PL163992B1 - Czujnik zarnikowy i sposób wytwarzania czujnik zarnikowego PL PL PL - Google Patents

Abstract

cych go srodowiska, zawierajacy pl y tk e nosna stanowia- ca podloze, w której jest uksztaltowany co najmniej jeden otwór, element rezystancyjny nagrzewany w wy- niku przeplywu przez niego prad u elektrycznego oraz obszar miedzyfazowy, przystosowany do reagowania ze srodowiskiem w procesach fizyko-chemicznych, wply- wajacych n a charakterystyki elektryczne obszaru mie- dzyfazowego odpowiednio do param etrów , j akie m aja byc okreslane, znamienny tym, te sklada sie z co najmniej jednego zarnika (3) zawierajacego element rezystancyjny skladaja cy sie z j ednej lub wiekszej liczby cienkich w arstw i posiadajacego czesc srodkowa (3A) usytuow ana w otworze (2) i co najmniej dwa zakoncze- nia (5), za pomoca których czesc srodkowa (3A) jest polaczona z plytka nosnika (1). 9. Sposób wytwarzania czujnika zarnikowego poprzez nakladanie i wytrawiania przez m aski w arstw tworzacych czujnik, znamienny tym, ze n a górna i dolna powierzchnie podloza majacego ksztalt plytki n a- klada sie cienkowarstwowa górna m aske obejmujaca górne okienko, którego ksztalt odwzorowuje ksztalt zar- nika, jaki m a by c wytworzony, majacego czesc srodkowa z zakonczeniami, oraz cienkowarstwowa dolna m aske obejm ujaca dolne okno usytuowane naprzeciwko czesci srodkowej okienka, z wyjatkiem zakonczen, lecz szer- szej niz czesc srodkowa zarnika, wykonuje sie rowek w podlozu poprzez wytrawienia powierzchni górnej podlo- za przez górna maske, . . . F i g . 1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wżnalazku jest czujnik żarnikowż i sposób wżtwarzania czujnika żarnikowego przeznaczonż do określania statżcznżch i dżnamicznżch charakterżstżk parametrów otaczającego go środowiska i ztaadującż zastosowanie w wżkrżwaniu obecności gazów utlenialnżcb w otoczeniu, w chromatografii gazowej do detekcji gazów poddającżch się jonizacji oraz w pomiarach szżbkości przepłżwu cieczy.

163 992

Czujnik żarnikowy zawiera element rezystancyjny przystosowany do wymiany ciepła z otoczeniem i obszar międzyfazowy przystosowany do reagowania z otoczeniem w procesach fizyczno-chemicznych wpływających na charakterystyki obszaru międzyfazowego, to jest na temperaturę lub rezystancję, napięcie, prąd, odpowiednio do charakterystyk środowiska podlegających sprawdzeniu, to jest stężenia, szybkości przepływu itp. Obszar międzyfazowy stanowi zewnętrzną część elementu rezystancyjnego lub warstwę katalizatora nagrzewaną na zasadzie przewodzenia ciepła lub za pomocą specjalnej elektrody.

Niektóre czujniki tego rodzaju działają na zasadzie pomiaru wymiany ciepła, na przykład dla detekcji gazów palnych i mierników przepływu, i mogą być scharakteryzowane jako czujniki kalorymetryczne. Istnieją również inne typy czujników żarnikowych, których wspólną cechą jest to, że są przeznaczone do pomiaru stężeń, wykorzystujących różne zjawiska, na przykład pomiar wymiany ciepła w przypadku detekcji gazów palnych lub utlenialnych oraz pomiar liczby jonów wychwytywanych przez elektrodę w chromatografii gazowej. Czujniki żarnikowe są z tego powodu bardzo zróżnicowane zarówno pod względem zjawisk fizyczno-chemicznych, na których wykorzystywaniu oparta jest zasada działania czujnika, jak też pod względem rodzaju parametru, jaki ma być mierzony.

Zwykle do wykrycia obecności utlenialnego gazu w powietrzu wykorzystuje się żarnik, korzystnie platynowy, podgrzewany przepływającym przez niego prądem elektrycznym. Gaz utlenialny zawarty z otaczającym żarnik powietrzu jest utlenialny w procesie katalitycznym w kontakcie z żarnikiem. Przy tym temperatura żarnika zwiększa się. Zmiana temperatury powoduje zmianę rezystancji żarnika, która jest mierzona bezpośrednio lub pośrednio i która stanowi miarę stężenia utlenialnego gazu w powietrzu. Czujniki żarnikowe dotychczas były wytwarzane ręcznie. Z tego powodu ich produkcja nie była powtarzalna i była obarczona dużymi kosztami. Ich mała rezystancja elektryczna i mały stosunek powierzchni do objętości jest przyczyną tego, że te czujniki mogą pracować tylko w warunkach wysokich temperatur (około 1000°C.)

Inne rodzaje czujników gazów utlenialnych są zbudowane z zastosowaniem perełek katalitycznych. Stanowią one czujnik metaliczny, na przykład platynowy, powlekany tlenkiem glinu domieszkowanego katalizatorem w postaci drobnych perełek. Gdy temperatura zapłonu nie jest wysoka nie ulegają szybkiemu starzeniu. Jednakże takie czujniki mają tę wadę, że właściwy im jest znaczny dryft czułości, zmniejszona stabilność i zwiększony czas reakcji w porównaniu z detektorami żarnikowymi.

Kolejny rodzaj czujników gazów utlenialnych jest oparty na zastosowaniu półprzewodnikowych tlenków metali domieszkowanych katalizatorem. Te czujniki są kształtowane korzystnie w postaci tulejki z materiału izolacyjnego, przez którą przechodzi metaliczny element podgrzewający. Materiał tulejki, na przykład tlenku glinu, jest powlekany warstwą materiału półprzewodnikowego. Przy zmianie temperatury zmienia się rezystancja powlekającego materiału półprzewodnikowego, które to zmiany rezystancji, będące odwzorowaniem zmian temperatury, podlegają pomiarowi.

Konkretne rozwiązanie czujnika do wykrywania obecności gazów z wykorzystaniem elementu półprzewodnikowego jest znane na przykład z opisu patentowego RFN nr 3743398. Czujnik ten jest zbudowany z podłoża izolacyjnego i z elementu półprzewodnikowego czułego na zmiany temperatury. Element półprzewodnikowy, umieszczony nad otworem ukształtowanym w podłożu izolacyjnym, styka się z warstwą katalityczną i jest podtrzymywany przez dwa ramiona pokryte warstwą pasywacyjną. Ramiona stanowią integralną część podłoża izolacyjnego.

Znane z opisów patentowych USA nr 3676820 i nr 3732519 czujniki, w których elektrodę grzejną i elektrody pomiarowe wykonuje się w formie spiral nawiniętych na powierzchni walcowej i między tak wykonane elektrody wprowadza się w procesie wypalania i aktywacji tlenki metali. Nawijanie elektrod na powierzchni walcowej jest procesem złożonym technologicznie. Ponadto

163 992 uzyskany czujnik ma duże wymiary i konieczne jest zasilanie jego stosunkowo dużą mocą.

Ponadto znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr P. 222 999 sposób wykonania czujnika gazów redukcyjnych, w którym wykonuje się elektrody w postaci płaskiej, na przykład w postaci równoległych meandrów lub zazębiających się elementów grzebieniowych, w procesie napylania lub wytrawiania fotochemicznego a nakładanie warstwy tlenkowej przeprowadza się poprzez maski określające obszar i grubość nałożonej warstwy, przy czym elektroda grzejnika może znajdować się po tej samej stronie lub z drugiej strony podłożowej warstwy izolacyjnej.

Czujnik żarnikowy według wynalazku zawierający płytkę nośną stanowiącą podłoże, w której jest ukształtowany co najmniej jeden otwór, element rezystancyjny nagrzewany w wyniku przepływu przez niego prądu elektrycznego, oraz obszar międzyfazowy, przystosowany do reagowania ze środowiskiem w procesach fizyczno-chemicznych, wpływających na charakterystyki elektryczne obszaru międzyfazowego odpowiednio do parametrów, jakie mają być określane, składa się z co najmniej jednego żarnika zawierającego element rezystancyjny składający się z jednej lub większej liczby cienkich warstw i posiadającego część środkową usytuowaną w otworze i co najmniej dwa zakończenia, za pomocą których część środkowa jest połączona z płytką nośną.

Korzystne jest, gdy zgodnie z wynalazkiem żarnik jest ukształtowany w postaci warstwy katalizatora, którego powierzchnia zewnętrzna jest obszarem międzyfazowym lub gdy co najmniej część środkowa żarnika jest ukształtowana przez co najmniej trzy nałożone na siebie warstwy, z których pierwsza warstwa jest warstwą materiału przewodzącego prąd elektryczny, druga warstwa jest warstwą katalizatora stanowiącego obszar międzyfazowy a trzecia warstwa jest warstwą materiału izolacyjnego. Korzystne jest ponadto, gdy zgodnie z wynalazkiem element rezystancyjny stanowi cienka warstwa szlachetnego metalu takiego, jak platyna, złoto, palad lub kombinacja szlachetnych metali lub gdy materiał na podłoże jest wybrany z grupy materiałów obejmujących szkło, krzem, tlenek glinu, dwutlenek krzemu, kwarc, polimery.

Dalsze korzyści z wynalazku uzyskuje się, gdy żarnik ma kształt zygzakowaty podobny do sinusoidy oraz gdy część środkowa żarnika jest połączona z podłożem za pomocą więcej niż dwóch zakończeń. Korzystne jest także, gdy według wynalazku obszarem międzyfazowym jest cienka warstwa nałożona na co najmniej jedną powierzchnię podłoża w pobliżu otworu.

V sposobie wytwarzania czujnika żarnikowego według wynalazku, poprzez nakładanie i wytrawianie przez maski warstw tworzących czujnik, na górną i dolną powierzchnię podłoża mającego kształt płytki nakłada się cienkowarstwową górną maskę obejmującą górne okienko, którego kształt odwzorowuje kształt żarnika, jaki ma być wytworzony, mającego część środkową z zakończeniami, oraz cienkowarstwową dolną maskę obejmującą dolne okno usytuowane naprzeciwko części środkowej okienka, z wyjątkiem zakończeń, lecz szerszej niż część środkowa żarnika, wykonuje się rowek w podłożu poprzez wytrawienie powierzchni górnej podłoża przez górną maskę, nakłada się na dno tego rowka jedną lub większą liczbę cienkich warstw tworzących żarnik, z których jedna warstwa jest z materiału przewodzącego prąd elektryczny, usuwa się materiał podłoża na całej jego grubości przez trawienie podłoża przez maskę, mającą taki sam kształt jak maska dolna.

Korzystne jest, gdy zgodnie z wynalazkiem przed trawieniem podłoża przez dolną maskę dla usunięcia materiału podłoża na całej jego grubości, nakłada się warstwę zabezpieczającą na górną powierzchnię i na rowek, którą to warstwę zabezpieczającą usuwa się po wytrawieniu podłoża, oraz jako warstwę zabezpieczającą na górnej powierzchni stosuje się żywicę polimerową.

Dalsze korzyści z wynalazku uzyskuje się, gdy na górną maskę nakłada się warstwę pośrednią pokrytą warstwą żywicy, przy czym cienkie warstwy żarnika nakłada się po usunięciu warstwy żywicy, który to żarnik stanowi jedna lub większa liczba warstw nakładanych w rowku i dookoła rowka, po czym

163 992 usuwa się warstwy nałożone na zewnątrz rowka poprzez trawienie warstwy pośredniej, oraz gdy jako podłoże stosuje się szkło a jako maskę stosuje się warstwę złota nałożoną na warstwę chromu nałożoną na górną powierzchnię i co najmniej jedną warstwę platyny nakłada się na dno górnego rowka.

Inne korzyści z wynalazku uzyskuje się, gdy co najmniej jedną warstwę katalizatora metalicznego nakłada się na dno rowka lub gdy co najmniej trzy cienkie warstwy nakłada się na dno rowka, z których to warstw jedna warstwa jest z materiału przewodzącego prąd elektryczny, druga - z materiału izolacyjnego, a trzecia - z katalizatora a jako podłoże stosuje się materiał wybrany z grupy obejmującej szkło, krzem, tlenek glinu, tlenek krzemu, kwarc i polimery.

W innym sposobie wytwarzania czujnika żarnikowego według wynalazku, poprzez nakładanie i wytrawianie przez maski warstw tworzących czujnik, nakłada się na górną i dolną powierzchnię podłoża, mającego kształt płytki, cienkowarstwową górną maskę i elektrolityczną warstwę obejmującą górne okno, którego kształt odwzorowuje kształt żarnika, który ma zostać wytworzony i który ma część środkową z zakończeniami, oraz cienkowarstwową dolną maskę obejmującą dolne okno usytuowane naprzeciwko części środkowej górnego okna, z wyjątkiem wspomnianych zakończeń, lecz większą niż ta część środkowa, wykonuje się w podłożu rowek poprzez trawienie górnej powierzchni podłoża przez górną maskę, nakłada się na dno tego rowka, jedną lub większą liczbę cienkich warstw tworzących żarnik z których to warstw jedna warstwa jest z materiału przewodzącego prąd elektryczny, oraz usuwa się materiał podłoża na całej jego grubości poprzez wytrawianie go przez maskę o takim samym kształcie jak maska dolna.

W kolejnym sposobie wytwarzania czujnika żarnikowego według wynalazku poprzez nakładanie i wytrawianie przez maski warstw tworzących czujnik, wykorzystuje się metalizowane podłoże obejmujące górne okno, którego kształt odwzorowuje kształt żarnika, który ma być wytworzony, i które ma część środkową przedłużoną przez zakończenia, i dolne okno usytuowane naprzeciwko części środkowej z wyjątkiem wspomnianych zakończeń lecz większe niż wspomniana część środkowa, wykonuje się rowek w podłożu poprzez trawienie górnej powierzchni podłoża przez górną maskę, nakłada się na dno rowka jedną lub większą liczbę warstw tworzących żarnik, z których to warstw co najmniej jedna warstwa jest z materiału przewodzącego prąd elektryczny, oraz usuwa się podłoże na całej jego grubości poprzez trawienie go przez maskę o takim samym kształcie jak maska dolna.

Zaletą czujnika żarnikowego według wynalazku jest bardzo małe zużycie energii elektrycznej, bardzo krótki czas reakcji, duża rozdzielczość i powolniejsze starzenie się. Dzięki swojej budowie i bardzo małej masie odznaczają się dużą wytrzymałością na udary. Ponadto przez zapewnienie sposobu wytwarzania czujnika żarnikowego przy wykorzystaniu technologii mikroelektronowej otrzymany żarnik stanowi element samonośny, gdyż połączenie między nim a płytką nośną stanowi zakończenia cienkowarstwowe. Żarnik stanowi zatem jedną lub wiele warstw zawieszonych w powietrzu, co znacznie zmniejsza straty ciepła na drodze przewodzenia ciepła. Żarnik taki odznacza się dostateczną wytrzymałością mechaniczną i odpornością na szoki temperaturowe przy zapewnieniu jego samonośności.

Czujnik żarnikowy według wynalazku, niezależnie od grubości żarnika, która wyznacza jego niezbędną rezystancję elektryczną, jest wystarczająco czuły w odniesieniu do reakcji fizyczno-chemicznej, na której jest oparta zasada pomiarów, a przy tym wystarczająco wytrzymały, aby nie ulegać przedwczesnemu zużyciu wskutek kontaktu z otaczającym go środowiskiem.

Czujniki według wynalazku mogą być wytwarzane automatycznie i w sposób powielany. Z tego powodu może być zapewniony mały rozrzut ich parametrów, duża powtarzalność przy zapewnianiu wysokiej jakości i stosunkowo małych kosztach produkcji.

Istota rozwiązania technicznego według wynalazku jest bliżej objaśniona

163 992 w przykładzie wykonania w oparciu o załączony rysunek, na którym fig. 1 przedstawia czujnik według wynalazku w widoku perspektywicznym, fig. 2 - inne wykonanie czujnika według wynalazku w częściowym przekroju, fig. 3-inny przykład wykonania czujnika według wynalazku z fig. 1 natomiast fig. 4 do 9 przedstawiają czujnik z fig. 1 w przekroju w różnych etapach jego wytwarzania na podłożu sposobem według wynalazku.

Czujnik C, przedstawiony na fig. 1, składa się z płytki nośnej 1 wykonanej ze szkła lub podobnego materiału izolacyjnego lub półprzewodnikowego z wyciętym otworem 2. Jako rozwiązanie alternatywne, płytka nośna 1 może być wykonana z materiału izolacyjnego lub nieizolacyjnego pokrytego warstwą izolacyjną.

W wyciętym otworze 2 jest umieszczony żarnik 3 w postaci cienkiej warstwy materiału przewodzącego prąd elektryczny, którego powierzchnia zewnętrzna tworzy obszar międzyfazowy z otaczającym środowiskiem. Żarnik 3 korzystnie ma kształt zygzakowaty i jest przestrzennie usytuowany tak, iż jego płaszczyzna jest równoległa do płaszczyzny płytki nośnej 1. Żarnik 3 ma część środkową 3A i wyprowadzenia 4 przewodzące prąd elektryczny, za których pomocą część środkowa 3A jest mocowana do płytki nośnej 1. Wyprowadzenia 4 mają zakończenia 5 przewodzące prąd elektryczny, do których są dołączone przewody elektryczne 6 łączące czujnik z obwodem elektrycznym, w którego skład wchodzi czujnik.

W przykładzie wykonania, przedstawionym na fig. 1, żarnik 3 ma kształt zygzakowaty z załamaniami pod kątem prostym. Przy zadanym przekroju poprzecznym i przy zadanej odległości między zakończeniem 5 żarnika 3 taki kształt tego żarnika 3 zwiększa jego powierzchnię i zmniejsza ryzyko rozerwania się wskutek naprężeń termicznych. Jest oczywiste, że możliwe są inne kształty geometryczne żarnika 3. Nie jest wymagane, aby żarnik 3 miał załamania pod kątem prostym, możliwe są załamania zaokrąglone. Istotne jest natomiast jedynie to, aby płaszczyzna, w której jest usytuowany żarnik 3, była równoległa do płaszczyzny płytki nośnej 1. Równie korzystne jest, gdy żarnik 3 ma kształt cienkiej płytki równoległej do płytki nośnej 1 i gdy jego wymiary są mniejsze od wymiarów otworu 2 w płytce nośnej 1.

Żarnik 3 może być wykonany z dowolnego materiału, którego własności fizyczno-chemiczne zapewniają możliwość dokonywania pomiarów. W rozpatrywanym przykładzie wykonania wynalazku żarnik 3 jest wytwarzany z materiału wybranego z grupy materiałów, których własności elektryczne mogą ulegać modyfikacji pod wpływem środowiska, które powinno być scharakteryzowane. W szczególnym przypadku wykrywania obecności utlenialnych gazów żarnik 3 powinien być katalizatorem, na przykład, platyną, niklem, osmem, złotem, irydem, kombinacją tych metali, tlenkami metali, półprzewodnikami, siarczkami itp. Materiał może być wybrany również zgodnie z jego pochłanianiem lub charakterem pochłaniania, jeśli to modyfikuje jego charakterystyki elektryczne.

Na figurze 2 części podobne do części z fig. 1, mają te same oznaczenia liczbowe ze znaczkiem prim. Na tej figurze przedstawiono inny czujnik C', którego żarnik 3' nie jest pojedynczą cienką warstwą, lecz zespołem cienkich warstw materiału przewodzącego prąd elektryczny, materiału izolacyjnego lub katalizatora, nałożonych jedna na drugą. Kolejność tych warstw jest ustalana zgodnie z zasadami, że każda warstwa katalizatora znajduje się na górnej lub na dolnej powierzchni zespołu, każda warstwa przewodząca prąd elektryczny jest połączona elektrycznie z zakończeniem 5 oraz, że warstwa izolacyjna jest usytuowana między materiałem przewodzącym prąd elektryczny a warstwą katalizatora.

Dla większej precyzji, na fig. 2 przedstawiono tylko trzy kolejne warstwy 7, 8, 9 odpowiednio materiału przewodzącego prąd elektryczny, materiału izolacyjnego i katalizatora. W rozwiązaniu alternatywnym, która nie jest uwidoczniona na rysunku, te warstwy mogą być usytuowane w następujący sposób; 9-8-7-8-9. ’

Na figurze 3 części podobne do części z fig. 1, mają te same oznaczenia

163 992 liczbowe ze znaczkiem dwa prim. Na fig. 3 przedstawiono inne wykonanie czujnika z fig. 1, mianowicie czujnik C/ który ma dodatkowe wyprowadzenie 10. Dodatkowe wyprowadzenia 10 są usytuowane poprzecznie względem wyprowadzeń 4 z fig. 1 i są dołączone do części środkowych żarnika 3''Dodatkowe wyprowadzenia 10 mają dodatkowe zakończenia oznaczone jako 10A. W przypadku żarnika jednowarstwowego, jak pokazano na fig. 1, te dodatkowe zakończenia 10A mogą być wykorzystywane do pośrednich pomiarów elektrycznych lub do włączania do różnych obwodów tak, aby zmniejszyć liczbę różnych czujników, jakie mają być wytworzone i wykorzystane dla różnych zastosowań. W przypadku żarnika wielowarstwowego, jak na fig. 2, te części 10A mogą stanowić połączenia z warstwą katalizatora, która tak lub inaczej jest odizolowana od warstwy przewodzącej prąd elektryczny.

W każdym z przedstawionych przykładów wszystkie żarniki mieszczą się całkowicie na pełnej grubości podłoża.

Figury od 4 do 9 przedstawiają przekroje poprzeczne wzdłuż linii A-A z fig. 1 w poszczególnych etapach wytwarzania czujnika, przy czym w charakterze podłoża w tym konkretnym przypadku wykorzystuje się szkło.

Pierwszy etap polega na przygotowaniu płytki 1 podłoża poprzez oczyszczanie go przy zastosowaniu kwasu azotowego lub sulfochromowego, a następnie płukanie płytki w wodzie odj^izowanej oraz wysuszenie płytki w warunkach pozostawionych kurzu.

Drugi etap polega na nakładaniu, na górnej 1A i na dolnej 1B powierzchni podłoża płytki 1 warstw maskujących w taki sposób, że na dolną powierzchnię 18 podłoża 1 nakładana jest cienka warstwa chromu 11 o grubości od 1000 R, natomiast na górną powierzchnię 1A nakładana jest najpierw cienka warstwa chromu 12 o grubości od kilku R, a następnie cienka warstwa złota 13 o grubości około 1000 R.

Te operacje nakładania wyżej wspomnianych warstw maskujących mogą być wykonywane osobno, jednakże korzystne jest, gdy wspomniane operacje są wykonywane jednocześnie. Następnie z każdej strony podłoża 1'są nakładane warstwy 14 i 15 żywicy fotoczułej, po czym z każdej strony podłoża nakładane są na płytkę 1 maski 14A i 15A i przeprowadza się naświetlanie warstw fotoczułych na obu stronach podłoża 1. Zostają przy tym naświetlone obszary żywicy fotoczułej 16 i 17 na obu stronach podłoża. Te naświetlone obszary są wywoływane i w wyniku, na obu powierzchniach podłoża 1, zostają utworzone maski 16 i 17 żywicy. Te ostatnie dwie operacje są ogólnie znane w technologii fotolitograficznej. Dalej warstwy metaliczne na obszarach odsłoniętych, z których usunięta została żywica w wyniku wywoływania, mianowicie na obszarach 16, 17, są wytrawiane, przy czym następuje wytrawianie warstwy chromu 11 na dolnej powierzchni płytki 1, wytrawianie warstwy złota 1 na górnej powierzchni płytki 1 oraz wytrawianie warstwy 12 chromu na górnej powierzchni płytki 1. Na końcu płytkę 1 wypłukuje się w wodzie odj^izowanej i w wyniku uzyskuje się strukturę, pokazaną na fig. 5.

Maska na dolnej powierzchni, otrzymana w taki sposób (warstwy 11 i 14), obejmuje okno 16A usytuowane naprzeciwko części środkowej (między wyprowadzeniami 4 i zakończeniami 5 na fig. 1) okienka 17A maski na górnej powierzchni (warstwy 12, 13, 15) podłoża 1. Okienko 16A jest większe, w tym przykładzie szersze z każdej strony, niż część środkowa.

W trzecim etapie wytrawiane są rowki 18 i 19 w szkle przez maski, jakie tworzą nałożone warstwy chromu 12, złota 13 i żywicy 15 wytrawione na górnej powierzchni 1A podłoża 1, przy zastosowaniu kwasu fluorowodorowego. To trawienie jest procesem izotropowym w kierunku grubości i w kierunku szerokości. W wyniku szkło zostaje podtrawione pod warstwami 12 i 13 znajdującymi się nad obszarami sfazowanymi 20 wytrawionych rowków tak, iż tworzą zwisające zakończenia 21 warstw maskujących. Chociaż zwykle przy stosowaniu metod trawienia modyfikuje się warunki technologiczne na wyeliminowanie takiego podcinania, to w tym przypadku jest to uznawane za pożyteczne. Tworzące się zwisające zakończenia 21 ułatwiają zdejmowania warstw 12 i 13 w końcowych etapach procesu wytwarzania czujnika.

163 992

Maski z żywicy 1A i 15 są usuwane najpierw za pomocą acetonu a następnie za pomocą kwasu azotowego. Otrzymaną strukturę następnie wypłukuje się wodą odjonizowaną i suszy się w warunkach pozbawionych kurzu. Otrzymana struktura jest przedstawiona na fig. 6

Czwarty etap wytwarzania polega na tym, że kształtuje się żarnik 3 na dnie rowka 18 wytrawionego na górnej powierzchni podłoża 1. W tym celu nakłada się cienką warstwę 23 chromu o grubości około 100' R na górną powierzchnię podłoża 1, łącznie z dnem rowka 18, po czym nakłada się warstwę 24 platyny na cienką warstwę 23 (patrz fig. 7). Otrzymuje się w ten sposób cienkie warstwy 23A i 24A złota i platyny w rowkach oddzielone od części 23B i 24B złota i platyny nałożonych na pozostałą górną powierzchnię 1A podłoża 1. Ogólnie grubość warstw 23 i 24 powinna być z tego względu przynajmniej nieznacznie mniejsza od głębokości rowka 18. W przypadku czujnika C'z fig. 2 równoważnym warunkiem jest, aby całkowita grubość nałożonych warstw była mniejsza od głębokości rowka. Istotne jest, aby warstwy w rowku 18 nie kontaktowały się ze zwisającymi zakończeniami 21.

Części boczne 24A i 23A nadmiarowych warstw platyny i chromu są następnie usuwane poprzez trawienie chemiczne warstwy złota 13 poprzez zanurzanie podłoża 1 co najmniej na 3 godziny w roztworze rozpuszczającym złoto, co powoduje mechaniczne usunięcie nadmiarowej warstwy platyny, z tym, że ostateczne usunięcie śladów platyny przeprowadza się w kąpieli ultradźwiękowej. Ta operacja jest znacznie ułatwiona w przypadku, gdy istnieją zwisające zakończenia 21, które powstają w wyniku podtrawienia szkła w kwasie fluorowodorowym. Następnie płytkę przepłukuje się w wodzie odjunizowanej, po czym na dolną powierzchnię podłoża 1 nakłada się nową warstwę 25 żywicy fotoczuOej o grubości około 3 -um, po czym naświetla się tę warstwę żywicy przez maskę pokazaną na fig. 4 i wywołuje. Otrzymaną maskę pokrywa się z maską z warstwą chromu 11 pozostałą na tej powierzchni. W praktyce maska ta jest poddawana następnie utwardzaniu w temperaturze 140°C przez około 30 minut.

W końcowej fazie w podłożu 1 wytrawia się otwór 2 na wylot na całej jego grubości poprzez trawienie przez maskę na dolnej powierzchni podłoża 1, przy czym trawienie jest realizowane w taki sposób, że na górną powierzchnię 1A nakłada się warstwę zabezpieczającą 26, które przesłania całą warstwę chromu 12. Ta warstwa zabezpieczająca wypełnia również cały rowek 18 i przykrywa żarnik 3, otaczając go aż do samej dolnej części. Ta warstwa zabezpieczająca może być wytworzona z jakiegokolwiek materiału, który jest odporny na działanie kwasu fluorowodorowego i łatwo rozpuszczalny w dostępnych w handlu rozpuszczalnikach. Korzystne jest, gdy w tym celu stosuje się żywicę polimerową typu ZIVI APIEZON-ż. zodłnem ,zklane 1, krór- podtrzymywało na swej powierzchni żarnik 3, ulega teraz chemicznemu wytrawieniu w warunkach pobudzenia ultradźwiękowego przez maskę 25, nałożoną na dolną powierzchnię 1B podłoża 1 i składającą się z warstwy 11 chromu i wytrawionej warstwy żywicy fotoczułej 25.

Po usunięciu szkła i warstwy zabezpieczającej 26, przy zastosowaniu rozpuszczalnika, na przykład nadchloranu etylenowego, -arnik 3 zostaje zawieszony w otworze wytrawionym w podOo-u szklanym (patrz fig. 9). Wszelkie ślady żywicy i polimeru są usuwane ze szklanej płytki przy zastosowaniu odpowiedniego chemicznego czynnika, zwykle dymiącego kwasu azotowego, natomiast pozostałości warstwy chromu 11 i 12 z obu stron płytki szklanej są usuwane przy zastosowaniu czynnika zwykle stosowanego do chemicznego trawienia chromu.

Nachylone ścianki boczne otworu 2, pokazane na fig. 9, są wynikiem trawienia izotropowego w kwasie fluorowodorowym. W przypadku zastosowania poZOE-a i kwasów powodujących trawienie anizotropowe uzyskiwane są pionowe ścianki boczne, jak to zostało pokazane na fig. 7 i 8.

Specyficznymi przykładami czynników wywołujących trawienie chemiczne są: dla chromu: 1/ SOPRELEC (EVRY) Cr-ETCH

2/ 50 g/l KMnO4 + 50 g/l KOH + 11 wody EZjEnizEwanej,

163 992 dla złota: 25 g/1 I„ = 66 g/1 KI i 11 wody odjonizowanej, dla szkła: HF w gtęzeniu 40 do 20% (zgodnie z wymaganą szyykością ttawienia)) Przykłady grubości nakładanych warstw na szklane płytki o grubości 150 urn:

chrom - warstwa 11 : 500 do 1000A, chrom - warstwy 12 i 23 : 50 do 500 A, złoto - warstwa 13 : 1500 do 2500A, platyna : 0,5 do 9 yum

W apiezon: minimum 100 /im,

SHIPPLEY 1350 -H - żywica fotoczuła: 1 do 3 gim, głębokość otworu: 2 mm.

Zadaniem warstw chromu jest, po pierwsze, zwiększenie przyczepności warstwy złota do podłoża, gdyż bez zastosowania pośredniej warstwy chromu nałożenie warstwy złota na podłoże szklane nie byłoby możliwe, oraz, po drugie, zapewnienie dużej wytrzymałości maski (warstwy żywicy fotoczułej i warstwy chromu) podczas trawienia szkła w kwasie fluorowodorowym.

Modyfikacje tego sposobu przedstawione na fig. 5 bis i fig. 6 bis polegają na zmianie grubości warstwy złota. Na skutek tego staje się możliwe nałożenie grubszej warstwy platyny. W tym przypadku drugi i trzeci etapy sposobu są modyfikowane tak, że po wytrawieniu metali przez maskę 16 i 17 usuwane są warstwy żywicy 14 i 15 za pomocą acetonu i kwasu azotowego, po czym płytki są płukane w wodzie odjonizowanej. Dolna maska, warstwa 11, otrzymana tym sposobem obejmuje okienko 16A usytuowane naprzeciwko części środkowej (między wyprowadzeniami 4 z fig. 1) okienko 17A na górnej powierzchni, warstwy 12 i 13, z wyjątkiem wspomnianych wyprowadzeń. Okienko 16A jest większe, w tym przypadku szersze z każdej strony, niż część środkowa. Warstwa złota 13 jest następnie pogrubiana (figura 5 bis) poprzez osadzenie elektrolityczne złota (warstwa 13 bis), po czym cała płytka jest płukana w wodzie odjonizowanej.

Grubość elektrolitycznie nałożonej warstwy złota jest zależna od głębokości rowka, jaki ma być wytrawiony w następnym etapie procesu wytwarzania czujnika, lub innymi słowy, powinna wynosić około 1 /jm przy głębokości rowka 10 do 15 Aim. Równomierna warstwa zabezpieczająca 11 bis żywicy fotoczułej jest nakładana na dolną powierzchnię.

W trzecim etapie wytwarzania czujnika w miejscu rowka 18 wykonuje się otwór poprzez chemiczne wytrawienie szkła w kwasie fluorowodorowym przez maskę, która stanowi nałożone warstwy chromu 12 i złota 13 i 13 bis wytrawione na górnej powierzchni 1A płytki 1. To trawienie chemiczne jest procesem izotropowym w kierunku grubości i szerokości. W wyniku warstwy 12, 13 13 bis zostają podtrawione od spodu nad obszarami sfazowanymi 20 wytrawionymi w szkle tak, iż utworzone zostają zwisające zakończenia 21. Chociaż zwykle przy stosowaniu trawienia tego rodzaju modyfikuje się proces w kierunku uzyskania warunków trawienia takich, aby wyeliminować podcinanie warstw metali, to w danym przypadku takie podcinanie jest uznawane za korzystne. Otrzymane zwisające zakończenia 21 ułatwiają usuwanie warstw 12 i 13 w końcowych etapach procesu wytwarzania czujnika. Maska z żywicy 13 bis jest usuwana za pomocą acetonu a następnie kwasu azotowego, po czym płytkę płucze się w wodzie odjonizowanej i suszy się w warunkach wolnych od kurzu. W końcu uzyskuje się strukturę, pokazaną na fig. 6. Kolejne fazy procesu pozostają takie same, jak opisano powyżej.

Możliwe jest stosowanie podłoża z innego materiału, niż szkło, na przykład z krzemu, tlenku glinu, dwutlenku krzemu, a zwłaszcza z kwarcu, który odznacza się dobrymi parametrami termicznymi i dobrą selektywnością w odniesieniu do trawienia chemicznego. Zostały przeprowadzone badania możliwości wykorzystania kwarcu o grubości 125 i 175 Aim metalizowanego z obu stron lub z zastosowaniem warstw metalicznych na warstwie chromu, wykorzystując takie same warunki trawienia.

Czujniki według wynalazku znajdują różne zastosowania. Po pierwsze, mogą być wykorzystywane do wykrywania obecności utlenialnych gazów przy włączeniu do odpowiedniego układu elektronicznego, Mogą być również zastoso163 992 wane do pomiarów chromatograficznych. Żarnik 3 jest stosowanż do nagrzewania i lokalnej jonizacji środowiska gazowego, a jedna lub większa liczba elektrod odbierającżch jonż (obszar międzżfazowż) ma postać jednej lub większej liczbż warstw przewodzącżch prąd elektrżcznż osadzonżch na podłożu 1 w pobliżu otworu 2, przż czżm warstwż chromu 11 i 12 pozostawia się na miejscu.

NiniejszY wżnalazek został szczegółowo opisanż w oparciu o przedstawione przżkładż. Możliwe są liczne inne przżkładż wżkonania wżnalazku bez wżkraczania poza istotę wżnalazku^. Na przżkład, w jednżm otworze w płżtce nośnej może bżć utworzonżch wiele żarników cienkowarstwowżch lub w jednej płżtce nośnej można utworzżć również wiele otworów z żarnikami cienkowarstwowżmi.

Claims (18)

1. Czujnik żarnikowy do określania statycznych i dynamicznych charakterysk parametrów otaczającego go środowiska, zawierający płytkę nośną stanowiącą podłoże, w której jest ukształtowany co najmniej jeden otwór, element rezystancyjny nagrzewany w wyniku przepływu przez niego prądu elektrycznego oraz obszar międzyfazowy, przystosowany do reagowania ze środowiskiem w procesach fizyko-chemicznych, wpływających na charakterystyki elektryczne obszaru międzyfazowego odpowiednio do parametrów, jakie mają być określane, znamienny tym, że składa się z co najmniej jednego żarnika (3) zawierającego element rezystancyjny składający się z jednej lub większej liczby cienkich warstw i posiadającego część środkową (3A) usytuowaną w otworze (2) i co najmniej dwa zakończenia (5), za pomocą których część środkowa (3A) jest połączona z płytką nośną (1).

2. Czujnik według zastrz. 1,znamienny tym, że żarnik (3) jest ukształtowany w postaci warstwy katalizatora, którego powierzchnia zewnętrzna jest obszarem międzyfazowym.

3. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej część środkowa (3A) żarnika (3) jest ukształtowana przez co najmniej trzy nałożone na siebie warstwy, z których pierwsza warstwa (7) jest warstwą materiału przewodzącego prąd elektryczny, druga warstwa (9) jest warstwą katalizatora stanowiącego obszar międzyfazowy, a trzecia warstwa (8) jest warstwą materiału izolacyjnego.

4. Czujnik według zastrz. 1,znamienny tym, że element rezystancyjny stanowi cienka warstwa szlachetnego metalu takiego, jak platyna, złoto, palad lub kombinacja szlachetnych metali.

5. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że arrnik (3) ma kształt zygzakowaty podobny do sinusoidy.

6. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że część środkowa żarnika (3A) jest połączona z podłożem za pomocą więcej niż dwóch zakończeń.

7. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał na podłoże jest wybrany z grupy materiałów obejmujących szkło, krzem, tlenek glinu, dwutlenek krzemu, kwarc, polimery.

8. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że oszzarem międzyfazowym jest cienka warstwa nałożona co najmniej na jedną powierzchnię podłoża w pobliżu otworu (2).

9. Sposób wytwarzania czujnika żarnikowego poprzez nakładanie i wytrawianie przez maski warstw tworzących czujnik^ naminnym tym , ż mnm górną i dolną powierzchnię podłoża mającego kształt płytki nakłada się cienkowarstwową górną maskę obejmującą górne okienko, którego kształt odwzorowuje kształt żarnika, jaki ma być wytworzony, mającego część środkową z zakończeniami, oraz cienkowarstwową dolną maskę obejmującą dolne okno usytuowane naprzeciwko części środkowej okienka, z wyjątkiem zakończeń,lecz szerszej niż część środkowa żarnika, wykonuje się rowek w podłożu poprzez wytrawienia powierzchni górnej podłoża przez górną maskę, nakłada się na dno tego rowka jedną lub większą liczbę cienkich warstw tworzących żarnik, z których jedna warstwa jest z materiału przewodzącego prąd elektryczny, usuwa się materiał podłoża na całej jego grubości przez trawienie podłoża przez maskę, mającą taki sam kształt jak maska dolna.

10. Sposób według zastrz. 9, m n a m i m i ż n tym, że przed trawieniem podłoża przez dolną maskę dla usunięcia materiału podłoża na całej jego grubości, nakłada się warstwę zabezpieczającą na górną powierzchnię i na rowek, którą to warstwę zabezpieczającą usuwa się po wytrawieniu podłoża.

163 992

11. Sposób według zastrz. IO.j znamienny tym, że jako warstwę zabezpieczającą ta górnej powierzchni stosuje się żżwicę polimerową.

12. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że ta górną maskę nakłada się warstwę pośrednią pokrżtą warstwą żżwicż, przż czżm cienkie warstwż żarnika nakłada się po usunięciu warstwż żżwicż, którż to żarnik sta nowi jedna lub większa liczba warstw nakładanżch w rowku i dookoła rowka, po czżm usuwa się warstwy nałożone na zewnątrz rowka poprzez trawienie warstwy pośredniej.

13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym. że jako podłoże stosuje się szkło a jako maskę stosuje się warstwę złota nałożoną na warstwę chromu nałożoną na górną powierzchnię i co najmniej jedną warstwę platżnż nakłada się na dno górnego rowka.

14. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że co najmniej jedną warstwę katalizatora metalicznego nakłada się na dno rowka.

15. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że co najmniej trzż cienkie warstwż nakłada się na dno rowka, z którżch to warstw jedna warstwa jest z materiału przewodzącego prąd elektrżczny, druga - z materiału izolacżjnego, a trzecia - z katalizatora.

16. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że jako podłoże stosuje się materiał wżbranż z grupż obejmującej szło, krzem, tlenek glinu, tlenek krzemu, kwarc i polimery.

17. Sposób wżtwarzania czujnika żarnikowego poprzez nakładanie i wżtrawianie przez maski warstw tworzącżch czujnik, znamienny tym, że nakłada się na górną i dolną powierzchnię podłoża, mającego kształt płżtki, cienkowarstwową górną maskę i elektrolitżczną warstwę obejmującą górne okno, którego kształt odwzorowuje kształt żarnika, którż ma zostać wżtworzonż i którż ma część środkową z zakończeniami, oraz cienkowarstwową dolną maskę obejmującą dolne okno usżtuowane naprzeciwko części środkowej górnego okna, z wżjątkiem wspomnianżch zakończeń, lecz większą niż ta część środkowa, wżkonuje się w podłożu rowek poprzez trawienie górnej powierzchni podłoża przez górną maskę, nakłada się na dno tego rowka, jedną lub większą liczbę cienkich warstw tworzącżch żarnik, z którżch to warstw jedna warstwa jest z materiału przewodzącego prąd elektrżczny, oraz usuwa się materiał podłoża na całej jego grubości poprzez wżtrawienie go przez maskę o takim samżm kształcie jak maska dolna.

18. Sposób wżtwarzania czujnika żarnikowego poprzez nakładanie i wżtrawianie przez maski warstw tworzącżch czujnik, znamienny tym, że wżkorzżstuje się metalizowane podłoże obejmujące górne okno, którego kształt odwzorowuje kształt żarnika, którż ma bżć wżtworzonż, i które ma część środkową przedłużoną przez zakończenia, i dolne okno usżtuowane naprzeciwko częś ci środkowej z wżjątkiem wspomnianżch zakończeń lecz większe niż wspomniana część środkowa, wżkonuje się rowek w podłożu poprzez trawienie górnej powierzchni podłoża przez górną maskę, nakłada się na dno rowka jedną lub większą liczbę warstw tworzącżch żarnik, z którżch to warstw co najmniej jedna warstwa jest z materiału przewodzącego prąd elektrżczny, oraz usuwa się podłoże na całej jego grubości poprzez trawienie go przez maskę o takim samżm kształ cie jak maska dolna.