DE102005055083B4 - Thermoelectric sensor and method of manufacture - Google Patents

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Abstract

Thermoelektrischer Sensor mit einem ersten Substrat (1) und einem zweiten Substrat (2), wobei zwischen dem ersten Substrat (1) und dem zweiten Substrat (2) ein Hohlraum (3) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste leitfähige Struktur (4) des ersten Substrats (1) und eine zweite leitfähige Struktur (5) des zweiten Substrats (2) in dem Hohlraum (3) angeordnet sind und wobei der Hohlraum (3) mindestens eine Öffnung (6) aufweist.

Figure DE102005055083B4_0000
Thermoelectric sensor having a first substrate (1) and a second substrate (2), wherein a cavity (3) is formed between the first substrate (1) and the second substrate (2), characterized in that a first conductive structure (4 ) of the first substrate (1) and a second conductive structure (5) of the second substrate (2) are arranged in the cavity (3) and wherein the cavity (3) has at least one opening (6).
Figure DE102005055083B4_0000

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem thermoelektrischen Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solcher ist beispielsweise aus der Druckschrift US 5 347 869 A bekannt. Zur Messung von Gasdruck sind mechanische und thermoelektrische Verfahren bekannt, die beide in sogenannten mikro-elektromechanischen Systemen, MEMS, eingesetzt werden. Bei thermoelektrischen Sensoren wird beispielsweise der Pirani-Effekt ausgenutzt, dass der elektrische Widerstand eines stromdurchflossenen Leiters temperaturabhängig ist. Die Wärmeübertragung von einem Heizelement zu einem Detektor über ein umgebendes gasförmiges Medium ist wiederum von dem Druck des Mediums, von dem Medium selbst und gegebenenfalls von den Strömungsverhältnissen im Medium abhängig. Eine Wärmeübertragung über Strukturteile des Sensors wird nach dem Stand der Technik verhindert, indem das Heizelement und der Detektor auf einer Membran angeordnet sind, die eine thermische Entkoppelung bewirkt. Typischerweise kommen daher Membranen sowohl in thermoelektrischen Sensoren zum Einsatz, als auch in mechanischen Gasdrucksensoren. Nachteilig ist, dass die Membranen anfällig gegenüber mechanischer Beschädigung sind.The invention relates to a thermoelectric sensor according to the preamble of the main claim. Such is for example from the document US 5 347 869 A known. For measuring gas pressure, mechanical and thermoelectric methods are known, both of which are used in so-called micro-electro-mechanical systems, MEMS. In the case of thermoelectric sensors, for example, the Pirani effect is utilized, that the electrical resistance of a conductor through which current flows is temperature-dependent. The heat transfer from a heating element to a detector via a surrounding gaseous medium in turn depends on the pressure of the medium, on the medium itself and optionally on the flow conditions in the medium. Heat transfer via structural parts of the sensor is prevented in the prior art by the heating element and the detector are arranged on a membrane which causes a thermal decoupling. Typically, therefore, membranes are used both in thermoelectric sensors and in mechanical gas pressure sensors. The disadvantage is that the membranes are susceptible to mechanical damage.

Aus der Schrift DE 60 2004 012 590 T2 ist eine MEMS-Vorrichtung bekannt, bei der eine Deckkappe mit einer Ausnehmung auf einem Substrat mit einer weiteren Ausnehmung angeordnet ist. Die Ausnehmung der Deckkappe sowie die Ausnehmung des Substrats sind dabei derart übereinander angeordnet, dass sich dazwischen ein Hohlraum bildet. In der Ausnehmung der Deckplatte ist zudem eine obere Sensorplatte und in der Ausnehmung des Substrats eine (untere) Sensorplatte angeordnet.From the Scriptures DE 60 2004 012 590 T2 a MEMS device is known in which a cover cap is arranged with a recess on a substrate with a further recess. The recess of the cover cap and the recess of the substrate are arranged one above the other such that a cavity is formed between them. In the recess of the cover plate, an upper sensor plate and in the recess of the substrate, a (lower) sensor plate is also arranged.

Vorteile der ErfindungAdvantages of 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.The thermoelectric sensor according to the invention with the features of the main claim has the advantage that the heat transfer between the first conductive structure and the second conductive structure via the medium located between the conductive structures takes place. The first conductive structure is arranged on the first substrate and the second conductive structure is arranged on the second substrate, so that a good thermal decoupling of the conductive structures from one another in a compact component is possible, without these being arranged side by side on a membrane. The elimination of movable, sensitive components advantageously increases the stability of the sensor according to the invention. The first substrate and the second substrate form a cavity that encloses a volume of gas. The first conductive structure and the second conductive structure are arranged in the cavity, so that they are additionally protected against damage. For exchange with the surrounding medium, the cavity has at least one opening, via which a pressure compensation can take place. The person skilled in the art understands that the thermoelectric sensor according to the invention can be used not only for gas pressure measurement but also for gas flow measurement when the cavity is flowed through, that is to say for example has at least two openings. It is also possible, with known pressure or defined flow conditions, to conclude the material properties on the type of gas or gas mixture. Another advantage of the thermoelectric sensor according to the invention is therefore 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.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claims thermoelectric sensor, and the method for producing the thermoelectric sensor are 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.Preferably, the first conductive structure is a heating element and the second conductive structure is a detector element, wherein the heating element has a surface which is arranged opposite a surface of the detector element. Opposite in the sense of the invention means that the surfaces are arranged in parallel planes and at least partially overlap. The conductive structures preferably have a greater extent in the opposing surfaces than in the respective third spatial direction, at right angles to the surfaces. In comparison to adjacent detector and heating elements, for example on a membrane, the opposite arrangement has the advantage that a heat transfer takes place directly over the gas volume located between the surfaces.

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.The person skilled in the art will understand that the electrically conductive structure designed as a heating element is designed so that a current through the conductive structure leads to an increase in temperature. The detector responds to changes in temperature by changing electrically evaluable properties, such as 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 cantilever structure, which connects the respective substrate with the conductive structure, can be advantageous achieve thermal decoupling of the first and second conductive structure from the respective substrate while maintaining 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 trace consists for example of doped regions of the cantilevered structure or of 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 of the invention, the first substrate and / or the second substrate has at least one thermally insulating layer. A thermally and preferably also electrically insulating layer is provided, for example, of glass, oxide or porous silicon. The low thermal conductivity layer of material thermally decouples the first substrate from the second substrate such that the thermal coupling of the first conductive pattern to the second conductive pattern over the substrates is advantageously reduced. It is conceivable that the first and / or second substrate consists entirely of the thermally insulating material, for example as a pure glass wafer. Likewise, it may be a composite wafer of glass and silicon. The first conductive structure and / or the second conductive structure may particularly preferably be applied to the thermally insulating layer, for example as a structured metal layer. In this embodiment, a particularly good thermal decoupling of the first and second conductive structure is 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 which is connected by anodic bonding with the first substrate. The connection region is for example a peripheral, so-called bonding web. This may be continuous, so that there is no opening of the cavity over the bonding bar or it may be provided with openings. The person skilled in the art will understand that the respective thermally insulating layers of the first and second substrates can each have a connection region that is 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 conductively connected to the first substrate. For example, an electrical contact is arranged in the region of the bond connection and is advantageously secured by this.

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, contacts for connecting the first conductive structure and / or the second conductive structure are guided through the first substrate to a rear side of the first substrate. All terminals of the sensor according to the invention can be contacted in an advantageous manner on the back of the first substrate.

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 position of the openings depends on the particular application of the thermoelectric sensor according to the invention.

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.Another object of the invention is a method for producing a thermoelectric sensor. The method according to the invention with the features of the independent method claim has the advantage that the first conductive structure and the second conductive structure are arranged opposite each other, stable and nevertheless thermally decoupled in a cavity. First, first and second substrates are respectively provided with first and second conductive patterns, and the first and second substrates are joined together to form a cavity in which the first and second conductive patterns are opposed. The production of an opening of the cavity takes place, for example, through a trench process through the first or second substrate. The person skilled in the art realizes that the trenches of an opening can occur before the joining of the substrates and also before the processing of the first and second conductive structures.

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, a self-supporting structure is produced on the first substrate and / or on the second substrate, preferably by depositing 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 is preferably done by doping the functional layer before structuring or by applying a metal layer. The respective self-supporting structure can also itself, ie completely, be formed as a first or second conductive structure.

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, on a thermally insulating layer of the first substrate, the first conductive structure and / or on a thermally insulating layer of the second substrate generates the second conductive structure, preferably by depositing and patterning a metal layer. A connecting region of the thermally insulating layer of the second substrate is then connected to the first substrate preferably by anodic bonding. Particularly preferably, the second conductive structure is electrically conductively connected to the first substrate in this step.

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 of the second conductive structure are produced from a rear side of the first substrate by trench processes, according to which the rear side is preferably provided with a backside refining oxide and bond pad metallizations, preferably of aluminum, with the Contacts are connected.

Figurenlistelist of figures

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.An embodiment of a thermoelectric sensor according to the invention and a method for producing the sensor are shown in the drawing and explained in more detail in the following description.

Es zeigen

  • 1 einen thermoelektrischen Gasdrucksensor nach dem Stand der Technik,
  • 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen, thermoelektrischen Sensor und
  • 3 bis 9 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des in 2 dargestellten Sensors.
Show it
  • 1 a thermoelectric gas pressure sensor according to the prior art,
  • 2 a cross section through a thermoelectric sensor according to the invention and
  • 3 to 9 an inventive method for producing the in 2 represented sensor.

In der 1 ist ein Gasdrucksensor im Schnitt dargestellt. Ein Heizelement H und ein Detektorelement D sind auf einer Membran M angeordnet. Die Membran M stellt die thermische Entkopplung zwischen dem Detektorelement D und dem Heizelement H sicher, so dass ein Wärmetransport zum weit überwiegenden Teil über ein umgebendes, gasförmiges Medium erfolgt, das nicht dargestellt ist. Die Anordnung wird von einem Substrat S getragen.In the 1 a gas pressure sensor is shown in section. A heating element H and a detector element D are on a membrane M arranged. The membrane M represents the thermal decoupling between the detector element D and the heating element H safe, so that a heat transfer takes place for the most part on a surrounding gaseous medium, which is not shown. The arrangement is of a substrate S carried.

In der 2 ist ein erfindungsgemäßer thermoelektrischer Gasdrucksensor im Querschnitt dargestellt, der sich vom Stand der Technik zunächst dadurch unterscheidet, dass eine erste leitfähige Struktur 4 und eine zweite leitfähige Struktur 5, von denen eine das Heizelement und eine den Detektor darstellt, sich gegenüberliegend an einem ersten Substrat 1 bzw. an einem zweiten Substrat 2 angeordnet sind. Eine Membran zur thermischen Entkoppelung ist nicht vorgesehen. Das erste und zweite Substrat 1, 2 schließen einen Hohlraum 3 ein, der über eine Öffnung 6 mit der Umgebung des Gasdrucksensors verbunden ist. Der Druck im Hohlraum entspricht dem Druck eines umgebenden, gasförmigen Mediums, so dass eine thermoelektrische Druckmessung in einer dem Fachmann bekannten Weise erfolgen kann. Das zweite Substrat 2 weist eine thermisch isolierende Schicht 8, beispielsweise aus Glas auf, die einen Verbindungsbereich 9 in Form eines umlaufenden Bondstegs 9 aufweist. Das zweite Substrat 2 ist durch anodisches Bonden des Bondstegs 9 mit dem ersten Substrat 1 verbunden. Im dargestellten Beispiel ist der Hohlraum 3 durch den Bondsteg und die im Wesentlichen ebenen Substrate 1, 2 gebildet. Der Fachmann versteht, dass die Substrate 1, 2 auch Vertiefungen aufweisen könnten und der Bondsteg 9 eine wesentlich geringere Höhe aufweisen könnte.In the 2 a thermoelectric gas pressure sensor according to the invention is shown in cross-section, which differs from the prior art first in that a first conductive structure 4 and a second conductive structure 5 of which one represents the heating element and one the detector is located opposite a first substrate 1 or on a second substrate 2 are arranged. A membrane for thermal decoupling is not provided. The first and second substrate 1 . 2 close a cavity 3 one over an opening 6 connected to the environment of the gas pressure sensor. The pressure in the cavity corresponds to the pressure of a surrounding, gaseous medium, so that a thermoelectric pressure measurement can be carried out in a manner known to those skilled in the art. The second substrate 2 has a thermally insulating layer 8th For example, made of glass, which has a connection area 9 in the form of a circumferential bonding web 9 having. The second substrate 2 is by anodic bonding of the bonding bridge 9 with the first substrate 1 connected. In the example shown, the cavity 3 through the bonding web and the substantially planar substrates 1 . 2 educated. The skilled person understands that the substrates 1 . 2 could also have depressions and the bonding web 9 could have a much lower height.

Die erste leitfähige Struktur 4 ist freitragend mit dem ersten Substrat 1 verbunden, was in den 3 und 4 näher erläutert wird. Die zweite leitfähige Struktur 5 ist auf der thermisch und elektrisch nicht leitenden Glasschicht 8 angeordnet, was in der 5 im Detail dargestellt ist. Erfindungsgemäß können beide leitfähige Strukturen 4, 5 sowohl freitragend als auch über die thermisch isolierende Schicht 8 mit ihrem jeweiligen Substrat 1, 2 verbunden sein. Ebenso kann jede der leitfähigen Strukturen 4, 5 sowohl als Heizelement, als auch als Detektor eingesetzt werden.The first conductive structure 4 is self-supporting with the first substrate 1 connected, what in the 3 and 4 is explained in more detail. The second conductive structure 5 is on the thermally and electrically non-conductive glass layer 8th arranged, what in the 5 is shown in detail. According to the invention, both conductive structures 4 . 5 both self-supporting and over the thermally insulating layer 8th with their respective substrate 1 . 2 be connected. Likewise, any of the conductive structures 4 . 5 be used both as a heating element, as well as a detector.

In der 3a ist ein Querschnitt des ersten oder zweiten Substrats 1, 2 entlang der Linie L in 3b dargestellt. Eine freitragende Struktur 7, 7' ist mit dem Substrat 1, 2 verbunden. Eine solche freitragende Struktur wird hergestellt, indem eine Opferschicht, beispielsweise aus Siliziumdioxid abgeschieden wird, danach eine Funktionsschicht abgeschieden wird, die strukturiert wird. Abschließend wird die Opferschicht durch einen Ätzprozess wieder entfernt. Auf der freitragenden Struktur 7, 7' wird, vorzugsweise vor dem Ätzen der Opferschicht, eine Leiterbahn 4, 5 hergestellt, beispielsweise durch Dotierung der Funktionsschicht vor dem Strukturieren oder durch Abscheiden einer zusätzlichen Metallschicht. In den 4a und 4b ist eine alternative Möglichkeit dargestellt, bei der die freitragende Struktur 4, 5, 7, 7' selbst elektrisch leitfähig ist.In the 3a is a cross section of the first or second substrate 1 . 2 along the line L in 3b shown. A self-supporting structure 7 . 7 ' is with the substrate 1 . 2 connected. Such a self-supporting structure is produced by depositing a sacrificial layer, for example of silicon dioxide, after which a functional layer is deposited, which is patterned. Finally, the sacrificial layer is removed by an etching process. On the cantilever structure 7 . 7 ' is, preferably before the etching of the sacrificial layer, a conductor track 4 . 5 produced, for example by doping the functional layer before structuring or by depositing an additional metal layer. In the 4a and 4b an alternative possibility is shown in which the self-supporting structure 4 . 5 . 7 . 7 ' itself is electrically conductive.

In der 5a ist wiederum eine Querschnitt entlang der Linie L in 5b dargestellt. Das erste oder zweite Substrat 1, 2 ist hier mit der thermisch isolierenden Schicht 8 versehen, die den Verbindungsbereich 9, einen umlaufenden Bondsteg, umfasst. In dem Bereich, der von dem Bondsteg 9 umgeben ist, wird eine Metallschicht 4, 5 auf der isolierenden Schicht 8 aus Glas abgeschieden und strukturiert.In the 5a is again a cross section along the line L in 5b shown. The first or second substrate 1 . 2 is here with the thermally insulating layer 8th provided the connecting area 9 , a circumferential bonding web comprises. In the area of the bonding bridge 9 surrounded, becomes a metal layer 4 . 5 on the insulating layer 8th made of glass and structured.

Die 6 und 7 zeigen das erste Substrat 1 und das zweite Substrat 2 mit fertig prozessierten, ersten und zweiten leitfähigen Strukturen 4, 5, wobei die erste leitfähige Struktur 4 der Darstellung in 3 entspricht, während die zweite leitfähige Struktur 5 gemäß 5 hergestellt ist. Der Fachmann versteht, dass andere Kombinationen, als die dargestellte Ausführungsform ebenso möglich wären. Nachdem das erste Substrat 1 mit einer ersten leitfähigen Struktur 4 und das zweite Substrat 2 mit einer zweiten leitfähigen Struktur 5 versehen ist, wird nachfolgend das zweite Substrat 2, das auch als Kappe 2 bezeichnet wird, mit dem Substrat 1 verbunden. Der Bondsteg 9 aus Bondglas wird durch anodisches Bonden mit dem ersten Substrat 1 verbunden. Das Substrat 1 und die Kappe 2 schließen nunmehr einen Hohlraum 3 ein, in dem die erste und zweite leitfähige Struktur sich gegenüberliegend, geschützt angeordnet sind. Der Bondsteg 9 kann durchgehend sein oder Öffnungen aufweisen. Im dargestellten Beispiel ist der Hohlraum 3 zusätzlich durch eine Öffnung 6 mit der Umgebung des Sensors verbunden. Die Öffnung 6 wird in der Regel vor dem Zusammenfügen der Substrate 1, 2 in das Substrat 1 eingebracht, beispielsweise durch einen Trenchprozess, kann jedoch auch während des Zusammenfügens oder danach eingebracht werden.The 6 and 7 show the first substrate 1 and the second substrate 2 with fully processed, first and second conductive structures 4 . 5 , wherein the first conductive structure 4 the representation in 3 corresponds while the second conductive structure 5 according to 5 is made. Those skilled in the art will understand that combinations other than the illustrated embodiment would be equally possible. After the first substrate 1 with a first conductive structure 4 and the second substrate 2 with a second conductive structure 5 is provided below, the second substrate 2 that also as a cap 2 is referred to, with the substrate 1 connected. The bonding bridge 9 Bonding glass is made by anodic bonding with the first substrate 1 connected. The substrate 1 and the cap 2 now close a cavity 3 in which the first and second conductive structures are oppositely protected. The bonding bridge 9 may be continuous or have openings. In the example shown, the cavity 3 additionally through an opening 6 connected to the environment of the sensor. The opening 6 is usually done before joining the substrates 1 . 2 in the substrate 1 introduced, for example by a trench process, but can also be introduced during assembly or after.

Die 7 zeigt den Sensor nach 6 in einer weiteren Schnittdarstellung, in der die Kontaktierung der zweiten leitfähigen Struktur 5 zu erkennen ist. Ein metallischer Leiter verbindet die zweite leitfähige Struktur 5 mit einem Kontakt 11 des ersten Substrats. Der Kontakt 11 der zweiten leitfähigen Struktur 5 und der metallische Leiter sind von dem anodisch gebondeten Verbindungsbereich 9 überdeckt und so fest miteinander verbunden. Die erste leitfähige Struktur 4 ist mit einem weiteren Kontakt 10 verbunden. Die Kontakte 10, 11 werden, ebenso wie die Öffnung 6 von einer Rückseite 12 des ersten Substrats 1 her durch Trenchprozesse hergestellt.The 7 shows the sensor 6 in a further sectional view, in which the contacting of the second conductive structure 5 can be seen. A metallic conductor connects the second conductive structure 5 with a contact 11 of the first substrate. The contact 11 the second conductive structure 5 and the metallic conductor are from the anodically bonded junction region 9 covered and so firmly connected. The first conductive structure 4 is with another contact 10 connected. The contacts 10 . 11 as well as the opening 6 from a backside 12 of the first substrate 1 produced by trench processes.

Die 8 und 9 zeigen in zwei Ansichten einen weiteren Verarbeitungsschritt, in dem ein Rückseiten-Refill-Oxid 13 auf die Rückseite 12 aufgebracht wird und die Kontakte 10, 11 mittels Bondpadmetallisierungen 14, beispielsweise aus Aluminium verbunden werden.The 8th and 9 show in two views a further processing step in which a backside refining oxide 13 on the back 12 is applied and the contacts 10 . 11 using bondpad metallizations 14 , For example, be made of aluminum.

Claims (12)

Thermoelektrischer Sensor mit einem ersten Substrat (1) und einem zweiten Substrat (2), wobei zwischen dem ersten Substrat (1) und dem zweiten Substrat (2) ein Hohlraum (3) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste leitfähige Struktur (4) des ersten Substrats (1) und eine zweite leitfähige Struktur (5) des zweiten Substrats (2) in dem Hohlraum (3) angeordnet sind und wobei der Hohlraum (3) mindestens eine Öffnung (6) aufweist.Thermoelectric sensor having a first substrate (1) and a second substrate (2), wherein a cavity (3) is formed between the first substrate (1) and the second substrate (2), characterized in that a first conductive structure (4 ) of the first substrate (1) and a second conductive structure (5) of the second substrate (2) are arranged in the cavity (3) and wherein the cavity (3) has at least one opening (6). Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste leitfähige Struktur (4) ein Heizelement ist und dass die zweite leitfähige Struktur (5) ein Detektorelement ist, wobei das Heizelement eine Fläche aufweist, die einer Fläche des Detektorelements gegenüberliegend angeordnet ist.Sensor after Claim 1 characterized in that the first conductive structure (4) is a heating element and that the second conductive structure (5) is a detector element, the heating element having a surface disposed opposite a surface of the detector element. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste leitfähige Struktur (4) über eine freitragende Struktur (7) mit dem ersten Substrat (1) verbunden ist und/oder dass die zweite leitfähige Struktur (5) über eine weitere freitragende Struktur (7') mit dem zweiten Substrat (2) verbunden ist, wobei vorzugsweise die erste leitfähige Struktur (4) und/oder die zweite leitfähige Struktur (5) selbst als freitragende Strukturen (7, 7') ausgeführt sind.Sensor according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the first conductive structure (4) is connected to the first substrate (1) via a cantilevered structure (7) and / or that the second conductive structure (5) is connected to the other via a further cantilevered structure (7 ') second substrate (2) is connected, wherein preferably the first conductive structure (4) and / or the second conductive structure (5) are themselves designed as cantilevered structures (7, 7 '). Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (1) und/oder das zweite Substrat (2) mindestens eine thermisch isolierende Schicht (8) aufweist, wobei vorzugsweise die erste leitfähige Struktur (4) und/oder die zweite leitfähige Struktur (5) auf der thermisch isolierenden Schicht (8) aufgebracht sind.Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the first substrate (1) and / or the second substrate (2) at least one thermally insulating layer (8), wherein preferably the first conductive structure (4) and / or the second conductive structure (5) are applied to the thermally insulating layer (8). Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch isolierende Schicht (8) des zweiten Substrats (2) einen Verbindungsbereich (9) aufweist, wobei der Verbindungsbereich (9) durch anodisches Bonden mit dem ersten Substrat (1) verbunden ist und wobei vorzugsweise die zweite leitfähige Struktur (5) elektrisch leitend mit dem ersten Substrat (1) verbunden ist.Sensor after Claim 4 characterized in that the thermally insulating layer (8) of the second substrate (2) has a connection region (9), the connection region (9) being connected to the first substrate (1) by anodic bonding, and preferably the second conductive structure (5) is electrically conductively connected to the first substrate (1). Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kontakte (10, 11) der ersten leitfähigen Struktur (4) und/oder der zweiten leitfähigen Struktur (5) durch das erste Substrat (1) hindurch zu einer Rückseite (12) des ersten Substrats (1) geführt sind.Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that contacts (10, 11) of the first conductive structure (4) and / or the second conductive structure (5) through the first substrate (1) to a back side (12) of the first Substrate (1) are guided. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (6) des Hohlraums (3) in dem ersten Substrat (1) und/oder in dem zweiten Substrat (2) und/oder in dem Verbindungsbereich (9) gebildet ist.Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the opening (6) of the cavity (3) in the first substrate (1) and / or in the second substrate (2) and / or in the connecting region (9) is formed. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Sensors, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst auf einem ersten Substrat (1) eine erste leitfähige Struktur (4) erzeugt wird und auf einem zweiten Substrat (2) eine zweite leitfähige Struktur (5) erzeugt wird, wobei danach das erste Substrat (1) und das zweite Substrat (2) zur Bildung eines Hohlraums (3) zusammengefügt werden, so dass sich die erste leitfähige Struktur (4) und die zweite leitfähige Struktur (5) in dem Hohlraum (3) befinden, wobei mindestens eine Öffnung (6) des Hohlraums (3) hergestellt wird, vorzugsweise vor und/oder während und/oder nach dem Zusammenfügen.Method for producing a thermoelectric sensor, characterized in that firstly a first conductive structure (4) is produced on a first substrate (1) and a second conductive structure (5) is produced on a second substrate (2), wherein thereafter the first Substrate (1) and the second substrate (2) are joined together to form a cavity (3), so that the first conductive structure (4) and the second conductive structure (5) are in the cavity (3), wherein at least one Opening (6) of the cavity (3) is produced, preferably before and / or during and / or after assembly. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine freitragende Struktur (7, 7') an dem ersten Substrat (1) und/oder an dem zweiten Substrat (2) erzeugt wird, vorzugsweise durch die Prozessschritte - Abscheiden einer Opferschicht, - Abscheiden einer Funktionsschicht, - Strukturieren der Funktionsschicht und - Ätzen der Opferschicht, wobei die erste leitfähige Struktur (4) und/oder die zweite leitfähige Struktur (5) auf der freitragenden Struktur (7, 7') aufgebracht wird, vorzugsweise durch Dotieren der Funktionsschicht vor dem Strukturieren oder durch Aufbringen einer Metallschicht, oder wobei die jeweilige freitragende Struktur (7, 7') selbst als erste oder zweite leitfähige Struktur (4, 5) ausgebildet wird. Method according to Claim 8 , characterized in that a cantilevered structure (7, 7 ') is produced on the first substrate (1) and / or on the second substrate (2), preferably by the process steps - depositing a sacrificial layer, - depositing a functional layer, - structuring the functional layer and - etching the sacrificial layer, wherein the first conductive structure (4) and / or the second conductive structure (5) on the cantilever structure (7, 7 ') is applied, preferably by doping the functional layer before structuring or by applying a metal layer, or wherein the respective self-supporting structure (7, 7 ') itself is formed as a first or second conductive structure (4, 5). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer thermisch isolierenden Schicht (8) des ersten Substrats (1) die erste leitfähige Struktur (4) und/oder auf einer thermisch isolierenden Schicht (8) des zweiten Substrats (2) die zweite leitfähige Struktur (5) erzeugt wird, vorzugsweise durch die Prozessschritte - Abscheiden einer Metallschicht und - Strukturieren der Metallschicht.Method according to one of Claims 8 or 9 , characterized in that on a thermally insulating layer (8) of the first substrate (1) the first conductive structure (4) and / or on a thermally insulating layer (8) of the second substrate (2) the second conductive structure (5) is produced, preferably by the process steps - depositing a metal layer and - structuring of the metal layer. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsbereich (9) der thermisch isolierenden Schicht (8) des zweiten Substrats (2) durch anodisches Bonden mit dem ersten Substrat (1) verbunden wird, wobei vorzugsweise die zweite leitfähige Struktur (5) elektrisch leitend mit dem ersten Substrat (1) verbunden wird.Method according to Claim 10 , characterized in that a connecting region (9) of the thermally insulating layer (8) of the second substrate (2) is connected to the first substrate (1) by anodic bonding, wherein preferably the second conductive structure (5) is electrically conductive with the first Substrate (1) is connected. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Rückseite (12) des ersten Substrats (1) Kontakte (10, 11) der ersten leitfähigen Struktur (4) und/oder der zweiten leitfähigen Struktur (5) durch Trenchprozesse hergestellt werden, wonach vorzugsweise die Rückseite (12) mit einem Rückseiten-Refill-Oxid (13) versehen wird und Bondpadmetallisierungen (14), vorzugsweise aus Aluminium mit den Kontakten (10, 11) verbunden werden.Method according to one of Claims 8 to 11 , Characterized in that from a rear side (12) of the first substrate (1) contacts (10, 11) of the first conductive structure (4) and / or the second conductive structure (5) are prepared by trench processes whereby preferably the rear side ( 12) is provided with a backside refining oxide (13) and bond pad metallizations (14), preferably of aluminum, are connected to the contacts (10, 11).
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