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Die Erfindung betrifft einen chemischen Gassensor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines chemischen Gassensors.
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Stand der Technik
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Viele Gassensoren, zum Beispiel auf halbleitendem Metalloxidsensormaterial beruhende Leitfähigkeitssensoren benötigen zum Betrieb erhöhte Temperaturen, die typischerweise zwischen ca. 250°C und ca. 400°C liegen. Um einen elektrischen Leistungsbedarf derartiger Gassensoren zu minimieren, gibt es seit einigen Jahren den Ansatz einer Miniaturisierung der beheizten Fläche bzw. des beheizten Volumens und gleichzeitig einer möglichst guten thermischen Isolation des geheizten Bereiches von der Umgebung durch eine dünne Membran, die den Heizer und das Sensormaterial trägt.
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Bekannt ist in diesem Zusammenhang beispielsweise, den Gassensor als ein so genanntes „hotplate“ zu realisieren, welches als eine dünne, geheizte Membran mit einem umlaufenden Rahmen aus Silizium ausgebildet ist. Der Rahmen bildet gleichzeitig einen Abstandshalter zu einer Unterlage, die z.B. aus einem Metallsockel besteht. Der Bereich unterhalb der Membran kann nicht als geschlossene Kavität ausgeführt werden, auch wenn dies für Zwecke der Aufbau- und Verbindungstechnik des genannten Gassensors vorteilhaft wäre, da durch eine Temperaturänderung bei der Beheizung eine eingeschlossene Luft unter Druck gerät und dadurch die Membran verformen oder zerstören würde. Da die Membran freischwebend ausgebildet ist, ist ihre mechanische Stabilität in nachteiliger Weise gering, was insbesondere bei Rüttelbeschleunigung und Fall kritisch sein kann. Bereits in einem Fertigungsprozess, zum Beispiel bei einer Beschichtung der Struktur und der Verarbeitung muss diesem Umstand Rechnung getragen werden, was zu teilweise aufwendigen Lösungen, zum Beispiel einer Verwendung von speziellen Vakuumsaugspitzen in „Pick-and-Place“-Technologie führt.
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Bekannt sind zur Erzeugung von Kavitäten in Oberflächenmikromechanik Trenchprozesse. Grundsätzlich ist bei großen Membranen mit darunterliegenden evakuierten Kavitäten ein Stabilitätsproblem zu erwarten, da der Luftdruck von außen auf die Membran einwirkt.
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Bekannt sind ferner Prozesse für die Herstellung von Drucksensoren, mittels denen evakuierte, gegen Gasaußendruck beständige Kavernen hergestellt werden. In diesen Prozessen wird aber nur eine geringe Kavernenhöhe von wenigen Mikrometern erreicht, wobei die Membran vergleichsweise dick und nur aus thermisch und elektrisch gut leitfähigem Silizium herstellbar ist.
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Ferner bekannt sind Aufbauten, die eine unter geringem Gasdruck stehende Kavität mit Stützstrukturen als thermische Isolation verwenden. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise aus
DE 10 2005 023 699 A1 bekannt, der dort für eine Realisierung eines Luftmassensensors verwendet wird.
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Im Bereich von kapazitiv messenden, chemisch sensitiven Sensoren, zum Beispiel Feuchtesensoren ist bekannt, dass diese vor allem für eine elektrische Isolation (Vermeidung unerwünschter Streukapazitäten über das Siliziumsubstrat) auf einer dickeren Kontaktstelle aus Oxid angeordnet werden. Um Kondensation zu vermeiden, ist bei manchen Sensoren auf dieser Kontaktstelle auch eine Heizerstruktur vorgesehen, die aber meist nur eine sehr geringe Temperaturerhöhung bei hoher Heizleistung bewirken kann. Da eine Beschichtung bei diesen Sensoren eine hohe mechanische Stabilität des Substrats erfordert, wird hier üblicherweise keine Membran vorgesehen, auch wenn diese vorteilhaft wäre.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten chemischen Gassensor bereit zu stellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem chemischen Gassensor aufweisend:
- – ein Gehäuse mit wenigstens einer darin ausgebildeten Öffnung;
- – wobei innerhalb des Gehäuses wenigstens zwei thermische Isolationselemente derart angeordnet sind, dass diese ein Volumen eines Gases in der Umgebung einer Sensorschicht begrenzen und ein Zugangskanal für das Gas zur Sensorschicht gebildet wird;
- – wobei auf wenigstens einem der Isolationselemente die auf ein Gas reagierende Sensorschicht mit einem die Sensorschicht beheizbaren Heizelement angeordnet sind.
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Auf diese Weise kann vorteilhaft eine elektrische Energie zum Beheizen der Sensorschicht minimiert werden, weil die Heizenergie im Wesentlichen durch die Luft des Zugangskanals transportiert wird, wobei der Zugangskanal volumenmäßig durch die Isolationselemente minimiert ist. Der Wärmetransport und die daraus resultierende Übertragung der benötigten Heizleistung findet somit nicht nur, wie bei konventionellen, mittels MEMS-basierten hotplates ausgeführten und dadurch schon verkleinerten Gassensoren, durch Konvektion statt, sondern aufgrund einer unterschiedlichen Skalierung der verschiedenen physikalischen Effekte durch die direkte Wärmeleitfähigkeit der Luft. Durch Reduzierung des Volumens der zu beheizenden Luft kann in vorteilhafter Weise eine Bauform des Gassensors minimiert werden. Im Ergebnis lässt sich somit vorteilhaft ein kleinerer chemischer Gassensor mit verringertem elektrischem Leistungsbedarf realisieren.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Gassensors, aufweisend die Schritte:
- – Bereitstellen eines Gehäuses mit wenigstens einer darin ausgebildeten Öffnung;
- – Bereitstellen von wenigstens zwei thermischen Isolationselementen innerhalb des Gehäuses;
- – Anordnen eines Heizelements und darüberliegend eine Sensorschicht auf wenigstens einem der thermischen Isolationselemente; und
- – Anordnen der thermischen Isolationselemente innerhalb des Gehäuses derart, dass die thermischen Isolationselemente einen Zugangskanal zur Sensorschicht begrenzen.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Gassensors und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen. Eine vorteilhafte Ausführungsform des Gassensors zeichnet sich dadurch aus, dass die thermischen Isolationselemente eine geringere thermische Leitfähigkeit als Luft aufweisen. Dadurch ist unterstützt, dass die thermischen Isolationselemente nur sehr wenig thermische Energie absorbieren. Damit wird die Wärmeleistung, die in die Luft des Zugangskanals übertragen wird, deutlich verkleinert, wodurch ein reduzierter elektrischer Leistungsverbrauch des Gassensors unterstützt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Gassensors zeichnet sich dadurch aus, dass die thermischen Isolationselemente als evakuierte Elemente mit oxidierten, oberflächenmikromechanischen Strukturen ausgebildet sind. Dadurch können im Stand der Technik bewährte vakuumisolierte Strukturen zur thermischen Isolation der Gassensoren verwendet werden. Die genannten Strukturen weisen evakuierte Kavitäten auf, mit denen eine wirkungsvolle thermische Isolation des Innenraums des Gassensors realisiert werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Gassensors ist dadurch gekennzeichnet, dass Kavitäten der oberflächenmikromechanischen Strukturen ein hohes Aspektverhältnis von Höhe zu Breite aufweisen. Auf diese Weise werden Abmessungen für die Isolationselemente derart dimensioniert, dass mittlere freie Weglängen der in den Kavitäten eingeschlossenen Restgasmoleküle begrenzt ist, wodurch eine thermische Isolationswirkung des thermischen Isolationselements optimiert ist.
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Eine weitere Ausführungsform des Gassensors sieht vor, dass ein Druck innerhalb der Kavitäten der oberflächenmikromechanischen Strukturen derart ist, dass die Strukturen eine Einschränkung der mittleren freien Weglängen von Gasmolekülen in den Kavitäten bewirken. Durch die Befüllung mit einem Gas mit möglichst hoher Masse kann außerdem die Wärmeübertragung weiter reduziert werden. Auch mit dem geeigneten Gas und dem geeignet dimensionierten Druck in den Kavitäten kann eine Isolationswirkung der thermischen Isolationselemente vorteilhaft optimiert werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Gassensors zeichnet sich dadurch aus, dass auf beiden thermischen Isolationselementen jeweils ein Heizelement mit einer darüber angeordneten Sensorschicht angeordnet ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine gesamte Heizleistung auf die beiden Heizelemente ungefähr hälftig aufgeteilt werden. Im Ergebnis bedeutet dies vorteilhaft eine höhere Zuverlässigkeit für den Gassensor.
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Eine Ausführungsform des Gassensors sieht vor, dass eines der Heizelemente als ein Temperaturfühler für das andere Heizelement verwendbar ist. Auf diese Art und Weise wird eine gewisse Redundanz für den Gassensor bereitgestellt, wodurch im Ergebnis eine höhere Zuverlässigkeit des Gassensors bewirkt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren bzw. ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind vor allem zur Erläuterung der erfindungswesentlichen Prinzipien gedacht und sind nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu dargestellt.
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In den Figuren zeigt:
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1 einen prinzipiellen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des chemischen Gassensors;
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2 einen prinzipiellen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des chemischen Gassensors;
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3 eine perspektivische Ansicht eines thermischen Isolationselements zur Verwendung im chemischen Gassensor;
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4 eine Querschnittsansicht durch ein thermisches Isolationselement; und
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5 einen prinzipiellen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Bei einem konventionellen miniaturisierten chemischen Gassensor trägt zu einem Leistungsverbrauch zu einem erheblichen Anteil die Wärmeleitfähigkeit von Luft bei. Simulationen haben ergeben, dass zum Beispiel für Abmessungen der Membran von ca. 1mm mal ca. 1mm, einer Dicke von ca. 1µm bei etwa 300°C Membrantemperatur und etwa 20°C Umgebungstemperatur (das ist die Temperatur des Siliziumrahmens und von zwei Ebenen direkt unter dem Rahmen und etwa 500μm über der Membran) ein Leistungsverbrauch ca. 2mW im Vakuum und ca. 40mW in Luft beträgt, also in Luft um einen Faktor von ca. 20 höher als in Vakuum ist.
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Ursache für diesen Unterschied ist die Wärmeleitung der die Membran umgebenden Luft, die dabei auch auf hohe Temperaturen aufgeheizt wird. Bei den typischen Betriebstemperaturen von ca. 350°C spielt Wärmeabstrahlung keine wesentliche Rolle, bei den kleinen geheizten Volumina dürfte bei Betrieb ohne Zwangskonvektion auch die freie Konvektion vernachlässigbar sein. Eine weitere Miniaturisierung der konventionellen Sensorstrukturen ist aufgrund der Wärmeleitung der Luft nur begrenzt sinnvoll, da bei kleineren Abmessungen die Abstände zu thermisch gut leitfähigen Teilen wie Träger, Substrat oder dem Siliziumrahmen kleiner werden. Die genannten Elemente ragen nämlich in den geheizten Bereich, d.h. in die geheizte Luft hinein, und der Wärmeabfluss von der geheizten Membran oder vom geheizten Membranteil über die Luft in umgebende Bauelemente (Rahmen, Unterlage, Gehäuse, Decke usw.) kann deutlich höher sein.
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Es können daher bei verkleinerten konventionellen Mikrostrukturen von chemischen Gassensoren, bei denen die Membran derart klein ist, dass umliegende Strukturen in den geheizten Bereich der Luft hineinragen, nur dann höhere Temperaturen auf der Membran erreicht werden, wenn die Leistung der Membranheizung erhöht wird. Dadurch erhöht sich jedoch in nachteiliger Weise auch die Temperatur der umliegenden Bauelemente, was deren Funktionsweise negativ beeinträchtigen kann.
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Will man also den Leistungsverbrauch eines chemischen Gassensors weiter verringern, muss die Menge an mitgeheizter Luft reduziert werden. Dies wird erfindungsgemäß durch Einführung von thermisch isolierenden Bereichen realisiert, in denen keine Wärmeleitung durch Luft stattfindet. Bei einem chemischen Gassensor erfordert es das Wirkprinzip eines derartigen Sensors, dass das umliegende Gas die gassensitiven Elemente des Gassensors erreichen kann.
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Vorgeschlagen wird ein Aufbau eines beheizten Gassensors mit einer sensitiven Beschichtung unter Verwendung von wenigstens zwei thermischen Isolationselementen als thermische Isolation. Die genannten Isolationselemente sind dabei in einem Gehäuseinnenraum des Gassensors derart angebracht, dass sie unmittelbar an den vom Sensor beheizten Raum anschließen und die Heizleistung des Sensors vermindern, weil die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität dieser Isolationsstrukturen deutlich geringer ist als die konventionell an diesen Stellen vorhandene Luft.
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Es ergibt sich auf diese Weise somit eine typische geometrische Abfolge der folgenden Funktionselemente:
Ein Träger (z.B. ein Gehäuse), ein Substrat (z.B. Silizium bei einer auf Halbleiterprozessen basierenden Lösung), ein thermisches Isolationselement, vorzugsweise als eine evakuierte Kavität (vorteilhaft mit einer inneren Stützstruktur, die neben einer mechanischen Stabilisierung gleichzeitig freie Weglängen und damit die Energieübertragung für Gasmoleküle unter geringem Druck reduziert), eine Sensorstruktur auf einer Membran mit einem integrierten oder aufgebrachten Heizer, Isolationsmaterial, Elektroden und ein gaswechselwirkendes Beschichtungsmaterial, ein Luftspalt und ein zweites Isolationselement.
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1 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt durch die vorgeschlagene Struktur. Man erkennt einen chemischen Gassensor 100 mit einem Trägerelement 1 und einem Deckel 2. Beispielsweise kann das Trägerelement 1 als ein BGA-Gehäuse (engl. ball grid array) mit einem aus Leiterplattenmaterial gefertigten Träger vorgesehen sein, auf dem ein z.B. aus einem Blech gefertigter und geprägter Deckel 2 angeordnet ist. Ein Silizium-Substrat mit einem thermischen Isolationselement 30 und einer darauf angeordneten Sensorschicht 10 sind auf dem Trägerelement 1 angeordnet. Im Deckel 2 ist wenigstens eine Öffnung 3 ausgebildet, die einen Zutritt von Gas in einen Zugangskanal 20 und von diesem an die Sensorschicht 10 ermöglicht. Erkennbar ist, dass am Deckel 2 mittels Halteelementen 4 ein zweites thermisches Isolationselement 30a fixiert ist. Die Isolationselemente 30, 30a sind vorzugsweise als oxidische oberflächenmikromechanische Strukturen ausgebildet ist, die mehrere evakuierte Kavitäten 32 umfassen, wobei die Kavitäten 32 durch Säulen 33 gestützt sind. Die Kavitäten 32 sind auf diese Weise als Innenräume von Röhrchen ausgebildet, wobei auf beide Öffnungen der Kavitäten 32 jeweils eine Membran aufgebracht ist, die die Evakuierung der Kavitäten 32 unterstützt.
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Erkennbar ist, dass das Isolationselement 30 unterhalb der Sensorschicht 10 angeordnet ist. Mittels eines Heizelements 36 (nicht dargestellt), welches in einer Membranstruktur M angeordnet ist, wobei die Membranstruktur M auf dem thermischen Isolationselement 30 angeordnet ist, kann die Sensorschicht 10 beheizt werden, so dass eine messtechnisch erfassbare chemische Reaktion zwischen dem Gas und der Sensorschicht 10 ermöglicht ist. Im Ergebnis wird mittels der Isolationselemente 30, 30a der Zugangskanal 20 geschaffen bzw. begrenzt, wobei die Isolationselemente 30, 30a eine Reduzierung bzw. Minimierung des die Sensorschicht 10 umgebenden Luftvolumens bewerkstelligen.
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Typische Abmessungen des Gehäuses 1, 2 liegen bei einer Höhe von ca. 1mm und Kantenlängen von ca. 2mm bis ca. 5mm. Typische Abmessungen des Siliziumsubstrats liegen bei einer Höhe von ca. 400µm und ca. 1mm bis ca. 2mm Kantenlänge und einer isolierenden, evakuierten Kavität mit z.B. ca. 200µm Höhe und Kantenlängen von ca. 300µm × 100µm bis ca. 800µm × 800µm.
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Auf dieser Grundfläche können ein oder gegebenenfalls mehrere, nebeneinander angeordnete Sensorelemente mit jeweils einem Heizelement 36, wenigstens zwei Elektroden 38 und eine gassensitive, elektrisch messbare Sensorschicht 10 angeordnet sein.
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Aus dem geschilderten Aufbau ergeben sich die nachfolgend genannten Vorteile:
- – eine geringere elektrische Leistungsaufnahme des chemischen Gassensors 100, da im Vergleich zu einer miniaturisierten, konventionellen Gassensorstruktur nur eine geringe Luftmenge in einem Luftspalt, und gegebenenfalls die geringe Masse einer Stützstruktur für die Kavität des Isolationselements, aufgeheizt wird
- – Durch die geringere thermische Masse ergibt sich eine sehr viel schnellere Aufheizphase bei gleicher oder geringerer Leistung
- – Durch die insgesamt geringere Leistungsaufnahme ergibt sich eine geringere thermische Beeinflussung weiterer Komponenten, die im gleichen Gehäuse untergebracht werden können
- – Die Herstellung erfordert im Vergleich zu einer bekannten Rückseitenmikromechanik keine zusätzlichen Maskenebene, außerdem muss die Rückseite eines Wafers hier nicht prozessiert werden, was geringere Kosten und eine geringere Defektdichte bedeutet, da keine Vorderseitenbehandlung notwendig werden, falls der Wafer umgedreht werden muss.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des chemischen Gassensors 100 mit zwei gegenüberliegenden, zum Beispiel über Abstandshalter 5 miteinander verbundenen Isolationselementen 30, 30a. Bei ansonsten identischer Ausführung und gleichzeitigem Betrieb der in den Membranstrukturen M angeordneten beiden Heizelemente 36 (nicht dargestellt) kann die Heizleistung nahezu ca. hälftig auf die beiden Heizelemente 36 aufgeteilt werden. Alternativ kann bei einem der Sensorelemente auf das zugeordnete Heizelement 36 verzichtet werden, wobei in diesem Fall mit einem einzigen Heizelement 36 der gesamte Zugangskanal 20 zwischen den beiden thermischen Isolationselementen 30, 30a geheizt wird. Der Abstand zwischen den Isolationselementen 30, 30a bewegt sich vorteilhafter Weise im Bereich der Dicke der Sensorelemente, also vorzugsweise zwischen wenigen Mikrometern bis weniger als ca. 100µm.
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3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Bild einer Anordnung von vorwiegend oxidischen Hohlsäulen, die zur mechanischen Stützung der thermischen Isolationselemente
30,
30a verwendet werden können. Die Isolationselemente
30,
30a sind als evakuierte, oxidierte, oberflächenmikromechanische Strukturen ausgebildet. In der Figur fehlt eine auf den Hohlsäulen aufliegende Membran, die einen Abschluss für die Isolationselemente
30,
30a bildet und unter der Restgas unter sehr geringem Druck eingeschlossen ist. Konstruktive Details zu den oxidischen Hohlsäulen sind aus
DE 10 2005 023 699 A1 bekannt. Die oxidischen Hohlsäulen zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein großes Aspektverhältnis von Höhe H zu Breite B aufweisen, wodurch mittlere freie Weglängen von in den Kavitäten
32 der Hohlsäulen eingeschlossenen Restgasmolekülen, die aus Prozessierungsschritten stammen, sehr eingeschränkt ist. Für eine möglichst sichere Erhaltung eines Isolationsvakuums in den Kavitäten
32 ist vorteilhaft, dass die Isolationsstruktur viele einzelne, durch senkrechte Strukturen voneinander getrennte, evakuierte Bereichen umfasst, so dass keine dieser einzelnen Bereiche unter der Membran miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann auch bei einer lokalen Undichtigkeit in der abdeckenden Membran nur im Bereich unter der Undichtigkeit eine Erhöhung des Druckes und eine Verschlechterung der Isolationswirkung der Isolationselemente
30,
30a stattfinden und es wird sich nicht ein großer Teil oder die gesamte Isolationsstruktur mit Luft aus der Umgebung füllen.
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4 zeigt eine detaillierte nicht maßstäbliche Querschnittsansicht eines Ausschnitts des Gassensors 100 mit dem thermischen Isolationselement 30 und der Sensorschicht 10. Erkennbar ist, dass eine oder mehrere Kavitäten 32 in einem Substrat 31 mit Stützstrukturen 33 vorgesehen sind, die an der Oberfläche durch mehrere Schichten 34, 35, 36, 37 in Form einer Membranstruktur M verschlossen sind. Beim Verschlussvorgang, zum Beispiel mittels eines LPCVD- oder PECVD-Prozesses (engl. low pressure chemical vapour deposition bzw. plasma-enhanced chemical vapour deposition), herrscht ein derart geringer Druck vor, dass die verschlossenen Strukturen bzw. Kavitäten 32 als nahezu evakuiert gelten können und auf diese Weise eine deutlich geringere thermische Masse und thermische Leitfähigkeit aufweisen als die umgebende Luft.
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Die senkrechten Strukturen 33 können eine Schichtdicke von zum Beispiel 20nm bis ca. 2µm, vorzugweise ca. 150nm bis ca. 500nm haben und entweder aus einem Oxidationsprozess aus Siliziumstrukturen stammen, oder aus einem sehr gleichförmig beschichtenden Prozess, z.B. einem Atomic Layer Deposition Prozess (ALD Prozess) auf Siliziumstrukturen stammen, wobei in beiden Fällen das Silizium nachträglich entfernt wird. Durch Stützstrukturbreiten von z.B. etwa ca. 1µm reichen Restgasdrücke von zum Beispiel unter 1hPa bereits für eine geringere Wärmeleitfähigkeit aus, wobei die beim Abscheiden der Verschlussschicht tatsächlich auftretenden Drücke deutlich niedriger sein können.
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Vorteil des genannten ALD-Prozesses ist eine Variabilität bei Material, es kann hier zum Beispiel eine Al203 Schicht oder ein Mehrschichtaufbau verwendet werden. Die Höhe der Strukturen 33 liegt zwischen ca. 50μm und ca. 400µm, vorzugsweise zwischen ca. 100μm und ca. 200µm, typische Strukturbreiten der einzelnen Stützstrukturen liegen bei ca. 1μm bis ca. 20µm, typischerweise bei ca. 3μm bis ca. 5µm. Diese Strukturbreite ergibt sich nicht nur aus dem Herstellungsverfahren, sondern ermöglicht auch die Verkürzung der freien Weglänge der unter einem geringen Restgasdruck eingeschlossen Gasmoleküle, so dass eine möglichst gute Isolationswirkung erreicht werden kann.
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Die Membranstruktur M umfasst vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht 34, z.B. in Form von PECVD-Oxid, welches eine Dicke von ca. 3μm bis ca. 10µm aufweist und druckverspannt ist. Das Wachstum dieser Schicht startet auf den Stützstrukturen 33 und weist hier nach Zusammenwachsen zu einer geschlossenen Schicht lokal eine größere Dicke auf. Auf der Schicht sind zwei Siliziumoxidschichten 35 zur Stresseinstellung angeordnet, z.B. ein zugverspanntes PECVD-Oxid. Zwischen den beiden Siliziumoxidschichten 35 ist eine Heizerstruktur 36, z.B. aus Platin angeordnet, die beispielsweise zwischen ca. 50nm und ca. 200nm dick sein kann. Auf einer weiteren Siliziumoxidschicht 34 ist eine planarisierte Isolationsschicht 37 angeordnet. In der gassensitiven Sensorschicht ist eine Elektrodenstruktur 38 zum messtechnischen Erfassen der chemischen Gasreaktion angeordnet.
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5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem ersten Schritt S1 wird ein Gehäuse 1, 2; 30, 5 mit wenigstens einer darin ausgebildeten Öffnung 3 bereitgestellt.
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In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Bereitstellen von wenigstens zwei thermischen Isolationselementen 30, 30a innerhalb des Gehäuses 1, 2; 30, 5.
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In einem dritten Schritt S3 werden ein Heizelement 36 und darüberliegend eine Sensorschicht 10 auf wenigstens einem der thermischen Isolationselemente 30, 30a angeordnet.
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Schließlich werden in einem vierten Schritt S4 die thermischen Isolationselemente 30, 30a innerhalb des Gehäuses 1, 2; 30, 5 derart angeordnet, dass die thermischen Isolationselemente 30, 30a einen Zugangskanal 20 zur Sensorschicht 10 begrenzen.
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Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein verbesserter chemischer Gassensor bereitgestellt, der einerseits eine geringere elektrische Heizleistung erfordert und dadurch eine kleinere Bauform aufweist. Dies wird durch eine größtmögliche Verdrängung von Luftvolumen durch zwei thermische Isolationselemente erreicht, mittels denen die Heizleistung für die sensitive Schicht minimiert werden kann. Mit den verwendeten Isolationselementen kann ein zu beheizender Luftraum auf „oberhalb“ der Sensorschicht begrenzt werden. Aufgrund der im Vergleich zu den Isolationselementen guten thermischen Leitfähigkeit der Luft kann die Heizleistung des Heizelements gewissermaßen auf die Sensorschicht fokussiert werden.
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Obwohl die Erfindung vorgehend mit konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die vorgehend beschriebenen Merkmale abändern oder miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005023699 A1 [0006, 0037]
