DE60004843T2

DE60004843T2 - Aus metalloxid bestehender chemischer gassensor und zugehöriges herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60004843T2
Application number: DE60004843T
Authority: DE
Inventors: Bruno Chaudret; Laurent Erades; Pierre Fau; Andre Maisonnat; Celine Nayral; Jean-Luc Simon
Original assignee: Microchemical Systems SA; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Microchemical Systems SA; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: EP1192452A1; WO2001002844A1; EP1192452B1; DE60004843D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft chemische Gassensoren. Sie betrifft, insbesondere, einen chemischen Metalloxid-Gassensor und sein Herstellungsverfahren.
Ein derartiger Sensor umfasst ein Substrat, einen auf dem Substrat angeordneten Heizkörper, ein Metalloxid-Sensorelement, das im Allgemeinen aus Zinnoxid (SnO₂) besteht und das mit einer elektrisch isolierenden Schicht dazwischen auf dem Heizkörper platziert wird, sowie zwei Leiterbahnen, um das Anlegen eines elektrischen Strom an das Sensorelement zu gestatten. Ein derartiger Sensor ist aus dem Dokument GB-A-2 321 336 bekannt.
Das Prinzip dieses chemischen Sensors beruht auf der Fähigkeit des durch den Heizkörper auf eine hohe Temperatur (etwa 400°C) gebrachten Metalloxids, das Umgebungsgas zu adsorbieren, das so seinen Widerstand modifiziert. Die Änderung des Widerstands dieser Sensorschicht bei einer gebenen Temperatur ist dann repräsentativ für die Menge des zu detektierenden Gases. Die Empfindlichkeit des Sensors ist definiert als das Verhältnis des Widerstands der Sensorschicht unter Luft zu seinem Widerstand in Gegenwart des Gases.
Derartige Sensoren sind vor allem dazu bestimmt, das Sensorelement von Sicherheitssystemen zu bilden, die mehr und mehr für die Detektion von Schadgasen in der Umgebungsluft verwendet werden, wie zum Beispiel von Kohlenmonoxid, Stickstoffoxid, Kohlenwasserstoffen sowohl im Wohn- als auch im Industriebereich.
Diese Sensoren unterscheiden sich im Allgemeinen voneinander durch die Weise, in der das Metalloxid- Sensoelement hergestellt wird; aber in allen Fällen, ist der vorherrschende Parameter dafür, um optimale Gasempfindlichkeitseigenschaften zu erzielen, die Größe der Körner des Metalloxids, die so gering wie möglich sein soll.
Ein gängiges Verfahren verwendet Dampfphasenabscheidung (durch PVD-Technik, CVD-Technik,...) auf einem Substrat, im Allgemeinen aus Silizium, wobei die Technologie integrierter Schaltungen und mikromechanischer Bearbeitungen angewandt wird. Ein Beispiel einer derartigen Ausführung findet sich in dem Artikel von Wan-Young und al. "Characterization of porous tin oxide thin films and their application to microsensor fabrication", erschienen in Sensors and Actuators B 24-25 (1995) 482–485. Wenn so verfahren wird, sind die erhaltenen Partikel Mikrometer groß, jedoch sind nur die diese Partikel bildenden Elementarkristallite Nanometer groß (etwa 30 nm).
Eine jüngere Technik ist in den Patentanmeldungen EP 97401796.4 und 98400246.9 beschrieben, wobei die zweite die Beschreibung der ersten in sich integriert. Der Sensor umfasst ein Halbleitersubstrat aus Silizium auf dem nacheinander folgendes aufgebracht und dann durch Photolithographie bearbeitet wird: eine dielektrische Schicht, eine den Heizkörper bildende leitfähige Schicht, eine elektrisch isolierende Schicht, eine das Sensorelement des Sensors bildende Metalloxid-Schicht, eine leitfähige Metallschicht, um die Bahnen zur Versorgung des Heizkörper und des Sensorelements zu bilden, und schließlich eine die Leiterbahnen schützende und eine Öffnung aufweisende Passivationsschicht, die die darunter liegende Sensorschicht bedeckt und die Messfläche begrenzt.
Gemäß der Lehre der Anmeldung EP 98400246 .9, hat die Metalloxid-Schicht die Form eines agglomerierten Pulvers mit poröser Struktur, das aus sogenannten kolloidalen Körnern aus SnO₂ von gut kontrollierter sphärischer Form und mit einem mittleren Durchmesser von nur 20 Nanometer besteht.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die verschiedenen Photolithographie-Vorgänge für das Sensorelement Belastungen (Verschmutzung, Reinigungen,..) bilden, die seine Eigenschaften modifizieren und dadurch seine Empfindlichkeit vermindern.
Zudem muss die Zusammensetzung des Materials, das verwendet wird, um das Sensorelement zu bilden, durch Dotierung insbesondere mittels Platin, Palladium, Mangan,..., an das zu detektierende Gas angepasst werden. Es ist daher notwendig während des Herstellungsverfahrens für jede Art von Sensoren spezielle Vorgänge vorzusehen.
Die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor mit hoher Empfindlichkeit herzustellen, dessen Herstellungsverfahren stark vereinfacht ist.
Die Erfindung betrifft genauer gesagt einen chemischen Metalloxid-Gassensor der Art mit:

– einem Substrat, einem auf dem Substrat aufgebrachten Heizkörper,
– einer auf dem Heizkörper aufgebrachten elektrischen Isolationsschicht,
– ein auf die Isolationsschicht aufgebrachtes Sensorelement aus Metalloxid, und
– zwei Leiterbahnen, um ein elektrisches Signal an das empfindliche Element zu bringen.

Dieser Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen auf der Isolationsschicht liegen und dass das Sensorelement aus Metalloxid eine darüberliegende Metalloxidschicht beinhaltet, in Form eines agglomerierten Pulvers mit poröser Struktur und sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 20 Nanometer, die zumindest teilweise die Enden der Leiterbahnen bedeckt.
Es zeigt sich somit, wie später offenbar wird, dass die obere Sensorschicht das allerletzte Element der Struktur ist, die den Sensor bildet. Dies gestattet es, sie erst im allerletzten Moment aufzubringen, das heißt wenn alle Photolithographie-, Schnitt- und dann Montage-Vorgänge durchgeführt wurden. Eine Verschmutzung und eine Schädigung der Sensorschicht werden daher vermieden. Zudem ist möglich, Sensoren verschiedener Arten auf derselben Produktionsstrasse herzustellen, wobei die spezifischen Anpassungsvorgänge an das zu detektierende Gas quasi vor Ort durchgeführt werden können.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, umfasst das Sensorelement, zusätzlich eine untere Metalloxidschicht des gleichen Metalls, die zwischen der Isolationsschicht und die obere Metalloxidschicht liegt und aus Körnern mit einer durchschnittlichen Größe zwischen 100 Nanometer und 1 Mikrometer, wobei die Enden der Leiterbahnen zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht liegen.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst vorteilhafterweise noch folgende Eigenschaften:

– das Metall des die zwei Sensorschichten bildende Oxids ist Zinn;
– das Substrat besteht aus monokristallinem Silizium;
– er umfasst eine zwischen das Substrat und den Heizkörper eingeschobene dielektrische Schicht;
– der Heizkörper besteht aus polykristallinem Silizium, das durch Dotierung elektrisch leitend gemacht wurde;
– die elektrisch isolierende Schicht besteht aus Siliziumoxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄);
– er umfasst auf der Isolationsschicht und den Leiterbahnen eine Passivationsschicht, die einer zentralen Öffnung versehen ist, die dann die obere Oxidschicht aufnehmen soll;
– diese Passivationsschicht besteht aus einer Doppelschicht aus Siliziumoxid (SiO₂) und Siliziumnitrid (Si₃N₄);
– die Dicke der oberen Oxidschicht liegt in der Größenordnung von 1 Mikrometer;
– die Dicke der unteren Oxidschicht liegt zwischen 50 und 300 Nanometer;
– er umfasst einen Träger, auf dem das Substrat befestigt ist, und ein Schutzgehäuse, das aus einem Material gefertigt ist, das eine Filterfunktion ausübt.

Die Erfindung betrifft ebenso ein Herstellungsverfahren für einen Sensor, wie er oben definiert wurde. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– Ausbildung einer elektrisch leitenden Schicht auf einem Teil eines Substrat, die einen Heizkörper bilden soll,
– Ausbildung einer elektrisch isolierenden Schicht auf der elektrisch leitenden Schicht und dem Teil des Substrat, der nicht durch diese bedeckt ist,
– Ausbildung von Leiterbahnen auf der Isolationsschicht, und dann
– Ausbildung eines Metalloxid-Sensorelements, wobei bei diesem Schritt eine obere Oxidschicht auf einem Teil der Isolationsschicht und auf den Enden der Leiterbahnen gebildet wird, und welche aus einem agglomerierten Pulver mit poröser Struktur und sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 20 Nanometer besteht, wobei die Ausbildung dieser Schicht ein Auftropfen einer kolloidalen Lösung des Metall beinhaltet, gefolgt von einem Aufheizen des Gebildes, um die Partikel, die die kolloidale Lösung bilden, zuoxidieren und untereinander zu festigen.

Um die Eigenschaften des Sensor zu verbessern, insbesondere seine Stabilität, umfasst der Schritt der Ausbildung des Sensorelements vorteilhafterweise vor dem Schritt der Ausbildung der Leiterbahnen das Aufbringen einer unteren Metallschicht aus dem gleichen Metall durch Kathodenzerstäubung und dann ihre Oxidation.
Das erfindungsgemäßen Verfahren umfasst vorteilhafterweise auch die folgenden Eigenschaften:

– der Erwärmungsvorgang wird mittels des Heizkörpers durchgeführt;
– es umfasst, vor dem Schritt der Ausbildung der elektrisch leitenden Schicht, den Schritt der Ausbildung einer dielektrische Schicht auf dem Substrat;
– es umfasst, vor dem Schritt der Ausbildung der oberen Oxidschicht, den Schritt der Ausbildung einer Passivationsschicht auf der Isolationsschicht und den Leiterbahnen, die mit einem zentralen Öffnung versehen ist, die die obere Oxidschicht aufnehmen soll;
– es umfasst, nach dem Schritt der Ausbildung der Passivationsschicht und vor dem Schritt der Ausbildung der oberen Oxidschicht, den Schritt der Befestigung des Substrat auf einem Träger und den Schritt der Verbindung der Leiterbahnen mit den Kontakten der Träger.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die Bezug auf die folgenden Zeichnungen nimmt:
1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Sensor, gesehen von oben beziehungsweise im Schnitt entlang der Linie I–II der 1;
3 bis 10 veranschaulichen im Querschnitt die verschiedenen Herstellungsschritte eines Chips, mit dem der Sensor der 1 und 2 ausgestattet werden soll;
11 ist eine Ansicht des Chips von oben;
12 veranschaulicht den Schritt der Herstellung der Sensorschicht;
13 gibt eine Ausführungsvariante wieder, bei der der Sensor es gestattet, mehrere Arten von Gasen zu messen;
14 und 15 zeigen schließlich eine andere Ausführungsform des Sensor der 1 und 2.
Der in den 1 und 2 dargestellte Sensor besteht aus einem Träger 10, Säulen 12, die den Träger durchqueren und die elektrischen Kontakte des Sensors bilden sollen, und einem Chip 14, der auf dem Träger 10 befestigt und von einem Schutzgehäuse 16 abgedeckt ist. Der Chip ist mit den Säulen 12 durch Leiterdrähte 18 verbunden, die an jedem ihrer Enden verschweißt sind.
Der Chip 14 umfasst, auf seiner Oberseite, eine Metalloxid-Sensorschicht 20, zum Beispiel aus Zinnoxid (SnO₂), mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 Mikrometer. Diese Schicht weist die Form eines agglomerierten Pulvers mit poröser Struktur auf, das aus sphärischen Partikeln besteht, die einen Durchmesser in der Größenordnung von 20 Nanometer besitzen. Die Schicht 20 hat durch einen Teil einer Peripherie Kontakt mit zwei Leiterbahnen 22, die den elektrischen Messstrom einleiten sollen. Ihre Enden gegenüber dem Kontaktbereich mit der Schicht 20 umfassen jeweils einen Bereich 22a auf dem der Draht 18 verschweißt ist, der für die Verbindung mit einer Säule 12 sorgt.
Ein Heizkörper 24, der von der Sensorschicht 20 durch eine Isolationsschicht 26 getrennt ist, gestattet es, den Sensor auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Er wird durch mit seinen Enden Kontakt habende Leiterbahnen 28 elektrisch gespeist. Die Bahnen 28 umfassen an ihrem dem Heizkörper 24 gegenüberliegenden Ende jeweils einen Bereich 28a, auf dem ein Draht 18 verschweißt ist, der für die Verbindung mit einer Säule 12 sorgt.
Das Ganze ist auf einem Substrat 30 angeordnet, das von einer Membran 32 bedeckt ist. Außerdem ist eine Passivationsschicht 34 auf der Oberseite angeordnet, um den Chip 14 mit Ausnahme der Bereiche 22a und 28a und eines Ausschnitt 35, der im Wesentlichen durch die Sensorschicht 20 belegt ist, zu bedecken. Um die thermische Trägheit der Einheit zu reduzieren, ist das Substrat 30 unter dem Heizkörper bis zur Membran 32 hohl, um eine Ausnehmung 36 zu bilden.
Es wird nun auf die 3 bis 11 Bezug genommen, die verschiedene Schritte des Verfahrens für die Herstellung des Chips zeigen, das übliche Photolithographie-Techniken anwendet, die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen und dem mikromechanischen Bearbeitungen verwendet werden. Die unten genannten Materialien sind nur beispielhaft angegeben, wobei andere vorgezogen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Es wird von einem Substrat 30 ausgegangen, das aus einer Platte aus monokristallinem Silizium besteht, wie sie beispielsweise für die Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet wird, zum Beispiel von der mit <100> bezeichneten Art P (3). Es können darauf mehrere Chips gleichzeitig ausgebildet werden. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist jedoch ein einziger dargestellt.
Die Oberseite des Substrats 30 wird zunächst mit einer dielektrischen Schicht aus Oxynitrid bedeckt, die die Membran 32 (4) bilden soll, und dann mit einer leitfähigen Schicht aus polykristallinem Silizium, das durch Dotierung mit Phosphor leitfähig gemacht wurde. Diese Schicht wird dann durch Photolithographie bearbeitet, um ein Rechteck zu formen, das in der Mitte des Chips angeordnet ist und das den Heizkörper 24 (5) bildet. Dann wird eine Schicht aus Siliziumoxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) das Ganze bedecken und die Isolationsschicht 26 (6) bilden.
Nachdem in der Schicht 26 Ausschnitte ausgebildet worden sind, die Fenster 38 definieren, die bis zum Heizkörper 24 auf beiden Seiten gegenüber vom Rechteck offen sind, wird das Ganze mit einer leitfähigen Metallschicht aus einer Chrom/Titan/Platin-Legierung bedeckt. Diese Schicht wird dann durch Photolithographie bearbeitet, um die Leiterbahnen 22 und 28 zu definieren, die jeweils die Sensorschicht 20 und den Heizkörper 24 (7) speisen sollen. Genauer gesagt, dringt das die Bahnen 22 bildende Metall in die Fenster 38 ein, um für den Kontakt mit dem Heizkörper 24 zu sorgen.
Das Ganze wird dann mit der Passivationsschicht 34 bedeckt, die für einen Schutz der darunter liegenden Schichten (8) sorgt, und geätzt, um die Bereiche 22a und 28a, die es ermöglichen sollen, die Leiterbahnen mit den Säulen 12 zu verbinden, sowie den Ausschnitt 35 von rechtwinkliger Form freizulegen, der die Sensorschicht des Sensor (9) aufnehmen soll und in dem Mittelteil des Rechtecks angeordnet ist, das den Heizkörper 24 definiert. Dieser Ausschnitt dient dazu, die Kontakte der Leiterbahn unter die Sensorschicht freizulegen.
Das Substrat 30 wird schließlich auf seiner Unterseite chemisch angegriffen, um die Ausnehmung 36 herzustellen. Auf diese Weise, bleibt nur die Membran 32 unter dem Heizkörper 24 (10) übrig.
Das Substrat wird dann in Chips zerschnitten, die jeweils auf einem Träger 10 angebracht werden, wie in den 1 und 2 dargestellt ist.
Man beachte, dass die Sensorschicht 20 bis zu diesem Schritt des Verfahren noch nicht aufgebracht wurde. Alle bisher beschriebenen Vorgänge sind daher unabhängig von der Art des hergestellten Sensors identisch. Die Funktion des Sensors wird erst nach der Platzierung der Sensorschicht 20 gemäß der ausführlich in dem (bereits genannten) Dokument EP 98400246.9 beschriebenen Technik und wie durch 12 dargestellt ist definiert.
Diese Figur zeigt den Träger 10 und den Chip 14 sowie einen Mikrodosierer 42, der mit einer Kapillare 44 versehen ist und eine kolloidale Lösung enthält, die aus einem Lösungsmittel und Nano-Partikeln eines in Suspension befindlichen Metalls, im Allgemeinen dem Zinn, besteht. Die kolloidale Lösung wird vorteilhafterweise ausgehend von einem organometallischen Vorläufer erhalten, zum Beispiel einem Amid-Komplex der Art ([(Sn(NCH₃)₂)₂]₂) , der mit einem leicht hydratisierten Lösungsmittel gemischt ist, wie beispielsweise Toluen oder Anisol. Die Konzentration wird so gewählt, dass die Lösung normal durch die Kapillare fließen kann.
Der Mikrodosierer 42 wird durch eine Quelle nicht oxidierenden Gases, vorteilhafterweise Stickstoff, betätigt. Eine Erhöhung des Drucks bewirkt das Fließen der Lösung durch die Kapillare 44. Es bildet sich dann eine Tropfen 46, der in der Mitte des Ausschnitts 35 angeordnete ist. Sein Volumen ist dergestalt, dass er sich bis über die Leiterbahnen 22 erstreckt. Der Tropfen 46 ist in dem Ausschnitt 35 positioniert und zentriert.
Das Kolloid wird im Allgemeinen aus Zinn hergestellt, das mit Platin, Palladium, Mangan oder irgendeinem anderen Dotiermittel dotiert ist, das in Abhängigkeit von dem zu analysierenden Gas gewählt wird.
Da die Sensorschicht 20 sich an ihrem Empfangsort befindet, ist sie nur noch mittels des (durch die Säulen 12 gespeisten) Heizkörper 24 auf eine hohe Temperatur von typischerweise etwa 500°C zu bringen. Zweck dieser Wärmebehandlung in situ ist es, das Lösungsmittel verdampfen zu lassen und die Agglomeration der Partikeln sowie ihre Oxidation zu bewirken, um der Sensorschicht die erwünschten physikalisch-chemischen Eigenschaften zu verleihen, die in Abhängigkeit von einem speziellen zu detektierenden Gas eingestellt werden können, indem die Parameter wie beispielsweise die Temperatur, die Dauer und der Wärmezyklus variiert werden.
Die so erhaltene Schicht 20 besitzt eine poröse Struktur, die aus Kugeln besteht, die miteinander zusammenhängen und auf der Isolationsschicht 26 und den Leiterbahnen 22 haften.
Sobald die Sensorschicht an Ort und Stelle ist, muss sie nur noch vor Fremdkörpern, der Umgebungsluft sowie bestimmten gasförmigen Verbindung geschützt werden, die man nicht detektieren möchte. Hierzu wird auf den Träger 10 das (teilweise in 2 dargestellte) Gehäuse 16 befestigt, das aus Kunststoff oder Metall besteht und herkömmlicherweise ein Gitter und ein Filtermaterial (Aktivkohle, Zeolith,...) umfasst, das die Einführung von Stäuben und Umgebungsgasen verhindern soll, die für die Messungen irrelevant sind (Äthanol-, Wasserdämpfe,...). Alternativ kann dieses Gehäuse vorteilhafterweise aus einem meso-porösen Material hergestellt werden, wie beispielsweise Siliziumoxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄). In diesem Fall, ist es nicht mehr notwendig, das Gehäuse mit einem Gitter und einem Filtermaterial zu versehen, da es selber eine Filterfunktion ausübt.
Bei Sicherheitssystemen erfordern zahlreiche Situationen die gleichzeitige Analyse mehrerer Gase. Bei den bekannten Techniken ist es notwendig, über mehrere unabhängige Sensoren zu verfügen, die getrennt gefertigt werden, weil die Sensorschichten unterschiedliche Eigenschaften aufweisen müssen, die im Laufe des Herstellungsverfahren erworben werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung von mehrerer Sensoren auf ein und demselben Chip besonders einfach und kostengünstig. Die 13 zeigt einen derartigen Chip, der das Bezugszeichen 52 trägt. Er umfasst zwei Sensoren 54C und 54N, die dafür ausgelegt sind, das Vorhandensein von Kohlenmonoxid (CO) beziehungsweise Stickstoffmonoxid (NO) zu analysieren. In dieser Figur, sind für einen der Sensoren spezifischen Teile durch die Buchstaben C oder N bezeichnet, die dem Bezugszeichen folgen. Es ist kein Buchstabe hinzugefügt, wenn die Komponente beiden Sensoren gemeinsam ist.
Jeder der Sensoren weist die gleiche Struktur auf, wie sie in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben wurde, mit einer Sensorschicht 56, Leiterbahnen 58, die den Widerstand der leitfähigen Schicht messen sollen, einer Isolationsschicht 60, einem Heizkörper 62, der durch zwei Leiterbahnen 64 gespeist wird, einer den zwei Sensoren gemeinsame Membran 66 und einem Substrat, das unter der Membran 66 angeordnet und das nicht dargestellt ist.
Das Ganze wird von einer Passivationsschicht 68 bedeckt, in der am Ort der Leiterbahnen Öffnungen 58a und 64a ausgebildet wurden, um die Bereiche zu definieren, auf die die Drähte geschweißt werden können, und einen Ausschnitt 70, in dem sich die inneren Enden der Leiterbahnen 58 und die Isolationsschicht 60 abzeichnen und wo die Sensorschicht 56 angeordnet ist. Diese letztere bedeckt zumindest teilweise die Leiterbahnen 58, so dass sie miteinander elektrisch verbunden werden; dies gestattet es, den elektrischen Widerstand der Sensorschicht 56 durch die Messung des sie durchquerenden Stroms zu bestimmen.
Da die Behandlungstemperatur für die Kolloidlösung für die Tranformation in die Sensorschicht durch den Heizkörper und nicht durch die Umgebung definiert wird, kann jeder Sensor auf spezifische Weise bearbeitet werden; das ist nicht möglich, wenn die Wärmebehandlung erfolgt, indem der Sensor in einem erwärmten Raum angeordnet wird. Man kann auf diese Weise daher auf ein und demselben Substrat zwei Sensoren mit verschiedenen Eigenschaften herstellen, ohne besondere Maßnahmen ergreifen zu müssen.
Zum Schluss wird nun auf die 14 und 15 Bezug genommen, die eine Ausführungsvariante des Sensors der 1 und 2 darstellen, wobei die Elemente, die den zwei Ausführungsformen gemeinsam sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
In diesem Fall, besteht das Sensorelement 20 dann aus einer unteren Schicht 20a aus SnO₂, die auf die Isolationsschicht 26 aufgebracht ist und von Körnern mit einer durchschnittlichen Größe im Wesentlichen zwischen 100 Nanometer und 1 Mikrometer gebildet wird, und einer oberen Schicht 20b aus SnO₂, die auf die erste aufgebracht ist und wie die Schicht 20 der 1 und 2 die Form eines agglomerierten Pulvers mit poröser Struktur aufweist, das aus sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 20 Nanometer besteht.
Man erkennt, dass die Enden der Leiterbahnen 22 zwischen die Ränder der zwei Schichten 20a und 20b des Sensorelement eingeschoben sind. Das bedeutet, dass die untere Schicht 20a vor der Ausbildung des Leiterbahnen hergestellt wird.
Genauer gesagt, wird die untere Schicht 20a aus SnO₂ durch Kathodenzerstäubung von Zinn (Sn) und dann durch Oxidation gemäß der üblichen Verfahren der Mikroelektronik aufgebracht wird. Ihre Dicke liegt typischerweise zwischen 50 und 300 Nanometer. Um eine bessere Haftung dieser Schicht zu gewährleisten und alle Verunreinigungen auszuschließen, ist insbesondere vorteilhaft, dass der Oxidationsprozess, der in einer Sauerstoff- und Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird, in einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre beginnt.
Die obere Schicht 20b wird entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren zu allerletzt auf den Enden der Bahnen 22 und der unteren Schicht 20a platziert.

Claims

Chemischer Metalloxid-Gassensor bestehend aus: – einem Substrat (30), – eines Heizkörpers (24) aufgebracht auf das genannte Substrat, – einer elektrischen Isolationsschicht (26) aufgebracht auf den genannten Heizkörper, – einem Sensorelement aus Metalloxid (20) aufgebracht auf die genannte Isolationsschicht und – zwei Leiterbahnen (22) um ein elektrisches Signal an das genannte Sensorelement zu bringen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Leiterbahnen (22) auf der genannten Isolationsschicht (26) liegen und dass das genannte Sensorelement aus Metalloxid (20) eine darüberliegende Metalloxidschicht (20b) beinhaltet, in Form eines agglomerierten Pulvers mit poröser Struktur und sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 20 Nanometer, welche mindestens Teilweise die Enden der genannten Leiterbahnen bedeckt.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Sensorelement (20) zusätzlich eine untere Metalloxidschicht (20a) des gleichen Metalls aufweist, welche zwischen der genannten Isolationsschicht (26) und der oberen Metalloxidschicht (20b) liegt und welche Körner mit einer durchschnittlichen Größe von über 100 Nanometer aufweist, wobei die Enden der genannten Leiterbahnen zwischen der oberen Metalloxidschicht und der unteren Metalloxidschicht liegen.
Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Körner der genannten unteren Metalloxidschicht (20a) nicht größer als 1 Mikrometer sind.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid des Sensorelements aus Zinn besteht.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Substrat (30) aus monokristallinem Silizium besteht.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem eine dielektrische Schicht (32) zwischen dem genannten Substrat (30) und dem genannten Heizkörper (24) aufgebracht wird.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Heizkörper (24) aus polykristallinem Silizium besteht, welches durch Dotieren elektrisch leitend gemacht wurde.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Isolationsschicht (26) aus Siliziumoxid (SiO2) oder aus Siliziumnitrid (Si3N4) besteht.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich zu der genannten Isolationsschicht (26) und den genannten Leiterbahnen (22) eine Passivationsschicht (34) enthält, welche mit einer zentralen Öffnung (35) versehen ist, um die genannte obere Metalloxidschicht (20b) aufzubringen.
Gassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Passivationsschicht (34) aus einer Doppelschicht aus Siliziumoxid (SiO2) und Silizumnitrid (Si3N4) besteht.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der genannten oberen Metalloxidschicht in der Größenordnung von 1 Mikrometer liegt.
Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der genannten unteren Metalloxidschicht zwischen 50 und 300 Nanometer beträgt.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem aus einem Träger (10) besteht, auf welchem das genannte Substrat (30) befestigt ist.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Schutzgehäuse (16) besitzt, welches aus einem Material gefertigt ist, das eine Filterfunktion ausübt.
Verfahren zur Herstellung eines chemischen Metalloxid-Gassensors, bestehend aus den aufeinanderfolgenden Schritten: – Bildung einer elektrisch leitenden Schicht auf einem Teil des genannten Substrats (30) zur Bildung des genannten Heizkörpers (24), – Bildung einer Isolationsschicht (26) auf der genannten leitenden Schicht und auf dem unbedeckten Teil des genannten Substrats, – Bildung von Leiterbahnen (22) auf der genannten Isolationsschicht (26) und – Bildung eines Sensorelements aus Metalloxid (20), wobei in diesem Schritt die obere Metalloxidschicht (20b) auf einem Teil der Isolationsschicht (26) und auf den Enden der Leiterbahnen (22) gebildet wird, und welche aus einem agglomerierten Pulver mit poröser Struktur und sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 20. Nanometer besteht, wobei die Bildung der genannten oberen Metalloxidschicht (20b) ein Auftropfen einer kolloidalen Lösung des genannten Metalles beinhaltet, gefolgt von einem Aufheizen des Gebildes um die Partikel, welche die genannte kolloidale Lösung bilden, zu oxidiern und untereinander zu festigen.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem bei der Bildung des Sensorelements aus Metalloxid (20) vor der Bildung der Leiterbahnen eine untere Metalloxidschicht (20a) aus dem genannten Metall durch Kathodenabscheidung auf einem Teil der Isolationsschicht (26) aufgebracht und oxidiert wird.
Verfahren zur Herstellung nach den Ansprüchen 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Metall Zinn ist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Aufheizen mit dem Heizkörper (24) erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem vor der Bildung der genannten elektrisch leitenden Schicht eine dielektrische Schicht (32) auf dem genannten Substrat (30) gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem vor der Bildung der genannten oberen Metalloxidschicht (20b) eine Passivationsschicht (34) auf der genannten Isolationsschicht (26) und auf den genannten Leiterbahnen (22) gebildet wird; welche mit einer zentralen Öffnung (35) versehen ist um die genannte obere Metalloxidschicht aufzubringen.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem nach der Bildung der genannten Passivationsschicht (34) und vor der Bildung der genannten oberen Metalloxidschicht (20b) ein Befestigen des genannten Substrates auf dem genannten Träger (10) und eine Verbindung der Leiterbahnen (22) mit den Kontakten (12) des Trägers vorgenommen wird.