DE10221084A1

DE10221084A1 - Sensoranordnung zum Messen einer Gaskonzentration

Info

Publication number: DE10221084A1
Application number: DE10221084A
Authority: DE
Inventors: Heribert Weber; Christian Krummel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Paragon AG
Priority date: 2002-05-11
Filing date: 2002-05-11
Publication date: 2003-11-20
Also published as: US20050199041A1; WO2003095999A2; EP1504253A2; WO2003095999A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung zum Messen einer Gaskonzentration, insbesondere von CO, H¶2¶, NO¶x¶ und/oder Kohlenwasserstoffen. DOLLAR A Um mit relativ geringem Aufwand, insbesondere geringem Kostenaufwand, eine genaue Messung zu ermöglichen, ist die Sensoranordnung versehen mit DOLLAR A einem auf einem Substrat (2) aufgebrachten, eine oder mehrere Isolationsschichten (4, 6, 8, 10) aufweisenden Isolationsmaterial, DOLLAR A mindestens einer in oder auf dem Isolationsmaterial vorgesehenen ersten Elektrodenstruktur (12, 13), DOLLAR A mindestens einer in oder auf dem Isolationsmaterial vorgesehenen, von der ersten Elektrodenstruktur in vertikaler Richtung beabstandeten zweiten Elektrodenstruktur (14, 15), DOLLAR A einer gassensitiven Schicht (16), die an die erste Elektrodenstruktur (12, 13) und die zweite Elektrodenstruktur (14, 15) angrenzt, und DOLLAR A einer in dem Isolationsmaterial (4, 6, 8, 10) vorgesehenenHeizleiterstruktur (7).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung zum Messen einer Gaskonzentration, insbesondere von Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂), Stickoxid (NO_x) und/oder Kohlenwasserstoffen. Integrierte Sensoranordnungen mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber diesen Gasen weisen in der Regel eine gassensitive Schicht aus Metalloxiden auf, die mittels Heizleiterstrukturen auf z. B. mehrere hundert Grad Celsius geheizt und elektrisch, meist resistiv, über Elektrodenstrukturen ausgewertet wird.
Hierzu werden herkömmlicherweise die Elektrodenschichten lateral derartig strukturiert, dass sich eine interdigitale Fingerstruktur ergibt, bei der die beiden Elektroden kammartig ineinandergreifen. Zwischen den kammartig ineinandergreifenden Fingern der Elektroden ist die gassensitive Schicht mäanderartig vorgesehen, so dass sich aufgrund der großen Oberflächen der Elektroden ein niedriger elektrischer Gesamtwiderstand zwischen den Elektroden ergibt.
Hierbei wird für eine kostengünstige Herstellung mit wenig Material und geringem Flächenbedarf eine hohe Integration gewünscht. Weiterhin wird bei kleinerer Dimensionierung der gassensitiven Schicht zwischen den Elektroden die Anzahl der Korngrenzen innerhalb des gassensitiven Materials verringert, so dass genauere Messungen möglich sind.
Die Abstände zwischen den Elektroden werden durch die Strukturgenauigkeit des verwendeten Halbleiterprozesses bestimmt. Bei bekannter µ-Mechanik liegt diese oberhalb von 1 µm, bei CMOS-Prozessen unterhalb von 1 µm. Eine höhere Integration ist jedoch nur schwer erreichbar. Mittels schreibender Verfahren, zum Beispiel mittels eines Elektronenstrahlbelichters, lassen sich hierbei auch Strukturbreiten deutlich unterhalb von 1 µm realisieren; derartige Verfahren sind jedoch operativ aufwendig und kostenträchtig.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet demgegenüber insbesondere den Vorteil, dass sie mit relativ geringem Aufwand, insbesondere auch kostengünstig, herstellbar ist und dennoch genaue Messungen ermöglicht. Vorteilhafterweise werden hierbei multiparametrale Sensorsignale gewonnen.
Erfindungsgemäß sind somit die Elektroden als Elektrodenstrukturen in vertikal zueinander beabstandeten Elektrodenschichten ausgebildet. Damit ist ihr Kontaktabstand durch die Schichtdicke der zwischen ihnen liegenden ein oder mehreren Isolationsschichten bestimmt. Hierbei können mit gängigen Verfahren, zum Beispiel CVD, PVD usw. Schichtdicken und damit Elektrodenabstände von wenigen nm realisiert werden. Durch die erfindungsgemäße vertikale Strukturierung vorgenommen wird, können wesentliche Nachteile der herkömmlichen lediglich lateral strukturierten Sensoranordnungen teilweise oder ganz vermieden werden und auch kleine Kontaktabstände mit relativ geringem Aufwand und herkömmlichen Technologien erreicht werden. Somit kann zum einen eine hohe Integration mit geringem Flächenbedarf und geringem Materialaufwand erreicht werden. Weiterhin können vorteilhafterweise nanostrukturierte Materialien für die gassensitive Schicht verwendet werden, bei denen zwischen den Elektroden lediglich einige Kristallite oder ein einziger Kristallit vorgesehen ist, so dass bessere Messeigenschaften, insbesondere bezüglich der Sensitivität und der Selektivität der betreffenden Gase und Gaskonzentrationsbereiche erreichbar sind. Aufgrund der erzielbaren geringen Schichtdicken der gassensitiven Schicht, die dennoch eine große Oberfläche gegenüber dem zu messenden Gasvolumen aufweist, kann zudem ein gutes dynamisches Ansprechverhalten erreicht werden.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, dass zusätzlich zu der vertikalen Strukturierung eine laterale Strukturierung ausgebildet werden kann. Hierdurch kann eine höhere Integration mit geringerem Platzbedarf erreicht werden. Durch die zusätzliche Ausbildung weiterer Elektrodenschichten kann zum einen die Genauigkeit der Messung erhöht werden; insbesondere können durch einen Vergleich der verschiedenen Signale die Selektivität erhöht und weitere Daten, insbesondere Aussagen über den Zustand des Sensors, zum Beispiel sein Alter und den Grad seiner Vergiftung, gewonnen werden.
Durch einen Freiraum in einem mittleren Bereich des Substrates kann eine thermisch von dem Substrat weitgehend entkoppelte Membran aus den Isolationsschichten, der gassensitiven Schicht, den Elektroden und der Heizleiterstruktur ausgebildet werden. Die Isolationsschichten können z. B. aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid, Siliziumcarbid oder Kombinationen dieser Materialien ausgebildet werden, wodurch eine kostengünstige Ausbildung einer unter Zugspannung stehenden Membran erreicht wird. Alternativ zu der Ausbildung eines Freiraums im Substrat kann die thermische Isolierung auch durch einen Hohlraum im Substrat oder die Verwendung einer Schicht von porösem Substrat, z. B. porösem Silizium erreicht werden
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch eine Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch eine Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 einen vertikalen Schnitt durch eine Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 sind auf einem Silizium-Substrat 2 eine erste Isolationsschicht 4, zweite Isolationsschicht 6, dritte Isolationsschicht 8 und vierte Isolationsschicht 10 ausgebildet. In der zweiten Isolationsschicht 6 sind hierbei in lateraler Richtung zueinander beabstandet eine linke und rechte zweite Elektrodenstruktur 14, 15 aus zum Beispiel einem Metall ausgebildet, die sich in Längsrichtung parallel erstrecken. Lateral außerhalb der zweiten Elektrodenstrukturen sind Heizleiterstrukturen 7, 11 vorgesehen. Über die dritte Isolationsschicht 8 hiervon getrennt sind in der vierten Isolationsschicht 10 eine linke und eine rechte erste Elektrodenstruktur 12, 13 ausgebildet. Hierbei ist gemäß Fig. 1 in der dritten und vierten Isolationsschicht eine Aussparung 9 vorgesehen, die die Elektrodenstrukturen 12, 13, 14, 15 teilweise freilegt. Eine gassensitive Schicht 16 aus zum Beispiel einem Metalloxid bedeckt diese Aussparung und einen Teil der Oberfläche der vierten Isolationsschicht 10, wodurch sämtliche Elektrodenstrukturen gegenüber dem Außenraum abgedeckt sind. Die Schichten 11 bis 16 erstrecken sich hierbei parallel zueinander in Längsrichtung. Durch die symmetrische Anordnung der Heizleiterstrukturen 7 und 11 wird eine gleichmäßige Erwärmung des mittleren Bereiches mit Elektroden und gassensitiver Schicht erreicht. Für eine thermische Entkopplung ist in dem Substrat 2 ein Freiraum 18 ausgebildet, so dass der mittlere Bereich eine Membran 17 bildet. Ein vertikaler Abstand d zwischen den ersten Elektrodenstrukturen 12, 13 und zweiten Elektrodenstrukturen 14, 15 beträgt zum Beispiel 2 nm bis 10 µm, zum Beispiel etwa 1.500 nm oder bei nanostrukturierter gassensitiver Schicht 16 einige nm.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der auf der ersten Isolationsschicht 4 lateral außen links und rechts jeweils Heizleiterstrukturen 7, 11 aufgetragen sind, die von der zweiten Isolationsschicht 6 bedeckt sind. Zwischen den Heizleiterstrukturen 7, 11 sind vier parallel verlaufende zweite Elektrodenstrukturen 14, 24, 26, 15 auf der ersten Isolationsschicht 4 aufgetragen und an ihrer Oberseite jeweils von der zweiten Isolationsschicht 6 bedeckt. Auf der zweiten Isolationsschicht 6 sind vier parallel verlaufende erste Elektrodenstrukturen 12, 20, 22, 13 jeweils oberhalb einer zweiten Elektrodenstruktur aufgetragen. In der zweiten Isolationsschicht 6 ist zwischen zwei benachbarten zweiten Elektrodenstrukturen jeweils eine Aussparung 33 in der zweiten Isolationsschicht 6 ausgebildet und mit der gassensitiven Schicht 16 gefüllt, so dass jede erste und zweite Elektrodenstruktur an die gassensitive Schicht 16 angrenzt.
Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform ist gegenüber der Ausführungsform der Fig. 2 dahingehend abgewandelt, dass eine sich in lateraler Richtung unterhalb der vier ersten Elektrodenstrukturen erstreckende zweite Elektrodenstruktur 28 in der zweiten Isolationsschicht 6 vorgesehen ist.
Bei der Ausführungsform der Fig. 4 ist gegenüber der Ausführungsform der Fig. 2 auf der zweiten Isolationsschicht 6 eine obere Isolationsschicht 10 aufgetragen, in der lateral außen Heizleiterstrukturen 31 und 32 oberhalb der Heizleiterstrukturen 7, 11 ausgebildet sind. Die obere Isolationsschicht 10 grenzt an die lateral äußeren ersten Elektrodenstrukturen 12 und 13, wobei sämtliche ersten und zweiten Elektrodenstrukturen an die gassensitive Schicht 16 angrenzen. Weiterhin ist in der ersten Isolationsschicht 4 eine dritte Elektrode 30 vorgesehen, die sich in lateraler Richtung über zumindest die ersten und zweiten Elektrodenstrukturen erstreckt und nicht an die gassensitive Schicht 16 angrenzt.
Die Auswertung der in den Figuren gezeigten Sensoranordnungen kann in Abhängigkeit von dem für die gassensitive Schicht 16 verwendeten Material mittels einer Gleichspannungsquelle resistiv oder mittels einer Wechselspannungsquelle durch kapazitive Messung oder Messung der Impedanz erfolgen. Hierbei kann zum einen eine Spannung zwischen den ersten und den zweiten Elektrodenstrukturen angelegt werden, zwischen denen in vertikaler Richtung nur ein geringer Abstand d ausgebildet ist, so dass lediglich wenige oder nur ein einziger Kristallit des Materials der gassensitiven Schicht 16 zwischen den Elektroden angeordnet ist. Bei den Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4 mit mehreren ersten Elektrodenstrukturen ist die Oberfläche des Übergangs zwischen den ersten und zweiten Elektrodenstrukturen höher als bei der Ausführungsform der Fig. 1, so dass ein größeres Signal gewonnen werden kann.
Weiterhin ist erfindungsgemäß alternativ oder zusätzlich zu der vertikalen Messung eine laterale Messung des ohmschen Widerstandes, der Kapazität und/oder Impedanz zwischen den lateral beabstandeten ersten Elektrodenstrukturen und/oder zwischen den lateral beabstandeten zweiten Elektrodenstrukturen möglich. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 wird hierzu direkt eine Messung zwischen den ersten Elektrodenstrukturen 12 und 13 durchgeführt, bei den Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4 können zwischen den vier lateral beabstandeten Elektrodenstrukturen jeweils resistive Vierpunktmessungen durchgeführt werden, bei denen eine Spannung zwischen den lateral äußeren Elektrodenstrukturen 12 und 13 oder 14 und 15 angelegt und der Spannungsabfall an den mittleren Elektrodenstrukturen 20 und 22 oder 24 und 26 gemessen wird.
Die in der Ausführungsform der Fig. 4 gezeigte dritte Elektrodenschicht bzw. Elektrodenstruktur 30 kann entsprechend auch bei den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 vorgesehen werden. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der dritten Elektrodenstruktur 30 und den ersten und/oder zweiten Elektrodenschichten bzw. Elektrodenstrukturen kann ein elektrisches Feld in die gassensitive Schicht 16 eingekoppelt werden, wodurch die Sensoreffekte bei resistiver, kapazitiver Messung oder Impedanzmessung in vertikaler oder lateraler Messung gezielt beeinflusst werden können.

Claims

1. Sensoranordnung zum Messen einer Gaskonzentration, insbesondere von Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Stickoxid und/oder Kohlenwasserstoffen, mit
einem auf einem Substrat (2) vorgesehenen Isolationsmaterial, das eine oder mehrere Isolationsschichten (4, 6, 8, 10) aufweist,
einer in oder auf dem Isolationsmaterial vorgesehenen ersten Elektrodenstruktur (12, 13, 20, 22),
einer in oder auf dem Isolationsmaterial vorgesehenen, von der ersten Elektrodenstruktur in vertikaler Richtung beabstandeten zweiten Elektrodenstruktur (14, 15, 24, 26, 28),
einer gassensitiven Schicht (16), die an die erste Elektrodenstruktur (12, 13, 20, 22) und die zweite Elektrodenstruktur (14, 15, 24, 26, 28) angrenzt, und
einer in dem Isolationsmaterial (4, 6, 8, 10) vorgesehene Heizleiterstruktur (7, 11, 31, 32).

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Widerstand, eine Kapazität und/oder eine Impedanz der gassensitiven Schicht (16) von der Gaskonzentration abhängt.

3. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei, vier oder mehr in lateraler Richtung voneinander beabstandete erste Elektrodenstrukturen (12, 13, 20, 22) vorgesehen sind, an die die gassensitive Schicht (16) jeweils angrenzt.

4. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei, vier oder mehr in lateraler Richtung voneinander beabstandete zweite Elektrodenstrukturen (14, 15, 24, 26) vorgesehen sind, an die die gassensitive Schicht (16) jeweils angrenzt.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine durchgängige zweite Elektrodenstruktur (28) vorgesehen ist, an die die gassensitive Schicht (16) angrenzt.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren ersten Elektrodenstrukturen und/oder die mehreren zweiten Elektrodenstrukturen mit verschiedenen Kontaktanschlüssen verbunden sind.

7. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in einer Isolationsschicht (6, 10) vorgesehene, in lateraler Richtung zueinander beabstandete Heizleiterstrukturen (7, 11, 31, 32) vorgesehen sind, die symmetrisch zu den Elektrodenstrukturen und der gassensitiven Schicht (16) angeordnet sind.

8. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (2) ein Freiraum (18) ausgebildet ist, oberhalb von dem das Isolationsmaterial (4, 6, 8, 10), die Elektrodenstrukturen (12, 13, 20, 22, 14, 15, 24, 26, 28, 30) und die gassensitive Schicht (16), vorzugsweise auch die Heizleiterstrukturen (7, 11, 31, 32), als Membran (17) ausgebildet sind.

9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Elektrodenstrukturen (12, 13, 20, 22, 14, 15, 24, 26, 28, 30), der gassensitiven Schicht (16) und vorzugsweise auch der Heizleiterstrukturen, unterhalb des Isolationsmaterials (4, 6, 8, 10) eine Schicht aus porösem Substrat, vorzugsweise porösem Silizium ausgebildet ist.

10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Elektrodenstrukturen (12, 13, 20, 22, 14, 15, 24, 26, 28, 30), der gassensitiven Schicht (16) und vorzugsweise auch der Heizleiterstrukturen, unterhalb des Isolationsmaterials (4, 6, 8, 10) ein Hohlraum in dem Substrat ausgebildet ist.

11. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) übereinander mindestens eine erste Isolationsschicht (4), eine die zweite Elektrodenstruktur (14, 15) enthaltende zweite Isolationsschicht (6), eine die ersten und zweiten Elektrodenstrukturen trennende dritte Isolationsschicht (8) und eine die erste Elektrodenstruktur (12, 13) enthaltende vierte Isolationsschicht (10) vorgesehen ist, wobei in zumindest der dritten und vierten Isolationsschicht eine Aussparung (9) ausgebildet ist, in der die gassensitive Schicht (16) aufgetragen ist.

12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) übereinander eine erste Isolationsschicht (4) und eine die zweite Elektrodenstruktur (14, 15, 24, 26, 28) enthaltende zweite Isolationsschicht (6) vorgesehen ist, wobei die erste Elektrodenstruktur (12, 13, 20, 22) auf der zweiten Isolationsschicht oberhalb der zweiten Elektrodenstruktur (14, 15, 24, 26, 28) aufgetragen ist und mindestens eine Aussparung (33) in der zweiten Isolationsschicht (6) ausgebildet ist, in die die gassensitive Schicht (16) aufgetragen ist.

13. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dritte Elektrodenstruktur (30) vorgesehen ist, die in lateraler Richtung zu den ersten Elektrodenstrukturen und den zweiten Elektrodenstrukturen beabstandet ist.

14. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektrodenstrukturen und/oder die zweiten Elektrodenstrukturen in lateraler Richtung kammartig oder interdigital ineinander verzahnt sind, wobei zwischen ihnen die gassensitive Schicht (16) vorgesehen ist.

15. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschichten (4, 6, 8, 10) in lateraler Richtung unter Zugspannung stehen.

16. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid, Siliziumcarbid oder Kombinationen dieser Materialien besteht.

17. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Elektrodenstruktur en (12, 13, 20, 22) und den zweiten Elektrodenstrukturen (14, 15, 24, 26, 28) ein vertikaler Abstand von 2 nm bis 10 µm vorgesehen ist.

18. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Sensormaterial der gassensitiven Schicht (16) nanostrukturiert ist, vorzugsweise mit einer Korngröße von 10-50 nm.

19. Verfahren zum Messen von Gaskonzentrationen unter Verwendung einer Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise zwischen den ersten und zweiten Elektrodenstrukturen und/oder zwischen verschiedenen ersten Elektrodenstrukturen und/oder zwischen verschiedenen zweiten Elektrodenstrukturen eine Gleichspannung oder Wechselspannung angelegt wird und ein ohmscher Widerstand und/oder eine Kapazität und/oder eine Impedanz der gassensitiven Schicht (16) gemessen wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19 unter Verwendung einer Sensoranordnung mit vier ersten und/oder zweiten Elektrodenstrukturen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein ohmscher Widerstand durch eine Vierpunktmessung gemessen wird, indem zwischen der ersten und vierten Elektrodenstruktur (12, 13; 14, 15) eine Gleichspannung angelegt wird und eine an den mittleren Elektrodenstrukturen (20, 22; 24, 26) abfallende Spannung gemessen wird

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20 unter Verwendung einer Sensoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Elektrodenstruktur und den ersten und/oder zweiten Elektrodenstrukturen eine Spannung angelegt wird.