DE3917519A1 - In duennfilmtechnik auf siliziumsubstrat aufgebrachter multisensor zur detektion von gasen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß verschiedene Substanzen, insbesondere Metall­ oxyde, z. B. Zinn-Dioxid, den ohmschen Widerstand dann verändern, wenn gleichzeitig oxidierbare Gase, z. B. Kohlenmonoxid, vor­ handen sind. Diesen Effekt machen sich zahlreiche am Markt ange­ botene Sensoren zu Nutze, wobei üblicherweise folgende Kon­ struktionselemente eingesetzt werden:

Der Sensor selbst besteht aus einem gesinterten Zinn-Dioxid oder einem Zinn-Dioxid-Dickfilm, der auf einem keramischen Träger, vorzugsweise aus Aluminium-Dioxid aufgebracht ist. Mitunter ist der Keramik-Träger als Röhrchen ausgebildet, wobei in dem Röhr­ chen ein ohmscher Widerstand als Heizer angebracht wird, der die Oberfläche des Metalloxydes auf eine Temperatur zwischen 100°C und 500°C erwärmen kann.

Bei anderen Konstruktionen ist auf dem Keramiksubstrat eine Heiz­ struktur aufgebracht, die vorzugsweise metallisch ist.

Die Herstellungsprozesse für Sensoren dieser Art haben den Nach­ teil, daß Schichtdicke und Schichtgeometrie relativ große Tole­ ranzen aufweisen, was bei der technischen Anwendung zu Problemen führt.

Die nachstehend beschriebene Erfindung hat sich zur Aufgabe ge­ macht, durch Einsatz von in der Halbleitertechnik ansich bekann­ ten Verfahren den Herstellungsprozeß zu vereinfachen und die Toleranzen erheblich zu senken.

Ähnlich wie bei Halbleiterchips besteht auch hier der Sensor­ träger aus Silizium. Durch den Einsatz von Polysilizium ist es bei diesem Trägermaterial ohne weiteres möglich, jede gewünschte Form und Größenordnung einer ohmschen Heizung auszubilden.

Bei Verwendung von polykristallinem Silizium und entsprechender Kontaktierung, ist es möglich, dem Träger einen nichtmetallischen elektrischen Leiter als Heizer beizugeben. Den bekanntlich ist polykristallines Silizium elektrisch leitfähig und erwärmt sich demnach beim Anlegen einer Spannung.

Dieses Heizelement (1), was über die Kontaktierung (2) elek­ trisch angeschlossen wird und über die Spannungsversorgung (3) betrieben wird, wird nunmehr nach den in der Halbleitertechnik bekannten Verfahren weiterverarbeitet und erhält zuerst eine Iso­ lationsschicht (4) aus z. B. Siliziumoxyd. Träger der Dünn­ schichtelemente ist ein Siliziumsubstrat (5).

In verschiedenen Herstellungsschritten wird nunmehr eine photo­ empfindliche Schicht aufgebracht, die die Strukturen des eigent­ lichen Sensorelementes enthält. Dabei kann jede gewünschte Struk­ turform hergestellt werden.

Nach dem Belichten wird der Sensorgrundstoff aufgebracht. Es liegt auf der Hand, daß die mit diesem Verfahren erreichbaren Genauigkeiten dem der herkömmlichen Dickschichttechnik erheblich überlegen sind und insofern gleichmäßigere Ergebnisse bringen.

Im Prinzip kann dieser Vorgang beliebig oft wiederholt werden, wobei in den einzelnen Arbeitsschritten unterschiedliche Sensor­ materialien aufgebracht werden, so daß sich z. B. die Sensor­ elemente (6), (7), (8) ergeben.

Wenn es notwendig ist, kann ein Temperatur-Sensorelement (9) an einem für die Temperatur repräsentativen Ort aufgebracht werden, das aus einem elektrisch leitenden und stark temperaturabhängigen Material besteht, z. B. aus Platin.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau im Schnittbild, während

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau in Draufsicht zeigt.

Um die Sensoreigenschaften zu verändern, wird weiter vorge­ schlagen, die Eigenschaften der Sensorelemente dadurch gezielt zu beeinflussen, in dem in einem weiteren Arbeitsschritt auf das Sensormaterial eine weitere Schicht bzw. weitere Schichten aufge­ bracht werden. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine Katalysator­ schicht aus einem katalytisch wirkenden Metall, wie z. B. Pala­ dium, Platin, Rodium etc. aufzudampfen bzw. in geeigneter Form aufzubringen, wobei diese Schicht gasdurchlässig gestaltet ist.

Die letzte Forderung wird realisiert, indem die aufgebrachte Schicht so dünn ist, daß Gasatome mühelos durchdiffundieren können. Auch wird vorgeschlagen, die Katalysatorschicht porös, z. B. in Form einer Netzstruktur, aufzubringen.

Wesentlich ist, daß erfindungsgemäß nicht nur die Geometrie und das Material des eigentlichen Sensorelementes unterschiedlich sein kann, sondern auch die Katalysatorschicht.

Damit ist es erfindungsgemäß möglich, sehr vorteilhaft auf einem Chip eine Gruppe von Sensoren aufzubauen, wobei jeder Einzel­ sensor spezifisch empfindlich auf unterschiedliche Gase ist. Insofern kann durch geeignete Auswertemethoden die Empfindlich­ keit gegenüber einzelnen Gasen erheblich gesteigert werden bzw. sogar Selektivität erreicht werden.

Claims (4)

1. Sensor für die Messung und Erkennung von Gasen, wobei das gas­ empfindliche Element, z. B. aus gasabhängig elektrisch leit­ fähigen Metalloxyden oder anderen geeigneten Materialien besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als Dünnschicht thermisch gekoppelt und elektrisch isoliert auf einem ohmschen Heizelement aus poly­ kristallinem Silizium aufgebracht ist.

2. Sensor für die Messung und Erkennung von Gasen, wobei das gas­ empfindliche Element aus gasabhängig elektrisch leitfähigen Metalloxyden oder anderen geeigneten Materialien besteht, die als Dünnschicht auf einem polykristallinen Silizium-Heizelement aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gasempfindlichen Sensoren mit einer dünnen Schicht eines als Katalysator geeigneten Materials versehen sind.

3. Halbleitersensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger mehrere gasempfindliche Sensorelemente auf­ gebracht sind, wobei die Materialien und die Struktur der Sen­ sorelemente unterschiedlich sein können.

4. Halbleitersensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Gassensoren ein temperaturempfindlicher Widerstand thermisch leitend mit dem Träger verbunden ist, wobei der temperaturempfindliche Widerstand ebenfalls als Dünnschicht eines temperaturempfindlichen elektrischen Leiters aufgebracht ist.