Die vorliegende Erfindung betrifft Sensoren, deren Elektroden aus einem Verbundmaterial aus Oxid und Platin einem aggressiven Medium standhalten.

Mit Pastenauftrag in Siebdrucktechnik werden 100 μm breite Leiterbahnen mit einer Dicke von 10 bis 100 μm erzeugt. Mit dieser Dickschichttechnik sind auch noch 8 μm dicke und 80 μm breite Leiterbahnen erhältlich. Allerdings fransen beim Siebdruck die Leiterbahnen unter 20 μm Schichtdicke umso mehr an ihren Rändern aus, je dünner der Auftrag ist. Bei 8 μm Schichtdicke beträgt der ausgefranste Randbereich ungefähr 30 μm der Breite. Die feineren Strukturen der aufwändigeren Dünnschicht- oder Resinattechnik sind gegenüber aggressiven Medien nicht beständig.

Impedanzsensoren, insbesondere auf Basis einer Elektrodenkammstruktur, enthalten wenigstens zwei sich nicht berührende Platinelektroden auf keramischen Substraten, beispielsweise auf AI ₂ O ₃ -Substraten. Im Unterschied zu Heizwiderständen oder Messwiderständen, wie z. B. Temperatursensoren, sind die beiden Elektroden jeweils nur an ein Potenzial einer elektrischen Spannungsquelle anzuschließen, so dass zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt werden kann. Gemessen wird eine Veränderung des Dielektrikums zwischen den Elektroden. Die Elektroden werden in Kontakt mit dem zu messenden Medium gebracht und sind deshalb auf einer Außenseite eines Chips angeordnet. Wenn die Elektroden einem aggressiven Medium ausgesetzt werden, wie z.B. Rußsensoren, eignen sich nur in Dickschichttechnik hergestellte Elektroden. Derartige Elektroden sind aber ungenau gegenüber den wenig resistenten, in Dünnschichttechnik oder Resinattechnik herstellbaren Sensoren.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gedruckte, hoch sensitive Sensoren in Massenproduktion bereitzustellen. Zur Lösung der Aufgabe werden feinere Elektrodenstrukturen mit geringer ausgefranstem Randbereich erzeugt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den unabhängigen Ansprüchen. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungen beschrieben.

Erfindungsgemäß liegt die Bahnbreite zwischen 5 und 70 μm. Insbesondere beträgt sie mindestens 20 μm oder höchstens 60 μm. Der Abstand zwischen den Bahnen liegt ebenfalls zwischen 5 und 70 μm und beträgt vorzugsweise mindestens 15 und höchstens 60 μm.

Der Randbereich um die Leiterbahnkante schwankt weniger als 10 μm, insbesondere 2 bis 5 μm. Erfindungsgemäß wird mit diesen feinen und genauen Strukturen eine Messgenauigkeit erzielt, wie sie bisher nur mit Dünnschichttechnik erreichbar war. Der Aufwand hierfür ist gegenüber der Dünnschichttechnik reduziert.

Die außen angeordnete Elektrodenschichtstruktur ist als Verbund aus Metall insbesondere auf Basis der Platingruppenmetalle Pt, Ir oder Pd und anorganischem Oxid, insbesondere auf Glas- und ggf. Keramikbasis mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 20 μm, insbesondere 1 bis 4 μm ausgebildet. Erfindungsgemäß entspricht die Resistenz der Elektroden gegenüber aggressiven Medien der Dickschichttechnik.

Das Metall, insbesondere Edelmetall, bewirkt die elektrische Leitfähigkeit des Verbunds und muss gegenüber aggressiven Medien resistent sein. Es enthält über 50 Gew.-% Platingruppenmetall und ggf. unter 50 Gew.-% weiteres Edelmetall Au oder Ag, beispielsweise als PtRh-, IrPt- oder PdAg-Legierung. Von den bevorzugten Platingruppenmetallen ist Os wegen der Bildung des flüchtigen und giftigen Tetroxids ausgenommen. Die insgesamt unter 50 Gew.-% anwendbaren Metalle Ag und Au betragen vorzugsweise weniger als 30 Gew.-%.

Das anorganische Oxid des Verbunds bewirkt die Substrathaftung und eine besonders hohe Resistenz gegenüber abrasiven und aggressiven Medien. Bewährt haben sich Mischungen aus Glas, insbesondere auf SiO ₂ -Basis und keramischem Material, beispielsweise AI ₂ O ₃ oder MgO.

Vorzugsweise besteht die äußere Schichtstruktur aus zwei elektrisch voneinander isolierten Elektroden. Diese sind hierfür auf einem elektrisch isolierenden Untergrund, insbesondere einem elektrisch isolierenden Substrat befestigt. Alternativ sind die zwei Elektroden durch eine elektrisch isolierende Schicht, insbesondere eine AI ₂ O ₃ -Dünnschicht isoliert. Beispielsweise wird eine aus einer Elektrode bestehende Elektrodenstruktur mit einer elektrisch isolierenden Dünnschicht abgedeckt und auf der elektrisch isolierenden Dünnschicht eine einzelne äußere Elektrode erzeugt. Die abgedeckte Elektrode kann alternativ in Dünnschichttechnik erzeugt werden.

Insbesondere weist der Sensor einen Heizwiderstand auf. Dies ermöglicht eine Selbstreinigung durch Freibrennen des Sensors.

Zur Herstellung der Sensoren werden zuerst Pasten aus Metall und anorganischem Oxid auf elektrisch isolierenden oxidischen Untergründen, insbesondere Keramiksubstraten, vollflächig zu Pastenschichten mit einer Dicke von 0,5 bis 20 μm aufgetragen. Erst nach dem vollflächigen Aufdrucken der Paste werden aus den gedruckten Schichten Bahnen strukturiert. Auf diese Weise können deren Breiten und Abstände zwischen 5 und 70 μm eingestellt werden, und der um die Leiterbahnkante schwankende Randbereich unter 10 μm gehalten werden.

Die Pastenschicht wird auf das Substrat gebrannt. Dabei werden die organischen Anteile der Paste entfernt. Die Glaskomponente der Paste bindet dabei die anorganischen Komponenten der Paste an das Substrat. Vorzugsweise enthält die Paste neben den anorganischen Komponenten Glas und Metall zusätzlich keramisches Material, um die Widerstandsfähigkeit gegen abrasive Stoffe und aggressive Chemikalien zu erhöhen.

Vorzugsweise wird die Schichtdicke der gedruckten Schicht reduziert, beispielsweise durch Sputterätzen. Bei Strukturierung mittels Ätzen hat es sich bewährt, die Reduzierung der Schichtdicke vor der Strukturierung durchzuführen, da die Strukturierung bei zunehmender Schichtdicke ungenauer wird. Bei einer Laser-Strukturierung hat es sich bewährt, die Schichtdicke erst nach der Strukturierung zu reduzieren. Dabei werden bei der Laserstrukturierung gebildete Grate wieder etwas geglättet. Beim Sputterätzen wird die Schicht als Target eingesetzt.

Hierzu hat es sich bewährt, eine Leitpaste über 7 μm dick aufzutragen und erfindungsgemäß auf unter 5 μm, insbesondere unter 4μm Schichtdicke zu reduzieren. Zur Massenproduktion wird auf einem Substrat eine Vielzahl an Elektrodenstrukturen erzeugt, beispielsweise über 100 auf einem 2 x 2 Zoll Substrat oder über 1.000 auf einem 4 x 4 Zoll Substrat.

Auf diese Weise wird gleichzeitig eine Vielzahl von Sensoren hergestellt, die nach ihrer gemeinsamen Herstellung vereinzelt werden.

Vorzugsweise wird ein Heizwiderstand im Chip integriert. Per Siebdruck hergestellte Heizwiderstände können auf der Rückseite des Substrats aufgedruckt werden. Alternativ werden Heizwiderstände auf ein separates Substrat gedruckt und auf diesen Heizwiderständen das Substrat der Elektroden befestigt. Als weitere Alternative werden die Heizwiderstände neben den Elektroden in einer Schicht angeordnet, indem beispielsweise neben dem vollflächigen Pastenauftrag für die Elektroden eine als Heizwiderstand betreibbare Leiterbahn angeordnet wird, oder die Leiterbahn für den Heizwiderstand gleichzeitig mit der Strukturierung der Elektroden aus dem vollflächigen Pastendruck erfolgt.

Beispiel Massenproduktion

Eine Paste aus Flußmittel, Glaskeramik und einem der Metalle Pt oder PtRhIO oder Ir oder PdAg wird per Siebdruck vollflächig auf einem 2 x 2 oder 4 x 4 Zoll Substrat aus 96 % AI ₂ O ₃ dünn aufgetragen und zu einer 8 μm dicken Schicht gebrannt.

Hierauf wird ganzflächig auf 3 μm Schichtdicke mittels Sputterätzverfahren geätzt, indem die gebrannte Schicht als Target gepolt wird (trocken ätzen).

Die 3μm dicke Schicht wird photolithographisch bei 2 x 2 Zoll zu 300 oder bei 4 x 4 Zoll zu 1.200 Elektrodenkammpaaren mit einer Bahnbreite von 50 μm Bahnbreite und 30 μm Abstand zwischen den Bahnen strukturiert.

Dann erfolgt eine Vereinzelung zu 300 bzw. 1.200 Chips und Bestückung von Trägern mit jeweils einem Chip.

Die Chips werden zur Rußmessung in Abgasanlagen von Dieselmotoren an geeignete Messgeräte angeschlossen.