DE10360212A1

DE10360212A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE10360212A1
Application number: DE2003160212
Authority: DE
Inventors: Frank Fischer; Hans-Peter Baer; Arnim Hoechst
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-20
Filing date: 2003-12-20
Publication date: 2005-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, der insbesondere für Automobilanwendungen geeignet ist und eine sichere und kostengünstige Herstellung ermöglicht. Er weist auf: DOLLAR A einen thermischen Detektor (2) mit DOLLAR A einem ersten Substrat (4), DOLLAR A einer auf einer Oberseite des ersten Substrates ausgebildeten thermisch isolierenden Membran (5), DOLLAR A einem auf der Membran ausgebildeten Thermophil-Element (6), DOLLAR A einem in dem Substrat (4) unterhalb der Membran (5) und dem Thermophil-Element (6) ausgebildeten Freiraum (12), und DOLLAR A einem auf oder unter der Membran (5) ausgebildeten Absorber (13) zum Absorbieren der Infrarot-Strahlung; DOLLAR A ein an der Unterseite (7) des ersten Substrates (4) durch ein Verbindungsmittel (23) befestigtes Filterelement (3), das aufweist DOLLAR A ein für die zu detektierende Strahlung (S) transparentes zweites Substrat (14) und DOLLAR A eine auf mindestens einer der Seiten des zweiten Substates (14) ausgebildeten, für die zu detektierende Strahlung transparente Filtersturktur (15, 16); und DOLLAR A eine auf der Oberseite des thermischen Detektors (3) befestigte, das Thermophil-Element (6) abdeckende Kappe (25).

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor auf Grundlage der Messung einer Infrarotabsorption und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Mikromechanische Sensoren zur Gasanalyse sind relativ kostengünstig herstellbar und in Kraftfahrzeugen z.B. zur Messung der Innenluft und eventueller Klimamittel-Leckagen einsetzbar. Sie detektieren Einzelgase durch Absorption von Infrarotstrahlung in gasspezifischen Wellenlängenbereichen und weisen eine Infrarot-Strahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke, die das zu detektierende Gas enthält, und einen Gassensor auf. Der Gassensor weist einen schmalbandigen Infrarot (IR)-Filter, der für die Absorptionswellenlänge des zu detektierenden Gases transparent ist, und einen thermischen Detektor auf, der durch das Filter tretende IR-Strahlung als Temperaturerhöhung detektiert.
Im Allgemeinen sind hierbei der thermische Detektor und das IR-Filter auf verschiedenen Substraten vorgesehen, die durch aufwendige Aufbau- und Verbindungstechniken relativ zueinander und in dem Strahlengang positioniert werden müssen.
Die Positionierung und Befestigung der verschiedenen Elemente relativ zueinander ist jedoch aufwendig und störungsanfällig, so dass die grundsätzlich niedrigen Herstellungskosten hierdurch wiederum deutlich erhöht werden. Weiterhin besteht die Gefahr der Verschmutzung insbesondere des in dem thermischen Detektor verwendeten Thermopile-Elementes aus zwei miteinan der kontaktierten Leiterbahnen aus unterschiedlichen Materialien.
Der erfindungsgemäße Gassensor und das Verfahren zu seiner Herstellungsweise weisen insbesondere den Vorteil auf, dass eine kostengünstige und sichere Herstellung eines Gassensors mit guten Messeigenschaften möglich ist.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zunächst einen thermischen Detektor bzw. Infrarot-Detektor durch an sich bekannte mikromechanische Strukturierung herzustellen, vorzugsweise durch die Ausbildung einer Membran auf einem Substrat, einem Thermopile-Element auf der Membran und die Freilegung, z. B. Ätzen eines Freiraums unterhalb der Membran in dem Substrat, sowie Auftragen eines Absorbers. Der so hergestellte thermische Detektor ist kostengünstig herstellbar und robust und ermöglicht gute Messeigenschaften. Unter den Infrarot-Detektor wird nachfolgend ein zweites Substrat mit einem schmalbandigen IR-Filter gebondet, woraufhin der Infrarot-Detektor auf seiner Oberseite durch Befestigen einer Kappe abgedeckt wird. Der Strahlengang erfolgt somit durch das Filterelement und von unten durch den Freiraum in dem Substrat auf die Mebran. Die Kappe ist von dem Strahlengang somit nicht betroffen.
Durch dieses erfindungsgemäße Prinzip können die Filterschichten auf einem unstrukturierten Wafer als zweiten Substrat abgeschieden werden.
Die Verkappung des Sensors kann mit bekannten Technologien z. B. Sealglas-Bonden erfolgen, ohne dass Beschränkungen der Ausbildung, Befestigung oder Formgebung der Kappe durch das anzubringende Filter auftreten. Da erfindungsgemäß die Filterschichten unterhalb des Infrarot-Detektors und die Kappe auf dem Infrarot-Detektor vorgesehen wird, beeinflussen sich diese beiden Elemente nicht. Somit wird durch die unübliche relative Positionierung der drei Bauelemente – Infrarot-Detektor, Kappe und Filterschichten – zueinander auf überraschend einfache Weise eine kostengünstige Ausbildung ohne wesentliche Beschränkungen der Bauelemente erreicht werden.
Weiterhin können die Bauelemente in einem Chip-Stapel integriert werden, so dass eine Platz sparende, insbesondere auch mechanisch stabile Ausbildung möglich ist, die nachfolgend mit zueinander fester Positionierung und Ausrichtung in einem Gehäuse im Strahlengang am Ende einer Absorptionsstrecke positioniert werden kann.
Das Absorbermaterial kann von oben und/oder von unten auf die Thermopile-Struktur aufgebracht werden, so dass beim Design mehr Freiheiten erreichbar sind. Das Absorbermaterial kann gleichzeitig als Antireflex-Schicht auf dem Infrarot-Detektor dienen. Hierbei entfällt insbesondere auch die Strukturierung der Kappe, wie es bei herkömmlichen Techniken zum Teil erforderlich ist.
Für die Positionierung der Bauelemente, insbesondere des Filterelementes und des Infrarot-Detektors zueinander, sind keine aufwendigen Aufbau- und Verbindungstechniken erforderlich, sondern es kann eine direkte Verbindung durch z. B. Sealgas-Bonden der Chips erreicht werden.
Indem die infrarote Strahlung von der Rückseite her in dem Infrarotsensor eintritt, kann die Aufbau- und Verbindungstechnik z. B. um eine Flip-Chip-Lösung direkt auf der Leiterplatte realisiert werden.
Erfindungsgemäß kann die Membran insbesondere direkt auf dem ersten Substrat ausgebildet werden, so dass der Freiraum unter der Membran durch Ätzen des Substrates bis an die Membran ausgebildet werden kann, z. B. mit Silizium-selektivem Ätzen bzw. Nassätzen mit KOH, oder durch Tiefen-Strukturierung wie z. B. mit Chlortrifluorid-Ätzen oder DRIE (deep reactive ion etching). Dielektrische Spiegel und/oder Antireflex-Schichten können auf einer oder beiden Seiten des als zweiten Substrat dienenden Wafers ausgebildet werden. Die Kappe kann direkt auf der Oberseite des ersten Substrates bzw. entsprechend auch auf der Membran befestigt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
1 den Aufbau eines zur Herstellung des Gassensors verwendeten thermischen Detektors;
2 den Aufbau des Filterelementes als Substratwafer mit Filterschichten;
3 den Schritt des Aufbringens eines Bondmaterials auf das Filterelement;
4 einen nachfolgenden Schritt nach Aufsetzen des thermischen Detektors auf das Filterelement;
5 den durch nachfolgendes Aufsetzen der Kappe hergestellten erfindungsgemäßen Gasdetektor.
Zur Herstellung des in 5 gezeigten Gasdetektors 1 werden zunächst der in 1 gezeigte thermische Detektor 2 und ein in 2 gezeigtes Filterelement 3 hergestellt und nachfolgend miteinander verbunden. Der in 2 gezeigte thermische Detektor 2 weist ein Substrat 4 auf, auf dem eine thermisch isolierende Membran 5 abgeschieden wird. Die Membran 5 kann z. B. eine Oxid-Nitrid-Membran sein, die eine geringe Wärmeabfuhr bzw. Wärmeleitung aufweist und auf mechanische Spannungsverhältnisse optimiert werden kann.
Anschließend wird ein Thermopile-Element 6 auf der Membran 5 ausgebildet, indem zwei Leiterbahnen 9, 10 aus verschiedenen Materialien, z. B. Poly-Silizium (polykristallinem Silizium) und Aluminium, oder anderen Kombinationen elektrisch leitender Materialien, in nacheinander folgenden Prozessen derartig abgeschieden werden, dass sie miteinander in an sich bekannter Weise in einem Kontaktbereich 11 im Kontakt sind.
Nachfolgend wird in dem Substrat 4 unterhalb der Membran 5 und des Kontaktbereiches 11 ein Freiraum 12 bzw. eine Kaverne in Bulk-Mikromechanik freigelegt. Dies kann z. B. durch Ätzen mit Kaliumhydroxid (KOH)-Lösung oder mittels Chlortrifluorid-Ätzen oder einer anderen OMM-Technologie erfolgen. Die Membran 5 wird hierbei unterhalb zumindest des Kontaktbereichs 11 des Thermopile-Elementes 6 freigelegt.
Nachfolgend wird ein Absorber 13 entweder auf der Unterseite der Membran 5 in der Kaverne 12 oder aber auf dem Thermopile-Element 6, d. h. auf der Oberseite der Membran 5 unter teilweiser Bedeckung des Thermopile-Elementes 6 abgeschieden. Die in 1 gezeigte Ausbildung ist hierbei dahingehend vorteilhaft, dass der Absorber 13 als Antireflex-Schicht dient und somit Verluste der einfallenden Strahlung aufgrund von Reflexion minimiert werden. Der Absorber 13 absorbiert hierbei die zu detektierende Infrarot-Strahlung zumindest in dem relevanten Wellenlängenbereich.
Das in 2 gezeigte Filterelement 3 wird hergestellt, indem auf zumindest einer Seite eines Wafers 14, vorteilhafterweise beiden Seiten des Wafers 14, Filterschichten 15, 16 abgeschieden werden. Die Abscheidung eines Filterschichtsystems auf einer Seite des Wafers 14 kann in einem Prozess-Schritt stattfinden, beispielsweise in einer Sputter-Anlage mit Target-Wechsel und in-situ-Schichtdickenmessung. Antireflex-Schichten 19, 20 und breitbandige dielektrische Spiegel 21, 22 können in den beiden Filterschichten 15, 16 integriert werden. Auf dem als Filterwafer ausgebildeten Filterelement 3 wird nachfolgend mit einer bekannten Technik das Fügemedium, insbesondere ein Niedertemperatur-Bond-Mittel, z. B. Sealglas-Bereiche 23, aufgebracht. Weiterhin kann z. B. auch ein Polymerbondmittel bzw. Polymerkleber aufge tragen werden oder ein euthektisches Bonden oder anodisches Bonden durchgeführt werden. Die Sealglas-Bereiche 23 aus z. B. einem niedrig schmelzenden Bleioxid werden hier bei den äußeren Bereichen auf dem Filterelement 3 aufgebracht, um ein Strahlungsdurchtritt in einem mittleren Bereich nicht zu beeinträchtigen.
Nachfolgend wird gemäß 4 der thermische Detektor 2 aus 1 auf die Sealglas-Bereiche 23 aufgesetzt und hierdurch befestigt.
Gemäß 5 werden wiederum Sealglas-Bereiche 24 oder ein anderes Bond-Mittel in seitlichen Bereichen auf dem thermischen Detektor 2 aufbracht, mit denen nachfolgend eine Kappe 25 befestigt wird. Die Kappe 25 kann wiederum aus einem dritten Substrat durch geeignetes Ätzen einer Vertiefung 26 ausgebildet sein. Die Kappe 25 ist mit ihrer Vertiefung 26 hierbei oberhalb des Thermopile-Elementes 6, insbesondere oberhalb des Kontaktbereiches 11 und des Absorber 13 angeordnet.

Claims

Gassensor, der mindestens aufweist: einen thermischen Detektor (2) mit einem ersten Substrat (4), einer auf einer Oberseite des ersten Substrates (4) ausgebildeten thermisch isolierenden Membran (5), einem auf der Membran (5) ausgebildeten Thermopile-Element (6), einem in dem Substrat (4) unterhalb der Membran (5) und dem Thermopile-Element (6) ausgebildeten Freiraum (12) zum Durchtritt der zu detektierenden Infrarot-Strahlung, und einem auf oder unter der Membran (5) ausgebildeten Absorber (13) zum Absorbieren der Infrarot-Strahlung; ein Filterelement (3), das an der Unterseite (7) des ersten Substrates (4) durch ein Verbindungsmittel (23) befestigt ist und aufweist ein in dem Wellenlängenbereich der zu detektierenden Strahlung (S) transparentes zweites Substrat (14) und mindestens eine auf einer der Seiten des zweiten Substrates (14) ausgebildete Filterstruktur (15, 16), die in einem Wellenlängenbereich der zu detektierenden Strahlung transparent ist; und eine auf der Oberseite des thermischen Detektors (3) befestigte, das Thermopile-Element (6) abdeckende Kappe (25).
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten des zweiten Substrates (14) Filterschichten (15, 16) ausgebildet sind.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (14) ein unstrukturierter Wafer ist.
Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschichten (15, 16) auf einer oder beiden Seiten des zweiten Substrates (14) einen dielektrischen Spiegel (19, 20) aufweisen.
Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschichten (15, 16) auf einer oder beiden Seiten des zweiten Substrates (14) eine Antireflexionsschicht oder Antireflexionsschichten (21, 22) aufweisen.
Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (23) zwischen dem Filterelement (3) und dem thermischen Detektor (2) ein niedrig schmelzendes Verbindungsmittel (23), z. B. ein Sealglas-Bond (23) oder Polymerbond, oder ein eutektisches Verbindungsmittel, ist.
Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsmittel (24) zwischen dem optischen Detektor (2) und der Kappe (25) ein niedrig schmelzendes Verbindungsmittel, z. B. ein Sealglas-Bond (24) oder Polymerbond, oder ein eutektisches Verbindungsmittel ist.
Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (25) aus einem dritten Substrat mit einer dem Thermopile-Element (6) zugewandten Vertiefung (26) gebildet ist.
Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (13) an der Unterseite der Membran (5) in dem Freiraum (12) des Substrates (4) aufgetragen ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (13) auf der Oberseite der Membran (5) aufgetragen ist und das Thermopile-Element (6) bedeckt.
Verfahren zum Herstellen eines Gassensors nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens folgenden Schritten: Herstellen eines thermischen Detektors (2) durch Ausbilden einer thermisch isolierenden Membran (5) auf einem ersten Substrat (4), Ausbilden eines Thermopile-Elementes (6) auf der Membran (5), Freilegen eines Freiraums (12) in dem Substrat (4) unterhalb der Membran (5) und dem Thermopile-Element (6), Auftragen eines Absorbers (13) auf oder unter der Membran (5) im Bereich des Thermopile-Elementes (6), Ausbilden eines Filter-Elementes (3) aus einem für die zu detektierende Strahlung transparenten zweiten Substrat (14) und Ausbilden von Filterschichten (15, 16) auf mindestens einer Seite des zweiten Substrates (14), Ausbilden einer Kappe (25), Befestigen des Filterelementes (3) an einer Unterseite (7) des ersten Substrates (4) des optischen Detektors (2), und Befestigen der Kappe (25) auf dem optischen Detektor (2) oberhalb des Thermopile-Elementes (6).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum (12) durch Ätzen, z. B. KOH-Ätzen, Tiefenätzen, DRIE-Ätzen oder Chlortrifluorid-Ätzen, ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des Filterelementes (3) an der Unterseite (7) des ersten Substrates (4) durch ein Bond-Mittel (23), insbesondere ein niedrig schmelzendes Bond-Mittel, z. B. ein Sealglas-Bond (23) oder Polymerbond oder ein eutektisches Verbindungsmittel, erfolgt.