DE102004032489A1

DE102004032489A1 - Mikrostrukturiertes Bauteil und dessen Verwendung

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Publication number: DE102004032489A1
Application number: DE200410032489
Authority: DE
Inventors: Jan Gerrit Prof.Dr. Korvink; Jürgen Dipl.Ing. Wöllenstein; Jürgen Dipl.Ing. Hildenbrand
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft mikrostrukturierte Bauteile mit einem thermisch aktiven Bereich sowie einer Trägerstruktur, wobei der thermisch aktive Bereich von der Trägerstruktur thermisch entkoppelt ist. Für die thermische Entkopplung dient ein aus einem Polymer bestehendes Funktionselement. Derartige mikrostrukturierte Bauteile finden Verwendung als Sensoren oder Aktoren im Bereich der Metalloxidgassensoren, der Infrarotstrahler, der Flusssensoren, der Pyrometer und anderer Thermopile-basierter Mikrosensoren.

Description

Die Erfindung betrifft mikrostrukturierte Bauteile mit einem thermisch aktiven Bereich sowie einer Trägerstruktur, wobei der thermisch aktive Bereich von der Trägerstruktur thermisch entkoppelt ist. Für die thermische Entkopplung dient ein aus einem Polymer bestehendes Funktionselement. Derartige mikrostrukturierten Bauteile finden Verwendung als Sensoren oder Aktoren im Bereich der Metalloxidgassensoren, der Infrarotstrahler, der Flusssensoren, der Pyrometer und anderer Thermopile-basierter Mikrosensoren.

Solche mikrostrukturierten Bauteile dienen meist der thermischen Entkopplung kleiner Gebiete innerhalb eines Sensors oder Aktors. Beispiele hierfür sind Metalloxidgassensoren, Infrarotstrahler, Flusssensoren, Pyrometer und andere Thermopile-basierte Mikrosenso ren (Q. Wu, K.-M. Lee, C.-C. Liu, Development of chemical sensors using microfabrication and micromachining techniques, Sensors and Actuators B: Chemical 13 (1993) 1–6).

Um einen bestimmten Bereich thermisch zu entkoppeln, ist es notwendig, die Verbindungselemente zwischen dem beheizten Bereich und einem Trägersystem aus Materialien mit geringer spezifischer thermischer Leitfähigkeit herzustellen. Außerdem sollten sie eine Geometrie aufweisen, welche dem thermischen Fluss eine kleine Durchtrittsfläche und einen langen Weg bietet.

Bei thermisch aktiven Bauelementen dienen solche Strukturen vor allem der Leistungsreduzierung. Besitzt der aktive Bereich zudem eine kleine thermische Masse, so verbessert sich ebenfalls sein dynamisches Verhalten (Aufheizdauer/Abkühldauer). Im Falle von thermisch passiven Bauelementen, wie z.B. Strahlungsdetektoren, führt eine bessere thermische Entkopplung zu Sensitivitätserhöhung.

Die gegenwärtigen Ansätze zur thermischen Entkopplung mikrostrukturierter Bauteile basieren fast ausschließlich auf Silizium-Volumen-Mikrostrukturtechnik. Hierbei wird der Sensor auf einer dünnen Trägerschicht (Membran), die meist aus einem der Dielektrika SiO₂ oder Si₃N₄ besteht, strukturiert. Anschließend wird das Silizium unter dem sensitiven Bereich entfernt, so dass der Sensor nur noch über eine dünne Trägerschicht mit dem Silizium-Rahmen verbunden ist. Die nächste Generation dieser sog. Microhotplates besitzen strukturierte Trägerschichten und somit eine verkleinerte Wärmeflussdurchtrittsfläche. Für die Herstellung solcher Membran-basierten Microhotplates kann zur Reduzierung der Prozessschritte z.B. auf kommerziell erhältliche Silicon-On-Insulater (SOI) Substrate zurückgegriffen werden. Ein anderer Ansatz zur thermischen Entkopplung basiert auf einer mikrostrukturierten Glasbrücke als Verbindungselement. Dieser Aufbau besitzt im Vergleich zu den Membransensoren eine wesentlich höhere mechanische Stabilität (z.B. G. Sberveglierei, W. Hellmich, G. Müller, Silicon hotplates for metal oxide gas sensor elements, Microsyst. Technol. 3 (1997) 183–190; M. Jaegle, J. Wöllenstein, T. Meisinger, H. Böttner, G. Müller, T. Becker, C. Bosch-v. Braunmühl, Micromachined thin film SnO₂ gas sensors in temperature pulsed operation mode, Sensors and Actuators B: 57 (1999) 130–134).

Mit den oben genannten Methoden ist es zwar möglich, einzelne Gebiete thermisch zu entkoppeln, jedoch besitzen sie folgende Nachteile:

• Um geeignete Si₃N₄- oder SiO₂-Schichten auf Trägerrahmen herzustellen sind kostenintensive Anlagen (CVD-Anlagen, Oxidationsöfen) notwendig. Je nach Prozess, dauert die Herstellung der dielektrischen Schichten mehrere Stunden.
• Die thermischen Leitfähigkeiten dieser Schichten sind zwar im Vergleich zu Metallen gering, aber betragen bei Raumtemperatur für SiO₂ 1,4 W/m·K und für Si₃N₄ 30,1 W/m·K (z. Vgl. die thermische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von Pt beträgt 69,1 W/m·K und die von Luft 0,02454 W/m·K).
• Aufgrund der Sprödigkeit dünner Si₃N₄- oder SiO₂-Schichten sind darauf basierende Membranbauteile anfällig gegenüber mechanischer Fremdeinwirkung. Dies impliziert, dass solche Membranen nur auf starren Rahmen befestigt werden können.

Bisher kamen für die thermische Entkopplung einzelner Bereiche in der Dünnschichttechnik typische Materialien wie SiO₂ oder Si₃N₄ zum Einsatz.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikrostrukturiertes Bauteil bereitzustellen, das zum einen einfach herstellbar ist, eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweist, und bei dem eine größtmögliche thermische Entkopplung zwischen den Bauteilen realisiert ist.

Diese Aufgabe wird durch das mikrostrukturierte Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikrobauteile wird in den Ansprüchen 16 und l7 beschrieben.

Erfindungsgemäß wird ein mikrostrukturiertes Bauteil bereitgestellt, das einen thermisch aktiven Bereich und eine Trägerstruktur aufweist. Der thermisch aktive Bereich ist dabei von der Trägerstruktur durch ein Funktionselement thermisch entkoppelt, wobei das Funktionselement aus einem Polymer besteht, das eine thermische Leitfähigkeit von weniger als 10 W/m·K aufweist.

Das erfindungsgemäße mikrostrukturierte Bauteil bringt dabei folgende Vorteile mit sich:

• Das erfindungsgemäße mikrostrukturierte Bauteil ist kostengünstig herstellbar,
• bei Verwendung geeigneter Polymere mit photoaktiven Komponenten ist eine direkte Strukturierung der Polymermembran möglich,
• Polymere besitzen i.a. extrem niedrige thermische Leitfähigkeiten von oftmals < 1 W/m·K, was eine bessere thermische Entkopplung als eine solche aus dem Stand der Technik bekannte Entkopplung mit Si₃N₄ oder SiO₂ ermöglicht,
• Polymere besitzen eine verbesserte Flexibilität, wodurch sie beständiger gegen mechanische Fremdeinwirkung sind und für die Montage auf flexiblen Objekten geeignet sind.

Vorzugsweise besteht das Funktionselement aus einem Polyimid, oder einem Epoxidharz als Polymer. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Polyimid der Formel,

das unter dem handelsüblichen Namen Kapton bekannt ist. Es ist aber ebenso möglich, alle bekannten Polymere, die eine entsprechende thermische Leitfähigkeit besitzen, einzusetzen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils besteht die Trägerstruktur aus einem Rahmen. Dieser Rahmen kann beispielsweise aus Silicium, Aluminiumoxid und/oder einem Polymer bestehen. Ebenso sind aber auch Keramiken, Metalle oder weitere Halbleitermaterialien einsetzbar.

In einer besonders bevorzugten Variante besteht der Rahmen aus einem Material mit hoher mechanischer Flexibilität, wie z.B. einem Elastomer. Dies ermöglicht den Einsatz des erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Bauteils auf flexiblen Substraten.

Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltung des mikrostrukturierten Bauteiles sind sämtliche Bestandteile, die bei aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren bzw. Aktoren verwendet werden, einsetzbar.

Der thermisch aktive Bereiche kann vorzugsweise mindestens ein Temperierelement, beispielsweise einen Heizwiderstand oder ein Peltierelement zur Steuerung der Temperatur aufweisen. Bei Verwendung eines derartigen Temperierelementes ist es dabei bevorzugt, dass benachbart zum Temperierelement mindestens ein Temperatursensor angeordnet ist.

Versuchsweise kann der thermisch aktive Bereich bereichsweise gassensitiv ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der gassensitive Bereich aus einem halbleitenden Metalloxid oder Polymer als sensorisch aktivem Material besteht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des mikrostrukturierten Bauteils ist das Funktionselement und/oder die Trägerstruktur an mindestens einer Oberfläche mit einem Substrat verbunden, d.h. an der Oberseite bzw. Unterseite sind Substrate in Form eines Trägers befestigt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass sie eine Emissivität größer 0,7 im Infrarot-Wellenlängenbereich besitzt.

Die Herstellung von Trägerstruktur und Funktionselement kann mit verschiedenen Technologien erfolgen. So kann das Polymer direkt auf ein Substrat aufpolymerisiert oder eine kommerziell erhältliche Kunststofffolie auf einem geeigneten Substrat aufgebracht werden.

Eine weitere bevorzugte Alternative sieht vor, den Verbund aus Trägerstruktur und Funktionselement mittels Spritzguss herzustellen.

Verwendung finden die erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Bauteile als Sensoren oder Aktoren. Hierunter fallen besonders Metalloxidgassensoren, Infrarotstrahler, Flusssensoren, Pyrometer oder andere Thermopile-basierte Mikrosensoren. Betroffen sind dabei Messungen zur qualitativen wie quantitativen Bestimmung von Gasen, zur Strömungs- oder Temperaturmessung in der Produktions- und Prozessmesstechnik, z.B. im Automobilbereich.

Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten Ausführungsformen einzuschränken.
1A zeigt in perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäßes mikrostrukturiertes Bauteil,
1B zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Bauteils,
1C zeigt in einem vergrößerten Querschnitt den thermisch entkoppelten Bereich eines erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Bauteils,
2A zeigt die Draufsicht eines erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Bauteils mit nicht-strukturiertem Funktionselement,
2B, 2C zeigen Draufsichten zweier Varianten der erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Bauteile mit strukturiertem Funktionselement.
In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Bauteils in verschiedenen Perspektiven dargestellt. So zeigt 1A das mikrostrukturierte Bauteil, das eine Trägerstruktur 2 in Form eines Rahmens zusammen mit einem Funktionselement 1 in Form einer Polymerfolie aufweist. Darüberhinaus zeigt 1A beispielhaft ein Heizelement 4 sowie Elektroden 5 für einen Halbleitergassensor sowie einen Temperaturhomogenisierungsbereich 3.
Die geringe thermische Leitfähigkeit des Polymers ermöglicht, dass in den aktiven Bereichen mit geringer Energie die benötigten Temperaturänderungen erreicht werden. Die Trägerstruktur 2 in Form eines Rahmens kann hierbei aus Halbleitermaterialien, Keramiken, Metallen oder ebenfalls Polymeren bestehen. Polymere weisen in der Regel eine sehr hohe mechanische Flexibilität auf und sind somit auch für den Einsatz auf flexiblem Untergrund geeignet.
Bei dem in 1 dargestellten Aufbau befindet sich das Funktionselement 1 in Form einer Polymerfolie ganzflächig über der Trägerstruktur 2. Eine weitere Verbesserung der Entkopplung wird durch eine Strukturierung des Funktionselementes erreicht, indem Teile der dünnen Polymerfolie 1, die nicht für die Befestigung und Aufnahme des thermisch aktiven Bereichs notwendig sind, entfernt werden.
Diesbezüglich zeigt 2A einen Aufbau mit nicht-strukturierter Polymerfolie 1, während die 2B und 2C zwei Varianten zeigen, in denen die Polymerfolie strukturiert wurde. Hier weisen die erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Bauteile Bereiche 6 auf, in denen die Polymerfolie entfernt wurde.

Claims

Mikrostrukturiertes Bauteil enthaltend einen thermisch aktiven Bereich sowie eine Trägerstruktur, wobei der aktive Bereich von der Trägerstruktur durch ein Funktionselement thermisch entkoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement aus einem Polymer mit einer spezifischen thermischen Leitfähigkeit von bis 10 W/m·K besteht.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein Polyimid oder ein Epoxyharz ist.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyimid die Formel
aufweist.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur aus einem Rahmen besteht.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen aus Silicium, Aluminiumoxid und/oder einem Polymer besteht.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen aus einem flexiblen Material besteht.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch aktive Bereich mindestens ein Temperierelement, insbesondere ein Heizwiderstand oder ein Peltierelement zur Steuerung der Temperatur aufweist.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zum Temperierelement auf thermisch separat entkoppelten Bereichen mindestens ein Temperatursensor ange ordnet ist.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch aktive Bereich zumindest bereichsweise gassensitiv ausgebildet ist.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der gassensitive Bereich aus einem halbleitenden Metalloxid oder Polymer als sensorisch aktivem Material besteht.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrobauteil mindestens einen Temperaturfühler aufweist.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Temperaturfühler in aktiven Bereichen befinden.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrobauteil zusätzlich Elektroden aufweist.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement und/oder die Trägerstruktur an mindestens einer Oberfläche zumindest teilweise mit einem Substrat verbunden ist.
Mikrostrukturiertes Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung im aktiven Bereich eine Emissivität ɛ>0,7 aufweist und eine Emission im Infrarot-Wellenlängenbereich besitzt.
Verwendung des mikrostrukturierten Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Sensor oder Aktor.
Verwendung nach Anspruch 16 als Metalloxidgassensor, Infrarotstrahler, Flusssensor, Pyrometer oder andere Thermopile-basierte Mikrosensoren.