DE3743399A1

DE3743399A1 - Sensor zum nachweis von gasen durch exotherme katalytische reaktionen

Info

Publication number: DE3743399A1
Application number: DE19873743399
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Nuscheler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: MP SENSOR SYSTEMS GMBH, 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1989-07-06
Also published as: JPH01203956A

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einem Halbleiter bauelement, das mit einer Katalysatorschicht versehen ist und das in einem Substrat thermisch isoliert enthalten ist, zum Nachweis von Gasen durch exotherme katalytische Reaktionen.

Es ist bekannt (siehe z. B. DE 35 19 397 Al), Gase dadurch nachzuweisen, daß die Wärme aus einer exothermen kataly tischen Reaktion des Gases mit z. B. dem Sauerstoff der Um gebungsluft an einer Katalysatoroberfläche registriert wird. Es sind einige Sensoren bekannt, die für einen Gas nachweis der beschriebenen Art verwendbar sind (siehe z. B. DE 35 19 397 Al, 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, O. Koeder: Dissertation am Lehrst. für Technische Elektronik, 1986, K. Hardtl, W. Kubler, J. Riegel: Sensoren-Technologie und Anwendung NTG Fachberichte 93, Bad Nauheim, 1986, 97). Alle diese Sensoren sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut. Sie enthalten ein Element, das zur Temperaturmessung geeignet ist. Auf ihrer Oberfläche weisen sie eine Katalysatorschicht auf, die so gewählt ist, daß das nachzuweisende Gas an ihrer Oberfläche katalytisch verbrennt oder reagiert. Dabei wird Wärme frei, die zu einer Erhitzung des Sensorelementes führt. Die Temperatur änderung des Sensorelementes hat eine Signaländerung zur Folge.

Eine Vielzahl von Katalysatoren ist aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z. B. DE 35 19 397 Al). Platin katalysatoren sind zur Verbrennung von Wasserstoff ge eignet. Platin- oder Platin-Rodium-Katalysatoren bei 200 bis 250°C eignen sich für die Erzeugung von NO aus NH₃ unter Zugabe von Sauerstoff. NO verbrennt bei 100°C an einem Katalysator aus Al₂O₃-SiO₂-Gel zu NO₂. CO läßt sich bei Temperaturen ab 150°C an einem Katalysator aus Palladium zu CO₂ oxidieren. Der Ablauf der katalytischen Reaktion ist von der Grundtemperatur des Katalysators und vom Katalysator abhängig. Im allgemeinen läuft die katalytische Reaktion erst ab einer Mindesttemperatur ab.

Wegen der starken Temperaturabhängigkeit von Halbleitern ist es empfehlenswert, Halbleiterbauelemente als Sensoren zu verwenden. Aus DE 35 19 397 Al ist ein Aufbau bekannt, in dem eine mit einer Katalysatorschicht versehene Diode über eine dünne, thermisch isolierende Schicht aus Silizium dioxid oder -nitrid thermisch isoliert an einem Substrat körper aufgehängt ist. Die Katalysatorschicht bedeckt den Bereich der Diode und ragt über die isolierende Schicht hinweg. Die Katalysatorschicht hat außerhalb des Bereichs, in dem sie mit der isolierenden Schicht in Kontakt steht, Kontakt mit der Substratoberfläche. Da die Diode möglichst gut von der Umgebung thermisch isoliert sein muß, damit nicht die zum Nachweis benötigte Wärme in die Umgebung abfließt, muß die Katalysatorschicht möglichst dünn sein. Bei sehr dünnen Katalysatorschichten wird deren Lebensdauer durch Diffusion in den Halbleiter, durch Legierungen an der Grenzschicht, geringen Verbrauch des Katalysators oder durch Oberflächenoxidationen herabgesetzt. Weitere Nach teile dieses Aufbaus sind, daß bei Messungen mit wasser stoffhaltigen Gasen das Sensorsignal negativ durch H⁺-Diffusion in den Halbleiter beeinflußt wird und daß der Katalysator kaum strukturiert werden kann, da er sich auf der Rückseite befindet, wo kein Photoprozeß möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor anzugeben, bei dem die H⁺-Diffusion in den Halbleiter bei Messung wasserstoffhaltiger Gase vermieden wird und bei dem die Lebensdauer der Katalysatorschicht gegenüber dem Stand der Technik vergrößert wird.

Die Aufgabe wird mit einem Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist.

Die Passivierungsschicht vermindert die H⁺-Diffusion in den Halbleiter.

Die Katalysatorschicht kann z. B. durch Photoprozeß be liebig strukturiert werden, da sie an der Oberfläche des Aufbaus angeordnet ist. Sie kann z. B. streifenförmig ausgeführt werden, um bei größerer Schichtdicke den gleichen Querschnitt aufzuweisen. Dadurch besteht keine Notwendigkeit, die Katalysatorschicht möglichst dünn zu machen. Die katalytische Schicht kann so dick aufgetragen werden, daß sie über die gewünschte Lebensdauer hinweg funktionsfähig bleibt.

Der Sensor nach Anspruch 2 hat alle Vorteile eines planaren Aufbaus. Insbesondere ist es möglich, eine Zeolithschicht als weitere Selektiveinrichtung auf der Katalysatorschicht abzuscheiden. Zeolithschichten können nur in planaren Strukturen in homogener Dicke hergestellt werden.

Der Sensor nach Anspruch 3 hat den Vorteil, daß für die Katalysatorschicht auch elektrisch nicht leitende Materialien verwendet werden können, da die Metallbe schichtung als Kontakt und Leiterbahn benutzt werden kann.

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

Fig. 1 zeigt einen Sensor in planarem Aufbau, bei dem die Katalysatorschicht gleichzeitig Kontakt ist.

Fig. 2 zeigt einen Sensor in planarem Aufbau, bei dem unter der Katalysatorschicht eine Metallschicht zur Kontaktierung vorgesehen ist.

Die planare Sensoranordnung in Fig. 1 enthält ein tempera turempfindliches Halbleiterbauelement 1. Das Halbleiterbau element 1 ist z. B. eine Diode, ein Dünnfilmwiderstand oder ein Transistor. Das Halbleiterbauelement 1 ist mit Hilfe einer Passivierungsschicht 2 in einer Aussparung 31 eines Substrats 3 aufgehängt. Die Passivierungsschicht 2 besteht z. B. aus SiO₂ oder Si₃N₄. Die Passivierungsschicht 2 hat thermisch und elektrisch isolierende Eigenschaften und ist mechanisch stabil. Die Passivierungsschicht 2 besorgt die mechanische Aufhängung des Halbleiterbauelements 1 an dem Substrat 3 bei gleichzeitiger thermischer Isolation des Halbleiterbauelements 1 von dem Substrat 3. Die Passi vierungsschicht 2 hat eine Dicke von etwa 0,5 µm. Die Passivierungsschicht 2 bedeckt das Substrat und das Halb leiterbauelement 1. Oberhalb des Halbleiterbauelements 1 weist die Passivierungsschicht 2 eine Öffnung 7 auf. Auf die Passivierungsschicht 2 folgt eine Katalysatorschicht 4. Die Katalysatorschicht 4 steht im Bereich der Öffnung 7 in Kontakt mit dem Halbleiterbauelement 1. Die Katalysator schicht 4 besteht z. B. aus Palladium oder Platin. Sie hat eine Dicke von etwa 100 bis 150 nm. Die Katalysator schicht 4 besteht aus einem Katalysator, der elektrisch leitfähig ist. Daher kann die Katalysatorschicht 4 zugleich als Kontakt- und Leiterbahn für das Halbleiterbauelement 1 benützt werden. Da sich die Katalysatorschicht 4 an der Oberseite des Aufbaus befindet, kann die Katalysator schicht 4 durch einen Photoprozeß beliebig strukturiert werden. Daher gibt es keine Einschränkungen an die Dicke der Katalysatorschicht 4. Da die Katalysatorschicht 4 nur im Bereich der Öffnung 7 in Kontakt mit dem Halbleiterbau element 1 und damit mit dem Halbleitermaterial steht, ist eine Diffusion von H⁺-Ionen vom Katalysator in den Halb leiter praktisch nicht möglich. Auf der Rückseite des Halbleiterbauelementes 1 ist eine Kontaktschicht 5 vorge sehen. Die Kontaktschicht 5 dient als Rückseitenkontakt für das Halbleiterbauelement 1. Die Kontaktschicht 5 besteht z. B. aus Titan. Die Kontaktschicht 5 muß elektrisch leit fähig sein. Gleichzeitig sollte die Kontaktschicht 5 mög lichst schlechte Wärmeleitfähigkeit haben, da sie eine Verbindung vom Halbleiterbauelement 1 zum Substrat 3 dar stellt. Diese Bedingungen werden von Titan gut erfüllt. Im Betrieb des Sensors wirkt nachzuweisendes Gas in der Richtung auf das Halbleiterbauelement 1 ein, die durch Pfeile 8 angedeutet ist. An der Katalysatorschicht 4 reagiert das nachzuweisende Gas katalytisch mit z. B. dem Sauerstoff der Umgebungsluft, wobei Wärme frei wird. Diese Wärme führt zu einer Erhitzung des Halbleiterbauelements 1. Die Temperaturänderung des Halbleiterbauelements 1 wird registriert. Damit die Empfindlichkeit der Messung nicht dadurch reduziert wird, daß Wärme im Substrat 3 abfließt, ist das Halbleiterbauelement 1 möglichst gut vom Substrat 3 thermisch isoliert.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors dargestellt. Der Sensor ist genauso aufgebaut wie der Sensor in Fig. 1. Er enthält das Halbleiterbauelement 1, das über die Passivierungsschicht 2 in der Aussparung 31 des Substrats 3 aufgehängt ist. Die Passivierungsschicht 2 sorgt für die thermische Isolation des Halbleiterbau elements 1 vom Substrat 3. Auf der Rückseite trägt das Halbleiterbauelement 1 und das Substrat 3 die Kontakt schicht 5 aus z. B. Titan. Die Passivierungsschicht 2 be deckt das Substrat 3 und das Halbleiterbauelement 1 bis auf die Öffnung 7. Auf die Passivierungsschicht 2 folgt eine Metallschicht 6. Die Metallschicht 6 besteht z. B. aus Aluminium. Im Bereich der Öffnung 7 folgt die Metall schicht 6 unmittelbar auf das Halbleiterbauelement 1. Auf die Metallschicht 6 folgt die Katalysatorschicht 4. Die Metallschicht 6 dient als Kontakt und als Leiterbahn. Daher kann die Katalysatorschicht 4 in diesem Fall elektrisch nicht leitfähig sein. Das bietet die Möglichkeit die Anzahl der möglichen Katalysatoren um die elektrisch nicht leit fähigen Katalysatoren zu erweitern. Der Betrieb des Sensors erfolgt analog demjenigen aus Fig. 1.

Claims

1. Sensor mit einem Halbleiterbauelement, das mit einer Katalysatorschicht versehen ist und das in einem Substrat thermisch isoliert enthalten ist, zum Nachweis von Gasen durch exotherme katalytische Reaktionen, gekenn zeichnet durch folgende Merkmale:

a. auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements (1) ist eine Passivierungsschicht (2) vorgesehen,
b. auf der Passivierungsschicht (2) ist die Katalysator schicht (4) vorgesehen.

2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a. die Passivierungsschicht (2) weist eine Öffnung (7) auf, durch die die Kontaktierung des Halbleiterbauelements (1) erfolgt,
b. zur Rückseitenkontaktierung des Halbleiterbauelements (1) ist eine Kontaktschicht (5) vorgesehen, die von der Katalysatorschicht (4) elektrisch isoliert ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich net, durch einen planaren Aufbau.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorschicht (4) aus einem elektrisch leitenden Katalysator besteht, daß die Katalysatorschicht (4) mit dem Halbleiterbauelement (1) in Kontakt steht und daß die Katalysatorschicht (4) als Kontaktierung für das Halbleiterbauelement (1) vorgesehen ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Katalysator schicht (4) eine Metallschicht (6) als Leiterbahn vorge sehen ist, so daß als Katalysatorschicht (4) ein nicht leitender Katalysator verwendbar ist.