DE102005055083A1 - Thermoelectric sensor and production process has two substrates with a hollow space between them having an opening and containing conductive structures for each substrate - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der Technikwas standing of the technique
Die
Erfindung geht aus von einem thermoelektrischen Sensor nach der
Gattung des Hauptanspruchs. Ein solcher ist beispielsweise aus der Druckschrift
Vorteile der Erfindungadvantages the invention
Der erfindungsgemäße, thermoelektrische Sensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Wärmetransport zwischen der ersten leitfähigen Struktur und der zweiten leitfähigen Struktur über das zwischen den leitfähigen Strukturen befindliche Medium erfolgt. Die erste leitfähige Struktur ist an dem ersten Substrat angeordnet und die zweite leitfähige Struktur ist an dem zweiten Substrat angeordnet, so dass eine gute thermische Entkopplung der leitfähigen Strukturen voneinander in einem kompakten Bauelement möglich ist, ohne dass diese nebeneinander auf einer Membran angeordnet sind. Durch den Wegfall beweglicher, empfindlicher Komponenten erhöht sich vorteilhafterweise die Stabilität des erfindungsgemäßen Sensors. Das erste Substrat und das zweite Substrat bilden einen Hohlraum, der ein Gasvolumen einschließt. Die erste leitfähige Struktur und die zweite leitfähige Struktur sind in dem Hohlraum angeordnet, so dass diese zusätzlich vor Beschädigung geschützt sind. Zum Austausch mit dem umgebenden Medium weist der Hohlraum mindestens eine Öffnung auf, über die ein Druckausgleich erfolgen kann. Der Fachmann versteht, dass der erfindungsgemäße, thermoelektrische Sensor nicht nur zur Gasdruckmessung, sondern auch zur Gasflussmessung einsetzbar ist, wenn der Hohlraum durchströmt wird, also beispielsweise zumindest zwei Öffnungen aufweist. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, bei bekanntem Druck oder bei definierten Strömungsverhältnissen, über die Stoffeigenschaften auf die Art des Gases oder Gasgemisches zu schließen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen, thermoelektrischen Sensors liegt daher in seiner vielseitigen Verwendbarkeit.Of the Inventive, thermoelectric sensor with the features of the main claim has the opposite Advantage that the heat transfer between the first conductive Structure and the second conductive Structure over that between the conductive ones Structured medium takes place. The first conductive structure is disposed on the first substrate and the second conductive structure is disposed on the second substrate, so that a good thermal Decoupling of the conductive Structures of each other in a compact device is possible, without these being arranged side by side on a membrane. By eliminating moving, sensitive components increases advantageously the stability the sensor according to the invention. The first substrate and the second substrate form a cavity, which includes a gas volume. The first conductive structure and the second conductive Structure are arranged in the cavity, so that these in addition damage protected are. For exchange with the surrounding medium has the cavity at least one opening up, over which can be done a pressure compensation. The person skilled in the art understands that the inventive, thermoelectric Sensor can be used not only for gas pressure measurement but also for gas flow measurement is when the cavity flows through is, that is, for example, has at least two openings. It exists also the possibility at known pressure or at defined flow conditions, over the material properties to infer the nature of the gas or gas mixture. Another Advantage of the invention, thermoelectric Sensors is therefore in its versatility.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen thermoelektrischen Sensors, sowie des Verfahrens zur Herstellung des thermoelektrischen Sensors möglich.By in the subclaims listed activities are advantageous developments and improvements in the sibling claims specified thermoelectric sensor, and the method for Production of the thermoelectric sensor possible.
Bevorzugt ist die erste leitfähige Struktur ein Heizelement und die zweite leitfähige Struktur ein Detektorelement, wobei das Heizelement eine Fläche aufweist, die einer Fläche des Detektorelements gegenüberliegend angeordnet ist. Gegenüberliegend im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Flächen in parallelen Ebenen angeordnet sind und sich zumindest teilweise überdecken. Die leitfähigen Strukturen weisen in den sich gegenüberliegenden Flächen vorzugsweise eine größere Erstreckung auf als in der jeweils dritten Raumrichtung, rechtwinklig zu den Flächen. Im Vergleich zu nebeneinander angeordneten Detektor- und Heizelementen, beispielsweise auf einer Membran, hat die gegenüberliegende Anordnung den Vorteil, dass ein Wärmetransport auf direktem Weg über das zwischen den Flächen befindliche Gasvolumen erfolgt.Prefers is the first conductive Structure a heating element and the second conductive structure, a detector element, wherein the heating element is an area that has a surface opposite the detector element is arranged. Opposite in the Meaning of the invention means that the surfaces arranged in parallel planes are and at least partially overlap. The conductive structures have in the opposite surfaces preferably a larger extension on than in the third spatial direction, at right angles to the Surfaces. Compared to adjacent detector and heating elements, For example, on a membrane, the opposite arrangement has the advantage that a heat transfer directly over that between the surfaces located gas volume takes place.
Der Fachmann versteht, dass die als Heizelement ausgelegte, elektrisch leitfähige Struktur so ausgelegt ist, dass ein Strom durch die leitfähige Struktur zu einer Temperaturerhöhung führt. Der Detektor reagiert auf Änderungen der Temperatur durch Änderung elektrisch auswertbarer Eigenschaften, wie beispielsweise des Widerstands.Of the The skilled person understands that designed as a heating element, electrically conductive Structure is designed so that a current through the conductive structure to a temperature increase leads. The detector reacts to changes the temperature by change electrically evaluable properties, such as the resistance.
In einer bevorzugten Ausführungsform des thermoelektrischen Sensors ist die erste leitfähige Struktur über eine freitragende Struktur mit dem ersten Substrat verbunden und/oder die zweite leitfähige Struktur über eine weitere freitragende Struktur mit dem zweiten Substrat verbunden. Durch die freitragende Struktur, die das jeweilige Substrat mit der leitfähigen Struktur verbindet, lässt sich vorteilhaft eine thermische Entkopplung der ersten und zweiten leitfähigen Struktur von dem jeweiligen Substrat bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität erreichen. Freitragend im Sinne der Erfindung bedeutet, dass nur eine Verbindung zwischen der Struktur und dem Substrat besteht, wobei die Querschnittsfläche der Verbindung deutlich kleiner ist, als die Oberfläche der freitragenden Struktur. Die erste und/oder zweite leitfähige Struktur ist beispielsweise eine elektrische Leiterbahn auf der freitragenden Struktur. Die Leiterbahn besteht beispielsweise aus dotierten Bereichen der freitragenden Struktur oder aus einer Metallschicht auf der freitragenden Struktur. Besonders bevorzugt sind die erste leitfähige Struktur und/oder die zweite leitfähige Struktur selbst als freitragende Strukturen ausgeführt, oder anders ausgedrückt, die gesamte, freitragende Struktur ist elektrisch leitfähig.In a preferred embodiment of the thermoelectric sensor, the first conductive structure is connected to the first substrate via a self-supporting structure and / or the second conductive structure is connected to the second substrate via a further self-supporting structure. Due to the self-supporting structure, which connects the respective substrate to the conductive structure, a thermal decoupling of the first and second conductive structure from the respective substrate can be advantageously achieved with simultaneously high mechanical stability. Unsupported in the sense of the invention means that there is only one connection between the structure and the substrate, wherein the cross-sectional area of the compound is significantly smaller than the surface of the cantilevered structure. The first and / or second conductive structure is, for example, an electrical trace on the cantilevered structure. The track consists, for example, of doped areas the cantilever structure or a metal layer on the cantilevered structure. Particularly preferably, the first conductive structure and / or the second conductive structure itself are designed as self-supporting structures, or in other words, the entire, self-supporting structure is electrically conductive.
In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das erste Substrat und/oder das zweite Substrat mindestens eine thermisch isolierende Schicht auf. Eine thermisch und vorzugsweise auch elektrisch isolierende Schicht ist beispielsweise aus Glas, Oxid oder porösem Silizium vorgesehen. Die Schicht aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit entkoppelt thermisch das erste Substrat von dem zweiten Substrat, so dass die thermische Kopplung der ersten leitfähigen Struktur mit der zweiten leitfähigen Struktur über die Substrate vorteilhafterweise verringert wird. Es ist denkbar, dass das erste und/oder zweite Substrat vollständig aus dem thermisch isolierenden Material besteht, beispielsweise als reiner Glaswafer. Ebenso kann es sich um einen Kompositwafer aus Glas und Silizium handeln. Die erste leitfähige Struktur und/oder die zweite leitfähige Struktur können besonders bevorzugt auf der thermisch isolierenden Schicht aufgebracht sein, beispielsweise als strukturierte Metallschicht. Bei dieser Ausführungsform ist eine besonders gute thermische Entkopplung der ersten bzw. zweiten leitfähigen Struktur gegeben.In another, preferred embodiment The invention comprises the first substrate and / or the second substrate at least one thermally insulating layer. A thermal and preferably also electrically insulating layer is, for example made of glass, oxide or porous Silicon provided. The layer of a material of low thermal conductivity thermally decouples the first substrate from the second substrate, so that the thermal coupling of the first conductive structure with the second conductive Structure over the substrates are advantageously reduced. It is conceivable that the first and / or second substrate is completely made of the thermally insulating Material exists, for example as a pure glass wafer. Likewise it is a composite wafer made of glass and silicon. The first conductive Structure and / or the second conductive structure may be particularly preferably be applied to the thermally insulating layer, for example as a structured metal layer. In this embodiment is a particularly good thermal decoupling of the first and second conductive structure given.
Ebenfalls besonders bevorzugt weist die thermisch isolierende Schicht des zweiten Substrats einen Verbindungsbereich auf, der durch anodisches Bonden mit dem ersten Substrat verbunden ist. Der Verbindungsbereich ist beispielsweise ein umlaufender, sogenannter Bondsteg. Dieser kann durchgehend sein, so dass keine Öffnung des Hohlraums über den Bondsteg besteht oder er kann mit Öffnungen versehen sein. Der Fachmann versteht, dass auch die jeweiligen, thermisch isolierenden Schichten des ersten und des zweiten Substrats jeweils einen Verbindungsbereich aufweisen können, die durch anodisches Bonden verbunden werden.Also Particularly preferably, the thermally insulating layer of the second substrate on a connection region by anodic bonding is connected to the first substrate. The connection area is For example, a circumferential, so-called bond bridge. This one can be continuous, leaving no opening of the cavity above the bonding bridge is made or it can be provided with openings. Of the A specialist understands that the respective thermally insulating Layers of the first and second substrates each have a connection region can have which are connected by anodic bonding.
Die zweite leitfähige Struktur ist vorzugsweise elektrisch leitend mit dem ersten Substrat verbunden. Beispielsweise ist eine elektrische Kontaktierung im Bereich der Bondverbindung angeordnet und wird durch diese vorteilhaft gesichert.The second conductive Structure is preferably electrically conductive with the first substrate connected. For example, an electrical contact in the Arranged area of the bond connection and is advantageous by this secured.
In einer bevorzugten Ausführung sind Kontakte zum Anschluss der ersten leitfähigen Struktur und/oder der zweiten leitfähigen Struktur durch das erste Substrat hindurch zu einer Rückseite des ersten Substrats geführt. Alle Anschlüsse des erfindungsgemäßen Sensors können so in vorteilhafter Weise auf der Rückseite des ersten Substrats kontaktiert werden.In a preferred embodiment are contacts for connecting the first conductive structure and / or the second conductive Structure through the first substrate to a back side led the first substrate. All connections the sensor according to the invention can so advantageously on the back of the first substrate be contacted.
Die zumindest eine Öffnung des Hohlraums erstreckt sich vorzugsweise durch das erste Substrat und/oder durch das zweite Substrat und/oder durch den Verbindungsbereich. Die Anzahl und Lage der Öffnungen hängt von der jeweiligen Anwendung des erfindungsgemäßen, thermoelektrischen Sensors ab.The at least one opening of the cavity preferably extends through the first substrate and / or through the second substrate and / or through the connection region. The number and location of the openings depends on the respective application of the thermoelectric sensor according to the invention from.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Sensors. Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Verfahrensanspruchs hat den Vorteil, dass die erste leitfähige Struktur und die zweite leitfähige Struktur sich gegenüberliegend, stabil und trotzdem thermisch entkoppelt in einem Hohlraum angeordnet werden. Zunächst werden ein erstes und ein zweites Substrat entsprechend mit einer ersten und zweiten leitfähigen Struktur versehen, wobei das erste und zweite Substrat so zusammengefügt werden, dass sie einen Hohlraum bilden, in dem die erste und die zweite leitfähige Struktur gegenüberliegend angeordnet sind. Die Herstellung einer Öffnung des Hohlraums erfolgt beispielsweise durch einen Trenchprozess durch das erste oder zweite Substrat hindurch. Der Fachmann erkennt, dass das Trenchen einer Öffnung vor dem Zusammenfügen der Substrate und auch vor dem Prozessieren der ersten und zweiten leitfähigen Strukturen erfolgen kann.One Another object of the invention is a process for the preparation a thermoelectric sensor. The inventive method with the features of the independent method claim has the advantage that the first conductive Structure and the second conductive Structure facing each other, stable and yet thermally decoupled arranged in a cavity become. First become a first and a second substrate according to a first and second conductive Structure, wherein the first and second substrates are joined together, that they form a cavity in which the first and the second conductive Structure opposite are arranged. The production of an opening of the cavity takes place, for example through a trench process through the first or second substrate. The skilled artisan will recognize that the tearing of an opening prior to assembly of the Substrates and also prior to processing the first and second conductive structures can be done.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine freitragende Struktur an dem ersten Substrat und/oder an dem zweiten Substrat erzeugt, vorzugsweise durch das Abscheiden einer Opferschicht, Abscheiden einer Funktionsschicht, Strukturieren der Funktionsschicht und Ätzen der Opferschicht, wobei die erste leitfähige Struktur und/oder die zweite leitfähige Struktur auf der freitragenden Struktur aufgebracht wird. Dies geschieht vorzugsweise durch Dotieren der Funktionsschicht vor dem Strukturieren oder durch Aufbringen einer Metallschicht. Die jeweilige freitragende Struktur kann auch selbst, also vollständig, als erste oder zweite leitfähige Struktur ausgebildet werden.In a preferred embodiment becomes a cantilevered structure on the first substrate and / or produced on the second substrate, preferably by the deposition a sacrificial layer, depositing a functional layer, structuring the functional layer and etching the sacrificial layer, wherein the first conductive structure and / or the second conductive Structure is applied to the cantilevered structure. this happens preferably by doping the functional layer before structuring or by applying a metal layer. The respective self-supporting Structure can also be itself, ie completely, as first or second conductive Structure to be formed.
In einer anderen Ausführungsform wird auf einer thermisch isolierenden Schicht des ersten Substrats die erste leitfähige Struktur und/oder auf einer thermisch isolierenden Schicht des zweiten Substrats die zweite leitfähige Struktur erzeugt, vorzugsweise durch Abscheiden und Strukturieren einer Metallschicht. Ein Verbindungsbereich der thermisch isolierenden Schicht des zweiten Substrats wird anschließend vorzugsweise durch anodisches Bonden mit dem ersten Substrat verbunden. Besonders bevorzugt wird die zweite leitfähige Struktur bei diesem Schritt elektrisch leitend mit dem ersten Substrat verbunden.In another embodiment is on a thermally insulating layer of the first substrate the first conductive Structure and / or on a thermally insulating layer of the second Substrate the second conductive Produces structure, preferably by deposition and structuring a metal layer. A connecting area of the thermally insulating Layer of the second substrate is then preferably by anodic Bonding connected to the first substrate. Particularly preferred the second conductive Structure in this step electrically conductive with the first substrate connected.
In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt werden von einer Rückseite des ersten Substrats Kontakte der ersten leitfähigen Struktur und/oder der zweiten leitfähigen Struktur durch Trenchprozesse hergestellt, wonach vorzugsweise die Rückseite mit einem Rückseiten-Refill-Oxid versehen wird und Bondpadmetallisierungen, vorzugsweise aus Aluminium, mit den Kontakten verbunden werden.In a further preferred method step, contacts of the first conductive structure and / or the second conductive structure are made by a trench process from a backside of the first substrate, after which the backside is preferably provided with a backside refining oxide and bonding pad metallizations, preferably of aluminum, are connected to the contacts.
Ausführungsbeispielembodiment
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, thermoelektrischen Sensors sowie ein Verfahren zur Herstellung des Sensors sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.One embodiment a thermoelectric according to the invention Sensors and a method for producing the sensor are in the drawing and in the following description explained in more detail.
Es zeigenIt demonstrate
In
der
In
der
Die
erste leitfähige
Struktur
In
der
In
der
Die
Die
Die
Claims (12)
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