DE102015222072B4 - Heizvorrichtung für MEMS-Sensor - Google Patents

Heizvorrichtung für MEMS-Sensor Download PDF

Info

Publication number
DE102015222072B4
DE102015222072B4 DE102015222072.9A DE102015222072A DE102015222072B4 DE 102015222072 B4 DE102015222072 B4 DE 102015222072B4 DE 102015222072 A DE102015222072 A DE 102015222072A DE 102015222072 B4 DE102015222072 B4 DE 102015222072B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heating
heating device
heating elements
elements
discharge element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102015222072.9A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102015222072A1 (de
Inventor
Radoslav Rusanov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102015222072.9A priority Critical patent/DE102015222072B4/de
Priority to US15/346,705 priority patent/US10370239B2/en
Priority to CN201610984262.5A priority patent/CN107055455B/zh
Publication of DE102015222072A1 publication Critical patent/DE102015222072A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102015222072B4 publication Critical patent/DE102015222072B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0083—Temperature control
    • B81B7/009—Maintaining a constant temperature by heating or cooling
    • B81B7/0096—Maintaining a constant temperature by heating or cooling by heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0083—Temperature control
    • B81B7/0087—On-device systems and sensors for controlling, regulating or monitoring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00642—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for improving the physical properties of a device
    • B81C1/0069—Thermal properties, e.g. improve thermal insulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/16—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor the conductor being mounted on an insulating base
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0214—Biosensors; Chemical sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

Heizvorrichtung (10) für einen MEMS-Sensor (100), aufweisend:
- ein metallisches Zuleitungselement (11) für elektrischen Strom;
- eine metallisches Ableitungselement (12) für elektrischen Strom; und
- eine definierte Anzahl von zwischen dem Zuleitungselement (11) und dem Ableitungselement (12) ausgebildeten metallischen Heizelementen (13), wobei
• das Zuleitungselement (11) über einen Heizbereich (H) verlaufend eine definiert abnehmende Breite aufweist und dass das Ableitungselement (12) über den Heizbereich (H) verlaufend eine definiert zunehmende Breite aufweist und
• das Zuleitungselement (11) und das Ableitungselement (12) im Heizbereich (H) jeweils so breit ist wie eine Gesamtbreite der in einer Stromflussrichtung (R) angeordneten Heizelemente (13), wodurch im Zuleitungselement (11), im Ableitungselement (12) und in den Heizelementen (13) eine konstante elektrische Stromdichte ausbildbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für einen MEMS-Sensor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung für einen MEMS-Sensor.
  • Stand der Technik
  • Gassensoren auf Metalloxid-Basis sind bekannt und werden für die Detektion und Quantifizierung von verschiedenen Gasen eingesetzt. Diese Sensoren benötigen für ihre Funktion typischerweise Temperaturen von bis zu 400 °C. Derartige Sensoren in einer MEMS-Ausführung werden oft mit einer Siliziumdioxid- bzw. Siliziumnitrid-Membran realisiert auf das ein Heizelement aus Platin oder anderen Materialien angeordnet ist. Eine Zuverlässigkeit ist dabei vor allem im Zusammenhang mit einer Miniaturisierung der Sensoren für den Einsatz in mobilen Endgeräten, wie z.B. Smartphones, problematisch.
  • Elektromigration kann in diesem Zusammenhang einen besonders relevanten Schädigungsmechanismus darstellen, der aufgrund von Designschwächen zu einem schnellen Ausfall der genannten Heizstrukturen führen kann. Die Miniaturisierung der Sensoren und dementsprechend der Leiterbahnen führt in der Regel zu höheren Stromdichte und kann die Problematik noch verschärfen.
  • US 6 450 025 B1 offenbart ein Mikroheizelement mit einer Schichtstruktur, mit der ein Verziehen bzw. ein Verwölben des Mikroheizelements begrenzt werden kann.
  • US 8 410 560 B2 offenbart eine Mikro-Heizplatte mit einer bidirektionalen Bestromung zur Verringerung von Elektromigration.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Heizvorrichtung für einen MEMS-Sensor bereitzustellen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Heizvorrichtung für einen MEMS-Sensor, aufweisend:
    • - ein metallisches Zuleitungselement für elektrischen Strom;
    • - eine metallisches Ableitungselement für elektrischen Strom; und
    • - eine definierte Anzahl von zwischen dem Zuleitungselement und dem Ableitungselement ausgebildeten metallischen Heizelementen, wobei im Zuleitungselement, im Ableitungselement und in den Heizelementen eine im Wesentlichen konstante elektrische Stromdichte ausbildbar ist.
  • Diese Ausführungsform der Heizvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zuleitungselement über einen Heizbereich verlaufend eine definiert abnehmende Breite aufweist und dass das Ableitungselement über den Heizbereich verlaufend eine definiert zunehmende Breite aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, die Stromdichte in allen genannten Elementen im Wesentlichen konstant auszubilden.
  • Diese Ausdrucksform der Heizvorrichtung sieht vor, dass das Zuleitungselement und das Ableitungselement im Heizbereich jeweils so breit sind wie eine Gesamtbreite der in einer Stromflussrichtung angeordneten Heizelemente. Auf diese Weise wird ein allgemeines Prinzip einer Herstellvorschrift für die Heizvorrichtung bereitgestellt, mit der die genannte Wirkung betreffend Stromdichteverteilung einfach realisierbar ist.
  • Auf diese Weise wird eine Heizvorrichtung bereitgestellt, mit der aufgrund der homogenen Stromdichteverteilung minimale Stromdichtedivergenzen realisierbar sind. Im Ergebnis kann auf diese Weise eine Lebensdauer der Heizvorrichtung maximiert werden, da dadurch eine Schädigung aufgrund von Elektromigration stark reduziert wird. Ferner kann mittels der Heizvorrichtung eine Heizcharakteristik für einen MEMS-Sensor bedeutsam verbessert sein.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Heizvorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Heizvorrichtung sieht vor, dass Verläufe der Breiten des Zuleitungselements und des Ableitungselements linear ausgebildet sind und die Heizelemente gleichmäßig breit und mit im Wesentlichen gleichem Abstand zueinander ausgebildet sind. Auf diese Weise wird ein besonders einfach zu realisierendes Prinzip für die einzelnen Elemente der Heizvorrichtung bereitgestellt, mit dem eine einfache Herstellung der Heizvorrichtung unterstützt ist.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Heizvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mit den Heizelementen im Heizbereich eine homogene Temperaturverteilung ausbildbar ist. Auf diese Weise kann eine Sensiercharakteristik für einen Sensor verbessert sein.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Heizvorrichtung sieht vor, dass im Heizbereich wenigstens ein elektrisch nicht angeschlossenes Homogenisierungselement mit definiert höherer Wärmeleitfähigkeit als ein Membran-Material für eine Homogenisierung einer Temperaturverteilung ausgebildet ist, wobei das Homogenisierungselement zwischen zwei Heizelementen ausgebildet ist. Dadurch wird aufgrund der Tatsache, dass eine Membran, auf der die Heizvorrichtung angeordnet wird, ein schlechter Wärmeleiter ist, die Temperaturverteilung im Heizer-Bereich auf der Membran homogenisiert. Weitere bevorzugte Ausführungsform der Heizvorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass das Homogenisierungselement eckig oder definiert abgerundet ausgebildet ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft unterschiedliche geometrische Formen von Homogenisierungselementen bereitgestellt, mit denen anwendungsspezifische Effekte realisiert werden können.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Heizvorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente gerade oder definiert gekrümmt ausgebildet sind. Auf diese Weise ist eine Designvielfalt für die Heizvorrichtung vorteilhaft erhöht.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Heizvorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass das Material der Heizvorrichtung wenigstens eines aus Folgendem ist: Platin, Ruthenium, Platin-Ruthenium-Legierung, Titan, Titanoxid, Platin-Titan-Legierung, Iridium, Platin-Titan-Palladium-Legierung, Platin-Zirkon-Oxid-Legierung. Auf diese Weise werden unterschiedliche materialtechnische Möglichkeiten bereitgestellt, mit denen die Heizvorrichtung realisierbar ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Heizvorrichtung sieht vor, dass das Zuleitungselement, das Ableitungselement und die Heizelemente aus demselben Material ausgebildet sind oder aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind. Auch auf diese Weise werden unterschiedliche materialtechnische Möglichkeiten bereitgestellt, mit denen die Heizvorrichtung realisierbar ist.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Heizvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung einstückig ausgebildet ist. Dadurch können vorteilhaft Herstellkosten minimiert werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleich Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.
  • Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Heizvorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung der Heizvorrichtung ergeben und umgekehrt.
  • In den Figuren zeigt:
    • 1 eine prinzipielle Darstellung eines Heizbereichs eines Gas-MEMS-Sensors in Draufsicht;
    • 2 eine prinzipielle Darstellung eines Heizbereichs eines Gas-MEMS-Sensors in Querschnittsansicht;
    • 3 eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
    • 4 eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
    • 5 eine prinzipielle Darstellung eines Effekts, der mit der Heizvorrichtung erzielbar ist;
    • 6 eine prinzipielle Darstellung einer Wärmeverteilung, die mit der Heizvorrichtung erzielbar ist;
    • 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Sensors mit der Heizvorrichtung; und
    • 8 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ein Kernaspekt der Erfindung besteht darin, ein spezifisches Design für ein Heizelement bzw. eine Heizvorrichtung für Gassensoren oder andere Anwendungen mit Mikroheizeinrichtungen bereitzustellen, welches gegenüber Elektromigration weitgehend resistent ist und dadurch eine längere Lebensdauer und eine höhere Zuverlässigkeit der Gassensoren unterstützt.
  • Insbesondere ist eine Realisierung einer spezifischen Formgebung eines Dünnschicht-Metall-Heizelements für einen MEMS-Gassensor vorgesehen. Das Heizelement ist auf einer Membran realisiert und für die Erreichung der für die chemischen Reaktionen notwendigen Temperatur zuständig. Das vorgeschlagene Heizelement kann jedoch vorteilhaft auch in anderen, insbesondere chemischen Sensorelementen Verwendung finden, die eine erhöhte Betriebstemperatur erfordern und/oder einen ähnlichen Aufbau erlauben.
  • Ein prinzipieller MEMS-Sensor 100 ist in 1 schematisch in Draufsicht dargestellt. Er umfasst einen Chip bzw. Träger 30, auf dem eine Membran 20 aufgebracht ist. Das Chipmaterial ist von der Rückseite in einem bestimmten Bereich des Trägers 30 entfernt, so dass in diesem Bereich die Membran 20 ausgebildet wird. Auf der Membran 20 ist das Heizelement bzw. die Heizvorrichtung 10 ausgebildet.
  • 2 zeigt die grundlegende Struktur von 1 in einer Querschnittsansicht.
  • Herkömmliche als gefaltete Streifen (z.B. in S-Form) ausgebildete Heizelemente zeigen einen Schädigungsmechanismus in Form von Elektromigration. Um diese ungewünschte Elektromigration, die sich in unerwünschten Materialabtragungen (engl. voids) niederschlägt, die bis zu Unterbrechungen führen können, zu kompensieren, wird eine spezifische geometrische Ausgestaltung der Heizvorrichtung 10 vorgeschlagen.
    Ein Kerngedanke der Erfindung besteht darin, ein spezifisches Design eines Dünnschichtheizers aus einem Metall oder anderen nieder-resistiven Materialien mit der Fähigkeit zur Erreichung von Temperaturen von wenigstens 400°C bereitzustellen. Der Heizer kann auf einer Membran bzw. anderen freigestellten Strukturen aus Siliziumdioxid/-Nitrid oder einem anderen Material bzw. einen Stapel aus Materialien angeordnet sein, welche mindestens an der Oberfläche elektrisch isolierend sind und generell eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Herstellung des Heizers kann mittels verschiedener MEMS-Herstellverfahren oder anderer Dünnschichtverfahren erfolgen. Der Heizer kann von einer Schutzschicht, die ähnliche oder gleiche Eigenschaften wie die Membran aufweist, bedeckt sein.
  • Vorteilhaft können mit einem Sensor mit der vorgeschlagenen Heizvorrichtung Einflüsse von Elektromigration weitgehend kompensiert und dadurch eine Lebensdauer des MEMS-Sensors bedeutend erhöht sein.
  • Die Erfindung ermöglicht somit vorteilhaft eine homogene, d.h. möglichst divergenzfreie Stromdichteverteilung in der Heizvorrichtung. Dadurch können die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des gesamten MEMS-Sensors vorteilhaft erhöht werden.
  • Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 10, die auf dem Träger 30 (nicht dargestellt) mit der Membran 20 (nicht dargestellt) realisiert wird, ist in 3 in Draufsicht dargestellt. Die Heizvorrichtung 10 umfasst ein metallisches Zuleitungselement 11 und ein metallisches Ableitungselement 12, die vorzugweise aus Platin ausgebildet sind. Zwischen dem Zuleitungselement 11 und dem Ableitungselement 12 sind mehrere Heizelemente 13 angeordnet. Das Zuleitungselement 11, das Ableitungselement 12 und die Heizelemente 13 bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material (gleiche Dünnschichtebene, wobei eine Dicke des Metalls ca. 100 nm bis ca. 800 nm beträgt), das gleichzeitig abgeschieden und gleichzeitig strukturiert werden kann. Vorzugweise sind das Zuleitungselement 11, das Ableitungselement 12 und die Heizelemente 13 einstückig ausgebildet, können jedoch alternativ auch als separate, miteinander verbundene Elemente ausgebildet sein.
  • Die Funktionen „Zuleitung“ und „Ableitung“ sind nachfolgend vertauschbar verwendbar, wobei auch eine teilweise Funktionsüberschneidung möglich ist, sodass die Zuleitungselemente 11 immer auch wenigstens teilweise als Ableitungselemente 12 fungieren können und umgekehrt.
  • Die Heizelemente 13 führen den elektrischen Heizstrom vom Zuleitungselement 11 zum Ableitungselement 12 und dienen dabei in einem Heizbereich H einer Wärmeerzeugung. Der Heizbereich H kann ca. 20 µm bis ca. 500 µm groß sein. Man erkennt eine von rechts oben in das Zuleitungselement 11 hineinlaufende und links unten aus dem Ableitungselement 12 herauslaufende Stromflussrichtung R. In einem operativen Normalbetrieb wird elektrischer Strom in das Zuleitungselement 11 eingespeist, gelangt danach über die Heizelemente 13 und wird über das Ableitungssegment 12 abgeführt. Im Heizbereich H wird dadurch eine thermische Wärmeentwicklung generiert, die für eine Beheizung einer Membran, beispielsweise einer Membran eines Gas-MEMS-Sensors vorgesehen ist.
  • Man erkennt, dass eine Breite der Zuleitung 11 im Verlaufe der Stromflussrichtung R definiert geringer wird. Eine genaue Form f(x) ist dabei an die Geometrie der Heizelemente 13 derart angepasst, dass eine homogene elektrische Stromdichteverteilung erreicht wird. Entsprechend dazu wird in Stromflussrichtung R eine Breite des Ableitungselements 12 zunehmend größer. Eine Breite der einzelnen Heizelemente 13 und ihr Abstand zueinander sind dabei derart gewählt, dass ein möglichst großer Bereich mit homogener Temperatur entsteht. Das Zuleitungselement 11 und das Ableitungselement 12 sind derart geformt und an die Geometrie der Heizelemente 13 angepasst, dass die elektrische Stromdichte überall im Wesentlichen konstant ist.
  • Im Ergebnis ist es dadurch möglich, die elektrischen Stromdichten im Zuleitungselement 11 und im Ableitungselement 12 im Wesentlichen konstant zu halten, wodurch ein Effekt von Elektromigration vorteilhaft minimiert bzw. eliminiert werden kann.
  • Mit einer derartigen Geometrie sind zahlreiche Vorteile realisierbar:
    • - Eine konstante und homogene Stromdichte über die gesamte Heizvorrichtung, was zu einer Reduktion der Elektromigrationsschäden aufgrund von Stromdichtedivergenzen führt
    • - Eine Möglichkeit der Anpassung der Heizleistungsdichte über den Heizbereich, welche durch die Variablen Breite und Abstand der Heizelemente erreicht wird
    • - Durch die genannten beiden Aspekte kann die elektrische Stromdichte in der Heizvorrichtung generell erhöht werden, wodurch kleinere Designs ermöglicht sind, wodurch vorteilhaft eine Miniaturisierung des gesamten Sensors unterstützt ist
  • Geeignete Materialien für die genannten Elemente 11, 12, 13 sind zum Beispiel: Ruthenium, Platin-Ruthenium-Legierung, Titan, Titanoxid, Platin-Titan-Legierung, Iridium, Platin-Titan-Palladium-Legierung, Platin-Zirkon-Oxid-Legierung.
  • Man erkennt ferner, dass zusätzlich die Breiten und die Abstände der Heizelemente 13 variiert werden, um die Temperaturhomogenität im Heizbereich H zu erhöhen. Dabei folgt man typischerweise dem Ansatz, mehr elektrische Leistung/Wärme in den Randbereichen zu dissipieren.
  • Man erkennt zu diesem Zweck ferner ein zwischen zwei Heizelementen 13 vorgesehenes Homogenisierungselement 14, welches elektrisch nicht mit den Heizelementen 13 verbunden ist und das dazu dient, eine Heizwirkung im Heizbereich H zu verbessern bzw. zu vergleichmäßigen. Vorzugsweise können mehrere Homogenisierungselemente 14 vorgesehen sein, wobei jedes Homogenisierungselement 14 eine definiert höhere Wärmeleitfähigkeit als ein Material der Membran 20 aufweist, um dadurch eine Homogenisierung einer Temperaturverteilung zu unterstützen.
  • In anderen nicht dargestellten Ausführungsformen können die Homogenisierungselemente 14 runde bzw. abgerundete Formen haben bzw. einen Ausschnitt aus einem Ring darstellen.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 10. Auch diese Variante umfasst ein Zuleitungselement 11 und ein Ableitungselement 12, wobei erkennbar ist, dass die Breite entlang des Heizbereiches H gleichmäßig abnimmt und dass eine Breite der Heizelement 13 über den gesamten Heizbereich H konstant ist. Die Heizelemente 13 sind mit im Wesentlichen gleichem Abstand zueinander ausgebildet. Im Ergebnis führt dies zu einer homogenen Stromdichte in den Leitungselementen 11, 12 und im Heizbereich H. Dadurch werden Stromdichtedivergenzen weitgehend vermieden und die Lebensdauer kann vorteilhaft gesteigert sein.
  • In einer weiteren, nicht in Figuren dargestellten Ausführungsform der Heizvorrichtung 10 können die rechtwinkligen Ecken an den Verankerungen der Heizelemente 13 an den Elementen 11, 12 abgerundet sein, um dort eine lokale Verdichtung des elektrischen Stroms in diesen Bereichen zu vermeiden und um die Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen.
  • 5 zeigt eine auf einer Simulation basierende Stromdichteverteilung in der Heizvorrichtung 10. Man erkennt aufgrund der gleichmäßigen Schraffur eine sehr hohe Homogenität der Stromdichte.
  • 6 zeigt eine Temperaturverteilung, die mit der Heizvorrichtung 10 erreichbar ist, wobei erkennbar ist, dass in einem Zentralbereich, der im Wesentlichen dem Heizbereich H entspricht, eine ausreichende Homogenität von thermischer Energie vorhanden ist, wobei eine Abweichung der Temperaturen nur ca. 10% bis ca. 15% beträgt. Im Zentralbereich beträgt die Temperatur ca. 430 °C und in den Randbereichen ca. 22 °C.
  • 7 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung eines MEMS-Sensors 100 mit der vorgeschlagenen Heizvorrichtung 10. Der MEMS-Sensor 100 ist dabei vorzugsweise als ein Gas-MEMS-Sensor ausgebildet.
  • 8 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In einem Schritt 200 wird ein metallisches Zuleitungselement 11 für elektrischen Strom bereitgestellt.
  • In einem Schritt 210 wird ein metallisches Ableitungselement 12 für elektrischen Strom bereitgestellt.
  • Schließlich wird in einem Schritt 220 ein Anordnen von metallischen Heizelementen 13 zwischen dem Zuleitungselement 11 und dem Ableitungselement 12 durchgeführt, wobei das Zuleitungselement 11, das Ableitungselement 12 und die Heizelemente 13 derart ausgebildet werden, dass in allen Elementen 11, 12, 13 eine im Wesentlichen konstante elektrische Stromdichte ausbildbar ist.
  • Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine Heizvorrichtung insbesondere für einen chemischen MEMS-basierten Sensor (z.B. für CO2, CO, O2, usw. -Sensor) vorgeschlagen, die auf einem Träger mit einer Membran angeordnet wird. Die Heizvorrichtung zeichnet sich durch eine homogene bzw. divergenzminimierte bzw. divergenzfreie Stromdichteverteilung aus, wodurch durch Elektromigration verursachte Schäden vorteilhaft minimiert werden können.
  • Die genaue Form der genannten Leitungselemente wird an die Geometrie der Heizelemente angepasst. Parameter der Heizelemente (z.B. Abstände, Form, usw.) werden derart gewählt, dass die Temperaturverteilung im Heizbereich möglichst homogen ist.
  • Darüber hinaus bietet das Design erweiterte Möglichkeiten zur Steigerung einer Temperaturhomogenität, da man zu diesem Zweck nicht von maximal erlaubten Stromgradienten begrenzt wird und sich dadurch ein neuer Freiheitsgrad eröffnet bzw. eine Abhängigkeit zwischen verschiedenen Designaspekten reduziert wird. Im Ergebnis ist dadurch eine weitere Verkleinerung der Heizerstruktur möglich, was zu insgesamt kleineren und energiesparsameren Sensoren führt, die besonders gut für den Einsatz in mobilen Endgeräten geeignet sind.
  • Da durch die Erfindung der Einsatz von elektrisch hochleitfähigen Materialien bei sehr hohen Stromdichten ermöglicht wird, werden dadurch geringe elektrische Spannungen von weniger als 1,5 V für den Betrieb des Heizers ermöglicht. Dadurch werden elektronische Elemente für die Spannungserhöhung nicht benötigt, wie es der Fall bei Halbleiterschaltelementen (zu Beispiel dotiertes Silizium oder Siliziumcarbid) wäre, wodurch vorteilhaft Kosten eingespart werden können.
  • Vorteilhaft kann die Erfindung auch auf andere, ähnlich aufgebaute Sensorelemente angewendet werden.
  • Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims (11)

  1. Heizvorrichtung (10) für einen MEMS-Sensor (100), aufweisend: - ein metallisches Zuleitungselement (11) für elektrischen Strom; - eine metallisches Ableitungselement (12) für elektrischen Strom; und - eine definierte Anzahl von zwischen dem Zuleitungselement (11) und dem Ableitungselement (12) ausgebildeten metallischen Heizelementen (13), wobei • das Zuleitungselement (11) über einen Heizbereich (H) verlaufend eine definiert abnehmende Breite aufweist und dass das Ableitungselement (12) über den Heizbereich (H) verlaufend eine definiert zunehmende Breite aufweist und • das Zuleitungselement (11) und das Ableitungselement (12) im Heizbereich (H) jeweils so breit ist wie eine Gesamtbreite der in einer Stromflussrichtung (R) angeordneten Heizelemente (13), wodurch im Zuleitungselement (11), im Ableitungselement (12) und in den Heizelementen (13) eine konstante elektrische Stromdichte ausbildbar ist.
  2. Heizvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verläufe der Breiten des Zuleitungselements (11) und des Ableitungselements (12) linear ausgebildet sind und die Heizelemente (13) gleichmäßig breit und mit gleichem Abstand zueinander ausgebildet sind.
  3. Heizvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizbereich (H) wenigstens ein elektrisch nicht angeschlossenes Homogenisierungselement (14) mit definiert höherer Wärmeleitfähigkeit als ein Membran-Material für eine Homogenisierung einer Temperaturverteilung ausgebildet ist, wobei das Homogenisierungselement (14) zwischen zwei Heizelementen (13) ausgebildet ist.
  4. Heizvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Homogenisierungselement (14) eckig oder definiert abgerundet ausgebildet ist.
  5. Heizvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (13) gerade oder definiert gekrümmt ausgebildet sind.
  6. Heizvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Heizvorrichtung (10) wenigstens eines aus Folgendem ist: Platin, Ruthenium, Platin-Ruthenium-Legierung, Titan, Titanoxid, Platin-Titan-Legierung, Iridium, Platin-Titan-Palladium-Legierung, Platin-Zirkon-Oxid-Legierung.
  7. Heizvorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuleitungselement (11), das Ableitungselement (12) und die Heizelemente (13) aus demselben Material ausgebildet sind oder aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
  8. Heizvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (10) einstückig ausgebildet ist.
  9. MEMS-Sensor (100) aufweisend eine auf einer Membran (20) angeordnete Heizvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung (10) für einen MEMS-Sensor (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines metallischen Zuleitungselements (11) für elektrischen Strom; - Bereitstellen eines metallischen Ableitungselement (12) für elektrischen Strom; und - Anordnen von metallischen Heizelementen (13) zwischen dem Zuleitungselement (11) und dem Ableitungselement (12), wobei das Zuleitungselement (11), das Ableitungselement (12) und die Heizelemente (13) derart ausgebildet werden, dass • das Zuleitungselement (11) über einen Heizbereich (H) verlaufend eine definiert abnehmende Breite aufweist und dass das Ableitungselement (12) über den Heizbereich (H) verlaufend eine definiert zunehmende Breite aufweist und • das Zuleitungselement (11) und das Ableitungselement (12) im Heizbereich (H) jeweils so breit ist wie eine Gesamtbreite der in einer Stromflussrichtung (R) angeordneten Heizelemente (13), wodurch in allen Elementen (11, 12, 13) eine konstante elektrische Stromdichte ausbildbar ist.
  11. Verwendung einer Heizvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Gas-MEMS-Sensor.
DE102015222072.9A 2015-11-10 2015-11-10 Heizvorrichtung für MEMS-Sensor Active DE102015222072B4 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015222072.9A DE102015222072B4 (de) 2015-11-10 2015-11-10 Heizvorrichtung für MEMS-Sensor
US15/346,705 US10370239B2 (en) 2015-11-10 2016-11-08 Heating apparatus for a MEMS sensor
CN201610984262.5A CN107055455B (zh) 2015-11-10 2016-11-09 用于mems传感器的加热装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015222072.9A DE102015222072B4 (de) 2015-11-10 2015-11-10 Heizvorrichtung für MEMS-Sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102015222072A1 DE102015222072A1 (de) 2017-05-11
DE102015222072B4 true DE102015222072B4 (de) 2019-03-28

Family

ID=58584580

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015222072.9A Active DE102015222072B4 (de) 2015-11-10 2015-11-10 Heizvorrichtung für MEMS-Sensor

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10370239B2 (de)
CN (1) CN107055455B (de)
DE (1) DE102015222072B4 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019132829B4 (de) 2019-12-03 2022-12-08 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN207375750U (zh) * 2017-08-14 2018-05-18 南方科技大学 一种mems微热板
DE102018210111A1 (de) * 2018-06-21 2019-12-24 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Sensor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6450025B1 (en) 1998-03-20 2002-09-17 Denso Corporation Micro-heater and airflow sensor using the same
US20130001765A1 (en) * 2011-06-29 2013-01-03 Invensense, Inc. Integrated heater on mems cap for wafer scale packaged mems sensors
US20130074593A1 (en) * 2011-09-22 2013-03-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Flow sensor, mass flow controller, and method for manufacturing flow sensor
US8410560B2 (en) 2010-01-21 2013-04-02 Cambridge Cmos Sensors Ltd. Electromigration reduction in micro-hotplates
US20150137303A1 (en) * 2013-11-21 2015-05-21 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd Mechanisms for forming micro-electro mechanical device

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58103979A (ja) * 1981-12-16 1983-06-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 薄板積層可撓導体の通電方法
FI101911B1 (fi) * 1993-04-07 1998-09-15 Valtion Teknillinen Sähköisesti moduloitava terminen säteilylähde ja menetelmä sen valmistamiseksi
FI110727B (fi) * 1994-06-23 2003-03-14 Vaisala Oyj Sähköisesti moduloitava terminen säteilylähde
FI112005B (fi) * 1995-11-24 2003-10-15 Valtion Teknillinen Sähköisesti moduloitavissa oleva terminen säteilylähde
US5928549A (en) * 1997-03-21 1999-07-27 Cox & Company, Inc. Etched foil heater for low voltage applications requiring uniform heating
TW444514B (en) * 1998-03-31 2001-07-01 Tdk Corp Resistance device
DE10134515B4 (de) * 2001-07-16 2004-05-06 W.E.T. Automotive Systems Ag Leitereinrichtung mit einem eine Verengung aufweisenden flächigen Hauptleiter
DE10208552B4 (de) * 2002-02-27 2006-03-02 Saint-Gobain Glass Deutschland Gmbh Elektrisch beheizbare vorgespannte Glasscheibe
JP4017503B2 (ja) * 2002-11-19 2007-12-05 横浜ゴム株式会社 空気入りタイヤ
JP3816073B2 (ja) * 2003-01-28 2006-08-30 日本特殊陶業株式会社 グロープラグ及びグロープラグの製造方法
JP2011096464A (ja) * 2009-10-28 2011-05-12 Harison Toshiba Lighting Corp セラミックヒータ、加熱装置、画像形成装置
KR101416730B1 (ko) * 2010-07-30 2014-07-08 쿄세라 코포레이션 히터 및 이것을 구비한 글로 플러그
KR101477559B1 (ko) * 2010-10-27 2014-12-30 쿄세라 코포레이션 히터 및 이것을 구비한 글로 플러그
KR101504631B1 (ko) * 2011-04-27 2015-03-20 쿄세라 코포레이션 히터 및 이것을 구비한 글로우 플러그
JP6228458B2 (ja) * 2011-11-15 2017-11-08 株式会社美鈴工業 ヒータ並びにそれを備える定着装置及び乾燥装置
DE102012202035B4 (de) * 2012-02-10 2014-05-28 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauelement mit einer Membran
TWI497698B (zh) * 2012-05-09 2015-08-21 Panasonic Corp 紅外線放射元件
CN204652688U (zh) * 2015-04-08 2015-09-16 厦门格睿伟业电子科技有限公司 一种陶瓷加热管

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6450025B1 (en) 1998-03-20 2002-09-17 Denso Corporation Micro-heater and airflow sensor using the same
US8410560B2 (en) 2010-01-21 2013-04-02 Cambridge Cmos Sensors Ltd. Electromigration reduction in micro-hotplates
US20130001765A1 (en) * 2011-06-29 2013-01-03 Invensense, Inc. Integrated heater on mems cap for wafer scale packaged mems sensors
US20130074593A1 (en) * 2011-09-22 2013-03-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Flow sensor, mass flow controller, and method for manufacturing flow sensor
US20150137303A1 (en) * 2013-11-21 2015-05-21 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd Mechanisms for forming micro-electro mechanical device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019132829B4 (de) 2019-12-03 2022-12-08 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Also Published As

Publication number Publication date
CN107055455A (zh) 2017-08-18
US10370239B2 (en) 2019-08-06
US20170129768A1 (en) 2017-05-11
CN107055455B (zh) 2022-03-25
DE102015222072A1 (de) 2017-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015222072B4 (de) Heizvorrichtung für MEMS-Sensor
DE112007001364B4 (de) Halbleitereinrichtung und elektrische Einrichtung mit einer derartigen Halbleitereinrichtung
DE102012209936A1 (de) Elektrische Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug
DE102009003491A1 (de) Solarzellenstring und Solarmodul mit derartigen Solarzellenstrings
EP3305016B1 (de) Elektrische heizeinrichtung für mobile anwendungen
EP2436051B1 (de) Piezoelektrisches bauelement
EP2756509B1 (de) Vielschichtbauelement und verfahren zu dessen herstellung
DE112016006296T5 (de) Halbleiterkondensator und Stromversorgungsmodul
DE202011000434U1 (de) Elektrische Verbindung zwischen zwei Busbars aus ebenen Leitern und einer zwischen den Leitern angeordneten Isolationsschicht
WO2012031963A2 (de) Widerstandsbauelement und verfahren zur herstellung eines widerstandsbauelements
DE112014000307T5 (de) Anschlussplatte für eine Brennstoffzelle, Herstellungsverfahren für eine Anschlussplatte für eineBrennstoffzelle und Brennstoffzelle
EP2933577B1 (de) Elektrische Heizvorrichtung
DE102017115774A1 (de) Chipwiderstand und Verfahren zum Fertigen des Chipwiderstands
DE102018123950A1 (de) Isolierter Draht, Spule und Verfahren zur Herstellung der Spule
EP2529423B1 (de) Piezoelektrisches bauelement
WO2017093476A1 (de) Thermoelektrisches modul
DE102004014157A1 (de) Thermistor vom Laminattyp mit positivem Temperaturkoeffizienten
WO2018167133A1 (de) VARISTOR-BAUELEMENT MIT ERHÖHTEM STOßSTROMAUFNAHMEVERMÖGEN
EP2987179B1 (de) Hochfrequenzleiter mit verbesserter leitfähigkeit
DE102018115085B4 (de) Keramisches Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschichtbauelements
DE102006025955B4 (de) Piezoelektrischer Aktor mit Isolationsabsicherung
EP3573425A1 (de) Verfahren zur herstellung einer heizeinrichtung und damit hergestellte heizeinrichtung
DE102019110736B4 (de) Aktuator
DE112017001230T5 (de) Ozongenerierungs-Bauelement und Ozongenerierungsvorrichtung
DE102021001212A1 (de) Kollektorfolie für eine Anode und/oder eine Kathode einer Lithium-Ionen-Batterie, sowie Lithium-Ionen-Batterie

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final