DE19833391C2

DE19833391C2 - Thermoelektrisches Sensorsystem und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE19833391C2
Application number: DE19833391A
Authority: DE
Inventors: Joachim Sonntag; Hans-Joachim Winterfeldt; Dirk Hoelting; Johannes Herrnsdorf
Original assignee: HL Planartechnik GmbH
Current assignee: TE Connectivity Sensors Germany GmbH
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2018-07-25
Also published as: DE19833391A1

Description

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Sensorsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Ein derartiges Sensorsystem ist aus der DE 42 44 607 A1 bekannt.

Thermoelektrische Sensorsysteme in Form von thermoelektrischen Strahlungsemp fängern werden für die Messung von Infrarotstrahlung, für thermoelektrische Wand ler, für Sensoren zur Strömungsmessung und Druckmessung sowie in manch anderen Anwendungsfeldern eingesetzt.

Thermoelektrische Sensorsysteme beruhen auf der Ausnutzung des physikalischen Seebeck-Effekts. Bringt man die Enden eines elektrischen Leiters auf unterschiedli che Temperaturen, so ist es möglich, an diesen eine Spannung abzugreifen, die in ihrer Größe proportional zur Temperaturdifferenz und zu einer spezifischen thermoelektri schen Materialkonstante, der Thermokraft α ist. Werden zwei aus verschiedenen Werkstoffen bestehende Leiter (Schenkel) zu einem Thermoelement verbunden, so ergibt der Seebeck-Effekt bei Temperaturdifferenz der Verbindungsstellen eine elek trische Spannung.

Die Ausnutzung des Seebeck-Effekts in Mikrostrukturen hat zu leistungsfähigen Thermopiles (besonders angeordnete Reihenschaltungen von Thermoelementen) ge führt. Jedes einzelne Thermoelement hat Strukturbreiten von nur wenigen Mikrome tern und Schichtdicken von Zehnteln von Mikrometern. Durch die Mikrotechnik ist es möglich geworden, auf kleinstem Raum eine Vielzahl solcher Einzel-Spannungs quellen in Reihe zu einem Thermopile zu verschalten und so die resultierende Signal spannung zu vervielfachen.

Wie sich aus der eingangs genannten DE 42 44 607 A1 ergibt, werden üblicherweise die thermoelektrisch relevanten Schichten auf einem Siliziumchip in Dünnschicht technik abgeschieden und mikrostrukturiert. Im Zentrum, also in der Meßzone, wird der Chipkörper des Siliziumchips auf eine nur mikrometerdicke Trägermembran abgedünnt. Im Stand der Technik geschieht das dadurch, daß man eine entsprechend dünne Trägermembran in einem Rahmen aus Silizium durch mikromechanische Ätzung von der Rückseite her herstellt, wobei diese Trägermembran selbst aus Silizium-Oxid-Nitrid (SiON) besteht, das bei der Ätzung von Silizium nur unwesentlich angegriffen wird. Die heißen Meß-Kon taktstellen werden auf der Trägermembran in der Meßzone angeordnet und mit der Abdeckschicht (Absorber) versehen, die kalten Vergleichs-Kontaktstellen liegen auf dem dicken Chiprahmen, der insgesamt eine Wärmesenke bildet.

Auf diese Weise lassen sich Temperaturdifferenzen von Hundertstel Grad mit hoher Genauigkeit bestimmen.

Es kommt im Grundsatz nicht darauf an, wie die erläuterten Temperaturdifferenzen erzeugt werden. Hier kommen unterschiedliche physikalische Effekte in Frage, insbe sondere die Messung von Wärmestrahlung. Diese Messung kann über große Abstän de und mit hoher Geschwindigkeit (Meßzeiten von wenigen Millisekunden) erfolgen. Dadurch können auch schnell bewegte Teile in ihrer Temperatur gemessen werden.

Befindet sich anstelle der Absorptionsschicht ein Dünnschichtwiderstand in der Meß zone, so kann man beispielsweise auch hochfrequente Wechselspannungen und -ströme hochempfindlich messen.

Thermoelektrische Sensorsysteme finden vielfältige Anwendung in der Automation und Prozeßkontrolle, in Haushaltsgeräten und im medizinischen Bereich, aber auch bei Strömungsmessungen etc.

Die Empfindlichkeit S eines thermoelektrischen Sensorsystems ist zunächst von dem Materialparameter Thermokraft α der für die Schenkel verwendeten Werkstoffe und vom thermischen Leitwert G der gesamten Anordnung abhängig. Das ergibt folgende Formel

In dieser Formel ist n die Anzahl der Thermoelemente (Schenkelpaare) und G der thermische Leitwert der Gesamtanordnung. Der thermische Leitwert G wird bestimmt durch die Wärmeabstrahlung, die Wärmeleitung über die Trägermembran und die Wärmekonvektion im Füllgas des gehäusten Sensors insgesamt.

Thermoelektrische Sensorsysteme der in Rede stehenden Art werden in Haushalt und Technik bei Umgebungstemperaturen zwischen -20°C und +120°C (250 K bis 395 K) eingesetzt. Es liegt auf der Hand, daß die Temperaturabhängigkeit der Empfind lichkeit S für die Meßgenauigkeit von großer Bedeutung ist. Die Temperaturabhäng igkeit der Empfindlichkeit S wird durch den Temperaturkoeffizienten ausgedrückt:

Wesentlich bestimmt wird der Temperaturkoeffizient TKS zunächst durch den Tempe raturkoeffizienten der Thermokraft selbst, nämlich:

Ferner ist der Temperaturkoeffizient des thermischen Leitwertes der Gesamtanord nung eine erhebliche Einflußgröße:

Aus den voranstehenden Gleichungen folgt dann

TKS = TKα - TKG

Um eine hohe Empfindlichkeit und damit hohe Signalspannungen zu erreichen, wer den in der Praxis ausgesuchte Materialien mit besonders hoher Thermokraft genutzt, vorzugsweise Halbmetalle (z. B. Wismut und Antimon oder Legierungen aus diesen) oder Halbleiter (z. B. dotiertes Silizium).

Dem Vorteil der großen Thermokraft steht bei vielen Materialpaarungen der Mangel gegenüber, daß der Betrag der Thermokraft mit steigender Temperatur abnimmt, d. h. TKα < 0. Mit einem positiven TKG führt das wegen TKS = TKα - TKG zu relativ großen negativen Werten für TKS.

In den zuvor erläuterten Fällen ist es in der Praxis notwendig, durch Kompensations schaltungen den Temperaturgang zu kompensieren. Das ist insgesamt eine sehr auf wendige Technik. Die in der Praxis erforderlichen Kompensationsschaltungen lassen sich dann stark vereinfachen, wenn es gelingt, TKS sehr klein werden zu lassen.

Es ist weiterhin bekannt, daß Silizium mit bestimmten Dotierungen sowohl sehr große Werte für α als auch TKα < 0 besitzt und damit TKS ~ 0 erreicht werden kann. Do tiertes Silizium hat aber den Mangel, daß es hochohmig ist. Durch die erforderliche Dotierung ist die Herstellung aufwendig, und sie ist auch in der Reproduzierbarkeit schwer zu beherrschen. Die Hochohmigkeit hat zur Folge, daß das Thermopile nur aus sehr wenigen Thermoelementen (Paare von Thermoschenkeln) besteht. Das läuft dem Vorteil durch große Thermokräfte entgegen. Die Widerstandswerte von dotier tem Silizium streuen im übrigen typischerweise sehr stark, ein wesentliches technisch es Problem bei diesen Systemen.

Ganz allgemein ist es seit Jahrzehnten bekannt, daß sich CrSi₂ als Werkstoff für den ersten Schenkel eines Thermoelementes eignet, und zwar insbesondere in Kombina tion mit dem Werkstoff Konstantan für den zweiten Schenkel (DE 24 58 621 A1; US 3 072 733). Der Vorteil einer besonders großen Thermokraft bei dieser Mate rialpaarung ist bereits seit sehr langer Zeit bekannt. über den Temperaturgang der Thermokraft wird in diesem Stand der Technik allerdings nichts ausgesagt. Bei dem aus diesem Stand der Technik bekannten Werkstoff CrSi₂ für den ersten Schenkel ei nes Thermoelementes handelt es sich um kompaktes, kristallines Material mit stark positivem Temperaturkoeffizienten der Thermokraft. CrSi₂ ist dabei als intermetalli sche Verbindung vergleichsweise spröde. Aufgrund der hohen Materialspannungen in einem solchen Werkstoff eignet sich dieser Werkstoff nicht für den Einsatz in ei nem Sensorsystem der in Rede stehenden Art, weil die hauchdünne Membran durch das spröde, kristalline Material bereits im Herstellungsprozeß zerstört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte, eingangs erläuterte ther moelektrische Sensorsystem dahingehend weiterzubilden, daß der Temperaturkoeffi zient der Empfindlichkeit möglichst klein ist, wobei aber dennoch niedrige und mit geringer Streuung reproduzierbare elektrische Widerstandswerte gewährleistet sind.

Die Lehre der vorliegenden Erfindung löst die zuvor aufgezeigte Aufgabe bei einem thermoelektrischen Sensorsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch, daß die ersten Schenkel aus einer Legierung mit den Hauptbestandteilen Silizium und Chrom mit mindestens 70 at% (Atomprozent) Silizium und höchstens 30 at% (Atomprozent) Chrom bestehen, wodurch die Thermokraft im interessierenden Temperaturbereich einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, daß der Werk stoff der ersten Schenkel eine amorphe Struktur hat und daß die zweiten Schenkel aus einem Werkstoff bestehen, dessen Thermokraft entgegengesetztes Vorzeichen zur Thermokraft der ersten Schenkel, aber ebenfalls einen positiven Temperaturkoef fizienten der Thermokraft aufweist.

Grundsätzlich wird bei dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Sensorsystem auf Silizium-Chom-Legierungen zurückgegriffen, die sich im interessierenden Tempera turbereich (wie oben angegeben) durch positive Werte für TKα bei gleichzeitig großer Thermokraft α auszeichnet. Dadurch kann der im allgemeinen negative Bei trag des thermischen Leitwertes zum Temperaturkoeffizienten der Empfindlichkeit TKS großteilig bis vollständig kompensiert werden. Erfreulich ist bei der Legierung aus Silizium und Chrom, daß der elektrische Bahnwiderstand vergleichsweise niedrig liegt, wenn man mit dotiertem Silizium vergleicht. Der Widerstandswert ist auch in nerhalb enger Grenzen reproduzierbar, hat also eine geringe Streuung.

Wesentlich ist der Einsatz einer Silizium-Chrom-Legierung mit einem gegenüber der normalen Verbindung CrSi₂ erhöhten Anteil an Silizium, nämlich von mindestens 70 at% (Atomprozent) Silizium. Damit wird der Siliziumanteil in der Silizium-Chrom-Le gierung so stark erhöht, daß der Charakter der rein intermetallischen Verbindung maßgeblich verändert wird. Mit einer derartigen Legierung mit amorpher Struktur entfallen die bei reinem CrSi₂ in kristalliner Form auftretenden Materialspannungen nahezu vollständig oder jedenfalls so weitgehend, daß die hauchdünne Membran des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Sensorsystems nicht beschädigt oder zerstört wird.

Durch den Einsatz der Silizium-Chrom-Legierung sind kleine Werte für den Tempe raturkoeffizienten der Empfindlichkeit TKS erreichbar. Diese können durch eine ge eignete Temperung noch modifiziert und bis auf einen Wert nahe 0 gebracht werden. Mit der Temperung wird im übrigen auch der Betrag der Thermokraft eingestellt. Es stellt sich eine um so größere Thermokraft ein, je höher die Temperatur der Temperung ist.

Bei welcher Temperatur der Temperung sich der Wert 0 für den Temperaturkoeffizi enten der Empfindlichkeit TKS einstellt, hängt auch von der geometrischen Anord nung und Auslegung der Struktur des thermoelektrischen Sensorsystems (Thermopi lestruktur) sowie davon ab, welcher Werkstoff für den zweiten Schenkel verwendet wird. Als Material für den zweiten Schenkel ist ein Werkstoff vorgesehen, der eine Thermokraft α mit entgegengesetztem Vorzeichen verglichen mit der für den ersten Schenkel eingesetzten Silizium-Chrom-Legierung, jedoch ebenfalls einen positiven Temperaturkoeffizienten der Thermokraft TKα aufweist. Hier kommen insbesondere Nickel mit α ~ -20 µV/K oder Konstantan mit α ~ -40 µV/K in Frage, wobei sich diese Werte auf Raumtemperatur beziehen.

Die beigefügte Zeichnung zeigt die Anordnung eines typischen thermoelektrischen Sensorsystems. Man erkennt die sternförmig auf die Meßzone zulaufenden Thermo elemente bzw. deren Schenkel, die Abdeckschicht (Absorber) in der Meßzone, die Trägermembran und den außenliegenden Rahmen. Die ganze Anordnung ist natürlich miniaturisiert, hat nämlich Außenabmessungen im Millimeterbereich.

Es hat sich gezeigt, daß beispielsweise die Thermokraft von α ~ +20 µV/K (vor der Temperung) bis +100 µV/K (Temperung bei 400°C, eine Stunde) reicht.

Was die Abdeckschicht betrifft, so besteht diese vorzugsweise aus einer Schichtfolge von mindestens zwei Schichten dergestalt, daß sich unten eine Metallschicht mit guter Wärmeleitfähigkeit und darüber eine Absorptionsschicht befindet. Der Begriff "unten" bedeutet dabei unmittelbar auf den Meßkontaktstellen der Meßzone, während der Begriff "darüber" bedeutet, daß diese Schicht der zu messenden Infrarotstrahlung zugewandt ist.

Erfindungsgemäß ist der interessante Bereich für die Zusammensetzung der ersten Schenkel der Bereich mit mindestens 70 at% (Atomprozent) Silizium und höchstens 30 at% (Atomprozent) Chrom. Das kann man weiter dahingehend spezifizieren, daß ein besonders interessierender Wert mit besonders guten Ergebnissen bei 75 at% (Atomprozent) Silizium und 25 at% (Atomprozent) Chrom liegt.

Nachfolgend gibt es noch drei Beispiele für erfindungsgemäß hergestellte thermo elektrische Sensorsysteme:

Beispiel 1

Auf einer dünnen Membran, bestehend aus einer 1,4 µm dicken SiON-Schicht, die in einem Chiprahmen aus Silizium aufgespannt ist, sind 80 Thermoschenkelpaare strah lenförmig angeordnet. Die Schenkelsorte A besteht aus Si₇₅Cr₂₅, 0.5 µm dick, die Schenkelsorte B aus Ni, 0,3 µm dick. Auf den "heißen" Kontaktstellen in der Mitte des Chips befindet sich der Absorber, bestehend aus einer Schichtfolge Ag (0.14 µm) /Sb (0,3 µm)/Fotolack (1,6 µm).

Die Temperung erfolgt bei 300°C vier Stunden lang unter Luftsauerstoff. Die Ther mopilechips werden auf Sockel aufgebaut und mit modifizierten Kappen hermetisch verschlossen. In den modifizierten Kappen befinden sich kreisrunde Öffnungen mit einem Durchmesser von 3,5 mm, in die Breitbandfilter gasdicht eingeklebt sind.

Die Messung der wichtigsten Kenngrößen der so aufgebauten Sensoren lieferte fol gende Ergebnisse:

(T Temperatur des Thermopiles, R elektrischer Widerstand des Thermopiles, U das Meßsignal und TKU der Temperaturkoeffizient des Meßsignals; U und TKU sind di rekt proportional zur Empfindlichkeit S und zum Temperaturkoeffizienten TKS.)

Beispiel 2

Wie Beispiel 1, aber mit folgenden Änderungen:
Die SiON-Membran ist 0,8 µm dick; die Temperung erfolgte bei 220°C 16 Stunden unter Luftsauerstoff:

Beispiel 3

Wie Beispiel 2, aber die Temperung erfolgte bei 300°C eine Stunde unter Luftsauer stoff:

Die Meßbedingungen in allen Fällen waren:
500 K-Strahler, entsprechend 38 µW/mm² auf der Höhe des Thermopiles während der Messung. Das Meßsignal wurde normiert auf einen Referenzblock, der konstant auf 25°C thermostatisiert war.

Claims

1. Thermoelektrisches Sensorsystem
mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen, die jeweils aus einem ersten Schenkel aus einem ersten Werkstoff und einem zweiten Schenkel aus einem zweiten, anderen Werkstoff bestehen,
wobei die nahe beieinander angeordneten heißen Meß-Kontaktstellen der Schenkel eine Meßzone auf einer dünnen Membran bilden und
wobei die kalten Vergleichs-Kontaktstellen der Schenkel auf einem umlaufenden,
eine Wärmesenke bildenden Rahmen angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Schenkel aus einer Legierung mit den Hauptbestandteilen Silizium und Chrom mit mindestens 70 at% (Atomprozent) Silizium und höchstens 30 at% (Atomprozent) Chrom bestehen, wodurch die Thermokraft im interessierenden Tem peraturbereich einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist,
daß der Werkstoff der ersten Schenkel eine amorphe Struktur hat und
daß die zweiten Schenkel aus einem Werkstoff bestehen, dessen Thermokraft entge gengesetztes Vorzeichen zur Thermokraft der ersten Schenkel, aber ebenfalls einen positiven Temperaturkoeffizienten der Thermokraft aufweist.

2. Thermoelektrisches Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schenkel aus einer Legierung mit 75 at% (Atomprozent) Silizium und 25 at% (Atomprozent) Chrom bestehen.

3. Thermoelektrisches Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die zweiten Schenkel aus Nickel oder Konstantan bestehen.

4. Thermoelektrisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß in der Meßzone eine Abdeckschicht aus einer Schichtfolge von mindestens zwei Schichten vorgesehen ist, wobei sich auf den Thermoelementen eine Metallschicht mit guter Wärmeleit fähigkeit und darüber eine Absorptionsschicht befindet.

5. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Sensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelektrische Sensorsystem einer Temperung mit einer Temperatur zwischen 450 K und 900 K, insbesondere zwi schen 470 K und 870 K, über eine Zeit von mindestens einer Stunde unterzogen wird.