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Die
Erfindung geht aus von einem Wärmeleitfähigkeitssensor
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Wärmeleitfähigkeitssensoren
sind allgemein bekannt. Seit einiger Zeit werden für die Messung
der Wärmeleitfähigkeit
eines Gases mikrostrukturierte Sensorelemente eingesetzt. Diese
bestehen im allgemeinen aus einer von einem Siliziumsubstrat umgebenen
Membran, auf welche metallische Strukturen aufgebracht sind, die
als elektrische Widerstände fungieren.
Diese temperaturabhängigen
Widerstände
werden sowohl zum Beheizen der Membran als auch zum Messen der Membrantemperatur
(d. h. als Thermistor) benutzt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 42 28 484 A1 ist
weiterhin ein Temperaturmessfühler
bekannt, der zur Messung der Temperatur einer Luftströmung dient.
Der Temperaturmessfühler
weist hierbei einen Rahmen aus einkristallinem Silizium auf, in
dem eine Membran eingespannt ist. Auf der Membran ist ein Temperaturmesselement
angeordnet.
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Bekannte
Sensorelemente auf der Basis von mikromechanischen Bauelementen
weisen den Nachteil auf, dass entweder ein vergleichsweise großer Temperaturimpuls
zur Messung der Wärmeleitfähigkeit
eines Gases erforderlich ist, welcher zu einer zumindest vorübergehenden
Temperaturerhöhung von
Bereichen einer Sensormembran von bis zu 150 Kelvin führt, oder
dass eine komplizierte Gehäusekonstruktion
der Sensoranordnung erforderlich ist, um das über die gesamte Lebensdauer
erforderliche Funktionieren der Sensoranordnung mit großer Wahrscheinlichkeit
garantieren zu können.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Wärmeleitfähigkeitssensor
bzw. das Verfahren zur Herstellung bzw. zum Betrieb eines Wärmeleitfähigkeitssensors
mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat dem gegenüber den
Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowohl eine Reduzierung der
zur Messung der Wärmeleitfähigkeit
eines Gases in die Membran einzubringenden Wärmemenge und damit auch eine Reduzierung
der dadurch hervorgerufenen Temperaturdifferenzen erreichbar ist,
wobei gleichzeitig der Aufbau des Sensorelementes bzw. des Wärmeleitfähigkeitssensors
vereinfacht und verbilligt werden kann. Möglich wird dies dadurch, dass
mittels eines Thermoelements die Temperaturmessung gegenüber einer
Temperaturmessung mittels eines als Temperaturfühler eingesetzten elektrischen
Widerstandes (Thermistor) sehr genau ist, weshalb bei gleicher Empfindlichkeit
des Wärmeleitfähigkeitssensors
die in das Substratmaterial einzubringenden Heizleistungen erfindungsgemäß vergleichsweise
gering sein können.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß auch vorteilhaft
möglich,
dass eine Substratabdeckung oder Verkappung auf der Unterseite der
Membran aufgrund ihrer Herstellung mittels eines oberflächenmikromechanischen
Herstellungsprozesses nicht mehr notwendig ist, sondern dass diese
unterseitige Abdeckung mittels des Substratmaterials der Halbleiteranordnung
zur Herstellung des Wärmeleitfähigkeitssensors
bereits vorgesehen ist. Es können
daher Herstellungsschritte zur Herstellung und zur Aufbringung einer
Unterseitenabdeckung erfindungsgemäß entfallen, was zu einer Kostenreduzierung
und einer Erhöhung
der Prozeßsicherheit
führt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass zwischen der Membran und dem Substratmaterial
eine erste Kavität
vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Membran und
die hierauf befindlichen Elemente, wie das Heizelement bzw. das
Temperaturmesselement, vergleichsweise gut thermisch isoliert angeordnet
ist, was zu einer hochpräzisen
Messung führt.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass in räumlicher Nähe zum Temperaturmesselement
eine definierte Wärmesenke
vorgesehen ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, die Meßgenauigkeit
des Wärmeleitfähigkeitssensors
weiter zu steigern.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, dass der Wärmeleitfähigkeitssensor eine eine zweite
Kavität
auf der dem Substratmaterial abgewandten Seite der Membran bildende Abdeckung
umfasst. Hierdurch ist es erfindungsgemäß mit einfachen Mitteln möglich, eine definierte
Interaktionsumgebung bzw. eine definierten Interaktionsraum zwischen
dem Wärmeleitfähigkeitssensor
bzw. den Meßelementen
der Wärmleitfähigkeitssensoranordnung
und dem Medium dessen Wärmeleitfähigkeit
zumessen ist, herzustellen.
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Vorteilhaft
ist ferner, dass die Abdeckung eine Öffnung zur Verbindung der zweiten
Kavität
mit dem Äußeren des
Wärmeleitfähigkeitssensors
aufweist.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass der Wärmeleitfähigkeitssensor
monolithisch mit der Membran integriert eine Verarbeitungsschaltung
umfasst. Hierdurch ist es möglich,
leicht eine elektronische Auswerteschaltung oder Teile davon, wie
z. B. einen Vorverstärker
(der Sensoranordnung des Wärmeleitfähigkeitssensors)
zu integrieren. Besonders vorteilhaft ist, dass mittels der Verarbeitungsschaltung
der Wärmeleitfähigkeitssensor
auf ein standardisiertes Ausgangssignal abgeglichen vorgesehen ist,
so dass weitere Abgleichvorgänge
bzw. weitere Produktionsschritte zur Erzeugung eines kompletten
Wärmeleitfähigkeitssensormoduls
entfallen können,
so dass dieses Modul erfindungsgemäß schneller, einfacher und
kostengünstiger
hergestellt werden kann.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitssensors. Hierbei ist
die Membran bevorzugt mittels eines oberflächenmikromechanischen Herstellungsverfahrens
in das Substratmaterial einbracht oder auf das Substratmaterial
aufgebracht. Es ist hierdurch erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass
zum einen keine Rückseitenwafer
zur Schließung
einer Rückseitenätzung bzw.
eines Raumbereichs auf der Unterseite der Membran erforderlich ist
und zum zweiten ist es hierdurch erfindungsgemäß möglich, einen Prozess zur Herstellung
der Membran zu benutzen, der mit der Herstellung einer Auswerteschaltung
bzw. zumindest von Teilen einer Auswerteschaltung in herkömmlicher
Technologie kompatibel ist. Dies reduziert die Herstellungskosten
des erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitssensors
bzw. macht diesen, was seine Integrierbarkeit in eine Auswertesystem
angeht, kostengünstiger
integrierbar.
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Ein
weitere Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitssensors,
wobei bevorzugt zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines die Membran wenigstens
einseitig umgebenden Mediums eine Temperaturerhöhung des Mediums bzw. zumindest
von Teilen des Mediums von deutlich weniger als etwa 25 Kelvin vorgesehen
ist bzw. höchstens
im Bereich von etwa 25 Kelvin vorgesehen ist. Hierdurch werden zum
einen die thermischen Belastungen der gesamten Wärmeleitfähigkeitssensoranordnung bzw.
der hieran beteiligten Materialien verringert und zum anderen wird
die zum Betrieb der Wärmeleitfähigkeitssensorvorrichtung
erforderliche elektrische Leistung verringert.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen 1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht
eines herkömmlichen
Wärmeleitfähigkeitssensors.
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2 eine
schematische Ansicht einer Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitssensors.
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In 1 ist
schematisch ein herkömmlicher Wärmeleitfähigkeitssensor
dargestellt. Ein Substratmaterial 120 weist einen Membranbereich 130 auf, wobei
der Membranbereich 130 in herkömmlicher Weise insbesondere
mittels eines Rückseitenprozesses
hergestellt ist, d. h. mittels eines Ätzverfahrens wie beispielsweise
das KOH-Ätzen
oder das Trenchen. Hierbei spricht man bei herkömmlichen Wärmeleitfähigkeitssensoren auch von einem
Herstellungsverfahren gemäß der sogenannte
Bulkmikromechaniktechnologie bzw. Volumenmikromechaniktechnologie.
Im Membranbereich 130 ist ein Heizelement 132,
beispielsweise als Heizwiderstand vorgesehen. Weiterhin ist im Membranbereich 130 ein Temperaturmesselement
in Form eines Widerstandselements (Thermistor 133) vorgesehen.
Sowohl der Heizwiderstand 132 als auch das Temperaturmesselement 133 sind
mittels Kontaktierungselektroden bzw. entsprechenden Kontaktbereichen 140 im
oder am Substrat 120 verbunden, so dass diese kontaktierbar
sind.
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Für eine Wäremleitfähigkeitsmessung
mit solchem herkömmlichen
Sensorelement wird die Membran 130 mit Hilfe einer elektrischen
Leistung durch den Heizwiderstand 132 erwärmt. Mit
Hilfe des weiteren temperaturabhängigen
Widerstandes (Thermistor 133) wird die Temperatur der Membran gemessen. Über den
Vergleich der einbrachten elektrischen Heizleistung mit der Temperatur
der Membran 130 lässt
sich eine Aussage über
die Wärmeleitfähigkeit
des die Membran 130 umgebenen Mediums (in 1 nicht
dargestellt) treffen. Insbesondere flüssige und gasförmige Medien
können
in diesem Verfahren gemessen werden. Nachteilig wirkt sich bei dem
bekannten Wärmeleitfähigkeitssensorelement aus,
dass die Temperaturmessung mit Hilfe des Termistors (Temperaturmesselement 133)
relativ ungenau ist. Daher müssen
zur Erzielung einer ausreichenden Empfindlichkeit des Wärmeleitfähigkeitssensorelementes
Heizleistungen im Bereich von 5 bis 50 mW generiert werden, um eine
ausreichende Genauigkeit und Auflösung der Messung der Wärmeleitfähigkeit
des die Sensormembran 130 zumindest teilweise umgebenden
Mediums zu erreichen. Die hierbei entstehenden Differenztemperaturen
befinden sich im Bereich von 25 K bis zu 150 Kelvin über der
Umgebungstemperatur.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßer Wärmeleitfähigkeitssensor 10 mit
einem Substrat 20 und einer Membran 30 in einer
schematischen Seiten- bzw. Querschnittansicht dargestellt. Unterhalb
der Membran 30, bzw. zwischen der Membran 30 und
dem Substratmaterial 20, weist der Wärmeleitfähigkeitssensor 10 erfindungsgemäß eine erste
Kavität 35 auf.
Erfindungsgemäß ist es
insbesondere so, dass das Substratmaterial 20 die erste
Kavität 35 nach
unten hin, d. h. zur Rückseite
des Wärmeleitfähigkeitssensors,
abschließt.
Auf der Oberseite der Membran 30, d. h. auf der dem Substratmaterial 20 abgewandten
Seite der Membran 30 befindet sich erfindungsgemäß insbesondere
eine zweite Kavität 55,
die mittels einer Abdeckung, insbesondere in Form eines s. g. Kappenwafers 50 bzw.
eines weiteren Substrats 50 realisiert ist. Die zweite
Kavität 55 ist
erfindungsgemäß insbesondere
von der Umgebung des Wärmeleitfähigkeitssensors 10 aus
zugänglich.
Hierzu ist eine Öffnung 52 im
Kappenwafer 50 bzw. im zweiten Substrat 50 als
Zugang zwischen dem Äußeren des Wärmeleitfähigkeitssensors 10 und
der zweiten Kavität 55 angedeutet.
Erfindungsgemäß ist es
darüber hinaus
auch möglich,
dass auch die erste Kavität 35 – etwa durch
eine Ausnehmung in der Membran 30 oder dergleichen – geöffnet ist,
d. h. dass ein Zugang zwischen der ersten Kavität 35 und der zweiten
Kavität 55 besteht.
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Erfindungsgemäß ist in
oder auf der Membran 30 ein Heizelement 31 und
ein Temperaturmesselement 32 vorgesehen. Das Temperaturmesselement 32 ist
erfindungsgemäß insbesondere
als Thermoelement (thermopile) vorgesehen.
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Weiterhin
ist im oder auf dem Substrat 20 des erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitssensors 10 eine
Schaltung 21 bzw. ein Auswerteschaltungsbereich 21 vorgesehen,
welcher zumindest einen Teil einer Auswerteschaltung 21 aufweist,
so dass entweder die Signale des Temperaturmesselementes 32 und/oder
des Heizelementes 31 oder auch deren Betriebsspannungen
leicht erzeugt bzw. gemessen werden können.
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Erfindungsgemäß ist es
insbesondere vorgesehen, dass der Wärmeleitfähigkeitssensor 10 eine definierte
Wärmesenke
in der Umgebung, insbesondere der Sensormembran 30, aufweist,
da es sonst zu starken Schwankungen des Signals kommt. Bei herkömmlichen
Sensoren wird dies durch eine Verkappung des Chips erreicht, wobei
hierfür
sowohl ein Deckelwafer als auch ein Bodenwafer benötigt wird, was
beim erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitssensor
nicht erforderlich ist, da zumindest einer der beiden herkömmlicherweise
benötigten
Wafer eingespart werden kann.
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Erfindungsgemäß können Wärmeleitfähigkeitssensoren
z. B. für
die Erkennung von Wasserstoff in Luft eingesetzt werden, da Wasserstoff
gegenüber
Luft eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Damit ist der erfindungsgemäße Wärmeleitfähigkeitssensor geeignet, um
Leckagen in Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb (Verbrennungsmaschine
oder Brennstoffzelle) zu erkennen. Aufgrund der Tatsache, dass CO2 gegenüber
Luft eine geringere Wärmeleitfähigkeit
aufweist, kann mit einem erfindungsgemäßen Wärmeleitsensor 10 auch ein
erhöhter
CO2-Anteil in Luft gemessen werden. Dies
ist für
den Einsatz als Kohlendioxidsensor in oder im Zusammenhang mit Klimaanlagen,
die Kohlendioxid als Kältemittel
verwenden (R744-Klimaanlagen) von hoher Bedeutung. Der erfindunsgemäße Wärmeleitfähigkeitssensor
hat den Vorteil, dass aufgrund der vergleichsweise hohen Empfindlichkeit hinsichtlich
der Temperaturdifferenzen bei der Benutzung eines Thermoelements
bzw. eines Thermopiles als Temperaturmesselement 32 keine
hohen Temperaturdifferenzen zur Umgebungstemperatur zur Messung
der Wärmeleitfähigkeit,
insbesondere von Gasen (oder von Flüssigkeiten), erforderlich ist.
Eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit des Wärmeleitfähigkeitssensors 10 ergibt
sich erfindungsgemäß dadurch,
dass die Membran 30 als oberflächemikromechnisch hergestellte
Membran 30 vorgesehen ist, so dass ein präziser und
vergleichsweise geringer Abstand zwischen der Membran 30 und
dem Substratmaterial 20 unterhalb der Membran 30 einstellbar
ist, wodurch eine definierte Wärmesenke
im Bereich der Sensormembran 30 erfindungsgemäß realisiert
werden kann. Zu Herstellung einer solchen oberflächenmikromechanisch hergestellten
Membran 30 werden beispielsweise durch Ätzverfahren Löcher im
Substrat im Bereich der späteren
Membran 30 erzeugt, beispielsweise durch ein CIF3-Ätzverfahren. Anschließend wird
die erste Kavität 35 entweder durch
thermische Umlagerung eines porös
geätzten Siliziumbereichs
erzeugt oder aber durch Abscheiden des Membranmaterials auf einem
porös geätzten Bereich
und nachfolgend Entfernen des an der Stelle der ersten Kavität 25 befindlichen
Siliziummaterials. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass
die Membran 30 sich auf einer Seite in einem definierten
Abstand von einer Wärmesenke,
insbesondere dem Substratmaterial 20 befindet, was zu einem
konstanteren Signal des Sensors führt und somit die Sensorempfindlichkeit
erheblich verbessert. Erfindungsgemäß ist es weiterhin bevorzugt
so, dass der Wärmeleitfähigkeitssensor
eine Kappe bzw. eine Abdeckung 50 aufweist, insbesondere
einen Kappenwafer oder dgl. Diese Abdeckung 50 weist erfindungsgemäß insbesondere
ein Loch 52 oder eine Öffnung 52 oder
eine Ausnehmung 52 auf, durch welche das Gas oder allgemein
das Fluid, dessen Wärmeleitfähigkeit
gemessen werden soll, in das Sensorelement 10 eindiffudieren
bzw. einströmen
kann. Dadurch wird der Wärmeleitfähigkeitssensor 10 weiter von
Umgebungseinflüssen
entkoppelt und liefert ein noch konstanteres Signal. Ein weiterer
Vorteil der Verwendung einer Thermosäulestruktur (thermopile) oder
eines Thermoelements als Temperaturmesselement 32 auf der
Membran 30 ist, dass diese erheblich temperaturempfindlicher
sind als ein herkömmlicherweise
verwendeter elektrischer Widerstand als Temperaturmesselement und
andererseits anstelle einer rein passiven Widerstandsänderung
eine aktive Ausgangsspannung liefern. Hierdurch wird durch die höhere Empfindlichkeit
des Wärmeleitfähigkeitssensors bzw.
der Messelemente des Wärmeleitfähigkeitssensors 10 eine
verbesserte Auflösung
des Wärmeleitfähigkeitssensors
erreicht und gleichseitig die Möglichkeit
eröffnet,
die elektrische Heizleistung zu minimieren. Dies schafft Vorteile
beim Einsatz des Sensors 10 als Leckagesensor, wo möglicherweise
ein Dauerbetrieb erwünscht
ist. Erfindungsgemäß ist es
desweiteren möglich,
aufgrund der Bauweise des vorgeschlagenen Wärmeleitfähigkeitssensors 10 in
einer oberfächenmikormechanischen
Herstellungsweise, eine elektronische Auswertung bzw. eine elektronische
Auswerteschaltung bzw. Teile hiervon, wie z. B. einen Vorverstärker, auf
den Wärmeleitfähigkeitssensor
zu integrieren, womit z. B. der Wärmeleitfähigkeitssensor 10 auf
ein standardisiertes Ausgangssignal abgeglichen werden kann. Beim
erfindungsgemäßen Wärmeleitsensors 10 ist
es des weiteren von Vorteil, dass ein sehr geringer Einfluss der
Umgebungsbedingungen auf das Sensorsignal, eine höhere Empfindlichkeit
der Sensormesselemente und eine bessere Auswertbarkeit aufgrund
der aktiven Sensorsignale möglich
ist. Außerdem
kann aufgrund der höheren
Empfindlichkeit bei niedrigeren Temperaturdifferenzen gemessen werden,
wodurch ein geringerer Leistungsverbrauch auftritt, und die Integration
einer Auswerteschaltung bzw. Teile hiervon ermöglicht ein Abgleich auf Chipebene
und einen ortsunabhängigen
Einbau des Sensorelementes bzw. des Wärmeleitfähigkeitssensors 10 unabhängig von Steuergeräten bzw.
Auswertelektroniken, zu denen ein nicht abgeglichenes Signal ggf. über wenig
gut zu kontrollierende Leitungen bzw. über größere Entfernungen hinweg transportiert
werden müsste.
Der erfindungsgemäße Wärmeleitsensor 10 hat
weiterhin den Vorteil, dass aufgrund seiner günstigen Aufbautechnik dieser
leicht als beispielsweise Chip on Board oder Flip-Chip-Element verarbeitet
werden kann und etwa in Steuergeräte oder Klimaanlagen bzw. komplette
Fahrzeugmodule integrierbar ist.