DE4318327C2

DE4318327C2 - Gassensor

Info

Publication number: DE4318327C2
Application number: DE19934318327
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Meixner; Josef Dr Gerblinger; Randolf Dr Mock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-06-02
Filing date: 1993-06-02
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2013-06-03
Also published as: DE4318327A1

Description

Das aus der DE-OS-20 65 023 bekannte Gasspürgerät enthält zwei zylindrische Halbleiterkörper, mehrere die Halbleiter körper kontaktierende Ringelektroden und eine Spannungsquel le, die über ein Relais bzw. einen Widerstand mit den beiden end-seitigen Ringelektroden verbunden ist. Der gassensitive Körper besteht aus einem halbleitenden Metalloxid, das man mit Hilfe des als Heizelement dienenden zweiten Zylinders auf eine Temperatur im Bereich von 150 bis 250 °C erwärmt. Um die Temperatur und damit die Gasempfindlichkeit des Metalloxids unabhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen konstant zu halten, ist der Heizstab aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt, dessen Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt.

Die EP-A-0 464 243 beschreibt einen Sauerstoffdetektor, des sen sensitive Schicht aus dem katalytisch nicht aktiven Gal liumoxid besteht. Die Betriebstemperatur des Detektors liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 850 bis 1000 °C, wo der Sau erstoff im Kristallgitter des Galliumoxids im thermodynami schen Gleichgewicht steht mit dem Sauerstoff der Umgebungsat mosphäre. Da die Anzahl der Sauerstoffleerstellen im Kri stallgitter und damit auch die Anzahl der frei beweglichen Elektronen vom Sauerstoffpartialdruck abhängt, hat jede Ände rung der Sauerstoffkonzentration eine entsprechende Änderung der Leitfähigkeit des Galliumoxids zur Folge. Bei Temperatu ren unterhalb von etwa 700 °C ist das Gleichgewicht an Sauer stoffleerstellen eingefroren, so daß der Detektor nicht mehr auf Änderungen des Sauerstoffpartialdrucks anspricht.

Wasserstoff und andere reduzierende Gase adsorbieren auf der Oberfläche von Galliumoxid. Erfolgt die Adsorbtion im Wege einer chemischen Bindung (Chemiesorption), so geben die Ad sorbatmoleküle Elektronen an das Galliumoxid ab, wodurch sich dessen Leitfähigkeit erhöht. Auf diesem Mechanismus beruht die Funktion des aus der EP-A-0 464 244 bekannten Sensors für reduzierende Gase. Im Temperaturbereich von etwa 400 bis 650°C reagiert der Sensor sowohl auf Wasserstoff als auch auf Kohlenmonoxid. Außerdem beobachtet man eine starke Queremp findlichkeit auf Wasserdampf, da auch Wassermoleküle geladen adsorbieren.

Um die gewünschte Betriebstemperatur von bis zu 1000 °C ein zustellen und unabhängig von äußeren Einflüssen beizubehal ten, werden Gassensoren auf der Basis halbleitender Metall oxide üblicherweise mit Hilfe eines auf der Rückseite des Sensorsubstrats angeordneten Widerstandselements aktiv be heizt. Während des Aufheizens ist der Sensor extremen mecha nischen Belastungen unterworfen. Insbesondere in Al₂O₃- Substraten bauen sich auf Grund des bei hohen Temperaturen schlechten Wärmeleitvermögens mechanische Spannungen auf, die zu Rissen im Substrat und damit zur Zerstörung des Sensors führen können.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Gassensors, in dem sich während des Aufheizens und Betriebes keine die Sensor funktion beeinträchtigenden mechanischen Spannungen aufbauen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gassensor nach Patentanspruch 1 gelöst.

Durch die Verwendung eines aus einem Titanat bestehenden Heizelements lassen sich lokale Überhitzungen des Sensor substrats und damit große Temperaturgradienten vermeiden. Au ßerdem besitzen Titanate ein ähnliches thermisches Ausdeh nungsverhalten wie beispielsweise Aluminiumoxid, so daß sich auch bei höheren Temperaturen keine allzu großen mechanischen Spannungen zwischen dem Substrat und dem Heizmäander aufbauen.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildun gen und Ausgestaltungen der im folgenden anhand der Zeichnung erläuterten Erfindung. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassen sors

Fig. 2 das Heizelement des Gassensors

Fig. 3 das Temperaturverhalten der Wärmeleitfähigkeit von Al₂O₃.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Gassensor ähnelt im Aufbau den aus der EP-A-0 464 243 und 0 464 244 bekannten De tektoren. Er besitzt ein aus Beryllium-, Magnesium-, Silizi um- oder Aluminiumoxid bestehendes Substrat 1, auf dessen Vorderseite zwei eine Interdigitalstruktur bildende Platin elektroden 2, 2′, eine diese Elektroden bedeckende und etwa 1 bis 2 µm dicke Galliumoxidschicht 3 sowie ein Temperatur fühler 4 angeordnet sind. Die mit 5 bezeichnete Passivie rungsschicht aus Glas oder Siliziumoxid schirmt die den Elek troden 2 und 2′ und dem Temperaturfühler 4 jeweils zugeordne ten Anschlußleitungen 6, 6′ bzw. 7, 7′ vom Sauerstoff der Umgebungsatmosphäre ab. Als Heizelement findet eine auf der Rückseite des Substrats 1 angeordnete Widerstandschicht 8 Verwendung (s. Fig. 2). Sie besteht erfindungsgemäß aus einem Titanat, insbesondere aus CaTiO₃, BaTiO₃, SrTiO₃, MgTiO₃, PbTiO₃ oder RaTiO₃ und besitzt in dem dargestellten Ausfüh rungsbeispiel eine mäanderförmige Struktur.

Titanate gehören zur Gruppe der Materialien, deren spezifi scher elektrischer Widerstand einen negativen Temperaturkoef fizienten aufweist, deren Widerstand also mit steigender Tem peratur abnimmt. Diese Eigenschaft der Titanate ist insbeson dere bei Verwendung von Substratmaterialien von Vorteil, de ren Wärmeleitvermögen sich bei höheren Temperaturen deutlich verschlechtert. Wie man anhand der Fig. 3 erkennt, zeigt beispielsweise Al₂O₃ ein solches Verhalten. Dessen Wärmeleit fähigkeit sinkt während des Aufheizvorgangs von annähernd 40 W/mK bei Zimmertemperatur auf einen Wert von nur noch etwa 7 bis 8 W/mK bei Erreichen der Betriebstemperatur von bei spielsweise 1000 °C ab. Trotz dieser hinsichtlich der Behei zung des Sensors sehr problematischen Eigenschaft von Al₂O₃, kommt es beim erfindungsgemäßen Sensor nicht zu lokalen Über hitzungen des Substrats 1. Die Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes des Titanats sorgt nämlich dafür, daß sich die Heizleistung des Mäanders 8 in heißen Substratbereichen verringert und diesen daher weniger Wärmeenergie zugeführt wird als kälteren Substratbereichen. Im Substrat 1 können somit auch keine großen Temperaturgra dienten auftreten, was die Gefahr der Rißbildung deutlich vermindert. Da Titanate außer den beschriebenen Widerstands eigenschaften auch eine dem Substrat 1 ähnliche Wärmeausdeh nung besitzen, werden thermisch induzierte mechanische Span nungen zwischen dem Substrat 1 und dem Heizmäander 8 erheb lich reduziert.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Platinelek troden 2, 2′ unmittelbar auf der Oberfläche des Substrats 1 angeordnet. Es ist selbstverständlich auch möglich, eine zu sätzliche Isolatorschicht aus Siliziumoxid zwischen dem Substrat 1 und den Elektroden 2, 2′ vorzusehen oder die Elek troden in die Metalloxidschicht 3 vollständig einzubetten.

Anstelle von Platin kann man auch Gold oder einen elektrisch leitenden Keramikwerkstoff, insbesondere Titanoxid oder Ceroxid als Elektrodenmaterial verwenden. Als gassensitives Material kommen außer Galliumoxid insbesondere auch SnO₂, ZnO und andere bekannte Metalloxide in Betracht.

Die Beheizung des Sensors muß nicht notwendigerweise von der Rückseite des Substrat 1 aus erfolgen. Die aus einem Titanat bestehende Widerstandsschicht 8 kann auch auf der Substrato berseite in der Nähe der das gassensitive Metalloxid 3 kon taktierenden Elektroden 2, 2′ angeordnet sein.

Claims

1. Gassensor mit einem gassensitiven Element (3), einem das gassensitive Element (3) kontaktierenden Elektrodensystem (2, 2′) und einem Heizelement (8), dadurch gekennzeichnet, daß das gassensitive Element (3), das Elektrodensystem (2, 2′) und das Heizelement (8) auf einem isolierenden Grundkör per (1) angeordnet sind und daß das als Widerstandsschicht ausgebildete Heizelement (8) aus einem Titanat besteht.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (8) eine spiralförmige oder mäan derförmige Struktur aufweist.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gassensitive Element (3) aus einem halbleitenden Me talloxid besteht.

4. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gassensitive Element (3) aus Galliumoxid besteht.

5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen aus einer Keramik, Glas oder Siliziumoxid bestehenden Grundkörper (1).

6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler (4).

7. Verwendung einer aus einem Titanat bestehenden Wider standsschicht (8) zur Beheizung eines auf einem isolierenden Grundkörper (1) angeordneten gassensitiven Elementes (3).