DE102008034033A1 - Carrier element for carrying e.g. metal oxide semiconductor gas sensor, utilized for detecting e.g. thermal conductivity, has receiving surface present on individual body parts that are connected thermal bridges - Google Patents

Carrier element for carrying e.g. metal oxide semiconductor gas sensor, utilized for detecting e.g. thermal conductivity, has receiving surface present on individual body parts that are connected thermal bridges Download PDF

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Abstract

The element has a ceramic base body (1) provided with sections attached perpendicular to the plane of a receiving surface, such that the receiving surface is present on individual body parts that are connected by thermal bridges. The receiving surface allows attachment of multiple layers. The sections of the base body are arranged in two directions perpendicular to each other. The sections of the base body run parallel to the plane of the receiving surface. The sections have different dimensions, so that the thermal bridges existing between the body parts have different thermal capacities. An independent claim is also included for a microelectronic component comprising a heater.

Description

Die Erfindung betrifft ein Trägerelement für mikrosystemtechnische Bauelemente und mikroelektronische Bauelemente mit einem derartigen Trägerelement.The The invention relates to a carrier element for microsystem technology Components and microelectronic components with such Carrying member.

Die Erfindung ist für mikrosystemtechnische Bauelemente zur Erfassung und Aussendung unterschiedlicher physikalischer Größen geeignet. Beispielsweise können thermische Strömungen, Gas- oder Flüssigkeitstemperaturen, Strahlungen, Wärmeleitfähigkeiten sowie zahlreiche weitere Größen erfasst werden. Die Bauteile können auch für dynamische Strahlungssender, beispielsweise im Impulsbetrieb, eingesetzt werden.The Invention is for microsystem components for Acquisition and transmission of different physical quantities suitable. For example, thermal flows, Gas or liquid temperatures, radiations, thermal conductivities as well as numerous other sizes are recorded. The components can also be used for dynamic radiation transmitters, for example, in the pulse mode, are used.

Um eine hohe Dynamik zu erreichen, müssen die Trägersysteme für derartige Bauelemente eine möglichst geringe Wärmekapazität aufweisen.Around To achieve high dynamics, the carrier systems must for such components the lowest possible Have heat capacity.

Im Stand der Technik sind mikrosystemtechnische Anordnungen für Trägersysteme bekannt, die aus Silizium oder Keramik bestehen.in the State of the art are microsystem engineering arrangements for Carrier systems are known which consist of silicon or ceramic.

Beispielsweise ist es nach DE 20 2007 014 477 U1 bekannt, Temperatursensoren auf dünnen Membranen anzuordnen.For example, it is after DE 20 2007 014 477 U1 known to arrange temperature sensors on thin membranes.

Weiterhin ist in DE 43 06 268 A1 eine Anordnung beschrieben, bei der freigesetzte Flächen an dünnen Bändchen befestigt sind.Furthermore, in DE 43 06 268 A1 described an arrangement in which released surfaces are attached to thin ribbon.

Diese Anordnungen sind für dynamische, mikrosystemtechnische Anwendungen nicht geeignet.These Arrangements are for dynamic, microsystem technology Applications not suitable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trägerelement für mikrosystemtechnische Bauelemente zu schaffen, welche eine hohe Dynamik ermöglichen und kostengünstig herstellbar sind.Of the Invention is based on the object, a carrier element to create microsystem components which enable high dynamics and cost-effective can be produced.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält.According to the invention the object is achieved with an arrangement which the claim 1 features specified.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments are specified in the subclaims.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden Sensorelemente oder Strahlung aussendende Bauelemente mit definierten Eigenschaften auf sehr kleinen definierten Flächen angeordnet, welche über eine definierte thermische Brücke mit mindestens einem weiteren Element verbunden sind und wobei alle Sensorelemente definierte Wärmekapazitäten aufweisen.at The inventive arrangement are sensor elements or radiation-emitting components with defined properties arranged on very small defined areas, which have a defined thermal bridge with at least one other Element are connected and where all sensor elements defined Have heat capacities.

Es ist auch möglich, dass die Sensorelemente durch Stromzufuhr elektrisch aufgeheizt werden.It It is also possible that the sensor elements by power supply be electrically heated.

Das Sensorelement besteht vorzugsweise aus einem Keramikkörper, auf dem mäanderförmige Widerstandsstrukturen aus Platin angebracht sind.The Sensor element is preferably made of a ceramic body, on the meandering resistance structures Platinum are attached.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hirzu zählen insbesondere:

  • – Die Anordnung kann mit einfachen, in der Mikrosystemtechnik übliche Herstellungsverfahren kostengünstig gefertigt werden.
  • – Die Anordnung gestattet es, Bauelemente herzustellen, die eine hohe Dynamik gewährleisten.
  • – Es können in einfacher Weise Segmente mit verschiedenen Wärmekapazitäten realisiert werden, so dass auch Anordnungen realisiert werden können, deren Messgenauigkeit im Verlaufe ihrer Lebensdauer überwacht werden kann.
  • – Die Aufnahmeflächen können mit unterschiedlichen Funktionselementen ausgerüstet werden, die sowohl als Sender als auch als Sensoren verwendet werden können.
  • – Es können Widerstandselemente mit definiertem Widerstandswerten auf einer sehr kleinen definierten Fläche angeordnet werden, die wiederum über eine definierte thermische Brücke mit einem zweiten und dritten Widerstandselement verbunden ist, wobei alle drei über definierte Wärmekapazitäten verfügen.
The invention is characterized by a number of advantages. Hirzu count in particular:
  • - The arrangement can be manufactured inexpensively with simple, customary in microsystem technology manufacturing process.
  • - The arrangement makes it possible to produce components that ensure high dynamics.
  • It can be realized in a simple manner segments with different heat capacities, so that arrangements can be realized, the accuracy of which can be monitored in the course of their life.
  • - The recording surfaces can be equipped with different functional elements that can be used both as transmitter and as sensors.
  • Resistance elements with defined resistance values can be arranged on a very small defined surface, which in turn is connected via a defined thermal bridge to a second and third resistance element, wherein all three have defined heat capacities.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.The Invention will be described below with reference to an embodiment explained in more detail.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:In show the accompanying drawings:

1a eine perspektivische Darstellung eines Grundkörpers mit zwei senkrecht zur Ebene der Aufnahmeflächen ausgeführten Schnitten, wobei ein Schnitt von oben ausgeführt wurde, 1a 3 is a perspective view of a basic body with two sections made perpendicular to the plane of the receiving surfaces, wherein a section was taken from above,

1b eine perspektivische Darstellung eines Grundkörpers mit zwei senkrecht zur Ebene der Aufnahmeflächen ausgeführten Schnitten, wobei ein Schnitt von unten ausgeführt wurde, 1b 3 is a perspective view of a basic body with two sections made perpendicular to the plane of the receiving surfaces, a section being taken from below,

1c eine perspektivische Darstellung eines Grundkörpers, bei dem ein Schnitt senkrecht zur Ebene der Aufnahmeflächen und ein Schnitt parallel zur Ebene der Aufnahmefläche ausgeführt wurde, 1c a perspective view of a base body in which a section was made perpendicular to the plane of the receiving surfaces and a section parallel to the plane of the receiving surface,

2 ein Längsschnitt durch den in 1 dargestellten Grundkörper und 2 a longitudinal section through the in 1 represented basic body and

3 die zu 4 gehörige Draufsicht. 3 the too 4 appropriate top view.

Der in 1 dargestellte Grundkörper 1 besteht aus einer Keramik aus Al2O3. Er ist mit zwei Schnitten in Segmente unterteilt. Die Schnittführung erfolgte so, dass Segmente unterschiedlicher Abmessungen entstehen. Im dargestellten Beispiel enthält der Grundkörper zehn Segmente. Damit können sensitive Elemente auf Flächen angeordnet werden, welche eine unterschiedliche Größe aufweisen und wobei die Segmente über unterschiedliche Wärmekapazitäten verfügen.The in 1 illustrated basic body 1 consists of a ceramic made of Al 2 O 3 . It is divided into segments with two cuts. The cut was made so that segments of different dimensions arise. In the example shown, the main body contains ten segments. This allows sensitive elements to be arranged on surfaces which have a different size and wherein the segments have different heat capacities.

Bei der in 1a gezeigten Ausführungsform wurden die Schnitte von oben, d. h. durch die Ebene der Aufnahmefläche verlaufend, ausgeführt.At the in 1a In the embodiment shown, the cuts were made from above, ie running through the plane of the receiving surface.

Bei der in 1b gezeigten Ausführungsform wurde einer der beiden Schnitte von unten ausgeführt.At the in 1b In the embodiment shown, one of the two cuts was made from below.

In 1c ist ein Grundkörper 1 dargestellt, bei dem ein Schnitt senkrecht zur Ebene der Aufnahmeflächen und ein zweiter Schnitt parallel zur Ebene der Aufnahmefläche ausgeführt wurde.In 1c is a basic body 1 shown in which a section perpendicular to the plane of the receiving surfaces and a second section was performed parallel to the plane of the receiving surface.

2 zeigt einen Längsschnitt durch den in 1 dargestellten Grundkörper 1, wobei auf den Aufnahmeflächen Schichten aufgetragen wurden. Diese Schichten bestehen hier aus einer mäanderförmigen Widerstandsschicht 2 aus Platin, einer Passivierungsschicht 3 und einer Deckschicht 4. 2 shows a longitudinal section through the in 1 illustrated basic body 1 , wherein on the receiving surfaces layers were applied. These layers consist here of a meander-shaped resistance layer 2 made of platinum, a passivation layer 3 and a cover layer 4 ,

In 3 ist die zu 4 gehörige Draufsicht dargestellt. Auf den zehn Segmenten sind Funktionselemente S1 bis S10 angeordnet. Die Funktionselemente sind über Anschlussleitungen mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden. Im dargestellten Beispiel sind die Anschlussleitungen 5.11 uns 5.12 für das Funktionselement S1 ge zeigt. Die übrigen Funktionselemente können in gleicher Weise mit einer Auswerteeinheit verbunden werden.In 3 is that too 4 associated with the top view. Functional elements S1 to S10 are arranged on the ten segments. The functional elements are connected via connecting lines with an evaluation unit, not shown. In the example shown, the connection cables 5.11 us 5.12 for the functional element S1 ge shows. The remaining functional elements can be connected in the same way with an evaluation unit.

Die Funktionselemente können je nach Anwendungsfall für unterschiedliche Aufgaben ausgerüstet sein.The Functional elements can, depending on the application for be equipped with different tasks.

Im Folgenden werden vier Beispiele für die Anwendung an Sensoren erläutert:in the Following are four examples of the application to sensors explains:

1. Strömungssensor1. flow sensor

In diesem Anwendungsfall werden drei Funktionselemente verwendet, die auf Segmenten unterschiedlicher Abmessungen angebracht sind. Dabei ist ein Funktionselement als Heizer ausgebildet, ein zweites Funktionselement misst den Energiefluss richtungdabhängig und das dritte Funktionselement ist ein Sensor, mit dem die Umgebungstemperatur erfasst wird.In In this application, three functional elements are used, the are mounted on segments of different dimensions. there is a functional element designed as a heater, a second functional element measures the energy flow direction-dependent and the third Functional element is a sensor with which the ambient temperature is detected.

2. Strahlungsempfänger2. Radiation receiver

Hier befinden sich auf den Auflageflächen der Trägerelemente Widerstandsschichten 2, die mit Passivierungsschichten 3 geschützt werden. Auf den Passivierungsschichten 3 sind Deckschichten 4 aufgebracht, welche Strahlungsenergie detektieren können. Die Deckschichten weisen verschiedenen Strahlungsempfindlichkeiten ε auf. Mit einem ersten Funktionselement, welches die Strahlungsempfindlichkeiten ε1 aufweist, kann vorwiegend Infrarotlicht erfasst werden, während ein zweites Funktionselement mit einer Deckschicht versehen ist, welche eine von ε1 verschiedene Strahlungsempfindlichkeit aufweist und vorwiegend UV-Strahlungen misst.Here are located on the bearing surfaces of the support elements resistance layers 2 that with passivation layers 3 to be protected. On the passivation layers 3 are topcoats 4 applied, which can detect radiation energy. The cover layers have different radiation sensitivities ε. With a first functional element, which has the radiation sensitivities ε 1 , predominantly infrared light can be detected, while a second functional element is provided with a cover layer which has a radiation sensitivity different from ε 1 and predominantly measures UV radiations.

Ferner ist es möglich, mit dieser Anordnung unterschiedliche Strahlungen zu emittieren, so dass die Anordnung als dynamischer Energiestrahler genutzt werden kann.Further it is possible with this arrangement different radiations to emit, so that the arrangement as a dynamic energy radiator can be used.

3. Wärmeleitfähigkeitsdetektor3. Thermal conductivity detector

Wird der Sensor in einem strömungsgeschützten Gehäuse angeordnet, kann er als Wärmeleitfähigkeitssensor verwendet werden. Hierzu kann eine Anordnung mit drei Funktionselementen verwendet werden, indem ein Element S1 als Heizer/Messwiderstand und ein weiteres Element S2 ebenfalls als Heizer/Messwiderstand ausgebildet ist, aber mit einer anderen Übertemperatur betrieben wird.Becomes the sensor in a flow-protected housing arranged, it can be used as a thermal conductivity sensor be used. For this purpose, an arrangement with three functional elements be used by an element S1 as a heater / measuring resistor and another element S2 also as a heater / measuring resistor is formed, but with a different overtemperature is operated.

Damit können auch tertiäre Gasgemische detektiert werden, da die Wärmeleitfähigkeit temperaturabhängig ist, oder bei Gas/Luftgemischen insbesondere H2 in Luft oberhalb 150°C die so genannte Wärmetönung einsetzt und sich die Warmluftleitfähigkeit mit diesem Signal überlagert.This also tertiary gas mixtures can be detected because the thermal conductivity is temperature-dependent, or in gas / air mixtures in particular H 2 in air above 150 ° C, the so-called heat of reaction and superimposed on the hot air conductivity with this signal.

4. Gassensor4. Gas sensor

Mit einer Anordnung, bei der ein Halbleitergassensor auf eine bestimmte Temperatur über Umgebungstemperatur aufgeheizt wird, wobei die Temperatur mit einem temperaturempfindlichem Heizer erfasst wird, und gleichzeitig Signale des Halbleitergassensor und Signale eines Wärmeleitfähigkeitssensor erfasst werden, können hochgenau und stabil Wasserstoffgemische detektiert werden. Wird eine Anordnung verwendet, welch die hier beschriebene Trägerstruktur verwendet, kann die Anordnung auf einem einzigen Chip realisiert werden, wobei anstelle eines Widerstandselements eine Interdigitalstruktur für einen MOS-Gassensor realisiert wird.With an arrangement in which a semiconductor gas sensor to a specific Temperature is heated above ambient temperature, wherein the temperature is detected with a temperature-sensitive heater is, and at the same time signals of the semiconductor gas sensor and signals a thermal conductivity sensor are detected can detect high-precision and stable hydrogen mixtures become. If an arrangement is used, which is the support structure described here used, the arrangement can be realized on a single chip be replaced, wherein instead of a resistive element an interdigital structure for a MOS gas sensor is realized.

11
Grundkörperbody
22
Widerstandsschichtresistance layer
33
Passivierungsschichtpassivation
44
Deckschichttopcoat
55
Anschlussleitungconnecting cable
S1 ... S10S1 ... S10
Einzelsensorenindividual sensors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 202007014477 U1 [0005] - DE 202007014477 U1 [0005]
  • - DE 4306268 A1 [0006] - DE 4306268 A1 [0006]

Claims (8)

Trägerelement für mikrosystemtechnische Bauelemente, insbesondere für Sensoren, mit einem keramischen Grundkörper (1) und mindestens einer zum Anbringen einer oder mehrerer Schichten geeigneten Aufnahmefläche (1.1 ... 1.10), dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) mit senkrecht zur Ebene der Aufnahmeflächen angebrachten Einschnitten versehen ist, so dass sich die Aufnahmefläche (1.1 ... 1.10) auf einzelnen Teilkörpern befinden, welche über Wärmebrücken miteinander verbunden sind.Carrier element for microsystem components, in particular for sensors, with a ceramic base body ( 1 ) and at least one receiving surface suitable for attaching one or more layers ( 1.1 ... 1.10 ), characterized in that the basic body ( 1 ) is provided with perpendicular to the plane of the receiving surfaces mounted incisions, so that the receiving surface ( 1.1 ... 1.10 ) are located on individual partial bodies, which are connected to each other via thermal bridges. Trägerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnitte in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen angeordnet sind.Carrier element according to claim 1, characterized in that that the incisions in two perpendicular directions are arranged. Trägerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) Einschnitte aufweist, die sowohl senkrecht als auch parallel zur Ebene der Aufnahmeflächen (1.1 ... 1.10) verlaufen.Carrier element according to claim 1, characterized in that the basic body ( 1 ) Has incisions which are both perpendicular and parallel to the plane of the receiving surfaces ( 1.1 ... 1.10 ). Trägerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnitte unterschiedliche Abstände aufweisen, so dass die zwischen den Teilkörpern bestehenden Wärmebrücken unterschiedliche Wärmekapazitäten aufweisen.Carrier element according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the incisions different Have distances, so that between the part bodies existing thermal bridges different heat capacities exhibit. Mikroelektronisches Bauelement mit einem Trägerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Aufnahmeflächen (1.1 ... 1.10) Widerstandsschichten und/oder Passivierungs- und/oder Deckschichten aufgebracht sind.Microelectronic component with a carrier element according to one of the preceding claims, characterized in that on the receiving surfaces ( 1.1 ... 1.10 ) Resistive layers and / or passivation and / or cover layers are applied. Mikroelektronisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Aufnahmeflächen (1.1 ... 1.10) eine Platinwiderstandsschicht angeordnet ist, oberhalb derer sich eine Passivierungsschicht befindet und darüber eine Deckschicht mit definierter spektraler Empfindlichkeit angebracht ist.Microelectronic component according to claim 5, characterized in that on the receiving surfaces ( 1.1 ... 1.10 ) a platinum resistance layer is disposed, above which a passivation layer is located and above a cover layer with a defined spectral sensitivity is attached. Mikroelektronisches Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Aufnahmeflächen unterschiedliche Anordnungen für Detektions- und/oder Sendefunktionen angeordnet sind.Microelectronic component according to claim 5 or 6, characterized in that on the receiving surfaces different arrangements for detection and / or transmission functions are arranged. Mikroelektronisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Aufnahmefläche (1.1) ein Heizer, auf einer weiteren Aufnahmefläche (1.2) ein Strahlungsmesser und auf einer dritten Aufnahmefläche (1.3) ein Temperatursensor angeordnet sind.Microelectronic component according to claim 7, characterized in that on a receiving surface ( 1.1 ) a heater, on another receiving surface ( 1.2 ) a radiation meter and on a third receiving surface ( 1.3 ) a temperature sensor are arranged.
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