DE102005042485A1

DE102005042485A1 - Sensoranordnung für einen Mediensensor, Ölzustandssensor und Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102005042485A1
Application number: DE200510042485
Authority: DE
Inventors: Matthias Palo Alto Metz; Michael Stumber; Abdelali Bennis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung für einen Mediensensor, ein Ölzustandssensor und ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung vorgeschlagen, wobei die Sensoranordnung ein Basissubstratmaterial und eine darauf abgeschiedene piezoelektrische Schicht aus einem piezoelektrischen Material aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, einen Ölzustandssensor und ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche.

Aus der Druckschrift DE 198 50 802 A1 ist eine Sensoranordnung für die Ermittlung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten bekannt, bei der sogenannte akustische SAW- oder Oberflächenwellenbauelemente (SAW = Surface Acoustic Wave) als Sensoren für verschiedenste physikalische Größen, insbesondere in Flüssigkeiten, Verwendung finden. Einen wichtigen Bereich bildet hierbei die Messung elektrischer Größen, wie beispielsweise die Dielektrizitätskonstante und/oder die Leitfähigkeit, die Messung mechanischer Größen, wie beispielsweise die Dichte und/oder die Viskosität und die Untersuchung chemischer Eigenschaften, wie z. B. das Vorhandensein spezieller Substanzen in Flüssigkeiten. Nachteilig bei bekannten Sensoranordnungen zur Messung der physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten ist, dass aufgrund von speziellen benötigten Materialien, insbesondere solche mit piezoelektrischem Verhalten, die genannten Sensoranordnungen nur unter einem vergleichsweise hohen Kostenaufwand herstellungstechnisch stabil und in der Anwendung reproduzierbar zuverlässig in der Massenfertigung herstellbar sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung, der erfindungsgemäße Medienzustanssensor, insbesondere Ölzustandssensor, und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass solche Flüssigkeitsparameter bzw. Flüssigkeitseigenschaften, welche auf einem piezoelektrischen Messprinzip beruhend messbar sind, besonders einfach und kostengünstig in einen Sensor bzw. in eine Sensoranordnung integrierbar sind.

Besonders bevorzugt ist, dass das Basissubstratmaterial aus einem Standardsubstratmaterial für Halbleiterbauelemente, insbesondere aus Siliziummaterial, vorgesehen ist, so dass beispielsweise hinsichtlich der Größe der verwendeten Wafer und auch hinsichtlich der gesamten Fertigungstechnologie auf bewährte und ausgereifte Technologien zurückgegriffen werden kann, was insbesondere die Kosten für die erfindungsgemäße Sensoranordnung erheblich reduziert. Beispielsweise war es für die bekannten Sensoranordnungen lediglich möglich, Wafer aus piezoelektrischem Material, beispielsweise Quarz oder Lithiumniobat zu verwenden, bei denen lediglich fertigungstechnisch teuere Wafer-Größen (beispielsweise 4 Zoll Durchmesser) zur Verfügung stehen.

Erfindungsgemäß ist demgegenüber besonders bevorzugt, dass die piezoelektrische Schicht aus einem abscheidbaren Material, insbesondere Aluminiumnitrid, vorgesehen ist, was den besonderen Vorteil hat, dass eine einfach herzustellende Funktionsschicht zur Verfügung steht, die darüber hinaus vergleichsweise kostengünstig realisierbar ist und weiterhin auch in ausreichend zuverlässiger und reproduzierbarer Weise herstellbar ist. Eine solche erfindungsgemäße piezoelektrische Schicht innerhalb der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gewährleistet, dass die Verwendung der piezoelektrischen Schicht als Funktionsschicht in einem Maskenprozess zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes bzw. eines mikroelektromechanischen Bauelementes integrierbar ist, so dass unter gewissen Modifikationen auf bekannte Verfahrensabläufe zur Herstellung von solchen Bauelementen zurückgegriffen werden kann. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass die piezoelektrische Schicht von einer mehrfachen piezoelektrischen Schicht, beispielsweise durch eine Elektrodenebene bzw. Elektrodenschicht voneinander getrennt, vorgesehen ist, so dass sogenannte Biomorph-Effekte oder allgemein Multimorph-Effekte erzielbar sind.

Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, dass die Sensoranordnung monolithisch integriert eine Mehrzahl von Sensorstrukturen zur Bestimmung einer Mehrzahl von physikalischen und/oder chemischen Größen eines an die Sensoranordnung angrenzenden Mediums aufweist. Hierdurch ist es in besonders kostengünstiger Weise möglich, einen kompletten Satz von bei einer Flüssigkeit oder einem Gas oder einem sonstigen Medium interessierenden Größen zu bestimmen, wobei bei unterschiedlichen Größen auf unterschiedliche Sensorprinzipien zurückgegriffen wird. Eine monolithische Integration einer erfindungsgemäßen Mehrzahl von Sensorstrukturen bietet über den Kostenvorteil und die Montage und Produktionsvorteile hinaus, weiterhin den Vorteil, dass auf einem verhältnismäßig kleinen Volumen der Flüssigkeit bzw. des Mediums alle interessierenden Größen gemessen werden, so dass die Wahrscheinlichkeit von unplausiblen Messergebnissen reduziert wird.

Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, dass die Mehrzahl von Sensorstrukturen eine Interdigitalstruktur und/oder eine Membranstruktur und/oder eine thermoresistive Struktur und/oder eine chemosensitive Struktur aufweist. Hierdurch ist es in besonderer Weise möglich, einen integrierten Medienzustandssensor zu realisieren, der auf einem Chip mehrere, Idealerweise alle, notwendige Funktionen vereint. Insbesondere wird erfindungsgemäß auch die Möglichkeit geschaffen, eine Integration der Füllstandsfunktion zu erzielen. Erfindungsgemäß ist bevorzugt, dass die Mehrzahl von Sensorstrukturen piezoelektrische und/oder kapazitive und/oder thermosensitive und/oder chemosensitive Elemente/Strukturen enthalten, wobei zumindest die piezoelektrische Schicht bzw. die piezoelektrische Struktur bzw. Strukturen freitragend, beispielsweise in Form einer Membran, eines Cantilevers oder einer Stimmgabelstruktur, vorgesehen sind.

Erfindungsgemäß kann durch die Integration einer Mehrzahl von Sensorstrukturen der Aufbau eines Mediensensors vereinfacht werden und damit die Herstellung desselben vereinfacht werden und weiterhin der Betrieb eines solchen Sensors zuverlässiger gestaltet werden, weil insbesondere weniger Verbindungsstellen vorhanden sind. Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass die piezoelektrische Schicht für eine Mehrzahl von Sensorstrukturen Verwendung findet. Es kann so beispielsweise bei einer Flüssigkeit vorgesehen sein, dass deren Viskosität mittels eines piezoelektrischen Scherschwingers gemessen wird, dass der Füllstand bzw. die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit mittels eines Ultraschallsenders bzw. Ultraschallempfängers gemessen wird, dass die elektrischen Eigenschaften durch isolierte bzw. auch nichtisolierte Elektrodenstrukturen bzw. durch Interdigitalelektroden gemessen werden, dass die Temperatur bzw. thermische Parameter mittels Heizwiderstände, insbesondere Platinwiderstände, gemessen werden und dass mittels chemisch sensitiver Schichten und/oder Elektroden der Säuregehalt oder andere chemische Parameter bestimmt werden. Für die Messung eines gasförmigen Mediums kann beispielsweise die Massenbelegung von chemisch sensitiven Schichten auf der Basis von Piezoschwingern bzw. Biegewandlern ermittelt werden, der Füllstand bzw. die Schallgeschwindigkeit über einen Ultraschallsender bzw. einen Ultraschallempfänger, die Temperatur mittels Heizwiderständen bzw. Platinwiderständen und es können gegebenenfalls weitere chemisch sensitive Schichten zur Bestimmung der Konzentration von flüchtigen Komponenten, wie beispielsweise Schmierölabbauprodukten, für die Untersuchung von Motoröl bzw. Motoröldampf verwendet werden. Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, dass die piezoelektrische Schicht zumindest teilweise freitragend vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, etwa eine Membran, einen Balken, einen Cantilever oder ähnliches mittels bekannten Technologien der Halbleitertechnik bzw. der Mikromechanik zu strukturieren. Verschiedene Elektroden bzw. Passivierschichten können unterhalb bzw. auch innerhalb der piezoelektrischen Schicht realisiert werden, so dass beispielsweise Bimorph- oder allgemein Multimorpheffekte realisierbar sind.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Medienzustandssensor, insbesondere Ölzustandssensor, mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Ölzustandssensor die Hauptanwendung, jedoch ist beispielsweise auch ein Kraftstoffsensor, ein Kühlmittelsensor, ein Getriebeölsensor oder dgl. möglich. Erfindungsgemäß ist bevorzugt, dass mittels eines solchen Ölzustandssensors sowohl der Füllstand als auch der Zustand, beispielsweise charakterisiert durch die Viskosität des Motoröls bzw. generell eines Öls, messbar ist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, wobei oberhalb des Basissubstratmaterials die piezoelektrische Schicht abgeschieden wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die piezoelektrische Schicht monolithisch integriert auf einer Sensoranordnung herzustellen, welche gemäß einer Standard-Halbleitertechnologie erzeugt ist.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts aus einem Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung und
2 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einer Mehrzahl von Sensorstrukturen.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts aus einem Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 dargestellt. Dargestellt ist das Beispiel einer freitragenden Membranstruktur. Die Hauptfertigungsschritte zur Herstellung einer solchen Struktur werden im folgenden aufgezeigt. In einem ersten Schritt wird auf ein Basissubstratmaterial 1, welches insbesondere ein standardmäßig zur Herstellung von Halbleiterbauelementen bzw. zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen verwendetes Substrat – insbesondere ein Siliziumsubstrat – ist, eine Isolationsschicht 3 abgeschieden (insbesondere als Siliziumnitridschicht, welche auch als sogenannte Lowstress-Nitrid oder spannungsarme SiN-Schicht bezeichnet wird). Auf der Isolationsschicht 3 folgt ferner in strukturierter Weise, d. h. lediglich in Teilbereichen der Fläche des Basissubstratmaterials, die Abscheidung und die Strukturierung einer ersten Elektrode 4 (untere Elektrode) und daraufhin die Abscheidung und die Strukturierung einer aus einem piezoelektrischen Material vorgesehenen piezoelektrischen Schicht 2, welche erfindungsgemäß insbesondere mittels Aluminiumnitrid realisiert ist, wobei jedoch andere piezoelektrische Materialien zur Abscheidung der piezoelektrischen Schicht 2 ebenfalls Verwendung finden können. Oberhalb der piezoelektrischen Schicht 2 findet die Abscheidung und die Strukturierung einer zweiten Elektrode 5 (obere Elektrode) statt. Anschließend werden Kontaktöffnungen 6 zur Kontaktierung der ersten Elektrode 4 (untere Elektrode) realisiert. Im Anschluss daran findet eine weitere Strukturierung der piezoelektrischen Schicht 2 statt, beispielsweise in Gräben 7 bzw. in einem Hohlraum 7' unterhalb der piezoelektrischen Schicht 2, die mittels spezieller jedoch allgemein bekannter Ätzverfahren (wie beispielsweise Trenchätzen, Gasphasenätzen oder dergleichen), realisiert werden, so dass mechanische Strukturen, wie Balken bzw. Membranen bzw. generell freitragende Strukturen, realisierbar sind. Optional wird mittels eines nicht dargestellten Verschlussschritts ein Teil oder alle Gräben 7 wieder verschlossen, so dass eine freitragende Struktur bzw. Membran 8 oberhalb des Hohlraums 7' entsteht.
In 2 ist die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 abgebildet. Elektrische Anschlussflächen, sogenannte Bondpads, sind mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet und in einer oberen und unteren Reihe am Rand der Chipfläche der Sensoranordnung 10 angeordnet. Selbstverständlich können solche Anschlussflächen oder Bondpads 11 auch an anderen Stellen der Sensoranordnung 10 vorgesehen sein, jedoch ist eine Anordnung am Rand bzw. an mehreren Seiten am Rand der Sensoranordnung für eine Mehrzahl von Aufbau- und Verbindungstechniken, wie etwa die Kontaktierung in ein Moldgehäuse oder dergleichen, vorteilhaft.
In einem oberen linken Bereich der Sensoranordnung 10 der 2 ist eine erste Sensorstruktur 30 in Form einer Membranstruktur 30 mit einer Mehrzahl von Membranen 31 dargestellt, die analog der oben beschriebenen Membranen 8 gefertigt sein können. Eine solche Membranstruktur 30 kann beispielsweise über zwei oder auch mehrere planare Elektroden angesteuert und ausgelesen werden. Bei der Membranstruktur 30 handelt es sich beispielsweise um eine freitragende Membran, welche zumindest ein piezoelektrisches Material als Teil der Membranstruktur umfasst. Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass die Membran der Membranstruktur 30 zum überwiegenden Teil aus einer piezoelektrischen Schicht besteht. Mittels der Membranstruktur 30 bzw. mittels einer Mehrzahl von solchen Membranstrukturen 30 können beispielsweise folgende Funktionen realisiert werden: Es kann ein piezoelektrischer Ultraschallwandler oder auch kapazitiver Ultraschallwandler realisiert werden, so dass beispielsweise die Dichte bzw. die Schallgeschwindigkeit eines an die Membranfläche der Membranstruktur 30 angrenzenden Flüssigkeit bzw. eines angrenzenden Mediums (nicht dargestellt) ermittelbar ist. Es kann eine Membranstruktur 30 auch als piezoelektrischer oder kapazitiver Drucksensor, als piezoelektrischer oder kapazitiver Massenbelegungssensor ausgebildet sein.
Im unteren linken Bereich der 2 sind zwei Interdigitalstrukturen 40 ausgebildet, die gemeinsam mit einer Laufstrecke 41 bzw. mittels eines zwischen ihnen angeordneten Zwischenraums 41 einen Oberflächenwellenschwinger darstellen (Surface Acousic Wave Sensor, SAW-Sensor), vorzugsweise ein Scherwellenschwinger. Darüber hinaus können solche Interdigitalstrukturen 40 als kapazitive Sensoren verwendet werden. Mittels einer solchen Sensorstruktur ist es insbesondere möglich, Viskositätsmessungen des dem Oberflächenwellenschwinger benachbarten Mediums durchzuführen.
Im oberen rechten Bereich der Sensoranordnung 10 der 2 ist ein Metalldünnschichtwiderstand 51 mit einem Vierpunktabgriff als Beispiel einer thermoresistiven Struktur 50 angedeutet. In bekannter Weise bildet der Widerstand 51 eine mäanderartige Struktur, deren Anfang und Ende mit einer Kontaktfläche bzw. Anschlussfläche 11 verbunden ist, und wobei in der Mitte zwei Abgriffe für weitere Kontaktflächen 11 vorhanden sind. Eine solche thermoresistive Struktur 50 erlaubt eine präzise Temperaturmessung und kann auch als Heizelement verwendet werden, um die Sensoranordnung 10 bzw. den Chip der Sensoranordnung 10 auf einer definierten Temperatur, insbesondere Übertemperatur, zu halten. Die Temperaturmessung kann jedoch auch mit anderen Effekten realisiert werden.
Im unteren rechten Teil der in 2 schematisch dargestellten Sensoranordnung 10 ist eine Elektrodenanordnung für eine chemosensitive Sensorstruktur 60 mit einer chemisch sensitiven Substanz 61 bzw einer Paste 61 dargestellt. Die Elektroden und Leiterbahnen 62 der chemosensitiven Sensorstruktur 60 sind vorteilhafterweise aus Aluminium oder Platin realisiert. Für die chemisch sensitiven Elektroden sind – je nach Anwendung – zahlreiche weitere Metalle oder Metalloxide denkbar wie beispielsweise Silber, Gold, Rutheniumoxid oder dergleichen.
Bei dem an die Sensoranordnung angrenzenden Medium handelt es sich insbesondere um Motoröl eines Verbrennungsmotors, jedoch erfindungsgemäß auch um Kraftstoff, Kühlflüssigkeit oder sonstige Flüssigkeiten bzw. Medien in einem Kraftfahrzeug. Denkbar sind darüber hinaus Anwendungen in allen Bereichen, die die Bestimmung von Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten oder Gemischen davon involvieren, beispielsweise in der Verfahrenstechnik, Lebensmittelindustrie, Verkehrstechnik oder in der industriellen Prozesstechnik.

Claims

Sensoranordnung (10) für einen Mediensensor mit einem Basissubstratmaterial (1), dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Basissubstratmaterial 1 eine piezoelektrische Schicht (2) aus einem piezoelektrischen Material angeordnet vorgesehen ist.
Sensoranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissubstratmaterial (1) aus einem Standardsubstratmaterial für Halbleiterbauelemente oder mikromechanische Bauelemente, insbesondere aus Siliziummaterial, vorgesehen ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (2) aus einem abscheidbaren Material, insbesondere Aluminiumnitrid, vorgesehen ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (10) monolithisch integriert eine Mehrzahl von Sensorstrukturen (30, 40, 50, 60) zur Bestimmung einer Mehrzahl von physikalischen und/oder chemischen Größen eines an die Sensoranordnung (10) angrenzenden Mediums aufweist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Sensorstrukturen (30, 40, 50, 60) eine Membranstruktur (30) und/oder eine Interdigitalstruktur (40) und/oder eine thermoresistive Struktur (50) und/oder eine chemosensitive Struktur (60) aufweist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (2) zumindest teilweise freitragend vorgesehen ist.
Medienzustandssensor, insbesondere Ölzustandssensor mit einer Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Medienzustandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Medienzustandssensors sowohl der Füllstand als auch die Viskosität eines Mediums messbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Basissubstratmaterials (1) die piezoelektrische Schicht (2) abgeschieden wird.