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Die Erfindung betrifft einen Gassensor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen verbesserten Gassensor auf der Basis einer dotierten Metalloxidschicht.
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Stand der Technik
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Die elektrischen Eigenschaften von dotierten Metalloxidschichten (MOX) ändern sich, wenn diese erwärmt werden. Die Art und Weise der Änderung der elektrischen Eigenschaften wird beeinflusst durch umgebende Gase und flüchtige Bestandteile, die von der MOX-Struktur aufgenommen werden. Diese Eigenschaft kann in einem Gassensor ausgenutzt werden. Dazu umfasst ein Gassensor üblicherweise eine Heizeinrichtung und eine dotierte Metalloxidschicht, die aus Isolationsgründen üblicherweise an einer Membran angeordnet sind, die sich über einen Hohlraum in einem Substrat spannt. Zum Betrieb des Gassensors wird die Membran mit der Metalloxidschicht gezielt erwärmt, während überprüft wird, wie sich die elektrischen Eigenschaften der Metalloxidschicht ändern. Auf dieser Basis kann insbesondere auf das Vorhandensein oder eine Konzentration eines vorbestimmten Gases oder eines Gases aus einer vorbestimmten Gruppe geschlossen werden.
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Eine Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Gassensors, der genauer, effizienter oder flexibler betrieben werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Gassensor umfasst ein Substrat, das einen Hohlraum begrenzt; eine am Substrat angebrachte, den Hohlraum überspannende Membran; und eine Heizeinrichtung an der Membran. Die Membran weist eine Oberseite auf, die dem Hohlraum abgewandt ist, und eine Unterseite, die dem Hohlraum zugewandt ist. An der Oberseite der Membran sind ein erstes gassensitives Material und damit in Kontakt stehende erste Elektroden angebracht, und an der Unterseite sind ein zweites gassensitives Material und zweite, damit in Kontakt stehende Elektroden angebracht.
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Durch das Anordnen zweier gassensitiver Materialien mit jeweils zugehörigen Elektroden auf unterschiedlichen Seiten der Membran kann mit wenig Aufwand entweder die sensitive Fläche eines bekannten Sensors praktisch vergrößert werden, oder eine Konstellation geschaffen werden, mit der die Messung eines Gases unterstützt oder erweitert werden kann. In der ersten Variante können auf der gleichen Fläche der Membran mehr mögliche gasfunktionale Schichten beziehungsweise Elemente oder Materialien integriert werden. Unter bestimmten Umständen kann die Heizenergie verbessert ausgenutzt werden, indem ansonsten abgestrahlte Verlustwärme durch das zweite gassensitive Material aufgenommen wird.
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In einer Variante ist ein Gasaustausch zwischen der Oberseite und der Unterseite möglich und die Materialien sind auf unterschiedliche Gase sensitiv. Ein Spektrum von Gasen, die mittels des Gassensors erfasst werden können, kann dadurch verbreitert werden. Die Gasgruppen, auf die die beiden Materialien sensitiv sind, können disjunkt sein oder eine Schnittmenge aufweisen. Die Selektivität des Gassensors kann dadurch erhöht werden. Beispielsweise kann ein Gas erfasst werden, das in der Schnittmenge liegt, wobei ein anderes Gas, das nur auf eines der beiden Materialien wirkt, im Messergebnis unberücksichtigt bleiben kann. Der Gasaustausch kann durch einen Zugang durch das Substrat geschaffen sein, beispielsweise seitlich oder von unten, oder die Membran kann eine entsprechende Aussparung tragen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Material auf ein vorbestimmtes Gas sensitiv, auf welches das zweite Material nicht sensitiv ist. In dieser Variante kann die Sensitivität des vorbestimmten Gases hergestellt sein, indem ein weiteres Gas, welches beide Materialien beeinflusst, aus dem Messergebnis entfernt wird.
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In einer anderen Variante ist der Hohlraum allseits geschlossen und mit einem vorbestimmten Gas gefüllt. Die Zusammensetzung des Referenzgases und dessen zeitliches Erwärmungsverhalten sind bevorzugt bekannt. Das Verhalten des ersten Materials, wenn es einem Gas ausgesetzt ist, kann mit dem des zweiten Materials verglichen werden. Durch das eingeschlossene Referenzgas kann eine genauere Gasmessung mit dem zweiten gassensitiven Material realisiert werden. Zudem kann ein Offset im elektrischen Signal an einem der Elektrodenpaare durch die auf der Basis des zweiten Materials aufgebaute Referenzsensorik kompensiert werden.
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Der allseits geschlossene Hohlraum kann unter einem Druck stehen, der von der Temperatur des vorbestimmten Gases abhängig ist. Um eine mechanische Belastung der Membran möglichst gering zu halten, kann ein weiterer abgeschlossener Hohlraum vorgesehen sein, wobei die beiden Hohlräume miteinander in fluider Verbindung stehen. Eine mechanische Beanspruchung der Membran aufgrund eines Drucks oder einer Druckänderung des in den Hohlräumen eingeschlossenen Gases kann dadurch verringert sein.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass der weitere Hohlraum mittels einer weiteren Membran abgeschlossen ist und die weitere Membran eine geringere Steifigkeit als die andere Membran aufweist. Insbesondere kann die weitere Membran eine größere Fläche als die erste Membran abdecken oder dünner als die erste Membran ausgeführt sein. Es ist auch möglich, dass die weitere Membran aus einem flexibleren Material als die erste Membran hergestellt ist. Dadurch ergibt sich ein flexibel abgeschlossener weiterer Hohlraum, der ein variables Volumen aufweist. Steigt der Druck des Fluids im weiteren Hohlraum an, so verformt sich die weitere Membran nach außen, sinkt der Druck ab, so verformt sie sich nach innen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizeinrichtung mittels einer ersten Isolationsschicht vom ersten gassensitiven Material und mittels einer zweiten Isolationsschicht vom zweiten gassensitiven Material getrennt. Dabei sind die Isolationsschichten derart ausgebildet, dass ihre Isolationswirkungen verschieden sind. Insbesondere können ein thermischer Widerstand oder eine absolute Wärmekapazität der Isolationsschichten unterschiedlich sein. Dazu können die Isolationsschichten unterschiedlich dick oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizeinrichtung dazu eingerichtet, entlang der Membran unterschiedlich stark zu heizen, und die gassensitiven Materialien sind entlang der Membran gegeneinander versetzt angebracht. Eine lokale Heizleistung der Heizeinrichtung kann beispielsweise von der Breite eines elektrischen Leiters abhängen, wenn die Heizeinrichtung als elektrische Widerstandsheizung aufgebaut ist. Der elektrische Leiter kann an unterschiedlichen Stellen der Membran unterschiedliche Breiten aufweisen, so dass er in den einzelnen Abschnitten auch unterschiedliche Widerstände aufweist. Allgemein steigt der Widerstand mit abnehmender Leitungsbreite an, so dass die Heizleistung in diesem Bereich ansteigt. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise einen Temperaturverlauf erzeugen, der an der Oberseite und der Unterseite im Wesentlichen gleich ist, wobei aber das erste Material eher im Bereich der höheren Temperaturen und das zweite Material eher im Bereich der niedrigeren Temperaturen angebracht ist, oder umgekehrt.
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Die unterschiedlich erwärmten gassensitiven Materialien können so bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden. Für bestimmte Kombinationen der gassensitiven Materialien können dadurch zwei vorbestimmte Temperaturen eingestellt werden, wobei jedoch nur eine von beiden aktiv gesteuert wird und die andere der gesteuerten Temperatur auf vorbestimmte Weise folgt.
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Ein Gassensor der Variante, deren Hohlraum allseits geschlossen und mit einem vorbestimmten Gas gefüllt ist, kann insbesondere mittels eines Bondprozesses hergestellt werden, der beispielsweise von der Herstellung eines Inertialsensors bekannt sein kann. Der Bondprozess kann auch Waferbondprozess genannt werden. Dabei kann beispielsweise eine Kappe mit einem Sensormodul hermetisch verbunden werden. Ein Verfahren zum Herstellen dieses Gassensors umfasst einen Schritt des Anbringens einer Membran mit einer Heizeinrichtung an einem Substrat, das einen Hohlraum begrenzt, so dass die Membran den Hohlraum überspannt, wobei an der Oberseite der Membran, die dem Hohlraum abgewandt ist, ein erstes gassensitives Material sowie damit in Kontakt stehende erste Elektroden und an der Unterseite der Membran, die dem Hohlraum zugewandt ist, ein zweites gassensitives Material sowie damit in Kontakt stehende zweite Elektroden angebracht sind. Weiter umfasst das Verfahren Schritte des Einbringens eines vorbestimmten Gases in den Hohlraum und des Verschließens des Hohlraums mittels eines Waferbondprozesses.
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Der Waferbondprozess kann verwandt mit einem anderen Prozessor sein, der zur Herstellung oder gegenseitigen Anbringung von Elementen des Gassensors verwendet wird. Die mittels des Waferbondprozesses erzielbare Verbindung kann sicherstellen, dass das vorbestimmte Gas auch unter höherem Druck oder nach längerer Zeit nicht aus dem Hohlraum austritt oder durch eintretendes Gas in seiner Zusammensetzung verändert wird.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Gassensors;
- 2 einen Gassensor in einer weiteren Ausführungsform;
- 3 eine weitere Ausführungsform eines Gassensors; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens für einen Gassensor
darstellt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100. Der Gassensor 100 ist dazu eingerichtet, ein Vorhandensein oder eine Konzentration eines vorbestimmten Gases oder Gasgemischs zu bestimmen. Der Gassensor 100 umfasst ein Substrat 105, das üblicherweise Silizium umfasst und das einen Hohlraum 110 begrenzt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Hohlraum 110 offen, in dem ein Gasaustausch mit einer Umgebung 115 ermöglicht ist. Am Substrat 105 ist eine Membran 120 angebracht, die den Hohlraum 110 überspannt. Eine dem Hohlraum 110 abgewandte Seite der Membran 120 wird Oberseite 125 und die andere, dem Hohlraum 110 zugewandte Seite Unterseite 130 genannt. Die Oberseite 125 steht in fluidem Kontakt mit der Umgebung 115, so dass Gas aus der Umgebung 115 in der dargestellten Ausführungsform sowohl an der Oberseite 125 als auch an der Unterseite 130 der Membran 120 angreifen kann. Die Zugänglichkeit des Gases aus der Umgebung 115 zur Unterseite 130 der Membran 120 kann sichergestellt sein, indem wie in der Darstellung von 1 der Hohlraum 110 für Gas aus der Umgebung 115 von unten zugänglich ist. In alternativen Ausführungsformen kann auch eine Öffnung in einer Seitenwand, beispielsweise als Trench, oder ein Durchbruch durch die Membran 120 vorgesehen sein.
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An der Oberseite 125 der Membran 120 sind ein erstes gassensitives Material 135 und damit in Kontakt stehende erste Elektroden 140 angebracht. An der Unterseite 130 sind in entsprechender Weise ein zweites gassensitives Material 145 und zweite Elektroden 150 angebracht. Die gassensitiven Materialien 135, 145 umfassen bevorzugt ein dotiertes Metalloxid. Dabei können die Materialien 135, 145 einander entsprechen oder sich voneinander unterscheiden. Jedes Material 135, 145 verändert sein elektrisches Verhalten unter dem Einfluss von Wärme und einem vorbestimmten Gas oder einem Gas aus einer vorbestimmten Gruppe.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Membran 120 zugleich als Heizeinrichtung 155 ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform kann die Heizeinrichtung 155 in der Membran 120, an ihrer Oberseite 125 oder an ihrer Unterseite 130 liegen. Optional können eine erste Isolationsschicht 160 zur Isolation der Heizeinrichtung 155 von dem ersten gassensitiven Material 135 oder den ersten Elektroden 140 oder eine zweite Isolationsschicht 165 zur Isolation der Heizeinrichtung 155 vom zweiten gassensitiven Material 145 oder den zweiten Elektroden 150 vorgesehen sein. In der dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden 140, 150 zwischen der Membran 120 beziehungsweise der Heizeinrichtung 155 und den zugehörigen Materialien 135, 145 angebracht. In anderen Ausführungsformen kann jedoch auch eine andere Reihenfolge eingehalten sein.
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Es ist bevorzugt, dass im Gassensor 100 unterschiedliche gassensitive Materialien 135, 145 auf unterschiedlichen Seiten der Membran 120 liegen und mittels einer gemeinsamen Heizeinrichtung 155 erwärmt werden können. In weiteren Ausführungsformen können darüber hinaus auch eine oder mehrere zusätzliche Heizeinrichtungen 155 vorgesehen sein, die jeweils dazu eingerichtet sind, eines oder beide der Materialien 135, 145 erwärmen. In weiteren Ausführungsformen können auch mehr als zwei gassensitive Materialien 135, 145 an der Membran 120 vorgesehen sein.
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2 zeigt einen Gassensor 100 nach dem Vorbild des Gassensors 100 von 1 in einer weiteren Ausführungsform. Während in der Ausführungsform von 1 ein Gas aus der Umgebung 115 Zugang sowohl zur Oberseite 125 als auch zur Unterseite 130 der Membran 120 hat, ist in der dargestellten Ausführungsform der Hohlraum 110 hermetisch abgeschlossen und bevorzugt mit einem vorbestimmten Gas 205, das auch Referenzgas genannt werden kann, gefüllt. Optional ist ein zweiter Hohlraum 210 vorgesehen, der ebenfalls hermetisch abgeschlossen ist, jedoch mittels einer fluiden Verbindung 215 mit dem ersten Hohlraum 110 verbunden ist. Der zweite Hohlraum 210 ist bevorzugt mittels einer zweiten Membran 220 abgedeckt, die insbesondere flexibel ausgeführt sein kann. Die Flexibilität der zweiten Membran 220 ist bevorzugt größer als die der ersten Membran 120. Anders ausgedrückt ist die Steifigkeit der ersten Membran 120 bevorzugt größer als die der zweiten Membran 220. Dehnt sich das Referenzgas 205 in den Hohlräumen 110, 210 aus, beispielsweise infolge der Erwärmung durch die Heizeinrichtung 155, so kann sich die zweite Membran 220 stärker als die erste Membran 120 verformen, so dass die mechanische Belastung auf die erste Membran 120 verringert ist. Die erhöhte Flexibilität der zweiten Membran 220 kann durch eine entsprechende Materialwahl unterstützt werden oder dadurch, dass die zweite Membran 220 größer oder dünner als die erste Membran 120 ist. Die Größe der Membranen 120, 220 kann danach bemessen werden, welche zweidimensionale Fläche sie jeweils über den Hohlräumen 110, 210 überspannen.
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3 zeigt eine weitere exemplarische Ausführungsform eines Gassensors 100. Im oberen Bereich der Darstellung ist eine Draufsicht und im unteren Bereich eine Schnittansicht wie in den 1 oder 2 dargestellt. Hier ist die Heizeinrichtung 155 als Widerstandsheizung in Form einer Leiterbahn an der Membran 120 angebracht. In einer weiteren Ausführungsform kann die Heizeinrichtung 155 beziehungsweise ihre Leiterbahn einen Bereich umlaufen, an dem das gassensitive Material 135, 145 angebracht ist. In der dargestellten Ausführungsform sind die Isolationsschichten 160, 165, die Elektroden 140, 150 und die gassensitiven Materialien 135, 145 nicht dargestellt. Außerdem überspannt die Membran 120 in der dargestellten Ausführungsform den Hohlraum 110 nicht vollständig. Vielmehr sind Aussparungen 305 an der Membran 120 vorgesehen, die einen fluiden Austausch zwischen der Oberseite 125 und der Unterseite 130 der Membran 120 erlauben. In der dargestellten Ausführungsform sind die Aussparungen 305 relativ groß ausgeführt, so dass die Membran 120 im Wesentlichen über relativ dünne Stege in horizontaler Richtung mit dem Substrat 105 verbunden ist. Eine Wärmeableitung der Membran 120 an das Substrat 105 kann dadurch verbessert minimiert sein.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens 400 für einen Gassensor 100 nach einer der vorangehenden Figuren. Das Verfahren 400 wird bevorzugt zur Herstellung einer Ausführungsform wie der von 2 verwendet, bei der der erste Hohlraum 110 hermetisch gegenüber der Umgebung 115 abgeschlossen ist.
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In einem ersten Schritt 405 wird die Membran 120 derart am Substrat 105 angebracht, dass sich im Wesentlichen die oben mit Bezug auf 1 beschriebene Konstellation ergibt. Das heißt, dass die Membran 120 mit der Heizeinrichtung 155 versehen ist und am Substrat 105 so angebracht ist, dass sie einen Hohlraum 110 überspannt. Dabei sind an der Oberseite 125 ein erstes gassensitives Material 135 und erste Elektroden 140 und an der Unterseite 130 ein zweites gassensitives Material 145 und zweite Elektroden 150 an der Membran 120 angebracht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Hohlraum 110 jedoch an seiner Unterseite noch geöffnet.
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In einem zweiten Schritt 410 wird das vorbestimmte Referenzgas 205 in den Bereich des Hohlraums 110 eingebracht. Ein Reaktionsgefäß, in dem der nachfolgende Schritt 415 durchgeführt wird, kann dazu mit dem vorbestimmten Gas 205 geflutet werden.
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Im Schritt 415 wird ein Bondprozess, insbesondere ein Waferbondprozess durchgeführt, um einen weiteren Abschnitt Substrat 105 so mit dem bestehenden Substrat 105 zu verbinden, dass der Hohlraum 110 hermetisch abgeschlossen ist. Der Bondprozess kann beispielsweise aus der Herstellung eines Inertialsensors bekannt sein, wo der Prozess zur Verbindung eines Sensormoduls mit einer Kappe oder einem Deckel verwendet werden kann. Der Hohlraum 110 kann auch mit einem anderen Element als Substrat 105 mittels des Bondprozesses verschlossen werden, wobei das Element bevorzugt ein Halbleitermaterial umfasst.