DE10140322B4 - Microstructured three-dimensional sensor or actuator, and method for its production - Google Patents
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Abstract
Mikrostrukturierter dreidimensionaler Sensor oder Aktor mit mindestens einem drehbeweglichen Teil, wobei für den Einsatz des Sensors oder Aktors in chemisch aggressiver Umgebung, die entsprechend medienberührten Oberflächen allseitig mit einer chemisch resistenten Oberflächenbeschichtung (50) versehen sind.microstructured three-dimensional sensor or actuator with at least one rotatable part, being for the use of the sensor or actuator in a chemically aggressive environment, the corresponding media-touched surfaces provided on all sides with a chemically resistant surface coating (50) are.
Description
Die Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten dreidimensionalen Sensor oder einen Aktor, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung, gemäss den Patentansprüchen 1 und 9.The The invention relates to a microstructured three-dimensional sensor or an actuator, and a process for its preparation, according to claims 1 and 9th
Die Mikrosystemtechnik erfährt immer breitere Anwendungen, auch in industriellen Produkten wie Sensoren und Aktoren. Beim praktischen Einsatz solcher Sensoren und Aktoren in realen industriellen Prozeßumgebungen muß darauf geachtet werden, daß die empfindlichen mikrostrukturierten funktionalen Teile nicht durch die widrigen Umgebungsbedingungen beeinträchtigt werden. Solche typischen Umgebungsbedingungen sind: korrosive Gase und Flüssigkeiten, Feuchtigkeit, Abrasion durch Partikel oder Anlagerung von Partikeln.The Microsystem technology learns wider and wider applications, also in industrial products such as sensors and actuators. In the practical use of such sensors and actuators in real industrial process environments must be on it be respected that the sensitive microstructured functional parts do not pass through the adverse environmental conditions are impaired. Such typical Ambient conditions are: corrosive gases and liquids, moisture, abrasion by particles or accumulation of particles.
Die heute praktisch verwendeten industriellen Mikrosensoren zeichnen sich aus diesem Grunde dadurch aus, daß sie entweder vollständig hermetisch, gas- und wasserdicht gekapselt sind, wie z.B. Beschleunigungssensoren, oder aber die funktionalen Teile nur planar (flach) ausgeführt werden können, um sie durch ebene Schutzschichten bedecken zu können, z.B. Schutz von planaren Drucksensormembranen.The Today practically used industrial microsensors draw For this reason, they are either completely hermetic, are gas-tight and watertight encapsulated, such. Acceleration sensors, or the functional parts are only planar (flat) can, in order to be able to cover them by flat protective layers, e.g. Protection of planar Pressure sensor membranes.
Aus
der
In vielen Fällen wäre es aber vorteilhaft, funktionale Sensorteile auch als dreidimensionale Strukturen auszubilden und sie direkt dem Umgebungseinfluß auszusetzen. Dadurch erst könnten die Vorteile der Mikrostrukturierung bei Mikrosensoren und – Aktoren uneingeschränkt genutzt werden.In many cases would it be but beneficial, functional sensor parts also as three-dimensional structures train them and expose them directly to the environment. Only then could the advantages of microstructuring in microsensors and actuators unlimited be used.
Eine konkrete dreidimensionale Anordnung dieser Art ist eine aus Silizium hergestellte Mikrohantel als Kernkomponente eines Sensors zur Messung des Sauerstoffgehalts in Prozeßgasen, sowie ein in CMOS-Technologie hergestellter Mikroströmungsfühler.A concrete three-dimensional arrangement of this kind is one of silicon produced micro dumbbell as a core component of a sensor for measuring the Oxygen content in process gases, and a microflow sensor made in CMOS technology.
Nachteil der hermetisch gekapselten Ausführung von Mikro-Sensoren und Mikro-Aktoren ist die Einschränkung der Funktionalität, da die Prozeßgrößen dadurch meist nur indirekt ermittelt werden können.disadvantage the hermetically sealed design of micro sensors and micro actuators is the limitation the functionality, because the process variables thereby usually only indirectly can be determined.
Nachteil der heute bekannten dreidimensionalen Mikrosensoren ist, daß sie in direktem Medienkontakt mit Prozeßgasen oder Flüssigkeiten innerhalb kurzer Zeit Schaden durch Korrosion nehmen. So wird z.B beim mikrostrukturierten Strömungsfühler die Kontaktierungsstelle des Hitzdrahtes, also der Metall-Halbleiter-Übergang, durch schwefelhaltige Gase korrosiv angegriffen. Auf dem Mikro-Hitzdraht selbst können sich Partikel ablagern und seine Funktionalität beeinträchtigen. Bei der Mikro-Hantel wird auch die Kontaktierungsstelle und die auf der Hantel aufgebrachte metallische Leiterbahn korrosiv angegriffen, ebenso wie die senkrechte Wand der Hantel, deren optisch glatte Eigenschaften dadurch verloren gehen können.disadvantage The three-dimensional microsensor known today is that in direct media contact with process gases or liquids take damage by corrosion within a short time. So, for example the microstructured flow sensor the Contact point of the hot wire, so the metal-semiconductor junction, attacked by sulphurous gases corrosive. On the micro-hot-wire itself can Particles deposit and affect its functionality. At the micro dumbbell is also the contact point and the applied on the dumbbell Metallic trace corrosive attacked, as well as the vertical Wall of the dumbbell whose optically smooth characteristics are lost can.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, dreidimensionale Mikrosensoren oder Mikroaktoren herzustellen, die uneingeschränkt korrosiven und rauhen Umgebungsbedingungen in industriellen Einsatzbedingungen ausgesetzt werden können.Of the The invention is therefore based on the object, three-dimensional microsensors or microactuators that produce unrestrictedly corrosive and harsh environmental conditions can be exposed in industrial conditions.
Die gestellte Aufgabe wird im Hinblick auf eine Sensor- oder Aktoranordung erfindungsgemäss dadurch gelöst, daß alle medienberührten Teile des mikrostrukturierten dreidimensionalen Sensors oder Aktors allseitig mit einer dünnen Schutzschicht versehen sind.The Asked task is in terms of a sensor or Aktoranordung according to the invention solved, that all wetted Parts of the microstructured three-dimensional sensor or actuator all sides with a thin one Protective layer are provided.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Schutzschicht aus korrosionsfestem Material besteht.In advantageous embodiment is specified that the protective layer made of corrosion-resistant material.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Schutzschicht aus jeweils einem Material besteht, welches gegen das jeweilige Messmedium resistent ist.In Another advantageous embodiment is specified that the protective layer each consists of a material which is against the respective Measuring medium is resistant.
Weiterhin ist angegeben, dass die Schutzschicht pinholefrei ausgebildet ist. Sie ist so dünn, daß sie die Funktionsfähigkeit des Sensor- oder Aktorelements nicht beeinträchtigt. D.h. sie schränkt bei thermischen Sensoren nicht den Wärmeübergang an die Umbebung ein, bei mechanischen Sensoren erzeugt sie keine zusätzliche Massenträgheit des Elementes etc..Farther is stated that the protective layer is formed pinholefrei. She is so skinny that she is the one operability of the sensor or actuator element is not affected. That it limits at thermal Sensors do not heat transfer to the environment, with mechanical sensors, it produces none additional inertia of the element etc.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung besteht die Beschichtung aus einer dünnen Teflonschicht.In Further advantageous embodiment, the coating is made a thin one Teflon layer.
Hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensors oder Aktors der erfindungsgemässen Art, besteht der Kern der Erfindung darin, dass die korrosionsfeste Beschichtung dadurch erfolgt, daß der gesamte dreidimensionale Aufbau nach der Vormontage mit einer durch Plasma-Unterstützung aufgebrachten Teflonschicht bedeckt wird.Regarding a method for producing a sensor or actuator of the inventive type, the core of the invention is that the corrosion resistant coating takes place in that the entire three-dimensional structure after pre-assembly with a through Plasma Support coated Teflon layer is covered.
Die Herstellung von durch Plasmaunterstützung hergestellten dünnen Teflonschichten ist bekannt, wird aber bisher nur zur Herstellung von planaren Schichten wie z.B Membrane in Brennstoffzellen oder chemischen Sensoren verwendet. Es hat sich nun überraschend herausgestellt, daß solche Schutzschichten sich auch mit sehr gutem Erfolg auf dreidimensionale Strukturen aufbringen lassen und sie insbesondere auf beliebig geformten dreidimensionalen Oberflächengeometrien pinholefreie, dichte Filme bilden, mit denen die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden kann.The preparation of plasma-assisted thin Teflon layers is known, but so far only for the production of planar layers such as membranes in fuel cells or chemical sensors used. It has now surprisingly been found that such protective layers can also be applied to three-dimensional structures with great success and, in particular, to form pinhole-free, dense films on arbitrarily shaped three-dimensional surface geometries with which the object according to the invention can be achieved.
In einer alternativen Beschichtungsweise besteht die Beschichtung aus einer diamantähnlichen Kohlenstoffstruktur. Diese nennt man DLC-Schichten (Diamond-Like-Carbon)In an alternative coating method consists of the coating a diamond-like carbon structure. These are called DLC layers (Diamond-Like-Carbon)
Eine weitere Beschichtungsmöglichkeit besteht in ebenfalls plasmaabgeschiedenem Siliziumnitrid. Diese Passivierung ist erheblich resistent.A additional coating option consists of plasma-deposited silicon nitride. These Passivation is significantly resistant.
Die Herstellung von DLC-Schichten ist bekannt, wird aber bisher nur zur Herstellung von planaren Schutzschichten z.B. in chemischen Sensoren verwendet. Es hat sich nun überraschend herausgestellt, daß solche Schutzschichten sich auch mit sehr gutem Erfolg auf dreidimensionale Strukturen aufbringen lassen und sie insbesondere auf beliebig geformten dreidimensionalen Oberflächengeometrien pinholefreie, dichte Filme bilden, mit denen die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden kann.The Production of DLC layers is known, but so far only for the preparation of planar protective layers e.g. in chemical Sensors used. It has now surprisingly been found that such Protective layers are also very successful on three-dimensional Apply structures and in particular to arbitrarily shaped three-dimensional surface geometries pinhole-free, form dense films with which the object of the invention are achieved can.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und nachfolgend näher beschrieben.The The invention is illustrated in the drawing, and described in more detail below.
Es zeigten:It showed:
Kritische
Punkte bei der Beschichtung sind optisch glatte senkrechte Flächen
Diese Bereiche müssen pinholefrei beschichtet werden, um bei dieser dreidimensionalen Struktur eine allseitige schlüssige Beschichtung zu ergeben. Erst eine solche Beschichtung ist tatsächlich auch chemisch resistent.These Areas need Pinholefrei be coated to this three-dimensional structure an all-round conclusive To give coating. Only such a coating is actually chemically resistant.
Die chemische Resistenz bezieht sich dabei auf das jeweils vorwiegende Messgas. Ferner muss die Beschichtung so dünn ausgebildet sein, dass die jeweilige Sensor- und/oder Aktorfläche davon unbeeinflusst bleibt. Hierzu eignen sich Beschichtungen aus Teflon ganz besonders dann, wenn diese sehr dünn aufgebracht sind. Teflon in sehr dünnen Schichten wird dabei vorteilhafterweise in plasmaunterstützter Polymerisation aufgebracht.The Chemical resistance refers to the prevailing one Sample gas. Furthermore, the coating must be made so thin that the respective Sensor and / or actuator area it is unaffected. For this purpose, coatings are suitable Teflon especially if they are applied very thin. Teflon in very thin Layers is advantageously in plasma-assisted polymerization applied.
Ebenso eignet sich besonders bei der häufigen Verwendung von Silizium als Trägermaterial von Mikrostrukturen Siliziumnitrid als Beschichtung. Diese ist chemisch sehr resistent und wächst in extrem dünnen Schichten sogar annähernd epitaktisch auf. Siliziumnitrid wird dabei zumindest in einer chemischen Teilkomponente plasmaunterstützt abgeschieden. Es ist dabei auch möglich, das Trägermaterial einem Stickstoffplasma auszusetzen, und auf diese Weise das Siliziumsubstrat oberflächlich zu nitrieren.As well is particularly suitable for frequent use Use of silicon as carrier material of microstructures silicon nitride as a coating. This is chemical very resistant and growing in extremely thin Even approximate layers epitaxially. Silicon nitride is at least in a chemical Subcomponent plasma-assisted deposited. It is also possible, the carrier material a Nitrogen plasma, and thus the silicon substrate superficial to nitride.
Da
hierbei Leiterbahnen
Die sich somit insgesamt ergebende Schutzschicht ist eine dreidimensionale Schicht, die der Topografie der gesamten Mikrostruktur folgt.The Thus, overall resulting protective layer is a three-dimensional Layer that follows the topography of the entire microstructure.
Aus
diesem Grund ist eine Beschichtung in erfindungsgemässer Weise
vorteilhaft, weil zum einen unedlere Materialien verwendet werden
können, und
zum anderen die gesamte Mikrostruktur mit einer einheitlichen Passivierung
Ferner können Leiterbahnen und auch Bondpads auch immer dann vorhanden sein, wenn die jeweilige Mikrostruktur mit elektrischen Anschlussmitteln versehen wird.Further can Tracks and also bond pads also be present whenever the respective microstructure provided with electrical connection means becomes.
Weiterhin können aber durchaus auch elektronische Elemente auf dem Substrat der Mikrostruktur mitimplementiert sein.Farther can but also electronic elements on the substrate of the microstructure be mitimplementiert.
Zuweilen ist eine funktionsnahe Implementierung elektronischer Bauelemente von funktionalem messtechnischen Vorteil. Dieser Vorteil kann durch die erfindungsgemässe Beschichtung dennoch ausgenutzt werden, weil die dadurch entstehende dreidimensionale Oberfläche schlüssig, und in einem Arbeitsschritt, und vor allem nachträglich passivierbar ist.occasionally is a functional implementation of electronic components of functional metrological advantage. This advantage can be through the inventive Coating still be exploited, because the resulting three-dimensional surface conclusively and in one work step, and above all subsequently passivatable is.
- 11
- Leiterbahn auf Hantelconductor path on dumbbell
- 22
- Bondpadbonding pad
- 33
- Leiterbahn auf Trägermaterialconductor path on carrier material
- 44
- optisch glatte Flächenoptical smooth surfaces
- 1010
- Substratsubstratum
- 3030
- AnschlussdrahtLead wire
- 4040
- Leiterbahnconductor path
- 5050
- Oberflächenbeschichtungsurface coating
- 6060
- Prozessumgebungprocess environment
Claims (12)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2001140322 DE10140322B4 (en) | 2001-08-16 | 2001-08-16 | Microstructured three-dimensional sensor or actuator, and method for its production |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE10140322A1 DE10140322A1 (en) | 2003-03-13 |
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2001
- 2001-08-16 DE DE2001140322 patent/DE10140322B4/en not_active Expired - Fee Related
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| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
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Owner name: ABB AG, 68309 MANNHEIM, DE |
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Effective date: 20110301 |