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Die Erfindung betrifft einen Gassensor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen mikromechanischen Gassensor.
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Ein Gassensor umfasst eine gasempfindliche Schicht, die zwischen zwei Leiterstrukturen auf einer Trägermembran liegt. Die Trägermembran kann beheizt werden, um die gasempfindliche Schicht auf eine vorbestimmte Temperatur zu bringen. Die Empfindlichkeit, die Selektivität oder die Ansprechzeit der gasempfindlichen Schicht gegenüber unterschiedlichen Substanzen können über die Temperatur eingestellt werden. Übliche Temperaturen können im Bereich von ca. 200 bis 800 °C liegen. Um zu vermeiden, dass unterschiedliche Abschnitte der gassensitiven Schicht im Bereich der Leiterstrukturen unterschiedliche Temperaturen aufweisen, und um eine Energieaufnahme des Gassensors zu verringern, wird versucht, den Gassensor so klein wie möglich zu bauen. Ein mikromechanischer Gassensor kann zur Erreichung einer Temperatur von ca. 400 °C mit einer Heizleistung von einigen mW auskommen. Dabei sind die Leiterstrukturen und die gassensitive Schicht auf einer Trägermembran angeordnet, die thermisch isoliert ist, indem sie üblicherweise über eine Kavität gespannt ist.
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Zur Herstellung des Gassensors können übliche halbleitertechnische Methoden verwendet werden, insbesondere die Lithografie, die das Ausbilden sehr präziser Strukturen erlaubt. Die gassensitive Schicht wird jedoch üblicherweise als Flüssigkeit oder pastöse Masse aufgebracht, wobei Oberflächeneigenschaften der Trägermembran, die Viskosität der aufgebrachten Substanz, die Dosiergenauigkeit während des Aufbringens, der Trocknungsvorgang der Substanz oder die Zeit zwischen dem Aufbringen der Substanz und dem Trocknen einen Einfluss auf die Form und Größe der gassensitiven Schicht an der Trägermembran haben können. Bei einer üblichen Anordnung von Leiterstrukturen an der Trägermembran können jedoch Größe und Position der gassensitiven Schicht einen Einfluss auf den elektrisch wirksamen Bereich der gassensitiven Schicht bezüglich der Leiterstrukturen haben. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor und ein Herstellungsverfahren anzugeben, sodass der Gassensor in verringertem Maß Ungenauigkeiten in Form, Größe oder Position der gassensitiven Schicht aufweist. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder. Bei der Herstellung des insbesondere mikromechanischen Gassensors kann eine Ungenauigkeit bei der Positionierung oder Ausdehnung der gassensitiven Schicht ohne Einfluss auf entscheidende Charakteristika des Gassensors sein. Diese Charakteristika können insbesondere eine Sensitivität, eine Selektivität oder eine Ansprechzeit gegenüber einer vorbestimmten Substanz umfassen.
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Eine mögliche Ausführung eines Gassensors umfasst eine ebene Trägermembran; eine gassensitive Schicht an der Trägermembran; eine erste und mindestens eine zweite Elektrode, die jeweils elektrisch leitfähig an der gassensitiven Schicht liegen; sowie eine erste elektrische Zuleitung zur ersten Elektrode und eine zweite elektrische Zuleitung zur zweiten Elektrode. Dabei liegt die zweite Elektrode radial außerhalb der ersten Elektrode und die erste Zuleitung ist gegenüber der gassensitiven Schicht isoliert.
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Dadurch kann verhindert werden, dass ein außerhalb der zweiten Elektrode liegender Teil der gassensitiven Schicht elektrisch wirksam zwischen den Elektroden bzw. Zuleitungen liegt. Größe und Position der gassensitiven Schicht auf der radialen Außenseite der zweiten Elektrode spielen für das elektrische Verhalten der gassensitiven Schicht bezüglich der Elektroden praktisch keine Rolle mehr.
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Zur Betrachtung der relativen Lage der Elektroden zueinander kann eine durch die erste Elektrode verlaufende Achse betrachtet werden, die senkrecht zur Ebene der Trägermembran steht. Bezüglich dieser Achse soll die zweite Elektrode stets weiter entfernt liegen als eine äußere Begrenzung der ersten Elektrode. Eine Leiterstruktur des Gassensors wird in einem Bereich, in dem sie mit der gassensitiven Schicht in Kontakt steht, Elektrode und ansonsten Zuleitung genannt.
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Die Zuleitung zur zweiten Elektrode ist in einer Ausführungsform beliebig kurz, sodass sie praktisch wegfällt.
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Die Elektroden können auch so geformt sein, dass in der Ebene der Trägermembran ein konvexer Bereich definiert wird, wobei die erste Elektrode auf die Innenseite des Bereichs beschränkt ist und die zweite Elektrode auf wenigstens drei Seiten der Außenseite liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass die zweite Elektrode die erste Elektrode mindestens U-förmig umschließt und so dafür sorgt, dass ein Bereich der gassensitiven Schicht, der auf der Außenseite der zweiten Elektrode liegt, elektrisch nicht oder vernachlässigbar gering wirksam bezüglich der Elektroden bzw. Zuleitungen ist.
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Die Formen der beiden Elektroden können beliebig gewählt sein, solange die beschriebene Beziehung zwischen der ersten, inneren Elektrode und der zweiten, äußeren Elektrode gewahrt ist. In einer weiteren Ausführungsform umläuft die zweite Elektrode die erste Elektrode in der Ebene der Trägermembran auf einem Winkel von wenigstens 270°. Dabei kann die zweite Elektrode beispielsweise eine polygonale oder elliptische Form aufweisen. In noch einer weiteren Ausführungsform umläuft die zweite Elektrode die erste Elektrode über einen noch größeren Winkel, der bis zum Vollwinkel gesteigert werden kann. Umschließt die zweite Elektrode die erste auf diese Weise, so kann der radial außerhalb der zweiten Elektrode liegende Bereich der gassensitiven Schicht elektrisch praktisch völlig deaktiviert werden. Durch die umschließende Form der zweiten Elektrode bezüglich der ersten Elektrode kann der wirksam zwischen den Elektroden liegende Bereich der gassensitiven Schicht im Wesentlichen auf den Innenbereich der zweiten Elektrode beschränkt werden. Eigenschaften des Gassensors können dadurch unabhängig von einer Position oder Größe der gassensitiven Schicht außerhalb der zweiten Elektrode kontrolliert werden.
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In noch einer weiteren Ausführungsform liegt die erste Elektrode radial außerhalb einer weiteren zweiten Elektrode. Auf diese Weise können erste und zweite Elektroden radial verschachtelt werden. Die radial äußerste Elektrode kann dabei sicherstellen, dass die angestrebte weitgehende Unabhängigkeit von Position oder Größe der gassensitiven Schicht erhalten bleibt. Die Verschachtelung kann auch kaskadiert werden, sodass sich eine mehrfach verschachtelte konzentrische Anordnung der Elektroden ergibt.
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In noch einer weiteren Ausführungsform sind die erste und die zweite Elektrode auf der radialen Innenseite der zweiten Elektrode kammartig miteinander verzahnt. In dieser Ausführungsform können Abschnitte der zweiten Elektrode innerhalb des oben angegebenen konvexen Bereichs liegen, der die erste Elektrode vollständig umschließt. Trotzdem ist bevorzugt, dass die zweite Elektrode einen möglichst großen Abschnitt der Außenseite des konvexen Bereichs umläuft.
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Die erste Elektrode kann stellenweise durch eine Isolation von einer der zweiten Elektroden getrennt sein. Insbesondere kann die Isolation in vertikaler Richtung bezüglich einer Oberfläche der Trägermembran wirken, sodass die Elektroden im Bereich der Isolation in unterschiedlichen vertikalen Abständen von der Trägermembran liegen. Die Isolation kann insbesondere ein isolierendes Halbleitermaterial wie Siliziumdioxid umfassen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Zuleitung einer Elektrode mittels einer Isolation von der gassensitiven Schicht getrennt sein. Die Isolation kann hierbei bevorzugt insbesondere in vertikaler Richtung wirken wie oben beschrieben ist.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensors wie des oben beschriebenen Gassensors umfasst Schritte des Bereitstellens einer ebenen Trägermembran; des Anbringens einer ersten und einer zweiten Leiterstruktur; des Anbringens einer Isolation eines Abschnitts der ersten Leiterstruktur, sodass die zweite Leiterstruktur radial außerhalb eines unisolierten Abschnitts der ersten Leiterstruktur liegt, und des Anbringens einer gassensitiven Schicht auf die Trägermembran im Bereich der unisolierten Leiterstrukturen.
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Durch das Isolieren eines Abschnitts einer der Leiterstrukturen ergibt sich die oben beschriebene Funktion einer Zuleitung. Im Gegensatz dazu ist ein unisolierter Abschnitt einer Leiterstruktur, der in Kontakt mit der gassensitiven Schicht steht, eine Elektrode. Vorteilhafterweise können relativ große Toleranzen bezüglich Größe, Position oder Ausrichtung der gassensitiven Schicht in Kauf genommen werden. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass der Bereich, der radial zwischen den beiden Elektroden liegt, möglichst vollständig im Bereich der gassensitiven Schicht liegt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 einen Gassensor;
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2 elektrische Potentiallinien an einem bekannten Gassensor;
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3 elektrische Potentiallinien am Gassensor von 1;
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4 den Gassensor von 1 in einer weiteren Ausführungsform;
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5–8 Ausführungsformen von Anordnungen für den Gassensor von 1; und
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9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Gassensors
darstellt.
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1 zeigt einen Gassensor 100. Im oberen Bereich ist eine Draufsicht, darunter ein Längsschnitt des Gassensors 100 dargestellt. Der Gassensor 100 ist bevorzugterweise mikromechanisch herstellbar und zur Detektion bzw. Konzentrationsmessung eines Gases eingerichtet. Dazu umfasst der Gassensor 100 eine Trägermembran 105, die beispielsweise aus einem Halbleitersubstrat herausgearbeitet sein kann und sich in einer bevorzugten Ausführungsform über einer thermisch isolierenden Kavität erstreckt. An der Trägermembran 105 ist bevorzugt eine Heizeinrichtung 110 vorgesehen, die beispielsweise nach Art eines ohmschen Widerstands Strom in Wärme umsetzen kann, sodass die Trägermembran 105 erhitzt wird. Außerdem sind an der Trägermembran 105 eine erste Leiterstruktur 115 mit einer ersten Elektrode 120 und einer ersten Zuleitung 125 sowie eine zweite Leiterstruktur 135 mit einer zweiten Elektrode 140 und einer zweiten Zuleitung 145 angebracht. Ein Abschnitt einer Leiterstruktur 115, 135, der in elektrischem Kontakt zur gassensitiven Schicht 150 steht, wird Elektrode 120, 140 genannt. Im Bereich der Elektroden 120, 140 ist eine gassensitive Schicht 150 vorgesehen, die bevorzugt eine Metalloxidschicht umfasst, beispielsweise SnO2, WO3, Ga2O3, TiO2 oder Cr2O3 umfassen kann. Eine Isolation 155 kann beispielsweise Siliciumdioxid (SiO2) umfassen. Ein Abschnitt einer Leiterstruktur 115, 135, der die gassensitive Schicht 150 nicht kontaktiert, insbesondere weil er mittels der Isolation 155 elektrisch von ihm isoliert ist, wird Zuleitung 125, 145 genannt. Die links dargestellte Isolation 155, die die zweite Leiterstruktur 135 in die zweite Elektrode 140 und die zweite Zuleitung 145 unterteilt, kann auch weggelassen werden, sodass die zweite Zuleitung 145 eine Länge von null hat und somit praktisch entfällt.
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Die gassensitive Schicht 150 wird üblicherweise mittels eines Dispens-, Druck- oder Strahldruckverfahrens auf die Trägermembran 105 aufgebracht. Während insbesondere die Leiterstrukturen 115, 135 geometrisch sehr präzise geformt werden können, unterliegt der Prozess der Aufbringung der gassensitiven Schicht 150 häufig einer relativ großen Ungenauigkeit. Beispielsweise kann die Größe der gassensitiven Schicht 150 zwischen der dargestellten Größe und einer Maximalgröße 160 variieren. Auch können Form und Ausrichtung der gassensitiven Schicht 150 jeweils innerhalb vorbestimmter Bereiche variieren.
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Es wird vorgeschlagen, die Elektroden 120, 140 derart auf der Trägermembran 105 anzuordnen, dass ein Abschnitt der gassensitiven Schicht 150, der innerhalb eines Varianzbereichs liegt (in der Darstellung von 1 der Bereich zwischen der gassensitiven Schicht 150 und der Maximalgröße 160) praktisch ohne Einfluss auf eine elektrische Messung bezüglich der Elektroden 120, 140 ist. Dabei kann die gassensitive Schicht 150 ihren Widerstand in Abhängigkeit einer vorbestimmten, gasförmigen Substanz ändern oder es kann sich ein anderer Effekt an der gassensitiven Schicht 150 ergeben, der mittels der Elektroden 120, 140 abgetastet werden kann, beispielsweise die Änderung eines komplexen Widerstands, einer Spannung, eines Stroms, einer Thermospannung oder einer Hallspannung. Die Elektroden 120, 140 sind bevorzugterweise metallisch, können jedoch auch gemischtleitende oder ionenleitende Materialien umfassen.
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Es ist bevorzugt, dass die zweite Elektrode 140 radial außerhalb der ersten Elektrode 120 liegt. Dazu kann eine Achse 162 definiert werden, die senkrecht zur Ebene der Trägermembran 105 durch die erste Elektrode 120 verläuft. Für alle Achsen 162, die auf diese Weise definiert werden können, soll gelten, dass eine äußere Begrenzung der ersten Elektrode 120 näher als eine innere Begrenzung der zweiten Elektrode 140 liegt.
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Bevorzugterweise umschließt die zweite Elektrode 140 die erste Elektrode 120 auf wenigstens drei Seiten. In der Darstellung von 1 umschließt die zweite Elektrode 140 die erste Elektrode 120 auf der oberen, der unteren und der linken Seite. Dabei bildet die zweite Elektrode 140 ein U-förmiges Gebilde, beispielsweise nach Art eines offenen Polygons. Die erste Elektrode 120 liegt bevorzugt in einem Bereich, der entsteht, wenn das Polygon der zweiten Elektrode 140 gedanklich geschlossen wird.
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Es kann auch ein konvexer Bereich 165 gebildet werden, wobei die erste Elektrode 120 vollständig auf der Innenseite des Bereichs 165 liegt. Eine geometrische Figur heißt konvex, wenn für je zwei beliebige Punkte, die zur Figur gehören, auch stets deren Verbindungsstrecke vollständig in der Figur liegt. Die zweite Elektrode 140 liegt in der dargestellten Ausführungsform vollständig auf der Außenseite des Bereichs 165, es sind jedoch auch Ausführungsformen vorstellbar, bei denen ein Abschnitt der zweiten Elektrode 140 innerhalb des Bereichs 165 liegt. Es ist bevorzugt, dass die Außenseite des Bereichs 165 wenigstens teilweise von Abschnitten der zweiten Elektrode 140 umschlossen wird. Dazu kann die zweite Elektrode 140 U-förmig ausgebildet sein oder den Bereich 165 entlang einer beliebigen Kurve wenigstens teilweise umlaufen. Der Bereich 165 kann sich in einem weiteren Ausführungsbeispiel mittels Dotierung, verändertem Materialaufbau und/oder unterschiedlicher physikalischer bzw. chemischer Zusammensetzung gegenüber der Umgebung abgrenzen.
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2 zeigt elektrische Potentiallinien an einem bekannten Gassensor 100. Die Leiterstrukturen 115 und 135 sind nicht gegenüber der gassensitiven Schicht 150 isoliert. Im oberen Bereich sind Potentiallinien an den Leiterstrukturen 115, 135 dargestellt, wenn die gassensitive Schicht 150 klein ist, und im unteren Bereich von 2 Potentiallinien, wenn die gassensitive Schicht 150 groß ist. Es wird deutlich, dass mit steigender Größe der gassensitiven Schicht 150 ein Einfluss der radial außen liegenden Bereiche der gassensitiven Schicht 150 auf die Leiterstrukturen 115, 135 ansteigt. Dieser Einfluss kann elektrisch wie ein zwischen den Elektroden 120 und 140 parallel geschalteter Widerstand wirken.
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3 zeigt elektrische Potentiallinien am Gassensor 100 von 1. Dabei sind drei verschiedene mögliche Größen der gassensitiven Schicht 150 dargestellt. Die Zuleitung 125 ist durch eine Isolationschicht 155 elektrisch nicht direkt mit der gassensitiven Schicht 150 verbunden. Es ist zu sehen, dass auf einer radialen Außenseite der zweiten Elektrode 140 praktisch keine Potentialübergänge mehr stattfinden, da dieser Bereich elektrisch unwirksam zwischen den Elektroden 120 und 140 ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die zweite Leiterstruktur 135 vollständig in Kontakt mit der gassensitiven Schicht 150, sodass die zweite Zuleitung 145 auf einem Bereich jenseits der Ausdehnung der gassensitiven Schicht 150 beschränkt ist oder wegfällt.
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4 zeigt den Gassensor 100 von 1 in einer weiteren Ausführungsform. Hier umläuft die zweite Elektrode 140 die erste Elektrode 120 in der Ebene der Trägermembran 105 vollständig. Eine elektrische Isolation zwischen der zweiten Elektrode 140 und der ersten Elektrode 120 kann in einem Kreuzungsbereich mittels der Isolation 155 erfolgen.
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5 zeigt eine erste Ausführungsform einer Anordnung für den Gassensor 100 von 1. Dargestellt sind lediglich die erste Leiterstruktur 115, die zweite Leiterstruktur 135 und die Isolation 155. Die erste Elektrode 120 und die zweite Elektrode 140 sind kammartig miteinander verzahnt angeordnet. Der Verzahnungsbereich wird durch die zweite Elektrode 140 möglichst vollständig umschlossen. Dabei können die erste Elektrode 120 und die zweite Elektrode 140 wieder mittels der Isolation 155 gegeneinander isoliert sein. In einer anderen Ausführungsform kann der umlaufende Abschnitt der zweiten Elektrode 140 auch an einer Stelle geöffnet sein, um die erste Elektrode 120 kontaktfrei in einer Ebene passieren zu lassen. Dadurch können beide Elektroden 120, 140 in einem gemeinsamen Vorgang aufgebracht werden und müssen nicht nacheinander gefertigt werden.
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6 zeigt eine weitere Anordnung für den Gassensor 100 von 1 nach dem Beispiel von 5. Hier sind die erste Elektrode 120 und die zweite Elektrode 140 verbessert konzentrisch gegenüber der Achse 162 ausgebildet. Dabei umläuft die zweite Elektrode 140 die erste Elektrode 120 auf einem Winkel von bevorzugt mehr als 270°, in der dargestellten Ausführungsform ca. 300°. Der dargestellte Öffnungswinkel 605 der zweiten Elektrode 140 bezüglich der Achse 162 beträgt hier ca. 60°, kann jedoch auch noch kleiner gewählt werden.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anordnung für den Gassensor 100 entsprechend der Darstellungen der 5 und 6. Auch hier ist eine konzentrische Anordnung bezüglich der Achse 162 gewählt, jedoch sind in radialer Richtung abwechselnd erste Elektroden 120 und zweite Elektroden 140 angeordnet. Die äußerste Elektrode ist dabei die zweite Elektrode 140. An Kreuzungspunkten sind die Elektroden 120, 140 mittels Isolationen 155 gegeneinander isoliert; in einer anderen Ausführungsform kann an dieser Stelle auch ein Durchbruch liegen wie in den Ausführungsformen der 1 und 6 gezeigt ist.
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8 zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer Anordnung für den Gassensor 100 von 1 in Anlehnung an die Ausführungsform von 7. Hier ist anstelle einer runden eine quadratische Grundform gewählt.
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9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 900 zur Herstellung eines Gassensors 100.
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In einem Schritt 905 wird die Trägermembran 105 bereitgestellt. Bevorzugt ist dabei bereits die Heizeinrichtung 110 an der Trägermembran 105 angebracht. In einem Schritt 910 werden die Leiterstrukturen 115 und 135 angebracht. In einem Schritt 915 wird die Isolation 155 angebracht. Teile der Leiterstrukturen 115, 135 können auch nach dem Anbringen der Isolation 155 im Schritt 915 an der Trägermembran 105 angebracht werden.
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Durch das Anbringen der Isolation 155 im Schritt 915 wird zumindest die erste Leiterstruktur 115 in die erste Elektrode 120 und die erste Zuleitung 125 unterteilt. Dabei soll die erste Elektrode 120 so liegen, wie oben mit Bezug auf die anderen Figuren, insbesondere auf 1, beschrieben ist.
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In einem Schritt 920 wird die gassensitive Schicht 150 an der Trägermembran 105 im Bereich der Leiterstrukturen 115, 135 angebracht. Das Anbringen der gassensitiven Schicht 150 kann beispielsweise durch Spritzen, Stempeln, Drucken oder Aufstreichen einer flüssigen oder pastösen Masse erfolgen, die anschließend noch aushärten kann. Dieser Schritt kann einer erhöhten geometrischen Ungenauigkeit unterworfen sein, sodass die aufgebrachte gassensitive Schicht 150 möglicherweise in Position, Größe oder Ausrichtung bezüglich der Trägermembran 105 variiert. Solange im Schritt 920 sichergestellt wird, dass sich die gassensitive Schicht 150 zumindest in einem Bereich in der Ebene der Trägermembran 105 erstreckt, die zwischen den Elektroden 120 und 140 liegt, können diese Variationen keinen oder keinen entscheidenden Einfluss auf das Abtastverhalten des Gassensors 100 haben. Insbesondere können Sensitivität, Selektivität oder Ansprechzeit des Gassensors 100 von den radial außerhalb der zweiten Elektrode 140 liegenden Bereichen der gassensitiven Schicht 150 unbeeinflusst sein.
