WO2021078449A1 - Sensor mit durch aussparung geöffneter membran zur konzentrationsmessung eines analysefluids - Google Patents

Sensor mit durch aussparung geöffneter membran zur konzentrationsmessung eines analysefluids Download PDF

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WO2021078449A1
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membrane
sensor
measuring
volume
layer
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PCT/EP2020/076282
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Helmut Grutzeck
Renate Mueller
Stefan Zehringer
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a sensor for measuring a concentration of an analysis fluid based on a thermal conductivity principle, with at least one analysis heating element arranged on a measuring membrane for heating the analysis fluid, with a reference heating element arranged on a reference membrane for heating at least one reference gas.
  • the invention also relates to a method for producing such a sensor.
  • the gas or gas mixture to be measured directly influences the conductivity of a gas-sensitive sensor element.
  • This change in resistance serves as a measured variable for a concentration of the gas or gas mixture.
  • the gas-sensitive sensor element can be a sensor layer or a heating element.
  • one or more heating elements in the form of platinum heaters can be arranged on a membrane. The heating of the heating elements and / or sensor elements depends on the thermal conductivity of the surrounding gas or gas mixture. These heating elements can be operated with constant current or with constant power and be warmer than an ambient temperature.
  • the better thermal conductivity of hydrogen of 1810 pW / cmK compared to the thermal conductivity of air of 260 pW / cmK can be used to measure a hydrogen concentration. If there is hydrogen in the vicinity of the heating element, the higher thermal conductivity of the hydrogen and thus greater heat dissipation, the temperature of the heating element and thus its resistance is reduced. This change in resistance or the additional heating power that has to be applied to keep the heating element at a constant temperature is proportional to the concentration of hydrogen. Since the thermal conductivity depends on the ambient temperature, the ambient temperature can be measured, for example, by means of a further temperature sensor.
  • the object on which the invention is based can be seen in proposing a sensor which can be operated reliably at high humidity and at high pressure.
  • a sensor for measuring a concentration of an analysis fluid based on a thermal conductivity principle has at least one analysis heating element arranged on a measuring membrane for heating the analysis fluid and at least one reference heating element arranged on a reference membrane for heating at least one reference gas.
  • the measuring membrane and the reference membrane are arranged adjacent to one another between a sensor substrate and a cap substrate, the measuring membrane being arranged in a measuring volume and the reference membrane being arranged in a reference volume.
  • the measuring membrane and the reference membrane each have at least one coating, the measuring membrane being opened by at least one recess.
  • the coating can preferably cover the membrane at least in some areas and thus protect it.
  • the coating can cover the electrical lines, such as the heating elements and / or measuring elements arranged on the membranes, and thus protect the electrically conductive vapor deposition from corrosion, oxidation and aging processes.
  • the sensor can consist, for example, of three wafer-shaped layers stacked one on top of the other and connected by glass frit or alternatively by an anodic bond or optionally by an adhesive bond.
  • the wafer-shaped layers can comprise a cap substrate, a sensor substrate and a socket substrate.
  • the sensor can also have further layers, the cap substrate or the wafer-shaped cap layer being optional.
  • a reference cavity or a reference volume and a measuring cavity or measuring volume are formed in the sensor. During the production of the sensor, a multiplicity of such sensor sections can be produced and divided into a multiplicity of sensors by a separation step.
  • the measuring membrane is preferably arranged in the measuring volume and the reference membrane in the reference volume. Heating elements are integrated into each membrane for carrying out concentration measurements.
  • the measurement volumes and the reference volumes are preferably separated from one another, so that an exchange of fluids or moisture is prevented. This allows the sensor to act as a barrier against undesired media at the same time.
  • Such an undesirable medium can be, for example, moist air from exhaust gases from a fuel cell vehicle.
  • a difference signal can be determined between the analysis heating element and the reference heating element.
  • the analysis fluid can be in a gaseous or liquid form. Through the coating the analysis heating element and the reference heating element can be protected from direct contact with the analysis fluid, thus extending the service life of the sensor.
  • the measuring membrane Since the measuring membrane has at least one recess, it is designed to be open. This measure can bring about an increase in the sensitivity to measured variables or an increase in the insensitivity to interfering influences. In particular, the problem of deformation of the measuring membrane in the event of externally applied pressures that differ from the ambient pressure can be eliminated by the recess. Such ambient pressures can be, for example, 500 mbar in a silencer of an exhaust pipe. Furthermore, due to the open measuring membrane, new areas of application can be made available for the sensor, which have higher pressures of over 2 bar.
  • the senor can also be used in a fuel cell vehicle, for example in an anode path at higher pressure. Furthermore, the sensor can be used, for example, to examine moist exhaust gas or H2 in the exhaust gas of a fuel cell vehicle or in the immediate vicinity of the anode and cathode in the cell stack.
  • moist exhaust gas or H2 in the exhaust gas of a fuel cell vehicle or in the immediate vicinity of the anode and cathode in the cell stack.
  • An open membrane is to be interpreted to the effect that at least one hole, a recess and the like is arranged in the membrane, and thus an exchange of fluid between the two membrane surfaces is possible.
  • an exchange of fluid with an environment or any reservoir can take place.
  • the coating can either be removed for a glass frit bond or provided with a thin oxide layer in the following manufacturing processes.
  • the analysis heating element and the reference heating element for measuring the concentration can be designed as combined heating / sensor elements. Alternatively, in addition to analysis heating elements, analysis measuring elements and, in addition to the reference heating elements, reference measuring elements can also be provided.
  • the opening or recess of the measuring membrane and / or the reference membrane can be produced through one or more holes, for example by means of wet etching processes or plasma etching processes.
  • An increase in the sensitivity to the analysis fluid can be attributed to the analysis fluid flowing around the measuring membrane on both sides.
  • the recess in the measuring membrane serves to decouple the measuring membrane from the ambient pressure.
  • the cap substrate can close the measurement volume in order to separate the measurement volume from the reference volume.
  • the at least one analysis heating element and the at least one reference heating element can be connected to an external or sensor-internal evaluation electronics for measuring a change in resistance of the analysis heating element caused by the analysis fluid relative to an electrical resistance of the reference heating element.
  • This measure enables the number of electrically conductive tracks and heating elements on the sensor to be minimized.
  • conductor track crossings on the sensor can be avoided or minimized.
  • the necessary conductor track crossings can be carried out in the evaluation circuit or the evaluation electronics, which usually contain the levels required for this.
  • the evaluation electronics can be designed as a complex circuit technology, such as an ASIC or a p-controller. This makes it possible to design the conductor tracks on the measuring chip or the sensor symmetrically, whereby manufacturing tolerances are reduced. In addition, exposure masks and process steps on the sensor can be saved by reducing the number of conductor tracks on the sensor.
  • the coating is designed as a one-sided or double-sided coating. The coating can thus span the entire measuring membrane.
  • the coating can also include the at least one recess made in the measuring membrane, so that the measuring membrane is completely protected. In this way, damage to the measuring membrane due to high humidity or a change or aging of the embedded heating element or heating resistor due to the accumulation of moisture in the overlying layers can be prevented.
  • the reference volume is open on the front and / or on the rear, or the reference volume is designed as a closed volume.
  • the reference membrane is preferably shaped as a closed membrane or as an open membrane or membrane provided with one or more recesses. This measure allows the reference membrane to be adapted to different areas of application.
  • the measuring volume has at least one fluid channel connected on the front, rear and / or side, the fluid channel being introduced into a cap substrate, a base substrate and / or into the sensor substrate.
  • the analysis fluid can be guided through the fluid channel into the measurement volume in different ways.
  • the fluid channel can be shaped in such a way that a particularly fast or cost-efficient production of the sensor is made possible.
  • the coating has at least one nitride, silicon, oxide, plastic and / or ceramic.
  • the measuring membrane can be designed, for example, as an oxide-nitride-oxide membrane; alternatively or additionally, the measuring membrane can also be designed as an oxide membrane.
  • the substances listed can be used individually or in combination.
  • thin silicon layers, oxidic, nitridic or mixed layers can be used as coatings.
  • Thin plastic films or plastic coatings or ceramic materials are also possible as further alternative or additional materials for the coating.
  • the measuring volume and the measuring membrane and / or the reference volume and the reference membrane have a rectangular, square or circular cross section. As a result of this measure, the measurement volume and the reference volume can be formed using different manufacturing processes.
  • the shape of the reference volume and the measurement volume can be adapted to an external dimension of the sensor.
  • the measuring membrane can have a shape that corresponds to the cross section of the measuring volume.
  • the reference membrane can also have a shape corresponding to the cross section of the reference volume.
  • the measurement volume and the reference volume are dimensioned to be the same or different. If the reference volume is filled with different gases or pressures than the measurement volume, it is advantageous to adjust the thermal conductivity for high accuracy.
  • the reference volume and the measurement volume can be dimensioned relative to one another in such a way that the measurement volume has the same thermal conductivity as the reference volume with 0% H2 content.
  • a differential bridge voltage or the measurement signal is essentially 0 V or another defined offset, so that the evaluation electronics only detect a signal when there is a significant H2 content.
  • the dimensions of the measurement volume and the reference volume can be set by a height of the respective volume and / or by cavern sizes of different sizes.
  • the senor has at least two analysis heating elements and at least two reference heating elements, the analysis heating elements and reference heating elements being usable as heating elements and / or measuring elements for a change in resistance.
  • At least two resistors can preferably each be arranged on the reference membrane and the measuring membrane. These resistors are connected to one another in the form of a Wheatstone 'see bridge circuit.
  • Two reference heating elements and two analysis heating elements can function as measuring resistors at the same time.
  • a first and a fourth measuring resistor can be arranged on the measuring membrane and a second and a third measuring resistor can be arranged on the reference membrane.
  • the measurement signal can be provided at these positions.
  • the measuring resistors can serve both as heating elements and as measuring elements. A design in which the heating elements and the measuring elements are separate is also possible.
  • the closed reference membrane separates a first reference volume introduced into the cap substrate from a second reference volume introduced into the sensor substrate, the first reference volume and the second reference volume being filled with the same fluid or with different fluids.
  • This measure enables different fluids that cannot be mixed with one another to be connected to the reference membrane in the form of several reference volumes.
  • the variable field can be reduced, for example by an H2 gas in a volume on the cap side and an O 2 gas in a volume on the sensor substrate side or on the base side.
  • the reference volume can also be divided into more than two volumes.
  • a method for producing a sensor is provided.
  • a wafer-shaped sensor layer is provided.
  • a membrane layer is then deposited on the sensor layer.
  • Further intermediate layers are possible here to increase the connection quality and / or to reduce heat transfer between the membrane layer and the sensor layer, as well as the provision of a mechanically stable support structure for the heating elements.
  • cutouts are made in the membrane layer by removing material.
  • analysis heating elements and reference heating elements in the form of metal coatings on the Membrane layer applied and structured by a suitable method. Then at least one coating is applied to protect the analysis heating elements and reference heating elements and the membrane layer.
  • a coating on the base side can be deposited in an intermediate step before the membrane layer is applied.
  • a closed or apertured cap layer is then arranged on the membrane layer or on the coating of the membrane layer.
  • the membrane layer is exposed by removing material from the sensor layer in order to form the reference volume and the measurement volume. This step can preferably be carried out on the rear or on the base.
  • a closed or at least regionally open base layer is arranged on the back of the sensor layer.
  • the base layer can be opened or exposed in certain areas.
  • This step forms a wafer arrangement with a plurality of interconnected sensors. A large number of individual sensors can be produced by means of a separation process.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of a sensor according to a first embodiment with an opened reference volume
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of a sensor according to a second embodiment with a closed reference volume
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration of a sensor according to a third embodiment with two reference volumes separated from one another
  • 4 shows a schematic sectional illustration of a sensor according to a fourth embodiment with a laterally running fluid channel
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of a sensor according to a fifth embodiment with a measurement volume that is open on both sides
  • FIG. 13 shows a plan view of the electrical conductor tracks of the sensor according to a second exemplary embodiment with connected evaluation electronics.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of a sensor 1 according to a first embodiment with an open reference volume 2.
  • the sensor 1 has a measurement volume 4.
  • a reference membrane 6 is arranged in the reference volume 2.
  • the measuring volume 4 has a measuring membrane 8.
  • the reference volume 2 and the measurement volume 4 are divided up in areas by the reference membrane 6 and the measurement membrane 8, as well as by the cap sub-start 18 and base substrate 20.
  • the electrically conductive structures 10 are designed here as reference heating elements 12 for heating at least one reference fluid and as analysis heating elements 14 for heating an analysis fluid, which are shown in FIG. 12 and FIG.
  • the reference heating elements 12 and the analysis heating elements 14 serve at the same time for heating and for measuring resistance changes or resistance differences.
  • the reference volume 2 and the measurement volume 4 are introduced into a sensor substrate 16 in the form of cavities and extend into a cap substrate 18.
  • a base substrate 20 is arranged on the sensor substrate 16 on a side opposite the cap substrate 18.
  • the cap substrate 18 is spaced apart from the sensor substrate 16 in the vertical direction V by the membranes 6, 8.
  • the substrates 16, 18, 20 are flat and enclose the reference volume 2 and the measurement volume 4 at least in some areas.
  • the reference volume 2 is closed on the base side by the base substrate 20.
  • the measurement volume 4 is closed on the cap side by the cap substrate 18.
  • Fluid channels 24, which serve to supply an analysis fluid into the measurement volume 4 are introduced into the base substrate 20.
  • the arrow 26 illustrates the inflow of the analysis fluid.
  • the measuring membrane 8 and the reference membrane 6 have a coating 28 which covers the electrically conductive structures 10 on the cap side and thus protects them.
  • the coating 28 can consist of a nitride, for example.
  • each membrane 6, 8 has at least one recess 30 through which a fluid can pass the membrane 6, 8 without mechanical stress.
  • the measurement volume 4 is closed in the region of the cap substrate 18.
  • the reference volume 2 is provided with an opening 22 through which the reference volume 2 can carry out a gas exchange with an environment U.
  • An analysis gas such as H2, for example, can flow through the fluid channels 24 into the measurement volume 4 through the measurement volume 4 closed on the cap side and remain there at least temporarily.
  • the analysis gas can also contain water vapor or air with atmospheric humidity.
  • the analysis fluid can be in liquid form or consist of a liquid. It can also be the concentration of any other thermally conductive gas, such as. 02, C02, He, humid air and the like can be measured.
  • the Reference volume 2 is open to a housing (not shown) or electronics and is exposed to environmental influences.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of a sensor 1 according to a second embodiment with a closed reference volume 2.
  • the reference volume 2 is filled with a reference gas which is not exchanged with an environment U.
  • a closed reference volume 2 enables fluctuations in the ambient air, such as changes in humidity or influences from interfering gases from the environment, to be avoided.
  • the reference volume 2 can be flooded beforehand with a suitable reference fluid, for example when the base substrate 20 or the cap substrate 18 is attached, for example in the case of a bond with glass frit 32.
  • a reference fluid can be, for example, synthetic air, N2, O2, CO2, methane and the like.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a sensor 1 according to a third embodiment with two separate reference volumes 2, 3.
  • the reference membrane 6 is closed or designed without a recess 30, whereby different fluids in the vertical direction V above and below the reference membrane 6 can be brought in.
  • different gases can be introduced into the reference volumes 2, 3 which cannot be mixed with one another and a reduction enable a variable field.
  • 2 H2 gas can be passed into a first cap-side reference volume 3 O2 gas and into a second base-side reference volume 3 O2 gas. It is also possible to create additional gas-filled reference caverns.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional illustration of a sensor 1 according to a fourth embodiment with a laterally running fluid channel 24.
  • the fluid channel does not extend in the vertical direction V through the base substrate 20, but laterally or transversely to the vertical direction V along a boundary between the base substrate 20 and the sensor substrate 16 up to the measurement volume 4.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of a sensor 1 according to a fifth embodiment with a measurement volume 4 that is open on both sides.
  • an analysis fluid can be supplied on the cap side and on the base side.
  • Fluid channels 23 are provided which extend through the cap substrate 18 into the measurement volume 4.
  • fluid channels 24 are also arranged in the base substrate 20, through which the analysis fluid can get into the measurement volume 4. Such an arrangement allows the analysis fluid to flow continuously through the measurement volume 4.
  • FIGS. 6 to 11 show details from a wafer-shaped arrangement, which is separated into a plurality of sensors 1 in a last step. The separation step is not described or illustrated in more detail here.
  • FIG. 6 shows a step in which a wafer-shaped sensor layer 34 is provided.
  • the sensor layer 34 can be coated with a dielectric 36, for example.
  • the dielectric can be designed as a first membrane layer.
  • the electrically conductive structures 10 are applied to the dielectric 36.
  • This step can for example be done by sputtering platinum or another metal. Structuring can then be carried out using a lithographic process in combination with an etching process.
  • analysis heating elements 14 and reference heating elements 12 can be applied to the membrane layer 36 in the form of metal coatings
  • recesses 30 can be introduced into the electrically conductive structures 10 and the membrane layer 36.
  • a coating 28 is deposited which serves as protection for the electrically conductive structures 10.
  • the recesses 30 can also be made in the electrically conductive structures 10 after the coating 28 has been applied or through the coating 28.
  • the coating 28 can consist of an oxide or a nitride or both.
  • pressure compensation openings or recesses 30 can be formed.
  • the recesses 30 can be introduced into the membrane layer 36, the coating 28 and the electrically conductive structures 10, for example, by a gas phase etching process or by a plasma etching process.
  • FIG. 8 shows a further step in which a closed cap layer 38 or a cap layer 38 provided with openings 22, 23 is arranged on the coating 28 of the membrane layer 36.
  • a closed cap layer 38 or a cap layer 38 provided with openings 22, 23 is arranged on the coating 28 of the membrane layer 36.
  • glass frit 32 By applying glass frit 32, the adhesion between the cap layer 38 and the coating 28 can be made possible.
  • the cap layer 38 can already have caverns, which are necessary for the formation of electrical connections 11, reference volume 2 and measurement volume 4.
  • an adhesion promoter layer 35 is applied to the sensor substrate 34 in order to improve the joining process of the base substrate 34.
  • This adhesion promoter layer 35 can for example consist of an oxide and / or a combination of oxide, nitride or metal oxides. Depending on the configuration of the sensor 1, this adhesion promoter layer 35 can also be structured.
  • a further step for producing the sensor 1 is shown in FIG.
  • the membrane layer 36 is exposed to form reference volume 2 and measurement volume 4 by removing material from the sensor layer.
  • the material can be removed in one or more steps. For example, the material can be removed by grinding or thinning over the entire surface and / or by an etching process.
  • the membrane layer 36 can be exposed on the base side, for example, by means of a trench etching process.
  • a closed or at least regionally opened base layer 40 is then arranged on sensor layer 34. This step is illustrated in FIG. The introduction of fluid channels 24 into the base layer 40 is shown in FIG. 11, the cap layer 38 and the base layer 40 being ground to a final dimension.
  • a plurality of sensors 1 is formed by a separation process.
  • openings 22, 23 can also be formed in the cap layer 38. Furthermore, it is possible to introduce the openings 22, 23 in the cap layer 38 through the cutouts 30.
  • the process makes it possible to control the depths of all caverns or volumes 2, 4 in the micrometer range.
  • the heat transfer can thus be controlled through a specifically shallow or particularly deep cavity in the cap substrate 18 or sensor substrate 16 and through the shape of the volumes 2, 4.
  • the shape of the volumes 2, 4 can be designed symmetrically or asymmetrically.
  • depths in the range from 6 pm to 600 pm can be generated.
  • FIG. 12 shows a plan view of the electrically conductive structures 10, which are designed as electrical conductor tracks of the sensor 1.
  • the electrically conductive structures 10 here form a cost-efficient one Wiring form, since these only have one conductor track crossing 42 on the sensor 1.
  • the reference heating elements 12 and the analysis heating elements 14 serve at the same time for heating and for measuring resistance changes or resistance differences.
  • Two resistors R1-R4 are each formed by the electrically conductive structures 10 on the reference diaphragm 6 and the measuring diaphragm 8. These resistors R1-R4 are connected to one another in the form of a Wheatstone bridge circuit. The resistors R1 and R4 are located on the measuring membrane 8 and the resistors R2 and R3 are located on the reference membrane 6.
  • a difference in mid-voltage taps between the resistors R1 and R3 or between R2 and R4 is sensitive to changes in the resistance values and can therefore be used as a measurement signal.
  • the resistors R1-R4 serve both as heating and measuring elements. A design in which the heating and measuring elements are separated is also possible.
  • the membranes 6, 8 or the corresponding volumes 2, 4 are made the same size and have a square cross-section.
  • FIG. 13 shows a top view of the electrically conductive structures 10 of the sensor 1 according to a second exemplary embodiment with connected evaluation electronics 44.
  • no conductor track intersection 42 is provided on the sensor 1 here.
  • the formation of conductor track crossings 42 for realizing a Wheatstone bridge circuit is shifted to the evaluation electronics 44.
  • the bond pads or the electrical connections 11 can be attached to another edge of the sensor 1. For example, the electrical connections 11 be rotated by 90 ° in order to simplify or optimize a later installation of the sensor.
  • the reference volume 2 is designed to be larger than the measurement volume 4. This is illustrated by the reference diaphragm 6, which is larger than the measuring diaphragm 8.
  • additional measuring or heating resistors can be provided in order, for example, to measure the ambient temperature or to thermally condition the sensor 1 uniformly or constantly.

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Abstract

Offenbart ist ein Sensor (1) zum Messen einer Konzentration eines Analysefluids basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip, mit mindestens einem auf einer Messmembran (8) angeordneten Analyseheizelement (14) zum Erwärmen des Analysefluids, mit einem auf einer Referenzmembran (6) angeordneten Referenzheizelement (12) zum Erwärmen mindestens eines Referenzgases, wobei die Messmembran (8) und die Referenzmembran (6) zueinander benachbart zwischen einem Sensorsubstrat (16) und einem Kappensubstrat (18) angeordnet sind, wobei die Messmembran (8) in einem Messvolumen (4) und die Referenzmembran (6) in einem Referenzvolumen (2) angeordnet sind, wobei die Messmembran (8) und die Referenzmembran (6) jeweils mindestens eine Beschichtung (28) aufweisen, wobei die Messmembran (8) durch mindestens eine Aussparung (30) geöffnet ist. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors offenbart.

Description

Beschreibung
Titel SENSOR MIT DURCH AUSSPARUNG GEÖFFNETER MEMBRAN ZUR KONZENTRATIONSMESSUNG EINES ANALYSEFLUIDS
Die Erfindung betrifft ein Sensor zum Messen einer Konzentration eines Analysefluids basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip, mit mindestens einem auf einer Messmembran angeordneten Analyseheizelement zum Erwärmen des Analysefluids, mit einem auf einer Referenzmembran angeordneten Referenzheizelement zum Erwärmen mindestens eines Referenzgases. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Sensors.
Stand der Technik
Bei Gassensoren, die nach resistiven Messprinzipien arbeiten, beeinflusst das zu messende Gas oder Gasgemisch direkt die Leitfähigkeit eines gasempfindlichen Sensorelementes. Diese Widerstandsänderung dient als Messgröße für eine Konzentration des Gases oder Gasgemisches. Das gasempfindliche Sensorelement kann hierbei eine Sensorschicht oder ein Heizelement sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Heizelemente in Form von Platinheizern auf einer Membran angeordnet sein. Die Erwärmung der Heizelemente und oder Sensorelemente hängt dabei von der thermischen Leitfähigkeit des umgebenden Gases bzw. Gasgemisches ab. Diese Heizelemente können mit konstantem Strom oder mit konstanter Leistung betrieben werden und wärmer als eine Umgebungstemperatur sein.
Es kann beispielsweise zur Messung einer Wasserstoffkonzentration die bessere thermische Leitfähigkeit von Wasserstoff von 1810pW/cmK gegenüber der thermischen Leitfähigkeit von Luft von 260pW/cmK ausgenutzt werden. Befindet sich in der Umgebung des Heizelementes Wasserstoff, so sinkt auf Grund der höheren thermischen Leitfähigkeit des Wasserstoffs und damit einhergehend einer größeren Wärmeableitung, die Temperatur des Heizelementes und somit reduziert sich dessen Widerstand. Diese Widerstandsänderung bzw. die zusätzliche Heizleistung, die aufgebracht werden muss, um das Heizelement auf konstanter Temperatur zu halten, ist proportional zur Konzentration des Wasserstoffs. Da die thermische Wärmeleitfähigkeit von der Umgebungstemperatur abhängt, kann beispielsweise mittels eines weiteren Temperatursensors die Umgebungstemperatur gemessen werden.
Problematisch ist jedoch der Einsatz derartiger Sensoren bei höheren Drücken des Analysegases, wie beispielsweise bei mehr als 500 mbar Überdruck, da die Messmembran sich verformen und brechen kann.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, einen Sensor vorzuschlagen, welcher bei einer hohen Luftfeuchtigkeit und bei einem hohen Druck zuverlässig betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Sensor zum Messen einer Konzentration eines Analysefluids basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip bereitgestellt. Der Sensor weist mindestens ein auf einer Messmembran angeordnetes Analyseheizelement zum Erwärmen des Analysefluids und mindestens ein auf einer Referenzmembran angeordnetes Referenzheizelement zum Erwärmen mindestens eines Referenzgases auf.
Die Messmembran und die Referenzmembran sind zueinander benachbart zwischen einem Sensorsubstrat und einem Kappensubstrat angeordnet, wobei die Messmembran in einem Messvolumen und die Referenzmembran in einem Referenzvolumen angeordnet sind. Die Messmembran und die Referenzmembran weisen jeweils mindestens eine Beschichtung auf, wobei die Messmembran durch mindestens eine Aussparung geöffnet ist. Vorzugsweise kann die Beschichtung die Membran zumindest bereichsweise bedecken und somit schützen. Insbesondere kann die Beschichtung die elektrischen Leitungen, wie beispielsweise die auf den Membranen angeordneten Heizelemente und/oder Messelemente, überdecken und somit die elektrisch leitfähige Bedampfung vor Korrosion, Oxidation und Alterungsprozessen schützen.
Der Sensor kann beispielsweise aus drei übereinander gestapelten und durch Glasfrit oder alternativ über einen anodischen Bond oder wahlweise durch eine Klebung verbundenen waferförmigen Schichten bestehen. Die waferförmigen Schichten können ein Kappensubstrat, ein Sensorsubstrat und ein Sockelsubstrat umfassen. Darüber hinaus kann der Sensor auch weitere Schichten aufweisen, wobei das Kappensubstrat bzw. die waferförmige Kappenschicht optional ist. In dem Sensor ist eine Referenzkaverne bzw. ein Referenzvolumen sowie eine Messkaverne bzw. Messvolumen ausgebildet. Bei der Herstellung des Sensors kann eine Vielzahl von derartigen Sensorabschnitten hergestellt und durch einen Separationsschritt in eine Vielzahl von Sensoren unterteilt werden.
Die Messmembran ist vorzugsweise in dem Messvolumen und die Referenzmembran in dem Referenzvolumen angeordnet. In jede Membran sind zum Durchführen von Konzentrationsmessungen Heizelemente integriert.
Die Messvolumen und die Referenzvolumen sind vorzugsweise voneinander separiert, sodass ein Austausch von Fluiden oder von Feuchtigkeit unterbunden wird. Hierdurch kann der Sensor gleichzeitig als eine Barriere gegenüber unerwünschten Medien fungieren. Ein derartiges unerwünschtes Medium kann beispielsweise feuchte Luft aus Abgasen eines Brennstoffzellenfahrzeugs sein.
Ändert sich beispielsweise ein Wärmestrom eines Analyseheizelements durch ein zugeführtes Analysefluid kann zwischen dem Analyseheizelement und dem Referenzheizelement ein Differenzsignal ermittelt werden. Das Analysefluid kann in einer gasförmigen oder flüssigen Form vorliegen. Durch die Beschichtung können das Analyseheizelement und das Referenzheizelement vor einem direkten Kontakt des Analysefluids geschützt und somit die Lebensdauer des Sensors verlängert werden.
Da die Messmembran mindestens eine Aussparung aufweist, ist diese offen ausgeführt. Durch diese Maßnahme kann eine Erhöhung der Empfindlichkeit auf Messgrößen bzw. eine Erhöhung der Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen bewirkt werden. Insbesondere kann durch die Aussparung das Problem der Verformung der Messmembran bei von außen angelegten, sich vom Umgebungsdruck unterscheidenden Drücken, beseitigt werden. Derartige Umgebungsdrücke können beispielsweise 500 mbar in einem Schalldämpfer eines Abgasrohrs betragen. Des Weiteren können aufgrund der offen ausgestalteten Messmembran neue Anwendungsbereiche für den Sensor bereitgestellt werden, welche höhere Drücke von über 2 bar aufweisen.
Hierdurch kann der Sensor auch in einem Brennstoffzellenfahrzeug, beispielsweise in einen Anodenpfad bei höherem Druck, eingesetzt werden. Des Weiteren kann der Sensor beispielsweise dazu verwendet werden, feuchtes Abgas oder H2 im Abgas eines Brennstoffzellenfahrzeugs oder in unmittelbarer Nähe der Anode sowie Kathode im Zellenstack zu untersuchen. Der Einsatz einer offenen und beschichteten Messmembran ermöglicht somit eine hohe Druckstabilität und die Untersuchung von feuchten oder korrosiven Fluiden.
Eine geöffnete Membran ist dahingehend zu deuten, dass mindestens ein Loch, eine Aussparung und dergleichen in der Membran angeordnet ist, und somit ein Fluidaustausch zwischen beiden Membranflächen möglich ist. Entsprechend kann bei einem geöffneten Volumen ein Fluidaustausch mit einer Umgebung oder einem beliebigen Reservoir erfolgen.
Durch den Einsatz einer dünnen, beispielsweise nitridischen, Schutzschicht auf der Vorderseite und/oder Rückseite der Messmembran, kann eine Schädigung der Membran durch hohe Feuchte oder eine Veränderung bzw. Alterung des eingebetteten Heizelements/Heizwiderstands durch Einlagerung von Feuchte in darüber liegenden Schichten verhindert werden. Die Beschichtung kann in folgenden Herstellungsprozessen entweder für einen Glasfrit-Bond entfernt oder mit einer dünnen Oxidschicht versehen werden. Das Analyseheizelement und das Referenzheizelement zur Konzentrationsmessung können als kombinierte Heiz-/Sensorelemente ausgeführt sein. Alternativ können neben Analyseheizelementen auch Analysemesselemente und neben den Referenzheizelementen Referenzmesselemente vorgesehen sein.
Die Öffnung bzw. Aussparung der Messmembran und/oder der Referenzmembran kann durch ein oder mehrere Löcher, beispielsweise mittels Nassätzverfahren oder Plasmaätzverfahren, hergestellt werden. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit auf das Analysefluid kann hierbei durch eine beidseitige Umspülung der Messmembran durch das Analysefluid zurückgeführt werden. Darüber hinaus dient die Aussparung in der Messmembran einer Entkopplung der Messmembran vom Umgebungsdruck. Je nach Ausgestaltung des Sensors kann das Kappensubstrat das Messvolumen verschließen, um das Messvolumen vom Referenzvolumen zu trennen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind das mindestens eine Analyseheizelement und das mindestens eine Referenzheizelement mit einer sensorexternen oder sensorinternen Auswerteelektronik zum Messen einer durch das Analysefluid verursachten Widerstandsänderung des Analyseheizelementes relativ zu einem elektrischen Widerstand des Referenzheizelementes verbindbar. Durch diese Maßnahme kann die Anzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen und Heizelementen auf dem Sensor minimiert werden. Insbesondere können Leiterbahnkreuzungen auf dem Sensor vermieden oder minimiert werden. Die notwendigen Leiterbahnkreuzungen können in der Auswerteschaltung bzw. der Auswerteelektronik durchgeführt werden, welche die dafür benötigten Ebenen üblicherweise enthält.
Die Auswerteelektronik kann als eine komplexe Schaltungstechnik, wie beispielsweise eine ASIC oder ein pKontroller, ausgeführt sein. Hierdurch ist es möglich die Leiterbahnen auf dem Messchip bzw. dem Sensor symmetrisch zu gestalten, wodurch Herstellungstoleranzen verringert werden. Darüber hinaus können durch eine verringerte Anzahl an Leiterbahnen auf dem Sensor Belichtungsmasken und Prozessschritte auf dem Sensor eingespart werden. Nach einerweiteren Ausführungsform ist die Beschichtung als eine einseitige, oder beidseitige Beschichtung ausgestaltet. Die Beschichtung kann somit die gesamte Messmembran umspannen. Insbesondere kann die Beschichtung auch die mindestens eine in die Messmembran eingebrachte Aussparung umfassen, sodass die Messmembran vollständig geschützt wird. Hierdurch kann eine Schädigung der Messmembran durch hohe Feuchte oder eine Veränderung oder Alterung des eingebetteten Heizelements bzw. Heizwiderstands durch Einlagerung von Feuchte in darüber liegenden Schichten verhindern werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Referenzvolumen vorderseitig und/oder rückseitig geöffnet oder das Referenzvolumen ist als ein geschlossenes Volumen ausgeführt. Bevorzugterweise ist die Referenzmembran als eine geschlossene oder als eine offene bzw. mit einer oder mehrerer Aussparungen versehene Membran geformt. Durch diese Maßnahme kann die Referenzmembran an unterschiedliche Anwendungsbereiche angepasst werden.
Nach einerweiteren Ausführungsform weist das Messvolumen mindestens einen vorderseitig, rückseitig und/oder seitlich angeschlossenen Fluidkanal auf, wobei der Fluidkanal in ein Kappensubstrat, ein Sockelsubstrat und/oder in das Sensorsubstrat eingebracht ist. Hierdurch kann das Analysefluid auf unterschiedlichen Wegen durch den Fluidkanal in das Messvolumen geführt werden. Insbesondere kann der Fluidkanal derart geformt sein, dass eine besonders schnelle oder kosteneffiziente Herstellung des Sensors ermöglicht wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung mindestens ein Nitrid, Silizium, Oxid, Kunststoff und/oder Keramik auf. Die Messmembran kann beispielsweise als Oxid-Nitrid-Oxid Membran ausgeführt sein, alternativ oder zusätzlich kann die Messmembran auch als eine Oxid-Membran ausgestaltet sein. Die aufgelisteten Stoffe können hierbei einzeln oder als Kombination eingesetzt werden. Des Weiteren sind als Beschichtungen dünne Siliziumschichten, oxidische, nitridische oder gemischte Schichten verwendbar. Als weitere alternative oder zusätzliche Materialien für die Beschichtung sind auch dünne Kunststofffolien oder Kunststoffbeschichtungen oder keramische Materialien möglich. Nach einerweiteren Ausführungsform weist das Messvolumen und die Messmembran und/oder das Referenzvolumen und die Referenzmembran einen rechteckigen, quadratischen oder kreisförmigen Querschnitt auf. Durch diese Maßnahme können das Messvolumen und das Referenzvolumen durch unterschiedliche Herstellungsverfahren ausgebildet werden. Insbesondere kann eine Anpassung der Form des Referenzvolumens und des Messvolumens an eine äußere Abmessung des Sensors erfolgen. Die Messmembran kann hierbei eine dem Querschnitt des Messvolumens korrespondierende Form aufweisen.
Die Referenzmembran kann ebenfalls eine dem Querschnitt des Referenzvolumens korrespondierende Form aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind das Messvolumen und das Referenzvolumen gleich groß oder unterschiedlich groß dimensioniert. Wird das Referenzvolumen mit anderen Gasen oder Drücken befüllt als das Messvolumen, ist es für ein hohe Genauigkeit vorteilhaft die thermische Leitfähigkeit anzugleichen. Beispielsweise können das Referenzvolumen und das Messvolumen derart relativ zueinander dimensioniert werden, dass das Messvolumen bei 0% H2-Gehalt die gleiche thermische Leitfähigkeit aufweist wie das Referenzvolumen. Dadurch beträgt eine Differenzbrückenspannung bzw. das Messsignal im Wesentlichen 0 V oder ein anderes festgelegtes Offset, wodurch die Auswerteelektronik erst bei einem signifikanten H2-Gehalt ein Signal detektiert. Die Dimension des Messvolumens und des Referenzvolumens kann durch eine Höhe der jeweiligen Volumen und/oder durch unterschiedlich große Kavernengrößen eingestellt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor mindestens zwei Analyseheizelemente und mindestens zwei Referenzheizelemente auf, wobei die Analyseheizelemente und Referenzheizelemente als Heizelemente und/oder Messelemente für eine Widerstandsänderung verwendbar sind. Auf der Referenzmembran und der Messmembran können vorzugsweise jeweils mindestens zwei Widerstände angeordnet sein. Diese Widerstände sind in Form einer Wheatstone’ sehen Brückenschaltung miteinander verbunden. Hierbei können zwei Referenzheizelemente und zwei Analyseheizelemente gleichzeitig als Messwiderstände fungieren. Für die Brückenschaltung können ein erster und ein vierter Messwiderstand auf der Messmembran und ein zweiter und ein dritter Messwiderstand auf der Referenzmembran angeordnet sein. Im Bereich der Mittenspannungsabgriffe zwischen dem ersten und dem dritten Messwiderstand bzw. zwischen dem zweiten und dem vierten Messwiderstand ist eine besonders sensitive Messungen von Änderungen der Widerstandswerte möglich. An diesen Positionen kann das Messsignal bereitgestellt werden. Die Messwiderstände können sowohl als Heizelemente als auch als Messelemente dienen. Eine Ausführung, in welcher die Heizelemente und die Messelemente getrennt sind, ist ebenfalls möglich.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel trennt die geschlossene Referenzmembran ein in das Kappensubstrat eingebrachtes erstes Referenzvolumen von einem in das Sensorsubstrat eingebrachten zweiten Referenzvolumen, wobei das erste Referenzvolumen und das zweite Referenzvolumen mit einem gleichen Fluid oder mit unterschiedlichen Fluiden gefüllt sind. Durch diese Maßnahme können unterschiedliche miteinander nicht vermischbare Fluide in Form von mehreren Referenzvolumen mit der Referenzmembran verbunden werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Verringerung des Variablenfeldes, beispielsweise durch ein H2-Gas in einem kappenseitigen Volumen und ein 02-Gas in einem sensorsubstratseitigen oder sockelseitigen Volumen realisiert werden. Das Referenzvolumen kann darüber hinaus auch in mehr als zwei Volumen aufgeteilt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors bereitgestellt. In einem Schritt wird eine waferförmige Sensorschicht bereitgestellt. Anschließend wird eine Membranschicht auf die Sensorschicht abgeschieden. Es sind hier weitere Zwischenschichten zur Erhöhung der Verbindungsqualität und/oder zum Reduzieren eines Wärmetransfers zwischen der Membranschicht und der Sensorschicht möglich, sowie der Bereitstellung einer mechanisch stabilen Stützstruktur für die Heizelemente.
In einem weiteren Schritt werden Aussparungen durch Materialabtrag in die Membranschicht eingebracht. Es werden darüber hinaus Analyseheizelemente und Referenzheizelemente in Form von Metallbeschichtungen auf die Membranschicht aufgebracht und durch eine geeignete Methode strukturiert. Anschließend wird mindestens eine Beschichtung zum Schutz der Analyseheizelemente und Referenzheizelemente und der Membranschicht aufgebracht. Bei einer beidseitigen aufgebrachten Beschichtung kann vor einem Applizieren der Membranschicht in einem Zwischenschritt eine sockelseitige Beschichtung abgeschieden werden.
Anschließend wird eine geschlossene oder mit Öffnungen versehene Kappenschicht auf der Membranschicht oder auf der Beschichtung der Membranschicht angeordnet. Die Membranschicht wird zum Ausbilden von Referenzvolumen und Messvolumen durch Materialabtrag der Sensorschicht freigelegt. Vorzugsweise kann dieser Schritt rückseitig bzw. sockelseitig durchgeführt werden.
In einem weiteren Schritt wird auf der Sensorschicht rückseitig eine geschlossene oder zumindest bereichsweise geöffnete Sockelschicht angeordnet. Die Sockelschicht kann nach dem Verbindungsschritt mit der Sensorschicht geöffnet oder bereichsweise freigelegt werden. Durch diesen Schritt wird eine Waferanordnung mit einer Vielzahl von miteinander verbundenen Sensoren ausgebildet. Durch einen Separierungsvorgang kann eine Vielzahl von einzelnen Sensoren hergestellt werden.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem geöffneten Referenzvolumen,
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einem geschlossenen Referenzvolumen,
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform mit zwei voneinander getrennten Referenzvolumen, Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer vierten Ausführungsform mit einem seitlich verlaufenden Fluidkanal,
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer fünften Ausführungsform mit einem zweiseitig geöffneten Messvolumen,
Fig. 6-11 einen schematischen Ablauf zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen des Sensors,
Fig. 12 eine Draufsicht auf die elektrischen Leiterbahnen des Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
Fig. 13 eine Draufsicht auf die elektrischen Leiterbahnen des Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer verbundenen Auswertelektronik.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem geöffneten Referenzvolumen 2. Der Sensor 1 weist neben dem Referenzvolumen 2 ein Messvolumen 4 auf. In dem Referenzvolumen 2 ist eine Referenzmembran 6 angeordnet. Das Messvolumen 4 weist eine Messmembran 8 auf. Insbesondere wird das Referenzvolumen 2 und das Messvolumen 4 durch die Referenzmembran 6 und die Messmembran 8 bereichsweise aufgeteilt, sowie durch das Kappensubstart 18 und Sockelsubstrat 20.
Auf der Referenzmembran 6 und der Messmembran 8 sind elektrisch leitfähige Strukturen 10 eingebracht, welche durch elektrische Anschlüsse 11 bzw. Bond Pads elektrisch kontaktiert werden können. Die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 sind hier als Referenzheizelemente 12 zum Erwärmen von mindestens einem Referenzfluid und als Analyseheizelemente 14 zum Erwärmen eines Analysefluids ausgestaltet, welche in der Figur 12 und der Figur 13 dargestellt sind. Die Referenzheizelemente 12 und die Analyseheizelemente 14 dienen gleichzeitig zum Erwärmen und zum Messen von Widerstandsänderungen bzw. Widerstandsunterschieden. Das Referenzvolumen 2 und das Messvolumen 4 sind in ein Sensorsubstrat 16 in Form von Kavitäten hineingebracht und erstrecken sich bis in ein Kappensubstrat 18 hinein. An einer dem Kappensubstrat 18 entgegengesetzten Seite ist an dem Sensorsubstrat 16 ein Sockelsubstrat 20 angeordnet. Das Kappensubstrat 18 wird in vertikaler Richtung V durch die Membranen 6, 8 von dem Sensorsubstrat 16 beabstandet.
Die Substrate 16, 18, 20 sind flächig ausgedehnt und umschließen zumindest bereichsweise das Referenzvolumen 2 und das Messvolumen 4. Das Referenzvolumen 2 wird sockelseitig durch das Sockel Substrat 20 verschlossen. Das Messvolumen 4 ist kappenseitig durch das Kappensubstrat 18 verschlossen.
In das Sockelsubstrat 20 sind Fluidkanäle 24 eingebracht, welche zum Zuführen von einem Analysefluid in das Messvolumen 4 dienen. Der Pfeil 26 veranschaulicht den Zufluss des Analysefluids.
Die Messmembran 8 und die Referenzmembran 6 weisen eine Beschichtung 28 auf, welche die elektrisch leitenden Strukturen 10 kappenseitig bedeckt und diese somit schützt. Die Beschichtung 28 kann beispielsweise aus einem Nitrid bestehen. Des Weiteren weist jede Membran 6, 8 jeweils mindestens eine Aussparung 30 auf, durch welche ein Fluid die Membran 6, 8 ohne mechanische Beanspruchung passieren kann.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messvolumen 4 im Bereich des Kappensubstrats 18 verschlossen. Das Referenzvolumen 2 ist hierbei mit einer Öffnung 22 versehen, durch welche das Referenzvolumen 2 mit einer Umgebung U einen Gasaustausch vollführen kann.
Durch das kappenseitig geschlossene Messvolumen 4 kann ein Analysegas, wie beispielsweise H2 durch die Fluidkanäle 24 in das Messvolumen 4 strömen und dort zumindest temporär verbleiben. Das Analysegas kann auch Wasserdampf oder Luft mit einer Luftfeuchtigkeit enthalten. Alternativ kann das Analysefluid in flüssiger Form bzw. aus einer Flüssigkeit bestehen. Es kann auch die Konzentration von jedem anderen wärmeleitenden Gas, wie beispielsweise. 02, C02, He, feuchter Luft und dergleichen, gemessen werden. Das Referenzvolumen 2 ist zu einem nicht dargestellten Gehäuse bzw. einer Elektronik geöffnet und Umgebungseinflüssen ausgesetzt.
In der Figur 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einem geschlossenen Referenzvolumen 2 gezeigt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, ist das Referenzvolumen 2 mit einem Referenzgas gefüllt, welches keinen Austausch mit einer Umgebung U erfährt.
Durch ein geschlossenes Referenzvolumen 2 können Schwankungen in der Umgebungsluft wie beispielsweise Feuchteänderungen oder Einflüsse durch Störgase aus der Umgebung vermieden werden. Das Referenzvolumen 2 kann zuvor beispielsweise beim Anfügen des Sockel Substrats 20 oder des Kappensubstrats 18 bei zum Beispiel einem Bond mit Glasfrit 32 mit einem geeigneten Referenzfluid geflutet werden. Ein Referenzfluid kann beispielsweise synthetische Luft, N2, 02, C02, Methan und dergleichen sein.
Weitere Vorteile neben der Erweiterung des Anwendungsbereichs des Sensors 1 für Bereiche mit hohen Drücken und/oder Druckschwankungen liegen in einer vereinfachten Handhabung während der Herstellung. Bei typischen Halbleiterprozessen können sich Ablagerung oder Rückstände auf den Membranen 6, 8 bilden, welche beispielsweise aus Asche beim Lackstrippen, Reinigungslösungen oder Schlamm beim Sägen der Waferanordnungen bestehen. Ein geschlossenes Kappensubstrat 18 kann derartige Ablagerungen verhindern.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer dritten Ausführungsform mit zwei voneinander getrennten Referenzvolumen 2, 3. Hierzu ist die Referenzmembran 6 geschlossen bzw. ohne eine Aussparung 30 ausgestaltet, wodurch in vertikaler Richtung V oberhalb und unterhalb der Referenzmembran 6 unterschiedliche Fluide einbringbar sind.
Es können beispielsweise unterschiedliche Gase in die Referenzvolumen 2, 3 eingebracht werden, die miteinander nicht mischbar sind und eine Verringerung eines Variablenfeldes ermöglichen. Beispielsweise kann in ein erstes kappenseitiges Referenzvolumen 2 H2 Gas und in ein zweites sockelseitiges Referenzvolumen 3 O2 Gas hineingeleitet werden. Ebenfalls ist ein Anlegen weiterer gasgefüllter Referenzkavernen möglich.
In der Figur 4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer vierten Ausführungsform mit einem seitlich verlaufenden Fluidkanal 24 gezeigt. Der Fluidkanal erstreckt sich hierbei nicht in vertikaler Richtung V durch das Sockelsubstrat 20, sondern seitlich bzw. quer zur vertikalen Richtung V entlang einer Grenze zwischen dem Sockelsubstrat 20 und dem Sensorsubstrat 16 bis zum Messvolumen 4.
Die Figur 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer fünften Ausführungsform mit einem zweiseitig geöffneten Messvolumen 4. Hierbei ist eine Zuführung eines Analysefluids kappenseitig und sockelseitig möglich. Es sind Fluidkanäle 23 vorgesehen, welche sich durch das Kappensubstrat 18 bis in das Messvolumen 4 hinein erstrecken. Sockelseitig sind ebenfalls Fluidkanäle 24 in dem Sockelsubstrat 20 angeordnet, durch welche das Analysefluid in das Messvolumen 4 hineingelangen kann. Durch eine derartige Anordnung kann das Analysefluid durch das Messvolumen 4 kontinuierlich hindurchfließen.
In der Figur 6 bis Figur 11 ist ein schematischer Ablauf zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen des Sensors 1 dargestellt. Die Figuren 6 bis 11 zeigen Ausschnitte aus einer waferförmigen Anordnung, welche in einem letzten Schritt zu mehreren Sensoren 1 separiert wird. Der Separierungsschritt wird hierbei nicht näher beschrieben oder dargestellt.
In der Figur 6 ist ein Schritt dargestellt, bei dem eine waferförmige Sensorschicht 34 bereitgestellt wird. Die Sensorschicht 34 kann beispielsweise mit einem Dielektrikum 36 beschichtet sein. Das Dielektrikum kann als eine erste Membranschicht ausgestaltet sein.
In einem weiteren Schritt, welcher in der Figur 7 gezeigt ist, werden die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 auf das Dielektrikum 36 aufgebracht. Dieser Schritt kann beispielsweise durch Sputtern von Platin oder einem anderen Metall erfolgen. Danach kann eine Strukturierung durch ein lithographisches Verfahren in Kombination mit einem Ätzverfähren durchgeführt werden.
Durch das Applizieren von elektrisch leitfähigen Strukturen 10 können Analyseheizelemente 14 und Referenzheizelemente 12 in Form von Metallbeschichtungen auf die Membranschicht 36 aufgebracht werden
Anschließend können Aussparungen 30 in die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 und die Membranschicht 36 eingebracht werden. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Abscheiden einer Beschichtung 28, welche als Schutz für die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 dient. Alternativ oder zusätzlich können die Aussparungen 30 in die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 auch nach einem Aufbringen der Beschichtung 28 bzw. durch die Beschichtung 28 hindurch erfolgen.
Beispielsweise kann die Beschichtung 28 aus einem Oxid oder einem Nitrid oder beidem bestehen. In einem weiteren Schritt können Druckausgleichsöffnungen bzw. Aussparungen 30 ausgebildet werden. Die Aussparungen 30 können beispielsweise durch einen Gasphasen-Ätzprozess oder durch einen Plasma- Ätzprozess in die Membranschicht 36, die Beschichtung 28 und die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 eingebracht werden.
Die Figur 8 zeigt einen weiteren Schritt, bei dem eine geschlossene oder mit Öffnungen 22, 23 versehene Kappenschicht 38 auf der Beschichtung 28 der Membranschicht 36 angeordnet wird. Durch das Applizieren von Glasfrit 32 kann die Haftung zwischen der Kappenschicht 38 und der Beschichtung 28 ermöglicht werden. Die Kappenschicht 38 kann bereits Kavernen aufweisen, welche zum Ausbilden von elektrischen Anschlüssen 11, Referenzvolumen 2 und Messvolumen 4 notwendig sind.
Des Weiteren wird auf dem Sensorsubstrat 34 noch eine Haftvermittlerschicht 35 aufgebracht, um den Fügeprozess des Sockelsubstrats 34 zu verbessern. Diese Haftvermittlerschicht 35 kann beispielsweise aus einem Oxid und/oder aus einer Kombination aus Oxid, Nitrid oder Metalloxiden bestehen. Je nach Ausgestaltung des Sensors 1 kann diese Haftvermittlerschicht 35 ebenfalls strukturiert werden. In der Figur 9 ist ein weiterer Schritt zum Herstellen des Sensors 1 gezeigt. Die Membranschicht 36 wird zum Ausbilden von Referenzvolumen 2 und Messvolumen 4 durch Materialabtrag der Sensorschicht freigelegt. Der Materialabtrag kann hierbei durch einen oder mehrere Schritte erfolgen. Beispielsweise kann der Materialabtrag durch Schleifen bzw. ganzflächiges Abdünnen und/oder durch ein Ätzverfahren erfolgen. Das sockelseitige Freilegen der Membranschicht 36 kann beispielsweise durch ein Trench-Ätz-Verfahren erfolgen.
Anschließend wird auf der Sensorschicht 34 eine geschlossene oder zumindest bereichsweise geöffnete Sockelschicht 40 angeordnet. Dieser Schritt ist in der Figur 10 veranschaulicht. Das Einbringen von Fluidkanälen 24 in die Sockelschicht 40 ist in der Figur 11 gezeigt, wobei die Kappenschicht 38 und die Sockelschicht 40 auf ein Endmaß geschliffen werden.
Durch einen Separierungsvorgang wird eine Vielzahl von Sensoren 1 ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich zum Einbringen der Fluidkanäle 24 in die Sockelschicht 40 können auch Öffnungen 22, 23 in der Kappenschicht 38 ausgebildet werden. Des Weiteren ist ein Einbringen der Öffnungen 22, 23 in der Kappenschicht 38 durch die Aussparungen 30 möglich.
Durch das Verfahren sind Tiefen aller Kavernen bzw. Volumen 2, 4 im Mikrometerbereich kontrollierbar. Der Wärmeübertrag kann somit durch eine gezielt flache oder besonders tiefe Kaverne in dem Kappensubstrat 18 oder Sensorsubstrat 16 und durch die Form der Volumen 2, 4 gesteuert werden. Beispielsweise kann die Form der Volumen 2, 4 symmetrisch oder asymmetrisch ausgestaltet sein. Beispielsweise können Tiefen im Bereich von 6 pm - 600 pm erzeugt werden.
Die Figur 12 zeigt eine Draufsicht auf die elektrisch leitfähigen Strukturen 10, welche als elektrischen Leiterbahnen des Sensors 1 ausgeführt sind. Die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 bilden hierbei eine kosteneffiziente Verdrahtungsform dar, da diese nur eine Leiterbahnkreuzung 42 auf dem Sensor 1 aufweisen.
Die Referenzheizelemente 12 und die Analyseheizelemente 14 dienen gleichzeitig zum Erwärmen und zum Messen von Widerstandsänderungen bzw. Widerstandsunterschieden.
Auf der Referenzmembran 6 und der Messmembran 8 befinden sind jeweils zwei Widerstände R1-R4 durch die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 geformt. Diese Widerstände R1-R4 sind in Form einer Wheatstone’schen Brückenschaltung miteinander verbunden. Hierbei befinden sich die Widerstände R1 und R4 auf der Messmembran 8 und die Widerstände R2 und R3 auf der Referenzmembran 6.
Eine Differenz von Mittenspannungsabgriffen zwischen den Widerständen R1 und R3 bzw. zwischen R2 und R4 ist sensitiv auf Änderungen der Widerstandswerte und kann somit als Messsignal benutzt werden.
Die Widerstände R1-R4 dienen sowohl als Heiz-, als auch als Messelemente. Eine Ausführung, in der Heiz- und Messelemente getrennt sind, ist ebenfalls möglich.
In der in Figur 12 dargestellten Ausführungsform sind die Membranen 6, 8 bzw. die entsprechenden Volumen 2, 4 gleich groß ausgeführt und weisen einen quadratförmigen Querschnitt auf.
Die Figur 13 zeigt eine Draufsicht auf die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 des Sensors 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer verbundenen Auswertelektronik 44. Im Unterschied zum in Figur 12 gezeigten Ausführungsbeispiel, sind hier keine Leiterbahnkreuzung 42 auf dem Sensor 1 vorgesehen. Die Ausbildung von Leiterbahnkreuzung 42 zum Realisieren einer Wheatstone’schen Brückenschaltung wird auf die Auswerteelektronik 44 verlagert. Dabei können die Bondpads bzw. die elektrischen Anschlüsse 11 an einer anderen Kante des Sensors 1 angebracht sein. Beispielsweise können die elektrischen Anschlüsse 11 um 90° gedreht sein, um einen späteren Einbau des Sensors zu vereinfachen oder zu optimieren.
Des Weiteren ist das Referenzvolumen 2 größer als das Messvolumen 4 ausgestaltet. Dies wird durch die gegenüber der Messmembran 8 größer ausgeführte Referenzmembran 6 verdeutlicht.
Alternativ können noch zusätzliche Mess- oder Heizwiderstände vorgesehen sein, um beispielsweise die Umgebungstemperatur zu messen oder den Sensor 1 gleichmäßig bzw. konstant thermisch zu konditionieren.

Claims

Ansprüche
1. Sensor (1) zum Messen einer Konzentration eines Analysefluids basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip, mit mindestens einem auf einer Messmembran (8) angeordneten Analyseheizelement (14) zum Erwärmen des Analysefluids, mit einem auf einer Referenzmembran (6) angeordneten Referenzheizelement (12) zum Erwärmen mindestens eines Referenzfluids, wobei die Messmembran (8) und die Referenzmembran (6) zueinander benachbart zwischen einem Sensorsubstrat (16) und einem Kappensubstrat (18) angeordnet sind, wobei die Messmembran (8) in einem Messvolumen (4) und die Referenzmembran (6) in einem Referenzvolumen (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (8) und die Referenzmembran (6) jeweils mindestens eine Beschichtung (28) aufweisen, wobei mindestens eine Aussparung (30) in der Messmembran (8) angeordnet ist.
2. Sensor nach Anspruch 1 , wobei das mindestens eine Analyseheizelement (14) und das mindestens eine Referenzheizelement (12) mit einer sensorexternen oder sensorinternen Auswerteelektronik (44) zum Messen einer durch das Analysefluid verursachten Widerstandsänderung des Analyseheizelementes (14) relativ zu einem elektrischen Widerstand des Referenzheizelementes (12) verbindbar sind.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung (28) als eine einseitige oder beidseitige Beschichtung ausgestaltet ist.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das (2) Referenzvolumen vorderseitig und/oder rückseitig geöffnet ist oder das Referenzvolumen (2) als ein geschlossenes Volumen ausgeführt ist, wobei die Referenzmembran (6) als eine geschlossene oder mit einer Aussparung (30) versehene Membran geformt ist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Messvolumen (4) mindestens einen vorderseitig, rückseitig und/oder seitlich angeschlossenen Fluidkanal (23, 24) aufweist, wobei der Fluidkanal (23, 24) in ein Kappensubstrat (18), ein Sockelsubstrat (20) und/oder in das Sensorsubstrat (16) eingebracht ist.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beschichtung (28) mindestens ein Nitrid, Silizium, Oxid, Kunststoff und/oder Keramik aufweist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Messvolumen (4) und die Messmembran (8) und/oder das Referenzvolumen (2) und die Referenzmembran (6) einen rechteckigen, quadratischen, ovalen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Messvolumen (4) und das Referenzvolumen (2) gleich groß oder unterschiedlich groß dimensioniert sind.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Sensor (1) mindestens zwei Analyseheizelemente (14, R1, R4) und mindestens zwei Referenzheizelemente (12, R2, R3) aufweist, wobei die Analyseheizelemente (14) und Referenzheizelemente (12) als Heizelemente und/oder Messelemente für eine Widerstandsänderung verwendbar sind.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die geschlossene Referenzmembran (6) ein in das Kappensubstrat (18) eingebrachte erste Referenzvolumen (2) von einem in das Sensorsubstrat (16) eingebrachten zweiten Referenzvolumen (3) trennt, wobei das erste Referenzvolumen (2) und das zweite Referenzvolumen (3) mit einem gleichen Fluid oder mit unterschiedlichen Fluiden gefüllt sind.
11. Verfahren zum Herstellen eines Sensors (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine waferförmige Sensorschicht (34) bereitgestellt wird, eine Membranschicht (36) auf der Sensorschicht (34) abgeschieden wird, - Analyseheizelemente (14) und Referenzheizelemente (12) in Form von elektrisch leitfähigen Strukturen (10) auf die Membranschicht (36) aufgebracht werden, mindestens eine Beschichtung (28) als Schutz der elektrisch leitfähigen Strukturen (10) abgeschieden wird,
- Aussparungen (30) durch Materialabtrag in die Membranschicht (36) eingebracht werden, eine geschlossene oder mit Öffnungen (22, 23) versehene Kappenschicht (38) auf der Membranschicht (36) oder auf der Beschichtung (32) der Membranschicht (36) angeordnet wird, die Membranschicht (36) zum Ausbilden von Referenzvolumen (2) und Messvolumen (4) durch Materialabtrag der Sensorschicht (34) freigelegt wird, auf der Sensorschicht (34) eine geschlossene oder zumindest bereichsweise geöffnetes Sockelschicht (40) angeordnet wird, eine Separierungsvorgang unter Ausbildung von einer Vielzahl von Sensoren (1) durchgeführt wird.
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