Substrataufbau für einen Gassensor oder eine Infrarot- Lichtquelle

Die Erfindung betrifft einen Substrataufbau für einen Gassensor oder eine Infrarot-Lichtquelle.

Miniaturisierte Infrarot-Lichtquellen werden beispielsweise für optische Systeme wie NDIR-Sensoren (non-dispersive infra- red) zur Gasdetektion eingesetzt. So basiert ein Großteil der Sensoren zur Messung von Kohlendioxid (C02) auf dem NDIR- Prinzip. In diesen Systemen stellt die Infrarotquelle eine entscheidende Komponente hinsichtlich Preis, Energiebedarf und Langzeitstabilität dar.

Chemische Gassensoren auf Halbleiterbasis müssen im Betrieb typischerweise auf Temperaturen oberhalb von 250 °C aufge ^¬ heizt werden. Die hierfür nötige elektrische Leistung ist ein wesentlicher Parameter für die Eignung solcher Sensoren beispielsweise für den mobilen Einsatz, speziell wenn eine Mehrzahl von Sensoren verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich des Leistungsbedarfs verbesserten Substrataufbau für einen Gassensor oder eine Infrarot-Lichtquelle anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Substrataufbau mit den Merkma ^¬ len von Patentanspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Substrataufbau für einen Gassensor oder eine Infrarot-Lichtquelle umfasst einen Substratträger, der wiederum ein keramisches oder halbleitendes Material aufweist und einen Substratchip, der in einen Chiprahmen und einen Membranbereich mit einer Membran gegliedert ist und auf dem Substratträger angeordnet ist, wobei die Dicke der Membran weniger als 200 ym beträgt. Dabei bilden der Chiprahmen, die Membran und der Substratträger einen Hohlraum aus, der von der Membran zu einer ersten Seite hin begrenzt ist und vom Substratträger zu einer zweiten Seite hin begrenzt ist.

Schließlich umfasst der Substrataufbau ein Reflexionselement, das im Hohlraum auf der zweiten Seite auf dem Substratträger angeordnet ist.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass mit steigender Be ^¬ triebstemperatur für den Substrataufbau der Wärmeverlust durch Strahlung deutlich stärker steigt als der Wärmeverlust durch Wärmeleitung und - je nach Geometrie und konkreter Form des Substrataufbaus - bei hohen Temperaturen zu einem gleichwertigen Verlustmechanismus wird. Eine Eindämmung dieses Ver- lusts ist im Gegensatz zur Wärmeableitung über die unvermeidbaren mechanischen Aufhängungen der Membran durch eine Maß- nähme außerhalb der Membran möglich in Form des Reflexions ^¬ elements. Das Reflexionselement reflektiert einen Teil des von der Membran kommenden Lichts, wobei dieses Licht in Ab ^¬ hängigkeit von der Temperatur der Membran weitgehend infraro ^¬ te Strahlung sein kann. Ist die Membran wesentlich größer als die Chipdicke, wird das Licht sogar weitgehend zur Membran zurückgestrahlt und koppelt dort wieder ein. Dadurch wird vorteilhaft der Verlust durch Wärmestrahlung deutlich reduziert. Insgesamt ist eine Verringerung der Verlustleistung von bis zu 30% erreichbar, wobei der Gewinn bei höherer Tem- peratur steigt.

Dies ist speziell der Fall, wenn die Temperatur im Betrieb des Bauelements, das mit dem Substrataufbau gebildet wird, besonders hoch ist für einen mikromechanischen Aufbau, bei- spielsweise wenn die Betriebstemperatur oberhalb von 400 °C liegt, insbesondere oberhalb von 650 °C.

Ein weiterer Vorteil des Substrataufbaus besteht darin, dass die verringerte Erwärmung der umgebenden Elemente, also des Substratträgers und des Chiprahmens für eine verbesserte Lan- gezeitstabilität dieser Elemente sorgt. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön ^¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen. - Zweckmäßig besteht der Substratträger weitgehend oder voll ^¬ ständig aus dem keramischen oder halbleitenden Material. Beispielsweise kann es sich bei dem Substratträger um ein Aluminiumoxid-Substrat handeln. Diese sind elektrisch isolierend und thermisch gut isolierend, chemisch stabil und günstig zu produzieren.

- Innenseiten des Chiprahmens können weitere Begrenzungsflä ^¬ chen des Hohlraums bilden und wenigstens ein weiteres Refle ^¬ xionselement aufweisen. Mit anderen Worten weisen die Seiten- flächen des Hohlraums ein oder mehrere weitere Reflexionsele ^¬ mente auf. Dadurch wird eine weitere Verminderung der dort absorbierten Wärme und somit eine Verringerung der benötigten Heizleistung für die Membran erzielt. - Das Reflexionselement und/oder das weitere Reflexionsele ^¬ ment können als Beschichtung aufgebaut sein. Beispielsweise kann also der Substratträger beschichtet sein, um das Reflexionselement aufzubauen. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenflächen am Chiprahmen beschichtet sein. Beschich- tungen können in Fertigungsprozessen für Membransubstrate einfach und mit geringem Materialaufwand aufgebracht werden und erhöhen die Wärmekapazität des Substratträgers bzw. des Chiprahmens auch nicht merklich. - Alternativ können das Reflexionselement und/oder das weite ^¬ re Reflexionselement auch als separate Bauteile realisiert sein. Beispielsweise kann das Reflexionselement als eigenes Bauteil erstellt werden, das dann beispielsweise per Klebung auf den Substratträger aufgebracht wird, bevor der Chip auf- gesetzt wird.

- Das Reflexionselement und/oder das weitere Reflexionsele ^¬ ment können ein Metall aufweisen. Insbesondere können sie weitgehend aus dem Metall bestehen. Besonders bevorzugte Me ^¬ talle stellen Gold und Aluminium dar. Diese bieten im infraroten Wellenlängenbereich, der der wichtigste für die Reflexion in diesem Aufbau ist, eine fast vollständige Lichtrefle- xion und damit die beste Energieersparnis.

- Das Reflexionselement kann planar gestaltet sein. Bei einer Beschichtung ist das typischerweise der Fall. Diese Ausge ^¬ staltung stellt die einfachste Ausführungsform dar.

- Alternativ kann das Reflexionselement konkav mit einer ge ^¬ wölbten Oberfläche gestaltet sein, wobei die gewölbte Ober ^¬ fläche zur Membran hin ausgerichtet ist. Damit wird eine Fo- kussierung der reflektierten Strahlung zur Membran erreicht und somit eine verbesserte Energieeinsparung.

- Bevorzugt weisen das Reflexionselement und/oder das weitere Reflexionselement eine Reflektivität von wenigstens 0,8 im Bereich zwischen 400 nm und 3 ym Wellenlänge auf. Je höher die Reflektivität , desto größer ist die Energieeinsparung für die Beheizung der Membran.

- Zwischen dem Chip und dem Substratträger können elektrische Leiterbahnen angeordnet sein. Dadurch wird die elektrische Verbindung zwischen den Elementen des Substrataufbaus vereinfacht .

- Der Chip kann wenigstens eine einkristalline

Siliziumschicht aufweisen, wobei die Membran einen Teil der einkristallinen Siliziumschicht umfasst und wobei das Sub ^¬ strat wenigstens eine Diffusionssperrschicht zur Verminderung der Oxidation der einkristallinen Siliziumschicht aufweist, wobei die Diffusionssperrschicht wenigstens die Membran be ^¬ deckt. Hierdurch wird ein thermisch äußerst stabiler Aufbau der Membran erreicht, der Betriebstemperaturen bis oberhalb von 650 °C zulässt. Gerade bei so hohen Betriebstemperaturen ist die Einsparung bei der Heizleistung besonders wichtig, da die nötige Heizleistung vergleichsweise hoch ist und da zu- sätzlich der Anteil der Strahlung an den Verlusten vergleichsweise hoch ist und somit eine erhebliche Einsparung erzielbar ist. - Der Chip kann eine zweite einkristalline Siliziumschicht aufweisen .

- Mit dem beschriebenen Substrataufbau lässt sich beispiels ^¬ weise eine Infrarot-Lichtquelle aufbauen. Dazu umfasst der Substrataufbau bevorzugt eine auf der Membran angeordnete Deck-Schicht umfasst, die eine Emissivität von wenigstens 0,85 aufweist. Damit wird eine Infrarot-Lichtquelle mit hoher Abstrahlleistung geschaffen bei geringstmöglichem Leistungsbedarf .

- Mit dem beschriebenen Substrataufbau lässt sich weiterhin ein Gassensor aufbauen, bei dem ein gassensitives Material, insbesondere ein Material umfassend Galliumoxid, auf der Membran angeordnet ist.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur 1. Figur 1 zeigt ein Schnittbild eines Substrataufbaus 10 eines Ausführungsbei- spiels für die Erfindung. Dabei ist die Darstellung nicht maßstabsgetreu, die Dicke von Schichten ist meist weit über ^¬ höht dargestellt gegenüber den lateralen Ausdehnungen.

Der Substrataufbau 10 der Figur 1 basiert auf einem kerami- sehen Substratträger 11 aus A1203, also Aluminiumoxid, der im Wesentlichen flach quaderförmig ist und im Schnittbild der Figur 1 als Rechteck erscheint.

Der Substratträger 11 trägt einen Siliziumchip 20, der durch mikromechanische Strukturierung einen Chiprahmen 14 mit schrägem Abschluss nach innen hin umfasst sowie eine im Inne ^¬ ren des Chiprahmens 14 angeordnete und von nicht dargestell ^¬ ten Stegen gehaltene Membran 15. Im Schnittbild der Figur 1 sind nur zwei Stücke des Chiprahmens 14 erkennbar, diese bil ^¬ den jedoch einen durchgehenden Rahmen um die Membran 15. Der Siliziumchip 20 ist mittels Klebeflächen 21 auf dem Substratträger 11 befestigt.

Elektrische Kontakte auf dem Siliziumchip 20 sind über Bond ^¬ drähte 18 mit elektrischen Verbindungsleitungen 19 auf dem Substratträger 11 verbunden, wodurch eine elektrische Anbin- dung des gebildeten Gassensors oder Infrarot-Strahlers mit der elektrischen Versorgung erzeugt wird.

Der Substratträger 11 trägt weiterhin ein Gehäuse 12, das den Siliziumchip 20 und die elektrischen Verbindungsleitungen 19 einschließt. Das Gehäuse 12 weist im Bereich oberhalb des Siliziumchips 20 ein Fenster auf, das bei einem Gassensor als gasdurchlässige Öffnung gestaltet sein muss, um einen Gaszu ^¬ tritt zu erlauben. Bei einem Infrarot-Strahler ist das Fenster zweckmäßig weitestgehend transparent für Infrarot- Strahlung .

Der Siliziumchip 20 bildet durch seine Strukturierung zusammen mit dem Substratträger 11 einen Hohlraum 22. Am Boden des Hohlraums, der durch eine Oberfläche des Substratträgers 11 gebildet ist, ist ein Reflexionselement 16 angeordnet. Das Reflexionselement 16 ist in diesem Beispiel eine Folie aus Gold, die auf den Substratträger 11 aufgeklebt ist.

Zusätzlich sind die Seitenwände des Hohlraums 22, die durch die innenliegenden Seitenwände des Siliziumchips 20 gebildet werden, mit einer Aluminiumbeschichtung versehen.

Sowohl die Goldfolie als auch die Aluminiumbeschichtung sind stark reflektierend für die von der Membran thermisch emittierte Strahlung. Die inneren Wände des Hohlraums 22 nehmen daher kaum Energie der Strahlung auf, sondern werfen den größten Teil davon zurück. Da der Hohlraum typischerweise wesentlich breiter als hoch ist, wird der größte Teil der

Strahlung direkt zur Membran zurückgeworfen. Die Membran 15 selbst wird durch eine Schichtfolge einer Membranschicht aus einkristallinem Silizium, einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid und einer weiteren Isolations- schicht aus Siliziumnitrid gebildet. Die Schichtfolge bildet in dem Bereich, in dem der Chiprahmen 14 eine Aussparung aufweist, die Membran 15. Die Dicke der Membran 15 beträgt in diesem Beispiel 30 ym. Für dieses Ausführungsbeispiel soll davon ausgegangen werden, dass der Substrataufbau 10 für einen Infrarot-Strahler verwendet wird. Dann sind auf der Membran 15 zusätzliche Elemen ^¬ te untergebracht, die zusammen einen Aufbau für den Infrarot- Strahler bilden, aber in Figur 1 nicht dargestellt sind.

Hierzu führt von einer Seite des Membransubstrats ausgehend von einem Bereich oberhalb des Chiprahmens 14 eine

Heizerschicht auf die Membran 15. Im Bereich der Membran 15 ist die Heizerschicht so strukturiert, dass ein Heizmäander gebildet ist. Der elektrische Widerstand ist im Bereich des Heizmäanders deutlich erhöht und eine elektrische Beheizung der Membran 15 ist somit möglich. Die Heizerschicht ist wei ^¬ terhin teilweise bedeckt von einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid. Das gezeigte Substrat bildet einen hochtemperaturfesten

Membranaufbau durch die Verwendung von einkristallinem Silizium als wesentlichem Membranmaterial und wie auch durch die Verwendung von Silizium als Material für den Chiprahmen 14. Dieses Material ist mit den Methoden der Mikrotechnologie gut bearbeitbar. Das Silizium als Membranmaterial gewährleistet neben ausreichender mechanischer Stabilität vor allem die benötigte Temperaturfestigkeit für einen dauerhaften Betrieb bei mehr als 700°C. Da das Material bereits im

einkristallinen Zustand ist, kann bei hohen Temperaturen kein weiterer Aufbau von mechanischen Spannungen stattfinden, der zur Beeinträchtigung der Membranfunktion führen wurde. Als oberste Schicht für die Infrarot-Lichtquelle sind die bisher beschriebenen Schichten teilweise überdeckt durch eine Deckschicht mit hoher Emissivitat. In diesem Beispiel ist die Deckschicht eine Schicht aus porösem Platin. Besonders vor- teilhaft ist es, wenn die Emissivitat wenigstens 0,85 be ^¬ trägt, was ohne die Deckschicht nicht der Fall wäre.

Es ist leicht ersichtlich, dass durch die beschriebenen Ausführungen eine leistungsfähige Infrarot-Lichtquelle gebildet wird. Die Heizleistung ist gegenüber herkömmlichen Substraten durch die Reflexionselemente deutlich reduziert.