DE19611964A1 - Gasmeßfühler - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei Metalloxid-Halb­ leiter-Gasmeßfühlern, und insbesondere auf den Anschluß des Meßfühler­ elements an externe Endgeräte.

Stand der Technik

Eine beträchtliche Anforderung bei Metalloxid-Halbleiter-Gasmeßfüh­ lern besteht unter anderem darin, deren Stromverbrauch zu senken und so wiederum die Kosten der Stromversorgungsschaltung zu senken, die für den Betrieb eines Gasmeßfühlers erforderlich ist. Hierzu ist es erforderlich, unter Einsatz der Technik gedruckter Schaltungen und der Dünnfilmtech­ nik den Gasmeßfühler zu auf Miniaturgröße zu verkleinern und die Wärme­ leitung der für den Gasmeßfühler verwendeten Leitungen zu verringern. Die Leitungen sind für den größeren Teil der vom Gasmeßfühler abgegebe­ nen Wärme verantwortlich. Zur Verringerung des Stromverbrauchs ist es erforderlich, für die Leitungen einen Werkstoff mit geringer Wärmeleitfä­ higkeit zu verwenden und den Drahtdurchmesser der Leitungen zu verrin­ gern.

Ein Anwendungsgebiet der Metalloxid-Halbleiter-Gasmeßfühler, der heutzutage sehr interessant ist, ist der Nachweis von Kohlenmonoxid (CO). In diesem Fall läßt man die Temperatur sich zyklisch verändern. Das Metalloxid-Halbleitermaterial des Gasmeßfühlers wird auf hohe Tempera­ turwerte erwärmt, um es thermisch zu reinigen. Auf der Niedertemperatur­ seite verhält sich der Ausgang des Metalloxid-Halbleiterfilms gegenüber CO selektiv. Diese Eigenschaft wird für den CO-Nachweis genutzt. Dies bedeutet, daß der Gasmeßfühler fortlaufend Wärmestößen bzw. raschen Temperaturwechseln ausgesetzt ist.

Den Erfindern dieser Anmeldung stellten sich im Verlauf der Ent­ wicklung eines Gasmeßfühlers mit geringem Stromverbrauch, der sich zum Nachweis von CO eignet, die folgenden Probleme:

• 1) Wurde für die Dickschicht-Elektrodenkontakte, an welche Leitun­ gen anzuschließen sind, reines Gold verwendet, so lösten sich infolge der wiederholten Temperaturänderungen die Kontaktflecke vom Substrat;
• 2) setzte man für die Dickschicht-Elektrodenkontakte Platin ein, um das vorgenannte Problem zu beheben, ließen sich die Leitungen nur mit Schwierigkeiten an die Kontaktflecke anschließen; und
• 3) der Anschluß von Pt-W-Draht (Draht aus Pt-W-Legierung) und APM-Draht (Draht aus Au-Pd-Mo-Legierung), die sich beide sich wegen ih­ res geringen Stromverbrauchs für den Anschluß von Leitungen an die Kontaktflecke eignen, gestaltete sich schwierig, und die Verbindungsfe­ stigkeit von Kontaktflecken aus Platin erwies sich als unzureichend.

Zur Herstellung eines Gasmeßfühlers, dessen Stromverbrauch ge­ ring ist und der eine hohe Stabilität gegenüber Temperaturänderungen be­ sitzt, sind deshalb Dickschicht-Elektrodenkontakte erforderlich, die fest am Substrat gehalten werden und einen ausgezeichneten Anschluß für Leitungen bieten.

Hierzu sollte der Stand der Technik genauer untersucht werden. In der japanischen Offenlegungsschrift HEI-3-130654 wird folgender Gas­ meßfühler beschrieben. Auf einer Hauptfläche eines praktisch quadrati­ schen Substrats wird ein Metalloxid-Halbleiterfilm angeordnet. Auf der an­ deren Hauptfläche des Substrats ist eine Filmschichtheizung angebracht. Über Durchführungen werden Elektroden, die mit dem Metalloxid-Halblei­ terfilm in Verbindung stehen, zur Seite der Filmschichtheizung geführt, und Dickschicht-Elektrodenkontakte aus Platin sind mit der Filmschichthei­ zung und dem Metalloxid-Halbleiterfilm verbunden. Dann werden Leitun­ gen an diese Elektrodenkontakte mittels Thermokompressionskontaktie­ rung angeschlossen. Im Ergebnis sind alle Elektrodenkontakte auf der Sei­ te der Filmschichtheizung angebracht, und stehen beide Hauptflächen des Substrats miteinander über die Durchführungen in Verbindung. Die Elek­ trodenkontakte bestehen jedoch aus Platin, so daß sich Leitungen mit gro­ ßem Widerstand und geringer Wärmeleitfähigkeit, z. B. Leitungen mit Pt- W-Draht und APM-Draht, anschließen lassen. Damit ist die Verringerung im Stromverbrauch recht begrenzt.

Die japanische Offenlegungsschrift SHO-60-209161 beschreibt ei­ nen anderen Stand der Technik, und zwar offenbart sie die Verwendung von Dickschicht-Platin-Elektrodenkontakten zum Anschluß der Zuleitungen zu einem ZrO₂-Sauerstoffmeßfühler; dabei sind Pt-Leitungen mittels Ther­ mokompressionskontaktierung oder durch Punktschweißung angeschlos­ sen, und sind die Schweißstellen mit Platinpaste überzogen. Bei dieser Anordnung läßt sich die mangelnde Haftfestigkeit zwischen den Platinkon­ takten und den Platinleitungen durch Beschichtung mit der Platinpaste verbessern. Nach dieser Patentschrift ist jedoch kein Kontaktfleckenmate­ rial vorgesehen, das sich sowohl durch Anhaftung am Substrat als auch die Leistungsfähigkeit der Verbindung mit den Leitungen auszeichnet. Die Außenschicht aus Platinpaste ist außerdem auch dann problematisch, wenn ein Metalloxid-Halbleiter-Gasmeßfühler vorgesehen ist. Zum Einbren­ nen der Platinpaste ist eine Temperatur von rund 900°C erforderlich. Die­ se Temperatur liegt über der höchstmöglichen Einbrenntemperatur (in der Regel zwischen 600 und 700°C) der Metalloxid-Halbleiter zum Gasnach­ weis und beeinträchtigt das Metalloxid-Halbleitermaterial. Darüberhinaus ist aus beiden Vorveröffentlichungen keine Anregung dahingehend zu ent­ nehmen, daß bei Einwirkung wiederholter Temperaturänderungen auf ei­ nen Gasmeßfühler die Haltekraft zwischen den Kontaktflecken und dem Substrat ein ernstzunehmendes Problem mit sich bringt.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gas­ meßfühler sowohl hinsichtlich seiner Haltbarkeit beim Herunterfallen, bei Schwingungen, usw. als auch in seiner Festigkeit gegenüber wiederholten Temperaturänderungen zu verbessern.

Eine weitere Zielsetzung der Erfindung ist die Verringerung des Stromverbrauchs des Gasmeßfühlers.

Darüberhinaus liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, ei­ nen leichten Anschluß der Leitungen an den Gasmeßfühler zu erzielen.

Diese Aufgaben werden durch den erfindungsgemäßen Gasmeßfüh­ ler nach Anspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Gasmeßfühler weist danach folgendes auf:
ein wärmebeständiges Isoliersubstrat; eine Metalloxid-Halbleiter-Film­ schicht, deren elektrischer Widerstand sich je nach Anwesenheit eines Gases verändert; eine Filmschichtheizung und eine Vielzahl von Dickfilm- Elektrodenkontakten, von denen jeder auf dem wärmebeständigen Isolier­ substrat vorgesehen ist; sowie Leitungen;
bei welchem die Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht, die Filmschicht­ heizung und die Leitungen mit der Vielzahl von Dickfilm-Elektrodenkontak­ ten verbunden sind, und der sich dadurch auszeichnet, daß die Vielzahl von Dickfilm-Elektrodenkontakten aus einer goldhaltigen Legierung gefer­ tigt sind.

Bei dem Substrat handelt es sich um ein wärmebeständiges Isolier­ substrat, das beispielsweise aus Aluminiumoxid, Silizium oder ZrO₂ be­ steht. Das Substrat kann beispielsweise eine quadratische oder rechtecki­ ge Form aufweisen. Auf dem Substrat sind eine Metalloxid-Halbleiter-Film­ schicht, eine Filmschichtheizung und eine Dickfilm-Elektrode angeordnet. Die Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht und die Filmschichtheizung können in Dünnfilm- oder Dickfilmtechnik ausgeführt sein, doch sind die Elektroden­ kontakte nur in Dickfilmtechnik ausgebildet. Der Grund hierfür liegt darin, daß Dünnfilm-Kontaktflecken eine unzureichende Haftkraft zwischen den Kontaktflecken und dem Substrat bedingen; die Kontaktflecken können sich bei der Thermokompressionskontaktierung oder beim Anschweißen der Leitungen leicht ablösen. Die Filmschichtdicke der Elektrodenkontakte liegt beispielsweise zwischen 2 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 20 µm. Das für die Elektrodenkontakte verwendete Material ist eine gold­ haltige Legierung wie Au-Pt, Au-Rh und Au-Pd. Eine solche Legierung kann zur Bildung der Elektrodenkontakte in einer einzigen Schicht verwen­ det werden. Die Elektrodenkontakte lassen sich auch in zwei Schichten aufbauen, beispielsweise aus einer unteren Schicht aus Platin und einer oberen Schicht aus Gold. Bei solchen zweischichtigen Kontaktflecken ver­ mischen sich die Bestandteile der oberen und der unteren Schicht unter Bildung einer Legierung. Ein besonders bevorzugtes Material für Elektro­ denkontakte ist eine Au-Pt-Legierung. Die Elektrodenkontakte lassen sich von Anfang an aus dieser Legierung bilden oder sie können erst in einer unteren Platinschicht und einer oberen Goldschicht ausgebildet werden, woraufhin die obere und die untere Schicht unter Bildung von Kontaktflec­ ken aus einer Au-Pt-Legierung miteinander legiert werden.

Vorzugsweise werden beide Hauptflächen, die Oberseite und die Rückseite, des Substrats verwendet, und auf einer der Hauptflächen wird dann eine Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht beispielsweise aus SnO₂, ZnO oder InZO₃ aufgebracht, während auf der anderen Hauptfläche eine Film­ schichtheizung, z. B. aus RuO₂ oder Pt, angeordnet wird. Anschließend werden die Dickfilm-Elektrodenkontakte auf einer der Hauptflächen ange­ ordnet, und diese Hauptfläche wird mittels Durchführungen, usw. mit der anderen Hauptfläche verbunden. Statt der Durchführungen kann der An­ schluß an die andere Hauptfläche auch beispielsweise mit Hilfe einer oder mehrerer leitfähiger Filmschichten auf einer Kante oder Seite des Sub­ strats erfolgen. Auf diese Weise läßt sich der Stromverbrauch senken und die Befestigung der Leitungen leichter realisieren, da alle Leitungen auf ei­ ner Substratfläche vorgesehen sind.

Zur Verringerung des Stromverbrauchs des Gasmeßfühlers ist es wünschenswert, einen Draht mit großem elektrischen Widerstand für die Leitungen zu verwenden. Im allgemeinen besitzt ein Draht mit großem Wi­ derstand eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Zu den in Frage kommenden Drahtarten gehören beispielsweise Pt-W-Drähte (W-Gehalt zwischen 2 und 12 Gew.%), APM-Drähte (Pd-Gehalt zwischen 10 und 60 Gew.%, Mo-Ge­ halt zwischen 1 und 10 Gew.%, der Rest Gold), Pt-ZGS-Drähte (Pt-ZrO₂- Legierung, in welcher ZrO₂ an der Korngrenze von Platin ausgefällt ist), und Pt-Pd-Drähte (Pd-Gehalt zwischen 5 und 60 Gew.%). Hierbei handelt es sich um Drähte aus edelmetallhaltigen Legierungen, wobei Pt-W- und APM-Drähte besonders bevorzugt werden.

Das Verfahren zur Verwendung des Gasmeßfühlers ist Ermessens­ sache. Die vorliegende Erfindung ist jedoch besonders gut in den Fällen geeignet, in denen eine periodische Änderung der Temperatur des Gas­ meßfühlers veranlaßt wird. Soll sich die Temperatur des Gasmeßfühlers periodisch ändern, so sind die Grenzflächen zwischen den Elektrodenkon­ takten und dem Substrat wiederholten Wärmestößen ausgesetzt, weshalb sich die Kontaktflecken gegebenenfalls ablösen. Zur Lösung dieses Pro­ blems werden bei der vorliegenden Erfindung Dickfilm-Elektrodenkontakte aus Goldlegierung eingesetzt, um so die Haftkraft zwischen dem Substrat und dem Kontaktflecken zu verbessern und eine Ablösung der Kontakt­ flecken zu verhindern. Die Kontaktflecken aus Goldlegierung lassen sich leicht mit Leitungen verbinden, und auch dann, wenn ein Draht aus edel­ metallhaltiger Legierung mit großem Widerstand, der sich recht schwierig anschließen läßt, ist eine ausreichende Kontaktierungsfestigkeit erzielbar. Durch Verwendung von Draht aus edelmetallhaltiger Legierung sinkt der Wärmeverlust über die Leitungen und damit wiederum nimmt der Strom­ verbrauch des Gasmeßfühlers ab.

Wenn nun die Verbindungen zwischen den Leitungen und den Dick­ film-Elektrodenkontakten mit einer Dickfilmschicht überdeckt sind, lassen sich durch die Aufbringung der dicken Filmschicht die Leitungen an den Kontaktflecken sichern. Infolgedessen läßt sich die Verbindungskraft zwi­ schen den Leitungen und den Kontaktflecken verbessern. Au, Au-Pt und Au-Rh sind Beispiele für gegebenenfalls geeignete Werkstoffe für die Dick­ filmschicht. Das Dickfilmmaterial kann beispielsweise in Form einer Paste auf die Anschlüsse aufgebracht und anschließend zur Verfestigung einge­ brannt werden. Um die Einbrenntemperatur niedrig zu halten und so wie­ derum nachteilige Einflüsse auf die Qualität des Metalloxid-Halbleiters zu verhindern, ist es günstig, Gold als Dickfilm-Beschichtungsmaterial zu ver­ wenden, das sich bei niedriger Temperatur leicht einbrennen läßt. Dar­ überhinaus handelt es sich bei Gold um einen Werkstoff, der leicht eine Verbindung mit den Kontaktflecken und den Leitungen eingehen kann, und außerdem wird Gold auch zur Verbesserung der Festigkeit der Lei­ tungsanschlüsse bevorzugt.

Die Verbindung zwischen den Leitungen und den Dickfilm-Elektro­ denkontakten wird durch Schweißen hergestellt, beispielsweise Parallel­ spaltschweißen, Fixierung mittels einer dicken Schicht Goldpaste, usw., oder auch durch Thermoultraschall-Druckkontaktierung oder ähnlicher Ver­ fahren. Im Vergleich zur Thermoultraschall-Druckkontaktierung ist beim Parallelspaltschweißen die Verschweißungsarbeit leichter durchzuführen. Beim Schweißvorgang selbst können allerdings die Leitungen auf den Kontaktflecken nicht abgetrennt werden, sondern hierzu ist ein anderes Verfahren notwendig. Vorzugsweise wird für diesen Arbeitsgang eine Schmelztechnik eingesetzt. Wenn auf zwei Kontaktflecken auf dem Sub­ strat eine Leitung angeschweißt wird, bleibt zwischen den beiden Kon­ taktflecken ein Leitungsabschnitt bestehen. Läßt man durch den Leitungs­ abschnitt zwischen diesen Kontaktflecken zum Abschmelzen Strom mit hoher Stromstärke hindurchfließen, so wird der Leitungsabschnitt infolge der dabei erzeugten Wärme schmelzflüssig. Sind beispielsweise vier Elek­ trodenkontakte vorhanden, befinden sich diese Kontaktflecke an den je­ weiligen Eckpunkten. Zunächst werden zwei Leitungen kreuzweise ange­ ordnet. Dabei ist jede Leitung mit zwei Kontaktflecken an zwei diagonal liegenden Ecken des Vierecks verbunden. Danach verlaufen nach dem Ab­ schmelzen der beiden Leitungsabschnitte die Leitungen vom Substrat aus kreuzförmig nach außen. Die jeweiligen Leitungen sind dabei praktisch parallel zu den entsprechenden Diagonalen dieses Vierecks. Wenn sich die Leitungen vom Substrat aus kreuzförmig erstrecken, verbessert sich die Festigkeit des Gasmeßfühlers gegenüber Schwingungen und von außen einwirkenden Kräften in verschiedenen Richtungen.

Erfindungsgemäß wird für die Dickfilm-Elektrodenkontakte des Gas­ meßfühlers eine Goldlegierung verwendet. Infolgedessen ist die Haltekraft zwischen den Kontaktflecken und dem Substrat groß. Somit lösen sich die Kontaktflecken auch dann nicht vom Substrat, wenn auf den Gasmeßfüh­ ler wiederholt Temperaturänderungen einwirken. Die Kontaktflecke aus Goldlegierung sorgen für eine hohe Festigkeit der Verbindung mit den Lei­ tungen. Auch wenn für die Leitungen Kontaktflecke Draht aus edelmetall­ haltiger Legierung oder dergleichen verwendet wird, die eine niedrige Wär­ meleitfähigkeit besitzt, läßt sich die Festigkeit der Anschlüsse der Leitun­ gen auf einem hohen Wert halten. Dies bedeutet, daß sich der Stromver­ brauch des Gasmeßfühlers senken läßt.

Die Verbindung zwischen den Leitungen und den Kontaktflecken kann durch Verschweißen, beispielsweise Parallelspaltschweißen, Thermo­ kompressionskontaktierung wie Thermoultraschall-Kompressionskontaktie­ rung, oder mittels Fixierung mit einer Schutzschicht, z. B. einer Dickfilm­ schicht aus Gold usw., realisiert werden. Vorzugsweise werden die Lei­ tungen durch Verschweißen oder mit Thermokompressionskontaktierung angeschlossen, woraufhin die Anschlüsse mit einer Schutzschicht in Dick­ filmtechnik bedeckt werden. Auf diese Weise wird die Verbindungskraft zwischen der Leitung und dem Kontaktflecken verbessert. Als Material für die Schutzschicht wird Gold bevorzugt, da Gold sich bei niedriger Tempe­ ratur leicht einbrennen läßt und für eine hervorragende Anhaftung an den Leitungen sorgt.

Sind die Leitungen durch Anschweißen oder mittels einer Schutz­ schicht mit den Kontaktflecken verbunden, lassen sich die Leitungsab­ schnitte durch Abschmelzen leicht von den Kontaktflecken abtrennen. Sind beispielsweise vier Kontaktflecken vorhanden und sind die Leitungen praktisch parallel zu den Diagonalen eines die vier Kontaktflecken verbin­ denden Vierecks angeordnet, so können die Richtungen der Leitungen un­ terschiedlich sein. Das Substrat wird von den vier Leitungen in einer Ebe­ ne gehalten; das Substrat läßt sich entgegen Schwingungen und von au­ ßen einwirkenden Kräften in unterschiedlichen Richtungen halten. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die Leitungen entlang den Diagonalen des Vierecks angeordnet und angeschlossen werden, und anschließend durch Abschmelzen getrennt werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen wesentlichen Teil eines Ausfüh­ rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gasmeßfühlers.

Fig. 2 zeigt den wesentlichen Teil des Ausführungsbeispiels des Gasmeßfühlers in einer Ansicht von unten.

Fig. 3 ist eine Unteransicht eines wesentlichen Teils des Gasmeß­ fühlers, bei dem Durchführungsbereiche modifiziert wurden.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen wesentlichen Teil des Aus­ führungsbeispiels des Gasmeßfühlers mit der Darstellung der Verbindung zwischen einem Kontaktflecken und einer Leitung.

Fig. 5 zeigt ein typisches Diagramm für die Zusammensetzung der Legierung der Kontaktflecken bei diesem Ausführungsbeispiel des Gas­ meßfühlers.

Fig. 6 ist eine Seitenansicht eines wesentlichen Teils dieses Aus­ führungsbeispiels des Gasmeßfühlers.

Fig. 7 stellt die Beziehung zwischen der Art der Verbindung und dem Stromverbrauch bei diesem Ausführungsbeispiel des Gasmeßfühlers in einem typischen Diagramm dar.

Fig. 8 ist ein typisches Diagramm zur Veranschaulichung der Bezie­ hung zwischen der Art des Dickfilm-Elektrodenkontakts und der Haltbar­ keit sowie der Beziehung zwischen der Art des Kontaktflecks und der Fe­ stigkeit der Verbindung der Leitung.

Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch einen wesentlichen Teil mit der Dar­ stellung eines Schmelzbereichs bei diesem Ausführungsbeispiel des Gas­ meßfühlers.

Fig. 10 zeigt einen Schmelzbereich der Leitungen bei diesem Aus­ führungsbeispiel des Gasmeßfühlers in Draufsicht.

Fig. 11 veranschaulicht den Vorgang beim Abschmelzen einer Lei­ tung bei diesem Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung.

Fig. 12 ist eine schematische Darstellung des Vorgangs beim An­ schluß von Leitungen an den Gasmeßfühler bei diesem Ausführungsbei­ spiel.

Fig. 13 stellt schematisch den Ablauf bei der Vornahme einer Modi­ fizierung des Gasmeßfühlers dar.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 bis 13 zeigen ein Ausführungsbeispiel und dessen modifizier­ te Formen. Die jeweiligen Modifizierungen sind mit Ausnahme der hier nä­ her bezeichneten bestimmten Punkte mit dem Ausführungsbeispiel iden­ tisch. Dabei stellt Fig. 1 einen wesentlichen Teil des Ausführungsbeispiels des Gasmeßfühlers dar. Mit 2 ist das Meßfühlerteil, und mit 4 ein wärme­ beständiges Isoliersubstrat, beispielsweise aus Aluminiumoxid, Silizium oder ZrO₂, angegeben. Die Bezugszeichen 6a bis 6d geben vier Dickfilm- Elektrodenkontakte an. Diese Kontaktflecke sind alle auf einer Hauptfläche 5 des Substrats 4 angeordnet. Jeder Elektrodenkontakt besteht aus einer Goldlegierung wie Au-Pt, Au-Rh und Au-Pd. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel wird eine Au-Pt-Legierung eingesetzt. Die Dicke des Elektrodenkon­ takts 6 beträgt beispielsweise 2 bis 50 µm, vorzugsweise 5 bis 20 µm. Im letztgenannten Stärkebereich verbessert sich die Haftkraft zwischen dem Kontaktfleck und dem Substrat 4, und diese Stärke kann mittels eines ein­ fachen oder zweifachen Druckvorgangs ausgebildet werden. Der Goldge­ halt des Kontaktflecks 6 beträgt, bezogen auf die vier Kontaktflecke 6, im Mittel zwischen 5 und 95 Gew.%, vorzugsweise 20 bis 80 Gew.%; dabei wird berücksichtigt, daß sich die Zusammensetzung des Kontaktflecks 6 in Richtung der Tiefe verändern kann. Mit 8 ist eine Filmschichtheizung angegeben, die beispielsweise in Form einer RuO₂-Filmschicht (Filmstärke etwa 10 µm) oder eines Pt-Dünnfilms vorgesehen ist. Im Falle einer RuO₂- Filmschicht wird über die gesamte Fläche durch Überstreichen ein Isolier­ film gebildet. Die Heizelektroden 10a und 10b sind an die Filmschichthei­ zung 8 angeschlossen. Die Heizelektroden 10a und 10b sind mit den Elek­ trodenkontakten 6a und 6b verbunden.

Ein Metalloxid-Halbleiterfilm 1 2, beispielsweise eine SnO₂-Film­ schicht, ist auf der gegenüberliegenden Hauptfläche 7 des Substrats 4 vorgesehen. Die Filmschichtdicke beträgt beispielsweise 10 µm. Ein Paar Elektroden 14a und 14b sind mit der Filmschicht 12 verbunden und ste­ hen über die Durchführungen 16, auf deren Innenwandungen leitfähige Schichten vorgesehen sind, jeweils mit den Elektrodenkontakten 6c und 6c in Verbindung. Gemäß Fig. 3 können anstelle der Durchführungen 16 leitfähige Schichten beispielsweise an den Kanten der Eckbereiche des Substrats 4 vorgesehen sein. Ein solches Beispiel ist in Fig. 3 dargestellt, wobei das Bezugszeichen 3 ein neues Meßfühlerteil bezeichnet und mit 17a und 17b neue Elektroden angegeben sind. Die Elektroden 10 und 14 können aus demselben Werkstoff wie die Elektrodenkontakte 6 oder ei­ nem anderen Material bestehen. Die Filmschichtdicke der Elektroden 10 und 14 kann die gleiche wie bei den Elektrodenkontakten 6 sein oder auch anders als diese.

In Fig. 1 und 2 wiederum ist mit 20 eine Leitung aus Draht angege­ ben, der aus einer edelmetallhaltigen Legierung besteht. Mit 22 ist ein Stift als Außenanschluß angegeben, an den eine Leitung 20 angeschweißt ist. Für die Leitungen 20 wird ein legierter Draht mit großem Widerstand und geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet, beispielsweise Pt-W und Au- Pd-Mo, wobei allerdings ein Pt-W-Draht besonders günstig ist, da er eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und sich leicht an die Kontaktflecke 6 anschließen läßt. Der Drahtdurchmesser der Leitungen 20 beträgt bei­ spielsweise 20 bis 60 µm, vorzugsweise liegt er zwischen 30 und 50 µm. Mit dem Bezugszeichen 24 (27?) wird eine Dickfilm-Schutzschicht ange­ geben, die durch Einbrennen einer Goldpaste hergestellt wird. Die Schutz­ schicht überdeckt die Anschlüsse zwischen den Kontaktflecken 6 und den Leitungen 20. Die Anordnung einer solchen Schutzschicht ist nicht erfor­ derlich, wenn die Haltekraft zwischen den Kontaktflecken 6 und den Lei­ tungen 20 groß genug ist.

Fig. 4 zeigt die Verbindung zwischen der Leitung 20 und dem Kon­ taktfleck 6. Der Kontaktfleck 6 besteht aus einer Goldlegierung, so daß er besser am Substrat 4 anhaftet. Fig. 4 zeigt dabei ein Beispiel, bei wel­ chem eine obere Schicht 26 aus reinem Gold über einer unteren Schicht 24 aus reinem Platin aufgebaut ist. Wie allerdings Fig. 5 zeigt, wird die obere Schicht 24 mit der unteren Schicht 26 legiert, während die obere Schicht 26 eingebrannt wird. Was man tatsächlich erhält, ist ein Kontakt­ fleck aus einer Gold-/Platin-Legierung. Die Erfinder haben beispielsweise eine untere Pt-Schicht 24 mit einer Dicke von 7 µm aufgedruckt und bei 850°C eingebrannt, und danach eine 7 µm dicke obere Goldschicht 26 aufgedruckt und ebenfalls bei 850°C eingebrannt. Die Oberfläche des so erhaltenen legierten Kontaktflecks wies keine Goldfarbe auf, sondern sah silbrig weiß aus, sie hatte also die Farbe einer Au-Pt-Legierung. Somit las­ sen sich Gold und Platin leicht legieren. Was man tatsächlich erhält, ist ei­ ne Gold-/Platin-Legierung, auch wenn zwei unterschiedlich zusammenge­ setzte Schichten aufgedruckt werden. Dieser Legiervorgang beschränkt sich nicht auf die Kombination Au-Pt, sondern funktioniert auch mit ande­ ren Werkstoffen, beispielsweise Au-Rh und Au-Pd.

Die Bezugszeichen 28 und 28 geben Schweißbereiche an, die durch Parallelspaltschweißen gebildet werden. Statt dessen kann die Verbindung zwischen den Leitungen 20 und den Kontaktflecken 6 auch durch Ther­ mokompressionskontaktierung hergestellt werden, oder die Leitungen 20 können mittels einer Schutzschicht 27 ohne Verschweißung oder Thermo­ kompressionskontaktierung an den Kontaktflecken 6 befestigt werden. Mit 30 ist ein Abschmelzbereich auf der Leitung 20 angegeben. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind zwei Leitungen vorgesehen, von denen die eine so angeordnet wird, daß sie mit den Kontaktflecken 6a und 6c verbunden ist, und dann eine Parallelspaltschweißung vorgenom­ men wird. Als nächstes wird ein Paar Schweißelektroden nahe den Ab­ schmelzbereichen 30 und 30 mit der Leitung kontaktiert, woraufhin man quer zu den Kontaktflecken 6a und 6c bzw. 6b und 6d Strom mit hoher Stromstärke fließen läßt. Da die Leitung vom Substrat quer zu den Kon­ taktflecken abgehoben ist und es keinen Weg gibt, über den die Wärme abgeführt werden kann, wird die Leitung schmelzflüssig und bricht ab. Nun wird auf einem Ende der Leitung ein Abschmelzbereich gebildet.

Die Merkmale des so gebildeten Gasmeßfühlers werden im folgen­ den erläutert. Das Substrat 4 besitzt eine Stärke von 0,5 mm und eine rechteckige Form. Gemäß Fig. 1 beträgt seine Abmessung in Querrichtung 1 mm und seine Erstreckung in vertikaler Richtung 0,9 mm. Die Metall­ oxid-Halbleiter-Filmschicht 12 wurde aus SnO₂ (mit einer Filmschichtdicke von etwa 10 µm gebildet, und die Einbrenntemperatur nach dem Aufdruc­ ken der SnO₂-Schicht betrug 700°C. Wurden die Kontaktflecke 6 in einer Schicht aufgebaut und von vornherein aus einer Legierung gebildet, hat­ ten sie eine Dicke von 7 µm. Waren die Kontaktflecke 6 aus zwei Schich­ ten aufgebaut, und zwar die untere aus Platin und die obere aus Gold, und wurden die beiden Schichten miteinander legiert, betrug die Dicke der Platinschicht 7 µm und die der Goldschicht ebenfalls 7 µm, so daß die Ge­ samtstärke des Kontaktflecks 6 14 µm betrug. Für die Leitungen 20 wur­ de Platindraht (Drahtdurchmesser 40 µm), Pt-ZGS-Draht (Drahtdurchmes­ ser 50 µm; mit an den Korngrenzen von Pt ausgeschiedenem ZrO₂; ZrO₂- Gehalt etwa 0,06 Gew.%), APM-Draht (Drahtdurchmesser 40 µm; Gold­ gehalt 55 Gew.%, Pd-Gehalt 40 Gew.%, Mo-Gehalt 5 Gew.%), Pt-W- Draht (Drahtdurchmesser 40 µm; Pt-Gehalt 92 Gew.%, W-Anteil 8 Gew.%) verwendet. Diese Drahtmaterialien wurden von Tanaka Kikinzoku Kogyo hergestellt. Die Drähte wurden mit den Kontaktflecken 6 unter den folgenden Bedingungen (Parallelspaltschweißen) verschweißt: Schweiß­ spannung 5 V, Dauer des Schweißstromdurchgangs 11 msec. Das Material der Schutzschicht 27 war Goldpaste. Diese Paste wurde aufgetragen und bei 700°C eingebrannt.

Was die Einsatzbedingungen für den Meßfühler angeht, so dauerte der Temperaturwechsel 30 Sekunden. 10 Sekunden dieses Zeitraums ent­ fielen auf den Hochtemperaturbereich, und die übrigen 20 Sekunden lagen im niedrigen Temperaturbereich. Die maximale Temperatur im Hochtempe­ raturbereich betrug etwa 400°C, und die Endtemperatur im niedrigen Temperaturbereich lag in etwa bei Raumtemperatur. Das Ausgangssignal des Meßfühlers wurde abgegriffen, beispielsweise unmittelbar vor dem Ende des Niedertemperaturbereichs. Der Meßfühler war dieser zyklischen Wiederholung von Temperaturänderungen über die Dauer eines Jahres ausgesetzt. Zur Messung der Haftkraft der Leitungen 20 gemäß Fig. 6 wird das Meßfühlerteil 2 an Stifte 22 angeschlossen, woraufhin das Meß­ fühlerteil 2 mittels einer speziellen Vorrichtung nach oben gezogen wird. Die Haftfestigkeit der Leitung 20 wird durch die Stärke an dem Punkt aus­ gedrückt, an dem sich die Leitung 20 löst. Die Stellen, an denen sich die Leitung 20 löst, waren in den meisten Fällen die Verbindungen zwischen dem Kontaktfleck 6 und der Leitung 20. In Fig. 6 ist mit 32 ein Trägerteil angegeben.

Fig. 7 veranschaulicht die Veränderung des Stromverbrauchs (mitt­ lerer Stromverbrauch für einen Zeitraum) in Abhängigkeit von der Art der Zuleitungen 20. Der Stromverbrauch nimmt vom Pt-Draht zu einem Pt-W- Draht hin ab. Drähte aus Pt-W und APM werden bevorzugt, ganz beson­ ders Pt-W-Draht.

Fig. 8 zeigt die Haltbarkeit der Kontaktflecke 6 bei zyklischen Tem­ peraturänderungen und die Haftkraft der Leitungen 20. Die Haltbarkeit der Kontaktflecke 60 wird durch ihre Beständigkeit gegenüber der Anzahl von Erwärmungszyklen zwischen etwa 400°C und ca. Raumtemperatur inner­ halb des vorgenannten Zeitraums von 30 Sekunden angezeigt. Dieser Wert für die Haltbarkeit wird über fünf Meßfühler gemittelt. Bei Kontakt­ flecken aus reinem Gold lösten sich die Kontaktflecke 6 nach durch­ schnittlich 6620 Zyklen vom Substrat 4, was, in Betriebsstunden des Meßfühlers ausgedrückt, nur etwa 55 Stunden entspricht. Die Kontakt­ flecken aus Pt und Au dagegen (in zwei Ausführungen: Filmschicht aus Au-Pt-Legierung, 7 µm stark; und eine Goldschicht von 7 µm Dicke, über einer 7 µm starken Platinschicht gebildet und anschließend mit dieser le­ giert) überstanden die Dauerprüfung mit Erfolg über ein Jahr lang, ohne daß sich ein Kontaktfleck löste. Diese einjährige Dauerprüfung entspricht 1.050.000 zyklischen Temperaturänderungen.

Zur Bestimmung der Verbindungsfestigkeit (Gesamtfestigkeit der vier Leitungen) bei Pt-W-Draht und APM-Draht wurde die Art der Kontakt­ flecke 6 verändert. Bei Pt-Kontaktflecken betrug die Verbindungsfestigkeit etwa 10 g ohne Schutzschichten 27 und rund 40 g mit den Schutzschich­ ten 27. Bei Kontaktflecken aus Gold und bei legierten Kontaktflecken, bei­ spielsweise aus Gold-/Platin-Legierung, betrug dagegen die Verbindungs­ festigkeit etwa 20 g ohne die Schutzschichten und rund 80 g mit den Schutzschichten. Dies belegt, daß die Platin-Kontaktflecken ungenügend fest mit den Leitungen verbunden waren und die Kontaktflecken 6 aus Gold-/Platin-Legierung eine hervorragende Anhaftung am Substrat 4 und eine erhöhte Verbindungsfestigkeit an den Leitungen 20 aufwiesen. Wie sich aus Fig. 8 deutlich ergibt, besitzt der Pt-W-Draht eine höhere Festig­ keit in seiner Verbindung mit den Kontaktflecken 6 als der APM-Draht. Die Erfinder stellten zusätzlich zu den Platin-/Gold-Schichten auch zweischich­ tige Kontaktflecken her, beispielsweise aus Rh-Au und Pd-Au. In allen Fäl­ len bestand die obere Schicht aus Gold und die untere Schicht aus Rh, Pd, usw. Die Stärke der oberen wie auch der unteren Schicht betrug 7 µm. In allen diesen Fällen wurde das Gold mit Rh oder Pd legiert, wobei die sich ergebende Verbindungsfestigkeit bei Pt-W-Draht rund 20 g betrug (ohne die Schutzschichten 27).

Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich deutlich folgendes:

• 1) Durch Verwendung von Drähten aus edelmetallhaltiger Legie­ rung, z. B. Pt-W und APM, sinkt der Stromverbrauch des Gasmeßfühlers.
• 2) Die Verwendung von Kontaktflecken aus Goldlegierung verbes­ sert die Beständigkeit des Gasmeßfühler bei Temperaturänderungen und gewährleistet eine hohe Festigkeit der Verbindung zwischen den Leitun­ gen und den Kontaktflecken.
• 3) Zur weiteren Verbesserung der Verbindungsfestigkeit der Leitun­ gen ist es günstig, nach dem Anschließen der Leitungen 20 an die Kon­ taktflecken 6 durch Parallelspaltschweißen, Thermoultraschall-Druckkon­ taktierung, usw. Schutzschichten 27 aufzubringen. Gold wird als Material für die Schutzschichten 27 bevorzugt; es läßt sich bei niedrigen Tempera­ turen einbrennen und führt nicht zu einer Beschädigung der Metalloxid- Halbleiter-Filmschicht 12 und läßt sich darüberhinaus leicht mit den Kon­ taktflecken 6 und den Leitungen 20 verbinden.

Abschmelzung

Fig. 9 bis 12 zeigen im einzelnen den Abschmelzvorgang. Dabei sind in Fig. 9 und 10 Abschmelzbereiche 30 der Leitung 20 zu erkennen. Gemäß Fig. 10 weist der Abschmelzbereich 30 eine andere Form auf als der Bereich, der beim Abtrennen der Leitung 20 mittels anderer Verfahren entsteht. Der Abschmelzbereich 30 ist typischerweise rund. Beispielswei­ se gibt das Bezugszeichen 36 in Fig. 10 die Form des oberen Endes einer Leitung 20 an, wenn diese mit einem Werkzeug mit Schneide abgetrennt wird. Das Bezugszeichen 38 zeigt dagegen die Form des oberen Endes ei­ ner Leitung 20 bei Belastung und Abriß.

Fig. 11 veranschaulicht den Abschmelzvorgang. Beispielsweise wird eine Leitung 20 durch Parallelspaltschweißen auf die Kontaktflecken 6 aufgeschweißt. Nun wird ein Paar Elektroden 40 und 40 angeordnet und man läßt einen Abschmelzstrom i durchfließen. Die Leitung 20 ist quer zu den Kontaktflecken 6a und 6c vom Substrat 4 abgelöst, und auch wenn die Leitung 20 mit der Filmschichtheizung 8 in Kontakt steht, fließt der Abschmelzstrom durch die Leitung 20, da die Oberfläche der Film­ schichtheizung 8 durch Überstreichen isoliert ist. Die dabei erzeugte Wär­ me läßt die Leitung 20 schmelzflüssig werden und brechen. Fig. 12 zeigt ein Verfahren zum Anschließen von Leitungen 20 bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel. Dabei zeigt die Teilfigur 12 (1) einen Metallrahmen, an dem Leitungen 20 durch Anschweißen oder dgl. befestigt sind. Als nächstes werden Meßfühlerteile 2 relativ zum Rahmen 50 mittels einer geeigneten Vorrichtung ausgerichtet. Der sich dabei ergebende Zustand ist in der Teil­ figur 12 (2) dargestellt. Anschließend werden die Leitungen 20 an die Kontaktflecke 6a bis 6d angeschweißt, beispielsweise durch Parallelspalt­ schweißen. Danach werden die Leitungen 20 abgeschmolzen (Teilfigur 12 (3)). Danach wird Goldpaste aufgetragen und zur Bildung der Schutz­ schichten 27 zusammen mit dem gesamten Rahmen 50 erwärmt. Als nächstes werden die Trägerteile 32 der Gasmeßfühler ausgerichtet und die Leitungen 20 an die Stifte 22 angeschweißt. Im allgemeinen ist es schwierig, Leitungen 20 auf die Elektrodenkontakte 6 aufzuschweißen und gleichzeitig die Leitungen 20 abzutrennen. Es ist jedoch möglich, die Leitungen 20 an die Stifte 22 anzuschweißen und sie gleichzeitig abzu­ trennen. Vorzugsweise werden die Leitungen 20 an die Stifte 22 ange­ schweißt und gleichzeitig werden die Leitungen 20 abgetrennt (Teilfigur 12 (4)). Auf diese Weise werden die Trägerteile 32 vom Rahmen 50 unab­ hängig, und damit ist die Montage der Meßfühlerteile 2 auf den Stiften 22 abgeschlossen. Wie in der Teilfigur 12 (4) deutlich zu erkennen ist, verän­ dern die vier Leitungsdrähte ihre Richtung um etwa 90 Grad und verlaufen praktisch parallel zu den Diagonalen des Vierecks, das die vier Kontakt­ flecke 6 umfaßt (wobei die Winkelabweichung jedes Leitungsdrahts ge­ genüber der Diagonalen innerhalb eines Bereichs von ±15 Grad liegt). In­ folgedessen sind die Meßfühlerteile 2 gegenüber Kräften, die sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung (in Fig. 12) wirksam sind, widerstands­ fähig, und damit verbessert sich die Festigkeit, mit der die Meßfühlerteile 2 angebracht sind, noch weiter.

Fig. 13 zeigt eine zweite modifizierte Form des Gasmeßfühlers. In dieser schematischen Darstellung sind mit 70 neue Meßfühlerteile angege­ ben, ist 72 ein Leiterrahmen und 74 eine von dessen Leitungen. Der Lei­ terrahmen 72 besteht aus einer Legierung aus unedlen Metallen, beispiels­ weise SUS316 und Eisen-Chrom-Aluminium. Die Querschnittsfläche der Leitung 74 beträgt beispielsweise 20 bis 50 µm². Bei dem Meßfühlerteil 70 ist ein Paar Metalloxid-Halbleiter-Filmschichten 76 und 78 auf der Rückseite des Substrats 4 vorgesehen. Beispielsweise wird die Metalloxid- Halbleiter-Filmschicht 76, die näher bei der Filmschichtheizung 8 liegt, als Metalloxid-Halbleiter-Film für den Nachweis von Methan verwendet und die Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht 78, die von der Filmschichtheizung entfernt ist, dient für den Nachweis von Kohlenmonoxid. Der Kontaktfleck 6b ist mittels einer Durchführung 16 sowohl an die Oberseite wie auch an die Rückseite des Substrats angeschlossen und dient als gemeinsamer Kontakt für die beiden Metalloxid-Halbleiter-Filmschichten 76 und 78.

Eine modifizierte Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist dem Aufbau des Gasmeßfühlers aus Fig. 1 ähnlich, allerdings mit dem Unterschied, daß als Leitungen Winkelleitungen 74 aus unedlem Metall verwendet wer­ den und das Meßfühlerteil 70 ein Paar Metalloxid-Halbleiter-Filmschichten 76 und 78 aufweist. Beispielsweise bestehen die Kontaktflecken 6 alle aus Goldlegierung. Diese Kontaktflecken weisen gegenüber dem Substrat 4 eine hohe Haftkraft und gegenüber den Leitungen 74 eine hohe Verbin­ dungsfestigkeit auf. Darüberhinaus sind bei dieser modifizierten Ausfüh­ rungsform die Meßfühlerteile 70 relativ zum Rahmen 72 ausgerichtet, und sind die Leitungen 74 an vier Punkten an die Elektrodenkontakte 6a bis 6d angeschweißt, wobei die redundanten Bereiche abgeschmolzen und ent­ fernt werden. Anschließend werden die Leitungen 74 auf Stifte 22 aufge­ schweißt und die Leitungen 74 gleichzeitig abgetrennt.

Claims (7)

1. Gasmeßfühler, der ein wärmebeständiges Isoliersubstrat aufweist, sowie eine Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht, deren elektrischer Wi­ derstand sich je nach Anwesenheit eines Gases verändert; eine Film­ schichtheizung und eine Vielzahl von Dickfilm-Elektrodenkontakten, von denen jeder auf dem wärmebeständigen Isoliersubstrat vorgesehen ist; so­ wie Leitungen;
bei welchem die Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht, die Filmschicht­ heizung und die Leitungen mit der Vielzahl von Dickfilm-Elektrodenkontak­ ten verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Dickfilm-Elektroden­ kontakten (6; 6a-6d) aus einer goldhaltigen Legierung gefertigt sind.

2. Gasmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Dickfilm-Elektrodenkontakten (6; 6a-6d) aus einer Gold-/Pla­ tin-Legierung besteht.

3. Gasmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (20) aus Draht aus einer edelmetallhaltigen Legierung bestehen.

4. Gasmeßfühler nach Anspruch 1, bei welchem der Gasmeßfühler ein Meßfühler (70) zum Nachweis von Kohlenmonoxid ist und der Stromver­ brauch der Filmschichtheizung (8, 10a, 10b) periodisch so verändert wird, daß sich die Temperatur der Metalloxid-Halbleiter-Filmschicht (76, 78) pe­ riodisch verändert.

5. Gasmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse zwischen den Leitungen (20) und den Dickfilm-Elektrodenkon­ takten (6; 6a-6d) mit Filmschichten in Dickfilmtechnik (24; 27) überzo­ gen sind.

6. Gasmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Leitungen (20) über den Dickfilm-Elektrodenkontakten (6; 6a-6d) abgeschmolzen werden.

7. Gasmeßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vier Dickfilm-Elektrodenkontakte (6a-6d) vorgesehen und an vier Eckberei­ chen eines Vierecks angeordnet sind, wobei jeweils eine der Leitungen (20) an einen der Dickfilm-Elektrodenkontakte (6a-6d) angeschlossen ist und jede Leitung (20) praktisch parallel zu einer Diagonalen des Vierecks verläuft, welche durch den jeweiligen Dickfilm-Elektrodenkontakt verläuft, an welchen die Leitung angeschlossen ist.