 4, welcher typischerweise die höchste Dicke aufweist, ist hierbei nicht messbar. Der Gassensor ist dazu ausgebildet, Gase, beispielsweise Kohlenstoff monoxidgas, Kohlenwasserstoffe oder Stickstoffoxide zu detektieren, wobei in Anwesenheit von Gasen eine Widerstandsänderung messbar ist, wobei ein Teil der Membran 8 dazu zweckmäßigerweise mit Hilfe der Heizstruktur 6 auf eine Temperatur von beispielsweise 300 °C aufgeheizt werden kann. Die erste Beschichtung 4 kann hierbei beispielsweise aus einer Metalloxidpaste bestehen, welche meist nasschemisch etwa aus Zinnoxid Sn02 Nanopartikeln mit einer Edelmetalldotierung und stabilisierenden Zusätzen aus weiteren Oxi- den, z.B. Aluminiumoxid Al203, hergestellt wird. Die Grundschritte der Herstellung der Metalloxidpaste sind hierbei eine Fällungsreaktion für das Grundmaterial und für nachfolgende Imprägnierungen sowie Mahlschritte, z.B. in Kugelmühlen. Die als Pulver vorliegenden Materialien werden anschließend mit Hilfe von beispielsweise polaren Lösungsmitteln und weiteren Mahlschritten auf Walzenmühlen zu höherviskosen und dispensbaren Pasten weiterverarbeitet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, insbesondere kann die erste Beschichtung 4 auch auf Kupferoxid CuO und/oder Indiumoxid und/oder Nickeloxid und/oder Kobaltoxid und/oder Zinkoxid basieren. Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform weist darüber hinaus eine zweite Beschichtung 5 auf der ersten Beschichtung 4 und einem kreisringförmigen Gebiet um die erste Beschichtung 4 auf der Membranoberfläche 13 auf, welche kreisförmig angeordnet ist, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + dl + B2 + d2, so dass die zweite Beschich- tung 5 das zweite Elektrodenende 2-2 und das dritte Elektrodenende 3-2 berührt.
Die Dicke der zweiten Beschichtung 5 ist typischerweise im Zentrum am größten und nimmt radial ab.
Der Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform ist dazu ausgebildet, dass durch Anschließen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten) Messgeräts ein Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des zweiten Elektrodenendes 2-2 und einem inneren Rand des dritten Elektrodenendes 3-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der zweiten Beschichtung 5 messbar ist.
Die zweite Beschichtung 5 kann hierbei beispielsweise aus einer nasschemisch hergestellten Metalloxidpaste basierend auf den oben genannten Materialien bestehen. Das Material der zweiten Beschichtung 5 kann hierbei von dem Material der ersten Beschichtung 4 verschieden sein. Insbesondere kann die zweite Beschichtung 5 als Filter und/oder als Katalysator für die Schicht 4 ausgebildet sein Alternativ kann beispielsweise der oberflächennahe Teil der zweiten Beschich- tung 5 durch eine Imprägnierung mit einer Filter- oder Katalysatorfunktion versehen werden.
Fig. 2a zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist hierbei eine Weiterentwicklung der ersten Ausführungsform, so dass die vorher beschriebenen Elemente nicht erneut beschrieben werden. Zusätzlich ist eine vierte Elektrode 11 mit einer vierten Elektrodenbreite B4 auf der Membranoberfläche 13 ausgebildet. Wie in Fig. 2b gezeigt, weist die vierte Elektrode 11 einen linienförmigen vierten Elektrodenabschnitt 11-1 auf, welcher sich mit Bezug zur Achse 9 rechts vom zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 und parallel zum zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 befindet, an welchen sich ein um das dritte Elektrodenende 3-2 angeordnetes kreissegmentförmiges viertes Elektrodenende 11-2 anschließt. Das vierte Elektrodenende 11-2 weist hierbei einen konstanten dritten Abstand d3 vom dritten Elektrodenende 3-2 auf. Der dritte Abstand dl kann hierbei gleich groß wie der zweite Abstand d2 und/oder der dritte Abstand d3 sein und die vierte Elektrodenbreite B4 kann gleich groß sein wie die erste Elektrodenbreite Bl, die zweite Elektrodenbreite B2 und/oder die dritte Elektrodenbreite B3, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die zweite Beschichtung 5 kreisförmig angeordnet, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + dl + B2 + d2 und kleiner als r + dl + B2 + d2 + B3, so dass die zweite Beschichtung 5 das zweite Elektrodenende 2-2 und das dritte Elektrodenende 3-2 berührt aber nicht vollständig überdeckt. Der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform weist darüber hinaus, wie in Fig. 2a gezeigt, eine dritte Beschichtung 17 auf der zweiten Beschichtung 5 und einem kreisringförmigen Gebiet um die zweite Beschichtung 5 auf der Membranoberfläche 13 auf, welche kreisförmig angeordnet ist, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + dl + B2 + d2 + B3 + d3, so dass die dritte Beschichtung 17 das dritte Elektrodenende 3-2 und das vierte Elektrodenende 11-2 berührt. Der Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform ist dazu ausgebildet, dass durch Anschließen der dritten Elektrode 3 und der vierten Elektrode 11 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten) Messgeräts ein Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des dritten Elektrodenendes 3-2 und einem inneren Rand des vierten Elektrodenendes 11-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der dritten Beschichtung 17 messbar ist.
Die dritte Beschichtung 17 kann hierbei beispielsweise aus einer nasschemisch hergestellten Metalloxidpaste basierend auf Zinnoxid Sn02, Kupferoxid CuO und/oder Aluminiumoxid Al203 bestehen. Das Material der dritten Beschichtung 17 kann hierbei von dem Material der ersten Beschichtung 4 und dem Material der zweiten Beschichtung 5 verschieden sein. Insbesondere kann die dritte Beschichtung 17 als Filter und/oder als Katalysator ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf zwei oder drei Beschichtungen beschränkt, insbesondere können mehr als drei Beschichtungen auf der
Membranoberfläche 13 ausgebildet werden, wobei jede Beschichtung von mindestens zwei Elektroden kontaktiert wird.
Desweitern ist die vorliegende Erfindung nicht auf kreisförmige Beschichtungen beschränkt, sondern die Beschichtungen können insbesondere auch quadratisch, oval oder unregelmäßig ausgebildet sein.
Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau des Gassensors entspricht der zweiten Ausführungsform, insbesondere weist der Gassensor vier Elektroden, wie in Fig. 2b gezeigt, auf. Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform fehlt die dritte Beschichtung 17 in der dritten Ausführungsform. Des Weiteren unterscheiden sich die Ausmaße der ersten Beschichtung 4 und der zweiten Beschichtung 5 von der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform. Gemäß der dritten Ausführungsform ist die erste Beschichtung 4 kreisförmig ausgebildet, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + dl + B2 und kleiner als der Wert r + dl + B2 + d2, so dass die erste Beschichtung 4 das erste Elektrodenende 1-2 und das zweite Elektrodenende 2-2 vollständig überdeckt. Des Weiteren ist die zweite Beschichtung 5 kreisförmig ausgebildet, mit Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + dl + B2 + d2 + B3 + d3, sodass die zweite Beschichtung 5 das dritte Elektrodenende 3-2 überdeckt und das vierte Elektrodenende 4-2 berührt.
Der Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform ist dazu ausgebildet, dass durch Anschließen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten) ersten Messgeräts ein erster Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des ersten Elektrodenendes 1-2 und einem inneren Rand des zweiten Elektrodenendes 2-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der ersten Beschichtung 4 messbar ist. Zusätzlich ist durch Anschließen der dritten Elektrode 3 und der vierten Elektrode 11 an zwei Eingänge eines (nicht gezeigten) möglicherweise vom ersten Messgerät verschiedenen zweiten Messgeräts ein zweiter Widerstand eines zwischen einem äußeren Rand des dritten Elektrodenendes 3-2 und einem inneren Rand des vierten Elektrodenendes 11-2 befindlichen kreisringförmigen Teils der zweiten Beschichtung 5 messbar. Erfindungsgemäß ist der Gassensor so ausgebildet, dass der erste Widerstand und der zweite Widerstand gleichzeitig gemessen werden können.
Fig. 4 zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung der Elektroden gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der einzige Unterschied zur ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in der Anordnung der zweiten Elektrode 202. An einen linienförmigen zweiten Elektrodenabschnitt 202-1 schließt sich ein zweite Elektrodenende 202-2 an, welches wellenlinien- förmig entlang eines Kreissegments um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet ist. Hierbei variiert ein Abstand des zweiten Elektrodenendes 202-2 vom ersten Elektrodenende 1-2 periodisch zwischen einem minimalen Abstand dmin und einem maximalen Abstand dmax um einen mittleren Abstand mit dem Wert dll - Vi B2, wobei dll ein vorgegebener Wert ist. Das dritte Elektrodenende 3-2 weist hierbei einen konstanten Abstand mit dem Wert dll + d22 vom ersten Elektrodenende 1-2 auf, wobei d22 ein vorgegebener Wert ist. Hierbei ist der minimale Abstand dmin kleiner als der maximale Abstand dmax und der maximale Abstand dmax ist kleiner als der Wert dll + d22. Auch wenn die erste Beschichtung 4 nicht exakt kreisförmig ausgebildet ist, sondern beispielsweise oval oder unregelmäßig ausgebildet ist, wird gemäß der vierten Ausführungsform sowohl die erste Beschichtung 4 von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 kontaktiert als auch die zweite Beschichtung 5 von der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3 kontaktiert.
Die Form des zweiten Elektrodenabschnitts 2-2 ist nicht auf die Wellenform beschränkt, insbesondere kann der zweite Elektrodenabschnitt 2-2 auch zickzack- förmig oder mit rechteckigen Ausbuchtungen entlang eines Kreissegments um das erste Elektrodenende 1-2 angeordnet sein.
Fig. 5 zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung der Elektroden gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nur in der Anordnung der ersten Elektrode 1, der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3. Gemäß der fünften Ausführungsform weist eine erste Elektrode 101 einen linienförmigen ersten Elektrodenabschnitt 101-1 mit einer ersten Elektrodenbreite Bl und ein kreisscheibenförmiges erstes Elektrodenende 101-2 mit einem Radius r auf. Die zweite Elektrode 102 mit einer zweiten Elektrodenbreite B2 weist einen linienförmigen zweiten Elektrodenabschnitt 102-1 parallel zum ersten Elektrodenabschnitt 101-1 auf, an welchen sich ein um das erste Elektrodenende 101-2 angeordnetes kreissegmentförmiges zweites Elektrodenende 102-2 anschließt. Das zweite Elektrodenende 102-2 weist hierbei einen konstanten ersten Abstand dl vom ersten Elektrodenende 101-2 auf. Eine dritte Elektrode 3 mit einer dritten Elektrodenbreite B3 weist einen linienförmigen dritten Elektrodenabschnitt 103-1 parallel zum ersten Elektrodenabschnitt 101-1 auf, an welchen sich ein um das zweite Elektrodenende 102-2 angeordnetes drittes Elektrodenende 103-2 anschließt. Das dritte Elektrodenende 103-2 weist hierbei einen zweiten Abstand d2 zum zweiten Elektrodenende 102-2 auf. Zusätzlich weist die erste Elektrode 101 eine Vielzahl von ersten Stegenl2-1 auf, welche in einer radialen Richtung des kreisscheibenförmigen ersten Elektrodenendes 101-2 an dem ersten Elektrodenende 101-2 angeordnet sind. Die zweite Elektrode 102 weist eine Vielzahl von zweiten Stegen 12-2 auf, welche in einer Richtung senkrecht zum zweiten Elektrodenende 102-2 an dem zweiten Elektrodenende 102-2 in Richtung des ersten Elektrodenendes 101-2 angeordnet sind. Die zweite Elektrode 102 weist eine Vielzahl von dritten Stegen 12-3 auf, welche in einer Richtung senkrecht zum zweiten Elektrodenende 102-2 an dem zweiten Elektrodenende 102-2 in Richtung des dritten Elektrodenendes 103-2 angeordnet sind. Die dritte Elektrode weist eine Vielzahl von vierten Stegen 12-4 auf, welche in einer Richtung senk- recht zum dritten Elektrodenende 103-2 an dem dritten Elektrodenende 103-2 in
Richtung des zweiten Elektrodenendes 102-2 angeordnet sind. Die ersten Stege 12-1 und die zweiten Stege 12-2 haben eine Ausdehnung kleiner als ein Wert Vi dl und die dritten Stegenl2-3 und die vierten Stege 12-4 haben eine Ausdehnung kleiner als ein Wert Vi d2. Die ersten bis vierten Stege 12-1 bis 12-4 können hierbei eine rechteckige, eine dreieckige oder eine unregelmäßige Grundfläche aufweisen. Die Erfindung ist nicht auf die vorliegende Form beschränkt, insbesondere können die ersten Stege 12-1 und die vierten Stege 12-4 fehlen.
Auch wenn die erste Beschichtung 4 nicht exakt kreisförmig ausgebildet ist, son- dem beispielsweise oval oder unregelmäßig angeordnet ist, wird gemäß der fünften Ausführungsform sowohl die erste Beschichtung 4 von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 kontaktiert als auch die zweite Beschichtung 5 von der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3 kontaktiert.
Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einen Gassensor.
In einem ersten Schritt Sl wird auf einer Substratvorderseite 16 eines Substrats 7, beispielsweise eines Halbleitersubstrats, vorzugsweise eine Siliziumsubstrats, eine erste Membranschicht 8-1, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden
Dielektrikum, ausgebildet. Auf der ersten Membranschicht 8-1 wird eine Heizstruktur 6 ausgebildet, welche aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Auf der Heizstruktur 6 und der ersten Membranschicht 8-1 wird eine zweite Membranschicht 8-2, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Dielektri- kum, ausgebildet. Die erste Membranschicht 8-1, die zweite Membranschicht 8-2 und die Heizstruktur 6 bilden eine Membran 8 mit einer Membranoberfläche 13.
In einem zweiten Schritt S2 werden auf der Membranoberfläche 13 eine erste Elektrode 1 mit einem ersten Elektrodenabschnitt 1-1 und einem ersten Elektrodenende 1-2, eine zweite Elektrode 2 mit einem zweiten Elektrodenabschnitt 2-1 und einem zweiten Elektrodenende 2-2, sowie eine dritte Elektrode 3 mit einem dritten Elektrodenabschnitt 3-1 und einem dritten Elektrodenende 3-2 ausgebildet. Die Anordnung der Elektroden entspricht hierbei der in Fig. lb gezeigten Anordnung und wird daher hier nicht wiederholt.
In einem dritten Schritt S3 wird eine erste Beschichtung 4 auf der
Membranoberfläche 13 kreisförmig ausgebildet, mit einem Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + dl und kleiner als r + dl + B2, so dass die erste Beschichtung 4 das erste Elektrodenende 1-2 überdeckt und das zweite Elektrodenende 2-2 berührt aber nicht vollständig überdeckt. Die Ausbildung der ersten Beschichtung 4 kann hierbei beispielsweise durch ein Tropfverfahren oder ein Dispensverfahren erfolgen.
Die erste Beschichtung 4 kann hierbei beispielsweise aus einer nasschemisch hergestellten Metalloxidpaste, welche meist nasschemisch etwa aus Zinnoxid Sn02 Nanopartikeln mit einer Edelmetalldotierung und stabilisierenden Zusätzen aus weiteren Oxiden, z.B. Aluminiumoxid Al203, hergestellt wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, insbesondere kann die erste Beschichtung 4 auch auf Kupferoxid CuO und/oder Indiumoxid und/oder Nickeloxid und/oder Kobaltoxid und/oder Zinkoxid basieren.
Nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 4 können bereits ein erster Trocknungsschritt und/oder ein Ausbrennschritt erfolgen. Nach dem Ausbrennschritt wird die ersten Beschichtung 4 fest und gassensitiv und weist hohe Porosität auf.
In einem vierten Schritt S4 wird eine zweite Beschichtung 5 auf der ersten Beschichtung 4 und einem kreisringförmigen Gebiet um die erste Beschichtung 4 auf der Membranoberfläche 13 kreisförmig ausgebildet, mit einem Mittelpunkt im ersten Elektrodenende 1-2 und einem Radius größer als der Wert r + dl + B2 + d2, so dass die zweite Beschichtung 5 das zweite Elektrodenende 2-2 und das dritte Elektrodenende 3-2 berührt. Die Ausbildung der zweiten Beschichtung 5 kann hierbei beispielsweise durch ein Tropfverfahren oder ein Dispensverfahren erfolgen. Nach dem Aufbringen der zweiten Beschichtung 5 kann entweder ein weiterer oder ein gemeinsamer Trocknungsschritt und/oder ein Ausbrennschritt für die Beschichtung 4 und 5 erfolgen. Nach dem Ausbrennschritt werden dann beide Beschichtungen 4 und 5 fest und gassensitiv und weisen eine hohe Porosität auf.
In einem fünften Schritt S5 wird auf einer Substratrückseite 15 des Substrats 7 eine Ausnehmung 14 gebildet, wodurch ein Teil der Membran 8, auf welchem die erste Beschichtung 4 und die zweite Beschichtung 5 ausgebildet sind, freigestellt wird. Die Ausnehmung 14 kann hierbei beispielsweise durch einen Ätzprozess, durch Fräsen oder mit Hilfe eines Lasers gebildet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Aufbringen der ersten Beschichtung in einem außerhalb des zweiten Elektrodenendes 2-2 befindlichen Bereich eine zusätzliche Beschichtung mit einem hydrophoben Material, beispielsweise eine Silanisierung, ausgebildet. Das Material der ersten Beschichtung 4 weist vorzugsweise ein Lösungsmittel, etwa einen polarer
Polyalkohol auf. Beim Ausbilden der ersten Beschichtung 4 wird sich die erste Beschichtung 4 vorzugsweise nicht auf der zusätzlichen Beschichtung sondern in einem innerhalb des zweiten Elektrodenendes 2-2 befindlichen Bereich ablagern. Die zusätzliche Beschichtung sowie das im Material der ersten Beschichtung 4 enthaltene Lösungsmittel werden sich in einem weiteren Ausheizschritt unter Verwendung der Heizvorrichtung 6 verflüchtigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Aufbringen der ersten Beschichtung in einem zwischen dem ersten Elektrodenende 1-2 und dem zweiten Elektrodenende 2-2 befindlichen Bereich eine Oberflächenstruktu- rierung, beispielsweise durch einen Ätz- oder Abscheideprozess, ausgebildet. Beim Ausbilden der ersten Beschichtung 4 wird sich die erste Beschichtung 4 vorzugsweise auf der Oberflächenstrukturierung ablagern. Die Oberflächenstruk- turierung kann sich auch auf das erste Elektrodenende 1-2 und das zweite Elektrodenende 2-2 selbst beziehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 4 und vor dem Aufbringen der zweiten Beschichtung 5 in einem außerhalb des dritten Elektrodenendes 3-2 befindlichen Bereich eine weitere zusätzliche Beschichtung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 4 und vor dem Aufbringen der zweiten Beschichtung 5 in einem zwischen dem zweiten Elektrodenende 2-2 und dem dritten Elektrodenende 3-2 befindlichen Bereich eine weitere Oberflächenstrukturierung ausgebildet.
Die Erfindung ist nicht auf die spezifischen Formen beschränkt. Insbesondere kann die Anordnung der ersten Elektrode 1, der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 3 einer der in Fig. 2b, Fig. 4 oder Fig. 5 gezeigten Anordnungen entsprechen.
Weiter können noch weitere Beschichtungen ausgebildet werden, wobei vorzugsweise jede weitere Beschichtung von mindestens zwei Elektroden kontaktiert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1. Gassensor, mit
einem Substrat (7);
einer beheizbaren Membran (8), ausgebildet auf einer Substratvorderseite (16) des Substrat (7);
mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103), angeordnet auf einer Membranoberfläche (13) der Membran (8);
einer ersten Beschichtung (4), ausgebildet auf einem Gebiet der Membranoberfläche
(13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die erste Beschichtung (4) kontaktieren;
einer zweiten Beschichtung (5), zumindest teilweise ausgebildet auf der ersten Beschichtung (4) und einem Gebiet der Membranoberfläche (13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die zweite Beschichtung (5) kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung (5) kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung (4) kontaktieren, verschieden ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten Beschichtung (4) und der zweiten Beschichtung (5) eine Metalloxidbeschichtung ist.
3. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei mindestens eine weitere Beschichtung auf der zweiten Beschichtung (5) und einem Gebiet des
Membranoberfläche (13) ausgebildet ist, wobei jede der mindestens einen weiteren Beschichtung von mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) kontaktiert wird, wobei jeweils mindestens eine dieser mindestens zwei Elektroden keine weitere Beschichtung kontaktiert.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Beschichtung (5) als Filter oder als Katalysator verwendbar ist.
5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Beschichtung (4) und die zweite Beschichtung (5) kreisförmig ausgebildet sind, wobei die zweite Beschichtung (5) die erste Beschichtung (4) vollständig überdeckt.
6. Gassensor einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein erstes Elektrodenende (1- 2) einer ersten Elektrode (1) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11) kreisscheibenförmig ausgebildet ist und die Elektrodenenden (2-2, 3-2; 11-2) der von der ersten Elektrode (1) verschiedenen Elektroden (2, 3; 11) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11) kreissegmentförmig um das erste Elektrodenende (1-2) der ersten Elektrode (1) angeordnet sind, wobei die kreissegmentförmigen Elektrodenenden (2-2, 3-2; 11-2) der von der ersten Elektrode (1) verschiedenen Elektroden (2, 3; 11) konstante Abstände (dl, d2; d3) von dem ersten Ende der ersten Elektrode (1; 101) haben.
7. Herstellungsverfahren für einen Gassensor, mit den Schritten:
Ausbilden (Sl) einer heizbaren Membran (8) auf einer Substratvorderseite (16) eines Substrats (7);
Ausbilden (S2) von mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) auf einer Membranoberfläche (13) der Membran (8);
Ausbilden (S3) einer ersten Beschichtung (4) auf der Membranoberfläche (13), wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden die erste Beschichtung (4) kontaktieren;
Ausbilden (S4) einer zweite Beschichtung (5) zumindest teilweise auf der ersten Beschichtung (4) und einem Gebiet der Membranoberfläche, wobei mindestens zwei der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) die zweite Beschichtung (5) kontaktieren und wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche die zweite Beschichtung (5) kontaktieren, von den mindestens zwei Elektroden, welche die erste Beschichtung (4) kontaktieren, verschieden ist; und
Ausbilden (S5) einer Ausnehmung (14) an einer Substratrückseite (15), wodurch ein Teil der Membran (8), auf welchem die erste Beschichtung (4) und die zweite Beschichtung (5) ausgebildet sind, freigestellt wird.
8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, wobei mindestens eine der ersten Beschichtung (4) und der zweiten Beschichtung (5) eine Metalloxidbeschichtung ist.
9. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei vor dem Ausbilden der ersten Beschichtung (4) ein Bereich der Membranoberfläche außerhalb eines zwischen einer ersten Elektrode (1; 101) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) und einer zweiten Elektrode (2; 102; 202; 302) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) befindlichen Bereichs mit einem hydrophoben Material, etwa einer Silanisierung, beschichtet wird.
10. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei vor dem
Ausbilden der ersten Beschichtung (4) ein Bereich der Membranoberfläche zwischen einer ersten Elektrode (1; 101) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) und einer zweiten Elektrode (2;102; 202; 302) der mindestens drei Elektroden (1, 2, 3; 11; 202; 302; 101, 102, 103) mit einer Oberflächenstruktur verse- hen wird.
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