A new SiC/HfB2 based micro hotplate for metal oxide gassensors

Solzbacher, Florian

Abstract Solzbacher, Florian A new SiC/HfB2 based modular concept of micro hotplates for metal oxide gassensors Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer SiC/HfB2-basierter Mikroheizer mit niedrigster Leistungsaufnahme für die Anwendung in Metalloxid-Gassensoren entwickelt und demonstriert. Erstmals wurden Siliziumkarbid (SiC) und Hafniumdiborid (HfB2) als Werkstoffe für einen Mikroheizer eingesetzt. Durch geringe Modifikation der Herstellungsprozesse lässt sich der Heizer so variieren, dass der Einsatz sowohl für den automobilen Anwendungsbereich (12V- 24V) als auch für tragbare Geräte (1V-2V) für eine Vielzahl unterschiedlicher Messgase möglich ist. Es ist der erste Mikroheizer für Gassensoren überhaupt, der den Batteriebetrieb bei nur 1-2 V erlaubt. Der modulare Fertigungsansatz ermöglicht die Reduzierung der Entwicklungs- und Fertigungskosten für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche. Aus der Marktentwicklung in der Sensorik, den industriellen Anforderungen und den zu den Metalloxid-Gassensoren im Wettbewerb stehenden alternativen Technologien ergeben sich das Anforderungsprofil des Sensors. Die Wahl der Materialien spielt eine Schlüsselrolle für die Heizereigenschaften. Der Mikroheizer besteht aus einer 1 (m dicken, an 150 (m langen und 10 bis 40 (m breiten Stegen aufgehängten Membran mit Außenmaßen von 100 (m x 100 (m. Alternativ kommen eine HfB2 - Dünnfilm-Widerstandsheizung oder ein dotierter SiC-Heizer zum Einsatz. Mit Leistungsaufnahmen von 32 mW werden Temperaturen von 600°C erreicht, was einer Effizienz von ca. 19 K/mW entspricht. Die verwendeten hexagonalen Strukturen ermöglichen dichtes Packen der Sensoren in Arrays bei hoher mechanischer Stabilität. Erste NO2 Sensoren mit gassensitiver In2O3 Schicht konnten gezeigt werden.

A new SiC/HfB2-based micro hotplate with ultra low power consumption for the application in metal oxide micro gas sensors is developed and demonstrated. For the first time, silicon carbide (SiC) and Hafniumdiboride (HfB2) are used as materials for a micro hotplate structure. Using only slight modifications of the fabrication process, the device can be used either for automotive applications with operating voltages of 12V-24V or for battery operated handheld detectors with operating voltages of 1V-2V for a variety of different gases. It is the first micro hotplate device ever designed to work for low battery voltages of 1V-2V. The modular approach towards the processing allows easy modification for a variety of application fields and thus also reduces market entrance barriers. Based on the market development of micro sensors, the industrial requirements, and competing metal oxide gas sensors using alternative technologies, technical specifications for the hotplate as well as the state of the art's limits are determined. The new material choice plays a key role in the device properties. The micro hotplate consists of a 100 ?m x 100 ?m membrane supported by thin beams of 1 ?m thickness, 150 ?m length and 10 to 40 ?m width. Alternatively, an HfB2 ? thin film resistive heater or a doped SiC heater are used. Temperatures of 600°C are achieved using a power consumption of only 32 mW resulting in a thermal heater efficiency of ~19 K/mW. The hexagonal geometry allows close packing of the hotplates in array structures with high mechanical strength. NO2 sensors with gas sensitive In2O3 layer are presented.

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Solzbacher, Florian: A new SiC/HfB2 based micro hotplate for metal oxide gassensors. 2004.

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