DE3513033C2 - - Google Patents
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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 (11)
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.
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DE19853513033 DE3513033A1 (de) | 1984-05-05 | 1985-04-11 | Sensor fuer die katalytische verbrennung |
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