DE102017122043A1 - MEMS-Gassensor - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Gassensor (1), der einen eine Ausnehmung (7) aufweisenden Träger (2), ein gasempfindliches Element (5), das in der Ausnehmung (7) angeordnet ist, und eine Abschirmschicht (11), die die Ausnehmung (7) zumindest teilweise abdeckt, umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Gassensor.
  • MEMS-Gassensoren haben aufgrund ihres Potenzials, als Massenartikel in z.B. Mobiltelefonen oder Luftqualitätsüberwachungsstationen für Zuhause verwendet zu werden, viel Interesse auf sich gezogen. Ein Nachteil dieser Sensoren ist jedoch ihre hohe Leistungsaufnahme.
  • Ogita, M. et al. „Ga2O3 thin films for high-temperature gas sensors", Applied Surface Science 142.1 (1999): 188-191 offenbart ein Beispiel für ein Arbeitsprinzip eines MEMS-Gassensors. Insbesondere umfasst der MEMS-Gassensor eine Metalloxidschicht auf einem Keramik-Substrat, die auf eine Arbeitstemperatur erwärmt wird.
  • Andere Arten von MEMS-Gassensoren sind ebenso möglich.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten MEMS-Gassensor bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen MEMS-Gassensor mit einer reduzierten Leistungsaufnahme bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen MEMS-Gassensor gemäß Anspruch 1.
  • Es wird ein MEMS-Gassensor bereitgestellt, der einen eine Ausnehmung aufweisenden Träger, ein gasempfindliches Element, das in der Ausnehmung angeordnet ist, und eine Abschirmschicht, die die Ausnehmung zumindest teilweise abdeckt, umfasst.
  • Die Abschirmschicht kann dazu konfiguriert sein, eine Wärmeübertragung weg vom gasempfindlichen Element zu reduzieren. Insbesondere kann die Abschirmschicht dazu konfiguriert sein, eine Wärmeübertragung durch Konvektion und Strahlung zu reduzieren.
  • Die Abschirmschicht kann die Ausnehmung, abgesehen von Belüftungslöchern, welche die Abschirmschicht durchdringen, völlig abdecken. Somit kann die Abschirmschicht verhindern, dass Wärme, welche von dem gasempfindlichen Element abgegeben wird, aus der Ausnehmung in eine Umgebung des MEMS-Gassensors abgeleitet wird. Insbesondere kann die Abschirmschicht dazu konfiguriert sein, durch das gasempfindliche Element abgegebene infrarote elektromagnetische Strahlung teilweise zu reflektieren. Die Abschirmschicht kann auch dazu konfiguriert sein, Wärme in die Ausnehmung abzugeben, als Reaktion darauf, dass die Abschirmschicht durch die Wärme von dem gasempfindlichen Element aufgeheizt wird. Somit kann die Abschirmschicht sicherstellen, dass nicht die gesamte Wärme, die durch das gasempfindliche Element abgegeben wird, in der Umgebung verloren geht.
  • Wenn ein Gasmolekül auf das gasempfindliche Element trifft, kann das Gasmolekül verbrennen, wobei die Endprodukte des Verbrennungsprozesses in Kontakt mit den anderen Gasmolekülen in der Ausnehmung kommen können und Wärme auf diese Gasmoleküle übertragen können. Dadurch kann ein Gleichgewicht zwischen Edukten und Produkten erreicht werden.
  • In diesem Zusammenhang kann „Wärme“ insbesondere elektromagnetischer Strahlung im Infrarotspektrum entsprechen. „Wärme“ kann auch elektromagnetischer Strahlung in anderen Frequenzspektren entsprechen. Die Begriffe „Wärme“ und „Wärmeübertragung“ können sich auch auf andere Mechanismen der Wärmeübertragung als Strahlung, zum Beispiel auf Konvektion beziehen.
  • Das gasempfindliche Element kann ein Element sein, das die Detektion einer oder mehrerer Arten von Gas erlaubt. Zum Beispiel kann das gasempfindliche Element eine Metalloxidschicht sein. Andere Arten von gasempfindlichen Elementen sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel kann das gasempfindliche Element ein Pellistor oder ein Metalloxid-Halbleiter-Gassensor sein. Typischerweise muss das gasempfindliche Element auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt werden, welche im Bereich zwischen 200°C und 1200°C liegen kann. Zum Beispiel kann die Arbeitstemperatur 600°C sein.
  • Die Ausnehmung im Träger kann eine Kammer bilden, in der das gasempfindliche Element einem Gas ausgesetzt ist, das durch das gasempfindliche Element gemessen werden soll.
  • Der Träger, auf dem das gasempfindliche Element angeordnet ist, kann kleinvolumig aufgebaut sein. Insbesondere kann eine Membran, auf der das gasempfindliche Element angeordnet sein kann, so dünn sein, dass die Membran eine niedrige Wärmekapazität aufweist.
  • Wie oben erläutert, kann die Abschirmschicht die Wärme, die vom gasempfindlichen Element in die Umgebung abgeleitet wird, reduzieren. Somit muss dem gasempfindlichen Element weniger Leistung zugeführt werden, um das gasempfindliche Element auf seiner stabilen Arbeitstemperatur zu halten. Dementsprechend kann die Abschirmschicht die Leistungsaufnahme des MEMS-Gassensors reduzieren.
  • Außerdem kann die Abschirmschicht auch eine mechanische Tragstruktur bilden, die dazu beitragen kann, die mechanische Stabilität des MEMS-Gassensors zu verbessern. Dadurch kann die Anordnung der Abschirmschicht einen dünneren Membranaufbau, der weniger Wärme absorbiert, erlauben. In einem MEMS-Gassensor ohne Abschirmschicht gibt es eine untere Grenze für die Membrandicke, da der MEMS-Gassensor so aufgebaut sein sollte, dass er eine mechanische Stabilität aufweist, die ausreicht, um einem Fallversuch standzuhalten. Wenn die mechanische Stabilität durch die Abschirmschicht bereitgestellt wird, wird die Verwendung dünnerer Membranen möglich.
  • Die Ausgestaltung der Abschirmschicht kann eine Anpassung der Sensorgeschwindigkeit und der Leistungsaufnahme des Sensors in gewünschter Weise erlauben. Insbesondere durch eine Modifizierung der Größe und der Dichte von Belüftungslöchern, die die Abschirmschicht durchdringen, können Sensorgeschwindigkeit und Leistungsaufnahme optimiert werden.
  • Der MEMS-Gassensor kann dazu konfiguriert sein, das gasempfindliche Element zu erwärmen. Insbesondere kann der Sensor dazu konfiguriert sein, das gasempfindliche Element auf seine Arbeitstemperatur zu erwärmen. Die Arbeitstemperatur kann im Bereich zwischen 200°C und 1200°C, zum Beispiel bei 600°C liegen. Zur Erwärmung des gasempfindlichen Elements muss der MEMS-Gassensor Leistung aufnehmen. Um die Leistungsaufnahme innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten, reduziert die vorliegende Erfindung die Wärmeableitung.
  • Die Abschirmschicht kann dazu konfiguriert sein, Wärme zu reflektieren, die durch das gasempfindliche Element abgegeben wird. Die durch die Abschirmschicht reflektierte Wärme kann in der Ausnehmung verbleiben und kann so das gasempfindliche Element aufheizen. Dadurch reduziert die Abschirmschicht den Wärmeverlust aufgrund von Strahlung. Die Abschirmschicht reduziert auch den Wärmeverlust durch Konvektion, da die Abschirmschicht Moleküle, die aufgeheizt wurden, daran hindern kann, aus der Ausnehmung zu entkommen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Abschirmschicht aus einer einzigen Schicht bestehen. Das Material der Schicht sollte so gewählt werden, dass es keine Wärme abgibt, und es sollte ein guter Reflektor sein, d. h., es absorbiert Wärme weitgehend nicht.
  • In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Abschirmschicht mindestens eine untere Schicht, die dem gasempfindlichen Element zugewandt ist, und eine obere Schicht, die vom gasempfindlichen Element abgewandt ist. In dieser Ausführungsform kann die untere Schicht so optimiert sein, dass sie Wärme, die durch das gasempfindliche Element abgegeben wird, reflektiert. Die obere Schicht kann so optimiert sein, dass sie keine Wärme in eine Umgebung des MEMS-Gassensors abgibt.
  • Die untere Schicht kann einen Absorptionsgrad von weniger als 0,4 aufweisen. Dementsprechend kann die untere Schicht nicht viel von der Wärme, die durch das gasempfindliche Element abgegeben wird, absorbieren.
  • In diesem Zusammenhang kann „Absorptionsgrad“ als der Teil der auftreffenden elektromagnetischen Leistung, der an einer Grenzfläche absorbiert wird, definiert werden. Der Absorptionsgrad kann als das Verhältnis von Strahlungsfluss, der durch eine Oberfläche absorbiert wird, zu Strahlungsfluss, der durch diese Oberfläche aufgenommen wird, definiert werden. Ein weißer Körper weist einen Absorptionsgrad von null auf. Die untere Schicht der Abschirmschicht kann so ausgeführt sein, dass sie dem idealen weißen Körper ähnelt.
  • Die untere Schicht kann Aluminium, Silber oder Palladium umfassen. Die untere Schicht kann auch aus einem dieser Materialien bestehen. Jedes dieser Materialien stellt den gewünschten niedrigen Absorptionsgrad bereit. Deshalb ist jedes dieser Materialien besonders geeignet für die untere Schicht.
  • Die obere Schicht kann einen Emissionsgrad von weniger als 0,4 aufweisen. Dementsprechend kann die obere Schicht dazu konfiguriert sein, nicht viel Wärme an die Umgebung abzugeben.
  • Der Emissionsgrad kann Informationen über einen Wirksamkeitsgrad der oberen Schicht beim Abgeben von Energie als Wärmestrahlung bereitstellen. Der Emissionsgrad kann als das Verhältnis von Energie, die von einer Oberfläche abgestrahlt wird, zu Energie, die durch einen schwarzen Körper bei derselben Temperatur abgestrahlt wird, definiert werden.
  • Die obere Schicht kann Kadmium, Wolfram oder Bronze umfassen. Jedes dieser Materialien ist dazu konfiguriert, den gewünschten niedrigen Emissionsgrad bereitzustellen. Die obere Schicht kann auch aus einem dieser Materialien bestehen.
  • Ferner kann die Abschirmschicht eine mittlere Schicht umfassen, die zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht eingeschoben ist. Die mittlere Schicht kann dazu konfiguriert sein, eine Wärmeleitung zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht zu reduzieren. Dementsprechend soll die mittlere Schicht verhindern, dass Wärme vom Unterteil der Abschirmschicht zu einer oberen Oberfläche der Abschirmschicht wandert. Außerdem kann die mittlere Schicht auch dazu beitragen, die mechanische Stabilität der Abschirmschicht zu verbessern. Vorzugsweise umfasst die mittlere Schicht ein Oxid, zum Beispiel Aluminiumoxid oder Siliziumoxid, da diese Materialien eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In einigen Ausführungsformen sollte eine mechanische Beanspruchung aufgrund verschiedener Wärmeausdehnungskoeffizienten verhindert werden. In diesen Ausführungsformen kann die mittlere Schicht aus Titan bestehen oder Titan umfassen.
  • Die Abschirmschicht kann von Belüftungslöchern durchdrungen sein. Die Belüftungslöcher können ermöglichen, dass Gas aus der Umgebung in die Ausnehmung eintreten und somit durch das gasempfindliche Element gemessen werden kann. Durch Variation von Größe und Dichte der Belüftungslöcher ist es möglich, die Geschwindigkeit und die Leistungsaufnahme des Sensors anzupassen.
  • Der MEMS-Gassensor kann eine unterste Abschirmschicht umfassen, die auf der Seite des Trägers angeordnet ist, die vom gasempfindlichen Element abgewandt ist. Der MEMS-Gassensor kann eine seitliche Abschirmschicht umfassen, die seitlich vom gasempfindlichen Element angeordnet ist. Dementsprechend kann der MEMS-Gassensor von der Abschirmschicht, der seitlichen Abschirmschicht und der untersten Abschirmschicht eingeschlossen sein. Die seitliche Abschirmschicht reduziert den Wärmeverlust auf den seitlichen Seiten des Trägers. Die unterste Abschirmschicht kann den Wärmeverlust an der Unterseite des Trägers reduzieren.
  • Der MEMS-Gassensor kann mehrere Abschirmschichten umfassen, die die Ausnehmung zumindest teilweise abdecken und die aufeinander geschichtet sind. Durch die Bildung von mehreren Schichten von Abschirmschichten kann der Wärmeverlust weiter reduziert werden.
  • Das gasempfindliche Element kann durch Federarme am Träger fixiert sein. Insbesondere können die Federarme eine Mäanderform aufweisen, wobei das gasempfindliche Element nur über die Federarme im direkten mechanischen Kontakt mit dem Träger steht. Dementsprechend steht das gasempfindliche Element möglicherweise nicht über eine große Oberfläche hinweg in Kontakt mit dem Träger. Dadurch kann ein Wärmeverlust aufgrund von Wärmeleitung vom gasempfindlichen Element zum Träger minimiert werden.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
    • 1 zeigt schematisch einen MEMS-Gassensor.
    • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des MEMS-Gassensors.
    • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des MEMS-Gassensors.
    • 4 zeigt eine vierte Ausführungsform des MEMS-Gassensors.
    • 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des MEMS-Gassensors.
    • 6 zeigt eine sechste Ausführungsform des MEMS-Gassensors.
    • 7 bis 13 zeigen ein Verfahren zur Herstellung des MEMS-Gassensors unter Verwendung von Wafer-zu-Wafer-Bonden.
    • 14 bis 16 zeigen ein alternatives Verfahren zur Herstellung des MEMS-Gassensors unter Verwendung einer Opferschicht.
  • 1 zeigt schematisch einen MEMS-Gassensor 1.
  • Der MEMS-Gassensor 1 umfasst einen Träger 2. Der Träger 2 umfasst eine Isolierung 3 und metallische Strukturen. Die metallischen Strukturen im Träger bilden Messkontakte 4, die im direkten Kontakt mit einem gasempfindlichen Element 5 stehen. Die Messkontakte 4 erlauben das Auslesen von Messdaten, die durch das gasempfindliche Element 5 erhalten werden. Die metallischen Strukturen umfassen ferner Heizungskontakte 6, die dazu konfiguriert sind, mit einem Heizelement verbunden zu werden, und die verwendet werden, um den Träger 2 und dadurch das gasempfindliche Element 5 zu erwärmen.
  • Ferner ist im Träger 2 eine Ausnehmung 7 gebildet. In der Ausnehmung 7 ist das gasempfindliche Element 5 angeordnet. Das gasempfindliche Element 5 umfasst eine gasempfindliche Schicht, z.B. eine Metalloxidschicht.
  • Unter der Ausnehmung 7 umfasst der Träger 2 einen verdünnten Bereich. Der verdünnte Bereich des Trägers bildet eine Membran 8. Das gasempfindliche Element 5 ist auf der Membran 8 angeordnet.
  • Der MEMS-Gassensor 1 ist dazu konfiguriert, das gasempfindliche Element 5 über die Heizungskontakte 6 zu erwärmen. Um einen stabilen Betrieb des gasempfindlichen Elements 5 zu ermöglichen, muss das gasempfindliche Element 5 auf eine Arbeitstemperatur erwärmt werden. Die Arbeitstemperatur hängt von verschiedenen Faktoren, insbesondere vom Material des gasempfindlichen Elements 5 und vom Messprinzip des MEMS-Gassensors 1 ab. Die Arbeitstemperatur kann im Bereich zwischen 200°C und 1200°C liegen.
  • Der Träger 2 ist auf einem Substrat 9 angeordnet, das Silizium umfassen kann. Das Substrat 9 umfasst eine Öffnung 10, die unter der Membran 8 angeordnet ist.
  • Außerdem umfasst der MEMS-Gassensor 1 eine Abschirmschicht 11, die die Ausnehmung 7 im Träger 2 zumindest teilweise abdeckt. Die Abschirmschicht 11 ist dazu konfiguriert, eine Übertragung von Wärme von dem gasempfindlichen Element 5 in eine Umgebung des MEMS-Gassensors 1 zu reduzieren oder zu beseitigen. Wenn weniger Wärme von dem gasempfindlichen Element 5 in die Umgebung übertragen wird, muss dem gasempfindlichen Element 5 weniger Wärme zugeführt werden, damit es seine Arbeitstemperatur beibehalten kann, und somit wird die Leistungsaufnahme des MEMS-Gassensors 1 reduziert. Das Aufheizen des gasempfindlichen Elements 5 ist ein wichtiger Faktor bei der Leistungsaufnahme des MEMS-Gassensors 1.
  • Wärme wird vom gasempfindlichen Element 5 in die Umgebung des MEMS-Gassensors 1 durch drei Mechanismen übertragen: Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung.
  • Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärmeenergie durch Materie. Insbesondere ist Wärmeleitung die Übertragung von Wärme durch mikroskopische Kollisionen von Partikeln und Bewegung von Elektronen innerhalb eines Körpers. Die Abschirmschicht 11 beeinflusst nicht einen Wärmeverlust aufgrund von Wärmeleitung. Wie weiter unten noch in Bezug auf die sechste Ausführungsform erläutert wird, kann der MEMS-Gassensor 1 jedoch ferner Mittel zum Reduzieren von Wärmeverlust aufgrund von Wärmeleitung umfassen.
  • Strahlung entspricht Wärme, die durch das gasempfindliche Element 5 als elektromagnetische Strahlung abgegeben wird. Die Wärme, die durch das gasempfindliche Element 5 abgegeben wird, entspricht elektromagnetischer Strahlung in einer Vielzahl von Frequenzen. Insbesondere ist die Wärme, die durch das gasempfindliche Element 5 abgegeben wird, elektromagnetische Strahlung im Infrarotfrequenzbereich. Die Abschirmschicht 11 kann die abgegebene elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise reflektieren, wodurch verhindert wird, dass diese in die Umgebung abgeleitet wird.
  • Konvektion ist die Wärmeübertragung aufgrund von Bewegung einer großen Menge an Molekülen. Konvektion findet durch Advektion, Diffusion oder beides statt. Das gasempfindliche Element 5 heizt die Gasmoleküle in der Ausnehmung 7 auf. Die Abschirmschicht 11 bildet einen Deckel auf der Ausnehmung 7, wodurch die Anzahl von Gasmolekülen, die die Ausnehmung 7 verlässt, erheblich reduziert wird. Die Abschirmschicht 11 verlangsamt den Gasaustausch zwischen der Ausnehmung 7 und der Umgebung. Somit verlangsamt die Abschirmschicht 11 den Wärmeverlust aufgrund von Konvektion, da die Moleküle, die aufgewärmt worden sind, länger in der Ausnehmung 7 bleiben. Die Abschirmschicht 11 dichtet die Ausnehmung 7 nicht vollständig ab, da andernfalls kein Gasaustausch zwischen der Ausnehmung 7 und der Umgebung des MEMS-Gassensors 1 möglich wäre. In diesem Fall könnte das gasempfindliche Element 5 das Gas nicht aus der Umgebung messen. Deshalb sind in der Abschirmschicht 11 Belüftungslöcher 12 angeordnet. Die Belüftungslöcher 12 durchdringen die Abschirmschicht 11. Durch die Belüftungslöcher 12 kann Gas aus der Umgebung in die Ausnehmung 7 eintreten. Die Abschirmschicht 11 kann die Ausnehmung 7 bis auf die Belüftungslöcher 12 vollständig abdecken.
  • Durch das Auswählen von Durchmesser und Dichte der Belüftungslöcher 12 ist es möglich, die Geschwindigkeit und die Leistungsaufnahme des MEMS-Gassensors 1 zu optimieren.
  • In der 1 wird die Wärmeübertragung zwischen dem gasempfindlichen Element 5, der Abschirmschicht 11 und der Umgebung durch Pfeile angegeben. Das gasempfindliche Element 5 gibt Wärme in die Ausnehmung 7 ab, wie durch den Pfeil PIR , Heizung angegeben. Der Pfeil PIR , Heizung beinhaltet Wärme, die durch Strahlung und durch Konvektion übertragen wird.
  • Die untere Oberfläche der Abschirmschicht 11, die der Ausnehmung 7 zugewandt ist, reflektiert teilweise die Wärme, die durch das gasempfindliche Element 5 in die Ausnehmung 7 abgestrahlt wird. Des Weiteren verhindert die Abschirmschicht 11 auch, dass Gasmoleküle, die erwärmt worden sind, aus der Ausnehmung 7 entkommen, da die Moleküle nach dem Kollidieren mit der Abschirmschicht 11 in die Ausnehmung 7 zurückprallen. Ein Pfeil PReflexion gibt die Wärme an, die von der Abschirmschicht 11 zurück in die Ausnehmung 7 reflektiert wurde.
  • Die Abschirmschicht 11 absorbiert auch teilweise die Wärme, die durch das gasempfindliche Element 5 abgegeben wird. Die absorbierte Wärme wird durch die Abschirmschicht 11 teilweise zurück in die Ausnehmung 7 und teilweise in die Umgebung abgegeben. Ein Pfeil PIR-Abschirmung, Ausnehmung, der in die Ausnehmung 7 zeigt, gibt die Wärme an, die von der Abschirmschicht 11 in die Ausnehmung 7 abgegeben wird. Ein Pfeil PIR-Abschirmung, Umg., der von der Ausnehmung weg zeigt, gibt die Wärme an, die von der Abschirmschicht 11 in die Umgebung abgegeben wird. Die Wärme, die in die Umgebung abgegeben wird, ist abgeleitet und verloren.
  • Ohne die Abschirmschicht 11 würde der Wärmeverlust nur durch den Pfeil PIR , Heizung bestimmt. Das Hinzufügen der Abschirmschicht 11 reduziert den Wärmeverlust, da Wärme zum gasempfindlichen Element 5 zurück übertragen wird, wie durch die Pfeile PReflexion und PIR-Abschirmung, Ausnehmung angegeben. Nur die durch den Pfeil PIR-Abschirmung, Umg. angegebene Wärme wird in die Umgebung abgeleitet.
  • Mit anderen Worten kann die Abschirmschicht 11 sicherstellen, dass nicht die gesamte Wärme, die von dem gasempfindlichen Element 5 in die Ausnehmung 7 abgegeben wird, in die Umgebung abgeleitet wird. Stattdessen wird Wärme zurück zum gasempfindlichen Element 5 reflektiert und von der Abschirmschicht 11 zurück in die Ausnehmung 7 abgegeben, wodurch der Wärmeverlust und somit die Leistungsaufnahme des MEMS-Gassensors 1 erheblich reduziert wird.
  • Die Abschirmschicht 11 umfasst zwei Teilschichten. Insbesondere umfasst die Abschirmschicht 11 eine untere Schicht 13, die der Ausnehmung 7 zugewandt ist, und eine obere Schicht 14, die von der Ausnehmung 7 abgewandt ist. Durch diese Ausgestaltung der Abschirmschicht 11 kann das Material der unteren Schicht 13 so optimiert werden, dass es nicht viel Energie absorbiert, und/oder das Material der oberen Schicht 14 kann so optimiert werden, dass es nicht viel Wärme abgibt.
  • Das Material der unteren Schicht 13 wird so gewählt, dass die untere Schicht 13 einem weißen Körper ähnelt. Ein weißer Körper ist ein idealisierter physischer Körper, der die gesamte auftreffende Strahlung vollständig und einheitlich in allen Richtungen reflektiert. Insbesondere ist das Material der unteren Schicht 13 in Bezug auf die Infrarotstrahlung, die durch das gasempfindliche Element 5 abgegeben wird, hochreflektierend. Die untere Schicht 13 kann mindestens eines von Aluminium, Silber oder Palladium umfassen. Die untere Schicht 13 kann auch aus einem dieser Materialien bestehen.
  • Das Material der oberen Schicht 14 wird so gewählt, dass die obere Schicht 14 nicht viel Wärme an die Umgebung abgibt. Die obere Schicht 14 umfasst oder besteht vorzugsweise aus Kadmium, Wolfram oder Bronze.
  • Ferner sind der Träger 2 und insbesondere die Membran 8 so ausgestaltet, dass sie ein kleines Volumen aufweisen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Träger 2 und insbesondere die Membran 8 eine geringe Wärmekapazität aufweisen, d. h., wenn eine kleine Menge an Wärme auf den Träger 2 übertragen wird, hat dies eine große Temperaturänderung zur Folge. Somit ist nicht allzu viel Energie oder Wärme erforderlich, um die Membran 8 aufzuheizen.
  • Ein Nachteil ist jedoch, dass die Membran 8 mechanisch nicht sehr stabil ist. Somit ist es zweifelhaft, ob der MEMS-Gassensor 1 einem Fallversuch standhalten kann, denn die Membran 8 könnte sich bei einem Fallversuch stark verbiegen und könnte sogar dadurch zerstört werden.
  • Die Abschirmschicht 11 stellt dem MEMS-Gassensor 1 genügend mechanische Stabilität bereit. Die Abschirmschicht 11 wird an der Membran 8 fixiert. Die Abschirmschicht 11 dient als Tragstruktur für die Membran 8, welche sicherstellt, dass die Membran 8 sich während eines Fallversuchs nicht übermäßig verbiegt. Somit stellt die Abschirmschicht 11 sicher, dass der MEMS-Gassensor 1 dem Fallversuch standhält.
  • Um die mechanische Stabilität weiter zu verbessern, kann die Abschirmschicht 11 eine spezielle stabile Ausgestaltung aufweisen. Die Abschirmschicht 11 kann von einer Richtung senkrecht zu einer Flächennormalen der Abschirmschicht 11 gesehen einen T-förmigen oder H-förmigen Querschnitt aufweisen. Ein solcher Querschnitt stellt eine hohe mechanische Stabilität bei ziemlich kleinem Volumen bereit. Zum Beispiel werden Stahlträger ebenfalls in dieser Form ausgebildet. Ein kleines Volumen der Abschirmschicht 11 ist wünschenswert, da es einer niedrigen Wärmekapazität und einer geringen Leitfähigkeit der Abschirmschicht 11 entspricht.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des MEMS-Gassensors 1. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Abschirmschicht 11 drei Teilschichten umfasst. Die Abschirmschicht 11 umfasst die untere Schicht 13, wie mit Bezug auf die erste Ausführungsform erläutert, und die obere Schicht 14, wie mit Bezug auf die erste Ausführungsform erläutert. Ferner umfasst die Abschirmschicht 11 eine mittlere Schicht 15, die zwischen der unteren Schicht 13 und der oberen Schicht 14 eingeschoben ist.
  • Die mittlere Schicht 15 reduziert die Wärmeleitung zwischen der unteren Schicht 13 und der oberen Schicht 14. Somit trägt die mittlere Schicht 15 dazu bei, die von der oberen Schicht 14 an die Umgebung abgegebene Wärme zu reduzieren, da weniger Wärme von der unteren Schicht 13 zur oberen Schicht 14 durch Wärmeleitung übertragen wird. Außerdem kann die mittlere Schicht 15 dazu beitragen, weitere mechanische Stabilität für die Abschirmschicht 11 bereitzustellen. Die mittlere Schicht 15 kann aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Titan bestehen oder mindestens eines davon umfassen.
  • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des MEMS-Gassensors 1. Gemäß der dritten Ausführungsform besteht die Abschirmschicht 11 aus einer einzigen Schicht.
  • 4 zeigt eine vierte Ausführungsform des MEMS-Gassensors 1. Gemäß der vierten Ausführungsform umfasst der MEMS-Gassensor 1 eine unterste Abschirmschicht 16, die auf der Seite des Trägers 2 angeordnet ist, die vom gasempfindlichen Element 5 abgewandt ist. Natürlich gibt das gasempfindliche Element 5 Wärme nicht nur in die Ausnehmung 7 ab, sondern auch in andere Richtungen. Insbesondere gibt das gasempfindliche Element 5 auch Wärme an den Träger 2 ab. Durch Anordnen der untersten Abschirmschicht 16 unter den Träger 2, kann der Wärmeverlust an die Umgebung durch Wärme, die vom Träger 2 an die Umgebung abgegeben wird, erheblich reduziert werden.
  • Die unterste Abschirmschicht 16 und der Träger 2 sind durch einen Zwischenraum 17 getrennt. Der Zwischenraum 17 umfasst ein Vakuum, d. h. Luft aus dem Zwischenraum 17 wurde evakuiert. Somit kann eine Wärmekonvektion vom Träger 2 zur untersten Abschirmschicht 16 vermieden oder zumindest reduziert werden. In einer alternativen Ausführungsform grenzt die unterste Abschirmschicht 16 an den Träger 2 an.
  • Außerdem umfasst der MEMS-Gassensor 1 seitliche Abschirmschichten 18. Die seitlichen Abschirmschichten 18 sind auf den seitlichen Seitenflächen des Trägers 2 angeordnet. Die seitlichen Abschirmschichten 18 und der Träger 2 sind ebenfalls durch einen Zwischenraum 19 getrennt. Der Zwischenraum 19 umfasst ein Vakuum, d. h. Luft aus dem Zwischenraum 19 wurde evakuiert. Somit kann eine Wärmekonvektion vom Träger 2 zu den seitlichen Abschirmschichten 18 vermieden oder zumindest reduziert werden. In einer alternativen Ausführungsform grenzen die seitlichen Abschirmschichten 18 an den Träger 2 an.
  • Der Träger 2 kann von der Abschirmschicht 11, den seitlichen Abschirmschichten 18 und der untersten Abschirmschicht 16 eingeschlossen sein. Nur die Belüftungslöcher 12 in der Abschirmschicht 11 durchdringen die Einschließung.
  • 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des MEMS-Gassensors 1. Gemäß der fünften Ausführungsform umfasst der MEMS-Gassensor 1 mehrere Abschirmschichten 11, die eine Schichtstruktur bilden. Die geschichtete Anordnung von mehreren Abschirmschichten 11 reduziert den Wärmeverlust weiter.
  • 6 zeigt eine sechste Ausführungsform des MEMS-Gassensors 1. In der sechsten Ausführungsform ist das gasempfindliche Element 5 durch Federarme 20 am Träger 2 fixiert. Die Federarme 20 weisen eine Mäanderform auf. Eine thermische Kopplung zwischen dem gasempfindlichen Element 5 und dem Träger 2 erfolgt nur über die Federarme 20. Dies reduziert den Wärmeverlust durch Wärmeleitung, da weniger Wärme durch Wärmeleitung vom gasempfindlichen Element 5 zum Träger 2 übertragen wird. Ferner umfasst der MEMS-Gassensor 1 gemäß der sechsten Ausführungsform eine Abschirmschicht 11, die in 6 nicht gezeigt ist.
  • Die Ausführungsformen eins bis sechs können kombiniert werden. Insbesondere kann die Abschirmschicht 11 der ersten Ausführungsform durch eine Abschirmschicht ersetzt werden, die eine andere Teilstruktur als mit Bezug auf die zweite und dritte Ausführungsform offenbart aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann/können die unterste Abschirmschicht 16, die seitliche Abschirmschicht 18 und/oder die Federarme 20 zur ersten Ausführungsform hinzugefügt werden.
  • 7 bis 13 zeigen ein erstes Verfahren zur Herstellung des MEMS-Gassensors 1 der ersten Ausführungsform. Gemäß dem ersten Verfahren wird der MEMS-Gassensor 1 durch Wafer-zu-Wafer-Bonden hergestellt.
  • In einem ersten Schritt, in den 7 und 8 gezeigt, wird der Träger 2 auf dem Siliziumsubstrat 9 durch Auftragen der Isolierung 3 und der metallischen Struktur für die Heizungskontakte 6 und die Messkontakte 4 gebildet. Dieser Schritt wird auf Waferebene durchgeführt. Somit wird eine Vielzahl von MEMS-Gassensoren 1 gleichzeitig hergestellt. 7 und 8 zeigen einen kleinen Teil eines ersten Wafers.
  • In einem nächsten Schritt, in 9 gezeigt, wird die Ausnehmung 7 durch Grabenätzen gebildet. In einem nächsten Schritt, in 10 gezeigt, wird das gasempfindliche Element 5 in der Ausnehmung abgelegt. Das gasempfindliche Element 5 kann auch durch andere Verfahren gebildet werden.
  • In einem nächsten Schritt, in 11 gezeigt, wird ein zweiter Wafer mit dem ersten Wafer gebondet. Der zweite Wafer umfasst eine Schichtstruktur mit einer dem Träger 2 zugewandten unteren Schicht 13, einer auf der unteren Schicht 13 angeordneten oberen Schicht 14 und einer Siliziumschicht 21, die später entfernt wird. Die untere Schicht 13 entspricht der unteren Schicht 13 der Abschirmschicht 11. Die obere Schicht 14 entspricht der oberen Schicht 14 der Abschirmschicht 11.
  • In einem nächsten Schritt, in 12 gezeigt, wird die Siliziumschicht 21 des zweiten Wafers, zum Beispiel durch Ätzen oder Polieren entfernt. Ferner wird die Öffnung 10 im Siliziumsubstrat 9 unter der Membran 8 gebildet. Die Öffnung 10 kann durch Ätzen gebildet werden.
  • In einem letzten Schritt, in 13 gezeigt, werden die Belüftungslöcher 12 in der Abschirmschicht 11 gebildet.
  • Außerdem wird die Abschirmschicht 11 auf Teilen, die die Ausnehmung 7 nicht abdecken, teilweise entfernt.
  • Die 14 bis 16 zeigen ein alternatives Verfahren zur Herstellung des MEMS-Gassensors 1. Gemäß dem alternativen Verfahren wird zur Bildung der Ausnehmung 7 im Träger 2 eine Opferschicht 22 verwendet. Das alternative Verfahren wird ebenfalls auf Waferebene durchgeführt.
  • Ein möglicher Nachteil des zweiten Herstellungsverfahrens ist der Kontakt zwischen dem gasempfindlichen Element 5 und der Opferschicht 22, da die Opferschicht 22 möglicherweise nicht vollständig entfernt werden kann. Insbesondere können Ätzrückstände zurückbleiben. Im Prinzip sollte das kein Problem darstellen, da die Rückstände verbrannt werden, wenn das gasempfindliche Element 5 während des Betriebs des MEMS-Gassensors 1 auf seine Arbeitstemperatur erwärmt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    MEMS-Gassensor
    2
    Träger
    3
    Isolierung
    4
    Messkontakt
    5
    gasempfindliches Element
    6
    Heizungskontakt
    7
    Ausnehmung
    8
    Membran
    9
    Substrat
    10
    Öffnung
    11
    Abschirmschicht
    12
    Belüftungsloch
    13
    untere Schicht
    14
    obere Schicht
    15
    mittlere Schicht
    16
    unterste Abschirmschicht
    17
    Zwischenraum
    18
    seitliche Abschirmschicht
    19
    Zwischenraum
    20
    Federarm
    21
    Siliziumschicht
    22
    Opferschicht
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Ogita, M. et al. „Ga2O3 thin films for high-temperature gas sensors“, Applied Surface Science 142.1 (1999): 188-191 [0003]

Claims (15)

  1. MEMS-Gassensor (1), umfassend einen eine Ausnehmung (7) aufweisenden Träger (2), ein gasempfindliches Element (5), das in der Ausnehmung (7) angeordnet ist, und eine Abschirmschicht (11), die die Ausnehmung (7) zumindest teilweise abdeckt.
  2. MEMS-Gassensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei der MEMS-Gassensor (1) dazu konfiguriert ist, das gasempfindliche Element (5) zu erwärmen.
  3. MEMS-Gassensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschirmschicht (11) dazu konfiguriert ist, durch das gasempfindliche Element (5) abgegebene Wärme zu reflektieren.
  4. MEMS-Gassensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschirmschicht (11) aus einer einzigen Schicht besteht.
  5. MEMS-Gassensor (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Abschirmschicht (11) mindestens eine untere Schicht (13), die dem gasempfindlichen Element (5) zugewandt ist, und eine obere Schicht (14), die vom gasempfindlichen Element (5) abgewandt ist, umfasst.
  6. MEMS-Gassensor (1) gemäß Anspruch 5, wobei die untere Schicht (13) einen Absorptionsgrad von weniger als 0,4 aufweist.
  7. MEMS-Gassensor (1) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die untere Schicht (13) Aluminium, Silber oder Palladium umfasst.
  8. MEMS-Gassensor (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die obere Schicht (14) einen Emissionsgrad von weniger als 0,4 aufweist.
  9. MEMS-Gassensor (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die obere Schicht (14) Kadmium, Wolfram oder Bronze umfasst.
  10. MEMS-Gassensor (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Abschirmschicht (11) eine mittlere Schicht (15), die zwischen der unteren Schicht (13) und der oberen Schicht (14) eingeschoben ist, umfasst.
  11. MEMS-Gassensor (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mittlere Schicht (15) mindestens eines von Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Titan umfasst.
  12. MEMS-Gassensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschirmschicht (11) von Belüftungslöchern (12) durchdrungen ist.
  13. MEMS-Gassensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der MEMS-Gassensor (1) eine unterste Abschirmschicht (16) umfasst, die auf der Seite des Trägers (2) angeordnet ist, die vom gasempfindlichen Element (5) abgewandt ist, und/oder wobei der MEMS-Gassensor (1) eine seitliche Abschirmschicht (18) umfasst, die seitlich vom gasempfindlichen Element (5) angeordnet ist.
  14. MEMS-Gassensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der MEMS-Gassensor (1) mehrere Abschirmschichten (11) umfasst, die die Ausnehmung (7) zumindest teilweise abdecken und die aufeinander geschichtet sind.
  15. MEMS-Gassensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gasempfindliche Element (5) durch Federarme am Träger (2) fixiert ist.
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