Resumen de Noves estructures LTCC i HTCC per a sensors de pressió capacitius i per a sensors lambda de tipus resistiu
Josep María Fernández Sanjuán
La tecnologia thick film pot definir-se com el procés on es du a terme la creació de dipòsits de circuits impresos en un substrat de ceràmica rígida mitjançant la tècnica de la serigrafia. Les pastes que s’utilitzen per aquest propòsit es formulen amb l’addició de vidres i diferents òxids que promouen l’adhesió dels dipòsits generats al substrat a temperatures entre 600 i 950ºC. Per altra banda, la tecnologia ceràmica multicapa, permet una disposició densa de circuits impresos incorporant components interns en un únic dispositiu amb estructura multicapa monolítica. Els substrats ceràmics pels sistemes multicapa presenten una baixa constant dielèctrica similar als substrats tradicionals emprats en la tecnologia thick film i les pastes per dur a terme les metal•litzacions s’ha de dissenyar per tal de co-sinteritzar amb el substrat ceràmic. La primera mostra d’aquesta tecnologia la trobem en els sistemes HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics) que es basen tradicionalment en l’ús de materials basats en alúmina. L’elevada temperatura de cocció que requereixen aquests substrats (aprox. 1600ºC) limita el nombre de materials conductors amb els quals poden co-sinteritzar. Aquests conductors solen ser tals com el W, Mo, Mn i Pt. L’evolució d’aquesta tecnologia la trobem en l’ús de compostos vitro ceràmics que cristal•litzen i reaccionen total o parcialment amb diferents òxids addicionats a la mescla de vidres. L’ús de vidres de baix punt de fusió que envolten els additius ceràmics és una altra aproximació a aquesta evolució de la tecnologia. Es tracta del que s’ha anomenat LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) i que permet unes temperatures de sinterització per sota dels 950ºC fent viable l’ús de materials d’elevada conductivitat (Ag, Au, Cu...) que co-sinteritzen amb el substrat. Tant la tecnologia thick film com la tecnologia ceràmica multicapa són el nexe que uneix tots els estudis que s’han realitzat en aquest treball. Els camps sobre els quals ha girat l’aplicació d’aquesta tecnologia són per una banda, els sensors d’oxigen dels gasos d’escapament del vehicle (exhaust gas oxygen sensors), concretament els basats en un òxid semiconductor, el diòxid de titani, per ser usat com a sonda lambda i per altra banda, els sensors ceràmics capacitius i la viabilitat de fabricar-los amb materials LTCC. La primera part del treball és una introducció a les tecnologies emprades, les característiques de les quals en ajudaran a entendre certs detalls en l’evolució d’aquest estudi que es relacionen íntimament amb el tipus de tecnologia utilitzada. Pel que fa el sensor lambda basat en diòxid de titani, la primera part de l’estudi ha consistit en la preparació d’un material catalític amb una elevada àrea superficial dispersat en el suport porós de TiO2. El procediment ha consistit en realitzar mètodes d’impregnació i l’objectiu ha estat establir els principals paràmetres que afecten al procés d’addició del catalític i determinar la mínima quantitat de material necessària per tal d’obtenir un dispositiu sensor basat en Pt-TiO2 adequat per ser usat com sensor lambda. En aquesta primera part, el dipòsit del material sensor es realitzà amb tècniques thick film sobre un substrat d’alúmina HTCC ja sinteritzat. El següent pas pel que fa el sensor de TiO2 va ser l’estudi de la millora en el seu procés de fabricació centrant els esforços en aconseguir una millor adhesió entre el material sensor i el substrat d’alúmina. L’objectiu fou eliminar el major nombre de processos thick film després del sinteritzat del substrat (post-firing) amb diferents propostes per dipositar el material sensor sobre la ceràmica en verd i co-sinteritzar els dos elements. Els treballs van consistir en el disseny de pastes adequades per poder dipositar el material sensor, l’estudi del paper dels compostos de titanat d’alumini que es formen a la temperatura de sinterització de l’alúmina, la caracterització funcional dels dispositius proposats i finalment, com aquests mètodes proposats afecten a l’addició del material catalític. Els resultats obtinguts han permès establir una quantitat de platí del 1.8% en pes, respecte la quantitat de TiO2 en el dispositiu. Amb mètodes d’impregnació s’ha obtingut una pols de partida amb la qual s’ha preparat una pasta que aplicada amb tècniques thick film ha permès la obtenció de dispositius aptes per treballar com a sensor lambda. En quant a la co-sinterització del material sensor els millors resultats s’han obtingut controlant el grau de formació de titanat d’alumini i controlant la seva estabilitat tèrmica amb l’ús de l’MgO com additiu en la formulació de la pasta del material sensor. La porositat del material sensor juga un paper crucial en aquest mètode degut al fet que l’addició del material catalític s’ha dut a terme mitjançant processos post-firing per tal d’evitar les elevades temperatures de sinteritzat. Pel que fa els sensors de pressió ceràmics capacitius, el treball es focalitzà en l’estudi de la viabilitat dels materials LTCC per tal de fabricar aquest tipus de dispositius. Es van dur a terme comparacions entre les característiques funcionals de dispositius fabricats en tecnologia thick film sobre alúmina i dispositius amb membranes flectores de diferents materials LTCC i es caracteritzà la seva sensibilitat així com la seva estabilitat en la resposta. Finalment es proposà un dispositiu miniaturitzat plenament integrat en tecnologia LTCC en el qual es caracteritzà la seva resposta. Els resultats obtinguts avalen la possibilitat d’utilitzar els materials LTCC per fabricar sensors de pressió ceràmics capacitius. S’han establert els criteris de planitud i distància entre elèctrodes en funció de la mida de l’elèctrode de mesura del dispositiu. La caracterització funcional ha mostrat la dependència del disseny amb el tipus de fluid de pressió, la sensibilitat requerida i el rang de pressió de treball. La capacitat paràsita generada per la interacció entre el fluid incident i el dispositiu i les condicions de segellat són els aspectes principals que afecten a l’estabilitat de la resposta.
