SENSOR MIT OBERFLÄCHENBEHANDELTEN ALUMINIUMTEILEN UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG

Die Erfindung betrifft einen Sensor, beispielsweise Gassensor, Beschleunigungssensor oder Drucksensor mit aluminiumhaltigen Teilen, wobei der Sensor physikalische Größen aufnimmt und in elektrische Signale wandelt. Betrachtet werden Störsignale, die in Verbindung mit Korrosion an aluminiumhaltigen oder reinen Aluminium-Teilen des Gassensors auftritt .

Die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit bildet an Oberflächen, insbesondere an metallischen Oberflächen, bei variierenden Betriebsbedingungen dünne Wasserfilme, die zu erhöhter Oberflächenleitfähigkeit führen. Bei Sensoren entstehen Probleme insbesondere an Teilen, die entweder aus Silizium, siliziumhaltigern Material oder Aluminium oder aluminiumhaltigern Material bestehen. Die genannten oberflächlichen Wasserfilme führen zu erhöhten Leckströmen und stellen somit an Sensoren, deren Nutzsignale elektrische Signale sind, wesentliche Störgrößen dar. Derartige Sensoren stehen meist zur Detektion bestimmter physikalischer Größen mit Luft in Kontakt. Somit können unterschiedliche Sensoreigenschaften, beispielsweise bezüglich der Stabilität und des allgemeinen Signalverhaltens eines Sensors, wesentlich beeinflusst werden.

Um nachteilige Feuchteeinflüsse auf Sensoren oder Sensorsysteme zu vermeiden, können diese beispielsweise gekapselt aufgebaut werden. Eine Methode in Verbindung mit Gassensoren besteht darin, passive Membranen zum Ausschluss von ungewünschten Störgasen einzusetzen. Werden durch den Sensor beispielsweise aggressive Zielgase detektiert, so muss jedoch mit einer verkürzten Lebensdauer des Sensors gerechnet werden.

Die Beheizung von Gassensoren beispielsweise über 100° C stellt eine Teillösung dar, ist jedoch mit erheblichem Energieaufwand verbunden.

Bei Sensoren, die Halbleiterbauteile als wesentliche Bestandteile aufweisen, sind oft Metallisierungen aus Aluminium vorhanden. Aluminium kann leicht von Säuren angegriffen werden. Die Gassensoren, die regelmäßig mit Umgebungsatmosphäre in Verbindung stehen, sind somit verstärkter Korrosion ausgesetzt. Dabei werden in der Atmosphäre enthaltene Säuren mit einem

Feuchtigkeitsniederschlag auf der Metallisierung abgelagert. Um dies auszuschließen kann die Metallisierung durch herkömmliches Vergießen beispielsweise in Kunststoff geschützt werden. CMOS-Bauteile werden derart gegen Korrosion geschützt. Ein Korrosionsschutz bei Gassensoren, die aggressive Gase detektieren, muss anderen Anforderungen genügen. Da ein Gassensor zwangsläufig mit dem Messgas zur Detektion eines darin vorhandenen Zielgases in Kontakt kommen muss, ist zu erwarten, dass seine Lebensdauer sehr gering ist .

Aus der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Anmeldekennzeichen 10 2004 005 927.6 sind ein Sensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, wobei siliziumhaltige Bauteile in Sensoren dadurch vor Feuchtigkeit geschützt werden, dass sie mit einer Schicht aus hydrophobem Material belegt sind. Zur Herstellung dieser Schicht wird das Verfahren der Silanisierung eingesetzt. Dabei entsteht auf der siliziumhaltigen Oberfläche eine Monolage von hydrophoben

Molekülketten, die die Adsorption von Wassermolekülen unterbindet. Hierfür eignen sich prinzipiell sämtliche hydrophoben Molekülketten, die eine stabile Verbindung mit der Oberfläche eingehen. Somit kann für bestimmte Substrate eine Lösung der beschriebenen Probleme erreicht werden.

Nachteilig ist, dass bestimmte gängige hydrophobe Molekülketten auf Aluminium oder aluminiumhaltigen Substanzen nicht haften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor, der Aluminium oder aluminiumhaltige Bestandteile aufweist, die oberflächlich positioniert sind, derart zu gestalten, dass in Verbindung mit Luftfeuchtigkeit aus der Umgebung keine Störsignale auftreten. Weiterhin ist ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die jeweilige Merkmalskombination des Anspruchs 1 bzw. des Anspruches 7 ermöglicht . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass, nachdem der Stoff n-Octadecyltrichlorosilan nicht direkt auf Aluminium oder aluminiumhaltigen Teilen haftet, eine Vorbehandlung dieser Oberflächen notwendig ist . Die Vorbehandlung geschieht in einfacher Weise durch ein Tauchbad in Kieselsäure, wobei vorzugsweise eine selbst organisierende Monolage aus Aluminiumsilikat entsteht. Diese Monolage Aluminiumsilikat stellt bereits eine Schutzschicht dar, die einen geringfügigen Schutz bietet. Wesentlich ist jedoch die stabile chemische Verbindung, die n-Octadecyltrichlorosilan mit der Aluminiumsilikatschicht bildet. Da dies eine sehr stabile Verbindung ist, liefert sie insgesamt den eigentlichen und hochwirksamen Schutz gegen Feuchtigkeit und Korrosion. Dabei dient die Silikatschicht der Haftvermittlung und die Schicht aus n-Octadecyltrichlorosilan gewährleistet einen sehr wirksamen Korrosionsschutz. Somit liegen zwei übereinander aufgebrachte Schutzschichten vor, von denen mindestens eine als eine selbst organisierende Monolage dargestellt ist. Der wesentliche Schutz wird durch die zweite und damit oberste Schicht erreicht. Es lassen sich wesentliche Säurebeständigkeiten realisieren. Die hydrophobe

Wirkung ist weitreichend, so dass sich keinerlei Feuchtefilme im normalen Betrieb ausbilden, wodurch insbesondere die Korrosion durch in der Niederschlagsfeuchtigkeit vorhandene Säuren verhindert wird.

Sowohl die Behandlung zur Ausbildung einer Aluminiumsilikatschicht als auch zur Ausbildung einer n- Octadecyltrichlorosilanschicht geschieht durch ein entsprechendes Tauchbad.

Die Metallisierung des Sensors in Form von Aluminium oder aluminiumhaltigen Bestandteilen kann somit wirksam gegen Feuchtigkeit und Säuren geschützt werden.

Der Schutz ist im Wesentlichen durch Vermessung von Wasser auf den entsprechend behandelten Oberflächen nachweisbar. Der Kontaktwinkel von Wassertropfen beträgt beispielsweise -9°, was gleichbedeutend ist mit der Tendenz, dass ein auf einer Oberfläche aufsitzender Wassertropfen an seiner Kontaktfläche zur Oberfläche nach innen gewölbt ist, also die gegenteilige Erscheinung wie eine benetzende, das heißt nach außen verlaufende Form, wie sie bei hydrophilen Substanzen vorliegt, zeigt.

Eine weitere Darstellung der wirksamen Passivierung der entsprechenden Metalloberflächen lässt sich durch jeweiliges Aufbringen eines Wassertropfens auf einer unbehandelten Aluminium- oder einer passivierten Aluminiumoberfläche darstellen. Verläuft der Wassertropfen auf einer Aluminiumoberfläche zu einer flachen Wasserzone, so bildet der Wassertropfen auf einer passivierten Oberfläche eine Perle oder einen Teil einer Kugel, wie eine Halbkugel, so dass die Flüssigkeitsoberfläche insgesamt die Form mit dem kleinstmöglichen Energieinhalt einnimmt.

Anhand der beigefügten Figur lässt sich der Korrosionsschutz der aufgrund der hydrophoben Oberflächenbehandlung mit der Erfindung erzielbar ist, nachweisen. In dem Diagramm

entsprechend der Figur ist auf der Ordinate die Ätzdauer in Sekunden angetragen. Auf der Abszisse sind drei Gruppen entsprechend dreier Ätzmethoden dargestellt, wobei in den jeweiligen drei Balken von rechts beginnend ein Aluminiumbauteil ohne Schutzschicht, ein

Aluminiumsilikatbauteil mit Silikatschicht/Haftvermittler und ein silanisiertes, also insgesamt mit zwei Schichten entsprechend der Erfindung passiviertes Bauteil, behandelt werden. Die jeweiligen drei Gruppen bedeuten von links beginnend eine Ätzung mit einem Gemisch aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid im Verhältnis 1:1, einer Ätzung mit Salzsäure 37%ig, und eine Ätzung mit Phosphornitrogensäure im entsprechenden Verhältnis. Beginnend mit dem rechten Balken der jeweiligen Gruppe ergibt sich eine Zeit zwischen etwa 150 und 450 Sekunden für die Ätzdauer einer Schicht aus 110 nm Aluminium. Die Werte in Verbindung mit dem mittleren Balken einer jeden Gruppe bedeuten die Zeit, in der ein mit Aluminiumsilikat passiviertes Metall mit gleichem Betrag geätzt wird. Der herausragende Vorteil der Erfindung zeigt sich im jeweils linken Balken einer Gruppe, wobei zu erkennen ist, dass eine nach der Erfindung passivierte Aluminiumoberfläche mindestens 600 Sekunden bei einer Salzsäureätzung standhält und bei der linken und rechten Gruppe jeweils mindestens 1500 oder 1800 Sekunden für gleiche Auswirkungen zu ätzen ist.