DE19509030C2

DE19509030C2 - Hochempfindlicher mikrokalorimetrischer Gassensor auf Siliciumbasis und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19509030C2
Application number: DE19509030A
Authority: DE
Inventors: Margherita Zanini-Fisher; Jacobus Hendrik Visser
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1995-03-13
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2015-03-14
Also published as: JPH0843340A; US5451371A; US5801070A; DE19509030A1

Description

Die Erfindung betrifft Mikrokalorimeter zur Messung der Kon zentration brennbarer Gase in einem fließenden Gasstrom sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrokalorimeters, insbesondere für Steuerungen von Verbren nungsmotoren und Motordiagnosesystemen und Verbesserungen bei katalytischen Mikrokalorimetern zur Bestimmung von Gasbe standteilen.

Sie bezieht sich allgemein auf elektronische Motorsteuerungen und Diagnosestrategien für die bei Verbrennungsmotoren benötigten Sensoren zur Detektion und Messung von Motorbetriebsvariablen und zur Herstellung von geeigneten Sensoreingaben für eine Mikroprozessorsteuerung, die auf die Variablen durch Berech nung der Luft/Kraftstoff-Verhältnisse und des Motorzündpunk tes für optimalen Motorbetrieb und Kraftstoffökonomie antwor tet. Die bekannten Motorsteuerungsstrategien können auf Sen soren zurückgreifen, um brennbare Abgasbestandteile zu ent decken und ein Signal hervorzubringen, das dazu eingesetzt werden kann, diese Bestandteile auch in niedrigen Konzentra tionen, wie 10 ppm, zu quantifizieren.

Kalorimeter, die repräsentativ für eine Klasse dieser Senso ren sind, können dazu eingesetzt werden, die Konzentration brennbarer Gase durch Detektion und Messung des Temperatur anstiegs, der auf die Verbrennungswärme eines brennbaren Be standteils, wenn dieser mit einem auf einem Drahtthermometer befindlichen Katalysator, das Teil des Sensors ist, reagiert, zum messen. Ein bekannter kommerziell erhältlicher kalorime trischer Sensor ist der Pellistor, der aus einem mit einem Edelmetallkatalysator imprägnierten keramischen Körper, in den ein Platinwiderstandsthermometer eingebettet ist, be steht. Um Umgebungstemperaturfluktuationen im Abgasstrom zu kompensieren, wird ein Paar Sensorelemente im Tandembetrieb eingesetzt, so daß der Temperaturanstieg bei der Verbrennung der brennbaren Bestandteile relativ zu einer Bezugstemperatur gemessen wird, die die Abgastemperatur in einer Verbrennungs motorumgebung ist. Die Bezugstemperatur und der Anstieg der Temperatur aufgrund der Oxidation der brennbaren Bestandteile wird unabhängig davon durch die paarigen Elemente gemessen, von denen lediglich eines durch den Katalysator beeinflußt wird. Die Temperatur wird durch Widerständen auf jedem der beiden Elemente gemessen. Der Widerstandswert jedes Wider stands kann als Temperaturanzeige des Elementes verwendet werden.

Die Motorabgase bestehen typischerweise aus einer Mischung brennbarer Gase, eingeschlossen verschiedene Kohlenwas serstoffe, Kohlenmonoxid und Wasserstoff.

Kalorimetrische Gassensoren haben verschiedene Empfindlich keiten für brennbare Gase, abhängig von den Charakteristika der Katalysatoren, den Betriebsbedingungen und anderen Fakto ren.

Katalytische kalorimetrische Gassensoren können elektrische Heizeinrichtungen neben dem Temperaturmeßwiderstand auf einem gemeinsamen Substrat besitzen, so daß die Betriebstemperatur für die Sensorelemente höher als die Temperatur des Abgas stromes gehalten werden kann. Das Sensorausgabesignal ent spricht angenähert der Anzahl Kohlenstoffatomen in einem Molekül eines bestimmten Gasbestandteils, da die Verbren nungswärme eines Kohlenwasserstoffes in etwa proportional dem Kohlenstoffgehalt im Molekül ist. Es ist beispielsweise mög lich, Kohlenwasserstoffe im Abgas zu entdecken, das Kohlen monoxid als auch andere Konstituenten enthält, da Kohlenwas serstoffmoleküle mehr Kohlenstoffatome enthalten.

Ein Beispiel eines kalorimetrischen Gassensors auf Silicium basis ist in einer Publikation mit dem Titel "Sensors and Ac tuators" von M. Gall 1991 durch Elsevier Sequoia, The Nether lands, Seiten 533-538 veröffentlicht, beschrieben. Diese Publikation beschreibt einen metallischen Widerstand, der als Heizeinrichtung dient, sowie einen Temperatursensor. Das Sen sorelement umfaßt einen Siliciumoxidrahmen, der eine Sili ciumnitridmembran hält. Die Membran wird durch selektives Ätzen des darunterliegenden massiven Siliciums mit einer Ka liumhydroxid(KOH)-Lösung erhalten. Das metallische Material des Widerstandes wird durch Abscheidung aus der Gasphase un ter Ausbildung einer Metallschicht auf einer Seite der Sili ciumnitridschicht abgeschieden, wobei Photolithographie und Ätzen zur Formung der Metallschicht eingesetzt werden. Die Siliciumnitridschicht dient als thermischer Isolator zwischen dem metallischen Sensor-Widerstand und dem Siliciummaterial. Falls Umgebungstemperaturfluktuationen kompensiert werden sollen, können Doppelsensorelemente eingesetzt werden, um eine Referenztemperatur im Abgasstrom festzustellen. Bekannte Mikrobearbeitungstechniken werden bei der Herstellung dieser Vorrichtung eingesetzt, um das Silicium während der Herstel lung der paarigen Elemente zu formen. Die Konzentration der brennbaren Abgasbestandteile kann sodann durch Detektion des Temperaturdifferenz zwischen den paarigen Elementen gemessen werden.

Das Bezugspatent US-A-5,265,417 beschreibt einen katalyti schen kalorimetrischen Gassensor, um Kohlenwasserstoffe im Kraftfahrzeugabgas zu detektieren. Es umfaßt einen Silicium rahmen, auf dem paarige Sensorelemente befestigt sind, von denen jedes Element eine Membran umfaßt, auf der Widerstands elemente aufgebracht sind. Ein Widerstandselement wird dazu eingesetzt, die Temperatur des umgebenen Gases zu messen. Das andere Element umfaßt eine auf der elektrisch leitfähigen Schicht, die beide Widerstände bedeckt, aufgebrachte Kataly satorschicht. Der Widerstand des Elements, das den Kataly sator aufweist, mißt den durch die Oxidation der brennbaren Gase hervorgerufenen Temperaturanstieg, wie in der oben be schriebenen Gall-Vorrichtung. Der Membranabschnitt, der ein Element stützt, ist thermisch vom Membranteil isoliert, der das andere Element stützt. Diese thermische Isolation wird aufgrund der niedrigen thermischen Leitfähigkeit der Mem branabschnitte und der Befähigung des Siliciumsubstrats, als Wärmesenke zu wirken, erzielt.

Die Membranen der im US-A-5,265,417 beschriebenen Vorrichtung umfassen im Gegensatz zu anderen Anordnungen nach dem Stand der Technik einen Verbundwerkstoff von Siliciumnitrid und Si liciumoxidschichten, um partielle Restbelastungen zu kompen sieren und dickere, robuste Substrate zu erhalten.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Gas sensor bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Mikrokalo rimeter zur Messung der Konzentration brennbarer Gase in ei nem fließenden Gasstrom, das: ein Paar Temperatursensorele mente, von denen jedes einen ebenen Körper aufweist; einen Sensorträger, der das Sensorelement umgibt; - ein durch die ebenen Körper abgestütztes Widerstandsthermometer und einen Heizwiderstand, Trägerarme, die sich von jedem ebenen Körper zum Sensorträger erstrecken, wodurch die ebenen Körper angebunden und unter einem bestimmten Abstand zum Sensorträger angeordnet werden, wodurch die ebenen Körper thermisch isoliert werden; und ein Katalysatormaterial, das durch eines der Sensorelemente getragen wird, wodurch auf dem Sensorelement durch die Verbrennungswärme der brennbaren Gase eine unterschiedliche Temperatur auftritt, aufweist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung derartiger Mikrokalorimeter, mit den Schritten: Aufbringen einer Siliciumnitridschicht auf einem Siliciumrahmen; Ab scheiden einer Polysiliciumschicht auf der Siliciumnitrid schicht; partielles Entfernen des Polysiliciums durch Photo lithographie und selektives Plasmaätzen unter Ausbildung der Polysiliciumsensorplatten mit diese umgebenden Öffnungen und Plattenträgerarmen, die sich von den Sensorplatten zur umgebenden Polysiliciumschicht erstrecken; Aufbringen einer Siliciumnitridschicht auf die Platten, Arme und die Polysili ciumschicht; Abscheiden eines Metallmusters auf der Silicium nitridschicht, die Heizwiderstände und Widerstandsthermometer definiert; Passivieren der Widerstände mit einer Silicium nitridbeschichtung; Entfernen der Passivierung der Widerstän de an Kontaktbereichen durch Einsatz von Lithographie und Plasmaätzen, wobei die Passivierungsentfernung auch Silicium nitridmaterial zwischen den Sensorplatten und der Polysili ciumschicht entfernt, um offene Räume, die die Sensorplatten umgeben, herzustellen; Entfernen des Siliciums der Silicium basis direkt neben den Sensorplatten durch Naßätzen, wodurch die Sensorplatten durch Arme suspendiert und thermisch von der Basis und der Polysiliciumschicht isoliert werden; und Aufbringen eines Katalysatormaterials auf eine der Sensor platten.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der verbesserte Gassensor gemäß der Erfindung ermöglicht es, eine hohe Empfindlichkeit bei erhöhter Zuverlässigkeit zu er zielen. Dies wird durch Einbringen mechanisch stabiler, robu ster Polysiliciumplatten erzielt, die die paarigen Widerstän de des Sensors stützen, wobei eine der Platten auch eine dicke Katalysatorschicht trägt. Sie ist durch einen ernied rigten Temperaturgradienten über die Platten, die die Wider stände tragen, charakterisiert. Sie ist auch durch ihre Halt barkeit unter den harten Bedingungen eines Kraftfahrzeugabgas systems charakterisiert, wo sie Vibrationen, Partikelbeschuß und thermischen Schocks ausgesetzt ist.

Jedes der paarigen Elemente des Sensors umfaßt lange, ent sprechend der Anwendung geformte Polysiliciumarme, die die Widerstände und das Substrat für die Widerstände stützen, wo durch die Wärmeleitung auf den umgebenen Siliciumrahmen redu ziert wird. Jedes der paarigen Elemente des Sensors umfaßt ein Heizelement niedriger Energie, um die Temperatur der paa rigen Elemente über die Temperatur des Abgasstroms zu erhit zen. Durch die Verwendung von Polysilicium, das eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, und durch Positionieren der Heizeinrichtung jedes Sensorelementes entlang der Peripherie des Sensorelementes werden die Temperaturgradienten mini miert.

Träger für den Katalysator und die Widerstände ist die Po lysiliciumstruktur. Ein Siliciumnitridschutz wird auf die Po lysiliciumstruktur zum Schutz während der Herstellung der paarigen Sensorelemente aufgebracht. Rück-Ätzen isoliert die Polysiliciumplatte vom die paarigen Elemente des Sensors um gebenden Siliciumrahmen. Polysiliciumelemente können exakt durch den Einsatz des reaktiven Ionenätzens (RIE) mikrobear beitet werden - eines bekannten Verfahrens - wodurch das Ver fahren auf die Herstellung großer Stückzahlen eingestellt wird. Ferner können die Sensorelemente größer als die ent sprechende Elemente gemäß dem Stand der Technik hergestellt werden, die fragilere Membranstrukturen auf die elektrisch leitfähigen Filmen aufweisen können.

Das Ätzverfahren isoliert die Sensorelemente durch Vorsehen von Durchgangsöffnungen auf der Rückfläche des Sensors. Die Öffnungen schaffen thermische Isolation der Sensorelemente und ermöglichen es den Reaktanden, durch den Sensor zur Rück fläche zu diffundieren. Demzufolge kann die Sensitivität durch Abscheiden von Katalysator sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Oberfläche der Sensorplatte erhöht wer den.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele und der Zeichnung, wobei sie keineswegs darauf beschränkt ist, näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines Mikrokalorimeters mit Polysiliciumplatten, die auf einem massiven Silicium rahmen mit Metallwiderständen abgestützt sind, mit Platinwiderständen, die als Heizeinrichtungen und Temperatursensorelemente dienen;

Fig. 2A eine schematische Schnittansicht der Polysilicium platte, wobei der Siliciumrahmen und die Siliciumnitridschicht zwischen dem Silicium und den Polysilicium angeordnet sind, die in vorangehenden Herstellungsschritten zusammengebaut wurden;

Fig. 2B eine schematische Querschnittsansicht des Sensorele mentes nach dem zweiten Schritt im Herstellungs verfahren, die Polysiliciummusterausbildung und Passi vierung des Siliciumnitrids umfaßt;

Fig. 2C eine schematische Querschnittsansicht der Komponenten des Sensors während eines dritten Schrittes des Herstellungsverfahrens, der Abscheiden von Platin und Musterbildung umfaßt;

Fig. 2D eine schematische Querschnittsansicht der Komponenten des Sensors während eines vierten Herstellungs schrittes, der eine Passivierungsschicht von Silicium nitrid umfaßt;

Fig. 2E erläutert den fünften Schritt des Herstellungsver fahrens, der selektives Ätzen der in dem in Fig. 2D erläuterten Schritt aufgebrachten Passivierung umfaßt;

Fig. 2F eine schematische Querschnittsansicht des fertigen Sensors, gefolgt durch Tiefätzen der Siliciumbasis; und

Fig. 3 einen Graph des Verhältnisses zwischen der Wider standsdifferenz der Platinwiderstände des aktiven und Referenztemperatursensorelementes als Funktion vier unterschiedlicher Konzentrationen brennbarer Gase im Volumen, gemeinsam mit entsprechendem durchschnitt lichem Temperaturanstieg, der durch Reaktion jedes Gases hervorgerufen wird.

In Fig. 1 ist ein Sensor mit einem massiven Siliciumrahmen 10 und einer auf einer Seite des Rahmens 10 angebrachten Polysi liciumschicht 12 gezeigt. In den Grenzen der Polysilicium schicht sind zwei Polysiliciumplatten 14 und 16 angeordnet. Diese sind in den jeweiligen Öffnungen 18 und 20 der Schicht 12 angeordnet. Die Platte 14 wird in der Öffnung 18 an ihrem Ort durch vier Polysiliciumarme 22, 24, 26 und 28 gehalten, die sich von der Polysiliciumschicht 12 erstrecken. Diese Arme einstückig mit der Schicht 12 ausgebildet.

Die Polysiliciumplatte 16 des dazugehörigen Sensors ist in der Öffnung 20 aufgehängt und wird durch vier bei 30, 32, 34 und 36 gezeigte Polysiliciumarme an ihrem Ort gehalten. Diese entsprechen den Polysiliciumarmen für die Platte 14.

Auf der Polysiliciumschicht 12 werden Platinwiderstände abge schieden. Der Platin-Widerstand 38 bildet ein Heizwider standselement und ist mit einem Heizausgang 40 versehen. Ein Ausgang 42 für das Heizwiderstandselement 38 befindet sich auch auf der Polysiliciumschicht. Das Widerstandselement 38 folgt einem gewundenen Pfad um die Durchgangsöffnungen oder -löcher für das die Sensorelementplatte 14 und über die Sen sorplatte, die die Arme 22 und 28 stützt. Der Mittelabschnitt des Widerstands 38 umfaßt den Umfang der Platte 14, wie bei 44 gezeigt. Der Mittelabschnitt 44 des Widerstands bildet so einen Heizelementkreis zwischen den Enden 40 und 42.

Ein Temperaturmeßwiderstand in Form eines metallischen Wider standes, bevorzugt ein Platinwiderstand, ist bei 46 gezeigt. Der Widerstand 46 erstreckt sich über den Arm 26. Der Mittel abschnitt des Widerstandes befindet sich auf dem inneren Be reich der Platte 14, wie bei 48 gezeigt. Der Abschnitt 48 bildet somit einen Teil eines vollständigen Kreises zwischen dem Widerstandausgang 50 und dem Widerstandausgang 42, der auf der Polysiliciumschicht 12 getragen wird.

Die Polysiliciumschicht 16 des dazugehörigen Sensorelementes besitzt auch einen Heizwiderstand 54 mit einem Mittelab schnitt 56, der die Peripherie umgibt. Der Mittelabschnitt 56 bildet einen Teil eines vollständigen Heizwiderstandskreises für den Widerstand 54, der sich von dem Heizausgang 58 zum Heizausgang 60 erstreckt.

Der Mittelabschnitt der Platte 16 trägt einen Mittelabschnitt des Widerstands 62. Die Sensorwiderstandsausgänge für den Wi derstand 62 sind bei 66 und 68 gezeigt. Diese entsprechen den Ausgängen 50 und 52 des dazugehörigen Sensorelementes.

Eine Katalysatorschicht 70 wird auf der Polysiliciumschicht 16 abgeschieden. Es wird aber kein Katalysator auf der ent sprechenden dazugehörigen Polysiliciumplatte 14 abgeschieden.

Es ist ersichtlich, daß jede Sensorplatte zwei Platinwider stände trägt. Die Widerstände 38 und 54 dienen als Heizein richtungen und die Widerstände 46 und 62 als Thermometer. Die Anordnung des Heizmusters an der Peripherie der Platten, wo bei das Thermometermuster sich am Zentralabschnitt jeder der Platten befindet, schafft eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf jeder der Platten. Die hohe thermische Leitfähigkeit des Polysiliciummaterials kompensiert den thermischen Energiever lust an das umgebende Gas, wodurch der Temperaturabfall im Zentrum jeder der Platten minimiert wird. Der Widerstand des Temperaturmeßleiters ist bevorzugt zehnmal größer als derje nige der elektrischen Verbindung, die durch Erstrecken des Platin-Widerstandsmaterials auf die vier Polysiliciumarme für jede sensorelementplatte geschaffen wird.

Wie aus den Fig. 2A-2F ersichtlich, werden die Platten und Platinwiderstände durch eine Schicht Siliciumnitrid zur Passivierung, mit Ausnahme der Ausgänge, an denen ein elek trischer Kontakt durch Anbringen von Drähten hergestellt wer den kann, überzogen.

In den Fig. 2A-2F sind verschiedene Herstellungsschritte illustriert, die bei der Herstellung des Sensors durchgeführt werden. Die Fig. 2A zeigt die Ausgangsmaterialien, die einen massiven Siliciumrahmen 10 umfassen. Auf dem Siliciumrahmen 10 wird eine Polysiliciumschicht 12 und eine entsprechende Schicht 72 auf der anderen Seite des Rahmens 10 abgeschieden. Wie auch in der Fig. 2A angegeben, wird der Rahmen 10 auf beiden Seiten durch eine Siliciumnitridschicht 74 und eine Siliciumnitridschicht 75 passiviert. Die Dicke des Silicium nitrids kann etwa 1000 Angström sein. Die Polysiliciumschich ten 12 und 72 können etwa 2 nm Dicke haben. Das Polysilicium wird unter Verwendung eines Standardniedertemperaturabschei dungsprozesses hergestellt, der einen Körper oder Platte niedriger Restspannung herstellt. Jede Platte 14 und 16 kann 800 Mikron oder mehr breit sein, wobei die tragenden Arme 40 Mikron oder weniger breit sein können.

Die in Fig. 2B gezeigte Platten 16 und die in Fig. 2B gezeig ten Arme 36 und 32 werden durch Photolithographie und selek tives Plasmaätzen ausgebildet. Das Ätzen entfernt das Poly siliciummaterial, aber nur teilweise das darunter liegende Siliciumnitrid 74. Nach dem Ätzverfahren wird die in Fig. 2B dargestellte Struktur durch Aufbringen einer Siliciumnitrid schicht 78 auf die Platte 16 und die Polysiliciumschicht 12 passiviert. Diese SiN-Schicht 78 bedeckt die Arme 32 und 36 und auch die nicht in der Querschnittsansicht der Fig. 2 dargestellten Arme 34 und 38.

Die Stützarme für die Platten sind absichtlich in einem ge wundenen Pfad angeordnet, um sie zu verlängern, wodurch die Wärmeleitung auf den Siliciumrahmen minimiert wird. Der Schutzumfang soll jedoch nicht auf Sensoren mit Armen irgend einer speziellen Länge oder Form eingeschränkt sein.

Nach Abscheiden der SiN-Schicht 78 wird ein Metallfilm, be vorzugt ein Platinfilm, bevorzugt 1000 Angström dick, unter Verwendung eines bekannten Elektronenstrahlabscheidungsver fahrens oder eines Funkenabscheidungsverfahrens aufgebracht. Der Metallfilm wird durch eine konventionelle Photolithogra phietechnik in einem Muster hergestellt. Falls erwünscht, kann ein 100 Å-Film aus Titan oder Chrom abgeschieden werden, bevor das Platin abgeschieden wird, da Titan und Chrom als Haftvermittler dienen.

Nachdem der Metallfilm in einem Muster aufgebracht wurde, wird er naßgeätzt, wodurch die Heizeinrichtung und die Tempe raturmeßleiter 56 und 64 jeweils definiert werden. Die Wider stände für die Heizeinrichtung und den Temperatursensor be finden sich vollständig auf der Oberfläche der Siliciumni tridschicht jeder Platte 16 und der SiN-Schicht 74. Dies ver hindert Diskontinuitäten, die auftreten, wenn das Metall auf unterschiedlichen Ebenen aufgebracht würde. Variationen im elektrischen Widerstand der Metallmuster können so minimiert werden. Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen unter Stick stoff, bevorzugt zwei Stunden bei 600°C, kann eingesetzt werden, um den Widerstand zu stabilisieren und den Tempera turkoeffizienten des Widerstands (TCR) der Leiter zu stabili sieren.

Eine weitere Schicht Siliciumnitrid wird sodann auf der Plat te abgeschieden, um die Platinwiderstände, wie bei 76 in Fig. 2B gezeigt, zu passivieren. Diese Passivierung wird an den Kontaktteilen entfernt, wie in Fig. 2E bei 58 und 66 gezeigt. Sie wird durch Lithographie und Plasmaätzen unter Verwendung von SF₆-Material, einem wohlbekannten Plasmaätzmittel, ent fernt.

Die bei 79 und 80 in Fig. 2E gezeigten kleinen Öffnungen wer den hergestellt, wenn die siliciumnitridschichten an diesen mit den Bezugszeichen 74, 76 und 78 identifizierten Regionen durch Plasmaätzen entfernt werden, wodurch das Siliciumsub strat 10 im Bereich der Öffnungen 79 und 80 freigelegt ist. Eine Durchgangsöffnung durch die Schichten 72 und 75 auf der anderen Seite des Wafer oder Platte wird ebenfalls durch Ver wendung der Photolithographie oder des Plasmaätzens herge stellt. Das massive Silicium auf dem Substrat 10 wird durch Kaliumhydroxid so lange naßgeätzt, bis die Polysiliciumplatten und die durch die Nitridschichten geschützten Arme vollstän dig freigesetzt sind. Dies wird in den Querschnittsansichten der Fig. 2F illustriert.

Wie in Fig. 2F bei 84 gezeigt, kann ein Katalysatormaterial aufgebracht werden, um die in Fig. 1 dargestellte Schicht 70 herzustellen. Das Katalysatormaterial kann eine Schicht Edel metall, wie Platin oder Paladium sein, die durch eine Abdeck maske aufgebracht wird. Ein bevorzugtes Verfahren kann die Verwendung einer mit einem Katalysator imprägnierten Pulver aufschlämmung oder eine Sol-Gellösung mit einem Katalysator umfassen. Ein gesteuertes Volumen der Sol-Gellösung - falls dies die verwendete Abscheidungsmethode ist - kann über die Platte mit einer Mikrospritze getropft werden. Aufgrund der Gegenwart der Polysiliciumarme und der Öffnungen im umge benden Nitrid ist die durch die Lösung benetzte Fläche durch die Platte selbst begrenzt. Die Menge auf der Platte abge schiedenen Katalysators kann so exakt gesteuert werden. Das Lösungsmittel kann durch Erhitzen entfernt werden.

Der Katalysator kann auch auf der Rückseite der Platte 16 mit der gleichen Abscheidungstechnik, die zur Überziehung der Oberseite verwendet wurde, abgeschieden werden. So wird die aktive Sensor-Fläche verdoppelt, da die brennbaren Moleküle im Gas in einer Abgasumgebung durch die Öffnungen auf jeder Seite der Polysiliciumarme zur Rückseite der Platte diffun dieren können. Dies ist ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber Konstruktionen nach dem Stand der Technik, die eine Membran zur Abstützung der Widerstandelemente und des Kataly sators verwenden, wobei keinerlei Maßnahmen, die Unterseite der Membran und die Widerstände für die brennbaren Gase zu gänglich zu machen, getroffen werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, der bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht realisiert wird, stammt aus der Verwendung von Stützplatten niedriger Restspannung. Diese können leicht durch die Verwendung von Polysilicium hergestellt werden. Diese Platten können demzu folge thermischen zyklischen Belastungen ohne Zerstörung wi derstehen.

Zur Verdeutlichung wurden in den Fig. 2A-2F die Verfahrens schritte zur Herstellung der Sensorplatte 16 gezeigt. Das verfahren zur Herstellung der Sensorplatte 14 ist das gleiche wie das für die Herstellung der Sensorplatte 16, außer daß der Schritt der Aufbringung eines Katalysators auf die Sen sorplatte 14 nicht durchgeführt wird.

Fig. 3 zeigt den funktionellen Zusammenhang zwischen der Kon zentration verschiedener Gase in der über den Sensor fließen den Gasmischung und den Widerstandsdifferenz der beiden Tem peraturmeßwiderstände. Der aktive Meßwiderstand und der Refe renzmeßwiderstand können über eine Wheatstone-Brücke mit zwei externen Widerständen, die etwa den gleichen Widerstandswert wie der Referenzwiderstand besitzen, angeschlossen werden. Demzufolge kann der Temperaturanstieg der durch die Reaktion der brennbaren Gase mit dem Katalysator entsteht, aus der die Brücke aus dem Gleichgewicht bringenden Spannung abgeleitet werden, wobei die ursprünglichen Widerstandswerte bekannt sind. Der Temperaturanstieg, der eine Widerstandsänderung für jedes der in Fig. 3 dargestellten Gase liefert, ist auf der rechten Ordinate der Darstellung angegeben. Die Temperatur änderung wird aus der Änderung des Widerstandes im Thermo meterwiderstand und seinem vorher gemessenen Temperaturko effizient des Widerstandes bestimmt. Der Widerstand beider Widerstände kann durch die nachfolgenden Gleichungen re präsentiert werden:

R_catalytic = R₀ (1+α(T+ΔT_comb))
R_reference = R₀ (1+αT)

In diesen Gleichungen ist R₀ der Widerstand bei 0°C; α ist der Temperaturkoeffizient des Widerstandes, T ist die Betriebstemperatur in °C und ΔT_comb ist der Anstieg der Tem peratur, der die Oxidation der brennbaren Gase auf der kata lytischen Schicht erzielt wird. Die beiden Gleichungen können für ΔT_comb wie folgt gelöst werden:

ΔT_comb = (R_catalytic-R_reference)/αR₀ = ΔR/αR₀

Wie oben erläutert, wird das darunterliegende Siliciumnitrid teilweise in den in Fig. 2B beschriebenen Verfahrensschritten unter Verwendung von Photolithographie und selektivem Plas maätzen entfernt. Es handelt sich dabei um bekannte Techni ken. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf einen Text von Roy A. Cole Colclaser mit dem Titel "Microelectro nics Processing and Device Design" herausgegeben durch John Wiley and Sons 1980 Kapitel 2, bezug genommen werden. Es können verschiedene Techniken zur Aufbringung eines Platin films eingesetzt werden. Bevorzugt kann ein Film mit ungefähr 100 nm Dicke durch ein Elektronenabscheidungsverfahren unter Argon nach einem ionenablösungsschritt aufgebracht werden, wobei letzterer etwa 20 nm des oberen Siliciumnitridfilmes entfernt, um die Adhäsion des Platins am Substrat zu verbes sern. Falls erwünscht, kann ein Film einer Titan/Platinzusam mensetzung aus einer 10 nm Titanschicht und einer 100 nm dicken Platinschicht unter Verwendung eines Elektronenstrahl abscheidungsprozesses aufgebracht werden.

Die Widerstände werden durch Lithographie und Naßätzen, wie oben erläutert, aufgezeichnet. Sie können sodann bei 600°C unter Stickstoff wärmebehandelt werden, um ihre Widerstands- und Temperaturkoeffizienten zu stabilisieren. Die Sensorplat ten können sodann, wie oben erläutert, überzogen werden, ge folgt durch wärmebehandeln bei etwa 500°C. Weitere Behandlun gen durch Elektronensputtern oder andere Verfahrensschritte, die sich auf die Aufbringung des Katalysators beziehen, können in der Bezugspublikation von Roy Colclaser in Kapitel 6 gefunden werden.

Während des unter Bezugnahme auf Fig. 2F beschriebenen Ver fahrensschrittes wird das massive siliciummaterial geätzt. Die Siliciumnitridbeschichtung 74, die in den Verfahrens schritten, die unter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 2B be schrieben wurden, aufgebracht wurde, schützt die Polysilici umplatte 16 davor, während der endgültigen Ätzoperation für das massive Siliciummaterial unter Verwendung von Kaliumhy droxid geätzt zu werden.

Obige detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung soll erfindungsgemäße Merkmale der Erfindung erläutern. Für jeden Fachmann ist ersichtlich, daß Modifikationen, Zusätze und Substitutionen in der beschriebe nen Ausführungsform ohne Abweichungen vom Schutzumfang der Erfindung möglich sind.

Bezugszeichenliste

10 Siliciumrahmen
12 Polysiliciumschicht
14 Polysiliciumplatte
16 Polysiliciumplatte
18 Öffnung in 12
20 Öffnung in 12
22 Polysiliciumarm
24 Polysiliciumarm
26 Polysiliciumarm
28 Polysiliciumarm
30 Polysiliciumarm
32 Polysiliciumarm
34 Polysiliciumarm
36 Polysiliciumarm
38 Platin-Heizwiderstand
40 Ausgang
42 Ausgang von 38
44 Mittelabschnitt des Widerstands
46 Temperaturmeßwiderstand von 14
48
50 Widerstandsausgang 50
52
54 Heizwiderstand
56 Mittelabschnitt d. Temperaturmeßleiters,
58 Heizausgang
60 Heizausgang
62 Meßwiderstand
64 Temperaturmeßleiter von 16
66 Sensorausgang
68 Sensorausgang
70 Katalysatorschicht auf 16
72
74 SiN-Schicht
75 SiN-Schicht
76 SiN-Schicht
78 SiN-Schicht
79 Öffnung
80 Öffnung
82
84

Claims

1. Mikrokalorimeter zur Messung der Konzentration brennbarer Gase in einem fließenden Gasstrom, das

- ein Paar Temperatursensorelemente, von denen jedes einen ebenen Körper aufweist;
- einen Sensorträger (10), der das Sensorelement umgibt;
- ein durch die ebenen Körper abgestütztes Widerstands thermometer und einen Heizwiderstand, Trägerarme (22-36), die sich von jedem ebenen Körper (14, 16) zum Sensorträger (10) erstrecken, wodurch die ebenen Körper (14, 16) angebunden und unter einem bestimmten Abstand zum Sensorträger (10) angeordnet sind, wodurch die ebenen Körper (14, 16) thermisch isoliert sind; und
- ein Katalysatormaterial (70), das durch eines der Sensorelemente (16) getragen wird, wodurch auf dem Sensorelement (16) durch die Verbrennungswärme der brennbaren Gase eine andere Temperatur auftritt,

aufweist.

2. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Temperatursensorelement

- eine Polysiliciumplatte (14, 16), einen Siliciumrahmen (10), und mindestens eine Öffnung (18, 20) im Siliciumrahmen (10) aufweist,
- die Polysiliciumplatte (14, 16) durch den Rahmen (10) abgestützt und jede Polysiliciumplatte (14, 16) über einer Rahmenöffnung (18, 20) angeordnet ist;
- eine über der Basis angebrachte Polysiliciumschicht, die die Platten (14, 16) umgibt;
- Stützarme (24-36) die Platten (14, 16) mit der Polysiliciumschicht (12) verbinden, wodurch die Platten (14, 16) abgestützt und so Gasflußpassagen durch den Sensor bilden und die Platten (14, 16) thermisch von der Schicht isolieren;
- elektrische Widerstände auf jeder Platte, die ein Widerstandsthermometer (46, 64) und einen Heizwiderstand (38, 54) definieren; und
- auf mindestens einer Seite der Platten (14, 16) abgeschiedenes Katalysatormaterial (70), wo die Verbrennungswärme der brennbaren Gase detektiert werden kann,

aufweist.

3. Mikrokalorimeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (46, 64, 38, 54) auf der Polysiliciumschicht (12) angebracht sind und sich über die Stützarme (22-36) auf eine Oberfläche der Po lysiliciumplatten (14, 16) erstrecken, wobei der Heizwiderstand jeder Polysiliciumplatte (14, 16) die Widerstandsthermometer (46, 64) jeder Platte (14, 16) umgibt, wodurch jedes Sensorelement gleichmäßig erhitzt wird.

4. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorträger (10) und die ebenen Körper (14, 16) mit einer Siliciumnitridpassivierungsschicht (78) bedeckt sind.

5. Mikrokalorimeter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände und der Sensorträger (10) durch eine gemeinsamen Siliciumnitridpassivierung bedeckt sind.

6. Mikrokalorimeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (14, 16) und die Polysiliciumschicht (12) mit einer Siliciumnitridschicht (74) bedeckt sind, wobei die Siliciumnitridschicht (74) zwischen der Polysiliciumschicht (12) und dem Siliciumrahmen (10) angeordnet ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Mikrokalorimeters zur Messung der Konzentration brennbarer Gase in einem fließenden Gasstrom, gekennzeichnet durch:

- Aufbringen einer Siliciumnitridschicht auf einem Siliciumrahmen;
- Abscheiden einer Polysiliciumschicht auf der Siliciumnitridschicht;
- partielles Entfernen des Polysiliciums durch Photolithographie und- selektives Plasmaätzen unter Ausbildung der Polysiliciumsensorplatten mit diese umgebenden Öffnungen und Plattenträgerrahmen, die sich von den Sensorplatten zur umgebenden Polysiliciumschicht erstrecken;
- Aufbringen einer Siliciumnitridschicht auf die Platten, Arme und die Polysiliciumschicht;
- Abscheiden eines Metallmusters auf der Siliciumnitridschicht, die Heizwiderstände und Widerstandsthermometer definiert;
- Passivieren der Widerstände mit einer Siliciumnitridbeschichtung;
- Entfernen der Passivierung der Widerstände an Kontaktbereichen durch Einsatz von Lithographie und Plasmaätzen, wobei die Passivierungsentfernung auch Siliciumnitridmaterial zwischen den Sensorplatten und der Polysiliciumschicht entfernt, um offene Räume, die die Sensorplatten umgeben, herzustellen;
- Entfernen des Siliciums der Siliciumbasis direkt neben den Sensorplatten durch Naßätzen, wodurch die Sensorplatten durch Arme suspendiert und thermisch von der Basis und der Polysiliciumschicht isoliert werden; und
- Aufbringen eines Katalysatormaterials auf eine der Sensorplatten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmuster Metall-Abscheidungen auf den Armen, den Sensorplatten und auf der umgebenen Polysiliciumschicht umfaßt, wodurch Thermometer- und Heizwiderstandskreise für jede Sensorplatte definiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand den Thermometerwiderstand auf den Sensorplatten umgibt, wodurch die Sensorplatten gleichmäßig erhitzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial auf jede Seite der Sensorplatte aufgebracht wird.