WO2022049056A1 - Sensorelement und verfahren zur herstellung eines sensorelements - Google Patents

Sensorelement und verfahren zur herstellung eines sensorelements Download PDF

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WO2022049056A1
WO2022049056A1 PCT/EP2021/073974 EP2021073974W WO2022049056A1 WO 2022049056 A1 WO2022049056 A1 WO 2022049056A1 EP 2021073974 W EP2021073974 W EP 2021073974W WO 2022049056 A1 WO2022049056 A1 WO 2022049056A1
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sensor element
carrier
electrodes
functional layer
layer
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PCT/EP2021/073974
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French (fr)
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Anke Weidenfelder
Jan Ihle
Bernhard Ostrick
Jeffrey Krotosky
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Tdk Electronics Ag
Tronics MEMS, Inc.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G—PHYSICS
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    • G01K7/20—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit
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    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K2007/163—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements provided with specially adapted connectors

Definitions

  • the present invention relates to a sensor element, in particular a temperature sensor.
  • the present invention also relates to a method for producing a sensor element, preferably a temperature sensor.
  • temperatures for monitoring and control in a wide variety of applications are measured primarily with ceramic thermistor elements (NTC), silicon temperature sensors (KTY), platinum temperature sensors (PRTD) or thermocouples (TC). Due to the low production costs, the NTC thermistors are the most widespread. Another advantage compared to thermocouples and metallic resistance elements, such. B. Pt elements consists of the pronounced negative resistance-temperature characteristic.
  • NTC ceramic thermistor elements
  • KTY silicon temperature sensors
  • PRTD platinum temperature sensors
  • TC thermocouples
  • TC thermocouples
  • B. Pt elements consists of the pronounced negative resistance-temperature characteristic.
  • SMD surface mounted device
  • NTC temperature sensors are used, which are soldered on.
  • NTC chips are also used as an alternative, which are attached to the underside using Ag sinter paste, soldering or gluing are mounted and the top is contacted via a bonding wire.
  • the object of the present invention is to describe a sensor element and a method for producing a sensor element which solve the above problems.
  • a sensor element is described.
  • the sensor element 1 is suitable for measuring a temperature.
  • the sensor element is a temperature sensor.
  • the sensor element has at least one carrier.
  • the sensor element preferably has exactly one carrier.
  • the carrier has a carrier material, preferably silicon, silicon carbide or glass (silicate or borosilicate glass).
  • the carrier material can also contain AlN or Al2O3.
  • the carrier has a top and a bottom.
  • the upper side is designed to be electrically insulating.
  • An insulating layer for example SiO 2 or SisN 4 , is preferably formed on the upper side of the carrier.
  • the insulating layer is formed directly on the upper side of the carrier and can be made up of one or more layers.
  • the sensor element also has at least one functional layer.
  • the functional layer is arranged on the carrier.
  • the carrier stabilizes the functional layer mechanically.
  • a thickness of the functional layer is between 50 nm and 1 ⁇ m, preferably between 100 nm and 500 nm, particularly preferably between 250 nm and 400 nm.
  • the functional layer has a material (functional material) that has special electrical characteristics.
  • the functional layer has a material with a temperature-dependent electrical resistance.
  • the functional layer preferably has an NTC ceramic.
  • the NTC ceramic is preferably based on an oxidic material in the perovskite or spinel structure type.
  • the functional layer can be constructed on the basis of a carbide or a nitride material.
  • Another Thin layers of vanadium oxide or SiC are alternatives.
  • the sensor element also has at least two electrodes.
  • the electrodes are preferably in the form of thin-film electrodes.
  • the electrodes are spaced apart from one another on the carrier.
  • the electrodes preferably do not project as far as an edge area of the carrier.
  • the electrodes are preferably in a middle or Interior formed on the carrier.
  • the sensor element also has at least two contact pads for making electrical contact with the sensor element.
  • the sensor element preferably has exactly two contact pads.
  • the contact pads are directly electrically and mechanically connected to the electrodes. In each case one contact pad is arranged directly on a partial area of one of the electrodes.
  • the sensor element is very compact, so that it can be embedded directly in an electrical system as a discrete component.
  • the sensor element has a maximum edge length of 1000 ⁇ m, preferably ⁇ 800 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 500 ⁇ m.
  • a thickness of the sensor element is ⁇ 100 ⁇ m, preferably ⁇ 80 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 50 ⁇ m.
  • the component is designed for direct integration into a MEMS structure and/or into a SESUB structure.
  • the functional layer covers the carrier or the insulating layer on top of the carrier only partially.
  • a geometry of the functional layer is selected such that the functional layer supports the carrier/the insulating layer only in the area of the structure of the electrodes.
  • the functional layer is preferably formed only in a central region of the carrier. In particular, the functional layer does not protrude as far as an edge area of the carrier.
  • the geometry or the design of the functional layer is selected in such a way that a predetermined resistance of the sensor element can be adjusted. The sensor element can thus be used particularly flexibly.
  • the respective electrode has a flat end area.
  • the flat end areas of the two electrodes are arranged opposite one another or at a 90° angle to one another.
  • one contact pad is arranged on the flat end area of one of the electrodes.
  • the respective electrode has a plurality of electrode fingers. The electrode fingers of the two electrodes are arranged alternately to one another.
  • a geometry or a design of the respective electrode is selected in such a way that a predetermined resistance of the sensor element can be set with it.
  • the electrical resistance can be adjusted via the length, width and/or number of the electrode fingers.
  • the sensor element can thus be adapted to very different requirements and can be used very flexibly.
  • the electrodes are formed directly on a top side of the functional layer.
  • the functional layer is formed between the electrodes and the carrier. This design allows trimming of the electrode after application and testing of the sensor element.
  • the electrode in this design does not have to withstand the conditions of the sintering process of the functional layer.
  • the electrodes are arranged directly on an underside of the functional layer.
  • the electrodes are formed between the functional layer and the carrier.
  • the formation of the electrode directly on the substrate enables the use of an adhesion promoter (e.g. a thin layer ⁇ 1 ⁇ m for better adhesion to the substrate) such as Ti or Cr .
  • an adhesion promoter e.g. a thin layer ⁇ 1 ⁇ m for better adhesion to the substrate
  • Ti or Cr e.g. a thin layer ⁇ 1 ⁇ m for better adhesion to the substrate
  • This is not possible on the NTC layer, since the adhesion promoter layer can interact with the NTC material.
  • the contact pads are designed in such a way that they project beyond a surface of the sensor element.
  • the contact pads preferably protrude >1 ⁇ m beyond the surface of the sensor element.
  • the contact pads preferably protrude >3 ⁇ m, particularly preferably >6 ⁇ m, beyond the surface of the sensor element. This facilitates the electrical connection of the sensor element.
  • the sensor element has a protective layer.
  • the protective layer can have oxides, nitrides, ceramics, glasses or plastic as material.
  • the protective layer completely covers an upper side of the sensor element with the exception of the contact pads.
  • the protective layer has gaps at the location of the contact pads.
  • the protective layer has a thickness between 50 nm and Ipm, preferably between 200 nm and 600 nm, ideally between see 400nm and 500nm on. The protective layer improves the long-term stability of the sensor element.
  • a method for producing a sensor element is described.
  • the sensor element described above is preferably produced by the method. All properties that are disclosed in relation to the sensor element or the method are also correspondingly disclosed in relation to the respective other aspect and vice versa, even if the respective property is not explicitly mentioned in the context of the respective aspect.
  • the procedure has the following steps:
  • the carrier material preferably has Si, SiC or glass.
  • the carrier material can have AlN or Al2O3.
  • the carrier has a top and a bottom.
  • the carrier material preferably has Si.
  • the deposition takes place by a PVD (“physical vapor deposition”) process, a CVD (“chemical vapor deposition”) process or galvanically and is structured in a further process step.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the electrodes are formed spaced apart from one another.
  • the electrodes are spatially and electrically isolated from one another.
  • the electrodes interlock in the form of interdigital structures.
  • the electrodes are placed directly on the upper side of the carrier. gers or . formed on the insulating layer.
  • the electrodes are designed in such a way that they are spaced apart from an edge region of the carrier.
  • the functional material preferably has an NTC ceramic based on an oxidic material in the perovskite or spinel structure type.
  • the functional material can also be based on a carbide or a nitride material.
  • the functional material can comprise or represent a thin layer of vanadium oxide or SiC.
  • the functional layer is designed as a thin film layer.
  • the functional layer covers the carrier or the electrodes only partially .
  • the functional layer is formed in such a way that it is spaced apart from the edge area of the carrier and is formed on the area of the finger structures (interdigital structures) of the electrode.
  • the functional layer is deposited as a full-area thin layer and only through a further process step z. B. by means of lithography, structured.
  • the NTC layer has not yet crystallized.
  • the protective layer covers the top except for two sections completely .
  • the partial areas are arranged over the flat end areas of the electrodes, to which the contact pads can be applied in the subsequent process step.
  • the protective layer is used for structuring either
  • contact pads in the partial areas free of the protective layer for electrical contacting of the sensor element.
  • one contact pad is formed directly on the flat end area of one of the electrodes.
  • the contact pads can protrude beyond the structured functional layer.
  • the contact pads can have Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, W, Pd or Pt.
  • the contact pads preferably have Cu.
  • the contact pads preferably have a thickness of >5 ⁇ m.
  • the contact pads are designed in such a way that they protrude beyond a surface of the finished sensor element.
  • bumps or thin electrodes can also be provided. All of these possible contact elements have a metal, for example Cu, Au or a solderable alloy.
  • Separation takes place in two steps: (1) Separation in x/y direction (length & width) . This can be done, for example, by plasma etching or sawing and notching the functional layer and carrier. The Si wafer is not sawed through here, but only sawed down to a defined thickness.
  • step D) can be performed before step C).
  • the functional layer is first formed on a partial area of the carrier.
  • the electrodes are then deposited.
  • the electrodes are formed directly on a top side of the functional layer.
  • Figure 1 is a perspective view of a
  • FIG. 2 shows a sectional view of a sensor element according to the exemplary embodiment according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a process flow of the manufacturing method.
  • Figures 1 and 2 show a representation of a sensor element 1 according to an exemplary embodiment.
  • the sensor element 1 is preferably designed to measure a temperature.
  • the sensor element 1 is a temperature sensor.
  • the sensor element 1 is very compact.
  • a thickness D of the sensor element (see FIG. 2) is preferably ⁇ 100 ⁇ m, preferably ⁇ 80 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 50 ⁇ m.
  • the sensor element 1 is therefore particularly suitable for being embedded directly in an electrical system as a discrete component.
  • the sensor element 1 is designed for direct integration into a MEMS structure and/or into a SESUB structure.
  • the sensor element 1 has a carrier 2 .
  • the carrier 2 serves to mechanically stabilize the sensor element 1 .
  • the carrier 2 has an upper side 11 and an underside 12 on . Top 11 and bottom 12 are arranged opposite one another.
  • the carrier 2 has a carrier material, preferably silicon (Si), silicon carbide (SiC) or glass (silicate or borosilicate).
  • the carrier 2 has AlN or Al 2 O 3 as the carrier material.
  • the upper side 11 of the carrier 2 is designed to be electrically insulating. In other words, an insulating layer 3 is formed on the upper side 11 of the carrier 2 .
  • an insulating layer 3 containing SiO 2 is applied directly to the upper side 11 of the carrier 2 .
  • the insulating layer 3 has a very small thickness.
  • the thickness of the insulating layer 3 is between 50 nm and 1 ⁇ m, preferably between 250 nm and 600 nm.
  • the insulating layer 3 particularly preferably has a thickness of 500 nm.
  • the carrier 2 preferably has a rectangular base. As an alternative to this, the carrier 2 can also be designed square. A maximum edge length L of the carrier 2 is 1000 ⁇ m in both cases. The edge length L of the carrier 2 is preferably ⁇ 800 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 500 ⁇ m.
  • the sensor element 1 also has at least two electrodes 4a, 4b for making electrical contact with the sensor element 1 .
  • the sensor element 1 can also have more than two electrodes 4a, 4b, for example three or four electrodes (not shown explicitly).
  • the two electrodes 4a, 4b are formed on the carrier 2 at a distance from one another.
  • the respective electrode 4a, 4b can have one or more layers.
  • the respective electrode 4a, 4b has thin metal films, for example containing Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, W, Pd or Pt.
  • the electrodes 4a, 4b are preferably in the form of thin-film electrodes.
  • the electrodes 4a, 4b are designed as interdigital thin-film electrodes, as will be described in detail below.
  • the respective electrode 4a, 4b is structured.
  • the electrodes 4a, 4b each have a flat end area 6 and an area with electrode fingers 5 .
  • the flat end area 6 of the respective electrode 4a, 4b is in this exemplary embodiment closer to a side area or formed toward an edge of the carrier 2 as the area having the electrode fingers 5 .
  • both areas (end area 6 and electrode finger 5 ) are preferably arranged at a distance from the edge of the carrier 2 .
  • the flat end regions 6 of the two electrodes 4a, 4b can be arranged opposite one another or at a 90° angle to one another.
  • the area with the electrode fingers 5 is in each case formed in a central area of the carrier 2 .
  • the two electrodes 4a, 4b each engage in one another in the area of the electrode fingers 5 in the central area of the carrier and form an interdigital structure there.
  • the electrode fingers 5 of the electrodes 4a, 4b are arranged alternately.
  • the electrical resistance of the sensor element 1 can be adjusted.
  • the electrodes 4a, 4b are directly on the upper side 11 of the carrier 2, respectively. of the insulating layer 3 is formed.
  • the electrodes 4a, 4b can also be formed on the upper side 14 of a functional layer 7, as will be explained later.
  • the sensor element 1 also has a functional layer 7 .
  • the functional layer 7 has a material with special electrical characteristics.
  • the functional layer 7 has a material with a temperature-dependent electrical resistance.
  • the functional layer 7 preferably has an NTC ceramic.
  • the functional layer 7 has a ceramic based on an oxidic material in the perovskite structure type.
  • the perovskite is based, for example, on mixed crystals of the composition CaMnCh, in which Ca can be completely or partially replaced by Y, Cr, Al or La, for example.
  • the functional layer 7 can have a ceramic based on an oxidic material in the spinel structure type.
  • the composition of the spinel is preferably based on mixed crystals of NiMn 2 O 4 , in which Ni and Mn can be completely or partially replaced with, for example, Fe, Co, Al.
  • vanadium oxide a carbidic material, e.g. hexagonal (Si,Ti)C, 2H, 4H or 6H, cubic SiC or ba- based on a nitridic material, for example (Al, Ti) N, CrN.
  • a carbidic material e.g. hexagonal (Si,Ti)C, 2H, 4H or 6H, cubic SiC or ba- based on a nitridic material, for example (Al, Ti) N, CrN.
  • the functional layer 7 is preferably a thin-film layer. In other words, the functional layer 7 is only very thin.
  • the thickness of the functional layer 7 is between 50 nm and 1 ⁇ m.
  • the thickness of the functional layer 7 is preferably between 100 nm and 500 nm, particularly preferably between 250 nm and 400 nm.
  • the functional layer 7 only partially covers the upper side 11 of the carrier 2 . In other words, the functional layer 7 is not arranged over the entire area on the carrier 2 . A geometry and/or a design of the functional layer 7 is selected in such a way that a specific resistance value of the sensor element 1 can be set with it.
  • the functional layer 7 is formed directly on the insulating layer 3 and thus below the electrodes 4a, 4b, for example by sputtering. In other words, the functional layer 7 is formed between the carrier 2 and the electrodes 4a, 4b. In this exemplary embodiment, the functional layer 7 is arranged on the carrier 2 in a form-fitting and material-fitting manner. As an alternative to this, the functional layer 7 is produced locally or as a layer directly in the carrier material.
  • the resistance of the sensor element 1 can be adjusted in this structure with an additional trimming process.
  • the material of the electrodes 4a, 4b is partially removed, for example by laser cutting, grinding or sawing, that the resistance of the sensor element 1 is adjusted by the change in geometry.
  • the functional layer 7 is at least partially applied to the electrodes 4a, 4b, in particular by sputtering.
  • the electrodes 4a, 4b are formed between the carrier 2 and the functional layer 7, in particular on an underside 15 of the functional layer 7.
  • FIG. The functional layer 7 lies directly on the area with the electrode fingers 5 .
  • the sensor element 1 also has at least two contact pads 10a, 10b.
  • the sensor element 1 can also have more than two contact pads, for example three or four contact pads.
  • the contact pads 10a, 10b are designed and arranged for electrical contacting of the sensor element 1.
  • the contact pads 10a, 10b are arranged directly on the flat end regions 6 of the electrodes 4a, 4b.
  • the contact pads 10a, 10b can be constructed in one or more layers.
  • Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, W, Pd or Pt, for example, can be used as materials for the contact pads 10a, 10b.
  • the contact pads 10a, 10b have a thickness of >400 nm, advantageously >1 ⁇ m, particularly preferably >5 ⁇ m.
  • the contact pads 10a, 10b preferably have copper.
  • the contact pads 10a, 10b are made of Cu.
  • the thickness of the Cu contact pads 10a, 10b is constructed in such a way that the contact pads 10a, 10b protrude over a surface 13 of the sensor element 1 (see in particular FIG 2 ) .
  • the Cu contact pads 10a, 10b protrude at least 1 ⁇ m, preferably> 3 ⁇ m, ideally> 6 ⁇ m over the surface 13. This strength/thickness of the Cu contact pads 10a, 10b is required for further processing in the SESUB structure in order to build up a reliable electrical connection.
  • the sensor element 1 can also have a protective layer 8 .
  • the protective layer 8 serves to improve the long-term stability of the sensor element 1 .
  • the protective layer 8 has a non-conductive material, for example oxides, nitrides, ceramics, glasses or plastics and can consist of one or more layers.
  • the protective layer 8 completely covers an upper side of the sensor element 1 with the exception of the contact pads 10a, 10b.
  • the protective layer 8 has in particular recesses 9, from which the contact pads 10a, 10b protrude for electrical contacting of the sensor element 1.
  • the protective layer 8 is produced using a DVD or CVD process and structured using lithography.
  • a thickness of the protective layer 8 is between 50 nm and 1 ⁇ m.
  • the thickness of the protective layer 8 is preferably between 200 nm and 600 nm, particularly preferably between 400 nm and 500 nm.
  • the sensor element 1 Due to the compact design of the individual components of the sensor element 1, the sensor element 1 is outstandingly suitable for integration in MEMS or SESUB structures.
  • a method for producing a sensor element 1 is described below.
  • the method preferably produces the sensor element 1 according to one of those described above Made from examples. All features that were described in connection with the sensor element 1 are therefore also used for the method and vice versa.
  • a carrier material for forming the carrier 2 described above is provided.
  • the carrier material preferably has Si, SiC or glass.
  • the carrier material can have AlN or Al2O3.
  • the carrier 2 has an upper side 11 and an underside 12 .
  • the carrier 2 preferably has a maximum edge length L of less than 500 ⁇ m.
  • an electrically insulating layer 3 is formed on the upper side 11 of the carrier 2 .
  • the insulating layer 3 has SiO 2 .
  • an insulating layer 3 with a thickness of 500 nm is produced on top 11 of carrier 2 .
  • a further step C at least two electrodes 4a, 4b are formed/deposited on the carrier 2.
  • FIG. The deposition takes place by a PVD or CVD process or galvanically.
  • the structuring of the electrodes takes place in a subsequent process, which can be, for example, a lithography process or laser structuring.
  • the electrodes 4a, 4b are formed directly on the insulating layer 3.
  • the electrodes 4a, 4b can be constructed in one layer or in multiple layers and have, for example, Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, W, Pd or Pt.
  • the electrodes 4a, 4b are designed as thin-film electrodes.
  • the electrodes 4a, 4b are structured and each have a flat surface End portion 6 and a plurality of electrode fingers 5 on.
  • the resistance of the sensor element can be adjusted.
  • a functional material is applied to form a functional layer 7 .
  • the functional material is applied to a partial area of the electrodes 4a, 4b. This is done, for example, by sputtering or a spin coating process.
  • the functional material is first applied over the entire area and structured in a further process (e.g. lithography or laser structuring).
  • step D) can also be carried out before step C), so that the functional material 7 is sputtered directly onto the insulating layer 3 of the carrier 2 and then the electrodes 4a, 4b are applied to the functional layer 7.
  • the functional material preferably has an NTC ceramic based on an oxidic material in the perovskite or spinel structure type.
  • the functional material can also have an NTC ceramic based on a carbide or a nitride material.
  • the functional material comprises or consists of thin layers of vanadium oxide or SiC.
  • the functional layer 7 covers the top of the carrier 2 or. the electrodes 4a, 4b only partially. Due to the geometry The design of the functional layer 7 allows the resistance of the sensor element 1 to be adjusted.
  • the functional layer 7 preferably has a thickness of between 250 nm and 400 nm.
  • contact pads 10a, 10b are formed on at least a partial area of the electrodes 4a, 4b. In each case one contact pad 10a, 10b is formed directly on the flat end region 6 of an electrode 4a, 4b.
  • the contact pads 10a, 10b preferably have Cu and a thickness of >5 ⁇ m.
  • the contact pads 10a, 10b protrude over the surface 13 of the sensor element 1 in the finished sensor element 1 .
  • bumps can be formed instead of the contact pads.
  • a protective layer 8 is formed.
  • the protective layer 8 can have oxides, nitrides, ceramics or glasses and is produced using a DVD or CVD process and structured using lithography.
  • the protective layer 8 ideally has a thickness of between 400 nm and 500 nm and completely covers the upper side of the sensor element 1 with the exception of the contact pads 10a, 10b.
  • the sensor elements are separated. This can be done, for example, by plasma etching or sawing and notching functional layer 7 and carrier 2 . In this case, the Si wafer is not sawed through, but only sawed down to a defined thickness.
  • a grinding process is used in a final step I) to remove material from the rear of the Si wafer to a defined final construction partial thickness removed. This step actually separates the components.
  • FIG. 3 shows a process flow of the manufacturing method.
  • the process is divided here into eight stages S 1 to S 8 , each of which can include several of the method steps A) to J) already described.
  • the stages include
  • Stage S5 is an alternative to stage S2, which can be omitted in this case. So either level S2 or S5 is used.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement (1) zur Messung einer Temperatur beschrieben aufweisend einen Träger (2) und wenigstens eine Funktionsschicht (7), welche ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, wobei die Funktionsschicht (7) auf dem Träger (2) angeordnet ist. Das Sensorelement (1) weist ferner wenigstens zwei Elektroden (4a, 4b) und wenigstens zwei Kontaktpads (10a, 10b) zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (1) auf, wobei jeweils ein Kontaktpad (10a, 10b) unmittelbar auf einem Teilbereich einer der Elektroden (4a, 4b) angeordnet ist. Das Sensorelement (1) ist dazu ausgebildet als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System integriert zu werden. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements beschrieben.

Description

Beschreibung
Sensorelement und Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Sensorelement , insbesondere einen Temperatursensor . Die vorliegende Erfindung betri f ft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements , vorzugsweise eines Temperatursensors .
Um passive Bauelemente , wie zum Beispiel Sensoren, Kondensatoren, Schutzbauelemente oder Hei zer in elektrische Systeme zu integrieren, müssen die Dimensionen für moderne Packaging- Designs angepasst sein, die im mikrometer- und sogar nanome- ter-skaligen Bereich liegen . Um diesen Miniaturisierungsgrad zu erreichen, werden die Bauelemente als dünne Filme auf Trägerstrukturen mit elektrischen Anschlüssen abgeschieden und als diskretes Bauelement beschrieben . Diese neuartigen Bauelemente lassen sich in MEMS (Mikro Elektro Mechanisches System) oder SESUB ( Semiconductor Embedded in Substrate ) Strukturen integrieren .
Nach dem Stand der Technik werden Temperaturen für die Überwachung und Regelung in unterschiedlichsten Anwendungen vorwiegend mit keramischen Heißleiter-Thermistorelementen (NTC ) , Sili zium-Temperatursensoren (KTY) , Platin- Temperatursensoren ( PRTD) oder Thermoelementen ( TC ) gemessen . Dabei sind auf Grund der geringen Herstellungskosten die NTC- Thermistoren am weitesten verbreitet . Ein weiterer Vorteil gegenüber Thermoelementen und metallischen Widerstandselementen, wie z . B . Pt-Elementen, besteht in der ausgeprägten negativen Widerstands-Temperatur-Charakteristik . Für den Einsatz in Leistungsmodulen werden vorwiegend SMD ( „surface mounted device" - oberflächenmontierte ) NTC- Temperatursensoren verwendet , die aufgelötet werden . Bei Steuermodulen für geringe Leistungen werden alternativ dazu auch NTC-Chips eingesetzt , die an der Unterseite mittels Ag-Sinterpaste , Löten oder Kleben montiert sind und die Oberseite über einen Bonddraht kontaktiert wird .
Für die Integration von elektronischen Bauelementen in beispielsweise MEMS oder SESUB Strukturen sind diese aktuellen technischen Lösungen nicht geeignet . Für diese Systeme sind sehr kleine Elemente , typischerweise kleiner als 500 pm x 500 pm x 100 pm, notwendig, die darüber hinaus noch mit geeigneten Kontaktierungsverfahren integrierbar sein müssen . Hierbei ist insbesondere die Wahl einer geeigneten Elektrode zu beachten . Die klassischen Lötverfahren für SMD Bauformen oder Drahtbondtechnologien für Halbleiterchips (bare dies ) können dafür nicht verwendet werden .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Sensorelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zu beschreiben, welche die oben stehenden Probleme lösen .
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Gemäß einem Aspekt wird ein Sensorelement beschrieben . Das Sensorelement 1 ist zur Messung einer Temperatur geeignet . Das Sensorelement ist ein Temperatursensor . Das Sensorelement weist wenigstens einen Träger auf . Vorzugsweise weist das Sensorelement genau einen Träger auf . Der Träger weist ein Trägermaterial auf , vorzugsweise Silicium, Siliciumcarbid oder Glas ( silicatisches oder borosilicati- sches Glas ) . Alternativ dazu kann das Trägermaterial auch AIN oder AI2O3 aufweisen .
Der Träger weist eine Oberseite und eine Unterseite auf . Die Oberseite ist elektrisch isolierend ausgebildet . Vorzugsweise ist eine isolierende Schicht , beispielsweise SiO2 oder SisN4 , auf der Oberseite des Trägers ausgebildet . Die isolierende Schicht ist unmittelbar auf der Oberseite des Trägers ausgebildet und kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein .
Das Sensorelement weist ferner wenigstens eine Funktionsschicht auf . Die Funktionsschicht ist auf dem Träger angeordnet . Der Träger stabilisiert die Funktionsschicht mechanisch . Eine Dicke der Funktionsschicht liegt zwischen 50 nm und 1 pm, bevorzugt zwischen 100 nm und 500 nm, besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm .
Die Funktionsschicht weist ein Material auf ( Funktionsmaterial ) , das eine spezielle elektrische Charakteristik aufweist . Die Funktionsschicht weist ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf . Vorzugsweise weist die Funktionsschicht eine NTC Keramik auf .
Bevorzugt basiert die NTC Keramik auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp . Alternativ dazu kann die Funktionsschicht basierend auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material aufgebaut sein . Eine weitere Alternative stellen Dünnschichten aus Vanadiumoxid oder SiC dar .
Das Sensorelement weist ferner wenigstens zwei Elektroden auf . Die Elektroden sind vorzugsweise als Dünnschichtelektroden ausgebildet . Die Elektroden sind zueinander beabstandet auf dem Träger ausgebildet . Vorzugsweise ragen die Elektroden nicht bis zu einem Randbereich des Trägers . Insbesondere sind die Elektroden bevorzugt in einem Mittel- bzw . Innenbereich auf dem Träger ausgebildet .
Das Sensorelement weist ferner wenigstens zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements auf . Vorzugsweise weist das Sensorelement genau zwei Kontaktpads auf . Die Kontaktpads sind direkt elektrisch und mechanisch mit den Elektroden verbunden . Jeweils ein Kontaktpad ist unmittelbar auf einem Teilbereich einer der Elektroden angeordnet .
Insgesamt ist das Sensorelement sehr kompakt ausgeführt , so dass es als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System eingebettet werden kann . Beispielsweise weist das Sensorelement eine maximale Kantenlänge von 1000 pm, bevorzugt < 800 pm, besonders bevorzugt < 500 pm auf . Eine Dicke des Sensorelements ist < 100 pm, bevorzugt < 80 pm, besonders bevorzugt < 50 pm . Beispielsweise ist das Bauelement zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und/oder in eine SESUB Struktur ausgebildet .
Gemäß einem Aus führungsbeispiel bedeckt die Funktionsschicht den Träger bzw . die isolierende Schicht auf der Oberseite des Trägers nur teilweise . Beispielsweise ist eine Geometrie der Funktionsschicht so gewählt , dass die Funktionsschicht den Träger / die isolierende Schicht nur im Bereich der Ein- gerstruktur der Elektroden abdeckt . Vorzugsweise ist die Funktionsschicht lediglich in einem Mittelbereich des Trägers ausgebildet . Insbesondere ragt die Funktionsschicht nicht bis zu einem Randbereich des Trägers . Die Geometrie bzw . das Design der Funktionsschicht ist so gewählt , dass damit ein vorbestimmter Widerstand des Sensorelements eingestellt werden kann . Damit ist das Sensorelement besonders flexibel einsetzbar .
Gemäß einem Aus führungsbeispiel weist die j eweilige Elektrode einen flächigen Endbereich auf . Die flächigen Endbereiche der beiden Elektroden sind einander gegenüberliegend oder in einem 90 ° Winkel zueinander angeordnet . Jeweils ein Kontaktpad ist auf dem flächigen Endbereich einer der Elektroden angeordnet . Ferner weist die j eweilige Elektrode eine Mehrzahl von Elektrodenfingern auf . Die Elektrodenfinger der beiden Elektroden sind alternierend zueinander angeordnet .
Der flächige Endbereich und der Bereich mit den Elektrodenfingern gehen unmittelbar ineinander über . Eine Geometrie bzw . ein Design der j eweiligen Elektrode ist so gewählt , dass damit ein vorbestimmter Widerstand des Sensorelements eingestellt werden kann . Insbesondere kann der elektrische Widerstand über Länge , Breite und/oder Anzahl der Elektrodenfinger eingestellt werden . Das Sensorelement kann damit an sehr unterschiedliche Anforderungen angepasst werden und ist sehr flexibel einsetzbar .
Gemäß einem Aus führungsbeispiel sind die Elektroden unmittelbar auf einer Oberseite der Funktionsschicht ausgebildet . Mit anderen Worten, die Funktionsschicht ist zwischen den Elektroden und dem Träger ausgebildet . Diese Aus führung erlaubt ein Trimmen der Elektrode nach dem Aufbringen und einem Test des Sensorelements . Außerdem muss die Elektrode bei dieser Aus führung den Bedingungen des Sinterprozesses der Funktionsschicht nicht standhalten .
Gemäß einem Aus führungsbeispiel sind die Elektroden unmittelbar an einer Unterseite der Funktionsschicht angeordnet . Mit anderen Worten, die Elektroden sind zwischen der Funktionsschicht und dem Träger ausgebildet . Die Ausbildung der Elektrode direkt auf dem Substrat ermöglicht die Verwendung eines Haftvermittlers ( z . B . eine Dünnschicht < l Onm zur besseren Anhaftung am Untergrund) wie Ti oder Cr . Dies ist auf der NTC Schicht nicht möglich, da es zu Interaktionen der Haftvermittlerschicht mit dem NTC Material kommen kann . Dies gilt insbesondere für NTC Schichten, die auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp basieren .
Gemäß einem Aus führungsbeispiel sind die Kontaktpads derart ausgebildet , dass sie über eine Oberfläche des Sensorelements herausragen . Vorzugsweise ragen die Kontaktpads > 1 pm über die Oberfläche des Sensorelements hinaus . Bevorzugt ragen die Kontaktpads > 3 pm, besonders bevorzugt > 6 pm über die Oberfläche des Sensorelements hinaus . Dies erleichtert die elektrische Verbindung des Sensorelements .
Gemäß einem Aus führungsbeispiel weist das Sensorelement eine Schutzschicht auf . Die Schutzschicht kann als Material Oxide , Nitride , Keramiken, Gläser oder Kunststof f aufweisen . Die Schutzschicht bedeckt eine Oberseite des Sensorelements mit Ausnahme der Kontaktpads vollständig . Zu diesem Zweck weist die Schutzschicht Aussparungen an der Stelle der Kontaktpads auf . Die Schutzschicht weist eine Dicke zwischen 50nm und Ipm auf , vorzugsweise zwischen 200nm und 600nm, idealerweise zwi- sehen 400nm und 500nmauf. Durch die Schutzschicht wird die Langzeitstabilität des Sensorelements verbessert.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben beschriebene Sensorelement hergestellt. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das Sensorelement oder das Verfahren offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf den jeweiligen anderen Aspekt offenbart und umgekehrt, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
A) Bereitstellung eines Trägermaterials zur Ausbildung eines Trägers. Vorzugsweise weist das Trägermaterial Si, SiC oder Glas auf. Alternativ dazu kann das Trägermaterial AIN oder AI2O3 aufweisen. Der Träger weist eine Oberseite und eine Unterseite auf. Bevorzugt weist das Trägermaterial Si auf.
B) Ausbilden einer elektrisch isolierenden Schicht, vorzugsweise SiO2, auf der Oberseite des Trägers.
C) Ausbilden bzw. Abscheiden von wenigstens zwei Elektroden auf dem Träger. Das Abscheiden erfolgt durch einen PVD („physical vapour deposition") Prozess, einen CVD („chemical vapour deposition") Prozess oder galvanisch und wird in einem weiteren Prozessschritt strukturiert.
Die Elektroden werden zueinander beabstandet ausgebildet. Insbesondere sind die Elektroden räumlich und elektrisch voneinander isoliert. Die Elektroden greifen dabei in Form von Interdigitalstrukturen ineinander. In diesem Ausführungsbei- spiel werden die Elektroden direkt auf der Oberseite des Trä- gers bzw . auf der isolierenden Schicht ausgebildet . Die Elektroden sind derart ausgebildet , dass sie von einem Randbereich des Trägers beabstandet sind .
D) Aufbringen, vorzugsweise Aufsputtern, eines Funktionsmaterials auf einen Teilbereich der Elektroden zur Ausbildung einer Funktionsschicht . Das Funktionsmaterial weist vorzugsweise eine NTC Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp auf . Alternativ kann das Funktionsmaterial auch auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material basieren . Alternativ kann das Funktionsmaterial eine Dünnschicht aus Vanadiumoxid oder SiC umfassen oder darstellen .
Die Funktionsschicht wird als Dünnfilm Schicht ausgebildet . Die Funktionsschicht bedeckt den Träger bzw . die Elektroden nur teilweise . Insbesondere wird die Funktionsschicht so ausgebildet , dass sie vom Randbereich des Trägers beabstandet und auf dem Bereich der Fingerstrukturen ( Interdigitalstrukturen) der Elektrode ausgebildet ist . Die Funktionsschicht wird als voll flächige Dünnschicht abgeschieden und erst durch einen weiteren Prozessschritt z . B . mittels Lithographie , strukturiert .
Nach der Abscheidung ist die NTC Schicht noch nicht auskristallisiert .
E ) Sintern der Funktionsschicht . Dies dient zur Ausbildung der NTC Eigenschaften des Funktionsmaterials und wird bei Temperaturen bis zu 1000 ° C durchgeführt
F) Aufbringen einer Schutzschicht auf die Oberseite des Sensorelements . Die Schutzschicht bedeckt die Oberseite bis auf zwei Teilbereiche vollständig . Die Teilbereiche sind über den flächigen Endbereichen der Elektroden angeordnet , auf die im nachfolgenden Prozessschritt die Kontaktpads aufgebracht werden können . Die Schutzschicht wird zur Strukturierung entweder
( a ) voll flächig aufgebracht und die freien Teilbereiche durch einen Folgeprozess wie Lithographie oder Laserstrukturierung erzeugt oder
(b ) durch Verwendung einer Maske beim Abscheidungsprozess direkt strukturiert aufgebracht .
G) Ausbilden von Kontaktpads in den von der Schutzschicht freien Teilbereichen zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements . Jeweils ein Kontaktpad wird dabei unmittelbar auf dem flächigen Endbereich einer der Elektroden ausgebildet . Die Kontaktpads können über die strukturierte Funktionsschicht hinausragen .
Die Kontaktpads können Cu, Au, Ni , Cr, Ag, Ti , W, Pd oder Pt aufweisen . Vorzugsweise weisen die Kontaktpads Cu auf . Vorzugsweise weisen die Kontaktpads eine Dicke von > 5 pm auf . Die Kontaktpads werden so ausgestaltet , dass die über eine Oberfläche des fertiggestellten Sensorelements hinausragen .
Alternativ zu den Kontaktpads können auch Bumps oder dünne Elektroden vorgesehen werden . All diese möglichen Kontaktelemente weisen ein Metall , beispielsweise Cu, Au oder eine lötbare Legierung auf .
H) Trennen bzw . Vereinzeln der Bauteile .
Das Vereinzeln erfolgt in zwei Schritten : (1) Vereinzeln in x-/y- Richtung (Länge & Breite) . Dies kann beispielsweise durch Plasmaätzen oder Sägen und Einkerben von Funktionsschicht und Träger erfolgen. Der Si-Wafer wird hierbei nicht durchgesägt, sondern nur bis auf eine definierte Dicke eingesägt.
(2) Vereinzeln in z-Richtung (Höhe) . Das Grinding erfolgt von der Rückseite. Durch einen Schleifprozess wird von der Unterseite des Si-Wafers Material bis zu einer definierten finalen Bauteildicke abgetragen.
Dazu erfolgt ein
I) Grinding der Sensorelemente von der Unterseite, wobei durch einen Schleifprozess von der Rückseite des Si-Wafers her Material bis zu einer definierten finalen Bauteildicke abgetragen wird, wodurch die Bauteile vereinzelt werden.
J) optionales Plasmaätzen der heruntergeschliffenen Unterseite des Si-Wafer zur Reduktion von beispielsweise Mikrorissen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann Schritt D) vor Schritt C) ausgeführt werden. In diesem Fall wird zunächst die Funktionsschicht auf einem Teilbereich des Trägers ausgebildet. Anschließend werden die Elektroden abgeschieden. Die Elektroden werden unmittelbar auf einer Oberseite der Funktionsschicht ausgebildet.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein. Elemente , die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugs zeichen bezeichnet .
Es zeigen :
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines
Sensorelements gemäß einem Aus führungsbeispiel ,
Figur 2 eine Schnittdarstellung eines Sensorelements gemäß dem Aus führungsbeispiel nach Figur 1 ,
Figur 3 einen Prozessablauf des Herstellungsverfahrens .
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Darstellung eines Sensorelements 1 gemäß einem Aus führungsbeispiel . Das Sensorelement 1 ist vorzugsweise zur Messung einer Temperatur ausgebildet . Das Sensorelement 1 ist ein Temperatursensor . Das Sensorelement 1 ist sehr kompakt ausgeführt . Eine Dicke D des Sensorelements ( siehe Figur 2 ) ist vorzugsweise < 100 pm, bevorzugt < 80 pm, besonders bevorzugt < 50 pm . Daher eignet sich das Sensorelement 1 besonders gut um als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System eingebettet zu werden . Beispielsweise ist das Sensorelement 1 zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und/oder in eine SESUB Struktur ausgebildet .
Das Sensorelement 1 weist einen Träger 2 auf . Der Träger 2 dient der mechanischen Stabilisierung des Sensorelements 1 . Der Träger 2 weist eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12 auf . Oberseite 11 und Unterseite 12 sind einer gegenüberliegend angeordnet .
Der Träger 2 weist ein Trägermaterial , vorzugsweise Silicium ( Si ) , Siliciumcarbid ( SiC ) oder Glas ( silicatisch oder boro- silicatisch) auf . In einer alternativen Aus führungs form weist der Träger 2 AIN oder AI2O3 als Trägermaterial auf .
Die Oberseite 11 des Trägers 2 ist elektrisch isolierend ausgebildet . Mit anderen Worten, an der Oberseite 11 des Trägers 2 ist eine isolierende Schicht 3 ausgebildet . Für einen Träger 2 aus beispielsweise Silicium ist eine isolierende Schicht 3 aufweisend SiO2 unmittelbar auf der Oberseite 11 des Trägers 2 aufgebracht .
Die isolierende Schicht 3 weist eine sehr geringe Dicke auf . Die Dicke der isolierenden Schicht 3 liegt zwischen 50 nm und 1 pm, vorzugsweise zwischen 250 nm und 600 nm . Besonders bevorzugt weist die isolierenden Schicht 3 eine Dicke von 500 nm auf .
Der Träger 2 hat vorzugsweise eine rechteckige Grundfläche . Alternativ dazu kann der Träger 2 auch quadratisch ausgeführt sein . Eine maximale Kantenlänge L des Trägers 2 beträgt in beiden Fällen 1000 pm . Bevorzugt ist die Kantenlänge L des Trägers 2 < 800 pm, besonders bevorzugt < 500 pm .
Das Sensorelement 1 weist ferner wenigstens zwei Elektroden 4a, 4b zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 1 auf . Alternativ dazu kann das Sensorelement 1 auch mehr als zwei Elektroden 4a, 4b, beispielsweise drei oder vier Elektroden aufweisen (nicht expli zit dargestellt ) . Die beiden Elektroden 4a, 4b sind zueinander beabstandet auf dem Träger 2 ausgebildet . Die j eweilige Elektrode 4a, 4b kann ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein . Die j eweilige Elektrode 4a, 4b weist dünne Metall filme , beispielsweise aufweisend Cu, Au, Ni , Cr, Ag, Ti , W, Pd oder Pt auf . Vorzugsweise sind die Elektroden 4a, 4b als Dünnschichtelektroden ausgebildet . Insbesondere sind die Elektroden 4a, 4b als interdigitale Dünnschichtelektroden ausgebildet , wie nachfolgend im Detail beschrieben wird .
Die j eweilige Elektrode 4a, 4b ist strukturiert ausgebildet . Insbesondere weisen die Elektroden 4a, 4b j eweils einen flächigen Endbereich 6 sowie einen Bereich mit Elektrodenfingern 5 auf . Der flächige Endbereich 6 der j eweiligen Elektrode 4a, 4b ist in diesem Aus führungsbeispiel näher zu einem Seitenbereich bzw . zu einer Kante des Trägers 2 hin ausgebildet als der Bereich mit den Elektrodenfingern 5 . Jedoch sind beide Bereiche (Endbereich 6 und Elektrodenfinger 5 ) vorzugsweise von der Kante des Trägers 2 beabstandet angeordnet . Die flächigen Endbereiche 6 der beiden Elektroden 4a, 4b können einander gegenüberliegend oder in einem 90 ° Winkel zueinander angeordnet sein .
Der Bereich mit den Elektrodenfingern 5 ist in diesem Aus führungsbeispiel j eweils in einem Mittelbereich des Trägers 2 ausgebildet . Der flächige Endbereich 6 und der Bereich mit den Elektrodenfingern 5 gehen ineinander über .
Die beiden Elektroden 4a, 4b grei fen j eweils in dem Bereich der Elektrodenfinger 5 im Mittelbereich des Trägers ineinander und bilden dort eine Interdigitalstruktur aus . Die Elektrodenfinger 5 der Elektroden 4a, 4b sind alternierend angeordnet . Über Länge , Breite und/oder Anzahl der Elektrodenf in- ger 5 , sowie deren Abstand zueinander kann der elektrische Widerstand des Sensorelements 1 eingestellt werden .
In diesem Aus führungsbeispiel sind die Elektroden 4a, 4b un- mittelbar auf der Oberseite 11 des Trägers 2 bzw . der isolierenden Schicht 3 ausgebildet . Alternativ dazu (nicht expli zit dargestellt ) können die Elektroden 4a, 4b aber auch auf der Oberseite 14 einer Funktionsschicht 7 ausgebildet sein, wie später noch erläutert wird .
Das Sensorelement 1 weist ferner eine Funktionsschicht 7 auf . Die Funktionsschicht 7 weist ein Material mit einer speziellen elektrischen Charakteristik auf . Die Funktionsschicht 7 weist ein Material mit einem temperaturabhängigen elektri- sehen Widerstand auf . Die Funktionsschicht 7 weist vorzugsweise eine NTC Keramik auf .
Beispielweise weist die Funktionsschicht 7 eine Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit Struktur- typ auf . Der Perowskit basiert zum Beispiel auf Mischkristallen der Zusammensetzung CaMnCh, bei dem Ca ganz oder teilweise durch beispielsweise Y, Cr, Al oder La ersetzt sein kann .
Alternativ dazu kann die Funktionsschicht 7 eine Keramik ba- sierend auf einem oxidischen Material im Spinell Strukturtyp aufweisen . Die Zusammensetzung des Spinells basiert dabei vorzugsweise auf Mischkristallen von NiMn2O4 , bei dem Ni und Mn mit beispielsweise Fe , Co , Al ganz oder teilweise ersetzt sein können .
Vorstellbar sind ferner Funktionsschichten 7 basierend auf
Vanadiumoxid, einem carbidischen Material , beispielsweise hexagonales ( Si , Ti ) C, 2H, 4H oder 6H, kubisches SiC oder ba- sierend auf einem nitridischen Material , beispielsweise (Al , Ti ) N, CrN .
Die Funktionsschicht 7 ist vorzugsweise eine Dünnfilm Schicht . Mit anderen Worten, die Funktionsschicht 7 weist nur eine sehr geringe Dicke auf . Die Dicke der Funktionsschicht 7 liegt zwischen 50 nm und 1 pm . Bevorzugt liegt die Dicke der Funktionsschicht 7 zwischen 100 nm und 500 nm, besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm .
Die Funktionsschicht 7 bedeckt die Oberseite 11 des Trägers 2 lediglich teilweise . Mit anderen Worten, die Funktionsschicht 7 ist nicht voll flächig auf dem Träger 2 angeordnet . Eine Geometrie und/oder ein Design der Funktionsschicht 7 ist so ausgewählt , dass damit ein bestimmter Widerstandswert des Sensorelements 1 eingestellt werden kann .
In einem Aus führungsbeispiel (nicht expli zit dargestellt ) ist die Funktionsschicht 7 unmittelbar auf der isolierenden Schicht 3 und damit unterhalb der Elektroden 4a, 4b ausgebildet , zum Beispiel auf gesputtert . Mit anderen Worten, die Funktionsschicht 7 ist zwischen dem Träger 2 und den Elektroden 4a, 4b ausgebildet . In diesem Aus führungsbeispiel ist die Funktionsschicht 7 form- und materialschlüssig auf dem Träger 2 angeordnet . Alternativ dazu ist die Funktionsschicht 7 direkt in dem Trägermaterial lokal oder als Schicht erzeugt .
Für besonders eng tolerierte Widerstände bei Nenntemperatur kann in diesem Aufbau mit einem zusätzlichen Trimmprozess der Widerstand des Sensorelements 1 eingestellt werden . Dabei wird Material der Elektroden 4a, 4b durch beispielsweise Laserschneiden, Schlei fen oder Einsägen partiell so entfernt , dass durch die Geometrieveränderung der Widerstand des Sensorelements 1 angepasst wird .
Alternativ dazu ( siehe Figur 1 und 2 ) ist die Funktionsschicht 7 zumindest teilweise auf den Elektroden 4a, 4b aufgebracht , insbesondere auf gesputtert . Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist , sind die Elektroden 4a, 4b dabei zwischen dem Träger 2 und der Funktionsschicht 7 , insbesondere an einer Unterseite 15 der Funktionsschicht 7 ausgebildet . Die Funktionsschicht 7 liegt dabei unmittelbar auf dem Bereich mit den Elektrodenfingern 5 auf .
Das Sensorelement 1 weist ferner wenigstens zwei Kontaktpads 10a, 10b auf . Das Sensorelement 1 kann auch mehr als zwei Kontaktpads , beispielsweise drei oder vier Kontaktpads aufweisen . Die Kontaktpads 10a, 10b sind zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 1 ausgebildet und angeordnet .
Die Kontaktpads 10a, 10b sind unmittelbar auf den flächigen Endbereichen 6 der Elektroden 4a, 4b angeordnet . Die Kontaktpads 10a, 10b können ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein . Als Materialen für die Kontaktpads 10a, 10b können beispielsweise Cu, Au, Ni , Cr, Ag, Ti , W, Pd oder Pt verwendet werden .
Die Kontaktpads 10a, 10b weisen eine Dicke von > 400 nm, vorteilhafterweise > 1 pm, besonders bevorzugt > 5 pm auf . Für die Integration in eine SESUB-Struktur weisen die Kontaktpads 10a, 10b vorzugsweise Kupfer auf . Insbesondere sind die Kontaktpads 10a, 10b aus Cu aufgebaut .
Die Dicke der Cu-Kontaktpads 10a, 10b ist dabei so aufgebaut , dass die Kontaktpads 10a, 10b über eine Oberfläche 13 des Sensorelements 1 herausragen ( siehe hierzu insbesondere Figur 2 ) . Die Cu-Kontaktpads 10a, 10b ragen dabei mindestens 1 pm, vorzugsweise > 3 pm, idealerweise > 6 pm über die Oberfläche 13 heraus . Diese Stärke/Dicke der Cu-Kontaktpads 10a, 10b wird für die weitere Verarbeitung in der SESUB Struktur benötigt , um eine verlässliche elektrische Verbindung auf zubauen .
Das Sensorelement 1 kann ferner eine Schutzschicht 8 aufweisen . Die Schutzschicht 8 dient dazu die Langzeitstabilität des Sensorelements 1 zu verbessern . Die Schutzschicht 8 weist ein nichtleitendes Material auf , aufweisend beispielsweise Oxide , Nitride , Keramiken, Gläser oder Kunststof fe und kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen .
Die Schutzschicht 8 bedeckt eine Oberseite des Sensorelements 1 mit Ausnahme der Kontaktpads 10a, 10b vollständig . Die Schutzschicht 8 weist insbesondere Aussparungen 9 auf , aus welchen die Kontaktpads 10a, 10b zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 1 herausragen .
Die Schutzschicht 8 wird durch einen DVD oder CVD Prozess erzeugt und mittels Lithographie strukturiert . Eine Dicke der Schutzschicht 8 liegt zwischen 50 nm und 1 pm . Bevorzugt liegt die Dicke der Schutzschicht 8 zwischen 200 nm und 600 nm, besonders bevorzugt zwischen 400 nm und 500 nm .
Durch die kompakte Bauweise der einzelnen Komponenten des Sensorelements 1 eignet sich das Sensorelement 1 hervorragend zur Integration in MEMS oder SESUB Strukturen .
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements 1 beschrieben . Vorzugsweise wird durch das Verfahren das Sensorelement 1 gemäß einem der oben beschriebenen Aus führungsbeispiele hergestellt . Alle Merkmale die in Zusammenhang mit dem Sensorelement 1 beschrieben wurden, finden daher auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt .
In einem ersten Schritt A) wird ein Trägermaterial zur Ausbildung des oben beschriebenen Trägers 2 bereitgestellt . Vorzugsweise weist das Trägermaterial Si , SiC oder Glas auf . Alternativ dazu kann das Trägermaterial AIN oder AI2O3 aufweisen . Der Träger 2 weist eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12 auf . Vorzugsweise weist der Träger 2 eine maximale Kantenlänge L von weniger als 500 pm auf .
In einem nächsten Schritt B ) erfolgt das Ausbilden einer elektrisch isolierenden Schicht 3 auf der Oberseite 11 des Trägers 2 . Beispielsweise weist die isolierende Schicht 3 SiO2 auf . Idealerweise wird eine isolierende Schicht 3 mit einer Dicke von 500 nm auf der Oberseite 11 des Trägers 2 erzeugt .
In einem weiteren Schritt C ) erfolgt das Ausbilden/Abscheiden von wenigstens zwei Elektroden 4a, 4b auf dem Träger 2 . Das Abscheiden erfolgt durch einen PVD oder CVD Prozess oder galvanisch . Die Strukturierung der Elektroden erfolgt in einem Folgeprozess , dies kann beispielsweise ein Lithographie Prozess oder Laserstrukturierung sein . In diesem Aus führungsbeispiel werden die Elektroden 4a, 4b direkt auf der isolierenden Schicht 3 ausgebildet .
Die Elektroden 4a, 4b können einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein und weisen beispielsweise Cu, Au, Ni , Cr, Ag, Ti , W, Pd oder Pt auf . Die Elektroden 4a, 4b sind als Dünnschichtelektroden ausgebildet . Die Elektroden 4a, 4b sind strukturiert ausgebildet und weisen j eweils einen flächigen Endbereich 6 sowie eine Mehrzahl von Elektrodenfingern 5 auf .
Durch die Geometrie bzw . das Design der Elektroden 4a, 4b kann der Widerstand des Sensorelements eingestellt werden .
In einem weiteren Schritt D) erfolgt das Aufbringen eines Funktionsmaterials zur Ausbildung einer Funktionsschicht 7 . In diesem Aus führungsbeispiel wird das Funktionsmaterial auf einen Teilbereich der Elektroden 4a, 4b aufgebracht . Dies erfolgt beispielsweise durch Sputtern oder einen Spincoating Prozess . Das Funktionsmaterial wird zunächst voll flächig aufgebracht und in einem weiteren Prozess (beispielsweise Lithographie oder Laserstrukturierung) strukturiert .
Alternativ dazu kann Schritt D) auch vor Schritt C ) ausgeführt werden, so dass das Funktionsmaterial 7 unmittelbar auf der isolierenden Schicht 3 des Trägers 2 auf gesputtert wird und anschließend die Elektroden 4a, 4b auf die Funktionsschicht 7 aufgebracht werden .
Das Funktionsmaterial weist vorzugsweise eine NTC Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp auf . Alternativ kann das Funktionsmaterial auch eine NTC Keramik basierend auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material aufweisen . In einer weiteren Alternative umfasst das Funktionsmaterial Dünnschichten aus Vanadiumoxid oder SiC oder besteht daraus .
Die Funktionsschicht 7 bedeckt die Oberseite des Trägers 2 bzw . die Elektroden 4a, 4b lediglich teilweise . Durch die Geometrie bzw . das Design der Funktionsschicht 7 kann der Widerstand des Sensorelements 1 eingestellt werden . Vorzugsweise weist die Funktionsschicht 7 eine Dicke zwischen 250 nm und 400 nm auf . In einem weiteren Schritt E ) erfolgt das Ausbilden von Kontaktpads 10a, 10b auf wenigstens einem Teilbereich der Elektroden 4a, 4b . Jeweils ein Kontaktpad 10a, 10b wird dabei unmittelbar auf dem flächigen Endbereich 6 einer Elektrode 4a, 4b ausgebildet .
Vorzugsweise weisen die Kontaktpads 10a, 10b Cu auf und haben eine Dicke von > 5 pm . Insbesondere ragen die Kontaktpads 10a, 10b bei dem fertigen Sensorelement 1 über die Oberfläche 13 des Sensorelements 1 heraus . Alternativ dazu können Bumps statt der Kontaktpads ausgebildet werden .
In einem nächsten Schritt G) erfolgt das Ausbilden einer Schutzschicht 8 . Die Schutzschicht 8 kann Oxide , Nitride , Keramikern oder Gläser aufweisen und wird mittels eines DVD o- der CVD Prozesses erzeugt und mittels Lithographie strukturiert . Idealerweise weist die Schutzschicht 8 eine Dicke zwischen 400 nm und 500 nm auf und bedeckt die Oberseite des Sensorelements 1 mit Ausnahme der Kontaktpads 10a, 10b vollständig .
In einem weiteren Schritt H) erfolgt das Vereinzeln der Sensorelemente . Dies kann beispielsweise durch Plasmaätzen oder Sägen und Einkerben von Funktionsschicht 7 und Träger 2 erfolgen . Der Si-Wafer wird hierbei nicht durchgesägt , sondern nur bis auf eine definierte Dicke eingesägt .
Durch anschließendes Grinding von der Rückseite ( ein Schlei fprozess ) wird in einem letzten Schritt I ) von der Rückseite des Si-Wafers Material bis zu einer definierten finalen Bau- teildicke abgetragen . Durch diesen Schritt kommt es zur tatsächlichen Vereinzelung der Bauteile .
Figur 3 zeigt einen Prozess flow des Herstellungsverfahrens .
Der Prozess ist hier in acht Stufen S 1 bis S 8 unterteilt , die j eweils mehrere der bereits beschriebenen Verfahrensschritte A) bis J) umfassen können . Die Stufen umfassen
51 Vorsehen eines Si Wafers entsprechend den Schritten A) und B )
52 Abscheiden und Strukturieren der Elektrode entsprechend dem Schritt C )
53 Abscheiden und Strukturieren der Funktionsschicht entsprechend dem Schritt D)
54 Sintern der Funktionsschicht zur Herstellung der NTC Eigenschaften entsprechend dem Schritt E )
55 Abscheiden und Strukturieren der Elektrode wie in Stufe S2 bzw . entsprechend Verfahrensschritt C ) . Die Stufe S5 ist alternativ zur Stufe S2 , die in diesem Fall entfallen kann . Es wird also entweder Stufe S2 oder S5 eingesetzt .
56 Abscheiden und Strukturieren der Passivierungsschicht entsprechend dem Schritt F)
57 Abscheiden und Strukturieren der Kontaktpads entsprechend dem Schritt G) 58 Vereinzelung der einzelnen Sensorelemente entsprechend den Schritten H) und I )
59 Optionales nochmaliges Schlei fen der Sensorelemente von der Unterseite und optionales Plasmaätzen .
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Aus führungs formen beschränkt . Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Aus führungs formen
- soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden .
Bezugs zeichenliste
1 Sensorelement
2 Träger
3 I solierende Schicht
4a, b Elektrode
5 Elektrodenfinger
6 Endbereich
7 Funktionsschicht
8 Schutzschicht
9 Aussparung
10a, b Kontaktpad
11 Oberseite des Trägers
12 Unterseite des Trägers
13 Oberfläche des Sensorelements
14 Oberseite der Funktionsschicht
15 Unterseite der Funktionsschicht
D Dicke des Sensorelements
L Kantenlänge des Trägers

Claims

Patentansprüche
1. Sensorelement (1) zur Messung einer Temperatur aufweisend
- wenigstens einen Träger (2) mit einer Oberseite (11) und einer Unterseite (12) , wobei die Oberseite (11) elektrisch isolierend ausgebildet ist,
- wenigstens eine Funktionsschicht (7) , welche ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, wobei die Funktionsschicht (7) auf dem Träger (2) angeordnet ist,
- wenigstens zwei Elektroden (4a, 4b) , wobei die Elektroden (4a, 4b) zueinander beabstandet auf dem Träger (2) ausgebildet sind,
- wenigstens zwei Kontaktpads (10a, 10b) zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (1) , wobei jeweils ein Kontaktpad (10a, 10b) unmittelbar auf einem Teilbereich einer der Elektroden (4a, 4b) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (1) dazu ausgebildet ist als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System integriert zu werden.
2. Sensorelement (1) nach Anspruch 1, wobei die Funktionsschicht (7) die Oberseite (11) des Trägers
(2) nur teilweise bedeckt.
3. Sensorelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine isolierende Schicht (3) unmittelbar auf der Oberseite (11) des Trägers (2) ausgebildet ist.
4. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Elektrode (4a, 4b) als Dünnschicht- Elektrode ausgebildet ist.
5. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Elektrode (4a, 4b) einen flächigen Endbereich (6) aufweist und wobei jeweils ein Kontaktpad (10a, 10b) auf dem flächigen Endbereich (6) einer der Elektroden (4a, 4b) angeordnet ist.
6. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Elektrode (4a, 4b) eine Mehrzahl von Elektrodenfingern (5) aufweist, wobei die Elektrodenfinger (5) der beiden Elektroden (4a, 4b) alternierend zueinander angeordnet sind.
7. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (4a, 4b) unmittelbar auf einer Oberseite
(14) der Funktionsschicht (7) ausgebildet sind.
8. Sensorelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Elektroden (4a, 4b) unmittelbar an einer Unterseite
(15) der Funktionsschicht (7) angeordnet sind.
9. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktpads (10a, 10b) derart ausgebildet sind, dass sie über eine Oberfläche (13) des Sensorelements (1) herausragen .
10. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Schutzschicht (8) , wobei die Schutzschicht (8) eine Oberseite des Sensorelements (1) mit Ausnahme der Kontaktpads (10a, 10b) vollständig bedeckt.
11. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Träger (2) Silicium, Siliciumcarbid oder Glas aufweist oder wobei der Träger (2) AIN oder AI2O3 als Trägermaterial aufweist.
12. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionsschicht (7) eine NTC Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp aufweist oder wobei die Funktionsschicht (7) eine NTC Keramik basierend auf einem carbidischen oder einem nitridi- schen Material aufweist, oder wobei die Funktionsschicht eine Dünnschicht aus Vanadiumoxid oder SiC aufweist.
13. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke (D) des Sensorelements (1) < 100 pm beträgt.
14. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (1) zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und/oder in eine SESUB Struktur ausgebildet ist .
15. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Widerstand des Sensorelements (1) durch eine Geometrie der Funktionsschicht (7) und/oder der Elektroden (4a, 4b) eingestellt wird.
16. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (1) aufweisend die folgenden Schritte:
A) Bereitstellung eines Trägermaterials zur Ausbildung eines Trägers ( 2 ) ;
B) Ausbilden einer elektrisch isolierenden Schicht (3) auf einer Oberseite (11) des Trägers (2) ;
C) Ausbilden von wenigstens zwei Elektroden (4a, 4b) auf dem Träger ( 2 ) ; 27
D) Aufbringen eines Funktionsmaterials auf einen Teilbereich der Elektroden (4a, 4b) zur Ausbildung einer Funktionsschicht (7) ;
E) Sintern der Funktionsschicht (7) ;
F) Aufbringen einer Schutzschicht (8) auf die Oberseite des Sensorelements, wobei die Schutzschicht (8) die Oberseite bis auf zwei Teilbereiche vollständig bedeckt, wobei die Teilbereiche über den flächigen Endbereichen der Elektroden angeordnet sind, auf die im nachfolgenden Prozessschritt die Kontaktpads aufgebracht werden können;
G) Ausbilden von Kontaktpads (10a, 10b) in dem von der Schutzschicht freien Teilbereichen zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (1) ;
H) Trennen der Bauteile indem entweder mit einer Diamantsäge oder durch einen Plasmaätzschritt eingesägt wird, so dass die Bauteile nach diesem Schritt noch nicht final vereinzelt sind;
I) Grinding der Sensorelemente von der Unterseite, wobei durch einen Schleifprozess von der Rückseite des Si-Wafers her Material bis zu einer definierten finalen Bauteildicke abgetragen wird, wodurch die Bauteile vereinzelt werden;
J) optionales Plasmaätzen der heruntergeschliffenen Unterseite des Si-Wafer zur Reduktion von beispielsweise Mikrorissen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei Schritt D) vor Schritt C) ausgeführt wird, und wobei die Elektroden (4a, 4b) unmittelbar auf einer Oberseite (14) der Funktionsschicht (7) ausgebildet werden.
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