微机械固体电解质传感器装置及相应的制造方法

专利名称：微机械固体电解质传感器装置及相应的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种微机械固体电解质传感器装置和一种相应的制造方法。
背景技术：
固体电解质气体传感器在现有技术中是已知的，例如作为拉姆达探头形式的氧气传感器。构建为能斯脱探头的拉姆达探头测量固体电解质的电压，其中二氧化锆用作膜。在此，利用二氧化锆的如下特性，在高温(在陶瓷探头的情况下典型为650°C )下能够以电解质形式输送氧离子，由此形成可测量的电压。DE 199 41 051 Al公开了一种气体传感器，该气体传感器构建为宽带拉姆达探头，该气体传感器具有陶瓷固体电解质基和多个电极，其安置在固体电解质的外侧上或腔中。陶瓷厚膜工艺用作这种已知的固体电解质传感器装置的技术，厚膜工艺仅允许比较大的最小尺寸，更确切地说不仅在结构宽度(典型地大于30 μ m)方面而且在层厚度(典型地大于ΙΟμπι)方面。通过组合多个单元除了可制造氧气传感器之外也可以制造其他气体传感器，例如用于氧化氮的气体传感器，但这些气体传感器成本高昂并且要求复杂的分析电子装置
发明内容
本发明提出了一种根据权利要求1所述的微机械固体电解质传感器装置和一种根据权利要求7所述的相应制造方法。优选的改进方案是相应的从属权利要求的主题。本发明所基于的构思在于将微机械技术应用于基于固体电解质的气体传感器。因此,本发明能够实现这种传感器的小型化,降低成本并且由于其他传感器(譬如分析和激励电路)的集成可能性而提高可靠性。尤其是，本发明将陶瓷厚膜气体传感器的化学功能材料和功能机构例如作为能够传导氧气的材料的固体电解质与微系统技术的工艺、结构和材料组合，例如用于实现所述气体传感器的经微结构化的膜。在电极材料和固体电解质材料的情况下小得比较多的尺寸的实现允许针对性地利用材料特性并且例如允许扩宽温度范围。通过在从属权利要求中举出的措施可以有利地改进和改善在从属权利要求中所说明的装置和所说明的方法。有利的是，承载衬底具有用于固定膜区域的敞开的内腔(Kaverne)并且第二多孔电极穿过内腔。这能够实现制造通过背侧微机构的传感器结构，使得多个小的且稳定的膜构建在晶片上并且以后在传感器中可以同时接触地(通过从前侧和背侧穿过的电极)被使用。此外有利的是，承载衬底具有经多孔化的区域，在该区域的上方设置第一多孔电极、第二多孔电极和嵌在第一多孔电极与第二多孔电极之间的固体电解质。通过该措施省去了背侧微机构，承载衬底保持得更稳定，并且没有对压力敏感的膜。通过多孔化，待检测的气体仍然到达传感器，或在泵浦运行时，通过电解质泵浦的气体可以流走。此外有利的是，承载衬底具有闭合的内腔并且第二多孔电极穿过该闭合的内腔。膜能够实现传感器的扩散受限的运行。利用多孔电极建立电连接，同时限定的气体也可以通过多孔的层溢流(nachstr5men)或流出。此外有利的是，微机械承载衬底是晶片的一部分。通过该措施可以在晶片上同时并行制造多个传感器，更确切地说经由全部工序(涂覆电解质、电极、产生腔体等等)来制造。此外在晶片中还可以集成有电子电路，相应的处理优选可以已经事先进行，使得不会对有源传感器层产生不利的影响。此外有利的是，晶片由S1、SiC或蓝宝石构成。有利地借助该措施可以制造成本低廉的衬底，该衬底可被简单处理并且能够实现电极的简单集成。此外，SiC是耐高温的并且在达到和超过500°c时能够实现在传感器中的电子部件。蓝宝石在没有附加的隔离材料的情况下是不导电的。此外有利的是，在形成内腔之前在承载衬底的前侧上设置辅助膜，接着刻蚀内腔，随后将固体电解质和第一多孔·电极设置在前侧上，之后将辅助膜从背侧开始去除并且最后涂覆第二多孔电极，使得第二多孔电极穿过内腔。该措施能够实现更为简单且更为可靠的制造。根据现有技术作为第一步骤以背侧微机构工艺(例如用KOH腐蚀液湿刻蚀Si)来制造膜。故障率在此比较高(与传感器层的沉积相比)。在以该工艺步骤开始时，可以使损耗最小化，因为在有缺陷的情况下只有少数经处理的晶片损毁。此外在该过程中以后在传感器中没有有源层(例如固体电解质)暴露于针对晶片的刻蚀介质或刻蚀方法。膜材料可以选择为使得相对于固体电解质对膜的刻蚀的选择性最佳。由于膜与晶片相比也薄很多，所以对膜的可能必要的过刻蚀与直接刻蚀晶片相比会短很多。在此，在膜区域之外残留的未被去除的辅助膜材料可以承担固体电解质与衬底的隔离。此外有利的是，在形成内腔之前固体电解质和第一多孔电极设置在前侧上，接着将辅助膜设置在承载衬底的前侧上，随后将内腔刻蚀，之后涂覆第二多孔电极使得第二多孔电极穿过内腔，并且最后去除在上侧上的辅助膜。在此情况下，涉及一种特别有利的用于将电子装置集成在用于传感器的晶片上的方法。带有电极的晶片被完全(预)处理。于是，在晶片上局部限制地或整面地涂覆传感器层(优选仅局部限制地)和辅助膜，例如由聚合物构成的辅助膜。在对内腔的处理结束之后，例如利用溶剂将聚合物构成的辅助膜去除。


借助实施形式参照附图阐述了本发明的其他特征和优点。其中:
图1示出了用于阐述根据本发明的第一实施形式的微机械固体电解质传感器装置的示意性横截面 图2示出了用于阐述根据本发明的第二实施形式的微机械固体电解质传感器装置的示意性横截面 图3示出了用于阐述根据本发明的第三实施形式的微机械固体电解质传感器装置的示意性横截面图；图4a，4b示出了用于阐述根据本发明的第五实施形式的微机械固体电解质传感器装置的制造方法的示意性横截面 图5a，5b示出了用于阐述根据本发明的第六实施形式的微机械固体电解质传感器装置的制造方法的示意性横截面图。
具体实施例方式在这些图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的元件。图1示出了用于阐述根据本发明的第一实施形式的微机械固体电解质传感器装置的示意性横截面图。在图1中，附图标记I表示带有前侧VS和背侧RS的承载衬底。在衬底I中设置内腔K，其从背侧RS延伸直至前侧VS。将固体电解质膜5涂覆到承载衬底I的前侧VS的上方，使得固体电解质膜遮盖内腔K及其周边区域。在固体电解质膜5上从前侧涂覆第一电极El而从背侧涂覆第二电极E2，其中电极El、E2是多孔的或气体可透过的。该结构形成了简单的能斯脱单元。承载衬底I尤其为晶片的一部分，该晶片由半导体性的或绝缘的材料例如S1、SiC或也为蓝宝石构成。通过不仅针对固体电解质膜5和电极E1、E2的功能材料而且针对承载衬底I使用薄膜方法或在半导体领域中常见的方法可以显著地减小结构宽度和层厚度。
例如，固体电解质膜5的层厚度可以为几纳米例如IOnm到数微米例如10 μ m。为了构建膜区域B,优选300nm到2μηι的厚度范围。唯一的这种能斯脱单元的横向尺寸可以从Iym到数百微米变动。尤其上通过将固体电解质用于具有小层厚度的固体电解质膜5，可以减小寄生串联电阻，由此较高的能斯脱电流也是可能的。通过较小的层厚度也限制了粒度。因此对于可能的纳米级的固体电解质而言除了实现高气密性之外还可以实现在500°C或达到至少800°C以下的范围中的低工作温度。物理沉积方法譬如溅射或激光烧蚀或化学沉积方法尤其是化学气相沉积和原子层沉积用作固体电解质膜5的制造方法。固体电解质的较大层厚度也可以通过常规陶瓷厚膜工艺例如通过丝网印刷实现在微机械承载衬底I上，这形成了混合的总系统。在此，固体电解质的压印或沉积在构建内腔和涂覆背侧电极E2之前进行。优选地，单个能斯脱单元尽可能小地实施，以便实现膜区域B中的高稳定性。通过组合多个单个膜可以实现具有大的面和大的电流信号的泵浦单元。为此，仅电极涂层必须在各个能斯脱单元中被连接，这通过如下方式最简单地实现:电极El、E2平面地在具有多个内腔K和相应的膜区域B的承载衬底I的上方实施。在承载衬底I气体不能透过时，则该承载衬底相对于固体电解质应具有隔离层，因为要不然在不具有气体可透过性的区域中也进行了泵浦过程，该泵浦过程会损毁能斯脱单元。该隔离层可以是电学特征，使得在固体电解质中局部没有场形成，通过该场可以泵浦气体。可替选地，可以使用气密的层，其防止了气体到达固体电解质层的区域。为了制造，合理地首先在承载衬底I上在设置用于一个或多个能斯脱单元的区域上，将固体电解质涂覆在前侧VS上并且在其上涂覆前侧的电极E1。借助结构化方法例如湿刻蚀或DRIE (Deep Reactive 1n Edging (深反应离子刻蚀))于是从背侧RS出发直至前侧VS地去除承载衬底I。结构化方法在承载衬底I的多层结构的情况下(例如在上面提及的在固体电解质膜5之下的在衬底I的前侧VS上隔离层中)包括多个步骤。在将承载衬底I从背侧出发直至产生一个或多个内腔K的结构化之后，从背侧RS开始进行背侧电极E2的涂覆。应注意的是，在图1中附图标记P表示对气体的泵浦方向，在此为氧气，其根据在膜区域B中所施加电压的方向而可以反转。图2示出了用于阐述根据本发明的第二实施形式的微机械固体电解质传感器装置的示意性横截面图。在根据图2的实施形式中，附图标记Ia表示承载衬底，该承载衬底具有前侧VSa和背侧RSa。多孔区域PO从背侧RSa延伸至前侧VSa。承载衬底Ia在根据图2的能斯脱单元的情况下一方面用作固体电解质膜5和电极El’、E2’的承载体并且同时用作能斯脱单元的功能的扩散阻挡。为了制造，在承载衬底Ia的前侧VSa上沉积背侧的电极E2’，在其上沉积用于固体电解质膜5的固体电解质并且在·其上沉积前侧的电极E1’。有利地，将电极El’、E2’中的至少一个横向进行结构化。最后，承载衬底从背侧RSa被多孔化，更确切地说至少在区域PO中被多孔化，在该区域PO上存在两个电极E1’、E2’并且在该区域PO中通过固体电解质膜5进行泵浦。图3示出了用于阐述根据本发明的第三实施形式的微机械固体电解质传感器装置的示意性横截面图。在第三实施形式中，附图标记Ib表示承载衬底，该承载衬底具有前侧VSb和背侧RSb0承载衬底Ib具有闭合的内腔CV，固体电解质膜5通过内腔CV张紧在前侧VSb上。在闭合的内腔CV内并且在固体电解质膜5之下设置有背侧的电极E2’，该电极E2’通过相应的开口 O从闭合的内腔CV引出。在固体电解质膜5上从前侧涂覆前侧的电极E1’。在另一未示出的实施形式中，也可以仅使用局部经多孔化的并且在背侧闭合的区域作为腔体或内腔。图4a)，4b)是用于阐述根据本发明的第五实施形式的微机械固体电解质传感器装置的制造方法的示意性横截面图。在第四实施形式中，在刻蚀内腔K之前在衬底I的前侧VS上设置辅助膜50，例如由氮化硅或氧化硅构成的辅助膜。接着，刻蚀内腔K并且随后在前侧VS上设置固体电解质5和第一多孔电极E1，这引起根据图4a)的工艺状态。此外参照图4b)，从背侧RS出发在膜区域B中去除辅助膜50，并且接着在背侧RS上设置第二多孔电极E2。在该实施形式中，在传感器区域50之外的辅助膜50保留，然而这对于传感器功能无干扰作用。图5a)，5b)是用于阐述根据本发明的第六实施形式的微机械固体电解质传感器装置的制造方法的示意性横截面图。在第五实施形式中，在刻蚀内腔K之前在衬底I的前侧VS上设置固定电解质5和第一多孔电极El。接着，辅助膜55例如由氮化硅或氧化硅或聚合物构成的辅助膜作为刻蚀保护部设置在衬底I的前侧VS上即设置在第一多孔电极El上，这引起根据图5a)的工艺状态。此外参照图5b刻蚀内腔K并且随后在背侧RS上设置第二多孔电极E2。最后，去除在前侧55上的辅助膜55。优选可以将耐高温的和化学上惰性的材料用作所描述的实施形式的承载衬底I的材料，例如由单晶碳化硅(SiC)构成的晶片。在此有如下优点:在晶片上尤其在能斯脱单元或泵浦单元的区域之外可以涂覆集成半导体电路，集成半导体电路承担信号预处理，例如为放大电路、调节或控制电路形式。合理地，这些电路已在实现泵浦单元之前在衬底中实现或处理。利用这些电路例如可以实现泵浦单元的振荡的运行，其中所涂覆的电压和泵浦方向被有规律地改变。信号分析在此可以基于泵浦电流的时间相关性和/或电压相关性来进行。多晶材料例如多晶SiC晶片或多相材料例如在硅基质中的SiC也可以用作承载衬底的材料，其中电路在此仅可以在附加的外延生长的层中实现。在多相材料的情况下，可以简化多孔化或通过相的析取来·进行多孔化。气体可透过的电极El、E2或El’、E2’或E1’’、E2’’例如可以由金属并且优选由贵重金属的气流派射(Gasfluss-Sputtern)来制造,这能够实现在高使用温度下的高耐氧化性。通过气流溅射可以涂覆导电的但多孔的层作为电极E1、E2。用于制造电极的其他方法例如:涂覆有机溶液中的贵重金属纳米颗粒和随后为使颗粒致密的烘干步骤。特别有利的是使用MEMS结构来将多个化学传感器组或传感器的不同功能组合，例如用作氧化氮气体传感器。在该气体传感器的一个实施形式中，实现了具有泵浦单元和能斯脱单元(Nernstzelle)的小型化双腔传感器。通过小型化可以利用在例如NO的检测的泵浦单元的情况下在体积与表面之间的更为有利的比例。将SiC半导体材料用作基本材料能够实现在用于在传感器芯片中集成电路驱动传感器和用于放大和预处理信号。由此，可以简化或完全省去在传感器元件和发动机控制设备之间的附加的电子装置单元。除了化学传感器例如在SiC承载衬底中实现的带有纳米结构化的涂层的ChemFET之外，在半导体衬底上也可以安置用于电、化学或机械信息的记录器，例如对场敏感的传送器，压电元件和热敏电阻。由此在膜上可以安置有用于压力、温度或流量的其他物理传感器并且与化学传感器一起集成在一个模块中例如作为用于多种化学和物理参数的排气传感器。同样，在以微机械方法制造的或进一步处理的承载衬底中可以执行器例如用于小型化的阀或作为加热电阻。尽管本发明参照优选的实施例来描述，但本发明并不限于此。尤其，所述的材料和拓扑结构仅为示例性的而不限于所阐述的例子。
权利要求
1.一种微机械固体电解质传感器装置，其具有: 微机械承载衬底(I ;la ; lb)，所述微机械承载衬底(I ；la ; lb)带有前侧(VS ；VSa ；VSb)和背侧(RS ；RSa ；RSb)； 第一多孔电极(Ε1，ΕΓ，E1’’)和第二多孔电极(E2 ;Ε2’ ；Ε2’’)；以及 嵌在所述第一多孔电极(Ε1，ΕΓ，Ε1’ ’)与所述第二多孔电极(Ε2 ;Ε2’ ；Ε2’ ’)之间的固体电解质(5)。
2.根据权利要求1所述的微机械固体电解质传感器装置，其中承载衬底(I)具有用于固定膜区域(B)的敞开的内腔(K)并且所述第二多孔电极(Ε2)穿过所述内腔(K)。
3.根据权利要求1所述的微机械固体电解质传感器装置，其中所述承载衬底(Ia)具有经多孔化的区域(PO)，在所述区域(PO)上方设置有所述第一多孔电极(ΕΓ )、所述第二多孔电极(Ε2’)和嵌在所述第一多孔电极(ΕΓ )与所述第二多孔电极(Ε2’)之间的固体电解质(5)。
4.根据权利要求1所述的微机械固体电解质传感器装置，其中所述承载衬底(Ib)具有闭合的内腔(CV)并且所述第二多孔电极(Ε2’ ’ )穿过所述闭合的内腔(CV)。
5.根据上述权利要求之一所述的微机械固体电解质传感器装置，其中所述微机械承载衬底(I ; Ia ; Ib)是晶片的一部分。
6.根据权利要求5所述的微机械固体电解质传感器装置，其中晶片由S1、SiC或蓝宝石构成。
7.一种用于微机械固体电解质传感器装置的制造方法，具有如下步骤: 提供微机械承载衬底(I ;la ;`lb)，所述微机械承载衬底(I ；la ；lb)带有前侧(VS ；VSa ；VSb)和背侧(RS ；RSa ；RSb)； 将第一多孔电极(Ε1，ΕΓ，Ε1’ ’)和第二多孔电极(Ε2 ;Ε2’ ；Ε2’ ’ )以及嵌在所述第一多孔电极(Ε1，ΕΓ，Ε1’’)与所述第二多孔电极(Ε2 ;Ε2’ ；Ε2’’)之间的固体电解质(5)涂覆到微机械承载衬底(I ;la ；lb)0
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述承载衬底(I)设置有敞开的内腔(K)并且涂覆所述第二多孔电极(E2)使得所述第二多孔电极(E2)穿过所述内腔(K)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述承载衬底(Ia)设置有经多孔化的区域(PO)，在所述区域(PO)的上方涂覆所述第一多孔电极(ΕΓ )、所述第二多孔电极(E2’)和嵌在所述第一多孔电极(ΕΓ )与所述第二多孔电极(E2’)之间的固体电解质(5)。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述承载衬底(Ib)设置有闭合的内腔(CV)并且涂覆所述第二多孔电极(E2’ ’ )使得所述第二多孔电极(E2’ ’ )穿过所述闭合的内腔(CV)。
11.根据权利要求8所述的方法，其中在形成所述内腔(K)之前在承载衬底(I)的前侧(VS)上设置辅助膜(50)，接着刻蚀所述内腔(K)，随后将固体电解质(5)和所述第一多孔电极(El)设置在所述前侧(VS)上，之后将辅助膜(50)从所述背侧(RS)开始去除并且最后涂覆所述第二多孔电极(E2)，使得所述第二多孔电极(E2)穿过所述内腔(K)。
12.根据权利要求8所述的方法，其中在形成所述内腔(K)之前将所述固体电解质(5)和所述第一多孔电极(El)设置在所述前侧(VS)上，接着将辅助膜(55)设置在所述承载衬底(I)的前侧(VS)上，随后将所述内腔(K)刻蚀，之后涂覆所述第二多孔电极(E2)使得所述第二多孔电极(E2)穿过所述内腔(K)，并且最后去除在所述前侧(VS)上的辅助膜(55)。
全文摘要
本发明提出了一种微机械固体电解质传感器装置和一种相应的制造方法。微机械固体电解质传感器装置具有微机械承载衬底(1；1a；1b)，所述微机械承载衬底(1；1a；1b)带有前侧(VS；VSa；VSb)和背侧(RS；RSa；RSb)；第一多孔电极(E1，E1'，E1'')和第二多孔电极(E2；E2'；E2'')；以及嵌在所述第一多孔电极(E1，E1'，E1'')与所述第二多孔电极(E2；E2'；E2'')之间的固体电解质(5)。
文档编号B81B1/00GK103226125SQ201310035560
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月30日 优先权日2012年1月31日
发明者R.菲克斯, A.克劳斯 申请人:罗伯特·博世有限公司