DE102011080138A1

DE102011080138A1 - Mikro-Gassensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011080138A1
Application number: DE201110080138
Authority: DE
Inventors: Hubert Baueregger; Oliver Freudenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2013017406A1

Abstract

Zur Darstellung eines Mikro-Gassensors wird ein erstes Substrat (1) vorgesehen, in welches Stege mit Durchgängen zur Darstellung eines Gitters (11) über einen vorgegebenen Oberflächenbereich eingearbeitet sind, sowie zumindest ein weiteres Substrat (usgebildet ist, und mindestens ein elektrischen Leiter (9) an jedem Gitter (11), welcher aus einer auf die Oberfläche der Stege aufgebrachten Metallschicht oder Metalllegierungs-Schicht besteht, zur Darstellung eines Messfühlers in einem Messgasstrom, wobei Substrate (1, 2) derart miteinander verbunden sind, dass die jeweiligen Gitter (11) in den jeweiligen Substraten (1, 2) mit gegenseitigem Abstand hintereinander zur Deckung kommen, so dass ein zur Substratoberfläche senkrecht ausgerichteter Messgasstrom die Gitter nacheinander passieren kann. Zur Herstellung eines Mikro-Gassensors (10) ist eine Abscheidung einer Metallschicht oder Metall-Legierungsschicht zumindest auf der Gitteroberfläche mit lithographisch basierter Strukturierung der Metallschicht bzw. Metall-Legierungsschicht zur Darstellung der elektrischen Leiter und der Pads (4, 5, 6, 7) vorgesehen, wobei eine Abscheidung einer Pad-Metallisierung auf den Pads (4, 5, 6, 7) erfolgt und eine Laminierung von mindestens zwei gleichartig ausgebildeten Substraten durchgeführt wird, wobei die Gitter (11) jeweils mit Abstand zur Deckung kommen. Anwendungsbeispiele für einen derartigen in einer Mikrogasströmung messenden Mikro-Gassensor sind Abgassensoren, die bei einer Auto Abgasmessung eingesetzt werden, Industriegase messende Sensoren oder Ähnliches.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikro-Gassensor zur Messung von beispielsweise einer Gaskonzentration. Dabei wird der zu messende Gasstrom durch einen oder mehrere in einer bestimmten Querschnittsfläche dargestellte elektrische Leiter geleitet, wobei mehrere in Gas-Strömungsrichtung hintereinander angeordnet Querschnittsflächen vorhanden sind.
Die in einem Messgasstrom hintereinander liegenden elektrischen Leiter weisen einen bekannten Abstand auf, und es wird beispielsweise ermittelt, in welchem Maß sich das durchströmende Gas vom vorderen bis zum hinteren bzw. vom vorderen bis zum hinteren elektrischen Leiter abgekühlt hat. Bei entsprechender Kalibrierung können weitere Messungen in Verbindung mit dem Massenstrom eines Gases durchgeführt werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung von Mikro-Gassensoren beschrieben.
Die Messung einer Gaskonzentration lässt sich beispielsweise für den Fall von Kohlendioxidgas exakt mit einem mikro-strukturierten Leitersystem ausführen. Dabei werden insbesondere Nachteile von Halbleitersensoren und elektronischen Sensoren ausgeschlossen.
Mit dem Messprinzip auf Basis der Wärmeverteilung wird beispielsweise eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit von Gasen und Dämpfen ausgenutzt.
Nachdem für die Gasdetektion unterschiedliche Messprinzipien anwendbar sind, ergeben sich zahlreiche Messverfahren. Bei resistiven, kapazitiven, potentiometrischen oder amperometrischen Messungen werden allgemein Messelemente in Form von elektrischen Leitern eingesetzt.
Für eine resistive Messung einer Gaskonzentration werden beispielsweise Nickelleiter herangezogen. Diese sind bei bestimmten Anwendungen entsprechend vergoldet. Die Nickelleiter sind dabei massiv ausgebildet. Ein Sensor, an dem derartige Nickelleiter zur Gasmessung eingesetzt werden, misst eine Gaskonzentration in einem Messgasstrom. Dazu wird dieser Messgasstrom durch eine Aussparung im Sensor geleitet und streicht an hintereinander liegenden und gegenseitig beabstandeten Nickelleitern vorbei. Messgröße ist dabei die Abkühlung des Messgasstromes vom vorderen bis zum hinteren Nickelleiter/Nickelleitersystem.
Ein Nachteil der massiven Nickelleiter besteht darin, dass eine mikromechanische Ausbildung sehr umständlich ist. Dies gilt besonders für den Fall, dass ein Nickelleiter mäanderförmig über die gesamte Querschnittsfläche einer Aussparung bzw. einem Messgaskanal, mit einer Kontaktierung am vorderen und hinteren Ende des Leiters, ausgeführt werden muss. Dies kann nur aufwändig hergestellt werden. Außerdem können andere Metalle nicht in solcher Anordnung dargestellt werden, womit fast ausschließlich Nickel eingesetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Herstellung von elektrischen Leitern zu beschreiben, welche für den Einsatz an einem Mikro-Gassensor, bei dem ein Messgasstrom zwei hintereinander liegende beabstandete Leiter passiert, geeignet sind.
Eine Lösung dieser Aufgabe ergibt sich jeweils durch die Merkmalskombination eines unabhängig formulierten Patentanspruchs.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nachteilige Eigenschaften von Nickelleitern bei einer Messung an einem Gasstrom mit einem Mikro-Gassensor ausgeräumt werden können sind, wenn der Mikro-Gassensor entsprechend einem der unabhängig formulierten Ansprüche entspricht.
Zur Darstellung eines oder mehrerer elektrischer Leiter, die vorzugsweise mäanderförmig ausgebildet sein können und die jeweils am vorderen und hinteren Ende ein Anschlusspad aufweisen, wird ein Substrat insgesamt, jedoch zumindest im Bereich der Stege, mit einem Metall-Film oder Metalllegierungs-Film versehen. Dieser kann direkt auf der Silizium-Oberfläche des Siliziumsubstrates aufgebracht sein. Vorzugsweise wird jedoch nach der Strukturierung der Restdicke einer Vertiefung ein thermischer Isolator auf der gesamten Siliziumoberfläche abgeschieden und erst im Anschluss daran die Schicht aus Metall oder einer Metalllegierung.
Es kann die Wärme-Dissipation der elektrischen Struktur eingestellt werden. Dadurch ergibt sich eine bestimmte Temperatur und es kann ein bestimmter elektrischer Widerstand für die Leiter ermittelt werden; außerdem erhält man eine bestimmte Temperaturdifferenz bzw. eine bestimmte Differenz der elektrischen Widerstände der hintereinander positionierten elektrischen Leiter.
Bei einem Mikro-Gassensor mit zwei im Abstand hintereinander angeordneten in einem Messgasstrom positionierten elektrischen Leitern kann gezielt ein bestimmter Wärmestrom oder eine bestimmte Temperatur, beispielsweise durch eine Infrarot-Messung, oder eine entsprechende Differenz an bestimmten Positionen gemessen werden.
Die Schicht eines thermischen Isolators kann beispielsweise aus einem Kunststoff wie Polyimid hergestellt sein.
Falls eine geringe elektrische Leitungsfähigkeit des Siliziumsubstrates bei einer Messung des Mikro-Gassensors ausgeschlossen werden soll, ist es vorteilhaft, wenn eine elektrisch isolierende Schicht zwischen Siliziumsubstrat und der Schicht aus Metall oder einer Metalllegierung vorhanden ist.
Vorteilhaft ist die Ausbildung von mindestens vier Pads entsprechend zweier Stromkreise zur Messung mit einem Mikro-Gassensor mit zwei beabstandeten elektrischen Leitersystemen/Leitern auf einer einzigen flächigen Seite eines Mikro-Gassensors. Dafür wird mit Methoden, die in der Fototechnik üblich sind, die Metallschicht strukturiert. Eine weitere Strukturierung ermöglicht eine galvanische Veredelung der Anschlusspads.
Eine Variante des Herstellungsprozesses sieht vor, dass nach der Realisierung einer Vertiefung im Substrat die elektrischen Leiter auf einer Seite des Substrates erzeugt werden. Erst hernach werden die Durchbrüche in den Vertiefungen entsprechend der Lage der elektrischen Leiter geschaffen.
Nach dem Prozessschritt der Leitererzeugung kann der elektrische Widerstand eines elektrischen Leiters gemessen und gegebenenfalls durch Laserverfahren getrimmt werden, indem ein Teil des Metalls abgetragen wird.
Ein Verfahrensschritt besteht aus der Aufbringung mindestens eines Substrats in Form einer klebenden Schicht, die derart strukturiert wird, dass Öffnungen über den elektrischen Leitern am Ort von Vertiefungen entstehen. Anschließend werden die Substrate in der Art miteinander verklebt, dass die Öffnungen bzw. die darin dargestellten Gitter alle zur Deckung kommen.
Eine als Abstandshalter zwischen zwei Substraten dienende Schicht kann in vorteilhafter Weise bestimmte elektrische, wärmeleitende oder wärmeisolierende Eigenschaften aufweisen oder auch als Klebstoffschicht ausgebildet sein. Da das erste und jedes weitere Substrat bei einem Mikro-Gassensor jeweils mit der Unterseite, dem Bereich der Stege, aneinander gefügt werden kann, ist in den meisten Fällen ein Abstandshalter notwendig, damit die jeweils mindestens einfach ausgebildeten elektrischen Leiter nicht aneinander liegen, sondern mit Abstand zueinander positioniert sind.
Das Verfahren zur Herstellung eines Mikro-Gassensors, das in weiten Bereichen lithographisch abläuft, bietet die Ausnutzung eines mechanisch stabilen Silizium-Halbleiters für die Ausbildung von Stegen, die ein Gitter mit einer begrenzten Fläche, entsprechend dem Querschnitt einer Vertiefung, darstellen. So kann ein zu messender Gasstrom mindestens zwei beabstandete, hintereinander liegende Gitter passieren. Die Stege übernehmen die mechanische Tragfähigkeit, die bisher auf Seiten der Nickeldrähte lag.
Auf die mechanisch stabilen Silizium-Stege wird eine Metallschicht direkt oder mittelbar aufgebracht. Diese Metallschicht kann in ihrem elektrischen Widerstand getrimmt werden, indem sie durch Lasertrimmen auf einen bestimmten Widerstand eingestellt wird. Die Metallschicht stellt einen elektrischen Leiter dar, der, getragen von den Silizium-Stegen, mäanderförmig ausgebildet ist. Die Mäanderfläche ist etwa so groß wie die Substratvertiefung im Querschnitt. Die am Ende und am Anfang eines Leiters ausgebildeten Pads befinden sich in vorteilhafter Weise alle auf derselben flächigen Seite des Mikro-Gassensors.
Im Folgenden wird anhand zweier Figuren, die schematisch und die Erfindung nicht einschränkend ausgeführt sind, ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
1 zeigt eine Sicht auf eine flächige Oberseite eines Mikro-Gassensors 10,
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht entsprechend 1 mit einem kleineren Bildausschnitt.
In 1 ist ein Mikro-Gassensor 10 dargestellt, bei dem jeweils ein Teil eines Siliziumwafers 1, 2 dargestellt ist. Jeder Wafer stellt ein Substrat dar. Der in 1 oben liegende partielle Silizium-Wafer 1 ist bis auf die Positionierung der Anschlusspads 4, 5, 6, 7 weitestgehend spiegelbildlich zu dem unten liegenden partiellen Silizium-Wafer 2 ausgebildet.
In den 1 und 2 ist jeweils ein einziger Mikro-Gassensor dargestellt. Auf einem Silizium-Wafer-Rohling können anfänglich eine Vielzahl von Vertiefungen eingebracht werden. Die Vertiefung 8, die in 2 vergrößert dargestellt ist und die nicht nur rechteckig, sondern ebenso rund oder anders ausgeformt sein kann, wird in einfacher Weise lithographisch und ätztechnisch in einen bzw. zwei Silizium-Wafer 1 und 2 eingebracht. Dabei bleibt eine Restdicke an Siliziummaterial stehen. Diese wird anschließend derart strukturiert, dass sich ein Gitter aus Stegen bildet, sodass eine Durchlässigkeit für ein Messgas vorhanden ist. Die auf dem Silizium-Wafer abgeschiedene Metall-Schicht oder Metalllegierungs-Schicht wird derart strukturiert, dass elektrische Leiter 9 mäanderförmig über die Querschnittsfläche eines Gitters geführt werden, wobei eine Kontaktierungsmöglichkeit jeweils am hinteren und vorderen Ende eines Leiters vorhanden ist. Optional können an einem Gitter mehrere Leiter parallel geführt werden.
Wesentlich ist, dass eine Trennung zwischen mechanischer Tragfähigkeit und elektrischer Leitung bzw. Wärmeleitung vorgenommen ist, so dass jede Eigenschaft für sich Bauteil bezogen einstellbar ist. In der Darstellung in den 1 und 2 besteht ein Mikro-Gassensor 10 zu wesentlichen Teilen aus Silizium, welches mechanisch tragfähig ist. Die durch ein beliebiges Abscheideverfahren aufgebrachte Metall-Schicht bzw. Metalllegierungs-Schicht, die auf jeden Fall zur Darstellung von elektrischen Leitern 9 mit entsprechender Strukturierung vorhanden ist und die im Wesentlichen zur Widerstandsmessung dient, hat von sich aus eine bestimmte mechanische Stabilität, die zusätzlich eingebracht wird.
Wesentliche Vorteile ergeben sich bei der Herstellung eines Mikro-Gassensors. Es können beispielsweise eine große Palette von Metallen oder Metall-Legierungen eingesetzt werden, da jede Metallstärke verwendbar ist, da die wesentliche mechanische Tragfähigkeit durch die Silizium-Stege gesichert ist und die Metallseite bezüglich der elektrischen Funktionen unabhängig einstellbar ist.
So befindet sich ein elektrischer Leiter im Bereich eines Stegs auf einer mechanisch stabilen Seele, dem Silizium-Steg, mit direkt oder indirekt aufgedampfter Metall-Schicht oder Metalllegierungs-Schicht. Das Metall muss den Silizium-Steg jedoch nicht vollständig umhüllen.
In 2 ist ein elektrischer Leiter 9 erkennbar, der mäanderförmig über die Querschnittsfläche der Vertiefung 8 geführt ist. Weiterhin ist in den 1 und 2 eine Abstandsschicht 3 eingetragen, welche entweder Funktionen, wie Abstandshaltung, elektrische Leitung, thermische Leitung oder Ähnliches mit einstellbaren Werten übernimmt oder die Funktionen sind auf mehrere Schichten, die in den Figuren nicht dargestellt sind, aufgeteilt.
Anwendungsbeispiele für einen derartigen in einer Mikrogasströmung messenden Mikro-Gassensor sind beispielsweise Abgassensoren, die bei einer Auto-Abgasmessung eingesetzt werden, Industriegase messende Sensoren oder Ähnliches.

Claims

Mikro-Gassensor, der folgendes umfasst: – ein erstes Substrat (1) in welches mindestens ein Steg mit Durchgängen zur Darstellung eines Gitters (11) über einen vorgegebenen Oberflächenbereich eingearbeitet ist, – zumindest ein weiteres Substrat (2), welches entsprechend dem ersten Substrat (1) ausgebildet ist, und – mindestens einen elektrischen Leiter (9) an jedem Gitter (11), welcher aus einer auf die Oberfläche von Stegen aufgebrachten Metallschicht oder Metalllegierungs-Schicht besteht, zur Darstellung jeweils eines Messfühlers an dem ein Messgasstrom passieren kann, wobei – mindestens zwei Substrate (1, 2), welche derart miteinander verbunden sind, dass die jeweiligen Gitter (11) in den jeweiligen Substraten (1, 2) mit gegenseitigem Abstand hintereinander zur Deckung kommen, so dass der zur Substratoberfläche senkrecht ausgerichtete Messgasstrom die Gitter nacheinander passieren kann.
Mikro-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter (11) in Restdicken von anfänglich in ein Substrat (1, 2) eingebrachten Vertiefungen dargestellt sind.
Mikro-Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Leiter an einem Gitter (11) mäanderförmig quer zum Messgasstrom ausgebildet ist.
Mikro-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem und zweiten Substrat (1, 2) ein Abstandshalter (3) positioniert ist.
Mikro-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandshalter (3) eine thermische und/oder elektrische Isolatorschicht aufgebracht ist.
Mikro-Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolatorschicht aus einem Polyimid besteht.
Mikro-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Substrat (1, 2) aus einem Halbleitermaterial besteht.
Mikro-Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Substrat (1, 2) aus Silizium besteht.
Mikro-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pads (4, 5) zur Kontaktierung des mindestens einen elektrischen Leiters (9) an der gleichen flächigen Seite des Mikro-Gassensors (10) vorhanden sind.
Mikro-Gassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Pads (4, 5, 6, 7) zur Kontaktierung des jeweils mindestens einen elektrischen Leiters (9) sowohl vom ersten, als auch vom zweiten Substrat (1, 2) an der gleichen flächigen Seite des Mikro-Gassensors (10) vorhanden sind.
Mikro-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Mikro-Gassensors (10) mit einem thermischen Isolator belegt ist und darauf eine Metallschicht oder Metalllegierungs-Schicht aufgebracht ist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikro-Gassensors (10) entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei – in ein erstes Substrat mindestens ein Steg mit Durchgängen zur Darstellung eines Gitters (11) im Substrat eingearbeitet wird, so dass ein Messgasstrom passieren kann, – eine Abscheidung einer Metallschicht oder Metall-Legierungsschicht zumindest auf der Gitteroberfläche stattfindet, – eine lithographisch basierte Strukturierung der Metallschicht bzw. Metall-Legierungsschicht zur Darstellung der elektrischen Leiter und der Pads (4, 5, 6, 7) geschieht, wobei eine Abscheidung einer Pad-Metallisierung auf den Pads (4, 5, 6, 7) erfolgt, – eine Laminierung von mindestens zwei gleichartig ausgebildeten Substraten durchgeführt wird, wobei die Gitter (11) jeweils mit Abstand zur Deckung kommen.
Verfahren zur Herstellung eines Mikro-Gassensors (10) entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei – in ein Substrat, insbesondere in einen Silizium-Wafer, mittels Ätzung Vertiefungen (8) eingebracht werden, welche eine Restdicke an Substrat aufweisen, – eine Strukturierung der Restdicke innerhalb der Vertiefungen (8) mittels einer Ätzung der Restdicke vorgenommen wird, sodass ein aus mindestens einem Steg bestehendes Gitter (11) mit Durchgängen für ein Messgas entsteht, – eine Abscheidung einer Metallschicht oder Metall-Legierungsschicht auf der Oberfläche des Silizium-Wafers stattfindet, – eine Strukturierung der Metallschicht bzw. Metall-Legierungsschicht stattfindet, – eine lithographisch basierte Darstellung der elektrischen Leiter und der Pads, insbesondere durch elektrochemische Abscheidung einer Pad-Metallisierung erfolgt, – eine Laminierung von mindestens zwei gleichartig ausgebildeten Substraten durchgeführt wird, wobei die Gitter (11) jeweils mit Abstand zur Deckung kommen.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Abscheidung eines Metalls oder einer Metalllegierung auf einer Schicht eines thermischen Isolators erfolgt, welcher vorher auf der gesamten Substrat-Oberfläche aufgebracht worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei ein Trimmen des elektrischen Widerstandes des mindestens einen elektrischen Leiters an einem Gitter in Form der Metallschicht oder Metalllegierungs-Schicht durch Materialabtrag unter Einsatz eines Lasers erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei an jedem der mindestens zwei Gitter (11) eines Sensors mindestens ein elektrischer Leiter mäanderförmig quer zum Messgasstrom ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei vor der Erzeugung des Gitters in einem Substrat die elektrischen Leiter auf einer Seite des Substrates hergestellt werden.