DE10247857A1

DE10247857A1 - Gas sensor for automotive applications, has hot plate and arms formed as multi-layered ceramic unit applied as thick or thin films

Info

Publication number: DE10247857A1
Application number: DE2002147857
Authority: DE
Inventors: Ralf Moos; Frank Rettig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2004-04-22

Abstract

A gas sensor element comprises a gas-detector hot plate incorporating a number of electrical and sensory functional components. The hot plate has one or more narrow arms which are separated from each other and linked to the hot plate in a monolithic array. The hot plate and arms are fabricated as especially a multi-layered ceramic unit. The functional components one or more of the following: temperature sensor, heater, gas-sensitive functional layer, electrodes, screening layer, temperature homogenizer layer, and a layer with small emission coefficient to reduce heat radiation losses. The functional components are applied as thick or thin films. The arms and hot plate are of different thicknesses and are made of different materials. The electrodes, heaters or temperature sensors are structured using photolithography. The sensor is formed of components which are made of glazed metallic components assembled and installed within a housing.

Description

Steigende Anforderungen an die Luftqualität erfordern einerseits verstärkte Anstrengungen im Bereich der Abgasnachbehandlung, andererseits muss auch ein erhöhter Aufwand zur Detektion von Luftschadstoffen betrieben werden. Herkömmliche Verfahren sehen dafür entweder den Einsatz teuerer Messgeräte oder den Einsatz von preiswerten Gassensoren vor. Neben elektrochemischen Gassensoren sind Hochtemperatur-Gassensoren auf dem Markt, die im Bereich von 200°C bis 1000°C eingesetzt werden, teilweise sogar direkt im Abgasstrang eines Automobils. Für solche Hochtemperatur-Gassensoren gibt es derzeit verschiedene Technologien. Hier soll insbesondere auf planare Technologien eingegangen werden.Increasing demands on air quality require on the one hand reinforced Efforts in the field of exhaust gas treatment, on the other hand, must also an elevated one Expenses for the detection of air pollutants are operated. conventional See procedures for that either the use of expensive measuring devices or the use of inexpensive ones Gas sensors. In addition to electrochemical gas sensors are high-temperature gas sensors on the market, which are used in the range of 200 ° C to 1000 ° C, partially even directly in the exhaust system of an automobile. For such high-temperature gas sensors there are currently various technologies. Here in particular planar technologies are discussed.

Dazu werden Gassensoren z.B. in Dickschichttechnik hergestellt, d.h. auf ein keramisches Substrat aus z.B. Al₂O₃ wird eine Heizung, eine Zuleitung und vor allem eine Funktionsschicht, die die Selektivität des Sensors bestimmt, in Dickschichttechnik aufgebracht. Ausführliche Beschreibungen solcher Sensoren mit Skizzen findet man z.B. im in der DE 198 30 709 zitierten Stand der Technik. Im Abgasstrang eines Automobils hat sich eine Zirkondioxid-Mehrlagen-Technologie durchgesetzt. Eine ausführliche Übersicht darüber findet man in [1]. Weit verbreitet zur Detektion von Luftschadstoffen und zur Erkennung gefährlicher Konzentrationen reduzierender Gase sind auch Zinnoxidsensoren (auch SnO-₂ Sensoren oder Taguchi-Sensoren). In Planartechnik werden diese Sensoren wie oben beschrieben in Dickschichttechnik hergestellt, wobei dann die Funktionsschicht aus Zinnoxid besteht, die auf ein heizbares Keramiksubstrat aufgebracht wird. Neuerdings werden solche Sensoren auch in Silizium-Mikromechanik-Technologie gefertigt (MEMS, Microelectromechanical Systems), wobei eine sog. „Hot Plate" aus einem Siliziumsubstrat herausgearbeitet (geätzt) wird. Eine solche Hot Plate ist auf der Rückseite (Unterseite) mit einer Heizvorrichtung und auf der Vorderseite (Oberseite) mit einer Elektrodenanordnung und einer Funktionsschicht versehen. Eine schöne Übersicht über Zinnoxidsensoren findet man in [2] oder [3] und auf die Entwicklung des SnO₂-Sensors von der Dickschichttechnik hin zur MEMS-Technologie geht sehr ausführlich [4] ein. Hier wird zum Beispiel auch gezeigt, wie ein Sensor auf ein kleines Substrat in Dickschichttechnik hergestellt wird und anschließend an sechs Drähten aufgehängt wird. Die „Hot Plate" besteht somit dort aus dem Keramiksubstrat, die Arme sind die Drähte. Der Montageaufwand dafür ist enorm, der Heizleistungsbedarf hoch.For this purpose, gas sensors are manufactured, for example, in thick-film technology, ie a heater, a feed line and, above all, a functional layer, which determines the selectivity of the sensor, are applied in thick-film technology to a ceramic substrate made of, for example, Al ₂ O ₃ . Detailed descriptions of such sensors with sketches can be found, for example, in the DE 198 30 709 cited prior art. A zirconium dioxide multilayer technology has established itself in the exhaust system of an automobile. A detailed overview of this can be found in [1]. Tin oxide sensors (also SnO- ₂ sensors or Taguchi sensors) are also widely used for the detection of air pollutants and for the detection of dangerous concentrations of reducing gases. In planar technology, these sensors are manufactured as described above using thick-film technology, the functional layer then consisting of tin oxide, which is applied to a heatable ceramic substrate. Recently, such sensors have also been manufactured using silicon micromechanical technology (MEMS, Microelectromechanical Systems), a so-called “hot plate” being worked out (etched) from a silicon substrate. Such a hot plate is on the back (underside) with a heating device and provided on the front (top) with an electrode arrangement and a functional layer. A nice overview of tin oxide sensors can be found in [2] or [3] and the development of the SnO ₂ sensor from thick-film technology to MEMS technology is very detailed Here it is also shown, for example, how a sensor is manufactured on a small substrate using thick-film technology and then hung on six wires. The "hot plate" is therefore made of the ceramic substrate, the arms are the wires. The assembly effort for this is enormous, the heating power requirement is high.

Die Methode, Hot Plates aus Silizium zu erzeugen, wie z.B. in [4] beschrieben, hat verschiedene Vorteile. Zum Beispiel wird nur eine geringere Heizleistung benötigt, da aufgrund der dünnen Aufhängestrukturen („suspended beams", Arme) praktisch kein durch Wärmeleitung bedingter Wärmeabfluss zum Substrat möglich ist. Des weiteren lässt sich aufgrund der geringen thermischen Masse einer solchen Silizium Hot Plate eine schnelle Temperaturzyklisierung fahren, die geeignet ist, einerseits eine neue Meßmethodik anzuwenden, andererseits macht es dann Sinn, mehrere verschiedene sensitive Funktionsschichten, die bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich selektiv reagieren, auf eine gemeinsame Hot Plate aufzubringen. Durch die Temperaturzyklisierung kann dann eine Art Mustererkennung dargestellt werden.The method of hot plates made of silicon to generate, such as described in [4] has several advantages. For example, only a lower heating output is required because due to the thin Suspension structures ("suspended beams ", arms) practical no through heat conduction conditional heat dissipation possible to the substrate is. Furthermore lets themselves due to the low thermal mass of such silicon Hot plate drive a rapid temperature cycling that is suitable is, on the one hand, a new measuring method then it makes sense to use several different ones sensitive functional layers at different temperatures react differently selectively to a common hot plate applied. Through the temperature cycling, a kind Pattern recognition can be represented.

Der große Nachteil solcher in der MEMS-Technologie hergestellten Sensoren ist in zwei Punkten zu sehen.The big disadvantage of such in the Sensors manufactured using MEMS technology can be seen in two points.

Erstens kann das Silizium zwar eingesetzt werden, um Temperaturen auf der Hot Plate im Bereich bis zu 400°C zu erzeugen. Allerdings ist Silizium nicht für höhere Temperaturen geeignet, da es dann elektrisch leitfähig wird. Auch finden bei den hohen Temperaturen Diffusionsprozesse statt, welche die vorhandene Funktionalität zerstören. Aufgrund seiner geringen thermischen Ausdehnung von (α = 2,6 ppm/°C) im Vergleich zu den ca. 7 bis 13 ppm/°C der üblicherweise verwendeten oxidischen Funktionswerkstoffen, ergibt sich gerade durch die große Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten beim Aufheizen und bei der Zyklisierung ein hoher thermischer „Stress", der zur Rissbildung und damit zum Zerstören des Bauteiles führt. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von λ ≈ 150 W/mK erhöht die über die „suspended beams" abgeführte Wärme. Zwar können die elektrischen Eigenschaften des Silizium durch Dotierung variiert werden, jedoch ist den Erfindern kein Verfahren bekannt, MEMS-Bauteile mit örtlich variablen thermophysikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient, usw.) mit vertretbarem Aufwand in Halbleitertechnologie herzustellen.First, the silicon can be used to generate temperatures on the hot plate in the range up to 400 ° C. However, silicon is not for higher Suitable temperatures, since it then becomes electrically conductive. Diffusion processes also take place at high temperatures, which destroy the existing functionality. Because of its low thermal expansion of (α = 2.6 ppm / ° C) compared to the approx. 7 to 13 ppm / ° C of the commonly used oxidic Functional materials result from the large difference the coefficient of thermal expansion during heating and the cyclization a high thermal "stress", which leads to crack formation and thus to To destroy of the component leads. The high thermal conductivity of λ ≈ 150 W / mK elevated the above the "suspended beams "dissipated heat can the electrical properties of silicon vary by doping are, however, no method is known to the inventors, MEMS components with local variable thermophysical properties (thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, etc.) with reasonable effort in semiconductor technology.

Zweitens besteht ein sehr großer Nachteil darin, dass MEMS-Bauteile aus Silizium kostengünstig nur in sehr großen Stückzahlen realisierbar sind. Für kleine Stückzahlen würde sich eher eine Keramiktechnologie anbieten, da für diese keine aufwendige Reinraum- und/oder Vakuum-Technologie notwendig ist.Second, there is a very big disadvantage in that MEMS components made of silicon are inexpensive only in very large numbers are realizable. For small quantities would rather offer a ceramic technology, since there is no complex clean room and / or vacuum technology is necessary.

Um den Nachteilen des Standes der Technik zu begegnen, wird daher vorgeschlagen, Hot Plates für Sensoren durch Anwendung einer keramischen Mehrlagentechnologie, insbesondere der LTCC-Technologie, herzustellen.To the disadvantages of the state of the To counter technology, it is therefore proposed to use hot plates for sensors by using a ceramic multilayer technology, in particular the LTCC technology.

Bevor die Erfindung anhand einiger Figuren detaillierter beschrieben wird, soll noch allgemein auf die Herstellung von Baugruppen in keramischer Mehrlagentechnologie und auf den Stand der Technik bei der Anwendung dieser Technologie für Sensorzwecke eingegangen werden. Die Abkürzung LTCC steht dabei für „Low Temperature Co-fired Ceramics". Low temperature meint dabei eine Sintertemperatur von 800°C .. 1000°C im Gegensatz zur HTCC-Technologie, bei der die Lagen bei bis zu 1600°C gebrannt werden.Before the invention based on some Figures is described in more detail, is still intended to be general the production of assemblies in ceramic multilayer technology and the state of the art in the application of this technology for sensor purposes To be received. The abbreviation LTCC stands for “Low Temperature Co-fired Ceramics ". Low temperature means a sintering temperature of 800 ° C .. 1000 ° C in contrast to HTCC technology, in which the layers are fired at up to 1600 ° C become.

Die keramische Mehrlagentechnologie ist eine inzwischen in der Mikroelektronik weit verbreitete Technologie, die darin besteht, dass einzelne ungebrannte („grüne") keramische Lagen (sog. Tapes oder Folien) gestanzt und gelocht werden und dann mit geeigneten Siebdruckpasten in Dickschichttechnik metallisiert werden (zum Herstellen von Leiterbahnen). Falls benötigt können auch Widerstände aufgebracht werden. Anschließend werden die Tapes verpresst (laminiert) und dann zusammen gesintert (Co-Firing). Beim Sintern entsteht üblicherweise eine Schwindung, die sich im Bereich von ca. 15 % in x- und y-Richtung bewegt. Es gibt aber auch schon sog. Zero-Shrinkage-Prozesse. Durch die Integration von Leiterbahnen und passiven Bauteilen in das Substrat hinein werden erhebliche Miniaturisierungsfortschritte erzielt. Auf diese Substrate werden dann wie aus der Hybridtechnik bekannt, SMD-Bauteile aufgelötet und aktive Bauelemente mittels eines Bond-Prozeses aufgebracht. Eine ausführliche Beschreibung der LTCC-Technologie mit umfangreichen Literaturangaben findet man z.B. in [5].Ceramic multi-layer technology has become a widely used technology in microelectronics, which consists in the fact that individual unfired ("green") ceramic layers (so-called tapes or Foils) are punched and punched and then with suitable screen printing pastes be metallized using thick-film technology (for the production of conductor tracks). if necessary can also resistors be applied. Subsequently the tapes are pressed (laminated) and then sintered together (Co-firing). Sintering usually causes shrinkage, which is in the range of approx. 15% in the x and y direction. But there are already so-called zero shrinkage processes. By integrating conductor tracks and passive components into the substrate become significant Miniaturization progress achieved. Then on these substrates as known from hybrid technology, SMD components soldered and active components applied by means of a bond process. A detailed Description of the LTCC technology with extensive references can be found e.g. in [5].

Standard in der Anwendung der keramischen Mehrlagentechnologie sind heute schon Vertiefungen, in die aktive Bauelemente eingesetzt werden, um dadurch eine verbesserte Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Ebenfalls Stand der Technik sind teilweise oder vollständige Durchkontaktierungen, entweder um elektrische Verbindungen zwischen einzelnen Lagen herzustellen oder um Wärme abzuführen („thermal vias").Standard in the application of ceramic Multi-layer technology is already a deepening into the active Components are used, thereby improving heat dissipation to ensure. Likewise State of the art are partial or complete vias, either to make electrical connections between individual layers or about warmth dissipate ("thermal vias ").

Bzgl. der Sensortechnik ist auch schon bekannt, dass geschlossene oder offene Hohlräume (Kavitäten) in keramischer Mehrlagentechnologie hergestellt werden können, wie es z.B. in der DE 197 16 521 , der DE 196 45 613 oder in der DE 40 37 195 offenbart wird. Bei diesen Bauteilen handelt es sich aber nicht um Sensoren, die eine Hot Plate enthalten, auf der eine gassensitive Funktionsschicht aufgebracht ist, vielmehr werden die Kavitäten benutzt, um mechanisch auslenkbare Membranen z.B. für Drucksensoren herzustellen. In keiner der genannten Schriften wird die Idee offenbart, dass eine Membran geheizt werden kann. In der DE 19812690 wird ein Temperatursensor in LTCC-Technologie offenbart, aber dieser besitzt keine Kavität. Ebenfalls eine strukturierte LTCC-Schicht wird in der WO 2001048453A3 offenbart, jedoch ist bei dieser Schrift eine Vielzahl an Lagen mit verschiedener Porosität zur Separation von Partikeln vorgesehen.Concerning. The sensor technology is already known that closed or open cavities (cavities) can be produced in ceramic multilayer technology, as is the case, for example, in DE 197 16 521 , the DE 196 45 613 or in the DE 40 37 195 is disclosed. However, these components are not sensors that contain a hot plate on which a gas-sensitive functional layer is applied; rather, the cavities are used to produce mechanically deflectable membranes, for example for pressure sensors. None of the cited documents discloses the idea that a membrane can be heated. In the DE 19812690 discloses a temperature sensor in LTCC technology, but this has no cavity. A structured LTCC layer is also used in the WO 2001048453A3 disclosed, but this document provides a plurality of layers with different porosity for the separation of particles.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Hier wird nun vorgeschlagen, eine „Micro Hot Plate" für Gassensoren dadurch zu realisieren, dass eine geeignete Struktur, wie beispielhaft in 1 dargestellt, durch die keramische Mehrlagentechnologie realisiert wird. Die Neuheit der Erfindung liegt einerseits darin, dass es nun erstmals möglich ist, mit Hilfe einer relativ einfachen Technologie durch Stanzen von Tapes, Laminieren und Sintern eine solche Hot Plate herzustellen und sogar gegenüber den in MEMS-Technologie hergestellten Bauteilen in ihrer Funktionalität auch noch zu verbessern. So zeigt sich, dass insbesondere die Eigenschaft der niedrigen Wärmeleitfähigkeit (üblicherweise 2 .. 4 W/mK) dafür sorgt, dass nicht zu große Wärmeverluste entstehen. Zwar ist eine solche „Micro Hot Plate"-Struktur bereits seit vielen Jahren Stand der Technik in der Siliziumtechnologie, aber es sind den Erfindern bisher keine Versuche bekannt, eine solche Struktur in der keramischen Mehrlagentechnologie herzustellen. Insbesondere exsistiert nach dem Kenntnisstand der Erfinder keine Veröffentlichung zu einem derartigen Hochtemperatur-Gassensor. Wie noch weiter unten gezeigt wird, können durch besondere Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung, wie z.B. durch die Kombination von Lagen verschiedener Wärmeleitfähigkeit noch weitere Vorteile erzielt werden, die in der MEMS-Technologie gar nicht realisiert werden können. Die Möglichkeit, keramische Lagen mit angepaßtem thermischem Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden, ist ein weiterer Vorteil dieser Erfindung. Damit können thermischer Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit jeder Lage optimal an die Anforderung angepaßt werden. Funktionsschichten, die thermoelektrische Effekte ausnutzen machen erst auf einer Hot Plate mit geringer Wärmeleitfähigkeit richtig Sinn.It is now proposed here to implement a “micro hot plate” for gas sensors by using a suitable structure, as exemplified in 1 shown, is realized by the ceramic multilayer technology. On the one hand, the novelty of the invention is that it is now possible for the first time to produce such a hot plate with the aid of a relatively simple technology by punching tapes, laminating and sintering, and even in terms of its functionality compared to the components produced in MEMS technology improve. This shows that in particular the property of low thermal conductivity (usually 2 .. 4 W / mK) ensures that there is no excessive heat loss. Such a “micro hot plate” structure has been state of the art in silicon technology for many years, but to date the inventors have known of no attempts to produce such a structure in ceramic multilayer technology. In particular, to the knowledge of the inventors, no publication exists As will be shown further below, special design features of the invention, such as, for example, the combination of layers of different thermal conductivity, can achieve further advantages which cannot be realized in MEMS technology Another advantage of this invention is the use of ceramic layers with an adapted coefficient of thermal expansion, so that the coefficient of thermal expansion and thermal conductivity of each layer can be optimally adapted to the requirement Functional layers which make use of thermoelectric effects only really makes sense on a hot plate with low thermal conductivity.

Beschreibung der Erfindungdescription the invention

Für die Herstellung von Hot Plates in keramischer Mehrlagentechnologie werden Tapes (ungesinterte „grüne" Folien) benötigt. Diese Tapes sind von verschiedenen Herstellern in verschiedenen Ausführungsformen erhältlich. Sie unterscheiden sich durch ihre Zusammensetzung und daher besitzen auch die gesinterten Bauteile unterschiedliche Eigenschaften. Die Prozessierung ist ähnlich aber nicht gleich. Tabelle 1 stellt die Eigenschaften kommerzieller LTCC-Folien zusammen, wobei hier darauf hinzuweisen ist, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von kommerziell erhältlichen LTCC-Folien beschränkt ist. Es können z.B. auch HTCC-Folien, die bei wesentlich höherer Temperatur gebrannt werden, verwendet werden. Auch können neuartige, kommerziell derzeit nicht erhältliche Folien mit angepaßten thermophysikalischen und elektrischen Eigenschaften (thermischer Ausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Leitfähigkeit, etc.) benutzt werden.For the production of hot plates in ceramic multilayer technology tapes (unsintered "green" foils) are required. These Tapes are from different manufacturers in different designs available. They differ in their composition and therefore possess the sintered components also have different properties. The Processing is similar but not immediately. Table 1 presents the properties more commercially LTCC foils together, although it should be noted that the Invention does not apply to the use of commercially available LTCC foils limited is. It can e.g. also HTCC foils, that at much higher Temperature to be burned. Novel, commercially not currently available Slides with customized thermophysical and electrical properties (thermal Expansion coefficient, thermal conductivity, electrical conductivity, etc.) can be used.

Tabelle 1: Eigenschaften kommerziell erhältlicher LTCC-Tapes bzw. daraus gesinterter keramischer Substrate

Table 1: Properties of commercially available LTCC tapes or ceramic substrates sintered therefrom

Ein beispielhafter und vereinfachter Verfahrensablauf zur Herstellung eines einfachen erfindungsgemäßen Aufbaus wird im folgenden beschrieben. Im ersten Schritt werden die Folien gestanzt. Für den in 1 dargestellten Aufbau müssen drei verschiedene Folienformen hergestellt werden, nämlich die Bodenplatte, die Formen, welche die Kavität enthalten und die eigentliche Hot Plate. Jede dieser Formen kann aus einer oder mehreren Lagen bestehen. Zum Stanzen können verschiedene Verfahren angewendet werden. Am einfachsten werden die zu öffnenden Bereiche mit einer Stanze der entsprechenden Form ausgestanzt. Das Stanzen ist aber auch mittels eines Gasdruckimpulses möglich, wie die DE 199 57 517 lehrt. Bekannt ist des weiteren das Herausschneiden der zu öffnenden Bereiche mit einem Laser. Die verschiedenen Verfahren haben alle ihre spezifischen Vorteile was Automatisierbarkeit und Flexibilität betrifft. So ist das Schneiden mittels Laser sehr flexibel, im Vergleich zum Stanzen aber zu langsam. Es hat sich in der Elektronikindustrie nur zu Forschungs- und Entwicklungszwecken durchgesetzt. Sehr gut automatisierbar sind dagegen die Stanzverfahren, allerdings ist die Flexibilität relativ gering, insbesondere bei Stanzformen wie sie der ertindungsgemäße Sensor benötigt.An exemplary and simplified process sequence for producing a simple structure according to the invention is described below. In the first step, the foils are punched out. For the in 1 The structure shown must be produced in three different film shapes, namely the base plate, the molds containing the cavity and the actual hot plate. Each of these forms can consist of one or more layers. Various methods can be used for punching. The easiest way is to punch out the areas to be opened with a punch of the appropriate shape. Punching is also possible using a gas pressure pulse, such as the DE 199 57 517 teaches. It is also known to cut out the areas to be opened with a laser. The different processes all have their specific advantages in terms of automation and flexibility. Laser cutting is very flexible, but too slow compared to punching. It has prevailed in the electronics industry only for research and development purposes. On the other hand, the punching processes can be automated very well, but the flexibility is relatively low, in particular in the case of punching forms as required by the sensor according to the invention.

Der nächste Schritt ist das Bedrucken der Folien. Dies erfolgt üblicherweise mittels Siebdruck oder Schablonendruck. Hierbei wird eine Funktionspaste, z.B. eine metallhaltige Paste, durch ein strukturiertes Sieb oder eine strukturierte Schablone auf die gestanzten Folien aufgebracht. Die aufgedruckten Pasten werden nach dem Drucken getrocknet. Typische Temperaturen zum Trocknen liegen zwischen 50°C und 200°C. Druck- und Trockenschritte können wiederholt werden, so dass gedruckte Strukturen auf der Unter- und/oder Oberseite einer oder mehrerer Lagen aufgebracht werden.The next step is printing of the slides. This is usually done using screen printing or stencil printing. Here, a function paste, e.g. a metal-containing paste, through a structured sieve or a structured template is applied to the punched foils. The printed pastes are dried after printing. typical Drying temperatures are between 50 ° C and 200 ° C. Printing and drying steps can can be repeated, leaving printed structures on the bottom and / or top one or more layers can be applied.

Im nächsten Schritt werden die bedruckten Folien gestapelt. Üblicherweise werden die einzelnen Folienlagen jeweils um 90° verdreht gestapelt, um Schwindungsunterschiede zu verringern. Beim folgenden Laminieren werden die Folien mittels Thermokompression miteinander verbunden. Es sind zwei Verfahren üblich, unaxiales und isostatisches Verpressen. Beim uniaxialen Verpressen werden die Folienlagen zwischen zwei beheizten Platten verpresst. Beim isostatischen Pressen werden die Tapes in einer unter Druck stehenden beheizten Flüssigkeit verpresst. Die Drücke betragen in beiden Fällen etwa 30 bis 150 MPa, die Temperaturen betragen üblicherweise 60°C bis 80°C (je nach Hersteller), die Zeit beträgt etwa 3 bis 10min. Beim isostatischen Pressen werden die Tapes vor dem Verpressen flüssigkeitsdicht in Schutzfolien eingepackt (üblicherweise verschweißt) um sie vor einem Angriff der Flüssigkeit (im allgemeinen Wasser) zu schützen. Den Kavitäten und den Hot Plates ist beim Laminieren besondere Aufmerksamkeit entgegenzubringen, um einen Verzug beim späteren Sintern (Brennen) zu vermeiden. Die dafür zu treffenden Maßnahmen sind nicht Gegenstand dieser Erfindung.In the next step, the printed foils are stacked. The individual film layers are usually stacked rotated by 90 ° in order to reduce differences in shrinkage. In the following lamination, the foils are connected to one another by means of thermocompression. Two methods are common, unaxial and isostatic pressing. In uniaxial pressing, the film layers are pressed between two heated plates. In isostatic pressing, the tapes are pressed in a heated liquid under pressure. The pressures in both cases are about 30 to 150 MPa, the temperatures are usually 60 ° C to 80 ° C (depending on the manufacturer), the time is about 3 to 10 minutes. In isostatic pressing, the tapes are packed liquid-tight in protective films before pressing (more common welded wise) to protect them from attack by the liquid (generally water). Special attention must be paid to the cavities and the hot plates during lamination in order to avoid warping during later sintering (firing). The measures to be taken for this are not the subject of this invention.

Das gemeinsame Brennen von gedruckter Funktionsstruktur und laminierten Tapes (Co-Firing) erfolgt schrittweise. Im ersten Schritt wird der Binder ausgebrannt. Dazu wird das Laminat auf etwa 450°C erhitzt und dort für eine Zeit von 30-120min gehalten. Bei verschiedenen Folienherstellern wird keine explizites Halten der Temperatur von 450°C benötigt, allerdings erfolgt das Erwärmen auf die typische Co-Firing-Temperatur von 850°C bis 920°C langsamer. Die Co-Firing-Temperatur wird etwa 10 bis 30min gehalten. Dann wird mit entsprechender Rate abgekühlt. Die einzelnen Lagen des Keramikkörpers sind nicht mehr vorhanden der Körper ist nun monolithisch. Jetzt kann der Keramikkörper noch auf der Oberseite und/oder der Unterseite bedruckt und nochmals gebrannt werden (Postfiring). Bei der Schablonen- bzw. der Siebherstellung ist die exakte Schwindung des Keramikkörpers um 10-20% zu beachten. Der Einbrand der nachträglich gedruckten Paste ist ebenfalls mit bis zu 850°C .. 920°C möglich, falls LTCC-Folien verwendet werden.The joint burning of printed Functional structure and laminated tapes (co-firing) takes place gradually. In the first step, the binder is burned out. This is the laminate to around 450 ° C heated and there for held for a period of 30-120min. At various film manufacturers no explicit temperature maintenance of 450 ° C is required, however the heating takes place to the typical co-firing temperature of 850 ° C to 920 ° C more slowly. The co-firing temperature is about Held 10 to 30min. Then it is cooled at the appropriate rate. The individual layers of the ceramic body are no longer present the body is now monolithic. Now the ceramic body can still be on the top and / or printed on the underside and fired again (postfiring). When making stencils or sieves, the exact shrinkage is of the ceramic body to pay attention to 10-20%. The branding of the subsequently printed paste is also with up to 850 ° C .. 920 ° C possible, if LTCC films be used.

Der erfindungsgemäße Sensor besteht aus verschiedenen Elementen. Zum ersten aus der eigentlichen Hot Plate, auf der die gesamte Funktionalität des Sensors aufgebracht ist. Zum zweiten aus den Armen (Beams), an denen die Hot Plate aufgehängt ist. An die Arme können sich weitere Elemente anschließen, die zur Messwertübertragung und/oder zur Messwertverarbeitung benötigt werden. Jedes dieser Elemente besteht selbst noch aus verschiedenen Teilelementen, die im folgenden beschrieben werden sollen. 1 zeigt ein einfaches Beispiel eines möglichen Aufbaus eine solchen Sensors. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur der prinzipielle Aufbau gezeigt. Sämtliche für die Sensorfunktion maßgebenden Teilen sind in weiteren Figuren skizziert. Insbesondere sind in weiteren Figuren Querschnitte (AA, BB und CC) dargestellt, die die für die Sensorfunktion wesentlichen Elemente enthalten.The sensor according to the invention consists of various elements. First, from the actual hot plate, on which the entire functionality of the sensor is applied. Secondly from the arms (beams) on which the hot plate is hung. Further elements can be connected to the arms, which are required for measured value transmission and / or for measured value processing. Each of these elements itself consists of various sub-elements, which will be described below. 1 shows a simple example of a possible structure of such a sensor. For the sake of clarity, only the basic structure is shown here. All parts relevant for the sensor function are outlined in further figures. In particular, cross sections (AA, BB and CC) are shown in further figures, which contain the elements essential for the sensor function.

Auf der eigentlichen Hot Plate können verschiedene Funktionsschichten, z.B. strukturierte und nicht strukturierte Metallisierungen z.B. aus Gold, Silber und/oder Platin aufgebracht sein. Auch die gassensitive Schicht und ihre zur Kontaktierung nötigen Elektroden befinden sich auf der Hot Plate. Die Aufgaben der Funktionsschichten sind unterschiedlich. Da Gassensoren im allgemeinen bei erhöhter Temperatur arbeiten (200°C – 800°C) wird eine Heizerstruktur, die auch gleichzeitig als Temperaturfühler arbeiten kann und die z.B. aus Metallen oder Metalloxiden mit hohem spezifischen Widerstand bestehen kann, aufgebracht werden. Die Heizerstruktur kann z.B. mäanderförmig ausgebildet sein. Gassensoren wandeln ein chemisches Signal in ein elektrisches Signal um. Das Messprinzip kann resistiv, potentiometrisch oder amperometrisch sein. Daher befinden sich auf der Hot Plate auch Elektroden bzw. Strom- und Spannungszuführungen und -abgriffe mit geringen elektrischen Widerstand z.B. aus Gold, Silber oder aus einem elektrisch leitfähigen Metalloxid. Außerdem ist es vielfach nötig noch, weitere Parameter auf der Hot Plate zu messen. Insbesondere die Temperatur ist ein wichtiger Parameter, da die elektrischen Eigenschaften der gassensitiven Materialen bis auf wenige Ausnahmen temperaturabhängig sind. Für die genaue Regelung der Temperatur der gassensitiven Schicht auf der Hot Plate kann eine Anordnung zur Temperaturmessung nötig sein. Ausführbar sind solche Temperaturmessungen mit temperaturabhängigen Widerständen oder mit Thermoelementen, jeweils als Schicht strukturiert. Des weiteren ist in der Lehre der Erfindung enthalten, eine Abschirmschicht einzufügen, die die empfindlichen elektrischen Signale stabilisiert. Gerade bei potentiometrischen Sensoren und hochohmigen resistiven Sensoren kann so ein Einkoppeln von Störungen, die z.B. von Impulsen des Heizstromes verursacht werden, verhindert werden. Eine übliche Hot Plate wird mindestens drei unterschiedliche strukturierte Funktionsschichten besitzen. Einen Heizer zum Erwärmen der gassensitiven Schicht, ein Temperaturfühler zum Regeln der Temperatur und eine gassensitive Funktionsschicht inkl. Strom- und Spannungsabgriffe, welche die chemischen Signale in elektrische umwandelt. Oftmals müssen Heizer und gassensitive Funktionsschicht inkl. Strom- und Spannungsabgriffe oder Heizer und Temperaturfühler voneinander elektrisch isoliert werden. Dazu können sie entweder zwischen zwei zu laminierende Folien gedruckt werden, oder, -wie in der klassischen Dickschichttechnik-, kann eine elektrisch isolierende Zwischenschicht in einem besonderen Druck- und Brennschritt aufgebracht werden.On the actual hot plate can be different Functional layers, e.g. structured and non-structured metallizations e.g. made of gold, silver and / or platinum. Also the gas-sensitive layer and its electrodes necessary for contacting are on the hot plate. The functions of the functional layers are different. Because gas sensors generally operate at elevated temperatures working (200 ° C - 800 ° C) becomes one Heater structure that also works as a temperature sensor can and which e.g. from metals or metal oxides with high specific Resistance can be applied. The heater structure can e.g. meandering his. Gas sensors convert a chemical signal into an electrical one Signal around. The measuring principle can be resistive, potentiometric or be amperometric. Therefore are on the hot plate too Electrodes or current and voltage feeds and taps with low electrical resistance e.g. from gold, silver or from an electric conductive Metal oxide. Moreover it is often necessary yet to measure further parameters on the hot plate. In particular the temperature is an important parameter since the electrical Properties of the gas-sensitive materials with a few exceptions temperature-dependent are. For the precise regulation of the temperature of the gas sensitive layer on the A hot plate arrangement may be necessary for temperature measurement. Executable are such temperature measurements with temperature dependent resistors or with thermocouples, each structured as a layer. Furthermore is included in the teaching of the invention to insert a shielding layer that the sensitive electrical signals stabilized. Especially with potentiometric sensors and high-resistance resistive sensors this can result in interference, e.g. caused by pulses of the heating current prevented become. A common one Hot plate is made up of at least three different structured functional layers have. A heater to warm up the gas sensitive layer, a temperature sensor for regulating the temperature and a gas-sensitive functional layer including current and voltage taps, which converts the chemical signals into electrical ones. often have to Heater and gas-sensitive functional layer including current and voltage taps or heater and temperature sensor be electrically isolated from each other. You can either do this between two foils to be laminated are printed, or, as in classic thick-film technology, can be an electrically insulating intermediate layer in a special Printing and firing step are applied.

Die Arme verbinden die Hot Plate mit dem Rest des Bauelements. Sie müssen ausreichend stabil dimensioniert sein, um die im Betrieb auftretenden Belastungen aufnehmen zu können. Des weiteren müssen über die Arme die elektrischen Signale und die Leistung des Heizers ab- bzw. zugeführt werden. Auch hier kann es sinnvoll sein, die verschiedenen Leitungen durch eine elektrisch leitfähige Abschirmschicht z.B. aus Metall voneinander abzuschirmen. Auch hier können die verschiedenen Schichten auf verschiedenen Lagen gedruckt werden. Die Anzahl der Arme richtet sich nach den Anforderungen. Zum einen sollte die Querschnittsfläche der Arme möglichst gering sein, damit die Wärmeverluste der Hot Plate durch Wärmeleitung möglichst gering sind. Die Arme müssen aber so stabil sein, dass sie die im Betrieb auftretenden Belastungen aufnehmen können. Zudem müssen die Arme so breit sein, dass die aufgebrachten Zuleitungen mit einem ausreichend kleinem Widerstand ausgeführt werden können. Folien, die für die LTCC-Technik benutzt werden, bieten sich hierfür insbesondere wegen ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit (2W/mK .. bis 4W/mK) an. Dadurch werden Verluste aufgrund von Wärmeleitung durch die Arme verringert.The arms connect the hot plate to the rest of the component. They must be dimensioned sufficiently stable to be able to absorb the loads that occur during operation. Furthermore, the electrical signals and the power of the heater must be taken off or supplied via the arms. Here, too, it can make sense to shield the different lines from one another by an electrically conductive shielding layer, for example made of metal. Here, too, the different layers can be printed on different layers. The number of arms depends on the requirements. On the one hand, the cross-sectional area of the arms should be as small as possible so that the heat losses from the hot plate due to heat conduction are as small as possible. However, the arms must be so stable that they can absorb the loads that occur during operation. In addition, the arms must be wide enough that the applied leads can be made with a sufficiently small resistance. Films that are used for the LTCC technology are particularly suitable for this because of their low thermal conductivity (2W / mK .. to 4W / mK). This will Losses due to heat conduction through the arms are reduced.

Ausführungsbeispieleembodiments

Der Vorteil der geringen Wärmeleitung der LTCC-Folien ist im Bereich der Hot Plate dann von Nachteil, wenn die Hot Plate eine möglichst homogene Temperaturverteilung aufweisen soll. Dies kann entweder durch eine Ausführung des Heizers erreicht werden, bei der die Leistungsabgabe dort am größten ist, wo die Verluste am größten sind. Zudem sollte die Heizleistungsabgabe möglichst flächig erfolgen um auf der gassensitiven Funktionsschicht keine „Hot Spots" zu erzeugen, was insbesondere bei dünnen Hot Plates auftreten kann. Diese definierte Heizleistungsverteilung wird aber begrenzt durch die kleinste druckbare Leiterbahnbreite und den kleinsten druckbaren Leiterbahnabstand. Wählt man ein photolithographisches Strukturierungsverfahren für den Heizer z.B. nach dem FODEL-Prinzip (Fa. DuPont) oder durch photolithographisches Strukturieren einer gebrannten Schicht, was sich übrigens nicht nur für den Heizer sondern auch für den Temperaturfühler und auch für die Elektrodenanordnung (insbes. bei sog. IDK oder IDKT-Elektroden (s. DE 100 41 921 )) anbietet (s.u.), kann man durch die verkleinerte Strukturauflösung zusätzlich noch einen erhöhten ohmschen Widerstand erreichen, so daß an die Spannungsversorgung bzw. an die Widerstandsmesseinrichtung keine besonderen Ansprüche gestellt werden müssen.The advantage of the low thermal conductivity of the LTCC foils is disadvantageous in the area of the hot plate if the hot plate is to have a temperature distribution that is as homogeneous as possible. This can be achieved either by designing the heater where the power output is greatest where the losses are greatest. In addition, the heat output should be as flat as possible in order not to generate any "hot spots" on the gas-sensitive functional layer, which can occur in particular in the case of thin hot plates. However, this defined heat output distribution is limited by the smallest printable conductor width and the smallest printable conductor spacing. Choosing a photolithographic Structuring process for the heater, e.g. according to the FODEL principle (DuPont) or by photolithographically structuring a fired layer, which is not only useful for the heater but also for the temperature sensor and also for the electrode arrangement (especially with so-called IDK or IDKT -Electrodes (see DE 100 41 921 )) offers (see below), one can also achieve an increased ohmic resistance due to the reduced structure resolution, so that no special demands have to be made on the voltage supply or on the resistance measuring device.

Eine weitere mögliche Abhilfe wäre es, zwischen Heizer und gassensitiver Schicht eine Metallisierungsschicht einzubringen. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Metalls könnte diese Schicht Temperaturinhomogenitäten ausgleichen. Der weitere Vorteil ist in der elektrischen Abschirmwirkung zu sehen. In 2 ist eine solche Realisierungsmöglichkeit skizziert, wobei nur der Querschnitt einer Hot Plate dargestellt ist.Another possible remedy would be to add a metallization layer between the heater and the gas-sensitive layer. Due to the good thermal conductivity of the metal, this layer could compensate for temperature inhomogeneities. Another advantage is the electrical shielding effect. In 2 Such a possible implementation is outlined, only the cross section of a hot plate being shown.

Alternativ kann man die Metallisierungsschicht auf die Unterseite der Hot Plate aufbringen. Dies ist in 3 skizziert. Auch hierbei ist eine gewisse Homogenisierung der Temperatur an der Oberseite der Hot Plate möglich. Der zusätzliche Vorteil dieser Anordnung ist eine Verringerung des Leistungsbedarf zur Beheizung des Sensors. Da Metalle einen wesentlich geringeren Emissionskoeffizienten als Keramik haben, wird die in Form von Wärmstrahlung abgegebene Heizleistung dadurch insbesondere bei hohen Temperaturen, wenn die Wärmestrahlung zur hauptsächlichen Verlustquelle wird (ab einigen hundert °C), verringert. Die modellhafte Abschätzung der Verlustleistung in 4 bestätigt dies. Hier wurde die durch Hot Plates verschiedener Breiten (Annahme quadratischer Querschnitt) aufgrund von Strahlungsverlusten bei 400°C abgegebene Verlustleistung abgeschätzt. Daran erkennt man, dass mit der beschriebenen Metallisierung etwa 10-15% der Heizleistung gespart werden können. In 4 wurde nur die Verlustleistung der Platte berücksichtigt, nicht aber die der Arme, welche auch Wärme abstrahlen.Alternatively, the metallization layer can be applied to the underside of the hot plate. This is in 3 outlined. A certain homogenization of the temperature at the top of the hot plate is also possible here. The additional advantage of this arrangement is a reduction in the power requirement for heating the sensor. Since metals have a much lower emission coefficient than ceramics, the heat output in the form of thermal radiation is reduced, especially at high temperatures, when heat radiation becomes the main source of loss (from a few hundred ° C). The model estimate of the power loss in 4 confirms this. Here, the power loss given off by hot plates of various widths (assuming a square cross-section) due to radiation losses at 400 ° C was estimated. This shows that the metallization described can save around 10-15% of the heating output. In 4 only the power loss of the plate was taken into account, but not that of the arms, which also radiate heat.

Ein Teil der Heizleistung wird über die Arme abgegeben. Auch bei den Armen müssen Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung beachtet werden. Die Anzahl der Arme ist dabei sehr wichtig, je geringer die Anzahl der Arme desto kleiner der Gesamtwärmeverlust. Daher ist es auch Gegenstand der Erfindung, die Zahl der Arme soweit zu reduzieren, dass die Sensoren gerade noch herstellbar sind und den mechanischen Stabilitätsanforderungen genügen. Erfindungsgemäß kann die minimale Zahl der Arme eins betragen, dann besteht jedoch die Gefahr der Schwingungsneigung. Daher wird man in der Praxis wohl auf eine zwei-, drei- oder vierarmige Anordnung zurückgreifen. 5 zeigt die Verlustleistung eines Armes in Abhängigkeit von der Armlänge, wiederum bei 400°C. Zu erkennen ist, dass der Gesamtverlust nahezu unabhängig von der Armlänge ist, da die Wärmeleitung nur mit einem geringen Teil zur Verlustleistung beiträgt. Für die Dimensionierung der Arme bedeutet dies, dass eine große Armlänge kaum Vorteile hinsichtlich einer Leistungsersparnis bringt. Der Grund für dieses Verhalten ist, dass der Arm nach einer gewissen Länge durch Konvektion und Strahlung nahezu auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Es macht aber in jedem Falle Sinn, die Zahl der Arme so gering wie möglich zu halten.Part of the heating power is delivered via the arms. Thermal conduction, heat convection and heat radiation must also be taken into account for the poor. The number of arms is very important, the lower the number of arms, the smaller the total heat loss. It is therefore also an object of the invention to reduce the number of arms to such an extent that the sensors can just be produced and meet the mechanical stability requirements. According to the invention, the minimum number of arms can be one, but then there is a risk of tendency to vibrate. Therefore, in practice you will probably fall back on a two-, three- or four-armed arrangement. 5 shows the power loss of an arm as a function of arm length, again at 400 ° C. It can be seen that the total loss is almost independent of the arm length, since the heat conduction only makes a small contribution to the power loss. For the dimensioning of the arms, this means that a long arm length has hardly any advantages in terms of performance savings. The reason for this behavior is that after a certain length the arm has cooled down to ambient temperature by convection and radiation. In any case, it makes sense to keep the number of arms as small as possible.

Die Breite und die Dicke der Arme spielen bei der Minimierung des Heizleistungsbedarfs eine entscheidende Rolle. Ziel dieser Minimierung ist es, den Querschnitt möglichst gering und die Oberfläche des Armes möglichst gering zu halten. Aus Gründen der mechanischen Stabilität sollten die Arme möglichst breit und möglichst dick sein. Hier muss das Optimum für jeden Anwendungsfall gefunden werden.The width and thickness of the arms play a crucial role in minimizing heating power requirements Role. The aim of this minimization is to make the cross section as possible low and the surface of the arm if possible to keep low. For reasons mechanical stability arms should if possible wide and as possible be fat. Here the optimum must be found for every application become.

Eine bequeme Methode die Dicke der Arme zu variieren besteht darin, die Zahl der Lagen für die Arme zu verringern. Beispielsweise könnte die Hot Plate aus drei Lagen und die Arme könnten aus lediglich einer Lage bestehen. Dabei bietet es sich an, Lagen verschiedener thermophysikalischer Eigenschaften zu kombinieren. Ein Beispiel zur intelligenten Kombination von Lagen verschiedener thermophysikalischer Eigenschaften ist in 6 gezeigt. Im Gegensatz zu 2 und 3 ist hier ein Schnitt in der Ebene BB dargestellt. Die Arme bestehen aus einer, evtl. besonders dünnen, Lage mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit (zur Verringerung der Wärmeleitungsverluste) und einer hohen mechanischen Festigkeit (damit sie bei ausreichender Stabilität möglichst dünn und schmal gemacht werden können, was auch Wärmekonvektions- und Wärmestrahlungsverluste verringert). Im Bereich der Hot Plate befinden sich noch eine oder mehrere Lagen von hoher Wärmeleitfähigkeit. Die wie oben beschriebenen elektrischen Strukturen können darauf, dazwischen oder darunter angeordnet sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden sie in 6 weggelassen. Durch diese Kombination von Lagen verschiedener thermophysikalischer Eigenschaften erhält man auf der Hot Plate eine homogene Temperaturverteilung bei geringem Verlust über die Arme durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung.A convenient way to vary the thickness of the arms is to reduce the number of layers for the arms. For example, the hot plate could consist of three layers and the arms could consist of only one layer. It makes sense to combine layers of different thermophysical properties. An example of the intelligent combination of layers of different thermophysical properties is in 6 shown. In contrast to 2 and 3 a section in plane BB is shown here. The arms consist of a possibly very thin layer with a low thermal conductivity (to reduce thermal conduction losses) and a high mechanical strength (so that they can be made as thin and narrow as possible with sufficient stability, which also reduces heat convection and heat radiation losses). In the area of the hot plate there are still one or more layers of high thermal conductivity. The electrical structures as described above can be arranged thereon, in between or below. For the sake of clarity, they were in 6 omitted. Through this com Combination of layers of different thermophysical properties gives the hot plate a homogeneous temperature distribution with little loss through the arms through heat conduction, convection and radiation.

Durch die Metallisierung der Arme für die elektrischen Zuführungen geht der Vorteil der geringen Wärmeleitfähigkeit der keramischen Lagen zum Teil verloren. Die mittlere Wärmeleitfähigkeit eines Armes kann folgendermaßen abgeschätzt werden.By metallizing the arms for the electrical feeders the advantage of low thermal conductivity of the ceramic layers partially lost. The average thermal conductivity of an arm can be as follows estimated become.

Darin bedeuten, k die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Armes, k_i die Wärmeleitfähigkeit der Komponente i und A_i die Querschnittsfläche der Komponente i. Ein Querschnitt eines Armes zur Verdeutlichung findet man in 7, einem Schnitt in der Ebene CCTherein, k is the mean thermal conductivity of the arm, k _{i is} the thermal conductivity of component i and A _{i is} the cross-sectional area of component i. A cross section of an arm for clarification can be found in 7 , a cut in the CC plane

8 zeigt den berechneten Einfluss der Wärmeleitfähigkeit der Metallisierung auf den Leistungsverbrauch eines Armes. Bei der Berechnung des Leistungsverbrauchs eines Armes sind sowohl Wärmeleitung, Wärmekonvektion als auch Wärmestrahlung einbezogen. Der Einfluss der Wärmestrahlung zeigt sich in Form der Fehlerbalken. Für folgende Parameter wurde das Diagramme berechnet. Dicke der Armes ohne Metallisierung 254μm, Wärmeleitfähigkeit der Keramikfolie 3,1W/mK, Emissionskoeffizient der Keramikfolie 1, Breite des Armes 1 mm, Breite der Metallisierung 1 mm, Dicke der Metallisierung 10μm, Emissionskoeffizient der Metallisierung 0,1, Konvektionskoeffizient 50W/mK, Temperatur am Übergang Hot Plate zu Arm 400°C. Es ist zu erkennen, dass die Metallisierung einen entscheidenden Einfluss auf die Verlustleistung der Arme hat. Da die Wärmeleitfähigkeit nach dem Gesetz von Wiedemann-Franz proportional zur elektrischen Leitfähigkeit ist, folgt für das Design des Armes, dass elektrische Leitungen, in denen nur ein geringer elektrischer Strom fließt, mit möglichst geringem Querschnitt aus einem relativ schlecht elektrische leitfähigen Material hergestellt werden sollten. Bei leistungsführenden Leitungen dagegen ist ein Kompromiss zu finden zwischen der Erwärmung des Armes durch die elektrische Verlustleistung der Leitungen auf den Armen und des Verlustes, der durch die erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufgrund der Metallisierung des Armes entsteht. Demnach ist es also als eine Ausführung der Erfindung anzusehen, wenn die elektrischen Zuleitungen in ihrer Breite, in ihrer Schichtdicke, in ihrem Werkstoff innerhalb eines Bauteiles variiert werden. Es ist aber auch als erfindungsgemäß anzusehen, wenn die Arme selbst aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bestehen. Eine geeignete Herstellungstechnologie um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden ist jedoch nicht Gegenstand dieser Erfindung. 8th shows the calculated influence of the thermal conductivity of the metallization on the power consumption of an arm. When calculating the power consumption of an arm, both heat conduction, heat convection and heat radiation are included. The influence of heat radiation is shown in the form of the error bars. The diagram was calculated for the following parameters. Thickness of the arm without metallization 254μm, thermal conductivity of the ceramic foil 3.1W / mK, emission coefficient of the ceramic foil 1 , Width of the arm 1 mm, width of the metallization 1 mm, thickness of the metallization 10μm, emission coefficient of the metallization 0.1, convection coefficient 50W / mK, temperature at the transition from hot plate to arm 400 ° C. It can be seen that the metallization has a decisive influence on the power loss of the arms. Since the thermal conductivity is proportional to the electrical conductivity according to the Wiedemann-Franz law, it follows for the design of the arm that electrical lines in which only a small amount of electrical current flows should be made from a relatively poorly conductive material with the smallest possible cross-section , In the case of high-performance cables, on the other hand, a compromise can be found between the heating of the arm due to the electrical power loss of the cables on the arms and the loss caused by the increased thermal conductivity due to the metallization of the arm. Accordingly, it is to be regarded as an embodiment of the invention if the electrical supply lines are varied within a component in terms of their width, their layer thickness and their material. However, it is also to be regarded as inventive if the arms themselves consist of an electrically conductive material. A suitable manufacturing technology to avoid electrical short circuits is not the subject of this invention.

Die Form der Hot Plate kann unterschiedlich sein. Es ist möglich die Hot Plate sowohl rund als auch rechteckig, quadratisch, dreieckig oder an die jeweiligen Anforderungen angepaßt auszuführen. Da die Wärmeausbreitung in einer Ebene ein rotationsmetrisches Problem dargestellt, kann es für die Homogenität der Temperatur auf der Hot Plate von Vorteil sein, sie rund zu gestallten. Bei den rechteckigen und quadratischen Formen der Hot Plate muss der Nachteil der Temperaturinhomogenität durch ein entsprechendes Design des Heizers umgangen werden. Dies kann, wie oben bereits ennrähnt, durch eine die Temperaturverteilung auf der Hot Plate ausgleichende lokal unterschiedliche Leistungsabgabe des Heizers geschehen, oder durch andere oben beschriebene Maßnahmen. In allen Fällen sollte die Fläche der Hot Plate so klein wie möglich gehalten werden, da sowohl Verluste durch Konvektion als auch durch die Wärmestrahlung proportional zur Oberfläche sind.The shape of the hot plate can vary his. It is possible the hot plate is round, rectangular, square, triangular or to be adapted to the respective requirements. Because the heat spread represented a rotational metric problem in one plane it for the homogeneity the temperature on the hot plate can be beneficial in making it round. The rectangular and square shapes of the hot plate must the disadvantage of temperature inhomogeneity due to a corresponding Design of the heater to be bypassed. As above, this can be done ennrähnt, by compensating for the temperature distribution on the hot plate locally different output of the heater happen, or by other measures described above. In all cases the area the hot plate as small as possible can be kept since both losses by convection and by the heat radiation are proportional to the surface.

Die Dicke der Hot Plate sollte möglichst gering sein, damit die an den Armen hängende Masse möglicht gering ist. Sind aber mehrere Funktionalitäten auf der Hot Plate vereint, so kann es nötig sein, verschiedene Teile funktionale Teile der Hot Plate zwischen zwei Folienlagen zu legen. So ist es z.B. möglich, auf einer Hot Plate mindestens zwei Gassensoren unterzubringen, in dem sich auf der Unterseite und auf der Oberseite gassensitive Schichten und Elektrodenanordnungen befinden. Heizer und Temperaturfühler befinden sich zwischen zwei Lagen.The thickness of the hot plate should be as possible be small so that the mass hanging on the arms is as small as possible is. But if several functions are combined on the hot plate, so it may be necessary be different parts functional parts of the hot plate between to lay two layers of foil. So it is e.g. possible on a hot plate to accommodate at least two gas sensors in which on the Gas sensitive layers and electrode arrangements on the underside and on the top are located. Heater and temperature sensor are between two layers.

Eine weitere sehr einfache Ausführungsform findet man im Querschnitt einer Hot Plate in 9, einem Schnitt in AA, skizziert. Auf der Oberseite befindet sich die gassensitive Schicht und die Elektroden, in der nächsten unteren Lage der Temperaturfühler und ganz unten der Heizer, der zusätzlich noch von einer Schutzschicht abgedeckt sein kann. Nahezu den gleichen Aufbau findet man in 10, wobei hier noch eine zusätzliche elektrische Abschirmschicht eingebracht wurde.Another very simple embodiment can be found in the cross section of a hot plate in 9 , a cut in AA. On the top there is the gas sensitive layer and the electrodes, in the next lower layer the temperature sensor and at the very bottom the heater, which can also be covered by a protective layer. Almost the same structure can be found in 10 , with an additional electrical shielding layer being introduced here.

Ein geeignetes Wandlerprinzip für resistive gassensitive Materialien ist die Messung mittels eines Inter-Digital-Kondensators (IDK). Hierbei werden zwei, aus einzelnen kammartig angeordneten Fingern bestehende Elektroden, die versetzt ineinander greifen auf die Hot Plate aufgebracht. Darüber wird dann die gassensitive Schicht aufgebracht. Ein Beispiel ist in der EP 0 426 989 gezeigt. Dieses Prinzip wendet man bei Sensoren an, deren elektrische Kapazität sich mit Gasbeprobung ändert. Oder dann, wenn die Funktionsschichten sehr hochohmig sind. Dann kann es nötig sein, den Abstand der Finger und die Fingerbreite des IDK zu verkleinern. Dies kann es erforderlich machen, den IDK nicht mehr mittels Siebdruck aufzubringen. Ein geeignetes Verfahren zum Herstellen geringer Strukturbreiten ist die Photolithographie. Hierbei wird zuerst eine flächige oder vorstrukturierte elektrisch leitfähige Schicht, z.B. eine Metallschicht, aufgebracht. Diese wird mittels eines photoempfindlichen Lackes bedeckt. Der wird Lack belichtet und strukturiert. Danach wird die elektrische leitfähige Schicht an den freien Stellen abgeätzt. Dadurch können sehr feine Strukturen im μm-Bereich erhalten werden. Aufgrund dieser Ausführungen wird verständlich, dass es ebenfalls Gegenstand dieser Erfindung ist, Strukturen auf der Hot Plate und/oder auf den Armen mittels Dünnschichttechnik herzustellen. Weiterhin lehrt diese Erfindung ebenfalls Strukturen auf der Hot Plate und/oder auf den Armen mit Hilfe photolithographischer Prozesse zu strukturieren.A suitable converter principle for resistive gas-sensitive materials is measurement using an inter-digital capacitor (IDK). Here, two electrodes consisting of individual fingers arranged in a comb-like manner, which interlock with one another, are applied to the hot plate. The gas-sensitive layer is then applied over this. An example is in the EP 0 426 989 shown. This principle is applied to sensors whose electrical capacitance changes with gas sampling. Or when the functional layers are very high impedance. Then it may be necessary to reduce the distance between the fingers and the finger width of the IDK. This may make it necessary to no longer apply the IDK using screen printing. A suitable method for producing small structural widths is photolithography. Here, a flat or pre-structured electrically conductive layer, for example a metal layer, is applied first. This is covered with a photosensitive varnish. The varnish is exposed and structured. The electrically conductive layer is then etched off at the free locations. This enables very fine structures in the μm range to be obtained. On the basis of these statements, it is understandable that it is also the subject of this invention to produce structures on the hot plate and / or on the arms by means of thin-film technology. Furthermore, this invention also teaches to structure structures on the hot plate and / or on the arms with the aid of photolithographic processes.

Um eine homogenere Temperaturverteilung auf der Hot Plate zu erhalten, ist es möglich, eine Folie mit höherer Wärmeleitfähigkeit in die Hot Plate einzulaminieren. Der Aufbau einer solchen Hot Plate zeigt 11. Die hochwärmeleitfähige Lage befindet sich in diesem Fall zwischen Heizer und gassensitiver Schicht. Diese Lage kann z.B. auch aus einem bereits gesinterten Werkstoff bestehen (z.B. Al₂O₃). Zur Verbesserung der Haftung mit den anderen Lagen kann sie Durchbohrungen aufweisen, die mit keramischem Klebematerial gefüllt sind. Da Wärmeleitungsverluste im Bereich konstanter Temperatur keine Rolle spielen, wird dadurch der Leistungsbedarf der Hot Plate nicht vergrößert. Es wird aus diesen Ausführungen auch verständlich, dass es ebenfalls erfindungsgemäß ist, wenn eine Kombination einzelner Lagen aus bereits gesinterten Lagen und aus während des Brennprozesses sinternden Lagen miteinander zur Herstellung der Hot Plate kombiniert werden.In order to obtain a more homogeneous temperature distribution on the hot plate, it is possible to laminate a film with higher thermal conductivity into the hot plate. The structure of such a hot plate shows 11 , In this case, the highly heat-conductive layer is located between the heater and the gas-sensitive layer. This layer can also consist, for example, of an already sintered material (for example Al ₂ O ₃ ). To improve the adhesion with the other layers, it can have perforations which are filled with ceramic adhesive material. Since heat conduction losses do not play a role in the constant temperature range, the power requirement of the hot plate is not increased. It is also understandable from these explanations that it is also according to the invention if a combination of individual layers from layers already sintered and from layers sintered during the firing process are combined with one another to produce the hot plate.

Ein geringfügig abgeänderte Form des Sensors gemäß 12 erlaubt es, noch besser in heißen und/oder strömenden Gasen zu messen. Die eigentliche Hot Plate wird auf der Spitze eines länglichen Trägerelementes befestigt. Dieses System kann dann wie z.B. bei einem Automobilsauerstoffsensor (siehe z.B. 9 in [1]) in ein Gehäuse eingebracht werden, welches eine Schutzfunktion erfüllt.A slightly modified shape of the sensor according to 12 allows to measure even better in hot and / or flowing gases. The actual hot plate is attached to the tip of an elongated support element. This system can then be used, for example, for an automotive oxygen sensor (see e.g. 9 in [1]) into a housing that fulfills a protective function.

13 zeigt eine weiter abgewandelte Form zum Messen von Gaskonzentrationen in strömenden Gasen. Die Hot Plate ist hier über die Arme mit dem Trägerelement verbunden. Die Arme verkleinern der Querschnitt der wärmeleitenden Fläche, so dass der Heizbedarf geringer wird, als bei konstantem Querschnitt. Bei konventionellen planaren Gassensoren wird die gassensitive Schicht auf die Spitze eines Keramikplättchens aufgebracht. Das Keramikplättchen besitzt über die gesamte Länge den gleichen Querschnitt. Es ist nun mit einem Gassensor in keramischer Folientechnologie möglich, den aktiv beheizten Bereich des Gassensors abzutrennen. Der beheizte Bereich wird abgetrennt, indem keramische Folien in der in 13 skizzierten Form hergestellt und versintert werden. Die Hot Plate ist auch hier beispielhaft durch vier Arme vom Rest des Sensors abgetrennt. Es müssen hierzu drei verschiedene Folien gestanzt werden. Die Folien werden in der dargestellten Form aufeinander laminiert. Der untere Teil der 13 zeigt einen Schnitt durch einen solchen Sensor (Ebene A'A'), der erkennen lässt, wo sich Arme und Hot Plate befinden. Denkbar sind auch bei dieser Form Sensoren mit einem, zwei oder drei Armen, je nachdem wie die Anforderungen an Stabilität und Heizleitung sind. 13 shows a further modified form for measuring gas concentrations in flowing gases. The hot plate is connected to the carrier element via the arms. The arms reduce the cross-section of the heat-conducting surface, so that the heating requirement is lower than with a constant cross-section. In conventional planar gas sensors, the gas-sensitive layer is applied to the tip of a ceramic plate. The ceramic plate has the same cross-section over the entire length. It is now possible with a gas sensor in ceramic film technology to separate the actively heated area of the gas sensor. The heated area is separated by ceramic foils in the 13 sketched form are manufactured and sintered. The hot plate is also separated from the rest of the sensor by four arms, for example. For this, three different foils have to be punched. The foils are laminated on top of one another in the form shown. The lower part of the 13 shows a section through such a sensor (level A'A '), which shows where the arms and hot plate are located. With this form, sensors with one, two or three arms are also conceivable, depending on the requirements for stability and heating cable.

Die Hot Plate mit ihren Armen kann wie in 1 über einer Kavität mit Bodenplatte angeordnet werden. Es ist aber auch eine Anordnung über einer Kavität ohne Bodenplatte möglich (14). Durch die Bodenplatte wird die Konvektion in Falle eines waagerechten Einbaus behindert. Die Luft unterhalb der Hot Plate wirkt als Luftpolster, dadurch wird der Heizleistungsbedarf verringert. Bei Anordnung ohne Bodenplatte kann die Luft von unten am Sensor vorbeiströmen. Dadurch ist die Gasaustauschzeit am Sensor etwas geringer. Allerdings steigt auch der Heizleistungsbedarf etwas an, da das größere vorbeiströmende Gasvolumen der Hot Plate und den Armen mehr Wärme entzieht.The hot plate with her arms can be like in 1 be placed over a cavity with a base plate. However, an arrangement above a cavity without a base plate is also possible ( 14 ). Convection is hindered by the base plate in the event of horizontal installation. The air below the hot plate acts as an air cushion, which reduces the heating power requirement. When arranged without a base plate, the air can flow past the sensor from below. This means that the gas exchange time at the sensor is somewhat shorter. However, the heating power requirement also increases somewhat, since the larger gas volume flowing past draws more heat from the hot plate and the arms.

Technologisch kann es schwierig sein, den Aufbau der o.g. erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele komplett in einem Co-Firing-Verfahren herzustellen. Es bietet sich daher auch an, die Bodenplatte, die Kavität und/oder die Hot Plate in einem separaten Schritt herzustellen. Dieses Verfahren wird man dann wählen, wenn Werkstoffe mit den gewünschten thermophysikalischen Eigenschaften nur bei unterschiedlichen Temperaturen oder mit unterschiedlichen Schwindungsraten sintern. Dann kann man ein solches auf einer keramischen Hot Plate basierendes Teil dadurch herstellen, dass bereits geformte Elemente mittels eines Klebers zusammengefügt werden. Hierzu bieten sich Kunststoffkleber an, falls das gesamte Bauteil nicht auf hohe Temperaturen gebracht wird. Wird jedoch das gesamtre Bauteil hohen Temperaturen ausgesetzt, kann auch ein Keramikkleber oder ein Glaslot verwendet werden. Dabei spielt es auch keine Rolle, ob die einzelnen Elemente wie Bodenplatte, Kavität oder Hot Plate ursprünglich aus einer strukturierten keramischen Folie hergestellt wurden, oder ob sie etwa erst nach dem Sinterprozess strukturiert wurden. Die einzelnen Elemente kann man auch in einer konventionellen keramischen Technologie herstellen (eleganterweise aber nicht notwendigennreise endformnah) und danach zusammenfügen.Technologically, it can be difficult the structure of the above Embodiments of the invention completely in a co-firing process. It is therefore also an option on, the base plate, the cavity and / or to make the hot plate in a separate step. This method then you will choose if materials with the desired thermophysical properties only at different temperatures or sinter with different shrinkage rates. Then one can such a part based on a ceramic hot plate manufacture that already shaped elements using an adhesive together become. Plastic adhesives are suitable if the entire Component is not brought to high temperatures. However, it will Ceramic components can also be exposed to high temperatures or a glass solder can be used. It doesn't matter whether the individual elements such as base plate, cavity or hot plate originally a structured ceramic film were produced, or whether they were only structured after the sintering process. The individual elements can also be found in a conventional ceramic Manufacturing technology (elegantly but not necessary travel close to the final shape) and then put together.

Es ist ebenfalls als Gegenstand der Erfindung anzusehen, wenn nur ein Teil des Sensors, z.B. die Hot Plate in keramischer Mehrlagentechnologie hergestellt wird. Die Bodenplatte kann z.B. aus einem konventionellen keramischen Substrat, aus einem Metall, aus einem glasierten Stahlsubstrat („enameled steel") oder aus einem anderen Werkstoff, der der Temperaturbelastung standhält, bestehen. In einem geeigneten Herstellungsverfahren könnte z.B. auf einem keramischen Substrat ein Abstandshalter in Dickschichttechnik aufgebracht werden und darauf eine bereits vorgefertigte Hot Plate gesintert oder geklebt werden.It is also to be regarded as an object of the invention if only a part of the sensor, for example the hot plate, is produced in ceramic multilayer technology. The base plate can consist, for example, of a conventional ceramic substrate, of a metal, of a glazed steel substrate (“enameled steel”) or of another material that can withstand the temperature load. In a suitable manufacturer For example, a spacer using thick-film technology could be applied to a ceramic substrate and an already prepared hot plate sintered or glued onto it.

Es soll nun noch einmal der Vorteil des geringeren Leistungsbedarf gegenüber anderen Technologien quantitativ dargestellt werden. Der berechnete Heizleistungsbedarf des erfindungsgemäßen Gassensors in keramischer Mehrlagentechnologie bei einer Temperatur der gassensitiven Schicht von 400 °C beträgt etwa 1 W. Dies wird lediglich von den oben genannten in der MEMS Technologie hergestellten Sensoren unterboten. Nach [4] haben diese einen typischen Leistungsverbrauch von etwa 0,2W bei 400°C. Konventionelle Dickschichtsensoren, wie sie im automobilen Abgas eingesetzt werden, haben einen Heizleistungsverbrauch von etwa 5W bei 400 °C. Der Heizleistungsbedarf für einen oben schon erwähnten und in [4] abgebildeten, auf Drähten aufgehängten, in Dickschichttechnik hergestellten Gassensor wird in [4] mit 1 W angegeben, allerdings bei einer Temperatur von nur 330°C. Somit erzielt man also mit dem erfindungsgemäßen Aufbau einen deutlichen Vorteil im Leistungsbedarf.The advantage of the lower power requirement compared to other technologies should now be quantitatively presented. The calculated heating power requirement of the gas sensor according to the invention in ceramic multilayer technology at a temperature of the gas-sensitive layer of 400 ° C. is approximately 1 W. This is only undercut by the above-mentioned sensors manufactured in MEMS technology. To [ 4] they have a typical power consumption of about 0.2W at 400 ° C. Conventional thick-film sensors, such as those used in automotive exhaust, have a heating power consumption of around 5W at 400 ° C. The heating power requirement for a gas sensor mentioned above and shown in [4], suspended on wires and manufactured using thick-film technology, is given in [4] as 1 W, but at a temperature of only 330 ° C. Thus, with the structure according to the invention, a clear advantage in terms of power requirement is achieved.

Es sei zum Abschluss noch darauf hingewiesen, dass der Begriff „Gassensor" weiter zu fassen ist. So kann z.B. auch die Feuchte der Luft mit einem erfindungsgemäßen Sensor gemessen werden, wenn als Elektrodenstruktur eine IDK und eine geeignete poröse Schicht als Funktionsschicht verwendet wird. Ebenso kann durch die Anordnung von mehreren Temperatursensoren auf der Oberfläche dieser in keramischer Mehrlagentechnologie hergestellten Hot Plate ein Gasströmungssensor oder ein auf dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip basierender Gassensor hergestellt werden.At the end it was still on it pointed out that the term "gas sensor" should be taken further is. For example, also the humidity of the air with a sensor according to the invention be measured if an IDK and a suitable one are used as the electrode structure porous Layer is used as a functional layer. Likewise, through the Arrangement of several temperature sensors on the surface of this hot plate manufactured in ceramic multilayer technology Gas flow sensor or one based on the thermal conductivity principle based gas sensor.

Literaturliterature

[1] J. Riegel, N. Neumann, H.-M. Wiedenmann, Exhaust gas sensors for automotive emission control, solid state Ionics (2002) in press
[2] W. Göpel, K. D. Schierbaum, Sn02 sensors - current status and future prospects, Sensors and Actuators B, 26, 1-12, (1995).
[3] D.E Williams, Semiconducting oxides as gas-sensitive resistors, Sensors and Actuators B, 57, 1-16, (1999).
[4] I. Simon et al., Micromachined metal oxide gas sensors: opportunities to improve sensor performance, sensors and actuators B, 73, 1-26, (2001).
[5] M. Wagner, A. Roosen, Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) - multilayer ceramics for microelectronic Applications. In Kriegenmann J. (ed.): DKG-Handbuch Technische Ceramic materials, chap. 3.6.1.2, specialist publisher German Business Service, Of 2002.

Claims

Gas sensor element consisting of a hot plate which has electrical and sensory functional components necessary for gas detection, the hot plate being fastened to one or more narrow arms and the arms being spaced apart and monolithically connected to the hot plate, characterized in that that the hot plate and arms are at least partially made of ceramic multilayer technology.

Gas sensor element according to claim 1, characterized in that the electrical on and in the hot plate and sensory functional components from at least one of the following Elements consist: temperature sensors, Heater, gas-sensitive functional layer, electrodes, shielding layer, Temperature homogenization layer, layer with a small emission coefficient to minimize heat radiation losses.

Gas sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized that the manufacture of the entire gas sensor element in ceramic multilayer technology, the electrical and sensory functional components in thick film technology or using thin-film technology are made.

Gas sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized that arms and hot plate have different thicknesses exhibit.

Gas sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized that a combination of different materials used for hot plate and arms becomes.

Gas sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that elec electrodes, heaters or temperature sensors can be structured using photolithographic processes.

Gas sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized that the arms are at least partially on top of each other are arranged.

Gas sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the entire gas sensor element is an elongated Has shape, so that the entire gas sensor element is installed in a housing and in a gas-carrying Line can be introduced.

Gas sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized that individual sub-elements of the gas sensor element be made separately and then assembled.

Gas sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the individual sub-elements of the gas sensor element made of glazed metal are.

Gas sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized that it is used to determine the concentration of gas components, to determine the thermal conductivity a gas or to measure the velocity of a flowing gas is applied.