JP2011069823A - パッシベーションを用いずにセンサデバイスを製造する方法並びにセンサデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを低くしつつ、傷から保護されるセンサデバイスを提供すること、およびこのようなセンサデバイスを製造する方法を提供すること。
【解決手段】成形体と成形体上に被着されているピエゾ抵抗センサ層とを有しており、ピエゾ抵抗センサ層は少なくとも１つの金属並びに炭素または炭化水素を含んでおり、ピエゾ抵抗センサ層上で薄膜パッシベーション層およびコンタクト層が省かれる、センサデバイス。
【選択図】図５

Description

本発明は、センサデバイスの製造方法およびセンサデバイス、殊に薄膜高圧センサに関する。ここでこのセンサデバイスはセンサ層が層の終りの部分であり、従って、このセンサ層上にパッシベーション層を用いる必要がなく、有利にはセンサ層上にコンタクト層を用いる必要もない。殊に本願発明のセンサデバイスは、自動車産業において、車両内に組み込まれる。

従来技術の圧力センサ内ではしばしば、構成部分の表面での変形を測定するためにひずみゲージ（ひずみ測定ストリップ（ＤＭＳ））が使用されてきた。ひずみゲージは、伸びる変形を検出するための測定装置である。ひずみゲージは、僅かな変形であっても自身の電気抵抗を変え、これはセンサ内の変形の尺度として用いられる。ひずみゲージは、構造化されたセンサ層または機能層に基づいている。この層は、厚膜技術または薄膜技術を用いて、絶縁性の伸張する基板または絶縁体が積層された伸張する基板上に被着されたものである。ＤＭＳ技術の原理に基づく圧力センサは典型的に、空洞または中空体（凹入部）を有している。これは、ダイアフラム状の構造体によって閉じられている。圧力下にある媒体によって、このダイアフラムが変形すると、結果としてダイアフラム表面が伸張する。このダイアフラム表面は典型的に、ＤＭＳと同様の機能層で覆われている。ピエゾ抵抗効果によって、ダイアフラムの変形は機能層の電気抵抗を変化させる。このような４つのピエゾ抵抗をメアンダ状幾何学形状で、平型抵抗として構造化して、ホイートストンブリッジに従って相互に接続することが既知である。このような回路によって、ブリッジ抵抗は非常に正確に測定される。これは、安定した給電電圧を供給し、相応の測定点でオフセット電圧を検出することによって行われる。この関連における特徴的なパラメータはｋファクターである。このファクターは、相対的な抵抗変化と機能層ないしは基板の伸張との比である。

高圧センサは典型的に、高い剛性の鋼合金から製造されており、圧力測定領域において、可逆的に変形する金属ダイアフラムを有している基板をベースにしている。このような鋼ダイアフラムにセンシングエレメントが設けられる。このセンシングエレメントは例えば、金属薄膜を用いた圧力センサの場合には、ＰＶＤ法（物理気相成長法）またはＣＶＤ法（化学気相成長法）によって析出され、フォトリソグラフィエッチング方法等の、マイクロエレクトロニクスから公知の方法によって構造化される。

精度の高い高圧センサの場合に特に有利なセンサ層または機能層は典型的に、温度および圧力に関してできるだけ一定のｋファクターを有している。このｋファクターはさらに、寿命にわたって非常に高い安定性を有している。ＮｉＣｒＳｉベースの抵抗は、この関連において特に優れているが、約２の領域における低いｋファクターの値を有しており、ひいてはむしろホイートストンブリッジ回路の一層低いオフセット信号を有している。この機能層は潜在的に湿気侵入並びに機械的な傷の影響を受けやすいので、典型的に、窒化シリコンによるパッシベーションが行われる。機械的な保護機能が、酸化シリコンの層から形成されてもよい。

薄膜技術に基づいている高圧センサは典型的に、次のような層構造を有している。この層構造は殊に、低いｋファクターを備えた構造化されたピエゾ抵抗金属薄膜（これは例えば約２のｋファクターを備えているＮｉＣｒＳｉ）と、機械的損傷に対する保護層としてのパッシベーション層とから成る。パッシベーション薄膜が無い場合には、センサエレメントは、製造プロセス中に最大の注意をもって、傷から保護されなければならないだろう。しかし、このような注意のために特別な工具が使用され、センサエレメントに対して全自動の取り付けおよび操作ステーションが使用されるので、製造コストが格段に上昇してしまう。

自動車産業では、高圧センサが殊に燃料システム、電子油圧式ブレーキおよびエレクトロニック・スタビリティ・プログラム（ＥＳＰ）に対して使用されている。最大圧力は、ディーゼル燃料用コモンレールシステムの関連において生じ、これはシステムに応じて１５００〜２２００ｂａｒの間であるが、部分的にはこれを越えることがある。自動車領域における安全に関する全てのアプリケーションに対しては、ｐｐｍ領域における不良品発生率ですら許されない質が要求される。従って、センサエレメントの操作は、ピエゾ抵抗機能層に意図せずに接触すること無く行われなければならない。殊に機能層のメアンダ領域における傷および外部材料は自動車内への組み込み後にも高圧センサの故障を引き起こし得るので、特に回避されるべきである。

文献から次のことが既知である。すなわち、１０よりも大きいｋファクターを有する択一的なピエゾ抵抗機能層が存在することが既知である。さらにＮｉを含有する炭化水素層が確認されている。これは、高いｋファクターの他に、抵抗および感度の低い温度係数を有する。ＤＥ１９９５４１６４Ａ１号は、このような炭化水素層を開示している。Schultes等著の文献である、G. Schultes, P. Frey, D. Goettel, O. Freitag-Weber著「Diam. Rel. Mat. 15」(2206) 80-89) によると、このような層は特に有利には、アルゴンとエチレン／エタンの混合物をスパッタチャンバ内に供給することおよび、基板温度を約３００℃まで高めることによってエネルギーを供給することによって製造される。これは、基板バイアス電圧または場合によってはできるだけ高いスパッタパワーを用いることによってサポートされる。

さらに、硬質物質の層が耐摩擦特性を有する保護層として存在することが以前から知られている。これは有利には、いわゆるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層の使用によって実現される。これらの層は摩滅防御を提供し、例えば機械的な操作または表面に接触することによって生じる傷を回避するために改良部として用いられる。

独国特許出願公開第１９９５４１６４号明細書

G. Schultes, P. Frey, D. Goettel, O. Freitag-Weber,「Diam. Rel. Mat．15」(2206) 80-89頁

製造コストを低くしつつ、傷から保護されるセンサデバイスを提供すること、およびこのようなセンサデバイスを製造する方法を提供すること。

上述の課題は、成形体と当該成形体上に被着されているピエゾ抵抗センサ層とを有しており、当該ピエゾ抵抗センサ層は少なくとも１つの金属並びに炭素または炭化水素を含んでおり、前記ピエゾ抵抗センサ層上で薄膜パッシベーション層およびコンタクト層が省かれる、ことを特徴とするセンサデバイスによって解決される。また、上述の課題は、成形体を供給するステップと、少なくとも１つの金属並びに炭素または炭化水素を含むピエゾ抵抗センサ層を前記成形体の上に析出するステップとを有しており、ここで前記ピエゾ抵抗センサ層上で薄膜パッシベーション層およびコンタクト層を省き、さらに、前記センサデバイスのピエゾ抵抗センサ層を接触接続させるためにワイヤーボンディングするステップとを有している、ことを特徴とするセンサデバイスを製造する方法によって解決される。

薄膜パッシベーション層を有する、従来技術の高圧センサ 薄膜パッシベーション層とコンタクト層を有する、従来技術の高圧センサ 従来技術の高圧センサ内のセンサ層の構成 本発明によるセンサデバイスの実施例 接触接続を備えた本発明によるセンサデバイスの実施例

本発明ではセンサデバイスが提案される。このセンサデバイスは成形体と、当該成形体上に被着されたピエゾ抵抗センサ層とを含んでいる。ピエゾ抵抗センサ層はここで少なくとも１つの金属並びに炭素および／または炭化水素を含んでおり、センサデバイスないしはセンサデバイスの層構造の終端部を成す。

有利には、センサ層の材料の選択に基づいて、センサ層上の、終端部となる薄膜パッシベーション層を省くことができる。さらに有利には、センサ層との接触接続のための付加的なコンタクト層を省くことができる。

センサデバイスは、４０〜１００００ｂａｒの領域の圧力、殊に１００〜３５００ｂａｒの圧力用の薄膜高圧センサであってよい。

成形体は金属製の成形体であってよい。この成形体は、成形可能な金属ダイアフラムを備えた基板を含んでいる。ここでピエゾ抵抗センサ層とこの金属ダイアフラムとの間には絶縁層が被着されている。これによって成形体とセンサ層が相互に電気的に絶縁される。

ピエゾ抵抗センサ層の材料を選択することによって有利には、ｋファクター５〜１００、有利には１０〜２５を備えたセンサ層を使用することが可能になる。すなわちセンサ層は特に、変形に対して敏感であるように選択され、従って非常に小さい変形も検出する。

ピエゾ抵抗センサ層は有利には金属クラスターを含有した炭素層を含んでおり、殊に無定形態炭素における金属クラスターまたはグラファイトマトリクス内に埋め込まれた金属クラスターを含んでいる。これらの構造によって、特に硬く、ピエゾ抵抗性のセンサ層を構成することができる。これは同時に、測定に及ぼす湿気の影響も最小化する。

金属クラスターはＮｉ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｗ，Ｃｒ，Ｃｏ並びにこれらの組み合わせから成る。

ピエゾ抵抗センサ層は、少なくとも１つの金属および炭素／炭化水素から成り、３０〜７０ａｔ％の金属を有しており、有利には４５〜５５ａｔ％の金属を有しており、さらに有利には５０〜５５ａｔ％の金属を有している。この金属は殊に有利にはニッケルである。なぜなら、これはセンサ層の特性、例えばｋファクターおよび抵抗、オフセットおよび感度の温度係数並びに寿命安定性に特に有利に影響を与えるからである。

ピエゾ抵抗センサ層は、ひずみゲージから構成されており、有利にはホイートストンブリッジの形状で配置された４つのひずみゲージから構成される。

さらに、センサデバイスを製造する方法を提案する。この方法は以下のステップを有している：金属製またはセラミック製の成形体を供給するステップ；
この金属製成形体の上に絶縁層を析出するステップ；
この絶縁層の上に、少なくとも１つの金属並びに炭素および／または炭化水素を含んでいるピエゾ抵抗センサ層を析出するステップ；
センサデバイスのこの層体系をこのピエゾ抵抗センサ層で終端させるステップ；
センサデバイスのこのセンサ層を接触接続させるためにワイヤーボンディングするステップを有している。

ここで、ワイヤーボンディングの間、センサ層は直接的に、別のコンタクト層を用いずに接触接続される。すなわち本発明の方法では、薄膜パッシベーション層およびコンタクト層を省くことができる。これによって製造プロセスが格段に容易になり、製造コストが低減される。

本発明は、金属ダイアフラムをベースにした高圧センサの低コストの層構造を実現する。これは、パッシベーション層および／またはコンタクト層を用いなくても、マイクロメカニカル技術によって製造されたセンサエレメントの電気的な較正と圧力センサ全体への完成との間の製造段階において、高い感度のメアンダ状構造体の機械的な傷に対して頑強である。

提案したセンサエレメントの耐摩擦特性およびピエゾ抵抗特性の故に、センサエレメントは殊に傑出して、自動車産業領域における高い要求に適している。これは例えば車両の燃料システム、電子油圧式ブレーキおよびエレクトロニック・スタビリティ・プログラム（ＥＳＰ）である。

本発明を以下で、実施例に対応する図面に基づき、より詳細に説明する。

以下で本発明を図面に基づき詳細に説明する。この実施例は単なる例であり、本願発明は、薄膜高圧センサに制限されない。

図１は、従来技術の高圧センサエレメントの概略的な構造の横断面図である。ここで高圧センサエレメントは、金属ダイアフラム２をベースにしている。しかしセラミックダイアフラム２も使用可能である。この構造体は以下のように構成されている：参照番号１および２は成形体をあらわしている。これは有利には金属製の成形体である。これは有利にはモノリシックに構成されている。参照番号１は金属基板、有利には鋼基板である。この基板はダイアフラム２を含んでいる。このダイアフラムは、成形体の中空体を閉鎖している（凹入部を形成している）。図１では成形体１、２はブリッジ形状を有している。ここでダイアフラム２は元来の橋の部分である。金属ダイアフラム２の場合には、ダイアフラム２の上にまずは、電気的絶縁層３が設けられる。この絶縁層は、センサ層４（以降では機能層４とも称する）と基板１との間の導電性接続を阻止する。図１のパッシベーション層５は、湿気の侵入および、処理および製造ステップ時の意図しない機械的影響による機能層４の機械的な破壊ないしは機能層４の傷を阻止する。

図２は、従来技術において機能層４がどのように接触接続されているのかを示している。制限するものではないが、有利には、４つのひずみゲージが、１つのホイートストンブリッジにまとめられている（図３も参照）。薄膜パッシベーション部分５によって、接触接続されていない機能層ないしはひずみゲージ４のみが覆われている。他の部分を接触接続するために、別の薄膜６、７が、コンタクトスタックの形状で、対応する機能層４上に被着される。まずは、例えばＣｒまたはＡｌまたはＰｄから成る付着層６が、対応する機能層４上に被着される。次にこの付着層６上に、Ａｕ，Ａｌ，ＮｉまたはＦｅＮｉ等から成るボンディング層７が続く。参照番号８、９はコンタクトをあらわす。このコンタクトはボンディングワイヤーから成る。これは殊に、例えばウェッジであるボンディングパッド８およびボンディングワイヤー９によって特徴付けされる。これらは有利にはＡｌ，Ａｕ，Ｃｕまたはこれらエレメントの組み合わせから成る。ここで接触接続は有利には、ダイアフラム２の領域外で行われる。接触接続されていない機能層４は、図１および２においては、薄膜パッシベーション部５で終わっている。図２における接触接続されている機能層４の層構造はボンディング層７で終わっている。このボンディング層７の上には、ボンディングワイヤー８、９が接触接続するように取り付けられている。

図３は、従来技術の金属薄膜ベースのセンサエレメントの概略図である。センサ層ないし機能層４はここで、メアンダ状の構造で被着されており、接続されて１つのホイートストンブリッジを形成している。ここでこのホイートストンブリッジには例えばコンタクト点１０’および１０’’’’を介して電圧が供給される。ブリッジ出力電圧は、コンタクト点１０’’と１０’’’との間で形成され、加えられた媒体の圧力に依存する、センサエレメントの出力信号となる。軟らかいメアンダ構造の生じ得る損傷を傷１１として示す。この傷は機能層４の特性を変え、センサエレメントを故障させる恐れがある。

図４は、金属クラスターをベースとした機能層４を有する本発明のセンサエレメントを示している。この機能層は、硬い材料の層の特性と組み合わされた高いｋファクターを特徴とし、別の薄膜ベースのパッシベーション層を有していない。

驚くべきことに、金属クラスターをベースにした機能層４上に直接的に接触接続を形成することができる。これは例えば、適切なワイヤー、例えば１２５μｍのアルミニウム製の太いワイヤーを使用して行われる。すなわち、コンタクト層６，７から成る積層体はもはや必要ではなく、直接的に機能層４と接触接続させることができる。これによってセンサエレメントの層構造が著しく容易になる。しかも、センサエレメントの表面の傷に関する付加的なリスクは生じない。すなわち本発明の機能層４は、センサエレメントの層構造終りの部分である。さらなる薄膜層または厚膜層は続かず、機能層４上のさらなる層は必要ではない。換言すれば、機能層４は、センサエレメントの層構造を末端に位置している。図５に示されているように、機能層４を接触接続するためのワイヤーボンディングプロセスのみが行われる。接触接続は、コンタクト層を用いずに、直接的に機能層４上に、ワイヤーによって行われる。このワイヤーは有利にはボンディングパッド８およびワイヤー９自体から成る。ワイヤー９およびボンディングパッドは有利にはＡｌ，Ａｕ，Ｃｕまたはこれらの組み合わせから成る。

機能層の材料の硬質材料特性によって、不所望な傷および機械的な損傷の回避がサポートされ、ロバストな製造過程が実現される。

有利には、金属ダイアフラム２の上に直接的に絶縁層３、主にＳｉＯ_ｘが設けられる。４つのひずみゲージ４は絶縁層３上に配置されている。

これはホイートストンブリッジを形成する。このホイートストンブリッジは、個々のメアンダ４の抵抗変化に対して非常に敏感である。

本願の中心部分は、従来技術の金属薄膜を交換することである。これは例えばＮｉＣｒＳｉ機能層４であり、金属クラスターを含有するピエゾ抵抗層によって交換される。これは、ｋ＝５〜１００、有利には１０〜２５の間の高い補強ファクター（Verstaerkungsfaktor）も、特別な耐摩擦特性も特徴として有している。

金属クラスターを含有する炭素層は殊に、無定形態炭素内でのＮｉクラスターによって、並びにグラファイトマトリックス内に埋められたニッケルクラスターによって実現される。３０〜７０の間のアトミックパーセントの金属、有利にはニッケルと、７０〜３０のアトミックパーセントの炭素の層組成が適切なようである。この層組成は炭素の代わりに、炭化水素を含んでいてもよい。殊にこれは、４５〜５５ａｔ％の金属、有利にはニッケルを有しており、さらに有利には５０〜５５ａｔ％の金属の金属、有利にはニッケルを有している。なぜならこのようなやり方で、硬質材料特性とピエゾ抵抗特性とを備えた層が実現されるからである。これは、感度および電気抵抗の低い熱係数並びに十分な湿気防御を特徴とする。

さらに、炭素内のＰｔクラスター並びにＡｕ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｗ，Ｃｒ，Ｃｏ等の別の金属クラスターの列、並びにこれらの組み合わせも適している。これらは組成、クラスター数およびクラスターサイズに関して異なっており、反応スパッタ方法によって生成される。

本発明の高圧センサは、４０〜１００００ｂａｒの領域、有利には１００〜３５００ｂａｒの領域の圧力に適している。

機能層４に対する上述した材料は本願ではじめて、硬質材料特性を使用して、ピエゾ抵抗機能特性と組み合わせてセンサエレメント内で使用される。ここでこれらの材料は、付加的に高いｋファクターが付加され、製造時の顕著なコスト上の効果を奏する。薄膜パッシベーション部を完全に省くことができる。有利には、接触接続のためのコンタクト層も省くことができる。

１ 基板、 ２ ダイアフラム、 ３ 電気的絶縁層、 ４ センサ層、 ５ パッシベーション層、 ６ 付着層、 ７ ボンディング層、 ８，９ コンタクト、 １０ コンタクト点、 １１ 傷

Claims (17)

1. センサデバイスであって、当該センサデバイスは、
   成形体（１、２）と；
   当該成形体（１、２）上に被着されているピエゾ抵抗センサ層（４）とを有しており；
   当該ピエゾ抵抗センサ層（４）は少なくとも１つの金属並びに炭素または炭化水素を含んでおり、前記ピエゾ抵抗センサ層（４）上で薄膜パッシベーション層およびコンタクト層が省かれる、
   ことを特徴とするセンサデバイス。
2. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）は金属クラスターを含有した炭素層を含んでいる、請求項１記載のセンサデバイス。
3. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）は無定形態炭素における金属クラスターまたはグラファイトマトリクス内に埋め込まれた金属クラスターを含んでいる、請求項２記載のセンサデバイス。
4. 前記センサデバイスは、４０〜１００００ｂａｒの領域の圧力用の薄膜高圧センサである、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサデバイス。
5. 前記センサデバイスは、１００〜３５００ｂａｒの領域の圧力用の薄膜高圧センサである、請求項４記載のセンサデバイス。
6. 前記成形体は金属製の成形体であり、
   成形可能な金属ダイアフラム（２）を備えている基板（１）を含んでおり、前記ピエゾ抵抗センサ層（４）と前記金属ダイアフラム（２）との間に絶縁層（３）が被着されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサデバイス。
7. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）は５〜１００のｋファクターを有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサデバイス
8. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）は１０〜２５の間のｋファクターを有している、請求項７記載のセンサデバイス。
9. 前記金属クラスターはＮｉ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｗ，Ｃｒ，Ｃｏ並びにこれらの組み合わせから成る、請求項２または３記載のセンサデバイス。
10. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）は金属と炭素から成り、３０〜７０ａｔ％の金属を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサデバイス。
11. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）はニッケルと炭素から成る、請求項１０記載のセンサデバイス。
12. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）は４５〜５５ａｔ％の金属を有している、請求項１０記載のセンサデバイス。
13. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）は５０〜５５ａｔ％の金属を有している、請求項１２記載のセンサデバイス。
14. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）は複数のひずみゲージから構成されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のセンサデバイス。
15. 前記ピエゾ抵抗センサ層（４）はホイートストンブリッジの形状に配置された４つのひずみゲージから構成されている、請求項１４記載のセンサデバイス。
16. センサデバイスを製造する方法であって、
    該方法は以下のステップを有しており：すなわち、
    成形体（１、２）を供給するステップと；
    少なくとも１つの金属並びに炭素または炭化水素を含むピエゾ抵抗センサ層（４）を前記成形体（１，２）の上に析出するステップとを有しており、ここで前記ピエゾ抵抗センサ層（４）上で薄膜パッシベーション層およびコンタクト層を省き、
    さらに、前記センサデバイスのピエゾ抵抗センサ層（４）を接触接続させるためにワイヤーボンディングするステップとを有している、
    ことを特徴とするセンサデバイスを製造する方法。
17. 前記ワイヤーボンディングの間、前記ピエゾ抵抗センサ層（４）を直接的に、別のコンタクト層を用いずに接触接続する、請求項１６記載の方法。

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