DE4223432A1 - Gassensor mit einem temperaturfuehler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur des Gassensors, wobei der Temperatur­ fühler gemeinsam mit dem Gassensor in planarer Technik auf dem Substrat angeordnet ist.

Bisher wurden sogenannte resistive Temperaturfühler-Signale als Eingangsgröße für die Sensorbeheizung benutzt. Der Wider­ stand von Platinleiterbahnen (in Dickschicht- bzw. Dünn­ schichttechnologie realisiert) besitzt im relevanten Temperaturbereich eine gut auswertbare Temperaturabhängigkeit. Außerdem ist es bekannt, zur Einstellung der erforderlichen Betriebstemperatur des Sensors eine Kompensationsschaltung aus einem aktiven und einen passivierten (d. a. gasdicht abgedeckten) Gassensorelement zur Kompensation kurzfristiger Temperatur­ schwankungen zu verwenden. Mit der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands des passivierten Gassensorelements wird die Temperaturabhängigkeit des Widerstands des aktiven Sensorelements über eine Brückenschaltung ausgeglichen. Durch die zum Teil geforderten extrem hohen Einsatztemperaturen und extrem rauhen Einsatzbedingungen ist mit beiden der bekannten Verfahren eine Langzeitstabilität nur mit aufwendigen und ent­ wicklungsintensiven Vorkehrungen zu erreichen. Die beiden ge­ nannten Aufgaben konnten bisher nur wie zuvor beschrieben, mit zwei getrennten Vorrichtungen gelöst werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Sensor mit integriertem Temperaturfühler zu schaffen, der die zuvor genannten Nachteile beim Stand der Technik ver­ meidet und als Hochtemperatur-Gassensor zur Erfassung schneller Temperaturwechsel geeignet ist, wobei der Gassensor einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen soll.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Gassensor der eingangs ge­ nannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Temperaturfühler als Thermoelement ausgebildet ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Der erfindungsgemäße Gassensor mit dem integrierten Temperatur­ fühler in Form eines Thermoelements ist vorteilhafterweise insbesondere zur Erfassung und Kompensation kurzfristiger Temperaturschwankungen, wie sie beispielsweise bei Last­ wechseln eines Verbrennungsmotors auftreten, zu verwenden. Temperaturschwankungen im Sub-Sekundenbereich können im allge­ meinen nicht durch Nachregelung der Heizung vermieden werden. Bei Verwendung der schnellen Temperatursensoren entfällt die Notwendigkeit der technologisch äußerst aufwendig zu reali­ sierenden Passivierungsschicht.

Der erfindungsgemäße Gassensor mit dem integrierten Temperatur­ fühler ist vorteilhaft beispielsweise als schneller, zylinder­ selektiver Sauerstoffsensor im Kfz-Abgastrakt oder als Sensor für reduzierende Gase bei hohen Temperaturen auf dem Gebiet der Kfz-Motoren oder auf dem Gebiet chemischer Großprozesse anzuwenden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im Einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gassensor­ struktur mit einem gemeinsamen Substrat oder Träger­ körper für eine gassensitive Schicht mit einer Inter­ digitalen Kontaktelektrodenanordnung sowie einer so­ genannten Thermopaarung mit einer für Thermoelemente typischen Kontaktstelle.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Gassensors, wobei die Thermopaarung mit ihrer Kontaktstelle zwischen den Zu- bzw. Abführungsleiterbahnen für die Kontaktelektrodenanordnung vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Thermopaarung mit einer ihrer Leiterbahnen gemeinsam mit einer der Leiterbahnen der Kontakt­ elektrodenanordnung für die gassensitive Schicht aus­ gebildet ist.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei der zwei unabhängig voneinander arbeitende Gassensoren mit einer gemeinsamen Thermopaarung auf dem Trägerkörper oder dem Substrat angeordnet sind, wobei eine der Leiterbahnen der Thermopaarung gemeinsam mit einer der Leiterbahnen einer der Kontaktelektrodenan­ ordnungen ausgebildet ist.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit mehreren Temperaturzonen auf einem für mehrere Gassensoren gemeinsamen Trägerkörper, wobei nur in einer einzigen Temperaturzone von einer Vielzahl von Temperaturzonen ein gemeinsames Thermoelement zur direkten bzw. indirekten Erfassung der jeweiligen Sensor-Betriebstemperatur vorgesehen ist und wobei Temperaturzonen durch Einfügen einer Wärmebarriere in dem Trägerkörper gebildet sind.

Die vorliegende Erfindung sieht, wie bereits eingangs er­ läutert, die Verwendung eines stabilen Dünnschicht-Thermo­ elements zur Lösung der genannten Aufgabe vor.

Die Verwendung von Thermoelementen bedeutet die Anwendung eines Meßprinzips, das von seiner Funktion her eine besonders gute Stabilität und Unempfindlichkeit gegenüber erodierenden Einflüssen besitzt.

Bekanntermaßen existiert eine Reihe von Thermopaarungen, die auch bei höchsten Temperaturen ohne weitere Stabilisierungs­ maßnahmen eine hohe Langzeitstabilität aufweisen. Zur Auswahl geeigneter Materialien sei z. B. auf T. Elliott, "Selecting thermocouples for high-temperature applications" Power (USA), vol. 133. No. 7 (1989) p. 41, verwiesen. Gute Stabilitäts­ eigenschaften, auch in aggressiven Atmosphären besitzen z. B. Thermopaarungen auf der Basis von Legierungen von Platin­ metallen (z. B. Pt vs. Pt/10%Rh oder Pt/30%Rh vs. Pt/6%Rh) oder auf der Basis von Inconell.

Übliche Realisierungen von Thermoelementen (Schweißperle als Verbindung zweier verschiedener Drähte) weisen aufgrund ihrer zu hohen Wärmekapazität nicht das geforderte schnelle Ansprech­ verhalten auf. Die nötige Verringerung der Wärmekapazität wird durch die Realisierung der Thermoelemente in Form dünner Schichten erreicht. Diese Dünnschicht-Thermoelemente besitzen optimalen Temperaturkontakt zum Sensorsubstrat. Die Her­ stellung solcher Thermoelemente ist unter Verwendung von Dünn­ schichttechnologie (Sputtern, siehe z. B. J. G. Godefroy et al., "Thin-film temperature sensors deposited by radio frequency cathodic sputtering", J. Vac. Sci. Technol. AS (5) Sep/Oct 1987, p. 2917) oder unter Verwendung von Dickschicht- Technologie möglich. Die Herstellung dieser planaren Thermo­ elemente ist somit technologiekompatibel zu der Herstellung der Hochtemperatur-Gassensoren.

Thermoelemente benötigen eine Referenztemperatur. Bei be­ sonders hohen Anforderungen ist dies durch eine elektronische Referenz zu verwirklichen, bei nicht so hohen Anforderungen oder wenn hauptsätzlich kurzzeitige Temperaturschwankungen detektiert werden sollen, kann die Umgebungstemperatur als Referenz verwendet werden. Wenn derartige Thermoelemente in schnellen, zylinderselektiven Sauerstoffsensoren eingesetzt werden, ist die Auswertung der Thermospannung im mS-Zeitbereich erforderlich. Bei elektronisch abgespeicherten Kennlinien der Thermoelemente ist das mit üblichen Digitalelektroniken problemlos realisierbar.

Vorteile der Erfindung

• - Die thermoelektronische Spannung stellt im Gegensatz zu den zuvor angegebenen Verfahren eine geometrieunabhängige Größe dar. Sie wird somit in erster Näherung von dem, bei den extrem hohen Einsatztemperaturen auftretenden Materialver­ lust von Platinmetallen nicht berührt.
• - Wenn mit einer zusätzlichen Passivierung die Stabilität der Thermoelemente weiter gesteigert werden soll, sind die technologischen und materialtechnischen Anforderungen an eine solche Schicht weitaus geringer als bei der zuvor genannten Passivierung der Sensorschicht.
• - Da die thermoelektrische Spannung eine geometrieunabhängige und nur materialabhängige Größe darstellt, ist eine kalibrierfreie Herstellung derartiger Temperaturfühler möglich.
• - Die zu den Gassensoren technologiekompatiblen Thermoelemente erlauben eine problemlose Integrierbarkeit in den bisherigen Sensoraufbau in Form eines Mikrosystems.

Die erfindungsgemäße Gassensor-Struktur 1 und die Thermo­ element-Struktur 2 können erfindungsgemäß in Dünnschicht- Technik, in Dickschicht-Technik oder für die Gassensor- Struktur in Dünnschicht-Technik und die Thermoelement-Struktur In Dickschicht-Technik bzw. die Gassensor-Struktur in Dick­ schicht-Technik und die Thermoelement-Struktur in Dünnschicht- Technik ausgebildet sein.

Die Gassensor-Struktur 1 und die Thermoelement-Struktur 2 können seitlich nebeneinander auf dem gemeinsamen Trägerkörper 3 ange­ ordnet sein (vgl. Fig. 1) oder es kann vorgesehen sein, daß die Thermoelement-Struktur hinter der Gassensor-Struktur in Richtung auf den erforderlichen Befestigungssockel auf dem Trägerkörper angeordnet ist (vgl. Fig. 2). Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können die Thermoelement-Struktur und die Gassensor-Struktur derart ausgebildet sein, daß ein Schenkel der Thermopaarung des Thermoelements zumindest teilweise Be­ standteil einer Zuführungs- oder Abführungsleiterbahn des Gas­ sensors ist (vgl. Fig. 3). Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, daß zumindest zwei Gassensor-Strukturen 1 nebeneinander auf dem Trägerkörper 3 angeordnet sind und daß ein Schenkel der Thermo­ element-Struktur 2 zumindest teilweise Bestandteil einer Zu­ führungs- oder Abführungs-Leiterbahn einer der zumindest zwei Gassensor-Strukturen ist (vgl. Fig. 4).

Die Gassensorstruktur und/oder die Thermoelement-Struktur sind vorzugsweise mit einer Schutzschicht zum Schutz gegen Errosion abgedeckt. Erfindungsgemäß kann eine hochohmige, reaktions­ schnelle Elektronik zur Auswertung des jeweiligen Spannungs­ signals des Thermoelements vorgesehen sein, wobei die Elektronik gemeinsam für den Gassensor und das Thermoelement zu benutzen ist.

Als Thermopaarung für das Thermoelement kann die Kombination Pt/90%Pt, 10%Rh vorgesehen sein. Es ist auch möglich, für die Thermopaarung des Thermoelements unterschiedliche Legierungen aus Platin-Metallen vorzusehen. Schließlich kann vorgesehen sein, daß für die Thermopaarung des Thermoelements unter­ schiedliche Legierungen auf der Basis von verschiedenen zunderfreien Stählen, z. B. Inconell, vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Gassensor-Struktur mit integriertem Temperaturfühler ist auch dafür geeignet, sie im Rahmen eines Gassensor-Array mit einer Vielzahl von Gassensoren 1 gemäß den genannten Ausführungsbeispielen zu verwenden, wobei gegebenen­ falls mehrere Temperaturfühler 2 für verschiedene Betriebs­ temperaturfelder oder Zonen auf dem der Vielzahl von Gas­ sensoren 1 gemeinsamen Trägerkörper 3 zur Betriebstemperaturer­ fassung und Regelung der verschiedenen Betriebstemperaturen vorgesehen sein können (vgl. Fig. 5).

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Gas­ sensors oder eines Gassensor-Array mit zumindest einem diesem zugeordneten Temperaturfühler in Form eines Thermoelements sieht vor, daß gemeinsame Schritte zur Bildung der Gassensor- Struktur und eines Schenkels des Thermoelements durchgeführt werden.

Claims (16)

1. Gassensor mit einem Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur des Gassensors, wobei der Temperaturfühler gemeinsam mit dem Gassensor in planarer Technik auf einem Trägerkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (2) als Thermoelement ausgebildet ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassensor-Struktur und die Thermoelement-Struktur jeweils in Dünnschicht-Technik ausgebildet sind.

3. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassensor-Struktur und die Thermoelement-Struktur jeweils in Dickschicht-Technik ausgebildet sind.

4. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassensor-Struktur in Dünnschichttechnik und die Thermoelement-Struktur in Dickschichttechnik ausgebildet sind.

5. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassensor-Struktur in Dickschichttechnik und die Thermoelement-Struktur in Dünnschichttechnik ausgebildet ist.

6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassensor-Struktur und die Thermoelement-Struktur seitlich nebeneinander auf dem Trägerkörper angeordnet sind.

7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementstruktur hinter der Gassensor-Struk­ tur in Richtung auf den Befestigungssockel auf dem Träger­ körper angeordnet ist.

8. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementstruktur und die Gassensor-Struktur derart ausgebildet sind, daß ein Schenkel der Thermopaarung des Thermoelements zumindest teilweise Bestandteil einer Zu­ führung- oder Abführungsleiterbahn des Gassensors ist.

9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Gassensor-Strukturen nebeneinander auf dem Trägerkörper angeordnet sind und daß ein Schenkel der Thermoelementstruktur zumindest teilweise Bestandteil einer Zuführungs- oder Abführungs-Leiterbahn einer der zumindest zwei Gassensor-Strukturen ist.

10. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassensor-Struktur und/oder die Thermoelementstruktur mit einer Schutzschicht zum Schutz gegen Erosion abgedeckt sind.

11. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochohmige, reaktionsschnelle Elektronik zur Aus­ wertung des jeweiligen Spannungssignals des Thermoelementes vorgesehen ist, wobei die Elektronik gemeinsam für den Gas­ sensor und das Thermoelement zu benutzen ist.

12. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Thermopaarung für das Thermoelement die Kombination Pt/90%Pt, 10% Rh vorgesehen ist.

13. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Thermopaarung des Thermoelementes unterschied­ liche Legierungen aus Platin-Metallen vorgesehen sind.

14. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Thermopaarung des Thermoelementes unterschied­ liche Legierungen auf der Basis von verschiedenen zunder­ freien Stählen, z. B. Inconell, vorgesehen sind.

15. Gassensor-Array mit einer Vielzahl von Gassensoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Temperaturfühler (2) für verschiedene Betriebs­ temperaturfelder auf dem der Vielzahl von Gassensoren (1) gemeinsamen Trägerkörper (3) zur Betriebstemperaturerfassung und Regelung der verschiedenen Betriebstemperaturen vorgesehen sind.

16. Verfahren zur Herstellung eines Gassensors oder eines Gassensors-Array mit einem diesem zugeordneten Temperaturfühler in Form eines Thermoelementes, dadurch gekennzeichnet, daß gemeinsame Schritte zur Bildung der Gassensorstruktur und eines Schenkels des Thermoelementes vorgesehen sind.