DE102009026439A1

DE102009026439A1 - Sensorelement und Verfahren zur Herstellung eines solchen

Info

Publication number: DE102009026439A1
Application number: DE102009026439A
Authority: DE
Inventors: Thomas BÜRGLER; Florian Krogmann; Christian Hepp
Original assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Current assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2010136351A2; EP2435797A2; WO2010136351A3

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Messung der Temperatur und/oder der Feuchte und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Gaskonzentration, welches mindestens eine aktive Schicht aufweist, die auf einem Substrat aufgebracht wird, beschrieben, wobei das Substrat mit Durchkontaktierungen versehen wird, auf einer der Substratseiten Anschlusskontakte aufgebracht werden, und auf der den Anschlusskontakten abgewandten Seite des Substrats die mindestens eine aktive Schicht aufgebracht wird. Zudem wird ein nach diesem Verfahren hergestelltes Sensorelement beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Sensorelement. Bei dem Sensorelement kann es sich um einen Sensor zur Bestimmung der Temperatur und/oder der Feuchte und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Gaskonzentration handeln.
Zur Bestimmung der Temperatur, Feuchte, Strömungsgeschwindigkeit oder Gaskonzentration eines Mediums kommen häufig Sensorelemente zum Einsatz, welche in Dünn- oder Dickfilmtechnik auf ein Substrat aufgebrachte Beschichtungen aufweisen.
Zur Kontaktierung der Schichten werden Kontaktierungsflächen auf der Substratoberfläche aufgebracht. Nach dem Einbau des Substrats in eine Leiterplatte werden die Kontaktierungsflächen in einem der üblichen Verfahren durch Drähte mit den Leiterbahnen der Leiterplatten verbunden. Drähte stellen in manchen Anwendungsbereichen unerwünschte Widerstände dar und können zudem abreißen.
Eine alternative Kontaktierungsmöglichkeit ist, das Substrat so auf die Leiterplatte zu montieren, dass seine aktive Fläche der Leiterplatte zugewandt ist, sodass die Kontaktierungsflächen auf zuvor auf der Leiterplatte aufgebrachte Lötstellen zu liegen kommen. Hierzu ist es allerdings erforderlich, entsprechende Aussparungen für die auf das Substrat aufgebrachte aktive Schicht des Sensorelements in der Leiterplatte anzubringen.
Eine weitere Kontaktierungsmethode besteht darin, zwei gegenüberliegende Substratseiten mit einer Lotschicht zu beschichten, sodass die Kontaktierungsfläche von der Substratoberfläche zur Substratunterseite hin weitergeführt wird und mit entsprechenden Lötstellen auf der Leiterplatte in Kontakt gebracht wird. Bei dieser Methode besteht der Nachteil darin, dass sie nicht uneingeschränkt anwendbar ist. Beispielsweise ist bei Sensoren, bei welchen die auf dem Substrat aufgebrachte aktive Schicht aus einem hitzeempfindlichen Material besteht, das Aufbringen einer solchen Lotschicht nicht möglich, da die hierzu erforderliche Hitze die aktive Schicht zerstören würde. Da die beiden Substratseiten komplett beschichtet werden ist es zudem nur möglich, höchstens zwei Kontaktierungsflächen auf diese Weise zur Substratunterseite hin weiter zu führen. Daher ist es nicht möglich, Sensorelemente, welche mehr als zwei Kontaktierungsflächen benötigen, auf diese Weise zu kontaktieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Sensorelement bereit zu stellen, mit welchem es möglich ist, ein Sensorelement mit einer beliebigen Anzahl an Kontaktierungen in einer zeitsparenden und einfachen Art und Weise herzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, wobei ein Substrat mit Durchkontaktierungen versehen wird, wobei auf einer Seite des Substrats Anschlusskontakte aufgebracht werden, und wobei auf der den Anschlusskontakten abgewandten Seite des Substrats mindestens eine aktive Schicht aufgebracht wird. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein nach diesem Verfahren hergestelltes Sensorelement.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Substrat mit Durchkontaktierungen versehen. Hierzu werden Bohrungen, beispielsweise durch punktförmiges Bestrahlen mit einem Laser, in das Substrat eingebracht. Die Bohrungen werden in einem Dickschichtverfahren mit einer Paste versehen, welche bevorzugt aus AgPd besteht. Es versteht sich von selbst, dass auch andere metallische Materialien hierfür zum Einsatz kommen können. Unter einer Durchkontaktierung ist also eine metallisierte Bohrung zu verstehen.
Die Durchkontaktierungen können beispielsweise zylinderförmig ausgestaltet sein und liegen bei rechteckiger Substratgrundfläche bevorzugt in den Eckbereichen des Substrats. Auf diese Weise steht der Mittelbereich des Substrats für die Beschichtung mit der für den jeweiligen Anwendungsbereich des Sensorelements sensitiven, aktiven Schicht zur Verfügung.
Unter der aktiven Schicht ist eine Schicht zu verstehen, welche an der Bestimmung der zu bestimmenden Messgröße teilnimmt. Im Falle eines Temperatursensors kann dies beispielsweise ein Platinmäander sein, der in einer Dünnschichttechnik aufgetragen wurde.
Das Einbringen der Durchkontaktierungen im Substrat geschieht vor dessen Beschichtung mit der aktiven Schicht. Auf diese Weise kann eine Beschädigung oder Zerstörung der aktiven Schicht vermieden werden.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auf einer Seite des mit den Durchkontaktierungen versehenen Substrats Anschlusskontakte aufgebracht. Die Seite des Substrats, welch die Anschlusskontakte trägt, wird im Folgenden als Rückseite des Substrats bezeichnet. Bei den Anschlusskontakten handelt es sich um ein oder mehrere metallische Materialien, welche in einer Dünn- oder Dickschichttechnik oder in einem Siebdruckverfahren auf das Substrat aufgetragen werden. Das Aufbringen der Anschlusskontakte kann vor oder nach dem Aufbringen der aktiven Schicht/en, sowie zwischen zwei Verfahrensschritten erfolgen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird/werden auf der Seite des Substrats, welche den Anschlusskontakten gegenüberliegt, die aktive Schicht/die aktiven Schichten aufgetragen. Diese die aktive Schicht/aktiven Schichten tragende Seite des Substrats wird im Folgenden als Vorderseite des Substrats bezeichnet. Das Aufbringen der aktiven Schichtaktiven Schichten geschieht in Dünn- oder Dickschichttechnik, wobei die Schichten auch nacheinander bei dazwischen liegenden Aushärtephasen aufgebracht werden können. Das Aufbringen von Schichten wie Passivierungen oder Zwischenschichten kann auch durch ein Siebdruckverfahren und/oder Sinterprozesse erfolgen.
Das im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensorelement kann durch die günstige Anordnung der Anschlusskontakte auf der Rückseite des Substrats in einem Pick-and-Place-Verfahren weiterverarbeitet werden. Dieses Verfahren, bei dem Bauteile automatisiert aufgenommen und auf einer Leiterplatte platziert werden, ist besonders Platz und Zeit sparend.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Substrat, welches als Träger der aktiven Schichten des Sensorelements dient, Durchkontaktierungen aufweist. Die Durchkontaktierungen umfassen metallisierte Bohrungen, welche durchgängig von einer Substratseite zur gegenüberliegenden Substratseite reichen. In dieser Ausgestaltung weisen die Durchkontaktierungen keine zusätzliche Beschichtung im Innenbereich auf, es sind jedoch Anwendungen denkbar, bei denen eine zusätzliche Beschichtung, beispielsweise aus einem lötbaren, schweißbaren oder bondbaren Material, aufgebracht wird.
Auf einer Seite des Substrats, der Rückseite, sind an den Endpunkten der Durchkontaktierungen Anschlusskontakte angebracht.
Die aktive Schicht/aktiven Schichten, die auf der Vorderseite des Substrats aufgebracht ist/sind, wird/werden von der Rückseite des Substrats her über die Durchkontaktierungen und die Anschlusskontakte kontaktiert.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein starkes Erhitzen, welches beispielsweise beim Aufbringen einer leitfähigen Schicht an den Seitenbereichen des Substrats, um die Kontakte von der Substratvorderseite zur Substratrückseite hin zu führen nötig wäre, nicht erforderlich ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass Schichten aus hitzeempfindlichen Materialien, wie beispielsweise Polymere, nicht durch das Aufbringen der Kontaktierungen zerstört werden.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist das leitfähige Material der Anschlusskontakte in einer Schicht oder in mehreren Schichten auf dem Substrat aufgebracht.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Anschlusskontakte lötbar und/oder schweißbar und/oder bondbar.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Substrat zu einem Anteil zwischen 96% und 99,6% aus Al₂O₃ besteht. Al₂O₃ eignet sich wegen einer Vielzahl vorteilhafter Eigenschaften wie hoher thermischer und chemischer Beständigkeit. Zudem weist es keine Halbleitereigenschaften auf und ist kostengünstig erhältlich.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Substrat im Wesentlichen aus ZrO₂ besteht. Da ZrO₂ eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist, wird durch ein ZrO₂-Substrat eine thermische Entkopplung von auf dem Substrat aufgebrachten Elementen wie beispielsweise einem Heizer und einem Temperatursensor gewährleistet.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Substrat aus Silizium oder einem Glas besteht. Glas eignet sich besonders wegen seiner hohen chemischen Beständigkeit und geringen thermischen Leitfähigkeit als Substrat. Zudem weist es keine Halbleitereigenschaften auf und ermöglicht wegen seiner geringen Oberflächenrauheit auch das Aufbringen von Strukturen geringer Größe. Da es zudem in vielen Varianten und kostengünstig erhältlich ist, trägt dessen Verwendung zu einem kostengünstigen Sensorelement bei. Silizium bringt den Vorteil mit sich, dass neben aktiven Schichten auch elektronische Bauteile auf das Substrat aufgebracht werden können.
Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements beinhaltet, dass es sich bei dem Sensorelement um einen Feuchtesensor zur Messung der relativen Feuchte handelt. Bevorzugt handelt es sich dabei um einen kapazitiven Feuchtesensor, der eine feuchtesensitive Schicht aufweist. Bevorzugt handelt es sich bei der feuchtesensitiven Schicht um ein Polymer als Dielektrikum.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement um einen Gas- oder Strömungssensor, dem ein thermisches Prinzip zu Grunde liegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist dieser Gas- oder Strömungssensor mindestens eine mäanderförmige Platinstruktur auf, wobei mindestens eine der Platinstrukturen als Heizelement ausgestaltet ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Sensorelement um einen Temperatursensor, welcher bevorzugt eine mäanderförmige Platinstruktur aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Sensorelement eine Kombination von mindestens zwei Sensortypen umfasst, beispielsweise Temperatur- und Feuchtesensor oder Gas- und Strömungssensor oder Temperatur- und Strömungssensor. Hierbei sind Ausgestaltungen denkbar, in denen die mindestens zwei Sensortypen nebeneinander auf der Vorderseite des Substrats angeordnet sind oder dass mindestens zwei Sensortypen übereinander in einer Art Sandwichkonstruktion angeordnet sind.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass es sich bei dem Material der Durchkontaktierungen um AgPd handelt. AgPd zeichnet sich durch eine gute Beständigkeit gegenüber der hohen Prozesstemperaturen aus und ist zudem kostengünstig erhältlich. Es versteht sich von selbst, dass auch andere metallische Materialien an Stelle von AgPd das Material der Durchkontaktierungen bilden können.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen kombinierten Temperatur- und Feuchtesensor, wobei die aktiven Schichten von Temperatursensor und Feuchtesensor übereinander in einer Sandwichkonstruktion angeordnet sind,
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Strömungssensor,
3 zeigt die Rückseite eines erfindungsgemäßen Sensorelements in Draufsicht.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements. Gezeigt sind ein Temperatursensor 20 und ein Feuchtesensor 30 in einer Sandwichkonstruktion. Auf der Vorderseite 11 des Substrats 1 ist eine mäanderförmige Widerstandstruktur 2 aus Platin zur Messung der Temperatur in einer Dünnfilmtechnik aufgebracht. Neben Platin sind auch andere temperaturabhängige metallische Widerstände denkbar.
Die Luftfeuchte wird mit dem kapazitiven Sensor 30 bestimmt. Der kapazitive Sensor 30 enthält eine Grundelektrode 4, eine feuchtedurchlässige Deckelektrode 6 und eine feuchtesensitive Schicht 5. Bei der feuchtesensitiven Schicht handelt es sich in diesem Beispiel um ein Polymer, welches das Dielektrikum des kapazitiven Feuchtesensors (30) darstellt, und dessen Dielektrizitätskonstante feuchteabhängig ist, sodass das vom Feuchtesensor 30 gelieferte elektrische Signal von der Umgebungsfeuchte abhängt. Um eine mögliche Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten korrigieren zu können, ist der Temperatursensor 20 in unmittelbarer Nähe des Feuchtesensors 30 angeordnet. In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel sind Temperatursensor 20 und Feuchtesensor 30 in einer Sandwichkonstruktion übereinander angeordnet. Diese Anordnung spart Platz gegenüber einer Anordnung von Temperatursensor 20 und Feuchtesensor 30 nebeneinander auf dem Substrat 1.
Zwischen der Widerstandstruktur 2 des Temperatursensors 20 und der Grundelektrode 4 des Feuchtesensors 30 ist eine Passivierung in Form einer Zwischenschicht 3 zur elektrischen Isolierung aufgebracht.
Zur Kontaktierung der beiden Elektroden 4 und 6 des Feuchtesensors 30 und der Widerstandstruktur 2 des Temperatursensors 20 sind vier Kontaktierungen erforderlich. Hierzu befinden sich in den vier Eckbereichen des rechteckigen Substrats 1 die jeweiligen Anschlussbereiche der beiden Elektroden 4 und 6, sowie der Widerstandstruktur 2. Über vier Durchkontaktierungen 71 im Substrat 1 werden diese Anschlussbereiche zur Rückseite 12 des Substrats 1 geführt. Die Rückseite 12 des Substrats 1 mit den dortigen Anschlusskontakten 72 ist in den Erläuterungen zu 3 beschrieben.
In 2 ist ein erfindungsgemäßer Strömungssensor 40 gezeigt.
Um die Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums zu bestimmen wird hier ein Heißfilmanemometer verwendet. Dieses enthält ein Heizelement, welches durch das vorbei fließende Medium abgekühlt wird, sodass die Heizleistung, die zum Erhalt einer durch einen Temperatursensor bestimmten Temperatur nötig ist, ein direktes Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Das Heizelement ist in dem hier dargestellten Strömungssensor 40, wie auch der Temperatursensor, in Form einer Platinstruktur 2' ausgebildet. Zur elektrischen Isolierung vom Substrat 1 ist zwischen dem Substrat 1 und der Platinstruktur 2' eine Glasschicht 8 aufgebracht. Um den Einsatz des Strömungssensors 40 in einer Flüssigkeit zu ermöglichen, ist die Platinstruktur 2' von einer Passivierung in Form einer feuchteundurchlässigen Deckschicht 9 umgeben. Die Kontaktierung der Platinstruktur 2' erfolgt über die Durchkontaktierungen 71.
3 zeigt die der aktiven Schicht/den aktiven Schichten abgewandte Rückseite 12 eines erfindungsgemäßen Sensorelements. Die vier Durchkontaktierungen sind mit vier Anschlusskontakten 72 bedeckt. Bei den Anschlusskontakten 72 handelt es sich um eine Schicht oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material. Zudem ist das Material der Anschlusskontakte 72 lötbar, sodass die Anschlusskontakte 72 beispielsweise in einem Reflow-Verfahren mit entsprechenden Kontakten auf einer Leiterplatte verbindbar sind. Die Anschlusskontakte können auch aus einem schweißbaren Material oder einem bondbaren Material bestehen, sodass die Anschlusskontakte 72 durch Schweißen oder Bonden mit den Kontakten auf der Leiterplatte verbindbar sind. Die Anschlusskontakte 72 werden bevorzugt aus Nickel, Chrom, Aluminium, Gold, Palladium, Titan, Wolfram oder Verbindungen aus zwei oder mehr dieser Materialien gebildet. Die Durchkontaktierungen bestehen aus einem metallischen Material, insbesondere hat sich eine Silber-Palladium-Verbindung als vorteilhaft erwiesen.

1: Substrat
2: Widerstandstruktur
2': Platinstruktur
3: Zwischenschicht
4: Grundelektrode des Feuchtesensors
5: Feuchtesensitive Schicht
6: Deckelektrode des Feuchtesensors
71: Durchkontaktierung
72: Anschlusskontakte
8: Glasschicht
9: Deckschicht
10: Sensorelement
11: Vorderseite des Substrats
12: Rückseite des Substrats
20: Temperatursensor
30: Feuchtesensor
40: Strömungssensor

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) zur Messung der Temperatur und/oder der Feuchte und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Gaskonzentration, welches mindestens eine aktive Schicht aufweist, die auf einem Substrat (1) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) mit Durchkontaktierungen (71) versehen wird, dass auf einer der Seiten des Substrats Anschlusskontakte (72) aufgebracht werden, und dass auf der von den Anschlusskontakten (72) abgewandten Seite des Substrats (1) die mindestens eine aktive Schicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusskontakte (72) eines oder mehrere Materialien umfassen, welche in einem Dünnschicht- oder Dickschichtverfahren in einer oder mehreren Lagen auf das Substrat (1) aufgebracht werden.
Sensorelement (10) zur Messung der Temperatur und/oder der Feuchte und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Gaskonzentration, welches mindestens eine aktive Schicht aufweist, die auf einer Seite eines Substrats (1) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) Durchkontaktierungen (71) aufweist, und dass auf der von der mindestens einen aktiven Schicht abgewandten Seite des Substrats (1) Anschlusskontakte (72) aufgebracht sind.
Sensorelement (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusskontakte (72) lötbar und/oder schweißbar und/oder bondbar sind und aus einer oder mehreren leitfähigen Schicht/Schichten bestehen.
Sensorelement (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) zu einem Anteil zwischen 96% und 99,6% aus Al₂O₃ besteht.
Sensorelement (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) im Wesentlichen aus ZrO₂ besteht.
Sensorelement (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) aus Silizium oder einem Glas besteht.
Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen Feuchtesensor (30) zur Messung der relativen Feuchte handelt.
Sensorelement (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen kapazitiven Feuchtesensor (30) handelt, der eine feuchtesensitive Schicht (5) aufweist.
Sensorelement (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen kapazitiven Feuchtesensor (30) mit einer feuchtesensitiven Schicht (5), welche insbesondere aus einem Polymer besteht, und welche als Dielektrikum fungiert, handelt.
Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen Gas- und/oder Strömungssensor (40) handelt, dem ein thermisches Prinzip zu Grunde liegt.
Sensorelement (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen Gas- und/oder Strömungssensor (40) handelt, welcher mindestens zwei mäanderförmige Platinstrukturen (2') umfasst, wobei es sich bei mindestens einer der Platinstrukturen (2') um ein Heizelement handelt.
Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um einen Temperatursensor (20) mit einer mäanderförmigen Widerstandstruktur (2) aus Platin handelt.
Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüche 3–13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) eine Kombination von mindestens zwei Sensoren aus der Gruppe, gebildet aus Feuchtesensor (30), Temperatursensor (20), Strömungssensor (40) und Gassensor, ist, wobei die mindestens zwei Sensoren nebeneinander oder in einer Sandwichkonstruktion auf dem Substrat (1) angeordnet sind.
Sensorelement (10) nach mindestens einem der Ansprüche 3–14, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Durchkontaktierungen (71) AgPd ist.