DE19710559A1

DE19710559A1 - Sensor mit einem Dünnfilmelement

Info

Publication number: DE19710559A1
Application number: DE19710559A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Zechnall; Christoph Dr Treutler; Manfred Lembke; Hans Hecht; Jiri Dr Marek; Herbert Dr Goebel; Martin Dr Willmann; Hans-Ulrich Dr Gruber; Andreas Dr Lock; Klaus Dr Heyers; Joerg Buth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 1998-09-17
Also published as: KR19980080155A; JPH10267720A; US6101872A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit einem Dünnfilmelement nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der EP 375 399 ist bereits ein Sensor mit einem Dünnfilmelement bekannt. Das Dünnfilmelement besteht aus einer reinen Platinschicht, die durch Haftschichten aus Metalloxiden auf einer dielektrischen Schicht aus Siliziumnitrid befestigt ist. Die Siliziumnitridschicht überspannt als Brücke eine Ausnehmung in einem Siliziumsubstrat. Diese Vorrichtung dient als Massenflußsensor, indem die Brücke beheizt wird und die Abkühlung durch die vorbeiströmende Luft gemessen wird. Die Messung der Temperatur des Brückenelements erfolgt durch die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes der Platinschicht.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Langzeitbeständigkeit der Temperaturabhängigkeit des Dünnfilmelements verbessert wird. Reine Platinschichten können ein Alterungsverhalten zeigen, durch das die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes verändert wird. Durch die Verwendung von Platinschichten mit einem geringen Anteil von Zirkon oder Zirkonoxid wird die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes stabilisiert.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Sensors nach dem unabhängigen Patentanspruch möglich. Vorteilhafterweise liegt der Zirkon- oder Zirkonoxidanteil in der Größenordnung von 0,1 bis 1%.

Durch die Verwendung eines Rahmens aus einkristallinem Silizium und einer dielektrischen Membranschicht wird ein besonders stabiler Massenflußsensor geschaffen. Dabei kann die Membrane durch ein Heizelement beheizt werden, wodurch ein Massenflußsensor geschaffen wird. Für die Messung der Temperatur der Membran kann dann entweder der elektrische Widerstand des Heizelementes selbst oder ein separates Temperaturmeßelement genutzt werden. Um die Spannungen in der Membran kontrolliert einzustellen, wird diese mehrschichtig aus einer Siliziumoxidschicht und einer Siliziumnitridschicht ausgebildet. Zur Haftungsverbesserung kann dabei die Siliziumnitridschicht durch einen Reoxidationsprozeß oberflächlich wieder in eine Oxidschicht umgewandelt werden. Durch weitere Abdeckschichten kann ein Schutz des Dünnfilmelementes vor Umwelteinflüssen bewirkt werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Sensor und Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch den Sensor nach der Fig. 1.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird eine Aufsicht auf ein Sensorelement gezeigt. Das Sensorelement weist einen Rahmen 2 aus einkristallinem Silizium auf, in dem eine Membran 3 eingespannt ist. Auf der Membran 3 ist ein Dünnfilmelement 4 ausgebildet, welches durch Leiterbahnen 5 elektrisch mit Verbindungsbereichen 6 verbunden ist.

Bei dem Dünnfilmelement 4 handelt es sich um eine dünne Metallschicht, die derart strukturiert ist, daß sie eine Widerstandsschleife auf dem Membranbereich 3 bildet. Durch zwei Leiterbahnen 5 ist jeweils ein Ende dieser Widerstandsschleife mit jeweils einem Verbindungsbereich 6 verbunden. Auf den Verbindungsbereichen 6 können Drähte für eine externe Kontaktierung des Sensors 1 befestigt werden. Es ist so möglich, durch das als Widerstandsschleife ausgebildete Dünnfilmelement 4 einen Strom zu schicken und den dabei auftretenden Spannungsabfall zu messen. Dies kann in vielfältiger Weise genutzt werden. Durch einen großen Stromfluß kann das Dünnfilmelement als Heizer benutzt werden und so die Membran 3 auf Temperaturen über die Umgebungstemperatur aufgeheizt werden. Weiterhin ist es möglich, nur einen geringen Stromfluß durch das Dünnfilmelement 4 zu schicken, so daß keine nennenswerte Erwärmung der Membran 3 bewirkt wird, und den dabei auftretenden Spannungsabfall im Dünnfilmelement 4 zu beobachten. Wenn das Dünnfilmelement 4 aus einem Material ausgebildet ist, dessen elektrischer Widerstand von der Temperatur abhängt, so kann damit die Temperatur auf der Membran 3 gemessen werden. Weiterhin ist es möglich, das Dünnfilmelement 4 zur Beheizung der Membran 3 zu verwenden und gleichzeitig dabei durch Messung des elektrischen Widerstands des Dünnfilmelements 4 die Temperatur auf der Membran 3 zu messen. Das Dünnfilmelement 4 oder mehrere Dünnfilmelemente 4 auf der Membran 3 können besonders vorteilhaft als Massenflußsensor genutzt werden. Dazu wird die Membran 3 erwärmt und die Abkühlung der Membran, die durch vorbeistreichende Luft bewirkt wird, gemessen. Dies kann, wie in der EP 375 399 beschrieben wird, dadurch erfolgen, daß ein Dünnfilmelement 4 als Heizer fungiert und weitere Dünnfilmelemente 4 als Temperatursensoren dienen. Alternativ ist es natürlich auch möglich, wie dies in der Fig. 1 gezeigt wird, nur ein einziges Dünnfilmelement 4 vorzusehen, welches gleichzeitig die Membran 3 beheizt und die Abkühlung der Membran 3 in Abhängigkeit der vorbeistreichenden Luft mißt. Die Vorrichtung nach der Fig. 1 kann somit als Massenflußsensor verwendet werden.

Wesentlich ist dabei, daß der elektrische Widerstand und die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes des Dünnfilmelements 4 genau bekannt ist. Weiterhin sollte dabei der Widerstand und dessen Temperaturabhängigkeit über einen langen Zeitraum stabil bleiben. Für die Ausbildung derartiger Dünnfilmelemente hat sich Platin in besonderen Maße bewährt, da diese Schichten mit sehr gut reproduzierbarer Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes hergestellt werden können. Um diese Temperaturabhängigkeit über der Zeit zu stabilisieren, wird nach der Herstellung der Dünnfilmelemente aus Platin eine Temperaturbehandlung mit Temperaturen von mehr als 500° vorgenommen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei reinen Platinschichten trotz einer derartigen Temperaturbehandlung immer noch eine gewisse Drift, d. h. eine zeitliche Veränderung des Widerstandes und dessen Temperaturabhangigkeit auftritt. Diese Drift kann je nach Zeitdauer und Betriebsart des Sensors (Temperatur des Betriebs, chemische Umgebung) des Sensors einige Promille betragen. Es hat sich nun herausgestellt, daß durch die Verwendung von Platin, welches mit einem geringen Anteil von Zirkon oder Zirkonoxid dotiert ist, diese Drift weiter verringert werden kann. Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes kann so weiter stabilisiert werden, so daß die Meßgenauigkeit eines darauf beruhenden Sensors verbessert wird. Dabei hat sich eine Dotierung der Platinschicht zwischen 0,01% bis 10%, vorzugsweise 0,1 bis 1% (Gewichtprozent) mit Zirkon oder Zirkonoxid bewährt. Untersuchungen haben ergeben, daß reine Platinschichten im Laufe der Zeit ihre Korngrößen verändern. Dieser Effekt konnte durch Zugabe von Zirkon oder Zirkonoxid verringert werden.

In der Fig. 2 wird ein Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 gezeigt. Anhand diese Querschnittes wird die Herstellung dieses Sensors erläutert. Zur Ausbildung der Membran 3, die in einem Rahmen aus einkristallinem Silizium 2 aufgespannt wird, wird zunächst von einem plattenförmigen Siliziumsubstrat ausgegangen. Für die Membran 3 werden dann auf einer Oberfläche dieses plattenförmigen Siliziumsubstrats dielektrischen Schichten 11, 12, 13 für die Membran 3 abgeschieden. Durch Einätzen einer Ausnehmung 10 ausgehend von der von den dielektrischen Schichten 11, 12, 13 abgewandten Seite wird dann der Rahmen 2 gebildet. Die Ausnehmung 10 erstreckt sich dabei bis an die unterste dielektrische Schicht 11. Für die dielektrischen Schichten 11, 12, 13 werden Materialien bevorzugt, die sich besonders einfach zusammen mit Silizium verarbeiten lassen. Exemplarisch wird hier vorgeschlagen für die untere Schicht 11 eine thermische Siliziumoxidschicht in der Größenordnung von ca. einem halbem Mikrometer vorzusehen. Darauf wird dann eine Siliziumnitridschicht 12 abgeschieden. Wesentlich ist dabei, daß die Siliziumoxidschicht 11 im Vergleich zum Siliziumsubstrat Druckspannungen aufweist, während die Siliziumnitridschicht 12 Zugspannungen aufweist. Durch eine entsprechende Auswahl der Abscheidungsbedingungen, der Dicken der Schichten 11 und 12 und unter Berücksichtigung der weiteren Schichten kann daher erreicht werden, daß die Membran 3 im wesentlichen spannungsfrei ist oder aber leichte Zugspannungen aufweist. Es wird so eine Membran 3 geschaffen, die besonders robust ist. Typischerweise wird eine Siliziumnitridschicht in der Größenordnung von 0,4 Mikrometern abgeschieden. Da die Haftung von Metallschichten auf Siliziumnitrid schlecht ist, wird in einem weiteren Prozeßschritt durch Beaufschlagen der Nitridschicht mit Sauerstoff bei höheren Temperaturen eine dünne oberflächliche Schicht der Siliziumnitridschicht 12 (in der Größenordnung von einigen 10 nm) zu Siliziumoxid umgewandelt. Diese reoxidierte Siliziumoxid dient dann als Haftschicht für die nachfolgend aufgebrachten Metallschichten. In einem nächsten Schritt wird dann eine Dünnschicht aus Platin dotiert mit geringen Mengen an Zirkon oder Zirkonoxid aufgebracht. Dies erfolgt beispielsweise indem ausgehend von einem entsprechend dotiertem Platintarget eine Metallschicht aufgesputtert wird. Sofern es sich herausstellt, daß die Haftung auf dem reoxidiertem Siliziumoxid 13 nicht ausreichend ist, können vorher noch sehr dünne Haftschichten (Größenordnung einige nm) aufgebracht werden. Als Materialien kommen dabei Metalloxide oder Metallsilizide in Frage. Bevorzugt werden dabei Metalle deren Nitride oder Oxide besonders hochtemperaturbeständig sind, wie beispielsweise Tantal, Wolfram, Molybdän, Kobald usw. Die Dicke der Zirkon oder Zirkonoxid dotierten Platinschicht beträgt einige hundert Nanometer. In einem weiten Schritt erfolgt dann eine Strukturierung dieser Platinschicht, um das als Widerstandsschleife ausgebildete Dünnfilmelement 4 aus der Platinschicht herauszustrukturieren.

In der Fig. 2 wird ein Querschnitt durch das Dünnfilmelement 4 gezeigt. Das Dünnfilmelement erstreckt sich bis auf den Rahmen 2. Aus der dotierten Platinschicht können auch Leiterbahnen 5 und Verbindungsbereiche 6 herausstrukturiert werden, wobei der Widerstand der Leiterbahnen 5 durch einen breiteren Querschnitt deutlich geringer ist als der Widerstand des Dünnfilmelements 4. Sofern eine weitere Verringerung des elektrischen Widerstandes der Leiterbahnen 5, bzw. sofern andere Metallschichten für die Verbindungsbereiche 6 benötigt werden, können diese zusätzlich oder als Ersatz der dotierten Platinschicht verwendet werden. Auf der Oberseite der Membran 3 wird dann noch eine Schutzschicht 14, die beispielsweise aus Siliziumoxid bestehen kann, abgeschieden. Diese Schutzschicht dient dazu, um das Dünnfilmelement 4 vor chemischen Einflüssen zu schützen. Derartige chemische Einflüsse können beispielsweise die Temperaturempfindlichkeit des elektrischen Widerstandes des Dünnfilmelements 4 beeinflussen, indem Verunreinigungen in das Platin einfundieren.

Claims

1. Sensor (1) mit einem Dünnfilmelement (4), wobei das Dünnfilmelement (4) eine Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnfilmelement (4) eine Platinschicht aufweist, die mit Zirkon oder mit Zirkonoxid dotiert ist.

2. Sensor nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung mit Zirkon oder Zirkonoxid zwischen 0,01 bis 10% liegt.

3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rahmen (2) aus Silizium und eine dielektrische Membran (3) vorgesehen sind und daß das Dünnfilmelement auf der Membran angeordnet ist.

4. Sensor nach Anspruch (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnfilmelement (4) als Heizelement ausgebildet ist.

5. Sensor nach Anspruch (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Membran (3) durch Messung des elektrischen Widerstandes des Heizelements oder eines oder mehrerer weiteren Dünnfilmelemente meßbar ist.

6. Sensor nach Anspruch (3-5), dadurch gekennzeichnet, daß die Membran 3 eine erste Siliziumoxidschicht (11) und eine darauf angeordnete Siliziumnitridschicht (12) aufweist.

7. Sensor nach Anspruch (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Siliziumnitridschicht (12) durch einen Oxidationsprozeß in eine Siliziumoxidschicht (13) umgewandelt ist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnfilmelement (4) durch eine Abdeckschicht (14) geschützt ist.