DE10033589A1 - Mikrostrukturierter Thermosensor - Google Patents

Abstract

Es wird ein mikrostrukturierter Thermosensor (5), insbesondere ein Infrarot-Sensor, vorgeschlagen, der einen Tragkörper (12) und mindestens ein darauf befindliches Thermoelement (20) aufweist. Das Thermoelement (20) weist weiter ein erstes Material (13) und ein zweites Material (14) auf, die zumindest punktuell mindestens einen Thermokontakt (10, 11) miteinander bilden. Weiter ist vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Material (13, 14) zumindest bereichsweise in Form einer mäanderförmigen oder wellenförmigen Leiterbahn (15, 16) ausgebildet und auf dem Tragkörper (12) geführt sind. Daneben wird ein mikrostrukturierter Thermosensor (5) mit bevorzugt ebenfalls derart strukturierten Leiterbahnen (15, 16) vorgeschlagen, bei dem das erste Material (13) Platin oder Aluminium und das zweite Material (14) dotiertes oder undotiertes poly-Silizium-Germanium ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten Thermosen­ sor, insbesondere einen Infrarot-Sensor, nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Bekannte Infrarot-Sensoren, wie sie beispielsweise in der Sicherheitstechnik, der Anlagentechnik oder der Hausgerä­ tetechnik eingesetzt werden, messen die Temperatur eines Körpers anhand der von ihm ausgesandten Infrarot-Strahlung. Grundsätzlich unterscheidet man dabei sogenannte pyro­ elektrische, bolometrische sowie thermoelektrische Sensoren.

Im Fall der thermoelektrischen Sensoren ist bekannt, diese in Dünnschichttechnik beispielsweise auf Polyimid-Folie zu realisieren. Weiter sind auch bereits mikrostrukturierte Thermosensoren auf Basis der Silizium-Technik bekannt.

So wurde in der Anmeldung DE 199 32 308.9 vorgeschlagen, ei­ nen Thermosensor in Form einer auf einer zumindest weitge­ hend freitragenden Membran angeordneten Thermosäule herzu­ stellen, wobei die Thermokontakte dieser Thermosäule abwech­ selnd in Form von "heißen" und "kalten" Thermokontakten aus­ gebildet und mit entsprechenden Kontaktsäulen mit einem Tragkörper verbunden und darüber auch elektrisch ansteuerbar sind. Weiter wurde darin vorgeschlagen, die auf der Oberflä­ che der weitgehend freitragenden Membran verlaufenden Ther­ moelemente in Form von Leiterbahnen zu realisieren, die ab­ wechselnd aus einem ersten und einem zweiten Material gebil­ det werden, so dass in dem Bereich, in dem sich diese beiden Materialien berühren, Thermokontakte entstehen. Das erste Material ist dabei Aluminium während als zweites Material poly-Silizium eingesetzt wird.

In der Anmeldung DE 100 09 593.3 ist vorgeschlagen worden, einen mikrostrukturierten Thermosensor in Form eines Infra­ rot-Sensors auszuführen, indem auf einem Silizium-Substrat, beispielsweise mit Hilfe einer Opferschichttechnik oder ei­ nes anderen Ätzverfahrens, zunächst eine dünne freitragende Membran erzeugt wird, die aufgrund ihrer geringen Wärmeleit­ fähigkeit von einem darunter befindlichen Substrat thermisch entkoppelt ist, so dass sich die Membran bei Einfall von In­ frarot-Strahlung stärker als das Substrat erwärmt. Auf der Membran befinden sich dann eine Vielzahl von mikrostruktu­ rierten Sensorelementen bzw. Thermoelementen, die eine Tem­ peraturdifferenz zwischen der Mitte der Membran und dem Sub­ strat thermoelektrisch in ein dazu proportionales elektri­ sches Signal wandeln. Für die auf der freitragenden Membran in Form von Leiterbahnen realisierten Thermoelemente werden gemäß DE 100 09 593.3 die Materialkombinationen Platin/poly- Silizium, Aluminium/poly-Silizium oder p-dotiertes poly- Silizium/n-dotiertes poly-Silizium eingesetzt. Die Material­ kombination poly-Silizium/Aluminium, die vor allem in der Bulk-Mikromechanik eingesetzt wird, hat dabei den Vorteil, dass sie CMOS-kompatibel ist.

Schließlich ist bekannt, dass als Materialien für Thermoele­ mente auch Gold, Antimon, Wismut und Bleitelluride einge­ setzt werden können, wobei Gold sich auch für die Bulk- Mikromechanik eignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindungen war die Realisierung eines gegenüber bekannten mikrostrukturierten Thermosensoren hinsichtlich Empfindlichkeit und der Stabilität bei höheren Temperaturen verbesserten mikrostrukturierten Thermosensors.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße mikrostrukturierte Thermosensor hat ge­ genüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die Struktur der auf dem Tragkörper befindlichen Leiterbahnen und/oder die spezielle Wahl der Materialien für das Thermo­ element eine erhöhte Temperaturempfindlichkeit erreicht wird, ohne dass dazu wesentliche Änderungen des bisherigen Herstellungsverfahrens für mikrostrukturierte Thermosensoren erforderlich sind. Insbesondere wird erfindungsgemäß ledig­ lich das Layout der erzeugten Leiterbahnen der Thermoelemen­ te und/oder das zur Abscheidung dieser Leiterbahnen einge­ setzte Material modifiziert.

Weiter ist vorteilhaft, dass durch die Wahl der Materialien für das Thermoelement, das heißt die Materialkombination Platin oder Aluminium mit dotiertem oder undotiertem poly- Silizium-Germanium, erreicht wird, dass der hergestellte mi­ krostrukturierte Thermosensor eine deutlich erhöhte Tempera­ turstabilität gegenüber bekannten Thermosensoren aufweist, bei denen beispielsweise Aluminium mit poly-Silizium als Ma­ terial für das Thermoelement verwendet werden.

Zudem kann durch die Wahl der Materialien für das Thermoele­ ment nun auch vermieden werden, dass bei Temperaturen größer als 200°C Migrationseffekte und damit Stabilitätsprobleme des erhaltenen mikrostrukturierten Thermosensors auftreten, wie dies vielfach bei Sensoren auf Basis von poly-Silizium und Aluminium als Thermoelementmaterial der Fall ist.

Darüber hinaus ist das bisher vielfach eingesetzte Aluminium ein sehr guter Wärmeleiter, was bedeutet, dass die thermo­ elektrische Effektivität des damit hergestellten Thermoele­ mentes relativ niedrig ist, wohingegen Platin einerseits bei Temperaturen bis 400°C einsetzbar ist, und andererseits ge­ genüber Aluminium eine um den Faktor 3 niedrigere Wärmeleit­ fähigkeit aufweist. Zudem zeigt auch polykristallines, do­ tiertes oder undotiertes poly-Silizium-Germanium im Gegen­ satz zu polykristallinem Silizium eine um den Faktor 3 bis 8 niedrigere Wärmeleitfähigkeit und führt daher ebenfalls zu einer deutlich erhöhten thermoelektrischen Effektivität des hergestellten Thermoelementes.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So wird insbesondere durch eine Kombination des neuartigen, mäanderförmigen oder wellenförmigen Layouts der mikrostruk­ turierten Leiterbahnen auf der Oberfläche des Tragkörpers mit den erläuterten, speziellen Materialien für das Thermo­ element eine besonders hohe Empfindlichkeitssteigerung und besonders gute Temperaturstabilität des Thermosensors er­ reicht.

Vorteilhaft ist weiter, dass je nach Anwendung des mi­ krostrukturierten Thermoelementes, beispielsweise als Infra­ rot-Sensor, die genannten Materialien für das Thermoelement untereinander kombinierbar sind, wobei das Halbleitermateri­ al p-dotiert oder n-dotiert sein kann.

Da bei mikrostrukturierten Thermosensoren eine Temperatur­ differenz zwischen sogenannten "heißen" und "kalten" Kontak­ ten thermoelektrisch in eine messbare elektrische Spannung gewandelt wird, müssen die "kalten" Stellen entweder auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, oder diese Tempe­ ratur muss gegenüber der Temperatur des "heißen" Kontaktes bekannt bzw. referenziert sein. Üblicherweise werden dazu bisher sogenannte Thermistoren in Hybridtechnik auf dem Tragkörper für das Thermoelement integriert, da die einge­ setzten Materialien Aluminium und poly-Silizium zum Bestim­ men dieser Referenztemperatur vielfach nicht empfindlich ge­ nug sind.

Bei der Verwendung von Platin als thermoelektrisches Materi­ al ist es in diesem Zusammenhang nunmehr weiter vorteilhaft möglich, ein hochpräzises, resistives Temperaturmesselement im gleichen Herstellungsschritt wie die entsprechende Lei­ terbahn bzw. Zuleitung mit auf dem Silizium-Chip beziehungs­ weise dem das Thermoelement tragenden Tragkörper zu inte­ grieren bzw. abzuscheiden. Somit erübrigt sich ein zusätzli­ cher Thermistor.

Die Ausführung der Leiterbahnen in Form von mäanderförmigen oder wellenförmigen, auf dem Tragkörper verlaufenden Leiter­ bahnen bietet weiter die Möglichkeit, nur die Leiterbahn mit dem niedrigeren Innenwiderstand als Mäander auszuführen, da es bei einem Material mit einem hohen elektrischen Wider­ stand durch die Mäanderform bzw. Wellenform zu einer erhöh­ ten Rauschspannung kommt.

Weiter sei betont, dass die mäanderförmigen bzw. wellenför­ migen Leiterbahnen sowohl nebeneinander verlaufend als auch zumindest bereichsweise überlappend oder übereinander ver­ laufend ausgeführt sein können, wobei diese dann durch ge­ eignete Isolationsschichten aus beispielsweise Oxiden elek­ trisch isolierend voneinander getrennt sein müssen. Sofern ausreichend Fläche zur Verfügung steht, ist es in der Regel vorteilhaft, die Leiterbahnen nebeneinander zu führen.

Schließlich ist es nun in einfacher Weise möglich, die Emp­ findlichkeit des erhaltenen mikrostrukturierten Thermosen­ sors auch dadurch zu variieren bzw. zu steigern, indem man die Anzahl der Wellen bzw. Mäander variiert. Dabei macht man sich zunutze, dass mit zunehmender Länge einer Leiterbahn deren Wärmewiderstand zunimmt, d. h. der Wärmewiderstand ei­ ner mäanderförmigen Leiterbahn ist größer als der einer ent­ sprechenden Geraden.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in den nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt ein einzelnes, auf der Oberfläche eines Tragkörpers in Form von aufgebrachten, nebeneinander verlaufenden Leiterbahnen er­ zeugtes Thermoelement.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung geht im erläuterten Ausführungsbeispiel zu­ nächst von einem Infrarot-Sensor aus, wie er in der Anmel­ dung DE 100 09 593.3 bereits vorgeschlagen worden ist. Der dort vorgeschlagene Infrarot-Sensor wird jedoch in zweierlei Hinsicht modifiziert.

Im Einzelnen wird zunächst auf einem gut wärmeleitenden Ma­ terial wie Silizium als Substrat, wie bereits in DE 100 09 593.3 vorgeschlagen, eine zumindest weitgehend freitragende Membran aus einem schlecht wärmeleitenden Mate­ rial wie beispielsweise einem Oxid, einem Nitrid oder einer Kombination beider Materialien erzeugt. Bevorzugt besteht diese zumindest weitgehend freitragende Membran, die im Wei­ teren dann als Tragkörper 12 für ein darauf aufzubringendes Thermoelement 20 dient, dabei aus Siliziumdioxid, Silizium­ nitrid oder aus porösem Silizium.

Danach werden auf der Oberfläche dieses Tragkörpers 12 eine Vielzahl von in Serie geschalteten, kreuzförmig oder stern­ förmig angeordneten Thermoelementen 20 erzeugt, wobei gemäß der Figur, die lediglich ein einzelnes dieser Thermoelemente 20 zeigt, vorgesehen ist, dass auf dem Tragkörper 12 zu­ nächst ein erstes Material 13 in Form einer ersten, mäander­ förmigen Leiterbahn 15 und anschließend ein zweites Material 14 in Form einer zweiten, ebenfalls mäanderförmigen Leiter­ bahn 16 abgeschieden wird. Die erste Leiterbahn 15 und die zweite Leiterbahn 16 verlaufen dabei, wie in der Figur dar­ gestellt, zumindest weitgehend parallel nebeneinander.

Weiter ist vorgesehen, dass sich das erste Material 13 und das zweite Material 14 im Bereich eines ersten Thermokontak­ tes 10 und eines zweiten Thermokontaktes 11 berühren, und dass weiter Zuleitungen 17 zu dem Thermoelement 20 vorgese­ hen sind, die analog der zweiten Leiterbahn 16 ausgebildet und aufgebracht worden sind, so dass das Thermoelement 20 über diese Zuleitungen 17 elektrisch in an sich bekannter Weise mit nicht dargestellten elektronischen Bauelementen verschaltet bzw. angesteuert werden kann.

In der Figur ist weiter dargestellt, dass der erste Thermo­ kontakt 10 einer ersten Temperatur T₁ und der zweite Thermo­ kontakt 11 einer zweiten Temperatur T₂ ausgesetzt ist. Dabei ist die Temperatur T₂ die eigentliche, von dem mikrostruktu­ rierten Thermosensor 5 zu detektierende bzw. zu messende Temperatur, während die Temperatur T₁ entweder zumindest nä­ herungsweise konstant gehalten wird oder alternativ mittels einer zusätzlichen Messeinrichtung bestimmbar ist. Insofern dient die Temperatur T₁ des ersten Thermokontaktes 10 ("kal­ ter" Thermokontakt) als Referenztemperatur für die zu mes­ sende Temperatur T₂ des zweiten Thermokontakt 11 ("heißer" Thermokontakt).

Die Breite der Leiterbahnen 14, 15 und der Zuleitungen 17 liegt im Übrigen zwischen 20 nm und 200 µm, bevorzugt zwi­ schen 1 µm bis 20 µm. Ihre Dicke beträgt 10 nm bis 10 µm, bevorzugt 100 nm bis 2 µm. Das Erzeugen der ersten bzw. zweiten Leiterbahn 15, 16 sowie deren mäanderförmige Struk­ turierung, und das Erzeugen der Zuleitungen 17 erfolgte in bekannter Weise durch Aufsputtern oder Aufdampfen der jewei­ ligen Materialien 13, 14, beispielsweise mittels PECVD ("Physically Enhanced Chemical Vapour Deposition) oder LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition").

Konkret ist im erläuterten Ausführungsbeispiel das erste Ma­ terial 13 n-dotiertes poly-Silizium-Germanium mit einer Wär­ meleitfähigkeit von 3 bis 8 W/Km. Das zweite Material 14 ist im erläuterten Beispiel Platin mit einer Wärmeleitfähigkeit von 70 W/Km. Darüber hinaus sind auch die Zuleitung 17 je­ weils analog der zweiten Leiterbahn 16 in Form einer Platin­ leiterbahn ausgeführt, so dass sich zwei Thermokontakte 10, 11 ergeben, die jeweils von der Materialkombination Pla­ tin/poly-Silizium-Germanium gebildet werden.

Alternativ zu dem erläuterten Ausführungsbeispiel gemäß der Figur kann auch vorgesehen sein, dass die erste Leiterbahn 14 und die zweite Leiterbahn 15 bereichsweise oder vollstän­ dig übereinander verlaufen, und, abgesehen von den Thermo­ kontakten 10, 11, elektrisch voneinander isoliert geführt sind. Die elektrische Isolation wird in diesem Fall durch eine oxidische, elektrisch isolierende Zwischenschicht zwi­ schen den Leiterbahnen 15, 16 gewährleistet.

Weiter ist offensichtlich, dass an Stelle von zwei Thermo­ kontakten 10, 11 auch eine Mehrzahl von Thermokontakten vor­ gesehen sein kann, die nach Art einer Thermokette oder einer Thermosäule angeordnet sind. Dabei sind dann mindestens zwei der Thermokontakte unterschiedlichen Temperaturen ausge­ setzt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Weiterführung des ersten Ausführungsbeispiels zusätzlich ein Teil einer zusätzlichen Messeinrichtung in Form einer Lei­ terbahn zu Bestimmung der ersten Temperatur T₁ auf dem Trag­ körper 12 erzeugt bzw. integriert. Damit kann dann auf die Integration eines üblichen Thermistors auf der Oberfläche des Tragkörpers 12 im Bereich des ersten Thermokontaktes 10 verzichtet werden.

Im Einzelnen ist diese Messeinrichtung dann dadurch reali­ siert, dass in einer Umgebung des ersten Thermokontaktes 10 eine zusätzliche Referenzleiterbahn aus Platin als sensiti­ ves Bauteil dieser Messeinrichtung vorgesehen ist, die über entsprechende Zuleitungen ebenfalls mit an sich bekannten Auswertemitteln zur Bestimmung eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstandes dieser Referenzleiterbahn ver­ schaltet ist. Diese Referenzleiterbahn ist dabei beispiels­ weise analog der Zuleitung 17 oder der zweiten Leiterbahn 16 ausgeführt.

Alternativ kann diese Messeinrichtung jedoch auch dadurch realisiert sein, dass ein Abschnitt der zweiten Leiterbahn 16 oder der Zuleitungen 17 als Referenzleiterbahn genutzt wird und mit entsprechenden Auswertemitteln zur Bestimmung des Temperatur abhängigen elektrischen Widerstandes dieses Teils der Leiterbahn verschaltet ist.

Diese Möglichkeit der Integration einer zusätzlichen Refe­ renzleiterbahn auf dem Tragkörper 12 bzw. die Möglichkeit der Nutzung eines Teiles der zweiten Leiterbahn 16 oder der Zuleitung 17 als Referenzleiterbahn auf dem Tragkörper 12 zur Messung bzw. Überwachung der Temperatur T₁ ergibt sich aus der Eignung von Platin zur hochpräzisen resistiven Tem­ peraturmessung.

Hinsichtlich weiterer Details zum Aufbau des Thermoelementes 20 und der Funktion und dem weiteren Aufbau des Thermoele­ mentes 5 gemäß der Figur sei auf die Anmeldung DE 100 09 593.3 verwiesen, in der dieser Thermosensor 5, ab­ gesehen von dem speziellen Layout der Leiterbahnen 15, 16 des Thermoelementes 20 und der speziellen Wahl der Materia­ lien für das Thermoelement 20, in Form eines Infrarot- Sensors beschrieben ist.

Claims (12)

1. Mikrostrukturierter Thermosensor, insbesondere Infra­ rot-Sensor, mit einem Tragkörper und mindestens einem darauf befindlichen Thermoelement, das ein erstes Material und ein zweites Material aufweist, die zumindest punktuell minde­ stens einen Thermokontakt miteinander bilden, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Material (13, 14) zumindest bereichsweise in Form einer mäanderförmi­ gen oder wellenförmigen Leiterbahn (15, 16) ausgebildet und auf dem Tragkörper (12) geführt ist.

2. Mikrostrukturierter Thermosensor nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass das erste Material (13) und das zweite Material (14) in Form von zumindest weitgehend neben­ einander verlaufenden, abgesehen von den Thermokontakten (10, 11) elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen (15, 16) oder in Form von zumindest bereichsweise übereinander verlaufenden, abgesehen von den Thermokontakten (10, 11) elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen (15, 16) ge­ führt ist.

3. Mikrostrukturierter Thermosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (20) eine Mehrzahl von Thermokontakten (10, 11) aufweist, die nach Art einer Thermokette oder einer Thermosäule angeordnet sind, wobei mindestens zwei der Thermokontakte (10, 11) unter­ schiedlichen Temperaturen (T₁, T₂) ausgesetzt sind.

4. Mikrostrukturierter Thermosensor nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, dass ein einer zu detektierenden oder zu messenden zweiten Temperatur (T₂) ausgesetzter zweiter Thermokontakt (11) und ein einer zumindest näherungsweise konstant gehaltenen oder konstanten ersten Temperatur (T₁) ausgesetzter erster Thermokontakt (10) vorgesehen ist, wobei insbesondere weiter vorgesehen ist, dass die erste Tempera­ tur (T₁) mittels einer zusätzlichen Messeinrichtung bestimm­ bar ist.

5. Mikrostrukturierter Thermosensor nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung einen in ei­ ner Umgebung des ersten Thermokontaktes (10) befindlichen Teil einer der Leiterbahnen (15, 16) oder einer der Zulei­ tungen (17) oder eine in einer Umgebung des ersten Thermo­ kontaktes (10) befindliche Referenzleiterbahn als sensitives Bauteil sowie Auswertemittel zur Bestimmung eines tempera­ turabhängigen elektrischen Widerstandes des Teils der Lei­ terbahn (15, 16), der Zuleitung (17) oder der Referenzlei­ terbahn aufweist.

6. Mikrostrukturierter Thermosensor nach mindestens ei­ nem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Material (13, 14) ein Ma­ terial mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist.

7. Mikrostrukturierter Thermosensor nach mindestens ei­ nem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Material (13, 14) aus der Gruppe Platin, Gold, den Bleitelluriden, Aluminium, Titan, poly-Silizium, dotiertes poly-Silizium, poly-Silizium- Germanium oder dotiertes poly-Silizium-Germanium ausgewählt ist.

8. Mikrostrukturierter Thermosensor nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, dass das zweite Material (14) Platin und das erste Material (13) dotiertes oder undotiertes poly- Silizium-Germanium ist.

9. Mikrostrukturierter Thermosensor nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Leiterbahn (15, 16), der Zuleitung (17) oder der Referenzleiterbahn eine Platinleiterbahn ist.

10. Mikrostrukturierter Thermosensor, insbesondere Infra­ rot-Sensor, mit einem Tragkörper und mindestens einem darauf befindlichen Thermoelement, das ein erstes Material und ein zweites Material aufweist, die zumindest punktuell minde­ stens einen Thermokontakt miteinander bilden, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das zweite Material (14) Platin oder Alu­ minium und das erste Material (13) dotiertes oder undotier­ tes poly-Silizium-Germanium ist.

11. Mikrostrukturierter Thermosensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Material (13, 14) zumindest bereichsweise in Form einer mä­ anderförmigen oder wellenförmigen Leiterbahn (15, 16) ausge­ bildet und auf dem Tragkörper (12) geführt ist.

12. Mikrostrukturierter Thermosensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (20) eine Mehrzahl von Thermokontakten (10, 11) aufweist, die nach Art einer Thermokette oder einer Thermosäule angeordnet sind, wobei mindestens zwei der Thermokontakte (10, 11) un­ terschiedlichen Temperaturen (T₁, T₂) ausgesetzt sind.