JP2004503743A - 微細構造化された温度センサ - Google Patents

Abstract

微細構造化された本発明による温度センサ（５）、特に赤外線センサは、支持体（１２）と、該支持体（１２）に位置する少なくとも１つの熱電対（２０）とを有している。さらに、該熱電対（２０）は第１の材料（１３）と第２の材料（１４）とを有している。両材料（１３，１４）は、少なくとも点で少なくとも１つの熱接点（１０，１１）を互いに形成している。さらに、本発明によれば、第１の材料（１３）および／または第２の材料（１４）が、少なくとも部分的にメアンダ形のまたは波形の導体路（１５，１６）の形で形成されていて、支持体（１２）に案内されている。これに加えて、このような形式で同じく有利に構造化された導体路（１５，１６）を備えた微細構造化された温度センサ（５）では、第１の材料（１３）が、白金であるかまたはアルミニウムであり、第２の材料（１４）が、ドーピングされたかまたはドーピングされていないポリシリコンゲルマニウムであることが提案される。

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した形式の微細構造化された温度センサ、特に赤外線センサに関する。
【０００２】
たとえばセキュリティ技術、設備技術または家具技術で使用されるような既知の赤外線センサは物体の温度を、この物体から放出された赤外放射に基づき測定する。この場合、基本的には、いわゆる焦電センサ、ボロメトリックセンサならびに熱電センサが識別される。
【０００３】
熱電センサの事例では、この熱電センサを薄膜技術において、たとえばポリイミドフィルムに実現することが知られている。さらに、シリコン技術に基づく微細構造化された温度センサもすでに知られている。
【０００４】
したがって、ドイツ連邦共和国特許出願第１９９３２３０８．９号明細書には、温度センサを、少なくとも十分に片持ち式の薄膜に配置されたサーモパイルの形で製作することが提案されている。この場合、このサーモパイルの熱接点は交互に「熱い」熱接点と「冷たい」熱接点との形で形成されていて、相応のコンタクトパイルと共に支持体に結合されており、そのうえ、電気的に制御可能でもある。さらに、ドイツ連邦共和国特許出願第１９９３２３０８．９号明細書には、十分に片持ち式の薄膜の表面に延びる熱電対を導体路の形で実現することが提案されている。この導体路は交互に第１の材料と第２の材料とから形成されるので、両材料が互いに接触する領域には熱接点が形成されている。この場合、第１の材料はアルミニウムであるのに対して、第２の材料としてはポリシリコンが使用される。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願第１０００９５９３．３号明細書には、たとえば犠牲層技術または別のエッチング法により、まず薄い片持ち式の薄膜をシリコン基板に形成することによって、赤外線センサの形の微細構造化された温度センサを形成することが提案されている。薄膜は小さな熱伝導率に基づき、この薄膜の下側に位置する基板から熱的に分離されているので、薄膜は赤外放射の入射時に基板よりも強く加熱される。その後、薄膜には、微細構造化された多数のセンサ素子もしくは熱電対が位置している。これらのセンサ素子もしくは熱電対は、薄膜の中心と基板との間の温度差を、この温度差に比例する電気信号に熱電的に変換する。片持ち式の薄膜に導体路の形で実現された熱電対のためには、ドイツ連邦共和国特許出願第１０００９５９３．３号明細書によれば、白金／ポリシリコン、アルミニウム／ポリシリコンまたはｐ型ドーピングされたポリシリコン／ｎ型ドーピングされたポリシリコンの材料組合せが使用される。この場合、とりわけバルクマイクロマシニングに使用されるポリシリコン／アルミニウムの材料組合せは、この材料組合せがＣＭＯＳに適合可能であるという利点を有している。
【０００６】
さらに、熱電対のための材料として金、アンチモン、ビスマスおよびテルル化鉛を使用できることが知られている。この場合、金はバルクマイクロマシニングのためにも適している。
【０００７】
本発明の課題は、微細構造化された既知の温度センサに比べて温度が高い場合の感度および安定性に関して改善された微細構造化された温度センサを実現することである。
【０００８】
発明の利点
微細構造化された本発明による温度センサは公知先行技術に比べて、支持体に位置する導体路の構造および／または熱電対のための材料の特殊な選択によって、微細構造化された温度センサのための従来の製作法を著しく変更する必要なしに、高められた感温性が達成されるという利点を有している。特に本発明によれば、熱電対の、形成される導体路のレイアウトおよび／またはこの導体路を析出するために使用される材料しか変更されない。
【０００９】
さらに、有利には、熱電対のための材料の選択、すなわち、白金またはアルミニウムと、ドーピングされたかまたはドーピングされていないポリシリコンとの材料組合せによって、製作された微細構造化された温度センサが、著しく高められた温度安定性を既知の温度センサに対して有していることが達成される。この既知の温度センサでは、たとえばアルミニウムがポリシリコンと共に熱電対のための材料として使用される。
【００１０】
さらに、いまや、熱電対のための材料の選択によって、温度が２００℃よりも大きい場合に、しばしば熱電対材料としてポリシリコンとアルミニウムとが使用されたセンサの場合のような、獲得された微細構造化された温度センサのマイグレーション効果ひいては安定性問題が発生することを回避することができる。
【００１１】
さらに、従来頻繁に使用されたアルミニウムは極めて良好な熱伝導体である。このことは、アルミニウムによって製作された熱電対の熱電的な効果が比較的低いことを意味している。これに対して、白金は、一方では４００℃までの温度で使用可能であり、他方ではアルミニウムに比べて因子３だけ低い熱伝導率を有している。さらに、ドーピングされたかまたはドーピングされていない多結晶シリコンゲルマニウムも多結晶シリコンに比べて因子３〜８だけ低い熱伝導率を示しており、したがって、製作された熱電対の熱電的な効果も同じく著しく高められる。
【００１２】
本発明の有利な改良形は、従属請求項に記載の手段から得られる。
【００１３】
したがって、特に支持体の表面に設けられた微細構造化された導体路の新規のメアンダ形のまたは波形のレイアウトと、熱電対のための特殊な前記材料との組合せによって、温度センサの特に高い感度向上と特に良好な温度安定性とが達成される。
【００１４】
さらに、有利には、微細構造化された温度センサ、たとえば赤外線センサの使用に応じて、熱電対のための前記材料が互いに組合せ可能である。この場合、半導体材料はｐ型ドーピングすることができるかまたはｎ型ドーピングすることができる。
【００１５】
微細構造化された温度センサでは、いわゆる「熱い」接点と「冷たい」接点との間の温度差が、測定可能な電圧に熱電的に変換されるので、「冷たい」箇所は一定の温度に保たれなければならないかまたはこの温度は「熱い」接点の温度に比べて既知でなければならないかもしくは報知されていなければならない。通常、このためには、従来では、いわゆる「サーミスタ」がハイブリッド技術において熱電対のための支持体に組み込まれる。なぜならば、使用される材料であるアルミニウムとポリシリコンとが、この基準温度を規定するためにはしばしば十分敏感でないからである。
【００１６】
いま、これに関連して、さらに有利には、熱電的な材料として白金が使用されると、抵抗性のある高精度の温度測定素子を相応の導体路もしくは給電線路と同じ製作ステップでシリコンチップにもしくは熱電対を支持する支持体に組み込むことが可能となるかもしくは析出することが可能となる。したがって、付加的なサーミスタは不要となる。
【００１７】
さらに、導体路が、支持体に延びるメアンダ形のまたは波形の導体路の形で形成されていることによって、より低い内部抵抗を備えた導体路だけをメアンダとして形成することが可能となる。なぜならば、高い電気抵抗を備えた材料の場合には、メアンダ形状もしくは波形状によって雑音電圧が高められるからである。
【００１８】
さらに、強調したいことは、メアンダ形のもしくは波形の導体路は、相並んで延びるように形成することもできるし、少なくとも部分的にオーバラップしてまたは互いに重なり合って延びるように形成することもできるということである。この場合、導体路は、たとえば酸素から成る適切な絶縁層によって電気的に絶縁された状態で互いに分離されていなければならない。十分に面が提供されている限り、一般的には、導体路を相並んで案内することが有利である。
【００１９】
さらに、いまや、波もしくはメアンダの数を変化させることによって、獲得された微細構造化された温度センサの感度を変化させるかもしくは向上させることも簡単に可能となる。この場合、有利には、導体路の長さが増加するにつれて導体路の熱抵抗が増加する。すなわち、メアンダ形の導体路の熱抵抗は適宜な直線の熱抵抗よりも大きく設定されている。
【００２０】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２１】
本発明は、本実施例において、まずドイツ連邦共和国特許出願第１０００９５９３．３号明細書にすでに提案されているような赤外線センサから出発する。しかし、ドイツ連邦共和国特許出願第１０００９５９３．３号明細書に提案された赤外線センサは２つの点で変更される。
【００２２】
詳しくは、すでにドイツ連邦共和国特許出願第１０００９５９３．３号明細書に提案されているように、まず基板としての良熱伝導性の材料、たとえばシリコン（ケイ素）に劣熱伝導性の材料、たとえば酸素、窒素または両材料の化合物から成る、少なくとも十分に片持ち式（ｆｒｅｉｔｒａｇｅｎｄ）の薄膜が形成される。この場合、主として、被着させたい熱電対２０のための支持体１２として働く少なくとも十分に片持ち式の薄膜が、二酸化ケイ素、窒化ケイ素または多孔性のシリコンから成っていると有利である。
【００２３】
その後、支持体１２の表面には、十字形にまたは星形に配置された直列接続された多数の熱電対２０が形成される。この場合、ただ１つの熱電対２０しか示されていない図１によれば、支持体１２に、まず、第１の材料１３がメアンダ形の第１の導体路１５の形で析出され、次いで、第２の材料１４が同じくメアンダ形の第２の導体路１６の形の析出される。この場合、第１の導体路１５と第２の導体路１６とは、図１に示したように、少なくとも十分平行に相並んで延びている。
【００２４】
さらに、第１の材料１３と第２の材料１４とは第１の熱接点１０と第２の熱接点１１との領域で接触しており、さらに、熱電対２０にまで延びる給電線路１７が設けられている。この給電線路１７は第２の導体路１６に類似して形成されかつ被着されているので、熱電対２０は給電線路１７を介して電気的に自体公知の形式で電子的な構成素子（図示せず）に接続することができるかもしくは制御することができる。
【００２５】
さらに、図１に示したように、第１の熱接点１０は第１の温度Ｔ_１にさらされており、第２の熱接点１１は第２の温度Ｔ_２にさらされている。この場合、温度Ｔ_２は、微細構造化された温度センサ５によって検出したいかもしくは測定したい実際の温度であるのに対して、温度Ｔ_１は少なくともほぼ一定に保たれるかまたは付加的な測定装置によって選択的に規定可能である。この場合、第１の熱接点１０（「冷たい」熱接点）の温度Ｔ_１は、第２の熱接点１１（「熱い」熱接点）の、測定したい温度Ｔ_２に対する基準温度として働く。
【００２６】
その他の点では、導体路１４，１５および給電線路１７の幅が２０ｎｍ〜２００μｍの間、有利には１μｍ〜２０μｍの間に寸法設定されている。導体路１４，１５および給電線路１７の厚さは１０ｎｍ〜１０μｍ、有利には１００ｎｍ〜２μｍに寸法設定されている。第１の導体路１５もしくは第２の導体路１６の形成ならびに両導体路１５，１６のメアンダ形の構造化および給電線路１７の形成は、たとえば公知の形式でＰＥＣＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による各材料１３，１４のスパッタリングまたは蒸着によって行われる。
【００２７】
具体的には、本実施例では、第１の材料１３は、３〜８Ｗ／Ｋｍの熱伝導率を備えたｎ型ドーピングされたポリシリコンゲルマニウムである。第２の材料１４は、本実施例では、７０Ｗ／Ｋｍの熱伝導率を備えた白金である。さらに、給電線路１７もそれぞれ第２の導体路１６に類似して白金導体路の形で形成されているので、それぞれ白金／ポリシリコンゲルマニウムの材料組合せによって形成された２つの熱接点１０，１１が得られる。
【００２８】
図１に示した本実施例に対して選択的に、第１の導体路１５と第２の導体路１６とが部分的にまたは完全に互いに重なり合って延びていて、熱接点１０，１１を除いて互いに電気的に絶縁された状態で案内されていてもよい。この事例では、電気的な絶縁は、両導体路１５，１６の間に設けられた電気的に絶縁性の酸化中間層によって保証される。
【００２９】
さらに、当然ながら、２つの熱接点１０，１１の代わりに複数の熱接点が設けられていてもよい。これらの熱接点はサーモチェーン（Ｔｈｅｒｍｏｋｅｔｔｅ）またはサーモパイルのように配置されている。この場合、少なくとも２つの熱接点は互いに異なる温度にさらされている。
【００３０】
本発明の変化実施例では、第１実施例の改良形において、第１の温度Ｔ_１を規定するために付加的な測定装置の一部が導体路の形で支持体１２に付加的に形成されるかもしくは組み込まれる。この場合、これによって、第１の熱接点１０の領域における支持体１２の表面への慣用のサーミスタの組込みを不要にすることができる。
【００３１】
詳しくは、この場合、測定装置は、白金から成る付加的な基準導体路が第１の熱接点１０の周辺に測定装置の敏感な構成部分として設けられていることによって実現されている。基準導体路は相応の給電線路を介して、基準導体路の、温度に関連した電気抵抗を規定するための自体公知の評価手段に同じく接続されている。この場合、基準導体路は、たとえば給電線路１７または第２の導体路１６に類似して形成されている。
【００３２】
しかし、選択的に測定装置は、第２の導体路１６または給電線路１７の一区分が基準導体路として使用され、導体路のこの部分の、温度に関連した電気抵抗を規定するための相応の評価手段に接続されていることによっても実現することができる。
【００３３】
温度Ｔ_１を測定するかもしくは監視するための、支持体１２への付加的な基準導体路の組込み可能性もしくは支持体１２での基準導体路としての第２の導体路１６または給電線路１７の一部の使用可能性は、抵抗性のある高精度の温度測定に対する白金の適性から得られる。
【００３４】
図１に示した熱電対２０の構造および機能および温度センサ５のさらなる構造に対するさらなる詳細に関しては、ドイツ連邦共和国特許出願第１０００９５９３．３号明細書に示されている。このドイツ連邦共和国特許出願第１０００９５９３．３号明細書では、温度センサ５が、熱電対２０の導体路１５，１６の特殊なレイアウトと、熱電対２０のための材料の特殊な選択とを除いて赤外線センサの形で記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
支持体の表面に相並んで延びる被着された導体路の形で形成されたただ１つの熱電対を示す図である。
【符号の説明】
５　温度センサ、　１０　熱接点、　１１　熱接点、　１２　支持体、　１３　材料、　１４　材料、　１５　導体路、　１６　導体路、　１７　給電線路、　２０　熱電対、　Ｔ_１　温度、　Ｔ_２　温度

Claims (12)

1. 微細構造化された温度センサ、特に赤外線センサであって、支持体と、該支持体に位置する少なくとも１つの熱電対とが設けられており、該熱電対が、第１の材料と第２の材料とを有しており、両材料が、少なくとも点で少なくとも１つの熱接点を互いに形成している形式のものにおいて、第１の材料（１３）および／または第２の材料（１４）が、少なくとも部分的にメアンダ形のまたは波形の導体路（１５，１６）の形で形成されていて、支持体（１２）に案内されていることを特徴とする、微細構造化された温度センサ。
2. 第１の材料（１３）と第２の材料（１４）とが、少なくとも十分に相並んで延びる、熱接点（１０，１１）を除いて互いに電気的に絶縁された導体路（１５，１６）の形でまたは少なくとも部分的に互いに重なり合って延びる、熱接点（１０，１１）を除いて互いに電気的に絶縁された導体路（１５，１６）の形で案内されている、請求項１記載の温度センサ。
3. 熱電対（２０）が、複数の熱接点（１０，１１）を有しており、該熱接点（１０，１１）が、サーモチェーンまたはサーモパイルのように配置されており、少なくとも２つの熱接点（１０，１１）が、それぞれ異なる温度（Ｔ_１，Ｔ_２）にさらされている、請求項１または２記載の温度センサ。
4. 検出したいまたは測定したい第２の温度（Ｔ_２）にさらされた第２の熱接点（１１）と、少なくともほぼ一定に保たれたまたは一定の第１の温度（Ｔ_１）にさらされた第１の熱接点（１０）とが設けられており、さらに、第１の温度（Ｔ_１）が、付加的な測定装置によって規定可能であることが特に提案されている、請求項３記載の温度センサ。
5. 前記測定装置が、一方の導体路（１５；１６）または１つの給電線路（１７）の、第１の熱接点（１０）の周辺に位置する部分または敏感な構成部分としての、第１の熱接点（１０）の周辺に位置する基準導体路ならびに導体路（１５；１６）、給電線路（１７）または基準導体路の部分の、温度に関連した電気抵抗を規定するための評価手段を有している、請求項４記載の温度センサ。
6. 第１の材料（１３）および／または第２の材料（１４）が、小さな熱伝導率を備えた材料である、請求項１から５までのいずれか１項記載の温度センサ。
7. 第１の材料（１３）と第２の材料（１４）とが、白金、金、テルル化鉛、アルミニウム、チタン、ポリシリコン、ドーピングされたポリシリコン、ポリシリコンゲルマニウムまたはドーピングされたポリシリコンゲルマニウムのグループから選択されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の温度センサ。
8. 第２の材料（１４）が、白金であり、第１の材料（１３）が、ドーピングされたかまたはドーピングされていないポリシリコンゲルマニウムである、請求項７記載の温度センサ。
9. 導体路（１５；１６）、給電線路（１７）または基準導体路の部分が、白金導体路である、請求項５または８記載の温度センサ。
10. 微細構造化された温度センサ、特に赤外線センサであって、支持体と、該支持体に位置する少なくとも１つの熱電対とが設けられており、該熱電対が、第１の材料と第２の材料とを有しており、両材料が、少なくとも点で少なくとも１つの熱接点を互いに形成している形式のものにおいて、第２の材料（１４）が、白金であるかまたはアルミニウムであり、第１の材料（１３）が、ドーピングされたかまたはドーピングされていないポリシリコンゲルマニウムであることを特徴とする、微細構造化された温度センサ。
11. 第１の材料（１３）および／または第２の材料（１４）が、少なくとも部分的にメアンダ形のまたは波形の導体路（１５，１６）の形で形成されていて、支持体（１２）に案内されている請求項１０記載の温度センサ。
12. 熱電対（２０）が、複数の熱接点（１０，１１）を有しており、該熱接点（１０，１１）が、サーモチェーンまたはサーモパイルのように配置されており、少なくとも２つの熱接点（１０，１１）が、それぞれ異なる温度（Ｔ_１，Ｔ_２）にさらされている、請求項１０または１１記載の温度センサ。