DE102022126526A1

DE102022126526A1 - Sensorelement und Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements

Info

Publication number: DE102022126526A1
Application number: DE102022126526.9A
Authority: DE
Inventors: Anke Weidenfelder; Jan Ihle
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-18
Also published as: WO2024079096A1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Messung einer Temperatur beschrieben aufweisend- wenigstens einen Träger (11) mit einer Oberseite (18) und einer Unterseite (19), wobei eine isolierende Schicht (12) an der Oberseite (19) des Trägers (11) ausgebildet ist,- wenigstens zwei Elektroden (13a, 13b), die zueinander beabstandet auf dem Träger (2) ausgebildet sind,- wenigstens eine Funktionsschicht (15) aufweisend ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, wobei die wenigstens eine Funktionsschicht (14) zumindest teilweise zwischen den Elektroden (13a, 13b) angeordnet ist,- wenigstens zwei Zwischenschichten (14) aufweisend ein isolierendes Material,- wenigstens zwei Kontaktpads (16a, 16b) zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (10), wobei das Sensorelement (10) dazu ausgebildet ist als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System integriert zu werden, und wobei das Sensorelement (10) einen geringen Abweichungsbereich von einem Sollwiderstand aufweist, wobei wenigstens eine der wenigstens zwei Elektroden (13a, 13b) zur Einstellung des Widerstandswerts strukturiert ausgebildet ist.Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement, insbesondere einen Temperatursensor. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Sensorelements, vorzugsweise eines Temperatursensors.
Um passive Bauelemente, wie zum Beispiel Sensoren, Kondensatoren, Schutzbauelemente oder Heizer in elektrische Systeme zu integrieren, müssen die Dimensionen für moderne Packaging-Designs angepasst sein, die im mikrometer- und sogar nanometer-skaligen Bereich liegen. Um diesen Miniaturisierungsgrad zu erreichen, werden die Bauelemente als dünne Filme auf Trägerstrukturen mit elektrischen Anschlüssen abgeschieden und als diskretes Bauelement beschrieben. Diese neuartigen Bauelemente lassen sich unter anderem in verschiedene Leiterplatten, MEMS (Mikro Elektro Mechanisches System) oder SESUB (Semiconductor Embedded in Substrate) Strukturen integrieren.
Die steigenden Anforderungen an die Genauigkeit der Temperaturmessung erfordern enge Toleranzen in der Widerstandsstreuung solcher Sensorelemente. Jedoch haben mit immer kleiner werdenden Strukturen die Fertigungstoleranzen einen immer größer werdenden Einfluss, wodurch die resultierende Streuung der Widerstände die geforderten Toleranzen überschreitet. Über die Prozessführung ist die Widerstandsstreuung nur begrenzt reduzierbar.
Nach dem Stand der Technik werden Temperaturen für die Überwachung und Regelung in unterschiedlichsten Anwendungen vorwiegend mit keramischen Heißleiter-Thermistorelementen (NTC), Silizium-Temperatursensoren (KTY), Platin-Temperatursensoren (PRTD) oder Thermoelementen (TC) gemessen. Dabei sind auf Grund der geringen Herstellungskosten die NTC- Thermistoren am weitesten verbreitet. Ein weiterer Vorteil gegenüber Thermoelementen und metallischen Widerstandselementen, wie z.B. Pt-Elementen, besteht in der ausgeprägten negativen Widerstands-Temperatur-Charakteristik.
Für den Einsatz in Leistungsmodulen werden vorwiegend SMD („surface mounted device“ - oberflächenmontierte) NTC-Temperatursensoren verwendet, die aufgelötet werden. Bei Steuermodulen für geringe Leistungen werden alternativ dazu auch NTC-Chips eingesetzt, die an der Unterseite mittels Ag-Sinterpaste, Löten oder Kleben montiert sind und die Oberseite über einen Bonddraht kontaktiert wird.
Für eine elektrische Kontaktierung der NTC-Keramik müssen metallische Elektroden aufgebracht werden. Nach dem Stand der Technik werden dazu Dickschichtelektroden vorwiegend aus Silber- bzw. Gold-Pasten über einen Siebdruckprozess mit anschließendem Einbrand aufgebracht.
Für die Integration von elektronischen Bauelementen in beispielsweise MEMS oder SESUB Strukturen sind sehr kleine Elemente erforderlich, die darüber hinaus noch mit geeigneten Kontaktierungsverfahren integrierbar sein müssen. Klassische Montagetechnologien für SMD Bauformen oder NTC Chips können dafür nicht verwendet werden.
Das Dokument WO 2021/004957 A1 , dessen Inhalt durch Referenz Bestandteil dieser Anmeldung ist, beschreibt einen NTC-Dünnschichtthermistor, der aus mindestens einer ersten Dünnschichtelektrode, mindestens einer NTC-Dünnschicht und mindestens einer zweiten Dünnschichtelektrode besteht.
Bislang konnten Dünnfilm NTC Temperatursensoren nicht mit ähnlich engen Toleranzen wie klassische Bauformen (SMD NTC und NTC Chips) gefertigt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Sensorelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zu beschreiben, welche die oben stehenden Probleme lösen.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird ein Sensorelement beschrieben. Das Sensorelement ist zur Messung einer Temperatur geeignet. Das Sensorelement ist ein Temperatursensor. Das Sensorelement ist ein Dünnfilm NTC Temperatursensor.
Das Sensorelement ist sehr kompakt ausgeführt. Insbesondere ist das Sensorelement dazu ausgebildet als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System eingebettet zu werden. Bevorzugt ist das Sensorelement zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und / oder in eine SESUB Struktur ausgebildet. Zu diesem Zweck muss das Sensorelement sehr kleine Abmessungen aufweisen und darüber hinaus mit geeigneten Kontaktierungsverfahren integrierbar sein. Beispielsweise weist das Sensorelement eine maximale Kantenlänge von 1000 µm, bevorzugt < 800 µm, besonders bevorzugt < 500 um auf. Eine Dicke des Sensorelements ist < 100 µm, bevorzugt < 80 µm, besonders bevorzugt < 50 µm.
Das Sensorelement weist wenigstens einen Träger auf. Vorzugsweise weist das Sensorelement genau einen Träger auf. Der Träger weist ein Trägermaterial auf, vorzugsweise Silicium, Siliciumcarbid oder Glas (silicatisches oder borosilicatisches Glas). Alternativ dazu kann der Träger auch aus einem keramischen Material wie AlN, Si₃N₄ oder Al₂O₃ bestehen.
Der Träger weist vorzugsweise eine rechteckige Grundfläche auf, kann aber auch quadratisch ausgeführt sein. Eine maximale Kantenlänge des Trägers ist in beiden Fällen 1000 µm, vorteilhafterweise < 800 µm, idealerweise < 500 µm.
Der Träger weist eine Oberseite und eine Unterseite auf. Die Oberseite ist elektrisch isolierend ausgebildet. Insbesondere ist eine isolierende Schicht an der Oberseite des Trägers ausgebildet. Die isolierende Schicht ist unmittelbar an der Oberseite des Trägers angeordnet. Die isolierende Schicht kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein. Die isolierende Schicht kann beispielsweise Al₂O₃, AlN, SiO₂ oder Si₃N₄, oder Kombinationen von Schichten dieser Materialien aufweisen. Eine Dicke der isolierenden Schicht ist ≤ 1,5 µm.
Das Sensorelement weist ferner wenigstens zwei Elektroden auf. Das Sensorelement kann natürlich auch mehr als zwei Elektroden, beispielsweise vier, sechs, oder acht Elektroden aufweisen.
Die Elektroden sind vorzugsweise als Dünnschichtelektroden ausgebildet. Die Elektroden können im Weiteren auch als Elektrodenschicht bezeichnet werden. Dies soll zum Ausdruck bringen, dass die Elektroden einzelne Schichten des Sensorelements darstellen. Mit den Begriffen Elektrode und Elektrodenschicht ist dabei jeweils die gleiche Komponente des Sensorelements gemeint.
Das Sensorelement weist ferner wenigstens eine Funktionsschicht auf. Das Sensorelement kann selbstverständlich mehr als eine Funktionsschicht aufweisen, beispielsweise zwei, drei oder vier Funktionsschichten. Die Funktionsschichten sind in diesem Fall quer zu einer Hauptausdehnungsrichtung des Sensorelements übereinander angeordnet bzw. gestapelt.
Die wenigstens eine Funktionsschicht ist auf dem Träger angeordnet. Die Funktionsschicht ist zumindest teilweise auf einer der wenigstens zwei Elektroden ausgebildet. Insbesondere ist die Elektrode (diese kann im Folgenden auch als „die unterste Elektrode“ bezeichnet werden) unmittelbar auf der isolierenden Schicht ausgebildet. Die Funktionsschicht ist zumindest teilweise unmittelbar auf der untersten Elektrode ausgebildet. Auf der Funktionsschicht ist zumindest teilweise eine weitere der wenigstens zwei Elektroden unmittelbar angeordnet. Die wenigstens eine Funktionsschicht ist folglich zumindest teilweise zwischen den Elektroden angeordnet (Sandwich-Struktur) .
Eine Dicke der Funktionsschicht liegt zwischen 50 nm und 1 µm, bevorzugt zwischen 100 nm und 500 nm, besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm. Die Funktionsschicht weist ein Material (Funktionsmaterial) auf, das eine spezielle elektrische Charakteristik aufweist. Die Funktionsschicht weist ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf. Vorzugsweise weist die Funktionsschicht eine NTC Keramik auf. Bevorzugt ist die Funktionsschicht ein Dünnfilm mit NTC Charakteristik.
Bevorzugt basiert die NTC Keramik auf einem oxidischen Material im Perowskit- oder Spinell-Strukturtyp. Alternativ dazu kann die Funktionsschicht basierend auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material aufgebaut sein.
Insbesondere sind die folgenden Funktionsschichten möglich:

- Oxidische: beispielsweise Perowskit (basierend auf Mischkristallen der Zusammensetzung CaMnO₃, bei dem Ca ganz oder teilweise durch beispielsweise Y, Cr, Al oder La ersetzt sein kann) oder Spinell (basierend auf Mischkristallen von NiMn₂O₄, bei dem Ni und Mn mit beispielsweise Fe, Co, Al ganz oder teilweise ersetzt sein können);
b) Carbidische, beispielsweise (Si,Ti)C, hexagonales oder kubisches SiC;
c) Nitridische, beispielsweise (AI,Ti)N, CrN.

Eine weitere Alternative stellen Dünnschichten aus Vanadiumoxid dar.
Das Sensorelement weist ferner wenigstens zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements auf. Vorzugsweise weist das Sensorelement genau zwei Kontaktpads auf. Die Kontaktpads sind direkt elektrisch und mechanisch mit den Elektroden verbunden.
Weiterhin weist das Sensorelement wenigstens zwei Zwischenschichten auf. Das Sensorelement kann auch mehr als zwei Zwischenschichten, beispielsweise vier, fünf oder sechs Zwischenschichten aufweisen. Die jeweilige Zwischenschicht ist isolierend ausgebildet. Insbesondere weist die jeweilige Zwischenschicht ein isolierendes Material, beispielsweise Al₂O₃, AlN, SiO₂ oder Si₃N₄, auf.
Durch die Ausbildung der Zwischenschichten kann beispielsweise eine elektrische Trennung der Elektroden unterschiedlicher Polarität im kontaktierten Sensorelement gewährleistet werden. Ferner dienen die Zwischenschichten dazu eine Treppenform des Sensorelements zu verhindern. Mit anderen Worten, das Sensorelement weist (insbesondere auf Grund der Zwischenschichten) eine glatte Oberfläche, insbesondere glatte Seitenflächen, d.h. Seitenflächen möglichst frei von Stufen, auf. Dadurch können elektrische Streueffekte wirksam vermieden werden.
Die entsprechenden Sensorelemente weisen eine enge Widerstandstoleranz auf. Das bedeutet, dass das jeweilige Sensorelement einen sehr geringen Abweichungsbereich von einem Sollwiderstand (Nennwert des Widerstands) aufweist.
Wenigstens eine der wenigstens zwei Elektroden ist zur Einstellung des Widerstandswerts des jeweiligen Sensorelements strukturiert ausgebildet. Die wenigstens eine Elektrode ist zur Einstellung des Widerstandswerts trimmbar. Insbesondere ist zumindest ein Teilbereich dieser Elektrode zur Widerstandseinstellung durchtrennt. Sofern der Widerstand bei dem zu trimmenden Bauelement bereits dem Zielwert entspricht, erfolgt hingegen keine Durchtrennung der strukturierten / trimmbaren Bereiche.
Durch die Erzielung eines geringen Abweichungsbereichs vom Sollwiderstand weist das Sensorelement eine sehr hohe Genauigkeit bei der Temperaturmessung auf. Bevorzugt weisen die entsprechenden Sensorelemente eine Widerstandstoleranz auf, die vergleichbar ist zur engen Widerstandstoleranz klassischer Bauformen wie SMD NTCs oder NTC Chips.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Sensorelement eine Oberseite und eine Unterseite auf. Oberseite und Unterseite sind einander gegenüberliegend angeordnet und durch Seitenflächen des Sensorelements miteinander verbunden. Die Unterseite des Sensorelements bezeichnet dabei diejenige Seite, die durch Träger abgeschlossen ist. Insbesondere wird die Unterseite des Sensorelements durch den Träger gebildet.
Das Sensorelement weist eine unterste und eine oberste Elektrode auf. Die oberste Elektrode ist dabei diejenige Elektrode, welche der Oberseite des Sensorelements am nächsten gelegen ist. Die unterste Elektrode ist diejenige Elektrode, welche der Unterseite des Sensorelements am nächsten gelegen ist. Die unterste Elektrode ist unmittelbar auf der isolierenden Schicht ausgebildet. Dabei muss die unterste Elektrode die isolierende Schicht nicht komplett bedecken. Ein Teilbereich der isolierenden Schicht ist bevorzugt frei von einem elektrisch leitenden Material der untersten Elektrode.
Die der Oberseite des Sensorelements am nächsten gelegene Elektrode (d.h. die oberste Elektrode) ist zur Einstellung des Widerstandswerts strukturiert ausgebildet. Es ergeben sich damit Bereiche auf der obersten Elektrode, die trimmbar sind. Insbesondere weist die oberste Elektrode einen oder mehrere trimmbare Bereiche auf. Ein trimmbarer Bereich ist vorzugsweise zur Einstellung des Widerstandswerts des Sensorelements durchtrennt, bevorzugt mittels eines Lasers (Lasertrimmen). Es können auch mehrere trimmbare Bereiche durchtrennt sein.
Durch das Trennen trimmbarer Bereiche ergibt sich eine Änderung der Gesamtelektrodenfläche und damit des Widerstands. Dadurch kann die Widerstandstoleranz der finalen Sensorelemente optimiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die jeweilige Zwischenschicht so angeordnet, dass im final kontaktierten Sensorelement ein elektrischer und mechanischer Kontakt zwischen Elektroden und Kontaktpads unterschiedlicher Polarität verhindert ist. Mit anderen Worten, die Zwischenschicht ist als Trennschicht oder Puffer zwischen Elektroden bzw. Kontaktpads unterschiedlicher Polarität ausgebildet und angeordnet. Eine Dicke (d.h. Ausdehnung senkrecht zu einer Hauptausdehnungsrichtung des Sensorelements) der jeweiligen Zwischenschicht kann größer oder gleich einer Dicke der jeweiligen Elektrode sein.
Bevorzugt ist die jeweilige Zwischenschicht als eine Verlängerung der jeweiligen Elektroden entlang der Hauptausdehnungsrichtung des Sensorelements ausgebildet. Mit anderen Worten, die Zwischenschicht verlängert die Ausdehnung der Elektrode parallel zum Träger bzw. parallel zur Funktionsschicht. Dadurch wird erreicht, dass jede (Elektroden-) Schicht die gleiche Ausdehnung entlang des Trägers aufweist. Damit wird eine glatte Seitenfläche des Sensorelements, die möglichst frei von Kanten oder Stufen ist, erzielt. Streueffekte in den Überlappungsbereichen der Elektroden an den äußeren Bereichen durch diagonale Strompfade mit unterschiedlichen Weglängen werden auf diese Weise vermieden.
Alternativ oder zusätzlich ist die jeweilige Zwischenschicht so angeordnet, dass ein direkter Kontakt zwischen der wenigstens einen Funktionsschicht und den Kontaktpads unterbunden ist. Die Zwischenschicht kann folglich als Trennschicht oder Puffer zwischen der wenigstens einen Funktionsschicht und den Kontaktpads ausgebildet und angeordnet sein.
Die Elektroden weisen einen Überlappbereich auf. Im Überlappbereich sind die Elektroden übereinander ausgebildet. Die wenigstens eine Funktionsschicht ist derart ausgebildet, dass ein Ausdehnen der Funktionsschicht über den Überlappbereich hinaus unterbunden ist. Mit anderen Worten, die Funktionsschicht ist nur innerhalb des Überlappbereichs angeordnet. Ein Hinausragen der Funktionsschicht aus dem Überlappbereich erfolgt nicht. Vielmehr ist in einem Bereich zwischen der Funktionsschicht und den Kontaktpads eine Zwischenschicht ausgeführt.
Diese Zwischenschicht dient nicht nur der mechanischen/elektrischen Trennung von Kontaktpads und Funktionsschicht, sondern stellt auch sicher, dass die einzelnen Schichten (Elektroden, Funktionsschicht) die gleiche Ausdehnung parallel zum Träger aufweisen. Die Zwischenschichten verlängern folglich die Funktionsschicht und die Elektroden, so dass alle Schichten die gleiche Ausdehnung parallel zum Träger aufweisen. Damit wird erreicht, dass die Seitenfläche des Sensorelements möglichst frei von Kanten oder Stufen ist. Streueffekte werden effektiv vermieden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die jeweilige Zwischenschicht umlaufend um die wenigstens eine Funktionsschicht herum ausgebildet. Die jeweilige Zwischenschicht kann ferner U-förmig um die jeweilige Elektrode herum ausgebildet sein. Dadurch kann die jeweilige Schicht effektiv vor äußeren Einflüssen geschützt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Sensorelement ferner eine Isolierung auf. Durch die Isolierung wird das Sensorelement vor externen Einflüssen geschützt. Die Isolierung ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sie wenigstens einen Teilbereich des Sensorelements vollständig umhüllt. Bevorzugt sind zumindest die wenigstens eine Funktionsschicht, sowie die wenigstens zwei Zwischenschichten vollständig umlaufend von der Isolierung umgeben. Ferner ist zumindest ein Teilbereich der wenigstens zwei Elektroden von der Isolierung umhüllt. Bevorzugt sind die Elektroden vollständig von der Isolierung umhüllt. Die Kontaktpads sind derart ausgebildet, dass sie an einer Oberseite des Sensorelements aus der Isolierung herausragen zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Sensorelement einen ersten oder oberen Teilbereich auf. Das Sensorelement weist ferner einen zweiten oder unteren Teilbereich auf. Der erste Teilbereich weist eine Breite B1 auf. Der zweite Teilbereich weist eine Breite B2 auf. Unter Breite ist in diesem Zusammenhang die Ausdehnung des jeweiligen Teilbereichs entlang der Hauptausdehnungsrichtung des Sensorelements zu verstehen. Insbesondere ist unter der Breite die Ausdehnung parallel zum Träger zu verstehen.
Die beiden Teilbereiche sind übereinander angeordnet. Der erste Teilbereich umfasst insbesondere die Funktionsschicht, die Elektroden, die Zwischenschichten und die Kontaktpads. Der erste Teilbereich kann auch die Isolierung mit umfassen. Der zweite Teilbereich umfasst insbesondere den Träger und die isolierende Schicht. Eine Seitenfläche, bevorzugt alle Seitenflächen des ersten Teilbereichs und/oder des zweiten Teilbereichs sind frei von Stufen. Mit anderen Worten, die Außenflächen des jeweiligen Teilbereichs sind glatt.
Die Teilbereiche sind derart ausgebildet, dass B1 ≤ B2. Mit anderen Worten, der erste Teilbereich kann gleich breit sein, wie der zweite Teilbereich. In diesem Fall ist überhaupt keine Stufe / Kante an der Seitenfläche des Sensorelements vorhanden. Alternativ kann die Breite des ersten Teilbereichs auch geringer sein als die Breite des zweiten Teilbereichs. In diesem Fall ist an der Seitenfläche des Sensorelements eine (einzige) Stufe/Kante am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Sensorelements beschrieben. Es ist zu beachten, dass durch das Verfahren bevorzugt eine Vielzahl von Sensorelementen, beispielsweise 20000 Sensorelemente, parallel erzeugt und abschließend voneinander separiert werden. Der Einfachheit halber wird im Folgenden im Wesentlichen auf ein Sensorelement Bezug genommen, wo dies zweckmäßig erscheint.
Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben beschriebene Sensorelement hergestellt. Das jeweilige Sensorelement weist einen nur geringen Abweisungsbereich von einem Sollwiderstand auf. Die durch das Verfahren hergestellten Sensorelemente weisen in ihrer Gesamtheit eine enge Widerstandstoleranz auf.
Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das Sensorelement oder das Verfahren offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf den jeweiligen anderen Aspekt offenbart und umgekehrt, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

A) Bereitstellen eines Trägermaterials zur Ausbildung eines Trägers. Der Träger dient der mechanischen Stabilisierung des Sensorelements. Vorzugsweise weist das Trägermaterial Si, SiC oder Glas auf. Alternativ dazu kann das Trägermaterial auch AlN oder Al₂O₃ aufweisen.
B) Ausbilden einer isolierenden Schicht auf einer Oberseite des Trägers. Die isolierende Schicht kann Al₂O₃, AlN, SiO₂ oder Si₃N₄, oder Kombinationen von Schichten dieser Materialien aufweisen. Vorzugsweise bedeckt die isolierende Schicht die Oberseite des Trägers vollständig. Sofern das Trägermaterial elektrisch isolierend ist, kann das Ausbilden der isolierenden Schicht gemäß dem Schritt B) auch entfallen (optionaler Schritt, materialabhängig).
C) Aufbringen von einer ersten Elektrode (unterste Elektrode) auf der isolierenden Schicht / der Oberseite des Trägers. Das Abscheiden des Elektrodenmaterials erfolgt durch einen PVD („physical vapour deposition“) Prozess, einen CVD („chemical vapour deposition“) Prozess oder galvanisch. Alternativ dazu kann das Abscheiden auch durch ein ALD (Atomic Layer Deposition) Verfahren erfolgen. Bevorzugt wird die Elektrode nur auf einen Teilbereich der isolierenden Schicht abgeschieden. Mit anderen Worten, ein Teilbereich der isolierenden Schicht / des Trägers bleibt frei von dem metallischen Material der untersten Elektrode.
D) Aufbringen wenigstens einer Zwischenschicht auf die isolierende Schicht. Insbesondere wird die Zwischenschicht auf den Teilbereich aufgebracht, der frei von dem metallischen Material der untersten Elektrode geblieben ist. Zwischenschicht und unterste Elektrode können die gleiche Dicke / Höhe aufweisen. Zwischenschicht und unterste Elektrode bilden in diesem Fall eine Ebene. Alternativ kann die Zwischenschicht aber auch dicker ausgebildet werden.
E) Aufbringen von wenigstens einer Funktionsschicht auf zumindest einen Teilbereich der untersten Elektrode. Dies erfolgt beispielsweise durch Sputtern oder einen Spincoating Prozess.

Die Funktionsschicht kann auf der Ebene ausgebildet werden, die durch Zwischenschicht und unterste Elektrode gebildet wird. Alternativ dazu kann die Funktionsschicht aber auch nur auf einem Teilbereich dieser Ebene ausgebildet werden. In diesem Fall wird in einem weiteren Schritt eine zusätzliche Zwischenschicht als ein Puffer zwischen der Funktionsschicht und den weiter oben beschriebenen Kontaktpads ausgebildet.

F) Aufbringen von wenigstens einer weiteren Elektrode. Die Elektrode wird unmittelbar auf zumindest einen Teilbereich der Funktionsschicht aufgebracht. Mit anderen Worten ein Teilbereich der Funktionsschicht kann von dem metallischen Material der Elektrode freibleiben.
G) Aufbringen wenigstens einer weiteren Zwischenschicht. Die Zwischenschicht kann in dem von dem metallischen Material der weiteren Elektrode freigebliebenen Teilbereich der Funktionsschicht ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Zwischenschicht als ein Puffer zwischen der Funktionsschicht und den weiter oben beschriebenen Kontaktpads ausgebildet werden.
H) Strukturierung wenigstens einer der Elektroden zur Ausbildung wenigstens eines trimmbaren Bereichs zur Widerstandseinstellung. Dies kann beispielsweise durch nasschemisches Ätzen oder Trockenätzen oder Laserstrukturierung erfolgen. Bevorzugt wird wie oben beschrieben die oberste Elektrode strukturiert ausgebildet.
I) Ausbilden von Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements. Im final kontaktierten Sensorelement sind die Elektroden gleicher Polarität vertikal (d.h. in Stapelrichtung) mit einem metallischen Material verbunden. Vorzugsweise weisen die Kontaktpads Metalle wie Cu, Al oder Au auf.

Im Anschluss wird die Funktionsschicht vermessen. Hierbei wird der initiale Toleranzbereich des Widerstandswerts der Sensorelemente ermittelt, so dass später die Einstellung des Widerstands des jeweiligen Sensorelements auf den Sollwert erfolgen kann.
J) Einstellen des Widerstandswerst durch Trimmen der wenigstens einen strukturierten Elektrode. Das Trimmen erfolgt vorzugsweise mittels eines Lasers. Der Widerstandswert wird auf einen vorbestimmten Nennwert (Sollwert) eingestellt. Durch das genaue Einstellen des Widerstandswerts des jeweiligen Sensorelements weisen die fertigen Sensorelemente in ihrer Gesamtheit eine sehr enge Widerstandstoleranz auf.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt ferner ein Ausbilden einer Isolierung auf wenigstens einem Teilbereich einer Oberfläche des Sensorelements. Dadurch wird das Sensorelement vor externen Einflüssen geschützt. Dieser Schritt kann vor oder nach Schritt J) ausgeführt werden. Wird das Ausbilden der Isolierung vor Schritt J) ausgeführt, bleibt die strukturierte Elektrode frei von der Isolierung, damit im Nachgang das Trimmen durchgeführt werden kann.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:

1 ein Sensorelement gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Querschnitt eines Sensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 ein Querschnitt eines Sensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4 ein Querschnitt eines Sensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5a bis 5c eine Draufsicht auf einzelne Komponenten des Sensorelements gemäß 4,
6 ein Querschnitt eines Sensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
7 eine Draufsicht auf die Oberseite des Sensorelements mit den trimmbaren Elektroden.

Die 1 zeigt eine Darstellung eines Sensorelements 1 nach dem Stand der Technik. Das Sensorelement 1 ist ein Vielschicht NTC Dünnfilm Temperatursensor und weist einen Träger 4, erste und zweite Elektroden 3a, 3b sowie Funktionsschichten 2 auf.
Das Sensorelement 1 dient zur Illustrierung eines Basisaufbaus des weiter unten beschriebenen Sensorelements 10. Hinsichtlich der wesentlichen Merkmale des Sensorelements 1 gemäß 1 wird auf das Dokument WO 2021/004957 A1 Bezug genommen.
Das Design des Sensorelements 1 bringt einige Nachteile mit sich. Durch die treppenförmige Ausführung ist die Prozessführung erschwert. Insbesondere bei der Ausbildung der Elektroden 3a, 3b kann es zu nicht ausreichender Kantenabdeckung und dadurch zu einer mangelhaften Kontaktierung kommen. Weiterhin kommt es durch die treppenförmige Ausführung elektrisch zu Streueffekten in den Überlappungsbereichen an den äußeren Bereichen durch diagonale Strompfade unterschiedlicher Weglängen. Bei Weglängen, die kürzer sind als der Abstand von Elektrode 3a, 3b zu Funktionsschicht 2 kommt es lokal zu Hotspots durch erhöhten Spannungsabfall an der dünnen Stelle. Eine geringe Widerstandsstreuung wird dadurch erschwert und die Streuung der Bauteile befindet sich außerhalb des üblichen Streubereichs.
Die genannten Nachteile werden in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Sensorelements 10 reduziert bzw. beseitigt.
Die 2 zeigt einen Querschnitt eines Sensorelements 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Sensorelement 10 ist ein Dünnfilm NTC Temperatursensor. Das Sensorelement 10 weist eine Oberseite 10a und eine Unterseite 10b sowie Seitenflächen 10c auf.
Das Sensorelement 10 ist zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und / oder in eine SESUB Struktur ausgebildet. Zu diesem Zweck ist das Sensorelement 10 sehr kompakt ausgeführt. Eine maximale Kantenlänge (d.h. die Abmessung entlang einer Hauptausdehnungsrichtung X) beträgt 1000 µm, bevorzugt < 800 µm, besonders bevorzugt < 500 µm auf. Eine Dicke oder Höhe des Sensorelements 10 (d.h. die Ausdehnung in eine Richtung senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung X) ist < 100 µm, bevorzugt < 80 µm, besonders bevorzugt < 50 um. Durch die kleinen Abmessungen ist das Sensorelement 10 optimal dafür geeignet als diskretes Bauteil direkt in eine MEMS / SESUB Struktur eingebettet zu werden.
Das Sensorelement 10 weist einen Träger 11 auf. Der Träger 11 weist bevorzugt Silicium, Siliciumcarbid oder Glas (silicatisches oder borosilicatisches Glas) auf. Alternativ dazu kann der Träger 11 auch AlN, Si₃N₄ oder Al₂O₃ aufweisen. Der Träger 11 kann eine rechteckige oder quadratische Grundfläche aufweisen. Wie oben beschrieben beträgt eine maximale Kantenlänge des Trägers 11 in beiden Fällen 1000 pm, vorteilhafterweise < 800 µm, idealerweise < 500 um.
Der Träger 11 weist eine Oberseite 18 und eine Unterseite 19 auf. An der Oberseite 18 ist eine isolierende Schicht 12 ausgebildet, welche die Oberseite 18 des Trägers vollständig bedeckt. Eine Dicke d der isolierenden Schicht 12 (siehe hierzu auch 4) beträgt ≤ 1,5 µm. Die isolierende Schicht 12 kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein und beispielsweise Al₂O₃, AlN, SiO₂ oder Si₃N₄, oder Kombinationen von Schichten dieser Materialien aufweisen.
Das Sensorelement 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel ferner drei Funktionsschichten 15 auf. Das Sensorelement 10 kann selbstverständlich auch nur eine Funktionsschicht 15 oder mehr als drei Funktionsschichten 15 aufweisen. Abhängig von der Zahl der Funktionsschichten 15 können verschiedene Widerstande des Sensorelements 10 realisiert werden. Die Funktionsschichten 15 sind übereinander angeordnet bzw. gestapelt. Die Funktionsschichten 15 sind parallel geschaltet.
Eine Dicke bzw. Höhe der jeweiligen Funktionsschicht 15 liegt zwischen 50 nm und 1 µm, bevorzugt zwischen 100 nm und 500 nm, besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm. Die Funktionsschichten 15 weisen ein Material mit einer speziellen elektrischen Charakteristik auf. Die jeweilige Funktionsschicht 15 weist eine NTC Keramik auf. Bevorzugt ist die jeweilige Funktionsschicht 15 ein Dünnfilm mit NTC Charakteristik.
Bevorzugt basiert die Funktionsschicht 15 auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp. Alternativ dazu kann die Funktionsschicht 15 basierend auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material aufgebaut sein. Insbesondere sind die folgenden Funktionsschichten 15 vorstellbar:

Eine weitere Alternative stellen Dünnschichten aus Vanadiumoxid dar.
Das Sensorelement 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel ferner mehrere Elektroden bzw. Elektrodenschichten 13a, 13b, insbesondere vier Elektroden 13a, 13b auf. Selbstverständlich kann das Sensorelement 10 auch nur zwei Elektroden 13a, 13b oder mehr als vier Elektroden 13a, 13b aufweisen. Die Elektroden 13a, 13b weisen eine entgegengesetzte Polarität auf (sobald das Sensorelement 10 final kontaktiert ist). Die Elektroden 13a, 13b entgegengesetzter Polarität können auch als erste Elektroden 13a und zweite Elektroden 13b bezeichnet werden. Die Elektroden 13a, 13b können einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein und weisen beispielsweise Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, Ta, W, Pd oder Pt auf. Die Elektroden 13a, 13b sind als Dünnschichtelektroden ausgebildet.
Eine Elektrode 13a, 13b (im Folgenden die unterste Elektrode) ist unmittelbar auf der isolierenden Schicht 12 ausgebildet. Dabei bedeckt die unterste Elektrode die isolierende Schicht 12 nicht vollständig, wie der 2 entnommen werden kann. Vielmehr bleibt ein streifenförmiger Bereich der isolierenden Schicht 12 frei von dem elektrisch leitenden Material der untersten Elektrode, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
Eine (unterste) Funktionsschicht 15 ist unmittelbar auf der untersten Elektrode 13a, 13b ausgebildet. Dabei muss die unterste Elektrode nicht zwangsläufig vollständig von der Funktionsschicht 15 abgedeckt sein. Auf der Funktionsschicht 15 ist zumindest teilweise eine weitere Elektrode 13a, 13b unmittelbar angeordnet. Dieser schichtweise Aufbau wird fortgesetzt. Insbesondere ist immer eine Funktionsschicht 15 zumindest teilweise zwischen zwei Elektroden 13a, 13b angeordnet.
Die jeweiligen Elektroden 13a, 13b sind an den Seitenflächen 10c des Sensorelements 10 vertikal miteinander verbunden. Diese Verbindungen dienen als Kontaktpads 16a, 16b für das Sensorelement 10, die z.B. mittels Drahtbonden kontaktiert werden können. Es ergibt sich eine Parallelschaltung der einzelnen Funktionsschichten 15. Die Kontaktpads 16a, 16b sind unmittelbar elektrisch und mechanisch mit den Elektroden 13a, 13b verbunden. Ferner weisen die Kontaktpads 16, 16b in diesem Ausführungsbeispiel einen unmittelbaren Kontakt mit den Funktionsschichten 15 auf. Die Kontaktpads können Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, Ta, W, Pd oder Pt aufweisen.
Weiterhin weist das Sensorelement 10 in diesem Ausführungsbeispiel vier Zwischenschichten 14 auf. Das Sensorelement 10 kann auch nur zwei Zwischenschichten 14 aufweisen (in diesem Fall weist das Sensorelement 10 genau eine Funktionsschicht 15 und genau zwei Elektroden 13a, 13b auf; nicht explizit dargestellt), oder das Sensorelement 10 kann mehr als vier Zwischenschichten 14 aufweisen. Die jeweilige Zwischenschicht 14 weist ein isolierendes Material auf. Die jeweilige Zwischenschicht 14 weist beispielsweise Al₂O₃, AlN, SiO₂ oder Si₃N₄ auf.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Dicke bzw. Höhe (d.h. die Ausdehnung senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung X) der jeweiligen Zwischenschicht 14 so groß wie eine Dicke bzw. Höhe der jeweiligen Elektroden 13a, 13b. Mit anderen Worten, die Elektroden 13a, 13b und die Zwischenschichten 14 sind gleich hoch. Die Dicke / Höhe der Zwischenschicht 14 kann aber auch größer sein als die Dicke / Höhe der Elektroden 13a, 13b (siehe 3, 4, und 6). Beispielsweise kann sich die Zwischenschicht 14 senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung X über mehrere Schichten des Sensorelements 10 hinweg erstrecken, wie weiter unten noch genauer erläutert wird.
In der Ausführung gemäß 2 ist die jeweilige Zwischenschicht 14 als eine Verlängerung der jeweiligen Elektrode 13a, 13b entlang der Hauptausdehnungsrichtung X des Sensorelements 10 (bzw. parallel zu der Oberseite 18 des Trägers 11) ausgebildet. So ist aus 2 beispielsweise ersichtlich, dass die unterste Elektrode die isolierende Schicht 12 nicht komplett bedeckt. Vielmehr gibt es auf der isolierenden Schicht 12 einen Bereich in Form eines Streifens, der nicht metallisiert ist, wie bereits weiter oben erwähnt wurde.
Dieser Freibereich ist mit dem isolierenden Material der Zwischenschicht 14 aufgefüllt. Die Zwischenschicht 14 setzt folglich die unterste Elektrode fort. Auf diesen beiden Schichten (unterste Elektrode und Zwischenschicht 14) bzw. der Ebene, die durch diese Schichten gebildet wird, ist die unterste Funktionsschicht 15 ausgebildet.
Auf der untersten Funktionsschicht 15 ist dann eine zweite Elektrode 13b ausgebildet, die die Funktionsschicht 15 auf der linken Seite in 2 nicht vollflächig überdeckt. Dieser Freibereich ist wieder mit einer Zwischenschicht 14 bedeckt. Gleichermaßen setzt jeweils eine Zwischenschicht 14 auch die anderen Elektroden 13a, 13b in X-Richtung fort bzw. verlängert diese.
Durch die isolierenden Zwischenschichten 14 werden die einzelnen Schichten des Sensorelements 10 (in diesem Ausführungsbeispiel die Elektroden 13a, 13b) aufgefüllt. Dadurch wird eine Treppenform des Sensorelements 10 im Vergleich zum Stand der Technik gemäß 1 reduziert, wie im Folgenden genauer erläutert wird:

Das Sensorelement 10 weist einen ersten Teilbereich 23 und einen zweiten Teilbereich 24 auf (siehe hierzu insbesondere 6). Die Teilbereiche 23, 24 sind übereinander angeordnet. Der erste Teilbereich 23 weist eine Breite B1 auf und der zweite Teilbereich 24 weist eine Breite B2 auf. Unter Breite ist in diesem Zusammenhang die Ausdehnung des jeweiligen Teilbereichs 23, 24 entlang der Hauptausdehnungsrichtung X (X-Richtung) zu verstehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist B1 < B2. Grundsätzlich ist aber auch B1 = B2 möglich (siehe beispielsweise 3 und 6).

Der erste Teilbereich 23 umfasst insbesondere die Funktionsschichten 15, die Elektroden 13a, 13b, die Zwischenschichten 14 und die Kontaktpads 16a, 16b. Der zweite Teilbereich 24 umfasst insbesondere den Träger 11 und die isolierende Schicht 12.
Wie aus der 2 ersichtlich ist, ist eine Seitenfläche des ersten Teilbereichs 23 komplett frei von Kanten oder Stufen. Gleiches gilt für die Seitenfläche des zweiten Teilbereichs 24. Lediglich in einem Übergangsbereich zwischen erstem Teilbereich 23 und zweitem Teilbereich 24 ist eine Stufe vorhanden. Mit anderen Worten, die Außenflächen des jeweiligen Teilbereichs 23, 24 sind glatt. Dies wird dadurch erreicht, dass alle Schichten des ersten Teilbereichs 23 die gleiche Ausdehnung entlang der X-Achse haben, da einzelne Schichten mit den Zwischenschichten 14 aufgefüllt sind.
Durch die Ausbildung der Zwischenschichten 14 und die damit einhergehende Reduzierung der Treppenform des Sensorelements 10 werden elektrische Streueffekte wirksam reduziert. Zusätzlich ist die Möglichkeit zur Bildung von Hot-Spots reduziert.
Die Gesamtheit der Sensorelemente 10 weist eine enge Widerstandstoleranz auf. Das bedeutet, dass das jeweilige Sensorelement 10 einen sehr geringen Abweichungsbereich vom Sollwiderstand aufweist.
Zur Einstellung des Widerstandswerts des jeweiligen Sensorelements 10 ist eine der Elektroden 13a, 13b strukturiert ausgebildet (siehe 7). Bevorzugt ist die oberste Elektrode, d.h. diejenige der Elektroden 13a, 13b, welche der Oberseite 10a des Sensorelements 10 am nächsten gelegen ist, strukturiert ausgebildet. Damit weist die Elektrode Bereiche auf, die trimmbar sind (siehe trimmbare Bereiche 17 in 7). Mit einem Laser können diese Bereiche durchtrennt werden, wodurch sich eine Änderung einer Gesamtfläche der Elektrode und damit des Widerstands ergibt.
Durch die Erzielung einer engen Widerstandstoleranz der Sensorelemente 10 weisen die Sensorelemente 10 eine sehr hohe Genauigkeit bei der Temperaturmessung auf. Bevorzugt weisen die Sensorelemente 10 eine Widerstandstoleranz auf, die vergleichbar ist zur engen Widerstandstoleranz klassischer Bauformen wie SMD NTCs oder NTC Chips.
In dem in Zusammenhang mit 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel hat jede Funktionsschicht 15 einen zusätzlichen Kontakt zu den Kontaktpads 16a, 16b, wodurch es noch zu Streueffekten an den äußeren Bereichen des Sensorelements 10 durch diagonale Strompfade mit unterschiedlichen Weglängen kommen kann. Zur weiteren Eliminierung von Streueffekten ist in der Ausführungsform gemäß 3 die jeweilige Funktionsschicht 15 so ausgebildet, dass sie sich nur in einem von beiden Elektroden 13a, 13b gebildeten Überlappbereich 21 befindet.
Wie der 3 entnommen werden kann, weisen die Elektroden den Überlappbereich 21 auf. Im Überlappbereich 21 sind die Elektroden 13a, 13b übereinander geschichtet. Die Funktionsschichten 15 sind im Gegensatz zu der Ausführung gemäß 2 nunmehr derart ausgebildet, dass sie sich nicht über den Überlappbereich 21 hinaus ausdehnen. Mit anderen Worten, eine Breite der Funktionsschichten 15 ist im Vergleich zu den Funktionsschichten gemäß 2 reduziert.
In einem Bereich 22 zwischen der jeweiligen Funktionsschicht 15 und den Kontaktpads 16a, 16b ist dafür eine Zwischenschicht 14 zwischen der jeweiligen Funktionsschicht 15 und dem Kontaktpad 16a, 16b ausgebildet. Diese Zwischenschicht 14 schließt die Lücke, die dadurch auftritt, dass sich die Funktionsschichten 15 nicht mehr über den Überlappbereich 21 hinaus ausdehnen.
Die Zwischenschichten 14 verlängern in diesem Ausführungsbeispiel folglich nicht nur die Elektroden 13a, 13b, sondern auch die Funktionsschichten 15. Damit wird erreicht, dass die Seitenfläche 10c des Sensorelements 10 möglichst frei von Kanten oder Stufen ist. Ferner ist eine Breite der einzelnen Schichten des ersten Teilbereichs 23 in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass eine Stufe zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich 23, 24 entfällt (d.h. B1 = B2). Streueffekte werden effektiv vermieden.
Die Dicke der Zwischenschicht kann dabei größer sein als die Dicke einer einzelnen Elektrode 13a, 13b / Elektrodenschicht. Insbesondere erstreckt sich die jeweilige Zwischenschicht 14 hier senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung X über mehrere Schichten des Sensorelements 10 hinweg. So kann die maximale Dicke bzw. Höhe der Zwischenschicht 14 die Gesamthöhe von zwei Funktionsschichten 15 plus einer Elektrodenschicht 13a, 13b erreichen, wie der 3 entnommen werden kann. Mit anderen Worten ist die Zwischenschicht 14 im final kontaktierten Sensorelement 10 maximal von einer Elektrode 13a, 13b einer Polarität bis hin zur in Stapelrichtung darauf folgenden Elektrode 13a, 13b der gleichen Polarität aufgefüllt. Die maximale Dicke der Zwischenschicht 14 entspricht daher dem Abstand A zwischen zwei Elektroden 13a, 13b der gleichen Polarität (siehe auch 4).
In Bezug auf alle weiteren Merkmale des Sensorelements 10 wird auf die Beschreibung in Zusammenhang mit 2 verwiesen.
Die 4 und 5a bis 5c zeigen ein Sensorelement 10 sowie einzelne Komponenten davon gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den beiden vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß den 2 und 3 sind zwei von vier Seitenflächen der einzelnen Schichten offen liegend und daher nicht geschützt. Um einen Schutz dieser zu ermöglichen, sind die isolierenden Zwischenschichten 14 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 jeweils umlaufend um die Funktionsschicht 15 ausgeführt (siehe hierzu auch 5b). Mit anderen Worten, mit Ausnahme einer Oberseite und einer Unterseite der Funktionsschicht 15 sind alle Flächen der jeweiligen Funktionsschicht 15 von dem isolierenden Material der Zwischenschicht 14 eingehüllt.
Um eine treppenförmige Ausbildung des Sensorelements 10 zu vermeiden, sind ferner die Zwischenschichten 14 um jede Elektrode 13a, 13b U-Förmig abgeschieden (5a und 5c). So ist aus den 5a und 5c ersichtlich, dass mit Ausnahme einer Oberseite und einer Unterseite sowie einer Seitenfläche der jeweiligen Elektrode 13a, 13b die übrigen Seitenflächen der Elektroden 13a, 13b vollständig von dem isolierenden Material der Zwischenschicht 14 umgeben sind. Mit anderen Worten, drei von vier Seitenflächen der jeweiligen Elektrode 13a, 13b sind mit der Zwischenschicht 14 eingehüllt.
In Bezug auf alle weiteren Merkmale des Sensorelements 10 wird auf die Beschreibung in Zusammenhang mit 2 verwiesen.
Die 6 zeigt einen Querschnitt des Sensorelements 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Hier ist das Sensorelement 10 zumindest teilweise umlaufend von einer Isolierung 20 umschlossen. Insbesondere ist vorzugsweise zumindest die Seitenfläche 10c des Sensorelements 10 (ohne Träger 11) vollständig von der Isolierung 20 eingehüllt. Die Isolierung 20 umhüllt insbesondere die Elektroden 13a, 13b (eine Ausnahme hiervon kann die oberste Elektrode bilden, wie unten beschrieben ist), die Funktionsschichten 15 und die Zwischenschichten 14 sowie Teile der Kontaktpads 16a, 16b. Auf diese Weise werden diese Komponenten des Sensorelements 10 vor externen Einflüssen geschützt. Auch eine Umhüllung der isolierenden Schicht 12 sowie des Trägers 11 ist im Prinzip möglich (nicht explizit dargestellt).
Da die oberste Elektrode die trimmbaren Bereiche 17 (siehe 7) aufweist, die abhängig von dem Sollwert des Widerstands durchtrennt werden (können), muss die oberste Elektrode für das Lasertrimmen frei zugänglich sein. Daher gibt es im Bereich der Oberseite 10a des Sensorelements 10 zwei mögliche Ausführungen für die Isolierung 20:

- Die oberste Elektrode kann komplett frei von der Isolierung 20 bleiben, so dass diese jederzeit zur Widerstandseinstellung zugänglich ist (nicht explizit dargestellt).
- Alternativ dazu kann die Isolierung an der Oberseite 10a des Sensorelements 10 auch erst nach dem Trimmen ausgebildet werden. Beispielsweise kann - nach dem Trimmen - eine Polymerschicht, eine oxidische, nitridische, keramische Schicht, eine dünne Glasschicht oder eine Kombination der Schichten als Isolierung 20 auf der obersten / strukturierten Elektrode ausgebildet sein.

Wie aus 6 ersichtlich ist, ragen die Kontaktpads 16a, 16b in jeder möglichen Ausführung an der Oberseite 10a des Sensorelements aus der Isolierung 20 heraus, um eine elektrische Kontaktierung des Sensorelements 10 zu ermöglichen. Zu diesem Zweck sind die Kontaktpads 16a, 16b in diesem Ausführungsbeispiel höher aufgebaut. Insbesondere befindet sich hier eine Oberseite der Kontaktpads 16a, 16b nicht in einer Ebene mit einer Oberseite der obersten Elektrode.
In Bezug auf alle weiteren Merkmale des Sensorelements 10 wird auf die Beschreibung in Zusammenhang mit 2 verwiesen.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements 10 beschrieben. Insbesondere wird durch das Verfahren eine Vielzahl von Sensorelementen 10 gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele (siehe 2 bis 7) hergestellt. Der Einfachheit halber wird im Folgenden - soweit zweckmäßig - nur auf ein Sensorelement 10 Bezug genommen.
Alle Merkmale die in Zusammenhang mit dem Sensorelement 10 beschrieben wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

A) Bereitstellen eines Trägermaterials zur Ausbildung des Trägers 11. Vorzugsweise weist das Trägermaterial Si, SiC oder Glas auf. Alternativ dazu kann das Trägermaterial auch AlN, Si₃N₄ oder Al₂O₃ aufweisen.
B) Ausbilden der isolierenden Schicht 12 auf der Oberseite 18 des Trägers 11. Die isolierende Schicht 12 kann Al₂O₃, AlN, SiO₂ oder Si₃N₄, oder Kombinationen von Schichten dieser Materialien aufweisen. Vorzugsweise wird die isolierende Schicht 12 so abgeschieden, dass sie die Oberseite 18 des Trägers 11 vollständig bedeckt.

Die isolierende Schicht 12 kann als ebene Grundfläche benötigt werden, um die weiteren Schichten (Elektroden 13a, 13b, Zwischenschichten 14, Funktionsschichten 15) darauf zu bilden. Falls die Oberfläche 18 des Trägers 11 eben genug ist und/oder der Träger 11 selbst aus einem isolierenden Material ausgebildet ist, kann das Ausbilden der isolierenden Schicht 12 gemäß dem Schritt B) auch entfallen (optionaler Schritt).

C) Aufbringen von einer ersten Elektrode 13a, 13b (unterste Elektrode). Das Abscheiden der Elektrode 13a, 13b erfolgt durch einen PVD, ALD oder CVD Prozess oder galvanisch. Bevorzugt wird die Elektrode 13a, 13b nur auf einen Teilbereich der isolierenden Schicht 12 abgeschieden. Ein streifenförmiger Bereich der isolierenden Schicht 12 bleibt frei von Elektrodenmaterial, um im Anschluss eine Zwischenschicht 14 in diesem Freibereich ausbilden zu können.
D) Aufbringen wenigstens einer Zwischenschicht 14 auf die isolierende Schicht 12 zur Verlängerung der Elektrode 13a, 13b. Die Zwischenschicht 14 weist ein isolierendes Material auf und wird in dem von dem metallischen Material der Elektrode 13a, 13b freigebliebenen Teilbereich (Freibereich) der isolierenden Schicht 12 ausgebildet. Zwischenschicht 14 und unterste Elektrode können eine Ebene bilden, also die gleiche Höhe haben (2). Alternativ dazu kann die Zwischenschicht 14 aber auch höher als die Elektrode 13a, 13b ausgebildet sein (3, 4, 6).
E) Aufbringen von wenigstens einer Funktionsschicht 15. Dies erfolgt beispielsweise durch Sputtern oder einen Spincoating Prozess sowie wenigstens einem Temperaturprozess bei T > 500°C während und/oder nach der Abscheidung der jeweiligen Schicht. Das Funktionsmaterial weist eine NTC Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp auf. Alternativ kann das Funktionsmaterial auch auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material basieren. In einer weiteren Alternative umfasst das Funktionsmaterial Dünnschichten aus Vanadiumoxid oder besteht daraus.

Die Funktionsschicht 15 wird beispielsweise auf der Ebene ausgebildet, die von der Zwischenschicht 14 und der untersten Elektrode gebildet wird (siehe 2). Die Funktionsschicht 15 kann entweder auf der kompletten untersten Elektrode 13a, 13b abgeschieden werden (2), oder die Funktionsschicht 15 wird nicht bis zum Rand der untersten Elektrode ausgebildet. Das heißt, dass auf der gegenüberliegenden Seite von der Zwischenschicht 14 (in 2 links) die unterste Elektrode nicht bis zum Rand überdeckt wird. In diesem Fall wird dann anschließend eine weitere Zwischenschicht 14 ausgebildet, die auf dem (von der Funktionsschicht 15) freigebliebenen Bereich der untersten Elektrode ausgebildet wird (3, 4, 6).

F) Aufbringen von wenigstens einer weiteren Elektrode 13a, 13b. Das Abscheiden der Elektrode 13a, 13b erfolgt durch einen PVD, ALD oder CVD Prozess oder galvanisch. Die weitere Elektrode 13a, 13b wird unmittelbar auf der Funktionsschicht 5 ausgebildet. Die weitere Elektrode 13a, 13b kann beispielsweise nur auf einem Teilbereich der Funktionsschicht 15 ausgebildet werden (siehe Ausführungsbeispiel gemäß 2).
G) Aufbringen wenigstens einer weiteren Zwischenschicht 14. Die Zwischenschicht 14 weist ein isolierendes Material auf und wird beispielsweise in dem von dem metallischen Material der weiteren Elektrode 13a, 13b freigebliebenen Teilbereich der Funktionsschicht 15 ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können Zwischenschichten 14 in dem Bereich zwischen Funktionsschicht 15 und Kontaktpads 16a, 16b ausgebildet werden. Dies geschieht nachfolgend zu Schritt I).
H) Strukturierung wenigstens einer der Elektroden 13a, 13b zur Ausbildung wenigstens eines trimmbaren Bereichs 17 zur Widerstandseinstellung. Dies kann beispielsweise durch nasschemisches Ätzen oder Trockenätzen oder Laserstrukturierung erfolgen. Bevorzugt wird wie oben beschrieben die oberste Elektrode strukturiert ausgebildet.
I) Ausbilden von Kontaktpads 16a, 16b zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 10. Insbesondere sind im fertig kontaktierten Sensorelement 10 die Elektroden 13a, 13b gleicher Polarität vertikal (d.h. in Stapelrichtung) mit einem metallischen Material verbunden. Vorzugsweise weisen die Kontaktpads 16a, 16b Metalle wie Cu, Al oder Au auf. Im Anschluss wird die Funktionsschicht 15 vermessen. Hierbei wird der initiale Toleranzbereich des Widerstandswerts der Gesamtheit der hergestellten Sensorelemente 10 ermittelt, so dass nachfolgend die Einstellung des Widerstands des jeweiligen Sensorelements 10 auf den Sollwert erfolgen kann.
J) Einstellen des Widerstandswerts durch Trimmen der wenigstens einen strukturierten Elektrode 13a, 13b. Das Trimmen erfolgt vorzugsweise mittels eines Lasers. Der Widerstandswert wird auf einen vorbestimmten Nennwert (Sollwert) eingestellt. Durch das genaue Einstellen des Widerstandswerts weisen die fertigen Sensorelemente 10 eine sehr enge Widerstandstoleranz auf. Zur Einstellung des Widerstandswerts werden die vorher beschriebenen strukturierten / trimmbaren Bereiche 17 zumindest teilweise durchtrennt.
K) Ausbilden der Isolierung 20 auf wenigstens einem Teilbereich einer Oberfläche des Sensorelements 10.
Schritt K) kann auch vor Schritt J) ausgeführt werden. In diesem Fall bleibt die oberste Elektrode frei von der Isolierung 20, damit im Nachgang das Trimmen durchgeführt werden kann.

Weiterführend zu den genannten Verfahrensschritten kann das Sensorelement 10, in einem weiteren Verfahrensschritt, einem Sinterprozess unterzogen werden.
Im Anschluss kann das Trägermaterial mittels eines Schleifprozesses oder Ätzprozesses ausgedünnt werden.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Sensorelement
2: Funktionsschicht
3a: Erste Elektrode
3b: Zweite Elektrode
4: Träger
10: Sensorelement
10a: Oberseite des Sensorelements
10b: Unterseite des Sensorelements
10c: Seitenfläche des Sensorelements
11: Träger
12: Isolierende Schicht
13a: Elektrode / Elektrodenschicht
13b: Elektrode / Elektrodenschicht
14: Zwischenschicht
15: Funktionsschicht
16a: Kontaktpad
16b: Kontaktpad
17: Trimmbarer Bereich
18: Oberseite des Trägers
19: Unterseite des Trägers
20: Isolierung
21: Überlappbereich
22: Bereich
23: Erster Teilbereich
24: Zweiter Teilbereich
d: Dicke der isolierenden Schicht
B1: Breite des ersten Teilbereichs
B2: Breite des zweiten Teilbereichs
X: Hauptausdehnungsrichtung
A: Abstand

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 Patentliteratur

WO 2021004957 A1 [0008, 0055]

Claims

Sensorelement (10) zur Messung einer Temperatur aufweisend - wenigstens einen Träger (11) mit einer Oberseite (18) und einer Unterseite (19), wobei eine isolierende Schicht (12) an der Oberseite (19) des Trägers (11) ausgebildet ist, - wenigstens zwei Elektroden (13a, 13b), die zueinander beabstandet auf dem Träger (2) ausgebildet sind, - wenigstens eine Funktionsschicht (15) aufweisend ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, wobei die wenigstens eine Funktionsschicht (14) zumindest teilweise zwischen den Elektroden (13a, 13b) angeordnet ist, - wenigstens zwei Zwischenschichten (14) aufweisend ein isolierendes Material, - wenigstens zwei Kontaktpads (16a, 16b) zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (10), wobei das Sensorelement (10) dazu ausgebildet ist als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System integriert zu werden, und wobei das Sensorelement (10) einen geringen Abweichungsbereich von einem Sollwiderstand aufweist, wobei wenigstens eine der wenigstens zwei Elektroden (13a, 13b) zur Einstellung des Widerstandswerts strukturiert ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach Anspruch 1, aufweisend eine Oberseite (10a) und eine Unterseite (10b), wobei eine der Oberseite (10a) des Sensorelements (10) amnächsten gelegene Elektrode (13a, 13b) zur Einstellung des Widerstandswerts strukturiert ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach Anspruch 2, wobei die der Oberseite (10a) des Sensorelements (10) am nächsten gelegene Elektrode (13a, 13b) trimmbare Bereiche (17) aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Zwischenschicht (14) so angeordnet ist, dass ein direkter Kontakt zwischen der wenigstens einen Funktionsschicht (15) und den Kontaktpads (16a, 16b) unterbunden ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Zwischenschicht (14) als eine Verlängerung der Elektroden (13a, 13b) entlang einer Hauptausdehnungsrichtung (X) des Sensorelements (10) ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Zwischenschicht (14) in einem Bereich (22) zwischen der Funktionsschicht (15) und dem jeweiligen Kontaktpad (16a, 16b) ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (13a, 13b) einen Überlappbereich (21) aufweisen, in welchem die Elektroden (13a, 13b) übereinander ausgebildet sind und wobei die wenigstens eine Funktionsschicht (15) derart ausgebildet ist, dass ein Ausdehnen der Funktionsschicht (15) über den Überlappbereich (21) hinaus unterbunden ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Zwischenschicht (14) umlaufend um die wenigstens eine Funktionsschicht (15) herum ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Zwischenschicht (14) U-förmig um die jeweilige Elektrode (13a, 13b) herum ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der jeweiligen Zwischenschicht (14) größer oder gleich einer Dicke der jeweiligen Elektrode (13a, 13b) ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Isolierung (20), wobei zumindest die wenigstens eine Funktionsschicht (15) und die Zwischenschichten (14) vollständig umlaufend von der Isolierung (20) umgeben sind und wobei zumindest ein Teilbereich der Elektroden (13a, 13b) von der Isolierung (20) umgeben ist.
Sensorelement (10) nach Anspruch 11, wobei die Kontaktpads (16a, 16b) an einer Oberseite (10a) des Sensorelements (10) aus der Isolierung (20) herausragen.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine der wenigstens zwei Elektroden (13a, 13b) unterhalb der wenigstens einen Funktionsschicht (14) ausgebildet ist und wobei die andere der wenigstens zwei Elektroden (13a, 13b) oberhalb der wenigstens einen Funktionsschicht (14) ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend einen ersten Teilbereich (23) mit einer Breite B1, welcher die Funktionsschicht (15), die Elektroden (13a, 13b), die Zwischenschichten (14) und die Kontaktpads (16a, 16b) umfasst und einen zweiten Teilbereich (24) mit einer Breite B2, der den Träger (11) und die isolierende Schicht (12) umfasst, wobei B1 ≤ B2.
Sensorelement (10) nach Anspruch 14, wobei eine Seitenfläche des ersten Teilbereichs (23) und/oder des zweiten Teilbereichs (24) frei von Stufen ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine unterste der wenigstens zwei Elektroden (13a, 13b) unmittelbar auf der isolierenden Schicht (12) ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach Anspruch 16, wobei ein Teilbereich der isolierenden Schicht (12) frei von einem elektrisch leitenden Material der untersten Elektrode ist.
Sensorelement (10) nach Anspruch 17, wobei in dem freien Teilbereich eine der wenigstens zwei Zwischenschichten (14) ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Elektrode (13a, 13b) als DünnschichtElektrode ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Funktionsschicht (15) ein Dünnfilm mit NTC Eigenschaften ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Träger (11) Silicium, Siliciumcarbid oder Glas aufweist oder wobei der Träger (11) Si₃N₄, AlN, GaN oder Al₂O₃ als Trägermaterial aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionsschicht (15) eine NTC Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp aufweist oder wobei die Funktionsschicht (15) eine NTC Keramik basierend auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (13a, 13b) einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sind und mindestens ein Material aus oder eine Materialkombination aus Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, Ta, W, Pd und/oder Pt aufweisen.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktpads (16a, 16b) einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sind und mindestens ein Material aus oder eine Materialkombination aus Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, Ta, W, Pd und/oder Pt aufweisen.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die isolierende Schicht (12) einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet ist und Al₂O₃, AlN, SiO₂ oder Si₃N₄ oder Kombinationen von Schichten dieser Materialien aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 25, wobei die Isolierung (20) einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet ist und Al₂O₃, AlN, SiO₂ oder Si₃N₄ oder Kombinationen von Schichten dieser Materialien aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 26, wobei die Isolierung (20) als Material Oxide, Nitride, Keramiken, Gläser oder Kunststoff aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (10) zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und / oder in eine SESUB Struktur ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) zur Messung einer Temperatur aufweisend die folgenden Schritte: A) Bereitstellen eines Trägermaterials zur Ausbildung eines Trägers (11); B) Ausbilden einer isolierenden Schicht (12) auf einer Oberseite (18) des Trägers (11); C) Aufbringen von wenigstes einer Elektrode (13a, 13b) auf einen Teilbereich des Trägers (11), so dass ein Bereich des Trägers (11) frei von Elektrodenmaterial bleibt; D) Aufbringen wenigstens einer Zwischenschicht (14) auf den freien Teilbereich des Trägers (11); E) Aufbringen von wenigstens einer Funktionsschicht (15) auf zumindest einen Teilbereich einer durch die Elektrode (13a, 13b) und die Zwischenschicht (14) gebildete Ebene; F) Aufbringen von wenigstens einer weiteren Elektrode (13a, 13b) auf zumindest einen Teilbereich der Funktionsschicht (15) ; G) Aufbringen wenigstens einer weiteren Zwischenschicht (14) auf einen von der weiteren Elektrode (13a, 13b) freien Teilbereich der Funktionsschicht (15); H) Strukturierung wenigstens einer der Elektroden (13a, 13b) zur Ausbildung wenigstens eines trimmbaren Bereichs (17) zur Widerstandseinstellung; I) Ausbilden von Kontaktpads (16a, 16b) zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (10).
Verfahren nach Anspruch 29, weiterhin aufweisend den Schritt: J) Einstellen des Widerstandswerts durch Trimmen der wenigstens einen strukturierten Elektrode (13a, 13b).
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 oder 30, weiterhin aufweisend den Schritt: K) Ausbilden einer Isolierung (20) auf wenigstens einem Teilbereich einer Oberfläche des Sensorelements (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, weiterhin aufweisend den Schritt: Ausbilden wenigstens einer weiteren Zwischenschicht (14) zwischen den Kontaktpads (16a, 16b) und der Funktionsschicht (15) .