DE3513033C2

DE3513033C2 -

Info

Publication number: DE3513033C2
Application number: DE19853513033
Authority: DE
Inventors: Hans Joerg Dipl.-Kaufm. 4600 Dortmund De Huebner
Original assignee: GESELLSCHAFT fur GERAETEBAU MBH 4600 DORTMUND DE
Current assignee: GESELLSCHAFT fur GERAETEBAU MBH 4600 DORTMUND DE
Priority date: 1984-05-05
Filing date: 1985-04-11
Publication date: 1991-10-24
Also published as: DE3513033A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors für die katalytische Verbrennung, wobei der Sensor einen Träger, ein als Dünnfilm widerstand oder als Dickfilmwiderstand flächenhaft auf den Träger aufge brachtes Widerstands-Heizelement aus Metall, ein als flächenhafte Beschich tung auf das Widerstands-Heizelement und ggf. auf den Träger aufgebrachtes Katalysatormaterial ggf. eine zwischen dem Träger und dem Widerstands-Heiz element vorgesehene Isolierschicht und ggf. eine Diffusionssperrschicht zum Schutz des Katalysatormaterials aufweist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Sensors für die katalytische Verbrennung insbesondere von Methan (CH₄), bei dem das Widerstands-Heizelement vorzugsweise aus Platin oder Gold besteht, das Kata lysatormaterial vorzugsweise mit einer Verbindung der Platingruppe, d. h. einer Palladium-, Platin-, Rhodium- oder Iridiumverbindung im Katalysator material ausgeführt ist und die Isolierschicht thermisch und/oder elektrisch isolierend wirkt. Ein derartiger Sensor ist bekannt (DE-OS 27 15 329). Dieser Sensor ist für den Nachweis von Methan, Butan, Propan und anderen Brenngasen geeignet, wobei Temperaturen um 500 K bis 800 K am Widerstands-Heizelement erreicht werden.

Die zuvor erläuterten Temperaturen im bekannten Sensor für die katalytische Verbrennung werden durch die elektrische Beheizung des Katalysatormaterials durch das Widerstands-Heizelement erzielt. Dieses Widerstands-Heizelement dient gleichzeitig aber auch der Messung, also dem Nachweis des Auftretens einer katalytischen Verbrennung und damit des Auftretens beispielsweise von Methan (CH₄). Tritt also Methan (CH₄) und damit eine katalytische Verbrennung auf, so steigt mit der eigenen Temperatur des Widerstands-Heizelementes auch dessen Widerstand selbst an. Diese Widerstandsänderung wird als Meßgröße für die Konzentration von nachzuweisendem Methan (CH₄) herangezogen. Das gilt natürlich in gleicher Weise für alle anderen nachzuweisenden Kohlen wasserstoffe.

Der bekannte Sensor (DE-OS 27 15 329) ist herstellungstechnisch schon recht zweckmäßig, da es sich um eine flächenhafte Konstruktion handelt. Der letzt lich hergestellte, flächenhafte Sensor ist unempfindlich in mechanischer und elektrischer Hinsicht. Allerdings muß der plattenartige Träger des be kannten Sensors wegen der bei der Herstellung auftretenden mechanischen Be anspruchungen eine bestimmte Mindestdicke haben. Diese Mindestdicke hängt natürlich vom Material des Trägers ab. Andererseits möchte man den Träger so dünn wie möglich halten, damit seine Wärmekapazität so klein wie möglich ist. Eine geringe Wärmekapazität bedeutet nämlich eine hohe Ansprechgeschwin digkeit und Meßempfindlichkeit eines Sensors der in Rede stehenden Art.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde anzugeben, wie ein Sensor der in Rede stehenden Art hergestellt werden muß, um eine möglichst hohe Meß empfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit zu haben, ohne daß mechanische Probleme bei der Herstellung auftreten.

Ds erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, zeichnet sich dadurch aus, daß der Träger zur erleich terten Handhabung während des Herstellungsprozesses als massive Platte einer bestimmten Dicke ausgebildet wird und nach im wesentlichen beendetem Herstellungsprozeß, frühestens aber nach dem Aufbringen des Widerstands- Heizelements auf den Träger, das Material des Trägers von der dem Widerstands- Heizelement abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche Dicke abgetragen wird. Erfindungsgemäß wird also der Träger während des mechanisch besondere Belastungen verursachenden Her stellungsprozesses als massive Platte einer bestimmten, größeren Dicke ge handhabt. Dadurch läßt sich der Träger während der Herstellung auch leicht handhaben. Welche Dicken für den Träger hier in Frage kommen, wird später noch genauer erläutert. Später wird dann das Material des Trägers auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche, geringere Dicke abgetragen, so daß der Träger im Endprodukt nur gerade die Dicke hat, die aus mechanischen Gründen im Einsatz unbedingt erforderlich ist. Dadurch hat der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensor im spä teren Einsatz die geringstmögliche Wärmekapazität.

Mitunter ist es aus herstellungstechnischen Gesichtspunkten zweckmäßig, daß nach dem Aufbringen des Widerstands-Heizelements zunächst noch die Be schichtung aus Katalysatormaterial und ggf. die Diffusionssperrschicht auf gebracht werden und danach erst das Material des Trägers abgetragen wird.

In besonders zweckmäßiger Weise läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sensors für die katalytische Verbrennung dadurch aus gestalten, daß das Material des Trägers nur in den Bereichen auf die min destens erforderliche Dicke abgetragen wird - Abtragsbereiche -, in denen auf der dem Widerstands-Heizelement zugewandten Seite das Widerstands- Heizelement tatsächlich angeordnet ist. Diese Lehre ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Widerstands-Heizelement nicht überall auf dem Träger aufgebracht worden ist, sondern sich beispielsweise mäanderförmig über den Träger windet. Dieser Lehre der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es mitunter aus Festigkeitsgesichtspunkten nicht vertretbar ist, die gesamte den Träger zunächst darstellende massive Platte auf die geringe Dicke abzutragen. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß aus wärmetechnischen Gründen auch ein Abtragen des Materials des Trägers in den Bereichen des Widerstands-Heizelementes ausreicht, da die für die Wärmeabgabe an den Trä ger relevante Wärmekapazität des Trägers primär durch die dem Widerstands- Heizelement nahen Bereiche bestimmt wird. Die stegartig stehenbleibenden Bereiche des Trägers mit der ursprünglichen Dicke sind hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit des Trägers hilfreich, stören jedoch in wärme technischer Hinsicht praktisch nicht.

Während man einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensor an sich nur an der geringen Dicke des Trägers durch Nachmessen erkennt, er kennt man einen nach dem zuvor erläuterten, besonders bevorzugten Verfahren hergestellten Sensor an der zerklüfteten Struktur der Rückseite des Trägers ohne weiteres.

Dann, wenn der Träger zumindest in den Abtragsbereichen eine möglichst ge ringe Dicke aufweist, folgt die Temperatur auf der vom Widerstands-Heizele ment abgewandten Seite des Trägers zumindest in den Abtragsbereichen sehr schnell der Temperatur des Widerstands-Heizelementes selbst. Die geringe Temperaturempfindlichkeit des Widerstands-Heizelementes bei Verwendung üblicher Metalle läßt sich dadurch wirkungsmäßig umgehen, daß auf der vom Widerstands-Heizelement abgewandten Seite des Trägers, d. h. vorzugsweise in den Abtragsbereichen, zumindest in einem Abtragsbereich, ein Temperatur- Meßelement, vorzugsweise ein Thermoelement, ein temperaturempfindlicher Widerstand, ein Thermistor, ein Transistor oder eine Diode, angebracht wird bzw. werden. Hierbei wird also dem Widerstands-Heizelement die Meßfunktion genommen und einem eigenständigen und möglichst hochempfindlichen Meßelement zugeordnet. Dadurch wird die Meßempfindlichkeit und die Meßgenauigkeit eines solchen Sensors in ganz erheblichem Maße gesteigert. Dies ist jedoch nur dadurch möglich, daß die Ansprechgeschwindigkeit wegen des geringen Abstands des Widerstands-Heizelementes vom Temperatur-Meßelement ausreichend hoch ist. Welcher Art das Temperatur-Meßelement genau ist, hängt von den im Betrieb zu erwartenden Temperaturen ab, die wiederum von dem durch die katalytische Verbrennung nachzuweisenden Gas abhängen.

Hinsichtlich der Maße des Trägers empfiehlt sich anfänglich eine Dicke von 0,3 bis 1,0 mm und dann in den Abtragsbereichen eine Dicke von 0,05 bis 0,2 mm.

Zuvor ist bereits erläutert worden, daß eine geringstmögliche Wärmekapazität für einen Sensor der in Rede stehenden Art interessant ist. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn der Träger in den an das Widerstands-Heizelement angrenzenden Bereichen mit Materialaussparungen versehen wird. Dadurch wird erreicht, daß das Widerstands-Heizelement gleichsam in den übrigen Träger eingehängt wird, daß also der Wärmeübergangswiderstand hinsichtlich des übrigen Trägers hoch ist. Man kann einen ähnlichen Effekt auch dadurch erreichen, daß man die ggf. vorhandene Isolierschicht ständerartig ausführt, also mit Unterbrechungen versieht, so daß das Widerstands-Heizelement gleichsam auf den Träger aufge ständert wird.

Für die herstellungstechnisch zulässigen mechanischen Belastungen einerseits und für die im Betrieb realisierte Festigkeit andererseits sind auch die Schichtdicken der verschiedenen Schichten von Bedeutung, da das erfindungs gemäße Verfahren ja zur Herstellung in einer Art Verbundkonstruktion dient. Insoweit empfiehlt es sich, daß die Isolierschicht in einer Schichtdicke von 0,001 bis 0,1 mm (1 bis 100 µm) aufgebracht wird und/oder daß das Wider stands-Heizelement in einer Schichtdicke von 0,0005 bis 0,01 mm (0,5 bis 10 µm) aufgebracht wird und/oder daß das Katalysatormaterial in einer Schicht dicke von 0,0001 bis 0,01 mm (0,1 bis 1,0 µm) aufgebracht wird und/oder daß die Diffusionssperrschicht in einer Schichtdicke von 0,001 bis 0,01 mm (1 bis 10 µm) aufgebracht wird. Die zuvor erläuterten verschiedenen Schichten erfüllen also im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eines doppelten Zweck, einerseits den jeweils erläuterten physikalisch/chemischen Zweck, andererseits einen mechanischen Zweck.

Es kann sich schließlich empfehlen, im erfindungsgemäßen Verfahren den Trä ger aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Silizium, insbesondere aus einkristallinem Silizium herzustellen, wobei dann die eventuell vor handene Isolierschicht aus Siliziumoxid (SiO₂), aber auch aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) bestehen kann. Besteht der Träger aus einem Halbleitermaterial, vor zugsweise aus einkristallinem Silizium, so kann der Träger gleichzeitig als Grundmaterial für einen integrierten Schaltkreis dienen. Beim heutigen Inte grationsgrad von elektronischen Schaltungen läßt sich so unter Umständen in den Sensor die komplette Auswerteschaltung integrieren, was natürlich beson ders kostengünstig wäre.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 in Draufsicht und rein schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Sensors für die katalytische Verbrennung,

Fig. 2 in rein schematischer Darstellung, nicht maßstabsgetreu und stark vereinfacht, einen Schnitt durch den Gegenstand nach Fig. 1 ent lang der Linie II-II und

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungs form eines Sensors.

Der in den Figuren dargestellte Sensor 1 ist für katalytische Verbrennung von Methan (CH₄) oder anderen Kohlenwasserstoffen bestimmt und weist ein Widerstands-Heizelement 2 aus Platin auf. Von dem Widerstands-Heizelement 2 wird ein nicht näher dargestelltes Katalysatormaterial beheizt, nämlich ein Material mit einer Verbindung der Platingruppe, im hier dargestellten Aus führungsbeispiel einer Palladiumverbindung. Nicht dargestellt ist auch eine Diffusionssperrschicht zum Schutz des Katalysatormaterials vor dem Zutritt von schädlichen Stoffen wie Schwefeldioxid.

In den Figuren ist deutlich erkennbar, daß ein plattenartiger Träger 3 vor gesehen und das Widerstands-Heizelement 2 als Dünnfilmwiderstand flächen haft und mäanderförmig auf den Träger 3 aufgebracht ist. Nicht erkennbar ist, daß das Katalysatormaterial als flächenhafte Beschichtung auf das Widerstands-Heizelement 2 aufgebracht ist.

Fig. 2 läßt erkennen, daß der Träger 3 zur erleichterten Handhabung während des Herstellungsprozesses als massive Platte einer Dicke D ausgebildet und nach beendetem Herstellungsprozeß das Material des Trägers 3 von der vom Widerstands-Heizelement 2 abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeits gesichtspunkten mindestens erforderlichen Dicke D′ abgetragen worden ist. Genau gesagt ist das Material des Trägers 3 jedoch nur in den Bereichen auf die Dicke D′ abgetragen worden, in denen auf der dem Widerstands-Heiz element 2 zugewandten Seite das Widerstands-Heizelement 2 tatsächlich ange ordnet ist. Dies sind die sogenannten Abtragsbereiche 4. Auf der "Rückseite" oder "Unterseite" des Trägers 3 des Senders 1 bleiben also zwischen den Ab tragsbereichen 4 mit geringer Dicke D′ Stege 5 des Trägers 3 mit der ur sprünglichen Dicke D stehen. Im dargestellen Ausführungsbeispiel ist D = 0,65 mm, während D′ = 0,09 mm ist.

Aus Fig. 2 läßt sich erkennen, daß in den Abtragsbereichen 4 auf der vom Widerstands-Heizelement 2 abgewandten Seite des Trägers 3 ein Temperatur- Meßelement 6, nämlich ein temperaturempfindlicher Widerstand in ebenfalls mäanderförmiger Ausgestaltung vorgesehen ist. Die Temperatur an der Unter seite des Trägers 3 im Abtragsbereich 4 bzw. in den Abtragsbereichen 4 folgt sehr schnell der Temperatur des Widerstands-Heizelementes 2, so daß bei entsprechender Empfindlichkeit des Temperatur-Meßelementes 6 eine äußerst empfindliche und schnelle Messung gewährleistet ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht der Träger 3 aus einkristallinem Silizium und ist zwischen dem Träger 3 und dem Widerstands- Heizelement 2 eine im einzelnen nicht dargestellte Isolierschicht vorge sehen. Der Träger 3 dient, auch das ist in der Zeichnung nicht dargestellt, gleichzeitig als Grundmaterial für einen integrierten Schaltkreis. Die Iso lierschicht besteht aus Siliziumoxid (SiO₂), kann also in üblicher Standard technik auf der Oberseite des Trägers 3 erzeugt werden. Sie hat eine Schicht dicke von ca. 2 µm. Das Widerstands-Heizelement 2 hat im dargestellten Aus führungsbeispiel eine Schichtdicke von ca. 1 µm, für das Katalysatormaterial, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, empfieht sich eine Schicht dicke von ca. 0,5 µm. die Diffusionssperrschicht weist im dargestellten Aus führungsbeispiel eine Schichtdicke von ca. 2 µm auf.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind ergänzende Maßnahmen zur weiteren Reduzierung der Wärmekapazität verwirklicht. Einerseits ist der Träger 3 in den an das Widerstands-Heizelement 2 angrenzenden Bereichen mit Mate rialaussparungen 7 versehen, andererseits sind zwischen dem Träger 3 und dem Widerstands-Heizelement 2 thermisch isolierende Distanzelemente 8 vor gesehen. Wegen der Materialaussparungen 7 und der thermisch isolierenden Distanzelemente 8 wird die Wärmekapazität im wesentlichen durch die Wärme kapazität des Widerstands-Heizelementes 2 bestimmt; die Wärmekapazität des Trägers 3 geht wegen der Materialaussparungen 7 und der thermisch iso lierenden Distanzelemente 8 nur noch reduziert in die insgesamt wirksame Wärmekapazität ein.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Sensors für die katalytische Verbrennung, wobei der Sensor einen Träger, ein als Dünnfilmwiderstand oder als Dickfilm widerstand flächenhaft auf den Träger aufgebrachtes Widerstands-Heizelement aus Metall, ein als flächenhafte Beschichtung auf das Widerstands-Heizele ment und ggf. auf den Träger aufgebrachtes Katalysatormaterial ggf. eine zwischen dem Träger und dem Widerstands-Heizelement vorgesehene Isolierschicht und ggf. eine Diffusionssperrschicht zum Schutz des Katalysatormaterials auf weist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zur er leichterten Handhabung während des Herstellungsprozesses als massive Platte einer bestimmten Dicke ausgebildet wird und nach im wesentlichen beendetem Herstellungsprozeß, frühestens aber nach dem Aufbringen des Widerstands- Heizelements auf den Träger, das Material des Trägers von der dem Widerstands- Heizelement abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche Dicke abgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen des Widerstands-Heizelements zunächst noch die Beschichtung aus Katalysator material und ggf. die Diffusionssperrschicht aufgebracht werden und danach erst das Material des Trägers abgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Trägers nur in den Bereichen auf die mindestens erforderliche Dicke ab getragen wird - Abtragsbereiche -, in denen auf der dem Widerstands-Heiz element zugewandten Seite das Widerstands-Heizelement tatsächlich angeordnet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abtragen des Materials des Trägers auf der vom Widerstands-Heiz element abgewandten Seite des Trägers, vorzugsweise in den Abtragsbereichen, zumindest in einem Abtragsbereich, ein Temperatur-Meßelement, vorzugsweise ein Thermoelement, ein temperaturempfindlicher Widerstand, ein Thermistor, ein Transistor oder eine Diode, angebracht wird. bzw. werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Trägers von einer Dicke von 0,3 bis 1,0 mm auf eine Dicke von 0,05 bis 0,2 mm abgetragen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger in den an das Widerstands-Heizelement angrenzenden Bereichen mit Materialaussparungen versehen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht in einer Schichtdicke von 0,001 bis 0,1 mm (1 bis 100 µm) aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstands-Heizelement in einer Schichtdicke von 0,0005 bis 0,01 mm (0,5 bis 10 µm) aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial in einer Schichtdicke von 0,0001 bis 0,01 mm (0,1 bis 10 µm) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht in einer Schichtdicke von 0,001 bis 0,01 mm (1 bis 10 µm) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Silizium, insbeson dere aus einkristallinem Silizium, hergestellt wird und ggf. die Isolier schicht aus Siliziumoxid aufgebracht wird.