DE10315963A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen einer Infrarotabsorberschicht auf mikromechanische Thermosensoren - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen, bestehend aus einer infrarotabsorbierenden Schicht, welche auf einem Temperaturfühler aufgebracht ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die infrarotabsorbierende Schicht wenigstens einen mittels eines Tintenspritzverfahrens aufgespritzten Punkt enthält.
Description
- Stand der Technik
- In der Mikrosystemtechnik ist bisher kein geeignetes Verfahren bekannt, mit dem IR-absorbierende Schichten (IR = Infrarot) auf mikromechanischen Thermosensoren (wie beispielsweise Thermopiles oder pyroelektrischen Wandlern) abgeschieden werden können. Es ist zwar bekannt, dass IR-absorbierendes Material durch Verrühren mit fotosensitiven Lacken mit graphithaltigen Substanzen erzeugt und auf Wafer-Ebene durch Spinon-Verfahren abgeschieden werden kann (die so erzeugten Schichten können auch fotostrukturiert werden), jedoch können die bekannten Abscheideverfahren nicht über Strukturen mit hoher Topographie bzw. perforierter thermischer Membran angewandt werden. Darüber hinaus sind keine IR-absorbierenden, mit photolithographischen Methoden strukturierbaren Lacke bekannt, welche kein Einrühren von Partikeln als Absorber erfordern, um einen ausreichenden IR-Absorptionsgrad zu erreichen. Durch das Einbringen von graphithaltigen Partikeln in der Absorberschicht wird ein erhebliches Partikelrisiko geschaffen (Gefahr von Lack- und damit Partikelresten bei der Fotostrukturierung) , welches gerade in der Fertigung von mikromechanischen Bauelementen ausgeschlossen werden muss (Staubbildung, Partikelverschleppung bei fotolitographischer Entwicklung, Weiterverarbeitung, ...).
- Bekannt ist weiterhin das Ausbringen von Tinten auf beispielsweise Papier mittels dem Ink-Jet-Verfahren (Tintenspritzverfahren). Bei Ink-Jet-Druckern wird unterschieden zwischen
-
- – Drop-on-demand-Druckern und
- – Continuous-Ink-Jet-Druckern.
- Erstere sind insbesondere im Graphikbereich weit verbreitet, z.B. handelsübliche Bürotintenstrahldrucker. Mittels eines Piezo- oder Thermoaktors werden kleine Tröpfchen aus einer Düse gespritzt und auf einer Papierfläche definiert abgeschieden. Continuous-Ink- Jet-Drucker finden hingegen hauptsächlich in der Bauteil- oder Produktcodierung Anwendung. Ein Tintenstrahl wird aus einer Düsenöffnung herausgedrückt und zerfällt in einzelne Tropfen, welche in einer Ladeelektronik aufgeladen und im elektrischen Feld eines Kondensators je nach Druckbild und Druckimpuls unterschiedlich abgelenkt werden.
- Vorteile der Erfindung
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen. Die Vorrichtung besteht aus einer infrarotabsorbierenden Schicht, welche auf einem Temperaturfühler aufgebracht ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die infrarotabsorbierende Schicht wenigstens einen nach Art eines Ink-Jet-Verfahrens bzw. Tintenspritzverfahrens bzw. Spritzverfahrens aufgespritzten Punkt enthält.
- Unter dem Begriff „Punkt" ist dabei nicht ein Punkt im mathematischen Sinne zu verstehen, sondern es handelt sich um einen räumlich ausgedehnten Punkt. Dabei kann es sich um ein Tröpfchen bzw. ein angetrocknetes Tröpfchen handeln. Dabei kann es sich beim Ink-Jet-Verfahren um ein Drop-on-demand-Verfahren oder ein Continuous-Ink-Jet-Verfahren handeln.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die infrarotabsorbierende Schicht sich auf einer freitragenden Membran befindet. Durch die freitragende Membran wird ein Wärmeabfluss vom Temperaturfühler weitgehend vermieden.
- Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Temperaturfühler zwischen der infrarotabsorbierenden Schicht und der freitragenden Membran befindet. Damit wird eine gute thermische Isolation des Temperaturfühlers gewährleistet.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Temperaturfühler um einen Thermopile handelt. Bei einem Thermopile handelt es sich um einen bewährten und kostengünstig herstellbaren Temperaturfühler.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich unter der der infrarotabsorbierenden Schicht gegenüberliegenden Seite der freitragenden Membran ein Hohlraum befindet. Damit ist die gute thermische Isolation des Temperaturfühlers gewährleistet.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die freitragende Membran perforiert ist. Dadurch wird eine besonders einfache Erzeugung des unter der Membran liegenden Hohlraums, beispielsweise durch ein Ätzverfahren, ermöglicht.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die infrarotabsorbierende Schicht aus einem Polymer oder einem in Lösemitteln gelösten Farbstoff auf Polymerbasis besteht. Dadurch kann auf die Verwendung von bekannten graphithaltigen Substanzen verzichtet werden.
- Es hat sich gezeigt, dass auch die Verwendung partikelhaltiger Materialien (z.B. mit Rußpartikeln oder Vanadiumoxid) möglich ist.
- Deshalb ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die infrarotabsorbierende Schicht aus partikelhaltigen Materialien, beispielsweise rußhaltigen Materialien besteht.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die infrarotabsorbierende Schicht sich ausschließlich aus mittels eines Tintenspritzverfahrens aufgespritzten Punkten zusammensetzt.
- Beim verwendeten Tintenstrahldrucker kann es sich um einen
- – Drop-on-demand-Drucker oder einen
- – Continuous-Ink-Jet-Drucker
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen innerhalb eines Gassensors, welcher Kohlendioxid detektiert, verwendet wird.
- Neben Kohlendioxid können mit Absorptionsmessungen im IR-Bereich mit der beschriebenen Erfindung auch weitere interessante Gase detektiert werden, beispielsweise Kohlenmonoxid oder Methan.
- Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen von infrarotabsorbierenden Schichten auf einem Trägermaterial, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die infrarotabsorbierende Schicht mittels eines oder nach Art eines Tintenspritzverfahrens aufgebracht wird.
- Zeichnung
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den folgenden Zeichnungen 1 bis 2 dargestellt.
-
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Gassensors. -
2 zeigt die mit einem Ink-Jet-Druckkopf aufgebrachte IR-Absorberschicht. - Ausführungsbeispiele
- Die vorliegende Erfindung stellt ein einfaches Verfahren zur Verfügung, um IR-absorbierende Schichten aufzubringen und ohne lithographische Methoden zu strukturieren. Die dabei vorgeschlagenen Materialien sind reine Polymere bzw. Farbstoffe auf Polymerbasis in Lösemitteln gelöst. Es müssen keine Partikel beigemengt werden, um im Wellenlängenbereich zwischen 1 μm und 5 μm einen Absorptionsgrad von 80% bei Schichtdicken unter 10 μm zu erzielen.
- Eine Beschränkung auf partikelfreie Materialien ist jedoch aus Sicht der Ink-Jet-Technologie nicht notwendig. Es sind (abhängig von der Düsengröße) Partikel bis zu einer Größe von beispielsweise 10 μm druckbar.
- Das eingesetzte Verfahren ermöglicht es, sehr kleine Volumina und damit sehr geringe Schichtdicken aufzubringen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein IR-absorbierender Farbstoff chipweise auf Waferebene abgeschieden. Für die Abscheidung wird das bereits beschriebene Ink-Jet-Verfahren verwendet. Die wesentlichen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind die folgenden:
-
- – Es ist keine Fotostrukturierung erforderlich, es handelt sich um ein trockenes Verfahren ohne Ausbildung von Kapillarkräften.
- – Es sind partikelfrei Farbstoffe oder auch Suspensionen aus IR-absorbierenden Substanzen einsetzbar, welche im infraroten Wellenlängenbereich zwischen 1 μm und 5μm absorbieren.
- – Es sind geringe Druckmengen möglich
- – Es sind Abscheidungen über sehr große Topographien möglich
- – Es ist eine sanfte Abscheidung auf fragilen (z.B. perforierten) Membranen möglich.
- – Die hohe Druckgeschwindigkeit erlaubt ein kostengünstiges Verfahren.
- Zur Erläuterung des vorgeschlagenen Verfahrens wird der Prozess anhand der Herstellung eines Gassensors erläutert:
Dies sei zunächst anhand von1 erläutert. - Auf einer thermisch isolierenden Membran
1 , welche durch eine Kaverne2 freigestellt ist, liegt ein Temperaturfühler3 , z.B. ein Thermopile, welcher auf dem physikalischen Seebeck-Effekt berüht. Die Kaverne2 kann beispielsweise Vakuum enthalten und dient der thermischen Isolation des Thermopiles3 . Zur Bestimmung der Intensität einer IR-Strahlung muss auf dem Thermopile3 eine IR-absorbierende Schicht4 lokal über der freitragenden Membran2 aufgebracht werden. Wenn die Membran1 Perforationslöcher5 aufweist oder sehr dünn und damit mechanisch wenig stabil ist, muss dieser Aufbringungsprozess sehr vorsichtig erfolgen, was insbesondere durch das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet ist. Die Perforationslöcher5 sind für die Erzeugung der Kaverne2 durch einen Ätzvorgang erforderlich. - Die IR-absorbierende Schicht
4 soll dabei im Wellenlängenbereich 1μm bis 5μm stark absorbieren. Bevorzugt besitzt sie eine Wärmeleitfähigkeit, die im Bereich der Wärmeleitung von Nitriden oder Oxiden liegt. Die Schichtdicke soll bevorzugt 10μm nicht wesentlich überschreiten. - In
2 ist eine sich aus vielen Farbpunkten6 zusammensetzende IR-Absorberschicht dargestellt. Diese wird erfindungsgemäß mit einem Ink-Jet-Druckkopf aufgedruckt. Infolge der Oberflächenspannung der einzelnen Farbtropfen dringen diese nicht wesentlich in die Perforationslöcher5 ein.
Claims (11)
- Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen bestehend aus einer infrarotabsorbierenden Schicht (
4 ,6 ), welche auf einem Temperaturfühler (3 ) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die infrarotabsorbierende Schicht (4 ,6 ) wenigstens einen nach Art eines Ink-Jet-Verfahrens aufgespritzten Punkt (6 ) enthält. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die infrarotabsorbierende Schicht (
4 ,6 ) sich auf einer freitragenden Membran (1 ) befindet. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Temperaturfühler (
3 ) zwischen der infrarotabsorbierenden Schicht (4 ,6 ) und der freitragenden Membran (1 ) befindet. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Temperaturfühler (
3 ) um einen Thermopile handelt. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass sich unter der der infrarotabsorbierenden Schicht (
4 ,6 ) gegenüberliegenden Seite der freitragenden Membran ein Hohlraum (2 ) befindet - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die freitragende Membran (
3 ) perforiert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die infrarotabsorbierende Schicht aus einem Polymer oder einem in Lösemitteln gelösten Farbstoff auf Polymerbasis besteht.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die infrarotabsorbierende Schicht (
4 ,6 ) sich ausschließlich aus mittels eines Tintenspritzverfahrens aufgespritzten Punkten zusammensetzt. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen innerhalb eines Gassensors, welcher Kohlendioxid detektiert, verwendet wird.
- Verfahren zum Aufbringen von infrarotabsorbierenden Schichten auf einem Trägermaterial, dadurch gekennzeichnet dass – die infrarotabsorbierende Schicht nach Art eines Ink-Jet-Verfahrens aufgebracht wird.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tintenstrahldrucker zur Aufbringung der infrarotabsorbierenden Schicht verwendet wird.
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2003
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