DE4414349A1 - Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Mikrovakuumsensor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art. Ein solcher Sensor ist aus der Veröf­ fentlichung von A.W. Herwaarden et al "Small-size vacuum sensors based on silicon thermopiles" in Sensors & Actuators A, 25-27, 1991, S. 565-569 bekannt.

Bekannt sind ferner auf thermoelektrischer Basis arbeitende Mikrosensoren mit Heizelement, wie z. B. Flußsensoren, Va­ kuumsensoren und Absolutradiometer. Ihnen ist gemeinsam, daß auf einem Si-Grundkörper durch anisotropes Ätzen im zentralen Teil eine thermisch gut isolierende, dünne Mem­ bran (meist SiO₂ und/oder Si₃N₄) ausgebildet wird. Auf diese Membran werden in Dünnschichttechnologie thermoelek­ trische Materialien abgeschieden und strukturiert.

Beim Vakuumsensor nach einem Beitrag von A.W. Herwaarden et al "Small-size vacuum sensors based on silicon thermopiles" in Sensors & Actuators A, 25-27, 1991, S. 565-569, wird eine freitragende Membran aus kristallinem Silizium aufgespannt, in der die thermoelektrischen Materialien und Heizschichten durch Implantation des Siliziums bzw. Dünn­ schichtabscheidung erzeugt werden.

Ausgenutzt wird das Grundprinzip der Strahlungsthermosäule (Thermopile), bei dem die in Dünnschichttechnik hergestell­ ten Leitbahnen (Thermoschenkel) der beiden unterschied­ lichen thermoelektrischen Materialien so in Reihe geschal­ tet sind, daß abwechselnd Kontakte im zentralen Teil der Membran (sogenannte "heiße" Kontakte) und auf dem Silizium- Grundkörper (sogenannte "kalte" Kontakte) entstehen. Durch Einleitung eines Wärmestromes an den "heißen" Kontakten entsteht eine Temperaturerhöhung dieser "heißen" Kontakte gegenüber den "kalten" Kontakten auf dem als Wärmesenke wirkenden Si-Grundkörper. Beim klassischen Thermopile ent­ steht der Wärmeeintrag durch eine die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht auf den "heißen" Kontakten. Die Reihenschaltung der Thermoschenkel gibt eine der absorbier­ ten Infrarotstrahlung proportionale Gleichspannung als Meßsignal ab.

Bei anderen thermoelektrischen Mikrosensoren erfolgt der Wärmeeintrag durch eine elektrische Widerstands-Heiz­ schicht, die in der Nähe der "heißen" Kontakte angeordnet ist. Beim Flußsensor wird die durch die Widerstandsheizung erzeugte Temperaturdifferenz mit zunehmender Strömungs­ geschwindigkeit des am Sensor vorbeiströmenden Mediums durch erzwungene Konvektion verringert. Entsprechend der Temperaturdifferenz verringert sich die Thermospannung an der thermoelektrischen Reihenschaltung und stellt somit ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit dar.

Beim Vakuumsensor ist die Temperaturdifferenz zwischen den "heißen" und "kalten" Kontakten von der Wärmeleitung des den Sensorchip umgebenden Gases zur Wärmesenke abhängig.

Mit verringertem Gasdruck nimmt diese Wärmeleitung des Gases ab und die entstehende Signalspannung zu.

Beim Absolutradiometer ist die meist mäanderförmige elek­ trische Widerstandsheizschicht in ihrer flächenförmigen Ausdehnung identisch mit der darüber oder darunter liegen­ den Absorberschicht. Das durch Strahlungsabsorption erzeug­ te thermoelektrische Signal des Thermopiles wird nach Aus­ blenden der Strahlungsquelle in gleicher Höhe durch die elektrische Heizleistung der Widerstandsschicht realisiert. Die sehr genau meßbare elektrische Heizleistung ist dann identisch mit der unbekannten, zu messenden Strahlungs­ leistung.

Um einen wirtschaftlich herstellbaren Sensor mit hoher Präzision zu erreichen ist u. a. erforderlich

• 1. ein geringer Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit
• 2. eine hohe Linearität der Empfindlichkeit
• 3. eine hohe Empfindlichkeit
• 4. eine hohe Langzeitstabilität der Sensoreigenschaften
• 5. eine weitgehende Kompatibilität der Chipprozesse zu Si-Standardtechnologien

Um die Forderungen 1 und 3 zu erreichen, ist es u. a. vor­ teilhaft, daß bei der Widerstandsheizung möglichst der gesamte Energieumsatz von der elektrischen Heizleistung in Wärme in der Nähe der "heißen" Kontakte stattfindet und daß die Zuleitung der Widerstandsheizung auf der thermisch isolierenden Membran zum äußeren Kontakt mit guter elektri­ scher und schlechter thermischer Leitfähigkeit erfolgt. Außerdem muß der Temperaturkoeffizient des Widerstandes beim Heizelement möglichst gering sein.

Um die Forderungen 4 und 5 zu erfüllen, sollten die Mate­ rialien für die thermoelektrischen Schichten und das Heizelement möglichst ausschließlich mit IC-Standardpro­ zessen hergestellt werden. Bei anderen bekannt gewordenen thermoelektrischen Sensoren mit Widerstandsschicht werden für den thermoelektrischen Sensorteil z. B. Bi/Sb dotiert und undotiert, CuNi/Cu aber auch Poly-Si/Au oder Poly-Si/Al verwendet. Für das Widerstands- bzw. Heizelement werden bevorzugt Metallschichten z. B. NiCr bzw. NiCr, O₂-dotiert mit spezieller Temperung verwendet. Bei anderen Literatur­ quellen ist das Material des Heizelements nicht näher aus­ geführt. Meist ist es eine durchgehende Heizschicht, die sich von der Umgebung der "heißen" Kontakte bis zum Si- Grundkörper erstreckt.

Beim Heizelement wird mindestens ein beträchtlicher Teil der Heizleistung nicht in unmittelbarer Nähe der "heißen" Kontakte, sondern auf dem Wege von den "heißen" Kontakten zur Wärmesenke verbraucht wird. Um diesen Anteil nicht noch zu vergrößern, muß die Zuleitung der Metallschicht minde­ stens denselben Querschnitt wie die Widerstandsschicht in der Nähe der "heißen" Kontakte haben. Die durch diesen Querschnitt abgeführte Heizleistung verringert die Empfind­ lichkeit und verschlechtert die Eigenschaften des Sensors.

Bei einem bekannten Vakuumsensor führt die Verwendung von thermoelektrisch effektiven Bi/Sb-Schichten dazu, daß wegen der niedrigen Schmelztemperatur von Bismut und der Rekri­ stallisationsprozesse in den Schichten ein Ausheizen des Sensors bei Temperaturen oberhalb 100°C nicht möglich ist. In der Vakuumtechnik übliche Ausheiztemperaturen von 300°C können nicht realisiert werden.

Beim Vakuumsensor nach Herwaarden et al werden die Heiz­ schicht und thermoelektrische Schichten vermutlich direkt im kristallinem Silizium erzeugt, so daß die Ausheizbarkeit erreicht wird. Aber auch diese Lösung hat ebenso wie der bekannte Sensor den Nachteil von Vakuumsensoren mit frei­ tragenden Membranen oder Balken als Substraten, daß der detektierbare Druckbereich (zwischen 10^-4 und 10. . .50 mbar) insbesondere im oberen Druckbereich eingeschränkt ist. Zu hohen Drücken hin wird die Wärmeableitung durch das umge­ bende Gas (und damit der Sensor) druckunabhängig, sobald die mittlere freie Weglänge des Gases kleiner als die Ge­ häusedimension ist. Ein frei im Vakuum positionierter Sensorchip bzw. ein auf einem Sockel befestigter Chip mit typischer Chipdicke von etwa 500 µm verliert seine Druck­ empfindlichkeit aus dem genannten Grunde bei etwa 1,20 mbar. Wärmeleitfähigkeitssensoren der beschriebenen Art können deshalb nicht zu Druckmessungen im Grobvakuum zwi­ schen 50. . .1013 mbar eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen wirtschaftlich her­ stellbaren thermischen Mikro-Vakuumsensor nach dem Wärme­ leitfähigkeitsprinzip mit hoher Meßgenauigkeit anzugeben, der bis zu Temperaturen von 300°C ausheizbar ist und einen erweiterten Empfindlichkeitsbereich bis hin zum atmosphä­ rischen Luftdruck hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem thermoelek­ trischen Mikrovakuumsensor nach Anspruch 1 gelöst. Unter­ ansprüche sind auf Merkmale bevorzugter Ausführungsformen gerichtet.

Die Ausheizbarkeit von Mikro-Vakuumsensoren wird erfin­ dungsgemäß durch die verwendeten IC-kompatiblen Materialien polykristallines Silizium und Aluminium bzw. Gold bewirkt, die eine Temperaturbeständigkeit weit über 300°C haben.

Die Empfindlichkeitserweiterung wird bei Vakuumsensoren er­ findungsgemäß dadurch erreicht, daß parallel zur Chip­ membran in geringem Abstand von etwa 10 µm einseitig oder beidseitig je eine nichtgeheizte Wandfläche von mindestens Membrangröße als Wärmesenke angebracht wird, so daß zwi­ schen Membran und Wandfläche(n) ein mit Gas gefüllter Spalt der o.g. Breite entsteht. Erfindungsgemäß werden diese Wandflächen durch anisotropes Ätzen von Silizium-Wafern der gleichen Dicke wie bei der Chipfertigung hergestellt und z. B. durch anodisches Bonden mit dem Chip und dem Chipsockel verbunden.

In einer anderen Ausführungsform wird mindestens eine Wand aus einem Metallwerkstoff durch Tiefziehen, Prägen, Gießen oder ähnliche Verfahren geformt und anschließend auf das Sensorchip montiert. In einer weiteren Ausführungsform wird die unter der Membran befindliche Wand durch den Silizium­ chip selbst gebildet, wobei der Zwischenraum zwischen Membran und Siliziumträger durch Ätzen einer sogenannten Opferschicht freigemacht wird.

Die wirtschaftliche Herstellbarkeit und hohe Meßgenauigkeit werden erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß für die Thermo­ elemente und das Heizelement die gleiche Materialpaarung Poly-Si/Al verwendet wird, wobei beim Heizelement die eigentliche Widerstandsstruktur in Poly-Si ausgeführt ist und die Zuleitung zur Wärmesenke aus einer sehr dünnen und schmalen Al-Schicht ausgeführt ist und das Poly-Si durch verringerte Dotierung auf einen spezifischen Volumenwider­ stand von ca. 40. . .60 µΩm gebracht wird.

Die Wirkung der Erfindung zur Empfindlichkeitserweiterung beruht auf folgender Ursache:
Die Wärmeleitung von der geheizten Membran wird u. a. von dem druckabhängigen Wärmeleitwert bestimmt, der sich aus der Wärmeleitfähigkeit des Gases, der Membranfläche und ihrem Abstand zu benachbarten ungeheizten Flächen ergibt. Bei Abständen < 0,5 mm, wie sie für Sensorgehäuse typisch sind, wird dieser Wärmeleitwert schon bei Drücken von etwa 1. . . 10 mbar und darüber druckunabhängig. Bei der erfin­ dungsgemäßen Lösung mit Abständen von ca. 10 µm bleibt aber die Druckabhängigkeit des Wärmeleitwertes bis zu Drücken < 100 mbar erhalten.

Die Erweiterung des Druckbereichs zu niedrigen Drücken hin (< 10^-3 mbar) beruht darauf, daß der die Messung beein­ trächtigende Wärmefluß durch Strahlung von der Membran zur Wandfläche durch eine reflektierende Verspiegelung 23 der Wandfläche (n) verringert wird.

Die beschriebene Lösung ermöglicht also Druckmessungen nach dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip bis hin zum atmosphärischen Luftdruck. Anstelle der ansonsten im Grobvakuum üblichen mechanischen Druckmeßgeräte, bei denen eine Wandlung der mechanischen Druckwirkung in ein elektrisches Signal nötig ist, liefert der beschriebene Sensor im Grobvakuumbereich direkt ein elektrisches Signal.

Die hohe Genauigkeit der Erfindung beruht auf folgenden Ursachen:

• - Die Verwendung von Poly-Si mit erhöhtem spezifischen Widerstand von 40. . .60 µΩm führt zu einem ausreichend hohen Widerstand der Heizschicht, während die Zuleitung durch die dünne und schmale Al-Leitbahn einen geringen thermischen Leitwert bei im Vergleich zum Poly-Si wesentlich größerem elektrischen Leitwert hat. Dadurch wird erreicht, daß nahezu die gesamte Heizleistung des Heizelementes in der Poly-Si-Leitbahn nahe der "heißen" Kontakte umgesetzt wird und die Wärmeleitung über die Al-Zuleitung vernachlässigbar klein gehalten werden kann.
• - n-leitendes Poly-Si hat bei einem spezifischen Wider­ stand von 40. . . 60 µΩm einen sehr geringen Temperaturko­ effizient des Widerstandes. Meßtechnisch wurden bis herab zu 10 ppm/K ermittelt. Dadurch wird ein sehr kleiner Temperaturkoeffizient des Heizwiderstandes erreicht, wodurch eine sehr geringe Temperaturabhän­ gigkeit der Empfindlichkeit und folglich eine hohe Meßgenauigkeit realisiert ist.

n-leitendes Poly-Si hat bei einem spezifischen Wider­ stand von 40. . .60 µΩm eine um den Faktor 2. . .2,5 erhöhte Thermokraft gegenüber gesättigt dotiertem Poly-Si mit ca. 10 µΩm. Die Breite und Dicke der Poly-Si-Leitbahn im thermoelektrischen Wandlerteil ist wesentlich größer als die der Al-Leitbahn, so daß die Wärmeleitfähigkeit der dünnen Al-Leitbahn vernachlässigbar wird. Durch beide Maßnahmen wird eine hohe Empfindlichkeit des thermoelek­ trischen Wandlers erreicht.

• - Die Verwendung von Poly-Si und Al sowohl für den thermo­ elektrischen Wandler als auch für das Heizelement erfor­ dert wenige Schichtabscheidungen und Strukturierungen für den kompletten Sensor. Außerdem sind beide Prozesse bezüglich Abscheidung und Strukturierung Standardpro­ zesse in der CMOS-Technologie. Das bedeutet wirtschaft­ liche Herstellung.

Die Verwendung von Poly-Si und Al sowohl für den thermo­ elektrischen Wandler als auch für das Heizelement führt zu einer hohen Temperaturbeständigkeit der Schichten. Die Passivierung kann wie im CMOS-Standardprozeß z. B. mit Si₃N₄ durchgeführt werden. Eine sehr hohe Langzeitstabilität der Sensoreigenschaften konnte nachgewiesen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 den Grundaufbau des erfindungsgemäßen Mikro-Va­ kuumsensors;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Membran eines erfin­ dungsgemäß ausgeführten Sensorchips;

Fig. 3 den Querschnitt eines erfindungsgemäß ausgebilde­ ten Vakuum-Sensorchips in einer ersten Ausfüh­ rungsform;

Fig. 4 den Querschnitt eines erfindungsgemäß ausgebilde­ ten Vakuum-Sensorchips in einer zweiten Ausfüh­ rungsform;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Membran eines erfindungs­ gemäß ausgebildeten Vakuum-Sensorchips gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Membran eines erfindungs­ gemäß ausgebildeten Vakuum-Sensorchips gemäß einer vierten Ausführungsform.

Der Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Vakuumsensors ist in Fig. 1 dargestellt. Auf einem Bauelementeträger 1 wird ein durch anisotropes Ätzen geformtes Si-Chip 2 montiert. Im zentralen Teil des Chips 3 befindet sich nur eine dünne Membran 3, die üblicherweise aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid besteht, ca. 1 µm dick und von geringer Wärme­ leitfähigkeit ist.

Auf der Membran sind in Dünnschichttechnologie (z. B. LPCVD, Sputtern) Leitbahnen von einigen hundert nm Dicke aus Materialien unterschiedlicher Thermokraft (z. B. n- und p- leitendes polykristallines Silizium oder polykristallines Silizium und Aluminium) abgeschieden. Diese Leitbahnen werden, wie bei thermoelektrischen Mikrosensoren üblich, strukturiert und paarweise kontaktiert (siehe auch Fig. 2). Dicht über der Membran 3 befindet sich eine als Wärmesenke wirkende Brücke 4 im Abstand von etwa 10 µm. Zusätzlich kann auch unter der Membran ein als Wärmesenke wirkender Körper 5 angeordnet sein. Die Zwischenräume zwischen der Membran 3 und den Wärme senken 4 und 5 müssen direkten Zugang zum umgebenden Gas haben.

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf die Membran 3 mit einer möglichen Anordnung der Leitbahnen. Hierin sind 6 die Außenabmessung des Chips und 7 der Bereich der dünnen Mem­ bran. Die Widerstandsschicht des Heizers aus polykristal­ linem Silizium 8 wird zu den Bondflächen 15 und 16 geführt. Die thermoelektrischen Leitbahnen bestehen aus polykri­ stallinem Silizium (9, dicke Leitbahn) und Aluminium (10, dünne Leitbahn) . Vorzugsweise werden die Leitbahnen aus polykristallinem Silizium für die Widerstandsschicht des Heizers und für die thermoelektrischen Leitbahnen im glei­ chen Prozeß abgeschieden und dotiert, wobei ein spezifi­ scher Widerstand von 40. . .60 µΩm gewählt wird.

Die thermoelektrischen Kontakte befinden sich jeweils auf der Wärmesenke (11, sogenannte kalte Kontakte) bzw. auf der dünnen Membran in der Nähe der Heizschicht (12, sogenannte heiße Kontakte). Die Reihenschaltung der thermoelektrischen Leitbahnen wird zu den Bondflächen 13 und 14 geführt.

Die Heizschicht besteht nur im zentralen Teil aus poly­ kristallinem Silizium, während die Zuleitung von dieser Heizschicht im Zentrum der Membran zu den Bondflächen 15 und 16 aus einer sehr dünnen und schmalen Aluminiumschicht besteht. Dadurch wird nahezu die gesamte Heizleistung im zentralen Teil der Membran bei den "heißen" Kontakten umgesetzt, während die Aluminiumzuführung durch ihren sehr geringen Querschnitt nur wenig Wärme zur Wärmesenke ab­ leitet.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße erste Ausführungsform des Vakuum-Sensorchips im Querschnitt dargestellt:
Das durch anisotropes Ätzen geformte Si-Chip 2 mit der Mem­ bran 3 wird auf einem weiteren Si-Chip 17 montiert, das ebenfalls durch anisotropes Ätzen geformt ist. Durch die an sich bekannte Nutzung einer zusätzlichen Ätzstoppschicht 18 (z. B. eine epitaktisch aufgewachsene, mit hoher Borkonzen­ tration dotierte Si-Schicht) wird ein Absatz geschaffen, so daß der Abstand zwischen Membran 3 und Wärmesenke 17 fest­ gelegt wird. Außerdem wird durch diesen Absatz eine Montage der beiden Chips 2 und 17 im Waferverband möglich. Diese Montage im Waferverband kann z. B. durch anodisches Bonden erfolgen.

Dicht über der Membran 3 befindet sich wiederum eine als Wärmesenke wirkende Brücke 4 im Abstand von etwa 10 µm. Diese Brücke wird entweder durch einen strukturgeätzten Si- Chip gebildet, der durch anodisches Bonden im Waferverband montiert wird, oder in Einzelmontage werden metallische Tiefzieh- bzw. Preß-, Präge-, oder Gußteile auf den Chip 2 aufgeklebt. Durch hier verdeckt dargestellte Lüftungskanäle 19 wird für einen ungehinderten Gasaustausch zu den Zwi­ schenräumen unter und über der Membran 3 gesorgt.

Die Anordnung im Bild 3 ist auch funktionsfähig, wenn nur die Brücke 4 oder nur das Chip 17 als Wärmesenke ausgenutzt wird.

Im Bild 4 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der die untere Wärmesenke im die Membran tragenden Chip 2 er­ zeugt wird:
Ausgangspunkt ist das an sich bekannte Opferschichtver­ fahren, bei dem auf dem Chip 2 eine Opferschicht 20 (z. B. Siliziumdioxid) erzeugt wird, auf der die dünne Membran 3 abgeschieden ist. Die Membran wird an mehreren Stellen unterbrochen, so daß Kanäle 21 zur Opferschicht ausgebildet werden. Durch einen Ätzmittelangriff, der die Opferschicht selektiv gegen die Membran ätzt, entsteht unter der Membran ein Hohlraum, der durch die Kanäle 21 mit der umgebenden Atmosphäre verbunden ist. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen Membran und Wärmesenke (in diesem Fall das darun­ terliegende Si-Substrat 2) sehr gering (z. B. nur wenige cm dick) und reproduzierbar eingestellt werden.

In Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Vakuum-Sensorchips in Draufsicht dargestellt. Auf der Membran befindet sich lediglich die in Fig. 2 bereits beschriebene Heizschicht 8, während auf das Thermopile verzichtet ist. Die Heizschicht besteht entweder vollstän­ dig aus einer dünnen Aluminiumschicht oder einer anderen Metallschicht (z. B. Platin, wie von Ping Kuo Wang und Jin- Shown Shie "Micro-Pirani vacuum gauge" in Rev. Sci. In­ strum. 65 (2), February 1994, 492 beschrieben) oder in ihrem zentralen Teil aus dotiertem polykristallinem Sili­ zium, wobei durch Dotierung des polykristallinen Silizium ein Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes von mehr als 2·10^-3 K^-1 eingestellt ist. Die Zuleitungen der polykristallinen Siliziumschicht zu äußeren Bondflächen 15 und 16 sind wiederum aus dünnen Aluminium-Schichten gebil­ det, wodurch nahezu die gesamte Heizleistung im zentralen Teil der Membran umgesetzt wird, während die Aluminium- Zuführung durch ihren sehr geringen Querschnitt nur wenig Wärme zur Wärmesenke ableitet. Die vom Gasdruck abhängige Erwärmung der Heizschicht führt infolge des Temperaturko­ effizienten ihres elektrischen Widerstandes zu einem gasdruckabhängigen Heizschicht-Widerstand. Dieser wird in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung in ein gasdruck­ abhängiges Spannungssignal gewandelt. Der Verzicht auf das Thermopile hat eine Verbesserung der Druck-Empfindlichkeit im Bereich kleiner Drücke unterhalb 10^-3 mbar zur Folge. In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 bietet die geschlossene Membran den technologischen Vorteil der Membranpräparation durch anisotropes Siliziumätzen von der Waferrückseite aus, so daß z. B. durch Einsatz einer Ätzdose eine Einwirkung des anisotropen Ätzmittels auf die Waferfrontseite und dort vorhandene Strukturen verhindert wird.

In Fig. 6 ist eine erfindungsgemäße vierte Ausführungsform des Vakuum-Sensorchips in Draufsicht dargestellt. Hier ist die Membran an einem oder mehreren Stegen vorzugsweise des Membranmaterials oder eines Materials mit geringerer Wär­ meleitfähigkeit und vorzugsweise der Membrandicke oder ge­ ringerer Dicke aufgehängt. In der Fig. 6a ist die Aufhän­ gung an einem Steg dargestellt, in Fig. 6b eine Aufhängung an zwei Stegen, von Ping Kuo Wang und Jon-Shown Shie "Micro-Pirani vacuum gauge" in Rev. Sci. Instrum. 65 (2), February 1994, 492 wird eine Aufhängung an vier Stegen beschrieben. Auf der Membran befindet sich wie in Fig. 5 lediglich die Heizschicht, deren gasdruckabhängiger Wider­ stand das Meßsignal liefert. Die Aufhängung der Membran an einem oder zwei Stegen hat gegenüber der von Ping Kuo Wang und Jin-Shown Shie "Micro-Pirani vacuum gauge" in Rev. Sci. Instrum. 65 (2), February 1994, 492 beschriebenen Ausfüh­ rung eine weitere Verbesserung der Druck-Empfindlichkeit bei Drücken unterhalb 10^-3 mbar zur Folge. Für Sensor­ strukturen gemäß Fig. 6a und 6b ist die gesamte Steglänge durch 1, die Stegbreite durch b (mit b « c) und die Mem­ branfläche durch (c²-1c) gegeben. Maximale Druck-Empfind­ lichkeit ist durch eine optimale Dimensionierung gemäß der Bedingung 1 = c/2 realisiert.

Für Sensorstrukturen gemäß Fig. 6c ist die Steglänge durch √2·1, die Stegbreite durch √2·b (mit b « c) und die Mem­ branfläche durch (c -21)² gegeben. Maximale Druckempfind­ lichkeit ist durch eine optimale Dimensionierung gemäß der Bedingung 1 = c/6 realisiert.

Claims (13)

1. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor mit:

• - einer dünnen Membran (3), die auf einem Halbleiter­ einkristall frei aufgespannt ist;
• - thermoelektrischen Sensorschichten und
• - thermoelektrischen Heizschichten (8), die auf der Membran angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einer oder beiden Oberflächen der Membran (3) ein bzw. zwei Körper (4; 5; 17) mit ebener Wand in einem Abstand von etwa 10 µm zur Membran angeordnet ist bzw. sind, der bzw. die als Wärmesenke gegenüber der Membran (3) wirkt bzw. wirken, und daß zwischen der Membran und den Wandflächen Gas aus der Umgebung des Sensors frei zirkulieren kann.

2. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die thermoelektrischen Sensorschichten und die Heizschichten (8) aus poly­ kristallinem Silizium (9) und Aluminium (10) oder Gold bestehen.

3. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die thermoelektrischen Sensorschichten und die Heizschicht (8) im gleichen Prozeß hergestellt werden.

4. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Schicht aus poly­ kristallinem Silizium für das Heizelement (8) und die thermoelektrische Sensorschicht einen spezifischen Widerstand von etwa 40. . .60 µΩm aufweist.

5. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Zuleitung von der eigentlichen Widerstandsheizschicht (8) aus polykri­ stallinem Silizium (9) zur äußeren Bondfläche (15, 16) einen etwa um den Faktor 10. . .50 geringeren Querschnitt aufweist als die Widerstandsheizschicht (8) und daß diese Zuleitung vom zentralen Teil der Chipmembran bis über den Rand (7) der Membran (3) in diesem geringen Querschnitt geführt wird.

6. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wandflächen durch anisotropes Ätzen von Silizium-Wafern der gleichen Dicke wie bei der Chipfertigung hergestellt und z. B. durch anodisches Bonden mit dem Wafer des Sensorchips verbunden werden.

7. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens eine der Wand­ flächen (4; 5; 17) aus einem Metallwerkstoff durch Tiefziehen, Prägen, Gießen oder ähnliche Verfahren geformt und anschließend auf das Sensorchip montiert wird.

8. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine der Wandflächen (4; 5; 17) im Sensorchip selbst gebildet wird, wobei der Zwischenraum zwischen Chipmembran und Wandfläche durch eine Opferschicht (20) gebildet wird, die selektiv gegen die Membran durch Ätzen entfernt wird, wobei der Zwischenraum durch Lüftungskanäle (21) in der Membran (3) mit der äußeren Atmosphäre verbunden ist.

9. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandfläche (n) auf der der Membran gegenüberlie­ genden Seite mit einer die Strahlung stark reflektie­ renden Schicht 23 versehen wird.

10. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus aufge­ dampftem oder gesputtertem Aluminium, Silber oder Gold besteht.

11. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Membranfläche le­ diglich eine Heizschicht aus Aluminium oder eine Heiz­ schicht aus polykristallinem Silizium mit einem durch Dotierung eingestellten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von mehr als 2·10^-3 K^-1 an­ geordnet ist, die mit Aluminium-Zuleitungen zu äußeren Bondflächen (15 und 16) kontaktiert ist.

12. Thermoelektrischer Mikrovakuumsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranfläche an einem oder mehreren Stegen vorzugs­ weise des Membranmaterials oder eines Materials gerin­ gerer Wärmeleitfähigkeit und vorzugsweise der Membran­ dicke oder geringerer Dicke aufgehängt ist, wobei für Sensorstrukturen mit einer Stegverbindung des Heizers (8) zu den Bondflächen (15, 16) von einer oder zwei gegenüberliegenden Seitenmitten entlang einer Mittel­ linie des Sensors aus als optimale Dimensionierung die Bedingung 1 = c/2 realisiert ist, wobei C die Seiten­ länge des Membranbereichs und 1 im wesentlichen die Differenzlänge zwischen C und der Heizerseitenlänge in Richtung von C ist und bei Sensorstrukturen, bei denen die Stegverbindung des Heizers mit den Bondflächen ent­ lang einer Diagonalen des Sensors erfolgt, als optimale Dimensionierung die Bedingung 1 = c/6 realisiert ist.