DE10202513B4

DE10202513B4 - Selbstreinigende Oberflächen für bildgebende Sensoren

Info

Publication number: DE10202513B4
Application number: DE10202513A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Schmid; Stefan Dr. Jung; Klaus Gruber; Christl Lauterbach
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Quarterhill Inc
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: DE10202513A1

Abstract

Bildgebender Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoroberfläche eine Struktur aufweist, deren adhäsionsmindernde Eigenschaft unter Ausnutzung des Lotus-Effekts einen Selbstreinigungseffekt erzielt, wobei Senken der strukturierten Oberfläche mit einem anderen als dem ursprünglichem Stoff aufgefüllt sind, so daß ein hydrophil-hydrophob-Kontrast erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft Oberflächen von bildgebenden Sensoren gemäß Patentanspruch 1 sowie Verfahren zur Herstellung strukturierter Oberflächen bildgebender Sensoren.
Oberflächen bildgebender Sensoren sollen eine möglichst hohe Kratzfestigkeit aufweisen. Dazu werden zur Optimierung der Kratzfestigkeit die Oberflächen sehr glatt ausgebildet und zusätzlich mit einem Schmiermittel benetzt. Diese beiden Eigenschaften führen jedoch zu einer Begünstigung der Ablagerung von Schmutzpartikeln.

Aus dem Stand der Technik ist die technische Umsetzung des Lotuseffektes auf Oberflächen bekannt. So beschreibt die Offenlegungsschrift DE 197 09 165 A1 die Verwendung von Nanopartikeln zur Oberflächenbehandlung von Fahrzeugteilen. In der Offenlegungsschrift DE 199 52 314 A1 ist ein Temperatursensor für Rauchgasmessungen mit einer selbstreinigenden Oberfläche offenbart. Patentschrift DE 692 18 811 T2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Wasser und Öl abweisenden Oberfläche auf, die ihrerseits Nanostrukturen aufweist und für eine Vielzahl von Oberflächen vorgeschlagen wird. Unter anderem befinden sich unter den zahlreichen Anwendungsbeispielen auch lichtdurchlässige Oberflächen und Oberflächen von Halbleitern. Des weiteren ist in der Offenlegungsschrift DE 199 32 150 A1 eine Oberfläche von Solarzellenpanels beschrieben, die mit einer Lotusschicht ausgestattet ist, so daß diese eine selbstreinigende Eigenschaft besitzt. Die Offenlegungsschrift DE 41 29 427 A1 beschreibt eine Anordnung bzw. eine Matrix aus Fotodioden, die jeweils mit optischen Schichten überlagert sind, wobei diese optischen Schichten lichtbündelnde und farbfilternde Eigenschaften aufweisen. Die Patentschrift DE 34 29 812 C1 beschreibt ein Ätzverfahren zur Herstellung von monolithischen Bildaufnehmern, wobei diese monolithische Bildaufnehmer zur optischen Bündelung einfallender Strahlung auf eine kleine wirksame Fläche des Bildaufnehmers vorgesehen sind. Die US-Patentschrift US 3,354,022 beschreibt eine Oberflächenstruktur, die wasserabweisende Eigenschaften besitzt, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Oberflächenstruktur.

4 veranschaulicht den "Lotuseffekt", wie er in Planta (1997) Vol. 202, Number 1. S. 1–8; Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces" von W. Barthlott und C. Neinhuis, beschrieben ist. Auf glatten Oberflächen ist die Kontaktfläche zwischen Schmutzpartikeln und Oberfläche größer als auf rauhen Oberflächen. Dies hat zur Folge, daß zwischen den Oberflächen bzw. zwischen der Oberfläche des Sensors und der Oberfläche der -Schmutzpartikel eine höhere Adhäsionskraft besteht, als bei rauhen Oberflächen. Das gleiche gilt für Flüssigkeiten, die sich auf der glatten und/oder der rauhen Oberfläche befinden. Glatte Oberflächen sind durch Flüssigkeiten leichter zu benetzen als rauhe Oberflächen.

Wandert ein Flüssigkeitstropfen auf einer glatten Oberfläche einer schiefer Ebene von oben nach unten und trifft auf seinem Weg Schmutzpartikel, so sind bei einer glatten Oberfläche die Adhäsionskräfte zwischen glatter Oberfläche und Schmutzpartikel größer als die Adhäsionskräfte zwischen Schmutzpartikel und Flüssigkeit, so daß der vorbei wandernde Flüssigkeitstropfen bestenfalls zu einer Umlagerung der Schmutzpartikel, aber nicht zu einem Abtransport der Schmutzpartikel führen kann.

Ist die Oberfläche nun mit einer Rauhigkeit im Mikrobereich ausgestaltet, so wirken zwischen der rauhen Oberfläche und den Schmutzpartikeln nur sehr geringe Adhäsionskräfte. Dies hat zur Folge, daß ein vorbei wandernder Flüssigkeitstropfen höhere Adhäsionskräfte gegenüber den Schmutzpartikeln aufweist als die rauhe Oberfläche. Dies wiederum führt dazu, daß die Schmutzpartikel im Tropfen von der Oberfläche entfernt werden. Die rauhe Oberfläche ist somit von den Schmutzpartikeln befreit. Dabei ist es prinzipiell unerheblich, ob das flüssige Transportmittel wässriger oder öliger Natur ist.

Eine Verstärkung dieses Effekts bewirkt die in der Natur vorkommende Wachsschicht auf Blattoberflächen, die zu einer weiteren Vergrößerung des Kontaktwinkels führt. Auch dieser Effekt wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt.

Ein bekanntes Verfahren zur Aufbringung einer Mikrostruktur auf einer gegebenen Oberfläche ist das Vernebeln von Nano- bzw. Mikropartikeln in einen Kleber, der dann in einem weiterem Verfahrensschritt auf die Oberfläche aufgebracht wird. Hier entsteht nach dem Aushärten des Klebers eine Nano- bzw. Mikrostruktur auf der Oberfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verschmutzungstendenz der glatten Sensoroberflächen zu minimieren und diesen eine selbstreinigende Eigenschaft zu verleihen, ohne dabei bildgebende Parameter des Sensors zu beeinträchtigen und ohne die Kratzfestigkeit zu vermindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein bildgebender Sensor vorgesehen ist, bei dem die Sensoroberfläche eine Struktur aufweist, deren adhäsionsmindernde Eigenschaft unter Ausnutzung des Lotus-Effekts einen Selbstreinigungseffekt erzielt, wobei Senken der strukturierten Oberfläche mit einem anderen als dem ursprünglichem Stoff aufgefüllt sind, so daß ein hydrophil-hydrophob-Kontrast erreicht wird.

Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gelöst, das zur Herstellung einer nano- bzw. mikrostrukturierten Oberfläche auf Sensoroberflächen die Oberfläche durch vertiefende oder erhöhende Maßnahmen strukturiert, wobei dies dadurch erreicht wird, daß Fotolack durch Ultraschallvernebler fein zerstäubt und auf der Oberfläche des Sensors verteilt wird und zwischen den Tropfen lackfreie Bereiche verbleiben, bei denen in einem nachgeschalteten Ätzvorgang Material von der Oberfläche abgelöst wird.

Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren gelöst, das die Sensoroberfläche eines bildgebenen Sensors durch vertiefende oder erhöhende Maßnahmen dadurch strukturiert, daß Fotolack oder Methylmetacrylatkleber durch Ultraschallvernebler fein zerstäubt und auf der Oberfläche des bildgebenden Sensors verteilt wird und zwischen den Tropfen lackfreie Bereiche verbleiben, wobei nach dem Aushärten eine strukturierte Oberfläche verbleibt.

Ein Beispiel für bildgebende Sensoren sind Fingertipsensoren. Die glatten Oberflächen der Fingertipsensoren verschmutzen im täglichen Betrieb sehr stark, wobei die Funktionsfähigkeit des Sensors stark beeinträchtigt wird. Dies führt zu Fehlern und zu Fehlinterpretationen des ermittelten Meßergebnisses.

Der hydrophobe Effekt, den die Wachsschicht der Blattoberflächen bewirkt, lässt sich durch das Aufbringen einer selbstorganisierenden monomolekularen Schicht auf die strukturierte Oberfläche nachbilden. Dabei werden der hydrophile Kopf der Moleküle zur chemischen Bindung an die Basisoberfläche genutzt und der hydrophobe Rest bildet die neue Oberfläche, die dessen hydrophobe Eigenschaften aufweist und zu einer weiteren Erhöhung des Grenzwinkels führt.

Es beschreibt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung einen bildgebenden Sensor, der sich die Eigenschaft des Lotuseffekts zunutze macht und hierbei die Struktur der Sensoroberfläche deutlich kleiner als die kleinste zu messende Entfernung des Sensors ist. Damit ist sichergestellt, daß die Oberflächenstruktur das Meßergebnis des Sensors nicht verfälscht.

So ist z. B. die erwartete elektrische Auflösung eines solchen Sensors mit 50 μm hinreichend groß gegenüber der Strukturgröße der Oberfläche, die mit 1–5 μm hinreichend klein ist.

Es ist eine weitere Ausgestaltung beschrieben, wobei die Senken der Oberfläche mit einem anderen als dem ursprünglichen Material wieder aufgefüllt werden, so daß zum einem die Oberfläche glatt und zum anderen ein nano- bzw. mikrostrukturierter hydrophob-hydrophil-Kontrast entsteht. Dieser weist die gleichen Eigenschaften wie eine rauhe, nano- bzw. mikrostrukturierte Oberfläche auf. Auch unterstützt diese Ausgestaltung gleichermassen vorteilhaft die Reinigungswirkung von wässrigen und öligen Flüssigkeiten auf der nano- bzw. mikrostrukturierten Oberfläche.

Durch die Strukturierung der Oberfläche wird auch zusätzlich die Kratzfestigkeit der Oberfläche erhöht, da ein kratzender Gegenstand im Normalfall größer als die Rauhigkeit der Oberfläche ist und der kratzende Gegenstand zwar einzelne Erhöhungen abbrechen, eine weitere Rißbildung jedoch nicht erreichen kann.

Bei bildgebenden Sensoren kann nun die Aufrauhung der Oberfläche prinzipiell in zwei Arten und Weisen erfolgen. Zum einen kann die Rauhigkeit der Oberfläche in die bestehende Oberfläche eingebracht, zum anderen auf die bestehende Oberfläche aufgetragen werden.

Dabei ist das Aufbringen von Fotolack und dessen nachgeschaltete Belichtung mit einer entsprechenden Maske und einem nachgeschalteten Ätzschritt vorgesehen, wobei die Oberflächenstruktur durch den Ätzschritt in das Material eingebracht wird. Dieses Verfahren ist in der Regel kostenintensiv, wobei eine regelmäßige Struktur für den Effekt nicht notwendig ist.

Es ist eine andere Ausgestaltung der Erfindung, den Fotolack durch einen Ultraschallvernebler fein zu zerstäuben und so auf der Oberfläche aufzubringen. Dies bewirkt eine feine Verteilung feinster Tropfen von Fotolack auf der Oberfläche, wobei zwischen den Tropfen des Fotolacks unberührte Flächen frei bleiben. Diese werden in einem nachfolgenden Ätzschritt herausgeätzt. Dies stellt ein Verfahren dar, bei dem die Oberflächenstruktur in das Material eingebracht wird.

Dieses Verfahren ist so erweiterbar, daß eine selbstorganisierende monomolekulare Organohalogensilanschicht auf die Oberfläche aufgebracht wird, welche die Oberfläche zusätzlich schützt und welche den Kontaktwinkel zwischen Sensoroberfläche und Flüssigkeit erhöht. Dabei geht der hydrophile Kopf des Silans eine echte chemische Bindung mit der Oberfläche ein.

Eine zweite grundsätzliche Verfahrensweise ist dadurch gegeben, daß eine Nano- bzw. Mikrostruktur auf der bestehenden Oberfläche aufgebracht wird. So kann durch den bekannten Ultraschallvernebler Fotolack oder Methylacrylatkleber fein zerstäubt und auf der Oberfläche des Sensors aufgebracht werden, wobei auch hier Lack bzw. klebstofffreie Flächen zwischen den Tropfen verbleiben. Nach Aushärten des Klebers bzw. des Lacks erhält man eine Nano- bzw. Mikrostrukturierung der Oberfläche. Für dieses Verfahren eignen sich ebenso hochtemperaturstabile Kunststoffe wie zum Beispiel Polyimide oder Polybenzoxazole. Die einzige Bedingung für die Eignung als Sensoroberfläche ist eine Chemikalien- und Umweltstabilität.

Das Benetzungsverhalten einer Oberfläche kann auch dadurch gesteuert werden, daß der Oberfläche ein hydrophil-hydrophob-Kontrast aufgeprägt wird. Dies kann zum einem dadurch geschehen, daß die Senken in der nano- bzw. mikrostrukturierten Oberfläche mit einem Stoff mit anderen Benetzungsverhalten als das Basismaterial aufgefüllt werden, oder zum Beispiel das Silan mittels Mikrokontaktdruck strukturiert auf die Oberfläche aufgebracht wird. In beiden Fällen entsteht eine Oberfläche, die glatt ist und hydrophobe und hydrophile Flächenbereiche aufweist.

Im Weiteren ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und anhand eines Ausführungsbeispiels und dessen Variationen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der in Patentanspruch 1 beschriebenen Oberfläche,
2 zeigt das Ergebnis eines erhöhenden Verfahrens als schematische Darstellung
3 zeigt das Ergebnis eines vertiefenden Verfahrens.
4 eine schematische Darstellung der bekannten Wirkung einer rauhen Oberfläche gegenüber einer glatten Oberfläche,
Ausführungsbeispiele zur Herstellung erfindungsgemäßer Sensoroberflächen
Es wird zunächst eine Maske mit den für die Aufrauhung vorgesehenen Strukturen hergestellt. Auf die Siliziumnitridoberfläche des bildgebenden Sensors wird ein Fotolack aufgebracht und die Strukturen der Maske durch Belichtung und anschließendes Entwickeln in den Fotolack übertragen. Auf diesen Arbeitsschritt folgt ein Ätzvorgang mit 65 %iger Phosphorsäure bei 180 Grad C. Dabei werden die Strukturen in das Nitrid übertragen. Im Anschluß wird der Fotolack durch einen HF-Dip (20 % in Wasser, 1 Minute) entfernt. Zu beachten ist dabei, daß für die Ätzung ein temperaturbeständiger Fotolack zu verwenden ist, z. B. auf PBO-Basis, der bei 350 Grad C aushärtet.
Die Aufbringung der monomolekularen Silanschicht erfolgt in folgender Weise: Das Substrat bzw. die Sensoroberfläche, also der Sensor, wird fünf Minuten bei 100 Grad C getrocknet und anschließend für fünf Minuten in eine 1 bis 5 %ige Lösung von Tridecafluoro-1,1,2,2, Tetrahydrooctyl-Trichlorosilan in Pe trolether (80–140 Grad C) getaucht. Der Anbindungsprozeß des Silans wird in fünf Minuten bei 100 Grad C vervollständigt. Überschüssiges Silan wird durch Abspülen mit Petrolether, gefolgt von destilliertem Wasser, entfernt. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung des Kontaktwinkels. So steigt z. B. auf einer vollflächigen Nitridschicht der Kontaktwinkel nach Aufbringung dieser monomolekularen Schicht von 60 auf 100 Grad an. Dieses eben beschriebene Verfahren kann auch in den folgenden Varianten durchgeführt werden. So bietet sich die Verwendung eines fotostrukturierbaren Polyimids anstelle des Polybenzooxazollacks – kurz PBO – an. Des weiteren kann die Belichtung mittels einer Maske eingespart werden, indem der bildgebende Sensor so lange in einem Nebel aus Fotolack belassen wird, bis sich eine genügend hohe Tropfendichte an der Oberfläche abgeschieden hat. Dies ist in 3 erkennbar, wobei (1) das ursprüngliche Material der Sensoroberfläche darstellt. Die Vertiefungen in der Sensoroberfläche wurden durch einen Ätzschritt eingebracht. (4) und (5) symbolisieren ein Molekül des Organohalogensilans, das als monomolekulare selbstorganisierende Schicht auf die Oberfläche aufgebracht ist. Dabei ist (4) der hydrophile Kopf und (5) der hydrophobe Rest des Moleküls.
Darüber hinaus kann nach Aufbringen des Fotolacks in einer dünnen Schicht und in einzelnen Tropfen nachfolgender Ätzschritt eingespart werden, da die Tropfen nach dem Aushärten selbst eine nano- bzw. mikrostrukturierte Oberfläche erzeugen. Dies ist in 2 erkennbar, wobei (1) die ursprüngliche Sensoroberfläche und (3) die aufgebrachten Tropfen des Fotolacks oder des Methylmetacrylatklebers darstellen. Auf der entstandenen Oberfläche werden mit einem kurzen Sauerstoffflash (kleiner 10 Sekunden) funktionelle Gruppen an der Oberfläche erzeugt. Diese wiederum werden silanisiert bzw. teflonisiert, d. h. mit einer monomolekularen selbstorganisierenden Schicht überzogen.
Anstelle des Fotolacks eignet sich auch zur Erzeugung der Oberflächenstruktur ein Acrylatkleber (Sekundenkleber), der vernebelt und auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Besteht die Oberfläche des bildgebenden Sensors nicht aus Siliziumnitrid sondern einem Siliziumoxid, so enthält das Ätzbad wäßrige Flußsäure.
Alternativ zu den Ätzverfahren in wäßriger Lösung stehen auch Plasmaverfahren zur Verfügung. Bei einer Siliziumnitrid- oder Siliziumoxidoberfläche bietet sich fluorhaltiges Plasma, bei einer organischen Oberfläche Sauerstoffplasma an. Zur Aufbringung der monomolekularen Silanschicht bietet sich auch das HMDS-Verfahren, das Hexamethyl-Di-Silazan-Verfahren zum Aufbringen der Silanschicht aus der Gasphase an.
Soll die Oberfläche nach sämtlichen Verfahren wieder glatt sein und nur einen hydrophilen/hydrophoben Kontrast aufweisen, so werden die eingeätzten Strukturen oder aufgebrachten Strukturen mit einem hydrophilen oder eben hydrophoben Dielektrikum aufgefüllt. Die Auswahl des geeigneten Dielektrikums ist abhängig von der Vorbehandlung der Oberfläche. Dies zeigt 1, wobei (1) das ursprüngliche Material und (2) das Dielektrikum darstellt. Material (1) hat hierbei beispielsweise hydrophobe Eigenschaften und Stoff (2) hydrophile Eigenschaften.

Claims

Bildgebender Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoroberfläche eine Struktur aufweist, deren adhäsionsmindernde Eigenschaft unter Ausnutzung des Lotus-Effekts einen Selbstreinigungseffekt erzielt, wobei Senken der strukturierten Oberfläche mit einem anderen als dem ursprünglichem Stoff aufgefüllt sind, so daß ein hydrophil-hydrophob-Kontrast erreicht wird.
Bildgebender Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Oberfläche kleiner als die kleinste mit dem Sensor erfassbare Wegstrecke ist.
Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Sensoroberfläche eines bildgebenden Sensors, bei dem die Sensoroberfläche durch vertiefende oder erhöhende Maßnahmen strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Fotolack durch Ultraschallvernebler fein zerstäubt und auf der Oberfläche des Sensors verteilt wird und zwischen den Tropfen lackfreie Bereiche verbleiben, bei denen in einem nachgeschalteten Ätzvorgang Material von der Oberfläche abgelöst wird.
Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Sensoroberfläche eines bildgebenen Sensors, bei dem die Sensoroberfläche durch vertiefende oder erhöhende Maßnahmen strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Fotolack oder Methylmetacrylatkleber durch Ultraschallvernebler fein zerstäubt und auf der Oberfläche des bildgebenden Sensors verteilt wird und zwischen den Tropfen lackfreie Bereiche verbleiben, wobei nach dem Aushärten eine strukturierte Oberfläche verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entstandene Oberfläche mit einer selbstorganisierenden monomolekularen Organohalogensilanschicht bedeckt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Senken der strukturierten Oberfläche mit einem anderen als dem ursprünglichem Stoff aufgefüllt werden, so daß ein hydrophil-hydrophob-Kontrast erreicht wird.