Schichtwiderstand, Dünnfilmsensor und Verwendung von Partikel eines zweiten leitfähigen Materials

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schichtwiderstand sowie einen Dünnfilmsensor, der den Schichtwiderstand

aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung von Partikel eines zweiten leitfähigen Materials zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten des

Widerstandsmaterials des Schichtwiderstands.

Ein Schichtwiderstand kann eine piezoresistive Schicht aufweisen, an der zwei Elektroden angeordnet sind. In einem Dünnfilmsensor wird der Schichtwiderstand auf einen

Trägerkörper aufgebracht. Insbesondere kann der

Schichtwiderstand auf eine Membran des Trägerkörpers

aufgebracht werden, die relativ zu einem Substrat des

Trägerkörpers schwingen kann oder relativ zu dem Substrat gebogen werden kann.

Um eine hohe Messgenauigkeit des Dünnfilmsensors zu

ermöglichen, sollte es vermieden werden, dass während einer Messung mechanischer Stress zwischen dem Schichtwiderstand und dem Trägerkörper entsteht. Mechanischer Stress könnte beispielsweise durch unterschiedliche thermische

Ausdehnungskoeffizienten des Schichtwiderstands und des

Trägerkörpers entstehen, wenn es zu einer Temperaturänderung kommt. Durch mechanischen Stress könnte es zu Drifts in den Messergebnissen und eine damit verbundene Ungenauigkeit der Messung oder sogar zu einer Zerstörung des Dünnfilmsensors kommen . Ferner sollte der Schichtwiderstand eine hohe Sensitivität aufweisen, um eine hohe Messgenauigkeit beispielsweise bei einer Druckmessung zu ermöglichen. Bei einem piezoresitiven Sensor kann die Sensitivität durch den K-Faktor, der auch als „Gage-Faktor" bezeichnet wird, angegeben werden. Dieser beschreibt das Verhältnis zwischen relativer

Widerstandsänderung zu relativer Längenänderung einer

piezoelektrischen Schicht. Der Schichtwiderstand sollte eine Sensitivität von K > 2 besitzen.

In einem Drucksensor ist der Schichtwiderstand üblicherweise einer zyklischen Biegebeanspruchung ausgesetzt. Daher ist es erforderlich, dass der Schichtwiderstand eine gute

mechanische Stabilität aufweist. Aus diesem Grund sollte der Schichtwiderstand vorzugsweise einen geringen

Elastizitätsmodul aufweisen.

Vorzugsweise sollte der Schichtsensor ferner dazu geeignet sein, bei hohen Drücken von bis zu 1000 bar und bei hohen Temperaturen von bis zu 250 °C eingesetzt zu werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Schichtwiderstand anzugeben. Der Schichtwiderstand sollte vorzugsweise eine oder mehrere der oben genannten

Anforderungen erfüllen. Insbesondere sollte der

Schichtwiderstand derart konstruiert sein, dass sein

thermischer Ausdehnungskoeffizient in einer gewünschten Weise eingestellt und an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Trägerkörpers angepasst werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Schichtwiderstand gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Es wird ein Schichtwiderstand vorgeschlagen, der ein

Widerstandsmaterial aufweist, das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials aufweist, in die Partikel eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials sich von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials unterscheidet, wobei das zweite leitfähige Material ein

Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist.

Durch das Dispergieren des zweiten leitfähigen Materials in die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann der

thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials in gewünschter Weise angepasst werden. Dementsprechend

unterscheidet sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials von dem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials. Durch die Dispersion des ersten leitfähigen Materials und des zweiten leitfähigen Materials kann sich für das Widerstandsmaterial ein thermischer Ausdehnungskoeffizient ergeben, der höher oder niedriger ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des ersten Materials. Dementsprechend kann durch die Partikel des zweiten leitfähigen Materials der thermische

Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials gegenüber einem Material, das nur aus der Matrix des ersten leitfähigen Materials besteht, verändert werden.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstandes kann sehr genau einstellbar sein, indem eine Konzentration und/oder eine Partikelgröße der Partikel des zweiten

leitfähigen Materials variiert werden. Diese Parameter beeinflussen den thermischen Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstands. Dementsprechend kann durch eine geeignete Wahl der Konzentration und der Partikelgröße der Partikel des zweiten leitfähigen Materials der thermische

Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstands so angepasst werden, dass er dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Trägerkörpers entspricht. Auch das Material der

Partikel des zweiten leitfähigen Materials kann den

thermischen Ausdehnungskoeffizienten beeinflussen. Das erste leitfähige Material ist ein Material, das sich von dem zweiten leitfähigen Material unterscheidet. Das erste leitfähige Material kann ein piezoresistives Material sein.

Da die Partikel des zweiten leitfähigen Materials in das erste leitfähige Material dispergiert sind, bilden das erste leitfähige Material und das zweite leitfähige Material eine Dispersion. Die beiden Materialien können dementsprechend ein heterogenes Gemisch bilden. Die Partikel des zweiten

Materials können sich dabei nicht in der Matrix des ersten Materials lösen und können sich mit dieser kaum chemisch verbinden. Die Partikel des zweiten Materials können in dem ersten leitfähigen Material fein verteilt sein. Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können in dem ersten

Material zufällig angeordnet sein.

Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können auch als Clusterpartikel bezeichnet werden. Die Menge des

eingebrachten Clusterpartikels in der Matrix des ersten leitfähigen Materials kann es ermöglichen, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten exakt auf einen gewünschten Wert einzustellen und diesen damit an den thermischen

Ausdehnungskoeffizienten eines verwendeten Substrats

anzupassen. Genau abgestimmte thermische Ausdehnungskoeffizienten können den Stress zwischen dem

Schichtwiderstand und dem Substrat minimieren, wodurch eine höhere Toleranz gegenüber externem thermischem Stress erreicht werden kann. Dadurch kann eine Langzeitstabilität des Schichtwiderstands verbessert werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstandes kann über seine Lebensdauer um weniger als 0,1 ~6 variieren.

Ferner kann die Verwendung von Partikeln eines zweiten leitfähigen Materials die Konstruktion eines

Schichtwiderstands ermöglichen, der einen hohen K-Faktor und damit eine hohe Messsensitivität aufweist. Da das zweite Material leitfähig ist, wird die Sensitivität durch das Einbringen des zweiten Materials in die Matrix nicht

verringert. Der K-Faktor des Widerstandsmaterials kann größer als 2 sein.

Ferner kann das Widerstandsmaterial eine lineare

Temperaturabhängigkeit aufweisen. Insbesondere kann der

Schichtwiderstand eine lineare Temperaturabhängigkeit über einen großen Temperaturbereich, beispielsweise zwischen 50 K und 550 K, aufweisen.

Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können eine Hülle aufweisen, die graphitischen Kohlenstoff, Ag, Si oder Sic aufweist. Insbesondere kann die Hülle aus einem dieser Materialien bestehen. Die Hülle kann die Partikel

stabilisieren. Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können eine Partikelgröße zwischen 5 nm und 50 nm aufweisen. Bei

kugelförmigen Partikeln gibt der Durchmesser der Kugel die Partikelgröße an. Bei Partikeln mit einer unregelmäßigeren Form wird der Abstand der beiden am weitesten voneinander entfernten Punkte des Partikels als Partikelgröße angenommen.

Die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann zumindest eines ausgewählt aus amorphem Kohlenstoff, einem Polymer,

AIPO4, amorphem Si und amorphem SiC aufweisen. Die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann aus einem dieser

Materialien bestehen. Bei dem ersten Material kann es sich um eine amorphe Kohlenstoffmatrix handeln, die Si- und/oder SiC- Anteile aufweist. Die Si- und/oder SiC-Anteile können den

Elastizitätsmodul des Widerstandsmaterials beeinflussen. Der Elastizitätsmodul kann durch das Einbringen von Si oder SiC in die Matrix aus amorphem Kohlenstoff variiert werden, ohne dabei den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verändern.

Das Widerstandsmaterial kann einen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten zwischen 9 ppm/K und 11 ppm/K aufweisen. Thermische Ausdehnungskoeffizienten in diesem Bereich sind typisch für die thermischen

Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, die für einen

Trägerkörper eines Dünnfilmsensors verwendet werden können, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkon oder Edelstahl.

Den Partikeln des zweiten leitfähigen Materials kann

Sauerstoff beigemischt sein. Dementsprechend können die

Partikel des zweiten leitfähigen Materials zusätzlich zu dem Carbid des Übergangsmaterials oder dem Nitrid des

Übergangsmetalls TaON, ZrON CrON, TiON, GaON, VON, MnON, MoON, WoON, TaOC, ZrOC, CrOC, TiOC, GaOC, VOC, MnOC, MoOC oder WOC aufweisen.

Der Schichtwiderstand kann mit Hilfe eines Sol-Gel-Prozesses in Verbindung mit einer thermischen Behandlung oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (englisch: Physical Vapor Deposition = PVD) oder chemischer Gasphasenabscheidung

(englisch: Chemical Vapor Deposition = CVD) hergestellt werden. Bei dem Sol-Gel-Prozess in Verbindung mit dem

thermischen Behandeln kann es sich um einen sogenannten

Harnstoff-Glas-Router handeln.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende

Erfindung einen Dünnfilmsensor, der den oben beschriebenen Schichtwiderstand aufweist.

Der Dünnfilmsensor kann einen Trägerkörper aufweisen, auf dem der Schichtwiderstand angeordnet ist, wobei der Trägerkörper und der Schichtwiderstand den gleichen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere kann der

Schichtwiderstand unmittelbar auf dem Trägerkörper angeordnet sein. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des

Schichtwiderstands und des Trägerkörpers können als gleich angesehen werden, wenn die thermischen

Ausdehnungskoeffizienten um weniger als 0,2 ppm/K voneinander abweichen, vorzugsweise um weniger als 0,05 ppm/K. Durch die aufeinander abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten können selbst bei großen Temperaturschwankungen mechanische Belastungen zwischen Schichtwiderstand und Trägerkörper vermieden werden. Damit kann eine Langzeitstabilität des Schichtwiderstands und eine hohe Messgenauigkeit über die gesamte Lebenszeit des Schichtwiderstands ermöglicht werden.

Eine Konzentration und eine Partikelgröße der Partikel des zweiten leitfähigen Materials können derart gewählt sein, dass der Trägerkörper und der Schichtwiderstand den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Dementsprechend bietet die Verwendung des zweiten leitfähigen Materials eine hohe Designflexibilität, die die Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ermöglicht, und

gleichzeitig sicherstellt, dass der Schichtwiderstand einen hohen K-Faktor und eine lineare Temperaturabhängigkeit zeigt.

Der Trägerkörper kann Edelstahl oder Yttrium-stabilisiertes Zirkon aufweisen.

Der Trägerkörper kann eine Membran und ein Substrat

aufweisen, an dem die Membran derart befestigt ist, dass die Membran sich relativ zu dem Substrat bewegen kann, wobei der Schichtwiderstand unmittelbar auf der Membran angeordnet ist. Die Membran und das Substrat können aus dem gleichen Material bestehen .

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende

Erfindung eine Verwendung von Partikeln eines zweiten

leitfähigen Materials zur Einstellung eines thermischen

Ausdehnungskoeffizienten eines Widerstandsmaterials eines Schichtwiderstands, wobei das Widerstandsmaterial eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials aufweist, in die die

Partikel des zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind. Bei dem Schichtwiderstand kann es sich insbesondere um den oben beschriebenen Schichtwiderstand handeln. Dementsprechend können alle strukturellen und funktionalen Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Schichtwiderstand oder dem

Dünnfilmsensor offenbart wurden, auch auf diesen Aspekt zutreffen . Dementsprechend können die Partikel des zweiten leitfähigen Materials dazu verwendet werden, den thermischen

Ausdehnungskoeffizienten des Widerstandsmaterials in einer gewünschten Weise einzustellen. Insbesondere kann der thermische Ausdehnungskoeffizient auf einen Wert eingestellt werden, der von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Trägerkörpers um weniger als 0,2 ppm/K, vorzugsweise um weniger als 0,05 ppm/K, abweicht.

Das zweite leitfähige Material kann ein Nitrid eines

Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweisen.

Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können eine Hülle aufweisen, die graphitischen Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC aufweist. Die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann zumindest eines ausgewählt aus amorphem Kohlenstoff, einem Polymer, A1P04, amorphem Si und amorphem SiC aufweisen.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Figuren erläutert.

Figur 1 zeigt einen Schichtwiderstand.

Figur 2 zeigt einen Dünnfilmsensor gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel.

Figur 3 zeigt einen Dünnfilmsensor gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel . In Figur 1 ist eine Schnittansicht durch einen

Schichtwiderstand 2 dargestellt, der ein Widerstandsmaterial 3 aufweist, das zwischen zwei Elektroden 4 angeordnet ist. Der Schichtwiderstand dient dazu, einen definierten elektrischen Widerstand zwischen den beiden Elektroden 4 bereitzustellen.

Das Widerstandsmaterial 3 ist schematisch und nicht

maßstabsgetreu dargestellt, um die Zusammensetzung des

Widerstandsmaterials 3 zu verdeutlichen. Das

Widerstandsmaterial 3 weist eine Matrix eines ersten

leitfähigen Materials 8 auf. Bei dem ersten leitfähigen

Material kann es sich um amorphen Kohlenstoff, ein Polymer, AIPO4, amorphes Si oder amorphes SiC handeln.

In dem ersten Material 8 sind Partikel 9 eines zweiten leitfähigen Materials angeordnet. Die Partikel 9 sind in das erste Material 8 eingebettet. In Figur 1 sind die Partikel 9 in Kugelform dargestellt. Möglich sind auch Ellipsoide, längliche Partikel oder unregelmäßige Partikel.

Die Partikel 9 weisen das zweite leitfähige Material auf, bei dem es sich um ein Nitrid eines Übergangsmetalls oder ein Carbid eines Übergangsmetalls handelt. Dabei kann das

Übergangsmetall eines ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W sein. Die Partikel 9 können darüber hinaus eine Sauerstoffbeimischung zu dem Nitrid des Übergangsmetalls oder dem Carbid des Übergangsmetalls aufweisen. Ferner weisen die Partikel 9 eine Hülle 10 auf, die die Partikel 9

stabilisiert. Die Hülle 10 kann aus graphitischem

Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC bestehen.

Figur 2 zeigt einen Dünnfilmsensor 1, der einen

Schichtwiderstand 2 mit dem Widerstandsmaterial 3 aufweist. Der Schichtwiderstand 2 weist ferner zwei Elektroden 4 auf. Die Elektroden 4 sind an entgegengesetzten Enden des

Widerstandsmaterials 3 angeordnet. Der Dünnfilmsensor 1 weist einen Trägerkörper 7 auf. Der Trägerkörper 7 weist eine Membran 5 und ein Substrat 6 auf. Die Membran 5 ist an dem Substrat 6 derart befestigt, dass die Membran 5 sich relativ zu dem Substrat 6 bewegen kann. Insbesondere kann die Membran 5 relativ zu dem Substrat 6 schwingen. Dabei kann ein mittlerer Bereich der Membran 5 gebogen werden. Der Schichtwiderstand 2 ist auf der Membran 5 angeordnet. Das Widerstandsmaterial 3 kann dazu unmittelbar auf der Membran 5 abgeschieden sein. Insbesondere ist der Schichtwiderstand 2 in dem Bereich der Membran 5 angeordnet, der relativ zu dem Substrat 6 beweglich ist.

Verformt sich nunmehr die Membran 5 in Folge eines auf sie ausgeübten Drucks, führt dieses zu einer Verformung des

Widerstandsmaterials 3. Dabei entsteht aufgrund des

piezoelektrischen Effektes entsteht ein elektrisches Signal, das von den Elektroden 4 erfasst werden kann.

Vorzugsweise weist der Dünnfilmsensor 1 vier Schicht- widerstände 2 auf, die zu einer elektrischen Widerstandbrücke verschaltet sind. Bei der Widerstandsbrücke handelt es sich vorzugsweise um eine Wheatstonebrücke . Auf Basis der von diesen Schichtwiderständen 2 erfassten elektrischen Signale kann ein auf den Dünnfilmsensor 1 ausgeübter Druck berechnet werden.

Der hier beschriebene Dünnfilmsensor 1 eignet sich neben der Messung eines Drucks auch zur Messung von Kräften sowie zur Messung einer Dehnung der Membran 5.

Das Widerstandsmaterial 3 ist das oben beschriebene Material, das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials 8

aufweist, in die Partikel 9 eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei das zweite leitfähige

Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines

Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist.

Die Membran 5 und das Substrat 6 können Edelstahl oder

Yttrium-stabilisiertes Zirkon aufweisen. Der

Schichtwiderstand 3 weist einen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten auf, der nahezu identisch zu den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Membran 5 und des Substrats 6 ist.

Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des

Dünnfilmsensors 1, bei dem die Membran 5 nur einseitig an dem Substrat 6 befestigt ist. Dementsprechend kann die Membran 5 relativ zu dem Substrat 6 gebogen werden.

Bezugs zeichenliste

1 Dünnfilmsensor

2 Schichtwiderstand

3 Widerstandsmaterial

4 Elektrode

5 Membran

6 Substrat

7 Trägerkörper

8 erstes leitfähiges Material

9 Partikel eines zweiten leitfähigen Materials

10 Hülle