DE102017114228B4 - Sheet resistor and thin film sensor - Google Patents

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Abstract

Schichtwiderstand (2) aufweisend ein Widerstandsmaterial (3), das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials (8) aufweist, in die Partikel (9) eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials sich von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials unterscheidet, wobei das zweite leitfähige Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist.Sheet resistor (2) comprising a resistance material (3) which has a matrix of a first conductive material (8) in which particles (9) of a second conductive material are dispersed, the thermal expansion coefficient of the resistance material differing from the thermal expansion coefficient of the first material differs, wherein the second conductive material comprises a nitride of a transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schichtwiderstand sowie einen Dünnfilmsensor, der den Schichtwiderstand aufweist.
DE 10 2015 006 057 A1 zeigt einen Schichtwiderstand mit einem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial, dass eine Kohlenstoffmatrix bildet, in die Cluster eingebettet sind. WO 2009/ 129 930 A1 zeigt einen Schichtwiderstand, der eine Kohlenstoffmatrix umfasst, in die Cluster eines leitfähigen Clustermaterials beziehungsweise eines Carbids eines Clustermaterials eingebettet sind.The present invention relates to a sheet resistor and a thin film sensor having the sheet resistor.
DE 10 2015 006 057 A1 shows a sheet resistor with a carbon-containing resistor material that forms a carbon matrix in which clusters are embedded. WO 2009/129 930 A1 shows a sheet resistor which comprises a carbon matrix in which clusters of a conductive cluster material or a carbide of a cluster material are embedded.

Ein Schichtwiderstand kann eine piezoresistive Schicht aufweisen, an der zwei Elektroden angeordnet sind. In einem Dünnfilmsensor wird der Schichtwiderstand auf einen Trägerkörper aufgebracht. Insbesondere kann der Schichtwiderstand auf eine Membran des Trägerkörpers aufgebracht werden, die relativ zu einem Substrat des Trägerkörpers schwingen kann oder relativ zu dem Substrat gebogen werden kann.A sheet resistor can have a piezoresistive layer on which two electrodes are arranged. In a thin film sensor, the sheet resistor is applied to a carrier body. In particular, the sheet resistor can be applied to a membrane of the carrier body which can oscillate relative to a substrate of the carrier body or can be bent relative to the substrate.

Um eine hohe Messgenauigkeit des Dünnfilmsensors zu ermöglichen, sollte es vermieden werden, dass während einer Messung mechanischer Stress zwischen dem Schichtwiderstand und dem Trägerkörper entsteht. Mechanischer Stress könnte beispielsweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Schichtwiderstands und des Trägerkörpers entstehen, wenn es zu einer Temperaturänderung kommt. Durch mechanischen Stress könnte es zu Drifts in den Messergebnissen und eine damit verbundene Ungenauigkeit der Messung oder sogar zu einer Zerstörung des Dünnfilmsensors kommen.In order to enable a high measurement accuracy of the thin-film sensor, it should be avoided that mechanical stress arises between the sheet resistor and the carrier body during a measurement. Mechanical stress could arise, for example, from different thermal expansion coefficients of the sheet resistance and the carrier body if there is a change in temperature. Mechanical stress could lead to drifts in the measurement results and the associated inaccuracy of the measurement or even to destruction of the thin-film sensor.

Ferner sollte der Schichtwiderstand eine hohe Sensitivität aufweisen, um eine hohe Messgenauigkeit beispielsweise bei einer Druckmessung zu ermöglichen. Bei einem piezoresitiven Sensor kann die Sensitivität durch den K-Faktor, der auch als „Gage-Faktor“ bezeichnet wird, angegeben werden. Dieser beschreibt das Verhältnis zwischen relativer Widerstandsänderung zu relativer Längenänderung einer piezoelektrischen Schicht. Der Schichtwiderstand sollte eine Sensitivität von K > 2 besitzen.Furthermore, the sheet resistance should have a high sensitivity in order to enable a high measurement accuracy, for example in the case of a pressure measurement. In the case of a piezoresistive sensor, the sensitivity can be indicated by the K-factor, which is also referred to as the “gage factor”. This describes the relationship between the relative change in resistance and the relative change in length of a piezoelectric layer. The sheet resistance should have a sensitivity of K> 2.

In einem Drucksensor ist der Schichtwiderstand üblicherweise einer zyklischen Biegebeanspruchung ausgesetzt. Daher ist es erforderlich, dass der Schichtwiderstand eine gute mechanische Stabilität aufweist. Aus diesem Grund sollte der Schichtwiderstand vorzugsweise einen geringen Elastizitätsmodul aufweisen.In a pressure sensor, the sheet resistance is usually exposed to cyclical bending stress. It is therefore necessary for the sheet resistor to have good mechanical stability. For this reason, the sheet resistor should preferably have a low modulus of elasticity.

Vorzugsweise sollte der Schichtsensor ferner dazu geeignet sein, bei hohen Drücken von bis zu 1000 bar und bei hohen Temperaturen von bis zu 250 °C eingesetzt zu werden.The layer sensor should preferably also be suitable for use at high pressures of up to 1000 bar and at high temperatures of up to 250 ° C.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Schichtwiderstand anzugeben. Der Schichtwiderstand sollte vorzugsweise eine oder mehrere der oben genannten Anforderungen erfüllen. Insbesondere sollte der Schichtwiderstand derart konstruiert sein, dass sein thermischer Ausdehnungskoeffizient in einer gewünschten Weise eingestellt und an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Trägerkörpers angepasst werden kann.The object of the present invention is to specify an improved sheet resistor. The sheet resistance should preferably meet one or more of the above requirements. In particular, the sheet resistor should be constructed in such a way that its coefficient of thermal expansion can be set in a desired manner and adapted to the coefficient of thermal expansion of a carrier body.

Diese Aufgabe wird durch einen Schichtwiderstand gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a sheet resistor according to the present claim 1.

Es wird ein Schichtwiderstand vorgeschlagen, der ein Widerstandsmaterial aufweist, das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials aufweist, in die Partikel eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials sich von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials unterscheidet, wobei das zweite leitfähige Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist.A sheet resistor is proposed which has a resistance material which has a matrix of a first conductive material in which particles of a second conductive material are dispersed, the coefficient of thermal expansion of the resistance material being different from the coefficient of thermal expansion of the first material, the second conductive material Material comprises a nitride of a transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W.

Durch das Dispergieren des zweiten leitfähigen Materials in die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials in gewünschter Weise angepasst werden. Dementsprechend unterscheidet sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials. Durch die Dispersion des ersten leitfähigen Materials und des zweiten leitfähigen Materials kann sich für das Widerstandsmaterial ein thermischer Ausdehnungskoeffizient ergeben, der höher oder niedriger ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des ersten Materials. Dementsprechend kann durch die Partikel des zweiten leitfähigen Materials der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials gegenüber einem Material, das nur aus der Matrix des ersten leitfähigen Materials besteht, verändert werden.By dispersing the second conductive material in the matrix of the first conductive material, the coefficient of thermal expansion of the resistance material can be adapted in a desired manner. Accordingly, the coefficient of thermal expansion of the resistance material differs from the coefficient of thermal expansion of the first material. The dispersion of the first conductive material and the second conductive material can result in a coefficient of thermal expansion for the resistance material which is higher or lower than the coefficient of thermal expansion of the first material. Accordingly, the particles of the second conductive material can change the coefficient of thermal expansion of the resistance material compared to a material that consists only of the matrix of the first conductive material.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstandes kann sehr genau einstellbar sein, indem eine Konzentration und/oder eine Partikelgröße der Partikel des zweiten leitfähigen Materials variiert werden. Diese Parameter beeinflussen den thermischen Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstands. Dementsprechend kann durch eine geeignete Wahl der Konzentration und der Partikelgröße der Partikel des zweiten leitfähigen Materials der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstands so angepasst werden, dass er dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Trägerkörpers entspricht. Auch das Material der Partikel des zweiten leitfähigen Materials kann den thermischen Ausdehnungskoeffizienten beeinflussen.The coefficient of thermal expansion of the sheet resistor can be set very precisely by varying a concentration and / or a particle size of the particles of the second conductive material. These parameters influence the thermal expansion coefficient of the sheet resistance. Accordingly, through a suitable choice of the concentration and the particle size of the particles of the second conductive material, the coefficient of thermal expansion of the sheet resistor can be adapted so that it corresponds to the coefficient of thermal expansion of a carrier body. Also the material of the Particles of the second conductive material can influence the coefficient of thermal expansion.

Das erste leitfähige Material ist ein Material, das sich von dem zweiten leitfähigen Material unterscheidet. Das erste leitfähige Material kann ein piezoresistives Material sein.The first conductive material is a material different from the second conductive material. The first conductive material can be a piezoresistive material.

Da die Partikel des zweiten leitfähigen Materials in das erste leitfähige Material dispergiert sind, bilden das erste leitfähige Material und das zweite leitfähige Material eine Dispersion. Die beiden Materialien können dementsprechend ein heterogenes Gemisch bilden. Die Partikel des zweiten Materials können sich dabei nicht in der Matrix des ersten Materials lösen und können sich mit dieser kaum chemisch verbinden. Die Partikel des zweiten Materials können in dem ersten leitfähigen Material fein verteilt sein. Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können in dem ersten Material zufällig angeordnet sein.Since the particles of the second conductive material are dispersed in the first conductive material, the first conductive material and the second conductive material form a dispersion. The two materials can accordingly form a heterogeneous mixture. The particles of the second material cannot dissolve in the matrix of the first material and can hardly chemically bond with it. The particles of the second material can be finely distributed in the first conductive material. The particles of the second conductive material may be randomly arranged in the first material.

Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können auch als Clusterpartikel bezeichnet werden. Die Menge des eingebrachten Clusterpartikels in der Matrix des ersten leitfähigen Materials kann es ermöglichen, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten exakt auf einen gewünschten Wert einzustellen und diesen damit an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines verwendeten Substrats anzupassen. Genau abgestimmte thermische Ausdehnungskoeffizienten können den Stress zwischen dem Schichtwiderstand und dem Substrat minimieren, wodurch eine höhere Toleranz gegenüber externem thermischem Stress erreicht werden kann. Dadurch kann eine Langzeitstabilität des Schichtwiderstands verbessert werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstandes kann über seine Lebensdauer um weniger als 0,1 % variieren.The particles of the second conductive material can also be referred to as cluster particles. The amount of cluster particles introduced in the matrix of the first conductive material can make it possible to set the coefficient of thermal expansion exactly to a desired value and thus to adapt it to the coefficient of thermal expansion of a substrate used. Exactly coordinated thermal expansion coefficients can minimize the stress between the sheet resistor and the substrate, whereby a higher tolerance towards external thermal stress can be achieved. This can improve the long-term stability of the sheet resistor. The thermal expansion coefficient of the sheet resistor can vary by less than 0.1% over its service life.

Ferner kann die Verwendung von Partikeln eines zweiten leitfähigen Materials die Konstruktion eines Schichtwiderstands ermöglichen, der einen hohen K-Faktor und damit eine hohe Messsensitivität aufweist. Da das zweite Material leitfähig ist, wird die Sensitivität durch das Einbringen des zweiten Materials in die Matrix nicht verringert. Der K-Faktor des Widerstandsmaterials kann größer als 2 sein.Furthermore, the use of particles of a second conductive material can enable the construction of a sheet resistor which has a high K-factor and thus a high measurement sensitivity. Since the second material is conductive, the introduction of the second material into the matrix does not reduce the sensitivity. The K-factor of the resistor material can be greater than 2.

Ferner kann das Widerstandsmaterial eine lineare Temperaturabhängigkeit aufweisen. Insbesondere kann der Schichtwiderstand eine lineare Temperaturabhängigkeit über einen großen Temperaturbereich, beispielsweise zwischen 50 K und 550 K, aufweisen.Furthermore, the resistance material can have a linear temperature dependence. In particular, the sheet resistance can have a linear temperature dependency over a large temperature range, for example between 50 K and 550 K.

Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können eine Hülle aufweisen, die graphitischen Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC aufweist. Insbesondere kann die Hülle aus einem dieser Materialien bestehen. Die Hülle kann die Partikel stabilisieren.The particles of the second conductive material can have a shell which has graphitic carbon, Ag, Si or SiC. In particular, the shell can consist of one of these materials. The shell can stabilize the particles.

Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können eine Partikelgröße zwischen 5 nm und 50 nm aufweisen. Bei kugelförmigen Partikeln gibt der Durchmesser der Kugel die Partikelgröße an. Bei Partikeln mit einer unregelmäßigeren Form wird der Abstand der beiden am weitesten voneinander entfernten Punkte des Partikels als Partikelgröße angenommen.The particles of the second conductive material can have a particle size between 5 nm and 50 nm. In the case of spherical particles, the diameter of the sphere indicates the particle size. In the case of particles with a more irregular shape, the distance between the two most distant points on the particle is taken as the particle size.

Die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann zumindest eines ausgewählt aus amorphem Kohlenstoff, einem Polymer, AlPO4, amorphem Si und amorphem SiC aufweisen. Die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann aus einem dieser Materialien bestehen. Bei dem ersten Material kann es sich um eine amorphe Kohlenstoffmatrix handeln, die Si- und/oder SiC-Anteile aufweist. Die Si- und/oder SiC-Anteile können den Elastizitätsmodul des Widerstandsmaterials beeinflussen. Der Elastizitätsmodul kann durch das Einbringen von Si oder SiC in die Matrix aus amorphem Kohlenstoff variiert werden, ohne dabei den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verändern.The matrix of the first conductive material may have at least one selected from amorphous carbon, a polymer, AlPO 4 , amorphous Si and amorphous SiC. The matrix of the first conductive material can consist of one of these materials. The first material can be an amorphous carbon matrix which has Si and / or SiC components. The Si and / or SiC components can influence the modulus of elasticity of the resistor material. The modulus of elasticity can be varied by introducing Si or SiC into the amorphous carbon matrix without changing the coefficient of thermal expansion.

Das Widerstandsmaterial kann einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 9 ppm/K und 11 ppm/K aufweisen. Thermische Ausdehnungskoeffizienten in diesem Bereich sind typisch für die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, die für einen Trägerkörper eines Dünnfilmsensors verwendet werden können, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkon oder Edelstahl.The resistor material can have a coefficient of thermal expansion between 9 ppm / K and 11 ppm / K. Thermal expansion coefficients in this range are typical for the thermal expansion coefficients of the materials that can be used for a carrier body of a thin-film sensor, for example yttrium-stabilized zirconium or stainless steel.

Den Partikeln des zweiten leitfähigen Materials kann Sauerstoff beigemischt sein. Dementsprechend können die Partikel des zweiten leitfähigen Materials zusätzlich zu dem Nitrid des Übergangsmetalls TaON, ZrON CrON, TiON, GaON, VON, MnON, MoON oder WoON aufweisen.Oxygen can be added to the particles of the second conductive material. Accordingly, in addition to the nitride of the transition metal, the particles of the second conductive material can comprise TaON, ZrON, CrON, TiON, GaON, VON, MnON, MoON or WoON.

Der Schichtwiderstand kann mit Hilfe eines Sol-Gel-Prozesses in Verbindung mit einer thermischen Behandlung oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (englisch: Physical Vapor Deposition = PVD) oder chemischer Gasphasenabscheidung (englisch: Chemical Vapor Deposition = CVD) hergestellt werden. Bei dem Sol-Gel-Prozess in Verbindung mit dem thermischen Behandeln kann es sich um einen sogenannten Harnstoff-Glas-Router handeln.The sheet resistance can be produced with the help of a sol-gel process in connection with a thermal treatment or by physical vapor deposition (English: Physical Vapor Deposition = PVD) or chemical vapor deposition (English: Chemical Vapor Deposition = CVD). The sol-gel process in connection with the thermal treatment can be a so-called urea-glass router.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Dünnfilmsensor, der den oben beschriebenen Schichtwiderstand aufweist.According to a further aspect, the present invention relates to a thin film sensor which has the sheet resistance described above.

Der Dünnfilmsensor kann einen Trägerkörper aufweisen, auf dem der Schichtwiderstand angeordnet ist, wobei der Trägerkörper und der Schichtwiderstand den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere kann der Schichtwiderstand unmittelbar auf dem Trägerkörper angeordnet sein. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstands und des Trägerkörpers können als gleich angesehen werden, wenn die thermischen Ausdehnungskoeffizienten um weniger als 0,2 ppm/K voneinander abweichen, vorzugsweise um weniger als 0,05 ppm/K. Durch die aufeinander abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten können selbst bei großen Temperaturschwankungen mechanische Belastungen zwischen Schichtwiderstand und Trägerkörper vermieden werden. Damit kann eine Langzeitstabilität des Schichtwiderstands und eine hohe Messgenauigkeit über die gesamte Lebenszeit des Schichtwiderstands ermöglicht werden.The thin-film sensor can have a carrier body on which the sheet resistor is arranged, the carrier body and the sheet resistor having the same coefficient of thermal expansion. In particular, the The sheet resistor can be arranged directly on the carrier body. The thermal expansion coefficient of the sheet resistor and the carrier body can be regarded as the same if the thermal expansion coefficients differ from one another by less than 0.2 ppm / K, preferably by less than 0.05 ppm / K. Due to the coordinated thermal expansion coefficients, mechanical loads between the sheet resistor and the carrier body can be avoided even with large temperature fluctuations. This enables long-term stability of the sheet resistor and high measurement accuracy over the entire lifetime of the sheet resistor.

Eine Konzentration und eine Partikelgröße der Partikel des zweiten leitfähigen Materials können derart gewählt sein, dass der Trägerkörper und der Schichtwiderstand den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dementsprechend bietet die Verwendung des zweiten leitfähigen Materials eine hohe Designflexibilität, die die Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ermöglicht, und gleichzeitig sicherstellt, dass der Schichtwiderstand einen hohen K-Faktor und eine lineare Temperaturabhängigkeit zeigt.A concentration and a particle size of the particles of the second conductive material can be selected such that the carrier body and the sheet resistor have the same coefficient of thermal expansion. Accordingly, the use of the second conductive material offers a high degree of design flexibility, which enables the coefficient of thermal expansion to be adapted, and at the same time ensures that the sheet resistance exhibits a high K-factor and a linear temperature dependence.

Der Trägerkörper kann Edelstahl oder Yttrium-stabilisiertes Zirkon aufweisen.The carrier body can comprise stainless steel or yttrium-stabilized zirconium.

Der Trägerkörper kann eine Membran und ein Substrat aufweisen, an dem die Membran derart befestigt ist, dass die Membran sich relativ zu dem Substrat bewegen kann, wobei der Schichtwiderstand unmittelbar auf der Membran angeordnet ist. Die Membran und das Substrat können aus dem gleichen Material bestehen.The carrier body can have a membrane and a substrate to which the membrane is attached in such a way that the membrane can move relative to the substrate, the sheet resistor being arranged directly on the membrane. The membrane and the substrate can consist of the same material.

Gemäß einem weiteren, nicht beanspruchten Aspekt wird eine Verwendung von Partikeln eines zweiten leitfähigen Materials zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Widerstandsmaterials eines Schichtwiderstands beschrieben, wobei das Widerstandsmaterial eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials aufweist, in die die Partikel des zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind. Bei dem Schichtwiderstand kann es sich insbesondere um den oben beschriebenen Schichtwiderstand handeln. Dementsprechend können alle strukturellen und funktionalen Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Schichtwiderstand oder dem Dünnfilmsensor offenbart wurden, auch auf diesen Aspekt zutreffen.According to a further, not claimed aspect, a use of particles of a second conductive material for adjusting a thermal expansion coefficient of a resistance material of a sheet resistor is described, the resistance material having a matrix of a first conductive material in which the particles of the second conductive material are dispersed. The sheet resistance can in particular be the sheet resistance described above. Accordingly, all structural and functional features that have been disclosed in connection with the sheet resistor or the thin-film sensor can also apply to this aspect.

Dementsprechend können die Partikel des zweiten leitfähigen Materials dazu verwendet werden, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Widerstandsmaterials in einer gewünschten Weise einzustellen. Insbesondere kann der thermische Ausdehnungskoeffizient auf einen Wert eingestellt werden, der von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Trägerkörpers um weniger als 0,2 ppm/K, vorzugsweise um weniger als 0,05 ppm/K, abweicht.Accordingly, the particles of the second conductive material can be used to adjust the thermal expansion coefficient of the resistance material in a desired manner. In particular, the coefficient of thermal expansion can be set to a value which deviates from the coefficient of thermal expansion of a carrier body by less than 0.2 ppm / K, preferably by less than 0.05 ppm / K.

Das zweite leitfähige Material kann ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweisen.The second conductive material can be a nitride of a transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W or a carbide of a transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W have.

Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können eine Hülle aufweisen, die graphitischen Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC aufweist.The particles of the second conductive material can have a shell which has graphitic carbon, Ag, Si or SiC.

Die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann zumindest eines ausgewählt aus amorphem Kohlenstoff, einem Polymer, AlPO4, amorphem Si und amorphem SiC aufweisen.The matrix of the first conductive material may have at least one selected from amorphous carbon, a polymer, AlPO4, amorphous Si and amorphous SiC.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Figuren erläutert.

  • 1 zeigt einen Schichtwiderstand.
  • 2 zeigt einen Dünnfilmsensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 3 zeigt einen Dünnfilmsensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
The present invention is explained below with reference to the accompanying figures.
  • 1 shows a sheet resistor.
  • 2 Fig. 10 shows a thin film sensor according to a first embodiment.
  • 3 Fig. 3 shows a thin film sensor according to a second embodiment.

In 1 ist eine Schnittansicht durch einen Schichtwiderstand 2 dargestellt, der ein Widerstandsmaterial 3 aufweist, das zwischen zwei Elektroden 4 angeordnet ist. Der Schichtwiderstand dient dazu, einen definierten elektrischen Widerstand zwischen den beiden Elektroden 4 bereitzustellen.In 1 Fig. 3 is a sectional view through a sheet resistor 2 shown, which is a resistor material 3 having that between two electrodes 4th is arranged. The sheet resistance is used to establish a defined electrical resistance between the two electrodes 4th provide.

Das Widerstandsmaterial 3 ist schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt, um die Zusammensetzung des Widerstandsmaterials 3 zu verdeutlichen. Das Widerstandsmaterial 3 weist eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials 8 auf. Bei dem ersten leitfähigen Material kann es sich um amorphen Kohlenstoff, ein Polymer, AlPO4, amorphes Si oder amorphes SiC handeln.The resistance material 3 is shown schematically and not to scale to show the composition of the resistor material 3 to clarify. The resistance material 3 comprises a matrix of a first conductive material 8th on. The first conductive material can be amorphous carbon, a polymer, AlPO 4 , amorphous Si or amorphous SiC.

In dem ersten Material 8 sind Partikel 9 eines zweiten leitfähigen Materials angeordnet. Die Partikel 9 sind in das erste Material 8 eingebettet. In 1 sind die Partikel 9 in Kugelform dargestellt. Möglich sind auch Ellipsoide, längliche Partikel oder unregelmäßige Partikel.In the first material 8th are particles 9 a second conductive material arranged. The particles 9 are in the first material 8th embedded. In 1 are the particles 9 shown in spherical shape. Ellipsoids, elongated particles or irregular particles are also possible.

Die Partikel 9 weisen das zweite leitfähige Material auf, bei dem es sich um ein Nitrid eines Übergangsmetalls oder ein Carbid eines Übergangsmetalls handelt. Dabei kann das Übergangsmetall eines ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W sein. Die Partikel 9 können darüber hinaus eine Sauerstoffbeimischung zu dem Nitrid des Übergangsmetalls oder dem Carbid des Übergangsmetalls aufweisen. Ferner weisen die Partikel 9 eine Hülle 10 auf, die die Partikel 9 stabilisiert. Die Hülle 10 kann aus graphitischem Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC bestehen.The particles 9 comprise the second conductive material which is a nitride of a transition metal or a carbide of a transition metal. Here, the transition metal can be one selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W. The particles 9 can also have an admixture of oxygen with the nitride of the transition metal or the carbide of the transition metal. Furthermore, the particles 9 a case 10 on that the particles 9 stabilized. The case 10 can consist of graphitic carbon, Ag, Si or SiC.

2 zeigt einen Dünnfilmsensor 1, der einen Schichtwiderstand 2 mit dem Widerstandsmaterial 3 aufweist. Der Schichtwiderstand 2 weist ferner zwei Elektroden 4 auf. Die Elektroden 4 sind an entgegengesetzten Enden des Widerstandsmaterials 3 angeordnet. 2 shows a thin film sensor 1 that has a sheet resistor 2 with the resistor material 3 having. The sheet resistance 2 also has two electrodes 4th on. The electrodes 4th are at opposite ends of the resistor material 3 arranged.

Der Dünnfilmsensor 1 weist einen Trägerkörper 7 auf. Der Trägerkörper 7 weist eine Membran 5 und ein Substrat 6 auf. Die Membran 5 ist an dem Substrat 6 derart befestigt, dass die Membran 5 sich relativ zu dem Substrat 6 bewegen kann. Insbesondere kann die Membran 5 relativ zu dem Substrat 6 schwingen. Dabei kann ein mittlerer Bereich der Membran 5 gebogen werden. Der Schichtwiderstand 2 ist auf der Membran 5 angeordnet. Das Widerstandsmaterial 3 kann dazu unmittelbar auf der Membran 5 abgeschieden sein. Insbesondere ist der Schichtwiderstand 2 in dem Bereich der Membran 5 angeordnet, der relativ zu dem Substrat 6 beweglich ist.The thin film sensor 1 has a carrier body 7th on. The carrier body 7th has a membrane 5 and a substrate 6th on. The membrane 5 is on the substrate 6th so attached that the membrane 5 relative to the substrate 6th can move. In particular, the membrane 5 relative to the substrate 6th swing. A central area of the membrane can be used 5 be bent. The sheet resistance 2 is on the membrane 5 arranged. The resistance material 3 can do this directly on the membrane 5 be secluded. In particular, the sheet resistance is 2 in the area of the membrane 5 arranged relative to the substrate 6th is movable.

Verformt sich nunmehr die Membran 5 in Folge eines auf sie ausgeübten Drucks, führt dieses zu einer Verformung des Widerstandsmaterials 3. Dabei entsteht aufgrund des piezoelektrischen Effektes ein elektrisches Signal, das von den Elektroden 4 erfasst werden kann.The membrane is now deformed 5 as a result of a pressure exerted on them, this leads to a deformation of the resistance material 3 . Due to the piezoelectric effect, an electrical signal is generated by the electrodes 4th can be captured.

Vorzugsweise weist der Dünnfilmsensor 1 vier Schichtwiderstände 2 auf, die zu einer elektrischen Widerstandbrücke verschaltet sind. Bei der Widerstandsbrücke handelt es sich vorzugsweise um eine Wheatstonebrücke. Auf Basis der von diesen Schichtwiderständen 2 erfassten elektrischen Signale kann ein auf den Dünnfilmsensor 1 ausgeübter Druck berechnet werden.The thin film sensor preferably has 1 four sheet resistors 2 which are interconnected to form an electrical resistance bridge. The resistance bridge is preferably a Wheatstone bridge. On the basis of these sheet resistances 2 detected electrical signals can be transmitted to the thin film sensor 1 applied pressure can be calculated.

Der hier beschriebene Dünnfilmsensor 1 eignet sich neben der Messung eines Drucks auch zur Messung von Kräften sowie zur Messung einer Dehnung der Membran 5.The thin film sensor described here 1 In addition to measuring pressure, it is also suitable for measuring forces and for measuring expansion of the membrane 5 .

Das Widerstandsmaterial 3 ist das oben beschriebene Material, das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials 8 aufweist, in die Partikel 9 eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei das zweite leitfähige Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist.The resistance material 3 is the material described above that is a matrix of a first conductive material 8th has into the particles 9 of a second conductive material, the second conductive material being a nitride of a transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W or a carbide of a transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W.

Die Membran 5 und das Substrat 6 können Edelstahl oder Yttrium-stabilisiertes Zirkon aufweisen. Der Schichtwiderstand 3 weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der nahezu identisch zu den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Membran 5 und des Substrats 6 ist.The membrane 5 and the substrate 6th can include stainless steel or yttrium-stabilized zirconium. The sheet resistance 3 has a thermal expansion coefficient that is almost identical to the thermal expansion coefficient of the membrane 5 and the substrate 6th is.

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Dünnfilmsensors 1, bei dem die Membran 5 nur einseitig an dem Substrat 6 befestigt ist. Dementsprechend kann die Membran 5 relativ zu dem Substrat 6 gebogen werden. 3 Fig. 10 shows a second embodiment of the thin film sensor 1 in which the membrane 5 only on one side of the substrate 6th is attached. Accordingly, the membrane 5 relative to the substrate 6th be bent.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
DünnfilmsensorThin film sensor
22
SchichtwiderstandSheet resistance
33
WiderstandsmaterialResistance material
44th
Elektrodeelectrode
55
Membranmembrane
66th
SubstratSubstrate
77th
TrägerkörperCarrier body
88th
erstes leitfähiges Materialfirst conductive material
99
Partikel eines zweiten leitfähigen MaterialsParticles of a second conductive material
1010
HülleShell

Claims (13)

Schichtwiderstand (2) aufweisend ein Widerstandsmaterial (3), das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials (8) aufweist, in die Partikel (9) eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials sich von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials unterscheidet, wobei das zweite leitfähige Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist.Sheet resistor (2) comprising a resistance material (3) which has a matrix of a first conductive material (8) in which particles (9) of a second conductive material are dispersed, the thermal expansion coefficient of the resistance material differing from the thermal expansion coefficient of the first material differs, wherein the second conductive material comprises a nitride of a transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W. Schichtwiderstand (2) gemäß Anspruch 1, wobei die Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials eine Hülle (10) aufweisen, die graphitischen Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC aufweist.Sheet resistance (2) according to Claim 1 wherein the particles (9) of the second conductive material have a shell (10) which comprises graphitic carbon, Ag, Si or SiC. Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials eine Partikelgröße zwischen 5 nm und 50 nm aufweisen.Sheet resistor (2) according to one of the preceding claims, wherein the particles (9) of the second conductive material have a particle size between 5 nm and 50 nm. Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Matrix des ersten leitfähigen Materials (8) zumindest eines ausgewählt aus amorphem Kohlenstoff, amorphem Si und amorphem SiC aufweist.Sheet resistor (2) according to one of the preceding claims, wherein the matrix of the first conductive material (8) has at least one selected from amorphous carbon, amorphous Si and amorphous SiC. Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Widerstandsmaterial (3) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 9 ppm/K und 11 ppm/K aufweist.Sheet resistor (2) according to one of the preceding claims, wherein the resistor material (3) has a coefficient of thermal expansion between 9 ppm / K and 11 ppm / K. Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials eine Sauerstoffbeimischung durch TaON, ZrON, CrON, TiON, GaON, VON, MnON oder MoON aufweisen.Sheet resistor (2) according to one of the preceding claims, wherein the particles (9) of the second conductive material have an admixture of oxygen through TaON, ZrON, CrON, TiON, GaON, VON, MnON or MoON. Dünnfilmsensor (1) aufweisend einen Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.Thin-film sensor (1) having a sheet resistor (2) according to one of the preceding claims. Dünnfilmsensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, aufweisend einen Trägerkörper (7), auf dem der Schichtwiderstand (2) angeordnet ist, wobei der Trägerkörper (7) und der Schichtwiderstand (2) den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.Thin film sensor (1) according to the preceding claim, comprising a carrier body (7) on which the sheet resistor (2) is arranged, the carrier body (7) and the sheet resistor (2) having the same coefficient of thermal expansion. Dünnfilmsensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei eine Konzentration und eine Partikelgröße der Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials derart gewählt sind, dass der Trägerkörper (7) und der Schichtwiderstand (2) den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.Thin film sensor (1) according to the preceding claim, wherein a concentration and a particle size of the particles (9) of the second conductive material are selected such that the carrier body (7) and the sheet resistor (2) have the same coefficient of thermal expansion. Dünnfilmsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der Trägerkörper (7) Edelstahl aufweist.Thin film sensor (1) according to one of the Claims 8 or 9 , wherein the carrier body (7) comprises stainless steel. Dünnfilmsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Trägerkörper (7) eine Membran (5) und ein Substrat (6) aufweist, an dem die Membran (5) derart befestigt ist, dass die Membran (5) sich relativ zu dem Substrat (6) bewegen kann, wobei der Schichtwiderstand (2) unmittelbar auf der Membran (5) angeordnet ist.Thin film sensor (1) according to one of the Claims 8 to 10 , wherein the carrier body (7) has a membrane (5) and a substrate (6) to which the membrane (5) is attached in such a way that the membrane (5) can move relative to the substrate (6), the Sheet resistor (2) is arranged directly on the membrane (5). Schichtwiderstand (2) aufweisend ein Widerstandsmaterial (3), das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials (8) aufweist, in die Partikel (9) eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials sich von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials unterscheidet, wobei das zweite leitfähige Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist, wobei die Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials eine Hülle (10) aufweisen, die Ag, Si oder SiC aufweist.Sheet resistor (2) comprising a resistance material (3) which has a matrix of a first conductive material (8) in which particles (9) of a second conductive material are dispersed, the thermal expansion coefficient of the resistance material differing from the thermal expansion coefficient of the first material differs, wherein the second conductive material is a nitride of a transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W or a carbide of a transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn , Mo and W, the particles (9) of the second conductive material having a shell (10) which has Ag, Si or SiC. Schichtwiderstand (2) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials eine Sauerstoffbeimischung durch TaON, ZrON, CrON, TiON, GaON, VON, MnON, MoON, TaOC, ZrOC, CrOC, TiOC, GaOC, VOC, MnOC, MoOC oder WOC aufweisen.Sheet resistor (2) according to the preceding claim, wherein the particles (9) of the second conductive material an admixture of oxygen by TaON, ZrON, CrON, TiON, GaON, VON, MnON, MoON, TaOC, ZrOC, CrOC, TiOC, GaOC, VOC, Have MnOC, MoOC or WOC.
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