WO2018185159A1 - Substrate structure for a gas sensor or an infrared light source - Google Patents

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WO2018185159A1
WO2018185159A1 PCT/EP2018/058601 EP2018058601W WO2018185159A1 WO 2018185159 A1 WO2018185159 A1 WO 2018185159A1 EP 2018058601 W EP2018058601 W EP 2018058601W WO 2018185159 A1 WO2018185159 A1 WO 2018185159A1
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substrate structure
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Harry Hedler
Roland Pohle
Jörg ZAPF
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • Substrate structure for a gas sensor or an infrared light source for a gas sensor or an infrared light source
  • the invention relates to a substrate structure for a gas sensor or an infrared light source.
  • Miniaturized infrared light sources are used, for example, for optical systems such as NDIR sensors (non-dispersive infrared) for gas detection.
  • NDIR sensors non-dispersive infrared
  • C02 carbon dioxide
  • the infrared source is a crucial component in terms of price, energy requirements and long-term stability.
  • Gas sensors based on semiconductor technology need to be heated to temperatures above 250 ° C ⁇ heated during operation typically.
  • the electrical power required for this is an essential parameter for the suitability of such sensors, for example for mobile use, especially when a plurality of sensors is used.
  • the invention has for its object to provide a respect to the power consumption improved substrate structure for a gas sensor or an infrared light source.
  • the substrate structure according to the invention for a gas sensor or an infrared light source comprises a substrate carrier, which in turn comprises a ceramic or semiconducting material and a substrate chip, which is divided into a chip frame and a membrane region with a membrane and is arranged on the substrate carrier, wherein the thickness of the Membrane is less than 200 ym.
  • the chip frame, the membrane and the substrate carrier form a cavity, which the membrane is limited to a first side and is bounded by the substrate carrier to a second side.
  • the substrate structure comprises a reflection element, which is arranged in the cavity on the second side on the substrate carrier.
  • the temperature during operation of the component formed with the substrate structure is particularly high for a micromechanical structure, for example when the operating temperature is above 400 ° C., in particular above 650 ° C.
  • the substrate structure is that the reduced heating of the surrounding elements, ie the substrate carrier and the chip frame, ensures improved long-term stability of these elements.
  • the substrate carrier consists largely or fully ⁇ constantly of the ceramic or semiconductive material.
  • the substrate carrier may be an alumina substrate.
  • the - inner sides of the chip frame can form more Begrenzungsflä ⁇ surfaces of the cavity and having at least one further Refle ⁇ xionselement.
  • the side surfaces of the cavity have one or more further reflection elements .
  • the reflection element and / or the further reflection element can be constructed as a coating.
  • the substrate carrier may be coated in order to build up the reflection element.
  • the side surfaces may be coated on the chip frame. Coatings can be applied in manufacturing processes for membrane substrates simply and with low material costs and also do not appreciably increase the heat capacity of the substrate carrier or of the chip frame.
  • the reflective element and / or the wide ⁇ re reflection element may be implemented as separate components.
  • the reflection element can be created as a separate component, which is then applied, for example by gluing, to the substrate carrier before the chip is placed on.
  • the reflection element and / or the further reflection element may have a metal.
  • they can consist largely of the metal.
  • Particularly preferred Me ⁇ metals represent gold and aluminum. These are in the infrared wavelength range, which is the most important for reflection in this structure, xion almost complete Lichtrefle- and thus the best energy savings.
  • the reflection element can be designed planar. This is typically the case with a coating. This Fully ⁇ staltung represents the simplest embodiment.
  • the reflection element may be concave with a ge ⁇ curved surface, wherein the curved upper ⁇ surface is aligned with the membrane. This focussing of the reflected radiation is achieved to the membrane and thus improved energy conservation.
  • the reflection element and / or the further reflection element have a reflectivity of at least 0.8 in the range between 400 nm and 3 ym wavelength. The higher the reflectivity, the greater the energy saving for the heating of the membrane.
  • the chip can be at least one single crystal
  • the membrane comprises a part of the monocrystalline silicon layer and wherein the sub strate ⁇ at least one diffusion barrier layer for reducing the oxidation of the monocrystalline silicon layer, wherein the diffusion barrier layer covers at least the membrane ⁇ .
  • the substrate structure described can be ⁇ example, an infrared light source build.
  • the substrate structure preferably comprises a cover layer arranged on the membrane, which has an emissivity of at least 0.85. This creates an infrared light source with high radiation power with the lowest possible power requirement.
  • a gas-sensitive material in particular a material comprising gallium oxide, is arranged on the membrane.
  • Figure 1 shows a sectional view of a substrate assembly 10 of an embodiment for the invention.
  • the representation is not true to scale, the thickness of layers is usually shown far over ⁇ increased compared to the lateral dimensions.
  • the substrate structure 10 of FIG. 1 is based on a ceramic substrate carrier 11 made of Al 2 O 3, ie aluminum oxide, which is substantially flat cuboid and appears in the sectional view of FIG. 1 as a rectangle.
  • the substrate carrier 11 supports a silicon chip 20 by micromechanical structuring of a chip frame 14 with oblique statements comprise inwardly as well as arranged in the perception ⁇ ren the chip frame 14 and held by not dargestell ⁇ th webs membrane 15.
  • a silicon chip 20 is attached by means of adhesive surfaces 21 on the substrate carrier 11.
  • Electrical contacts on the silicon chip 20 are connected via bonding wires 18 ⁇ with electrical connecting lines 19 on the substrate carrier 11, whereby an electrical Anbin- produced dung of the gas sensor formed or infrared radiator to the electrical supply.
  • the substrate carrier 11 also carries a housing 12, which encloses the silicon chip 20 and the electrical connection lines 19.
  • the housing 12 has in the region above the silicon chip 20 on a window has to be designed for a gas sensor as the gas-permeable opening, to allow Gaszu ⁇ occurs.
  • the window is expediently largely transparent to infrared radiation.
  • the silicon chip 20 forms by its structuring together with the substrate carrier 11 a cavity 22.
  • a reflection element 16 is arranged at the bottom of the cavity, which is formed by a surface of the substrate carrier 11.
  • the reflection element 16 is in this example a foil of gold, which is glued to the substrate carrier 11.
  • the sidewalls of the cavity 22 formed by the inside sidewalls of the silicon chip 20 are provided with an aluminum coating.
  • Both the gold foil and the aluminum coating are highly reflective of the radiation thermally emitted by the membrane. Therefore, the inner walls of the cavity 22 hardly absorb energy of the radiation, but throw back most of it. Since the cavity is typically much wider than it is high, most of the
  • the membrane 15 itself is formed by a layer sequence of a membrane layer of monocrystalline silicon, an insulation layer of silicon dioxide and a further insulation layer of silicon nitride.
  • the layer sequence forms in the region in which the chip frame 14 has a recess, the membrane 15.
  • the thickness of the membrane 15 in this example is 30 ym.
  • the substrate assembly 10 is used for an infrared radiator.
  • 15 additional Elemen ⁇ te are housed on the membrane, which together form a structure for the infrared emitter, but are not shown in Figure 1.
  • the heater layer is structured so that a Walker insomnia is formed.
  • the electrical resistance is significantly increased in the region of the heating meander and electrical heating of the membrane 15 is thus possible.
  • the heater layer is white ⁇ terhin partially covered by an insulating layer of silicon dioxide.
  • the substrate shown forms a high temperature resistant
  • the cover layer is a layer of porous platinum. Especially forward part way there when the Emissivitat be ⁇ carries at least 0.85, which would not be the case without the cover layer.

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Abstract

A substrate structure (10) for a gas sensor or an infrared light source is specified, said substrate structure comprising – a substrate carrier (11) comprising a ceramic or semiconductor material, – a substrate chip, which is subdivided into a chip frame (14) and a membrane region with a membrane (15) and which is arranged on the substrate carrier (11), wherein the thickness of the membrane (15) is less than 200 µm and wherein the chip frame (14), the membrane (15) and the substrate carrier (11) form a cavity (22) which is delimited to a first side by the membrane (15) and which is delimited to a second side by the substrate carrier (11), – a reflection element (16), which is arranged on the substrate carrier (11) in the cavity (22) on the second side.

Description

Beschreibung description
Substrataufbau für einen Gassensor oder eine Infrarot- Lichtquelle Substrate structure for a gas sensor or an infrared light source
Die Erfindung betrifft einen Substrataufbau für einen Gassensor oder eine Infrarot-Lichtquelle. The invention relates to a substrate structure for a gas sensor or an infrared light source.
Miniaturisierte Infrarot-Lichtquellen werden beispielsweise für optische Systeme wie NDIR-Sensoren (non-dispersive infra- red) zur Gasdetektion eingesetzt. So basiert ein Großteil der Sensoren zur Messung von Kohlendioxid (C02) auf dem NDIR- Prinzip. In diesen Systemen stellt die Infrarotquelle eine entscheidende Komponente hinsichtlich Preis, Energiebedarf und Langzeitstabilität dar. Miniaturized infrared light sources are used, for example, for optical systems such as NDIR sensors (non-dispersive infrared) for gas detection. Thus, a large part of the sensors for measuring carbon dioxide (C02) is based on the NDIR principle. In these systems, the infrared source is a crucial component in terms of price, energy requirements and long-term stability.
Chemische Gassensoren auf Halbleiterbasis müssen im Betrieb typischerweise auf Temperaturen oberhalb von 250 °C aufge¬ heizt werden. Die hierfür nötige elektrische Leistung ist ein wesentlicher Parameter für die Eignung solcher Sensoren beispielsweise für den mobilen Einsatz, speziell wenn eine Mehrzahl von Sensoren verwendet wird. Gas sensors based on semiconductor technology need to be heated to temperatures above 250 ° C ¬ heated during operation typically. The electrical power required for this is an essential parameter for the suitability of such sensors, for example for mobile use, especially when a plurality of sensors is used.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich des Leistungsbedarfs verbesserten Substrataufbau für einen Gassensor oder eine Infrarot-Lichtquelle anzugeben. The invention has for its object to provide a respect to the power consumption improved substrate structure for a gas sensor or an infrared light source.
Diese Aufgabe wird durch einen Substrataufbau mit den Merkma¬ len von Patentanspruch 1 gelöst. This object is achieved by a substrate structure with the Merkma ¬ len of claim 1.
Der erfindungsgemäße Substrataufbau für einen Gassensor oder eine Infrarot-Lichtquelle umfasst einen Substratträger, der wiederum ein keramisches oder halbleitendes Material aufweist und einen Substratchip, der in einen Chiprahmen und einen Membranbereich mit einer Membran gegliedert ist und auf dem Substratträger angeordnet ist, wobei die Dicke der Membran weniger als 200 ym beträgt. Dabei bilden der Chiprahmen, die Membran und der Substratträger einen Hohlraum aus, der von der Membran zu einer ersten Seite hin begrenzt ist und vom Substratträger zu einer zweiten Seite hin begrenzt ist. The substrate structure according to the invention for a gas sensor or an infrared light source comprises a substrate carrier, which in turn comprises a ceramic or semiconducting material and a substrate chip, which is divided into a chip frame and a membrane region with a membrane and is arranged on the substrate carrier, wherein the thickness of the Membrane is less than 200 ym. In this case, the chip frame, the membrane and the substrate carrier form a cavity, which the membrane is limited to a first side and is bounded by the substrate carrier to a second side.
Schließlich umfasst der Substrataufbau ein Reflexionselement, das im Hohlraum auf der zweiten Seite auf dem Substratträger angeordnet ist. Finally, the substrate structure comprises a reflection element, which is arranged in the cavity on the second side on the substrate carrier.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass mit steigender Be¬ triebstemperatur für den Substrataufbau der Wärmeverlust durch Strahlung deutlich stärker steigt als der Wärmeverlust durch Wärmeleitung und - je nach Geometrie und konkreter Form des Substrataufbaus - bei hohen Temperaturen zu einem gleichwertigen Verlustmechanismus wird. Eine Eindämmung dieses Ver- lusts ist im Gegensatz zur Wärmeableitung über die unvermeidbaren mechanischen Aufhängungen der Membran durch eine Maß- nähme außerhalb der Membran möglich in Form des Reflexions¬ elements. Das Reflexionselement reflektiert einen Teil des von der Membran kommenden Lichts, wobei dieses Licht in Ab¬ hängigkeit von der Temperatur der Membran weitgehend infraro¬ te Strahlung sein kann. Ist die Membran wesentlich größer als die Chipdicke, wird das Licht sogar weitgehend zur Membran zurückgestrahlt und koppelt dort wieder ein. Dadurch wird vorteilhaft der Verlust durch Wärmestrahlung deutlich reduziert. Insgesamt ist eine Verringerung der Verlustleistung von bis zu 30% erreichbar, wobei der Gewinn bei höherer Tem- peratur steigt. For the invention it has been recognized that with increasing loading ¬ operating temperature for the substrate structure of the heat loss by radiation significantly increases more than the heat loss through heat conduction and - depending on the geometry and specific shape of the substrate structure - at high temperatures to an equivalent loss mechanism. A curb this comparison is lust as opposed to the heat dissipation through the inevitable mechanical suspensions of the membrane by a measure would take outside the membrane possible in the form of reflection ¬ elements. The reflective element reflects a portion of light coming from the diaphragm, said light may be from ¬ dependence on the temperature of the membrane largely infraro ¬ te radiation. If the membrane is significantly larger than the chip thickness, the light is even largely reflected back to the membrane and coupled there again. As a result, the heat radiation loss is advantageously reduced significantly. Overall, a reduction in power loss of up to 30% can be achieved, whereby the gain increases at a higher temperature.
Dies ist speziell der Fall, wenn die Temperatur im Betrieb des Bauelements, das mit dem Substrataufbau gebildet wird, besonders hoch ist für einen mikromechanischen Aufbau, bei- spielsweise wenn die Betriebstemperatur oberhalb von 400 °C liegt, insbesondere oberhalb von 650 °C. This is the case in particular when the temperature during operation of the component formed with the substrate structure is particularly high for a micromechanical structure, for example when the operating temperature is above 400 ° C., in particular above 650 ° C.
Ein weiterer Vorteil des Substrataufbaus besteht darin, dass die verringerte Erwärmung der umgebenden Elemente, also des Substratträgers und des Chiprahmens für eine verbesserte Lan- gezeitstabilität dieser Elemente sorgt. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen. - Zweckmäßig besteht der Substratträger weitgehend oder voll¬ ständig aus dem keramischen oder halbleitenden Material. Beispielsweise kann es sich bei dem Substratträger um ein Aluminiumoxid-Substrat handeln. Diese sind elektrisch isolierend und thermisch gut isolierend, chemisch stabil und günstig zu produzieren. A further advantage of the substrate structure is that the reduced heating of the surrounding elements, ie the substrate carrier and the chip frame, ensures improved long-term stability of these elements. In the dependent claims further advantageous measures are listed, which are combined with each other Kings ¬ nen to obtain further advantages. - Suitably, the substrate carrier consists largely or fully ¬ constantly of the ceramic or semiconductive material. For example, the substrate carrier may be an alumina substrate. These are electrically insulating and thermally well insulating, chemically stable and inexpensive to produce.
- Innenseiten des Chiprahmens können weitere Begrenzungsflä¬ chen des Hohlraums bilden und wenigstens ein weiteres Refle¬ xionselement aufweisen. Mit anderen Worten weisen die Seiten- flächen des Hohlraums ein oder mehrere weitere Reflexionsele¬ mente auf. Dadurch wird eine weitere Verminderung der dort absorbierten Wärme und somit eine Verringerung der benötigten Heizleistung für die Membran erzielt. - Das Reflexionselement und/oder das weitere Reflexionsele¬ ment können als Beschichtung aufgebaut sein. Beispielsweise kann also der Substratträger beschichtet sein, um das Reflexionselement aufzubauen. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenflächen am Chiprahmen beschichtet sein. Beschich- tungen können in Fertigungsprozessen für Membransubstrate einfach und mit geringem Materialaufwand aufgebracht werden und erhöhen die Wärmekapazität des Substratträgers bzw. des Chiprahmens auch nicht merklich. - Alternativ können das Reflexionselement und/oder das weite¬ re Reflexionselement auch als separate Bauteile realisiert sein. Beispielsweise kann das Reflexionselement als eigenes Bauteil erstellt werden, das dann beispielsweise per Klebung auf den Substratträger aufgebracht wird, bevor der Chip auf- gesetzt wird. - inner sides of the chip frame can form more Begrenzungsflä ¬ surfaces of the cavity and having at least one further Refle ¬ xionselement. In other words, the side surfaces of the cavity have one or more further reflection elements . This achieves a further reduction in the heat absorbed there, and thus a reduction in the required heating power for the membrane. The reflection element and / or the further reflection element can be constructed as a coating. For example, therefore, the substrate carrier may be coated in order to build up the reflection element. Alternatively or additionally, the side surfaces may be coated on the chip frame. Coatings can be applied in manufacturing processes for membrane substrates simply and with low material costs and also do not appreciably increase the heat capacity of the substrate carrier or of the chip frame. - Alternatively, the reflective element and / or the wide ¬ re reflection element may be implemented as separate components. For example, the reflection element can be created as a separate component, which is then applied, for example by gluing, to the substrate carrier before the chip is placed on.
- Das Reflexionselement und/oder das weitere Reflexionsele¬ ment können ein Metall aufweisen. Insbesondere können sie weitgehend aus dem Metall bestehen. Besonders bevorzugte Me¬ talle stellen Gold und Aluminium dar. Diese bieten im infraroten Wellenlängenbereich, der der wichtigste für die Reflexion in diesem Aufbau ist, eine fast vollständige Lichtrefle- xion und damit die beste Energieersparnis. The reflection element and / or the further reflection element may have a metal. In particular, they can consist largely of the metal. Particularly preferred Me ¬ metals represent gold and aluminum. These are in the infrared wavelength range, which is the most important for reflection in this structure, xion almost complete Lichtrefle- and thus the best energy savings.
- Das Reflexionselement kann planar gestaltet sein. Bei einer Beschichtung ist das typischerweise der Fall. Diese Ausge¬ staltung stellt die einfachste Ausführungsform dar. - The reflection element can be designed planar. This is typically the case with a coating. This Fully ¬ staltung represents the simplest embodiment.
- Alternativ kann das Reflexionselement konkav mit einer ge¬ wölbten Oberfläche gestaltet sein, wobei die gewölbte Ober¬ fläche zur Membran hin ausgerichtet ist. Damit wird eine Fo- kussierung der reflektierten Strahlung zur Membran erreicht und somit eine verbesserte Energieeinsparung. - Alternatively, the reflection element may be concave with a ge ¬ curved surface, wherein the curved upper ¬ surface is aligned with the membrane. This focussing of the reflected radiation is achieved to the membrane and thus improved energy conservation.
- Bevorzugt weisen das Reflexionselement und/oder das weitere Reflexionselement eine Reflektivität von wenigstens 0,8 im Bereich zwischen 400 nm und 3 ym Wellenlänge auf. Je höher die Reflektivität , desto größer ist die Energieeinsparung für die Beheizung der Membran. - Preferably, the reflection element and / or the further reflection element have a reflectivity of at least 0.8 in the range between 400 nm and 3 ym wavelength. The higher the reflectivity, the greater the energy saving for the heating of the membrane.
- Zwischen dem Chip und dem Substratträger können elektrische Leiterbahnen angeordnet sein. Dadurch wird die elektrische Verbindung zwischen den Elementen des Substrataufbaus vereinfacht . - Between the chip and the substrate support electrical conductors can be arranged. This simplifies the electrical connection between the elements of the substrate structure.
- Der Chip kann wenigstens eine einkristalline - The chip can be at least one single crystal
Siliziumschicht aufweisen, wobei die Membran einen Teil der einkristallinen Siliziumschicht umfasst und wobei das Sub¬ strat wenigstens eine Diffusionssperrschicht zur Verminderung der Oxidation der einkristallinen Siliziumschicht aufweist, wobei die Diffusionssperrschicht wenigstens die Membran be¬ deckt. Hierdurch wird ein thermisch äußerst stabiler Aufbau der Membran erreicht, der Betriebstemperaturen bis oberhalb von 650 °C zulässt. Gerade bei so hohen Betriebstemperaturen ist die Einsparung bei der Heizleistung besonders wichtig, da die nötige Heizleistung vergleichsweise hoch ist und da zu- sätzlich der Anteil der Strahlung an den Verlusten vergleichsweise hoch ist und somit eine erhebliche Einsparung erzielbar ist. - Der Chip kann eine zweite einkristalline Siliziumschicht aufweisen . Silicon layer, wherein the membrane comprises a part of the monocrystalline silicon layer and wherein the sub strate ¬ at least one diffusion barrier layer for reducing the oxidation of the monocrystalline silicon layer, wherein the diffusion barrier layer covers at least the membrane ¬ . As a result, a thermally extremely stable construction of the membrane is achieved, the operating temperatures up to above 650 ° C allows. Particularly at such high operating temperatures, the saving in heating power is particularly important, since the required heating power is comparatively high and there In addition, the proportion of radiation in the losses is comparatively high and thus a considerable saving can be achieved. - The chip may have a second single-crystal silicon layer.
- Mit dem beschriebenen Substrataufbau lässt sich beispiels¬ weise eine Infrarot-Lichtquelle aufbauen. Dazu umfasst der Substrataufbau bevorzugt eine auf der Membran angeordnete Deck-Schicht umfasst, die eine Emissivität von wenigstens 0,85 aufweist. Damit wird eine Infrarot-Lichtquelle mit hoher Abstrahlleistung geschaffen bei geringstmöglichem Leistungsbedarf . - With the substrate structure described can be ¬ example, an infrared light source build. For this purpose, the substrate structure preferably comprises a cover layer arranged on the membrane, which has an emissivity of at least 0.85. This creates an infrared light source with high radiation power with the lowest possible power requirement.
- Mit dem beschriebenen Substrataufbau lässt sich weiterhin ein Gassensor aufbauen, bei dem ein gassensitives Material, insbesondere ein Material umfassend Galliumoxid, auf der Membran angeordnet ist. - With the substrate structure described can continue to build a gas sensor, in which a gas-sensitive material, in particular a material comprising gallium oxide, is arranged on the membrane.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur 1. Figur 1 zeigt ein Schnittbild eines Substrataufbaus 10 eines Ausführungsbei- spiels für die Erfindung. Dabei ist die Darstellung nicht maßstabsgetreu, die Dicke von Schichten ist meist weit über¬ höht dargestellt gegenüber den lateralen Ausdehnungen. Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying Figure 1. Figure 1 shows a sectional view of a substrate assembly 10 of an embodiment for the invention. In this case, the representation is not true to scale, the thickness of layers is usually shown far over ¬ increased compared to the lateral dimensions.
Der Substrataufbau 10 der Figur 1 basiert auf einem kerami- sehen Substratträger 11 aus A1203, also Aluminiumoxid, der im Wesentlichen flach quaderförmig ist und im Schnittbild der Figur 1 als Rechteck erscheint. The substrate structure 10 of FIG. 1 is based on a ceramic substrate carrier 11 made of Al 2 O 3, ie aluminum oxide, which is substantially flat cuboid and appears in the sectional view of FIG. 1 as a rectangle.
Der Substratträger 11 trägt einen Siliziumchip 20, der durch mikromechanische Strukturierung einen Chiprahmen 14 mit schrägem Abschluss nach innen hin umfasst sowie eine im Inne¬ ren des Chiprahmens 14 angeordnete und von nicht dargestell¬ ten Stegen gehaltene Membran 15. Im Schnittbild der Figur 1 sind nur zwei Stücke des Chiprahmens 14 erkennbar, diese bil¬ den jedoch einen durchgehenden Rahmen um die Membran 15. Der Siliziumchip 20 ist mittels Klebeflächen 21 auf dem Substratträger 11 befestigt. The substrate carrier 11 supports a silicon chip 20 by micromechanical structuring of a chip frame 14 with oblique statements comprise inwardly as well as arranged in the perception ¬ ren the chip frame 14 and held by not dargestell ¬ th webs membrane 15. In the sectional image of Figure 1 However, only two pieces of the chip frame 14 can be seen, but this bil ¬ the one continuous frame around the membrane 15. The silicon chip 20 is attached by means of adhesive surfaces 21 on the substrate carrier 11.
Elektrische Kontakte auf dem Siliziumchip 20 sind über Bond¬ drähte 18 mit elektrischen Verbindungsleitungen 19 auf dem Substratträger 11 verbunden, wodurch eine elektrische Anbin- dung des gebildeten Gassensors oder Infrarot-Strahlers mit der elektrischen Versorgung erzeugt wird. Electrical contacts on the silicon chip 20 are connected via bonding wires 18 ¬ with electrical connecting lines 19 on the substrate carrier 11, whereby an electrical Anbin- produced dung of the gas sensor formed or infrared radiator to the electrical supply.
Der Substratträger 11 trägt weiterhin ein Gehäuse 12, das den Siliziumchip 20 und die elektrischen Verbindungsleitungen 19 einschließt. Das Gehäuse 12 weist im Bereich oberhalb des Siliziumchips 20 ein Fenster auf, das bei einem Gassensor als gasdurchlässige Öffnung gestaltet sein muss, um einen Gaszu¬ tritt zu erlauben. Bei einem Infrarot-Strahler ist das Fenster zweckmäßig weitestgehend transparent für Infrarot- Strahlung . The substrate carrier 11 also carries a housing 12, which encloses the silicon chip 20 and the electrical connection lines 19. The housing 12 has in the region above the silicon chip 20 on a window has to be designed for a gas sensor as the gas-permeable opening, to allow Gaszu ¬ occurs. In an infrared emitter, the window is expediently largely transparent to infrared radiation.
Der Siliziumchip 20 bildet durch seine Strukturierung zusammen mit dem Substratträger 11 einen Hohlraum 22. Am Boden des Hohlraums, der durch eine Oberfläche des Substratträgers 11 gebildet ist, ist ein Reflexionselement 16 angeordnet. Das Reflexionselement 16 ist in diesem Beispiel eine Folie aus Gold, die auf den Substratträger 11 aufgeklebt ist. The silicon chip 20 forms by its structuring together with the substrate carrier 11 a cavity 22. At the bottom of the cavity, which is formed by a surface of the substrate carrier 11, a reflection element 16 is arranged. The reflection element 16 is in this example a foil of gold, which is glued to the substrate carrier 11.
Zusätzlich sind die Seitenwände des Hohlraums 22, die durch die innenliegenden Seitenwände des Siliziumchips 20 gebildet werden, mit einer Aluminiumbeschichtung versehen. In addition, the sidewalls of the cavity 22 formed by the inside sidewalls of the silicon chip 20 are provided with an aluminum coating.
Sowohl die Goldfolie als auch die Aluminiumbeschichtung sind stark reflektierend für die von der Membran thermisch emittierte Strahlung. Die inneren Wände des Hohlraums 22 nehmen daher kaum Energie der Strahlung auf, sondern werfen den größten Teil davon zurück. Da der Hohlraum typischerweise wesentlich breiter als hoch ist, wird der größte Teil der Both the gold foil and the aluminum coating are highly reflective of the radiation thermally emitted by the membrane. Therefore, the inner walls of the cavity 22 hardly absorb energy of the radiation, but throw back most of it. Since the cavity is typically much wider than it is high, most of the
Strahlung direkt zur Membran zurückgeworfen. Die Membran 15 selbst wird durch eine Schichtfolge einer Membranschicht aus einkristallinem Silizium, einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid und einer weiteren Isolations- schicht aus Siliziumnitrid gebildet. Die Schichtfolge bildet in dem Bereich, in dem der Chiprahmen 14 eine Aussparung aufweist, die Membran 15. Die Dicke der Membran 15 beträgt in diesem Beispiel 30 ym. Für dieses Ausführungsbeispiel soll davon ausgegangen werden, dass der Substrataufbau 10 für einen Infrarot-Strahler verwendet wird. Dann sind auf der Membran 15 zusätzliche Elemen¬ te untergebracht, die zusammen einen Aufbau für den Infrarot- Strahler bilden, aber in Figur 1 nicht dargestellt sind. Radiation thrown back directly to the membrane. The membrane 15 itself is formed by a layer sequence of a membrane layer of monocrystalline silicon, an insulation layer of silicon dioxide and a further insulation layer of silicon nitride. The layer sequence forms in the region in which the chip frame 14 has a recess, the membrane 15. The thickness of the membrane 15 in this example is 30 ym. For this embodiment, it should be understood that the substrate assembly 10 is used for an infrared radiator. Then 15 additional Elemen ¬ te are housed on the membrane, which together form a structure for the infrared emitter, but are not shown in Figure 1.
Hierzu führt von einer Seite des Membransubstrats ausgehend von einem Bereich oberhalb des Chiprahmens 14 eine For this purpose, starting from one side of the membrane substrate, starting from an area above the chip frame 14, a
Heizerschicht auf die Membran 15. Im Bereich der Membran 15 ist die Heizerschicht so strukturiert, dass ein Heizmäander gebildet ist. Der elektrische Widerstand ist im Bereich des Heizmäanders deutlich erhöht und eine elektrische Beheizung der Membran 15 ist somit möglich. Die Heizerschicht ist wei¬ terhin teilweise bedeckt von einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid. Das gezeigte Substrat bildet einen hochtemperaturfesten Heater layer on the membrane 15. In the region of the membrane 15, the heater layer is structured so that a Heizmäander is formed. The electrical resistance is significantly increased in the region of the heating meander and electrical heating of the membrane 15 is thus possible. The heater layer is white ¬ terhin partially covered by an insulating layer of silicon dioxide. The substrate shown forms a high temperature resistant
Membranaufbau durch die Verwendung von einkristallinem Silizium als wesentlichem Membranmaterial und wie auch durch die Verwendung von Silizium als Material für den Chiprahmen 14. Dieses Material ist mit den Methoden der Mikrotechnologie gut bearbeitbar. Das Silizium als Membranmaterial gewährleistet neben ausreichender mechanischer Stabilität vor allem die benötigte Temperaturfestigkeit für einen dauerhaften Betrieb bei mehr als 700°C. Da das Material bereits im  Membrane construction through the use of monocrystalline silicon as a major membrane material and as well as the use of silicon as the material for the chip frame 14. This material is well workable with the methods of microtechnology. In addition to sufficient mechanical stability, silicon as a membrane material primarily ensures the required temperature resistance for continuous operation at more than 700 ° C. Since the material is already in the
einkristallinen Zustand ist, kann bei hohen Temperaturen kein weiterer Aufbau von mechanischen Spannungen stattfinden, der zur Beeinträchtigung der Membranfunktion führen wurde. Als oberste Schicht für die Infrarot-Lichtquelle sind die bisher beschriebenen Schichten teilweise überdeckt durch eine Deckschicht mit hoher Emissivitat. In diesem Beispiel ist die Deckschicht eine Schicht aus porösem Platin. Besonders vor- teilhaft ist es, wenn die Emissivitat wenigstens 0,85 be¬ trägt, was ohne die Deckschicht nicht der Fall wäre. is monocrystalline state, can take place at high temperatures, no further build-up of mechanical stresses, which would lead to impairment of the membrane function. As the uppermost layer for the infrared light source, the previously described layers are partially covered by a cover layer with high emissivity. In this example, the cover layer is a layer of porous platinum. Especially forward part way there when the Emissivitat be ¬ carries at least 0.85, which would not be the case without the cover layer.
Es ist leicht ersichtlich, dass durch die beschriebenen Ausführungen eine leistungsfähige Infrarot-Lichtquelle gebildet wird. Die Heizleistung ist gegenüber herkömmlichen Substraten durch die Reflexionselemente deutlich reduziert. It is readily apparent that the embodiments described form a powerful infrared light source. The heating power is significantly reduced compared to conventional substrates by the reflection elements.

Claims

Patentansprüche claims
1. Substrataufbau (10) für einen Gassensor oder eine Infra¬ rot-Lichtquelle, umfassend 1. substrate structure (10) for a gas sensor or an infrared ¬ light source, comprising
- einen Substratträger (11), umfassend ein keramisches oder halbleitendes Material, a substrate carrier (11) comprising a ceramic or semiconducting material,
- einen Substratchip, der in einen Chiprahmen (14) und einen Membranbereich mit einer Membran (15) gegliedert ist und auf dem Substratträger (11) angeordnet ist, wobei die Dicke der Membran (15) weniger als 200 ym beträgt, und wobei der Chip¬ rahmen (14), die Membran (15) und der Substratträger (11) einen Hohlraum (22) ausbilden, der von der Membran (15) zu einer ersten Seite hin begrenzt ist und vom Substratträger (11) zu einer zweiten Seite hin begrenzt ist, - A substrate chip, which is divided into a chip frame (14) and a membrane region with a membrane (15) and arranged on the substrate carrier (11), wherein the thickness of the membrane (15) is less than 200 ym, and wherein the chip ¬ frame (14), the membrane (15) and the substrate carrier (11) form a cavity (22) which is bounded by the membrane (15) to a first side and bounded by the substrate carrier (11) to a second side is
- ein Reflexionselement (16), das im Hohlraum (22) auf der zweiten Seite auf dem Substratträger (11) angeordnet ist. - A reflection element (16) which is arranged in the cavity (22) on the second side on the substrate carrier (11).
2. Substrataufbau (10) nach Anspruch 1, bei dem Innenseiten des Chiprahmens (14) weitere Begrenzungsflächen des Hohlraums (22) bilden und wenigstens ein weiteres Reflexionselement (17) aufweisen. 2. substrate structure (10) according to claim 1, wherein the inner sides of the chip frame (14) form further boundary surfaces of the cavity (22) and at least one further reflection element (17).
3. Substrataufbau (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Reflexionselement (16) und/oder das weitere Reflexionselement (17) eine Beschichtung ist. 3. substrate structure (10) according to claim 1 or 2, wherein the reflection element (16) and / or the further reflection element (17) is a coating.
4. Substrataufbau (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Reflexionselement (16) und/oder das weitere Reflexionselement (17) ein separates Bauteil ist. 4. substrate structure (10) according to claim 1 or 2, wherein the reflection element (16) and / or the further reflection element (17) is a separate component.
5. Substrataufbau (10) nach einem der vorangehenden Ansprü¬ che, bei dem das Reflexionselement (16) und/oder das weitere Reflexionselement (17) ein Metall aufweist, insbesondere aus einem Metall besteht. 5. substrate structure (10) according to any one of the preceding Ansprü ¬ che, wherein the reflection element (16) and / or the further reflection element (17) comprises a metal, in particular consists of a metal.
6. Substrataufbau (10) nach Anspruch 5, bei dem das Metall Gold oder Aluminium ist. 6. Substrate structure (10) according to claim 5, wherein the metal is gold or aluminum.
7. Substrataufbau (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Reflexionselement (16) planar gestaltet ist. 7. substrate structure (10) according to any one of the preceding claims, wherein the reflection element (16) is designed planar.
8. Substrataufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Reflexionselement (16) konkav mit einer gewölbten8. substrate structure (10) according to one of claims 1 to 6, wherein the reflection element (16) concave with a curved
Oberfläche gestaltet ist, wobei die gewölbte Oberfläche zur Membran (15) hin ausgerichtet ist. Surface is designed, wherein the curved surface is aligned with the membrane (15).
9. Substrataufbau (10) nach einem der vorangehenden Ansprü- che, bei dem das Reflexionselement (16) und/oder das weitere9. substrate structure (10) according to one of the preceding claims che, wherein the reflection element (16) and / or the other
Reflexionselement (17) eine Reflektivität von wenigstens 0,8 im Bereich zwischen 400 nm und 3 ym Wellenlänge aufweist. Reflection element (17) has a reflectivity of at least 0.8 in the range between 400 nm and 3 ym wavelength.
10. Substrataufbau (10) nach einem der vorangehenden Ansprü- che, bei dem zwischen dem Chip und dem Substratträger (16) elektrische Leiterbahnen angeordnet sind. 10. Substrate structure (10) according to one of the preceding claims, in which electrical conductor tracks are arranged between the chip and the substrate carrier (16).
11. Substrataufbau (10) nach einem der vorangehenden Ansprü¬ che, wobei der Chip wenigstens eine einkristalline 11 substrate assembly (10) according to any one of the preceding Ansprü ¬ surface, wherein the chip at least one monocrystalline
Siliziumschicht aufweist und wobei die Membran einen Teil der einkristallinen Siliziumschicht umfasst, wobei das Substrat wenigstens eine Diffusionssperrschicht zur Verminderung der Oxidation der einkristallinen Siliziumschicht aufweist, wobei die Diffusionssperrschicht wenigstens die Membran bedeckt Silicon layer and wherein the membrane comprises a part of the monocrystalline silicon layer, wherein the substrate has at least one diffusion barrier layer for reducing the oxidation of the monocrystalline silicon layer, wherein the diffusion barrier layer covers at least the membrane
12. Substrataufbau (10) nach Anspruch 11, bei dem der Chip eine zweite einkristalline Siliziumschicht aufweist. 12. Substrate structure (10) according to claim 11, wherein the chip has a second monocrystalline silicon layer.
13. Infrarot-Lichtquelle mit einem Substrataufbau (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eine auf der Membran13. Infrared light source with a substrate structure (10) according to one of the preceding claims, one on the membrane
(15) angeordnete Deck-Schicht umfasst, die eine Emissivität von wenigstens 0,85 aufweist. (15) comprises a cover layer having an emissivity of at least 0.85.
14. Gassensor mit einem Substrataufbau (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein gassensitives Material, insbesondere ein Material umfassend Galliumoxid, auf der Membran (15) angeordnet ist. 14. Gas sensor with a substrate structure (10) according to one of the preceding claims, wherein a gas-sensitive material, in particular a material comprising gallium oxide, on the membrane (15) is arranged.
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