DE102004061336A1

DE102004061336A1 - Oberflächenstrukturierung eines mikromechanischen Sensorelements zur Kontaminationsreduzierung

Info

Publication number: DE102004061336A1
Application number: DE200410061336
Authority: DE
Inventors: Roland Mueller-Fiedler; Hans Hecht; Matthias Fuertsch; Heribert Weber; Detlef Gruen; Klaus Reymann; Rainer Schink; Christoph Schelling; Torsten Kramer; Herbert Verhoeven
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-07-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung mit einem mikromechanischen Sensorelement bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensorelements. Mittels des bspw. aus einem Halbleiterbauelement bestehenden Sensorelements ist vorgesehen, eine Zustandsgröße eines Mediums zu erfassen, wobei zur Erfassung der Zustandsgröße eine Oberfläche des Sensorelements wenigstens teilweise dem Medium ausgesetzt werden muss. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass die Oberfläche des Sensorelements eine Drainagestruktur aufweist, die vorteilhaft zur Abweisung und/oder zum Abtransport von Partikeln, Verunreinigungen und Flüssigkeiten genutzt werden kann. Durch eine derartige Verringerung der Verschmutzung des Sensorelements kann die elektrische Signaldrift, die im Laufe des Betriebs des Sensorelements zu beobachten ist, vermindert werden, woraus eine Verlängerung der Lebensdauer resultiert.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit einem mikromechanischen Sensorelement bzw. einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensorelements nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüchen.
Zur Erfassung von Zustandsgrößen eines Mediums haben sich aufgrund ihrer geringen Dimensionen mikromechanische Sensoren bewährt. Bei dieser Mikromechanisierung führt die Verkleinerung der benötigten Sensorelemente zu einer höheren Empfindlichkeit bei der Aufnahme der Messsignale. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass Ablagerungen und Verschmutzungen auf dem Sensorelement zu einer Verfälschung des Messsignals führen können.

Eine solche Verunreinigung kann am Beispiel eines mikromechanischen Luftmassensensors zur Erfassung einer Fluidströmung, wie er aus der Schrift 42 19 454 C2 bekannt ist, verdeutlicht werden. Ein derartiger Sensor besteht üblicherweise aus einer Heizerstruktur und Temperaturfühlern, die zur thermischen Isolation voneinander getrennt auf einer dünnen dielektrischen Membran aufgebracht sind. Zur Minimierung der Wärmeableitung über das Substrat und um dessen Wärmekapazität möglichst klein zu halten, ist diese Membran dünn ausgeführt. Durch die aufgrund der Erwärmung entstehende Luftkonvektion sammeln sich Verschmutzungspartikel bzw. Flüssigkeitstropfen (Wasser, Öl bzw. Öl-Wasser-Staub-Gemische) typischerweise am Rand des Membranbereichs eines thermisch betriebenen Sensorelements. Ursache für die Ablagerung von Partikeln kann dabei bspw. verunreinigte Ansaugluft bei Anwendungen im Kfz-Bereich sein. Die Verunreinigungen führen zu veränderten thermischen Eigenschaften und somit zur Verfälschung der Sensorsignale.

Vorteile der Erfindung

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Drainagestruktur als Erhebung und/oder als Vertiefung auf die Oberfläche des Sensorelements ausgebildet. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Erhebungen und/oder Vertiefungen mittels bekannter strukturierender Schichtabscheidungsprozesse und/oder mikromechanischer Ätzverfahren erzeugt werden.

Zur Erfassung der Zustandsgröße wird im Sensorelement u.a. eine Membran verwendet, die von einem Oberflächenbereich wenigstens teilweise umschlossen ist. Dabei wird die Membran, das Sensorelement und/oder der Oberflächenbereich in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mittels bekannter schichtabscheidender mikromechanischer Verfahren erzeugt. Diese schichtabscheidenden Verfahren können auch dazu verwendet werden, die Drainagestruktur im Oberflächenbereich des Sensorelements zu bilden. Vorteilhafterweise ist die Drainagestruktur derart ausgebildet, dass sie wenigstens teilweise die Membran umschließt.

In einer Weiterbildung der Erfindung führen die Drainagestrukturen wenigstens teilweise von der Membran weg, so dass die Ablagerungen weggeführt werden können. Besonders geeignet haben sich kanalartige Strukturen oder Rippen als Drainagestrukturen erwiesen, die beispielsweise in Form einer Chevron-Struktur auf der Oberfläche des Sensorelements angeordnet sind. Darüber hinaus sind jedoch auch andere Formen von Kanalstrukturen denkbar.

Die Kanalstrukturen der Drainagestruktur können sowohl mittels oberflächlich strukturierter Schichten als auch durch vergrabene Schichten mit anschließendem Schichtwachstum erzeugt werden. Darüber hinaus können sich die Kanäle lateral aufweiten bzw. verengen, um den Stofftransport durch die entstehenden Kapillarkräfte zu verstärken.

Vorteilhafterweise erfolgt der Stofftransport in einer weiteren Ausgestaltung in Richtung eines Reservoirs, das die wegtransportierte Stoffansammlung aufnehmen kann. Dieses Reservoir ist vorzugsweise in der Nähe des Sensorelementes, z. B. in dessen Montageaufnahme angeordnet. Weiter ist eine Verbindung zwischen dem Reservoir und der Sensorelementoberfläche erforderlich, die dazu dient, die abgeschiedene Flüssigkeit von der Sensorelementoberfläche zu dem Aufnahmereservoir fließen zu lassen.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement zur Erfassung einer Luftmasse oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Medium vorgesehen. Ganz allgemein kann die Erfindung jedoch vorteilhafterweise bei allen insbesondere thermisch betriebenen mikromechanischen Membransensoren verwendet werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnungen
1 zeigt schematisch die bekannte Funktionsweise eines Luftmassensensors. In den 2a und 2b sind zwei mögliche Ausgestaltungen der Drainagestrukturen auf dem Oberflächenbereich eines Sensorelements dargestellt. In den 3 bis 5 werden unterschiedliche Verfahren zur Herstellung einer Drainagestruktur aufgezeigt. In der 6 ist ein Montagerahmen gezeigt, in dem ein Sensorelement mit einer Verbindung zu einem Reservoir dargestellt ist
Ausführungsbeispiel
Mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Gestaltung einer Drainagestruktur im Oberflächenbereich eines Sensorelements beschrieben werden.
Dabei wird die Darstellung am Beispiel eines Luftmassensensors ausgeführt, wobei durchaus auch andere Sensorelemente, bspw. zur Druckerfassung, Temperaturerfassung, Gierratenerfassung, Beschleunigungserfassung oder zur Gaserkennung (z.B. CO₂) verwendet werden können.
Ein typischer Luftmassensensor, wie er beispielsweise gemäß der schematischen Darstellung in 1 aufgebaut ist, weist wenigstens ein Heizelement 130 sowie ein Temperaturmesselement 140 auf einem Substrat 100 auf. Zur besseren Erfassung der Luftströmung 150 kann dabei vorgesehen sein, dass stromaufwärts und stromabwärts vom Heizelement 130 jeweils ein Temperaturmesselement 140 angebracht ist. Zur thermischen Entkopplung sind das Heizelement 130 sowie das wenigstens eine Temperaturmesselement 140 auf einer Membran 110 über einer Kaverne 120 aufgebracht, die beispielsweise aus dem Substrat 100 herausgearbeitet oder mittels eines schichtabscheidenden Verfahrens auf das Substrat 100 aufgebracht worden ist. Das Substrat 100, das aus Keramik, Glas oder einem Halbleitermaterial wie Silizium hergestellt sein kann, wirkt gegenüber dem Heizelement 130 als Wärmesenke. Zur Minimierung der Wärmeableitung über das Substrat 100 und um dessen Wärmekapazität möglichst klein zu halten, ist die Membran 110 dünn ausgeführt. In speziellen Ausführungen kann die Membran darüber hinaus aus dielektrischen Schichten aufgebaut sein.
Wird nun mit dem beschriebenen Luftmassensensor ein Luftstrom 150 erfasst, welcher über die Temperatur- und Messelemente geführt wird, so können sich Schmutzpartikel und/oder Flüssigkeitstropfen (z. B. Staub, Wasser, Öl oder Öl-Wasser-Staub-Gemische) auf der Membran 110 oder den Elementen 130 bzw. 140 absetzen. Durch eine derartige Verschmutzung würde jedoch das Messergebnis verfälscht, da der Wärmefluss vom Heizelement 130 zum Substrat 100 nicht mehr vollständig definiert erfolgt.
Zur Verhinderung einer Verschmutzung der Membran bzw. der Elemente ist auf der Oberfläche des Sensorelements erfindungsgemäß eine Drainagestruktur vorgesehen, die mittels kanalartigen Strukturen die angesammelten Verunreinigungen vom Membranbereich weg transportiert. Die Strukturen können dabei sowohl parallele, senkrechte oder beliebige Winkel zur Membranseite aufweisen. Auch eine Ausrichtung der Strukturen, die an die Richtung der Luftströmung angepasst ist, kann vorgesehen werden.
In der 2a ist beispielhaft eine kanalartige Struktur 200 auf der Oberfläche eines Sensorelements 210 dargestellt. Eine derartige Struktur 200, die die Membran 110 unter Umständen mehrfach vollständig umschließt, kann Partikel vor der Membran 110 abfangen und somit eine Verschmutzung verhindern.
Eine weitere Ausgestaltung der kanalartigen Strukturen, die ein Transport der Partikel von der Membran 110 weg ermöglicht, ist in 2b dargestellt. Bei dieser sog. Chevron-Struktur 220 ermöglichen graben- oder kanalartige Strukturen, dass die Verunreinigungen, Flüssigkeiten und Partikel seitlich am Membranbereich 110 vorbei bzw. abgeleitet werden.
Neben der Ausrichtung der Kanäle zum Stofftransport kann ebenfalls die Ausgestaltung der Kanäle, bspw. durch laterale Aufweitung oder Verengung, zu einer Verstärkung des Abtransports der Verschmutzung bzw. Flüssigkeit durch die dabei entstehenden Kapillarkräfte führen.
Eine mögliche Herstellung der Drainagestruktur ist in 3 dargestellt. Dabei werden während einer LOCOS-Prozessierung (Schicht 330) des Substrats 300 vor der membranbildenden Schichtabscheidung 340 die Kanalstrukturen 360 bzw. die Erhöhungen 370 geprägt. Mit einer anschließenden Bedeckung der LOCOS-Schicht 330 mit einer dieelektrischen Schicht 350 werden die so geprägten Strukturen auf die Oberfläche des Sensorelements abgebildet. Aufgrund der vorhandenen Designfreiheit der Masken, lassen sich mit dieser Methode beliebige Geometrien der Grabenstrukturen darstellen.
4 zeigt eine weitere Herstellungsvariante der Drainagestruktur, indem die obere Deckschicht auf einem Substrat 400 mittels eines Photoprozesses mit nachfolgendem Ätzprozess strukturiert wird. Dabei können neben den eingezeichneten Gräben 460 auch Erhöhungen (nicht gezeigt) auf der Oberfläche des Sensorelements gebildet werden.
Die Herstellungsvariante der 5 zeigt einen etwas komplexeren Aufbau. Zunächst wird auf einem Substrat 500 eine Membran aus einer oder mehreren Schichten 530 bzw. 540 gebildet. Dabei kann es sich bei der Schicht 530 um eine LOCOS-Schicht und bei der Schicht 540 um eine leitfähige Schicht handeln. Anschließend wird auf diese Membranschicht 530/540 eine weitere Schicht 570 aufgebracht, die beispielsweise isolierend wirkt. Auf die Schicht 570 kann eine strukturierte Zwischenschicht 580 aufgebracht werden, durch deren Struktur die spätere Drainagestruktur vorgegeben wird. Abschließend wird die Zwischenschicht 580 mit einer oder mehreren Deckschichten) 550 beispielsweise aus einem dielektrischen Material abgedeckt. Da eine derartige Bedeckung so gewählt werden kann, dass die Struktur der Zwischenschicht 580 auf die Topologie der Oberfläche des Sensorelements übertragen werden kann, kann die gewünschte Drainagestruktur 560 durch die Zwischenschicht vorgeprägt werden.
Die Drainagestrukturen auf dem Sensorelement können in einem weiteren Ausführungsbeispiel durch ein z. B. in Strömungsrichtung liegendes Reservoir zur Aufnahme der wegtransportierten Verschmutzung bzw. der auf der Oberfläche befindlichen Flüssigkeit ergänzt werden. Dieses Reservoir kann beispielsweise am Rand des Sensorelements in dessen Montageaufnahme angeordnet werden. Darüber hinaus kann eine Verbindung zwischen dem Reservoir und der Sensorelementoberfläche vorgesehen sein, die dazu dient, die abgeschiedene Verschmutzung bzw. Flüssigkeit von der Sensorelementoberfläche zu dem Aufnahmereservoir fließen zu lassen. Wird das Sensorelement in eine Vertiefung des Montagerahmens eingelegt, so kann diese Verbindung auch als Brücke zur Überwindung eines Fügespalts verwendet werden. Als Material einer solchen Verbindung kann gut benetzbares, poröses Material verwendet werden, das die Umweltanforderungen, die beispielsweise an einen Luftmassensensor im Saugrohr eines Kraftfahrzeugs gestellt werden, auf Lebensdauer des Sensors ohne schädliche Veränderung übersteht.
Als Beispiel für eine derartige Anordnung ist in 6 ein Montagerahmen 600 dargestellt, der eine Vertiefung 610 zur Aufnahme des Sensorelements 620 aufweist. Ebenfalls im Montagerahmen 600 ist ein Reservoir 650 zur Aufnahme der wegtransportierten Verschmutzung vorgesehen. Um den Fügespalt zwischen dem Sensorelement 620 und dem Rand der Vertiefung 610 zu überbrücken, ist eine Verbindung 640 vorgesehen. Das Reservoir 640 bzw. die Verbindung 640 sind vorzugsweise im Bereich der Membran 630 bzw. des empfindlichen Sensorbereichs des Sensorelements 620 angeordnet. Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass die Drainagestrukturen, die Luftströmung über das Sensorelement 620 bzw. der Membran 630 auf die Position des Reservoirs 650 ausgerichtet sind

Claims

Vorrichtung mit einem mikromechanischen Sensorelement, wobei vorgesehen ist, dass das Sensorelement (100) – eine Oberfläche aufweist, die wenigstens teilweise einem Medium ausgesetzt ist und – eine Zustandsgröße des Mediums erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Sensorelements eine Drainagestruktur (200, 220, 360, 370, 460, 560) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestruktur als Erhebungen (370) und/oder Vertiefungen (460, 560) auf der Oberfläche des Sensorelements (100) gebildet sind, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Erhebungen und/oder Vertiefungen mittels – eines strukturierenden Schichtabscheidungsprozesses und/oder – eines mikromechanischer Ätzverfahrens erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement eine Membran (110) und einen die Membran umschließenden Oberflächenbereich (210) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Sensorelement, die Membran und/oder der Oberflächenbereich mittels eines schichtabscheidenden mikromechanischen Verfahrens erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Sensorelements wenigstens teilweise die Drainagestruktur aufweist, wobei vorgesehen ist, dass die Drainagestruktur wenigstens teilweise die Membran umschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Oberflächenbereich befindliche Drainagestruktur wenigstens teilweise von der Membran wegführt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Drainagestruktur – in Form einer Chevron-Struktur ausgebildet ist und/oder – zu einem Reservoir (650) zur Aufnahme einer wegtransportierten Stoffansammlung führt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Reservoir in der Montageaufnahme des Sensorelements untergebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement dazu geeignet ist, eine Luftmasse oder eine Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zu erfassen.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensorelements, wobei vorgesehen ist, dass das Sensorelement (100) zur Erfassung einer Zustandsgröße eines Mediums wenigstens teilweise mit dem Medium in Kontakt steht dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Sensorelements eine Drainagestruktur (200, 220, 360, 370, 460, 560) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestruktur als Erhebungen und/oder Vertiefungen auf der Oberfläche des Sensorelements erzeugt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Erhebungen und/oder Vertiefungen mittels – einer strukturierenden Schichtabscheidung und/oder – eines mikromechanischen Ätzverfahrens erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement durch – eine Membran (110) und – einen die Membran aufweisenden Oberflächenbereich (210) in einem Substrat (100, 300, 400, 500) erzeugt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Sensorelement, die Membran und/oder der Oberflächenbereich mittels eines schichtabscheidenden mikromechanischen Verfahrens erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestruktur auf dem Oberflächenbereich des Sensorelements erzeugt wird, wobei vorgesehen ist, dass die Drainagestruktur wenigstens teilweise die Membran umschließt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Oberflächenbereich erzeugte Drainagestruktur wenigstens teilweise von der Membran wegführt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Drainagestruktur – in Form einer Chevron-Struktur ausgebildet wird und/oder – zu einem Reservoir (650) zur Aufnahme einer wegtransportierten Stoffansammlung führt.