DE3743398A1 - Aufhaengung fuer eine sensoranordnung zum nachweis von gasen durch exotherme katalytische reaktionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufhängung für eine Sensoran­ ordnung mit einem temperaturempfindlichen Halbleiterbau­ element, das thermisch isoliert in einem Substrat enthalten ist, zum Nachweis von Gasen durch exotherme katalytische Reaktionen.

Es sind einige Gassensoren bekannt (siehe z. B. DE 35 19 397 A1, English Electric Valve Company Limited, GB: Datenblatt, S.J. Gentry, A. Jones: J. appl. Chem. Bio­ technol. 1978, 28, 727, S.J. Gentry, T.A. Jones: Sensors and Actuators, 4, (1983), 581, S.J. Gentry, P.T. Walsh: Sensors and Actuators, 5 (1984), 229, F. Nuscheler: Proc. 2 international meeting on chemical sensors, 1986, p 235, K. Hardtl, W. Kubler, J. Riegel: Sensoren-Technologie und Anwendung NTG-Fachberichte 93, Bad Nauheim, 1986, 97), die nach dem Prinzip der Wärmetönung funktionieren. Diese Gassensoren enthalten ein temperaturempfindliches Bau­ element, das thermisch von der Umgebung isoliert ist und auf dessen Oberfläche ein Katalysator aufgebracht ist. An der Oberfläche des Katalysators reagieren die nachzu­ weisenden Gase z. B. mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft katalytisch. Dabei wird Wärme freigesetzt, die zu einer Erwärmung des Sensors führt. Diese Temperaturerhöhung des Sensors wird mit dem temperaturempfindlichen Bauelement gemessen.

Die Qualität dieser Gassensoren hängt entscheidend von der Güte der thermischen Isolation von der Umgebung ab. Ist die thermische Isolation des temperaturempfindlichen Bau­ elements von der Umgebung ungenügend, so fließt bei der Reaktion entstehende Wärme in die Umgebung ab. Dadurch wird die Temperaturempfindlichkeit des temperaturempfindlichen Sensors reduziert.

Es ist bekannt (siehe z. B. F. Nuscheler, Proc. 2 inter­ national meeting on chemical sensors 1986, p 235, O. Koeder: Dissertation am Lehrst. f. Technische Elek­ tronik, 1986), zur thermischen Isolation und Aufhängung eine dünne SiO₂- oder Si₃N₄-Membran zu verwenden. Dabei wird das temperaturempfindliche Element in einer Aussparung eines Halbleitersubstrats mit Hilfe dieser Membran mechanisch aufgehängt. Die Membran dient gleichzeitig der thermischen Isolation.

Da die isolierende Membran einen anderen Ausdehnungs­ koeffizient als das Halbleitersubstrat hat, kommt es bei diesem Aufbau zu mechanischen Spannungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Aufhängung für eine Sensoranordnung anzugeben, mit der ein Sensor mechanisch stabil und thermisch von der Umgebung entkoppelt an einem Substrat befestigt ist, wobei die Ver­ bindung zwischen dem Sensor und dem Substrat möglichst frei von mechanischen Spannungen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Aufhängung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, wie dies im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Mit Hilfe selektiver Ätztechniken (siehe z. B. K. E. Petersen, Proceedings of the IEEE, 70, 5 (1982)) ist es möglich, ein Sensorelement in einem Substrat frei zu ätzen. Durch gleichzeitig frei geätzte Halbleiterstege ist das Sensorelement in dem Substrat mechanisch fixiert. Diese Stege können dünn genug gemacht werden, um das Substrat thermisch von dem Sensor zu entkoppeln. Da Substrat, Sensor und Stege aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen, ist diese Struktur weitgehend frei von mechanischen Spannungen. Diese Struktur hat weiterhin den Vorteil, auf technologisch einfache Weise herstellbar zu sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Sensoranordnung mit einem temperatur­ empfindlichen Bauelement, das an zwei Stegen am Substrat aufgehängt ist.

Fig. 2 zeigt den mit II in Fig. 1 bezeichneten Schnitt der Sensoranordnung.

Fig. 3 zeigt eine Sensoranordnung mit einem elektrisch nicht leitfähigen Katalysator.

Die Sensoranordnung enthält ein Substrat 1 aus z. B. Silizium (siehe Fig. 1). Das Substrat 1 weist eine Öffnung 6 auf. Zwei gegenüberliegende, die Offnung 6 begrenzende Seiten des Substrats 1 sind über zwei Stege 5 und ein Halb­ leiterteil 41 verbunden. Das Halbleiterteil 41 enthält ein Halbleiterbauelement 4, das temperaturempfindlich ist. Die Stege 5 haben einen Querschnitt von z. B. etwa 50 µm in der Breite und z. B. etwa einige µm in der Höhe. Die Oberfläche des Substrats 1, der Stege 5 und des Halbleiter­ teils 41 ist mit einer Passivierungsschicht 2 bedeckt. Die Passivierungsschicht 2 besteht z. B. aus SiO₂ oder Si₃N₄. Die Passivierungsschicht 2 hat eine Dicke von etwa 0,5 µm. Die Passivierungsschicht 2 weist oberhalb des temperatur­ empfindlichen Halbleiterbauelementes 4 mindestens eine Aussparung 21 auf. Die Passivierungsschicht 2 dient zum Schutz der Halbleiteroberflächen. Ferner wird durch die Passivierungsschicht 2 verhindert, daß beim Nachweis von wasserstoffhaltigen Gasen Wasserstoff in den Halbleiter gelangt. Da in den Halbleiter diffundierter Wasserstoff die Signale verfälscht, ist es vorteilhaft, die Passivierungs­ schicht 2 vorzusehen. Auf dem Halbleiterteil 41 und auf den Stegen 5 ist eine Katalysatorschicht 3 vorgesehen. Die Katalysatorschicht 3 besteht z. B. aus Platin oder aus Palladium. Sie hat eine Dicke von etwa 100 bis 150 nm. Es ist möglich, Katalysatorschichten mit Dicken von mindestens 10 nm zu verwenden. Die Katalysatorschicht 3 bedeckt das Halbleiterbauelement 4 (siehe Fig. 2). Das Halbleiterbau­ element 4 ist temperaturempfindlich. Als Halbleiterbau­ element 4 eignet sich z. B. eine Diode oder ein Dünnfilm­ widerstand. Die Katalysatorschicht 3 ist elektrisch leitend, daher eignet sie sich als Leiterbahn für das Halb­ leiterbauelement 4. Der Rückseitenkontakt des Bauelements 4 erfolgt über die Stege 5. Die Stege 5 sind so dotiert, daß sie elektrisch leitfähig sind. Die Stege 5 sind von der Katalysatorschicht 3 durch die Passivierungsschicht 2 elektrisch isoliert in dem Bereich außerhalb des Halblei­ terbauelements 4. Daher ist es wichtig, daß die Aussparung 21 (siehe Fig. 2) der Passivierungsschicht 2 höchstens so groß wie die Oberfläche des Halbleiterbauelements 4 ist.

Bei der Herstellung der Sensoranordnung wird die Öffnung 6 durch selektives Ätzen im Substrat 1 erzeugt. Durch z. B. anisotropes Ätzen oder durch Ätzstop an Dotierungssprüngen wird dafür gesorgt, daß die Stege 5 und das Halbleiterteil 41 in der gewünschten Form stehen bleiben.

Im Betrieb der Sensoranordnung wirkt nachzuweisendes Gas auf die Katalysatorschicht 3 ein. An der Oberfläche der Katalysatorschicht 3 reagiert das nachzuweisende Gas z. B. mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft katalytisch. Dabei wird Wärme frei, die zu einer Erhitzung des Halbleiterbau­ elements 4 führt. Die Temperaturänderung des Halbleiter­ bauelements 4 wird registriert. Die Qualität der Temperaturmessung hängt entscheidend davon ab, wie gut das Halbleiterbauelement von seiner Umgebung thermisch iso­ liert ist. Der Querschnitt der Stege 5 verhindert eine un­ erwünschte Ableitung der Wärme. Mit der Anzahl der Stege steigt die Wärmeableitung. Die Verwendung zweier Stege 5 ist ein guter Kompromiß zwischen mechanischer Stabilität einerseits und geringer Wärmeableitung andererseits. Da das Substrat 1, die Stege 5 und der Halbleiterteil 41 mit dem Halbleiterbauelement 4 aus ein und demselben Material, z. B. Silizium, bestehen, ist diese Sensoranordnung weit­ gehend frei von mechanischen Spannungen.

Nicht elektrisch leitfähige Katalysatoren können für die Katalysatorschicht 3 nur verwendet werden, wenn das Halb­ leiterbauelement 4 auf andere Weise kontaktiert wird. In Fig. 3 ist eine Sensoranordnung dargestellt, die sich von der oben beschriebenen nur darin unterscheidet, daß die Katalysatorschicht 3 aus einem nicht elektrisch leitenden Katalysator besteht und daß zur Kontaktierung des Halb­ leiterbauelements 4 eine Metallschicht 7 vorgesehen ist. Die Metallschicht 7 besteht z. B. aus Aluminium und hat eine Dicke von z. B. etwa 100 nm. Die Metallschicht 7 verläuft unterhalb der Katalysatorschicht 3. Die Metall­ schicht 7 dient zur Kontaktierung des Halbleiterbauelements 4. Diese Sensoranordnung ermöglicht es, die verwendbaren Katalysatoren um die Gruppe derjenigen zu erweitern, die nicht elektrisch leitfähig sind.

Claims (7)

1. Aufhängung für eine Sensoranordnung mit einem tempera­ turempfindlichen Halbleiterbauelement, das thermisch isoliert in einem Substrat enthalten ist, zum Nachweis von Gasen durch exotherme katalytische Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbau­ element (4) dadurch vom Substrat (1) thermisch isoliert ist, daß es nur durch mindestens einen Steg (5) mit dem Substrat (1) verbunden ist und daß zwischen dem Halbleiter­ bauelement (4) und dem Substrat (1) außerhalb des Steges (5) isolierendes Material vorgesehen ist.

2. Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als isolierendes Material Luft vorgesehen ist.

3. Aufhängung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (5) aus demselben Material wie das Substrat (1) besteht.

4. Aufhängung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steg (5) als Kontaktbahn für den Masseanschluß verwendbar ist und daß auf dem Steg (5) mindestens eine weitere Kontaktbahn vorgesehen ist.

5. Aufhängung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Katalysatorschicht (3) aus einem elektrisch leitfähigen Katalysator besteht und daß die Katalysatorschicht (3) auf dem Steg (5) als weitere Kontaktbahn aufgebracht ist.

6. Aufhängung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf dem Steg (5) und über dem Halbleiterbauelement (4) als weitere Kontaktbahn eine Metallschicht (7) vorgesehen ist.

7. Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stege (5) vorge­ sehen sind.