FI82774C - Integrerad uppvaermbar sensor. - Google Patents

Description

82774

Integroitu lämmitettävä anturi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen integroitu lämmitettävä anturi.

Erilaisten kaasujen pitoisuusmittauksia tehdään enenevässä määrin sekä ihmisten elinympäristössä että teollisissa prosesseissa. Palavia kaasuja voidaan mitata antureilla, joiden pinnan lämpötilaa on nostettu paljon ympäristön lämpötilaa korkeammaksi. Tällöin ilmassa olevat palavat kaasut hapettuvat anturin pinnalla ja hapettumisessa vapautuvat elektronit muuttavat anturin vastusta. Tämä vastuksen muuttuminen kaasun konsentraation funktiona muutetaan tavallisesti jännitteeksi tai virraksi, joka on verrannollinen kaasun konsent-raatioon.

Aiemmissa ratkaisuissa anturit on tehty yleensä irrallisina anturipaloina (1. chippeinä), jotka liitetään anturia ympä-• röivään koteloon sähköjohtimien avulla. Johtimet toimivat '· ' samalla anturin ripustimina, joiden varassa anturi roikkuu.

Toinen tapa on ripustaa anturi huonosti lämpöä johtavien tappien varaan ja viedä sähkö ohuilla johtimilla.

:: : Ensin mainitussa ratkaisussa on kaksi huomattavaa epäkohtaa.

Ensiksikin ripustuslangat on tehtävä niin paksuiksi, että anturi kestää niiden varassa mekaanisia rasituksia, joita tulee esimerkiksi tärähdyksistä. Paksu lanka puolestaan kuljettaa lämpöä pois anturista, jolloin tarvitaan suurempi lämmitysteho. Toiseksi, vaikka anturi on sinänsä massatuote, sen tekeminen irtopaloina ja kiinnittäminen erikseen anturi-koteloon ja elektroniikkaan tekee valmistuksesta monimutkai-"*"· sen ja kalliin.

“r Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen integroitu lämmitettävä anturi.

2 82774

Keksintö perustuu siihen, että anturi integroidaan samalle substraatille elektroniikan kanssa ja lämpöeristetään muusta substraatista anturin ympärille tehtävien aukkojen avulla.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle integroidulle lämmitettävälle anturille on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksintö mahdollistaa kuumennettavan anturin integroimisen esim. paksukalvohybridin substraattiin siten, että anturi ja substraatti muodostavat sellaisen yhtenäisen rakenteen, jossa anturista substraattiin johtuva lämpövirta minimoituu. Anturi voidaan integroida elektroniikan sisältävälle substraatille yksinkertaisena työvaiheena massavalmistuksen yhteydessä. Myös aukkojen valmistus sopivimmalla menetelmällä eli laserilla on edullista, koska tämä työvaihe voidaan yhdistää kalibroinnin vaatimaan paksukalvovastusten viritykseen.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellusesimerkkien avulla.

Kuvio l esittää yläkuvantona yhtä keksinnön mukaista integroitua anturirakennetta.

Kuvio 2 esittää yläkuvantona toista keksinnön mukaista anturirakennetta .

Kuvio 3 esittää alakuvantona kuvion 2 mukaista anturirakennetta.

Koska paksu- ja ohutkalvohybridien valmistusta on yksityiskohtaisesti kuvattu mm. julkaisuissa 3 82774

Hammer D.W., Biggers J.V., Thick Film Hybrid

Microcircuit Technology, Wiley-Interscience 1972, ja

Holmes P.J., Handbook of Thick Film Technology,

Electrochemical Publications Ltd. 1976, emme tässä yhteydessä tarkemmin kuvaa em. tekniikkaa.

Kuvion 1 mukaisesti esimerkiksi aluminasubstraatille l tehdään tinaoksidipohjainen anturi 2 normaalilla tavalla, mutta samalla tehdään myös pintaliitettävien elektronisten komponenttien 4 johdotukset 3 sekä vastukset 6. Anturin 2 lämmi-tysvastus voi olla substraatin ala- tai yläpinnalla. Kuvion mukaisessa ratkaisussa lämmitysvastus on sijoitettu näkymättömiin anturin 2 alapuolelle. Kun pintaliitoskomponentit 4 on kiinnitetty substraatille 1, tehdään anturin ympärille aukkoja 5 sopiviin paikkoihin käyttäen esim. laseria. Nämä aukot 5 eristävät anturin 2 termisesti muusta substraatista. Anturin tyypillinen koko on muutama neliömillimetri ja subs- M _ f *·. traatin koko esim. 2*3 cm2. Leikattavien aukkojen 5 leveys :T: voi olla esim. muutamia satoja mikrometrejä.

•

• · I

* · t * » » .Kuvion·2 mukaisesti substraatille 7 on tehty metallielektro-dit 8 ja johtimet 12 paksu- tai ohutkalvotekniikalla. Kaa-suille herkkä anturimateriaalikerros 10, esim. Sn02, on sintrattu elektrodien 8 päälle. Anturiksi 15 on tässä määritelty anturimateriaalikerroksesta 10 ja elektrodeista 8 koostuva kokonaisuus. Aukot on kuvion ratkaisussa järjestetty siten, että anturia 15 ympäröi ensimmäinen, neljästä L-aukosta 17 koostuva kehämäinen, sisempi aukkosovitelma ja *.' tämän ympärillä on vielä toinen, ulompi aukkosovitelma, joka koostuu neljästä suorakaiteen muotoisesta aukosta 13. Elektrodien 8 johtimet 12 on vedetty aukkojen 13 ja 17 väliin jäävien kannasten 14 kautta. Kannasten osuus anturin 15 ke- » · häviivasta on n. 10 %, mutta se voi vaihdella aina tarpeen • · 4 82774 ja materiaalin mukaan välillä 5 - 15 %. Elektroninen piiri komponentteineen ei näy kuviossa, mutta sen sijainti on kuvion 1 mukainen.

Kuviossa 3 on esitetty anturin lämmitysvastuksen 11 sijoittuminen anturissa substraatin 7 alapinnalle. Lämmitysvastuksen johtimet 16 on vedetty substraatille aukkojen 13 ja 17 välisiä kannaksia 14 pitkin.

Aukkojen muoto voi luonnollisesti vaihdella hyvinkin laajoissa rajoissa, koska suositeltavin työstöväline laser on ohjattavissa varsin vapaasti. Niinpä suorareunaisten aukko-muotojen lisäksi myös mielivaltaiset käyrämuodot ovat mahdollisia. Lisäksi kyseeseen luonnollisesti tulevat puhtaan ympyrämuodon lisäksi ellipsimuodot.

Il

Claims (8)

1. Anturirakenne esim. kaasun konsentraation mittausta varten, joka anturirakenne käsittää - anturin (8, 10), - anturin yhteyteen sovitetun lämmityselementin (11), jolla anturi on lämmitettävissä ympäröivää ilmaa korkeampaan lämpötilaan, ja - elektroniikkaosan (18), jolla anturin (8, 10) halutut sähköiset ominaisuudet ovat mitattavissa ja jolla anturin (8, 10) lämmityselementti (11) on ohj attavissa, tunnettu siitä, että - anturi (8, 10) ja elektroniikkaosa (18) ovat sa- :·. maila tasomaisella alustalla, ja - alustaan (1, 7) anturin (8, 10) ympärille tämän välittömään läheisyyteen on muodostettu alustan ; . (1, 7) läpäiseviä vierekkäisiä aukkoja (5, 13, 17) ·' siten, että anturi (8, 10) yhdistyy ympäröivään alustaan ja näin myös elektroniikkaosaan (18) vain aukkojen välisten ohuiden kannasten (14) välityksellä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturirakenne, t u n - V: n e t t u siitä, että anturi (8, 10) ja elektroniikkaosa (18) on muodostettu tasomaiselle alustalle (1, 7) paksukal-votekniikalla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturirakenne, t u n - n e t t u siitä, että anturi (8, 10) ja elektroniikkaosa 6 82774 (18) on muodostettu tasomaiselle alustalle (1, 7) ohutkalvo-tekniikalla .

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että anturin lämmitysvastus (11) on sijoitettu anturin (8, 10) kohdalle substraatin (7) alapinnalle.

5. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että anturin (8, 10) lämmitysvastus (11) on sijoitettu anturin (8, 10) kohdalle substraatin yläpinnalle .

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että aukot (5, 13, 17) on työstetty laserilla.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että aukot (13, 17) muodostavat kaksi sisäkkäistä, anturia (8, 10) kehämäisesti ympäröivää aukkosovitelmaa (13, 17).

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että anturi (8, 10) kiinnittyy kannasten (14) kautta muuhun alustaan (1, 7) n. 5 - 15 %:n, sopivimmin n. 10 %:n, matkalta kehäviivastaan. II 7 82774