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1. (WO2018234233) SCHICHTWIDERSTAND UND DÜNNFILMSENSOR
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Beschreibung

Schichtwiderstand und Dünnfilmsensor

Die Erfindung betrifft einen Schichtwiderstand und einen Dünnfilmsensor, der den Schichtwiderstand aufweist.

In Dünnfilmsensoren, in denen Schichtwiderstände auf einer Membran aufgebracht sind, sollten die thermischen Ausdeh-nungskoeffizienten der einzelnen Komponenten aufeinander angepasst sein, um Stress während der Messung zu verhindern.

Weiterhin ist eine hohe Sensitivität des Schichtwiderstands für eine gute Messgenauigkeit erforderlich. Die Sensitivität kann durch den k-Faktor (auch: „gage factor") angegeben werden .

Schließlich ist auch die mechanische Stabilität, insbesondere bei zyklischer Biegebeanspruchung, wie sie beispielsweise in Drucksensoren vorkommen kann, relevant. Eine Messgröße für die mechanische Stabilität ist das Elastizitätsmodul (E-Modul) .

Aufgabe mindestens einer Ausführungsform der Erfindung ist es, einen Schichtwiderstand mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe mindestens einer

Ausführungsform ist es, einen Dünnfilmsensor mit einem solchen Schichtwiderstand bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden durch einen Schichtwiderstand und einen Dünnfilmsensor gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Es wird ein Schichtwiderstand angegeben, der eine piezoresistive Schicht aufweist, wobei die piezoresistive Schicht ein erstes Übergangsmetallcarbid umfasst.

Die piezoresistive Schicht kann insbesondere als Dünnfilm ausgeführt sein, und eine Dicke aufweisen, die das 1- bis 5-fache der Korngröße des Übergangsmetallcarbids entspricht.

Die piezoresistive Schicht hat die Eigenschaft, auf

Verbiegungen mit Widerstandsänderungen zu reagieren und ermöglicht somit Dehn-, Kraft- und Druckmessungen, wenn sie in einem Dünnfilmsensor eingesetzt wird.

Carbide der Übergangsmetalle, insbesondere der

Übergangsmetallgruppen IV, V und VI, weisen eine hohe

Robustheit auch bei hohen Temperaturen, insbesondere

Temperaturen von bis zu 300°C, und hohen Drücken von bis zu 1000 bar auf. Aufgrund ihrer mechanischen Stabilität weist die piezoresistive Schicht und damit auch der Schichtwider-stand ein geringes E-Modul, beispielsweise ein E-Modul -S 500 GPa auf.

Weiterhin können die Ausdehnungskoeffizienten von

Übergangsmetallcarbiden gut an die Ausdehnungskoeffizienten von typischen Trägermaterialien beziehungsweise Membranmaterialien, wie sie in Dünnfilmsensoren eingesetzt werden, angepasst werden. Widerstandsänderungen der piezoresistiven Schicht, die durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der piezoresistiven Schicht und beispielsweise einer Membran in einem Dünnfilmsensor zustande kommen, können so vermieden werden. Dabei entspricht der thermische Ausdehnungskoeffizient der piezoresistiven Schicht vorzugsweise dem

Ausdehnungskoeffizienten der Membran. Genau abgestimmte thermische Ausdehnungskoeffizienten der piezoresistiven

Schicht minimieren den Stress zwischen der piezoresistiven Schicht und der Membran, was zu einer höheren Toleranz gegenüber externem thermischen Stress führt und damit eine höhere Langzeitstabilität und eine hohe Messgenauigkeit in einem Dünnfilmsensor ermöglicht. Irreversible Änderungen der Schicht und damit eine Alterung des Schichtwiderstands werden durch abgestimmte thermische Ausdehnungskoeffizienten somit minimiert und die Lebenszeit des Schichtwiderstands erhöht. Damit ist ein solcher Schichtwiderstand geeignet, in einem Dünnfilmsensor eingesetzt zu werden.

Gemäß einer Ausführungsform enthält das erste Übergangs-metallcarbid ein Übergangsmetall, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W und Kombinationen daraus umfasst. Damit enthält das Übergangs-metallcarbid ein Übergangsmetall der Übergangsmetallgruppen IV, V und/oder VI .

Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Übergangsmetall-carbid Chromcarbid Cr3Ü2. Chromcarbid Cr3Ü2 kann zur Bildung der piezoresistiven Schicht beispielsweise in einem CVD (Chemical Vapor Deposition) -Verfahren oder mittels

thermischem Spraycoating aufgebracht werden und weist sehr gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit auf. Damit ist Chromcarbid als Material für den Schichtwiderstand in einem Dünnfilmsensor insbesondere auch für die Anwendung bei hohen Temperaturen und Drücken gut geeignet.

Gemäß einer Ausführungsform weist das erste Übergangsmetall-carbid einen Übergangsmetallüberschuss auf. In der Regel weisen die Übergangsmetallcarbide keine exakt definierte Stöchiometrie auf. Der Metallüberschuss kann jedoch durch die allgemeine Formel MCX ausgedrückt werden, wobei M = Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W und Kombinationen daraus ist und x < 1.

Übergangsmetallnitride, die mit MNX ausgedrückt werden können und worin M ein Übergangsmetall darstellt, können in ihrer Zusammensetzung sowohl einen Metallüberschuss (x < 1) als auch ein Metalldefizit (x > 1) aufweisen. Dies führt zu chemischer Instabilität und damit zu schwer kontrollierbaren Abscheideprozessen. Die Instabilität wird dadurch erzeugt, dass sowohl Metall- als auch Stickstoffplatze vakant sind und von anderen Atomen besetzt werden können.

Im Gegensatz dazu sind bei den Übergangsmetallcarbiden

Metalldefizite, also x > 1, unüblich. Damit sind

Übergangsmetallcarbide chemisch stabiler als Übergangsmetallnitride. In Übergangsmetallcarbiden sind Ersetzungen mit fremden Atomen wie zum Beispiel Stickstoff oder

Sauerstoff nur auf den Zwischengitterplätzen des Kohlenstoffs zu finden. Dies ist vor allem bei der Verwendung als

piezoresistive Schicht in einem Dünnfilmsensor von Bedeutung, da die elektrischen Eigenschaften des Materials von der

Fähigkeit zur Ausbildung von festen Lösungen, also

Mischkristallen, mit anderen Carbiden oder Nitriden der

Übergangsmetalle aufgrund von Isomorphismen im Kristallgitter abhängen. Beispielsweise wird bei einer Kombination von Cr3C2 und WC das Kornwachstum der Keramik eingegrenzt.

Aufgrund der hohen chemischen Stabilität von Übergangsmetall-carbiden kann somit in vielen Anwendungsfällen des Schichtwiderstands auf eine Passivierung der piezoresistiven Schicht durch beispielsweise S13N4 verzichtet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht die piezoresistive Schicht aus dem Übergangsmetallcarbid .

Beispielsweise besteht die piezoresistive Schicht aus

Chromcarbid .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die piezoresistive Schicht zumindest ein Zusatzmaterial auf, das aus Übergangsmetallnitriden, zweiten Übergangsmetallcarbiden und

Mischungen daraus ausgewählt ist. Dabei kann das erste

Übergangsmetallcarbid den Hauptbestandteil der piezoresis-tiven Schicht darstellen. Das Zusatzmaterial kann mit einem Anteil von bis zu 50 Massen% vorhanden sein. Beispielsweise kann die piezoresistive Schicht vorwiegend Cr3Ü2 enthalten und Zusatzmaterialien in Form von Nitriden oder Carbiden anderer Übergangsmetalle enthalten. Die Metalle M der

Übergangsmetallnitride und zweiten Übergangsmetallcarbide können beispielsweise ausgewählt sein aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W und Kombinationen daraus.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Zusatzmaterial

Wolframcarbid WC.

Gemäß einer Ausführungsform bildet das erste Übergangsmetallcarbid mit dem Zusatzmaterial einen Mischkristall. Ein solcher Mischkristall kann beispielsweise die Formel M(Ci-xNx) aufweisen, wobei M wieder ausgewählt sein kann aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W und Kombinationen daraus. Durch die Bildung eines Mischkristalls kann beispielsweise der

thermische Ausdehnungskoeffizient der piezoelektrischen

Schicht an die Membran oder den Träger, auf denen sie in einem Dünnfilmsensor aufgebracht ist, angepasst werden.

Weiterhin können die elektrischen und mechanischen

Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht, die einen

Mischkristall enthält, gut an die Anforderungen in einem Dünnfilmsensor eingestellt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Übergangsmetall-carbid polykristallin. In der piezoresistiven Schicht liegen somit einzelne Kristalle des ersten Übergangsmetallcarbids beziehungsweise des Mischkristalls, den das erste Übergangs-metallcarbid mit einem Zusatzmaterial bildet, vor.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Kristalle des ersten Übergangsmetallcarbids an ihrer Oberfläche eine

Oxidschicht auf. Bildet das erste Übergangsmetallcarbid mit einem Zusatzmaterial einen Mischkristall, so können auch die Kristalle des Mischkristalls an ihrer Oberfläche eine

Oxidschicht aufweisen. Übergangsmetallcarbide bilden leicht stabile Oberflächenoxide an der Oberfläche ihrer Kristalle beziehungsweise Körner aus. Eine Oxidschicht an der Oberfläche der Kristalle schützt zum einen die piezoresistive Schicht und bildet zum anderen elektrische Korngrenzbarrieren zwischen den leitfähigen Körnern aus, die den Widerstandswert und damit den piezoresistiven Effekt der Schicht vergrößern.

Gemäß einer Ausführungsform weist die piezoresistive Schicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen

einschließlich 9 ppm/K und einschließlich 15 ppm/K auf.

Insbesondere kann der thermische Ausdehnungskoeffizient 10 ppm/K betragen. Ein Ausdehnungskoeffizient aus diesem

Bereich, beispielsweise 10 ppm/K, ist gut angepasst an beziehungsweise entspricht dem Ausdehnungskoeffizienten von Träger- beziehungsweise Membranmaterialien, beispielsweise Metalle, die üblicherweise in Dünnfilmsensoren verwendet werden und auf denen der Schichtwiderstand angeordnet wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die piezoresistive Schicht einen spezifischen Widerstand von mehr als 70 μΩοπι bei einer Temperatur von 20°C auf. Somit kann die piezoresistive Schicht eine hohe Sensitivität bei Raumtemperatur aufweisen.

Weiterhin kann die piezoresistive Schicht einen k-Faktor aufweisen, der größer als 2 ist. Damit weist die

piezoresistive Schicht eine hohe Sensitivität auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Schichtwiderstand elektrische Kontakte auf. Insbesondere können die elektrischen Kontakte das erste Übergangsmetallcarbid

aufweisen. Somit können die piezoresistive Schicht und die Kontakte dasselbe erste Übergangsmetallcarbid als Hauptbestandteil aufweisen oder daraus bestehen.

Es wird weiterhin ein Dünnfilmsensor angegeben, der einen Schichtwiderstand gemäß den obigen Ausführungen aufweist. Sämtliche in Bezug auf den Schichtwiderstand genannten

Merkmale gelten somit auch für den Dünnfilmsensor und

umgekehrt .

Gemäß einer Ausführungsform weist der Dünnfilmsensor eine Membran auf, auf der der Schichtwiderstand angeordnet ist, und einen Trägerkörper, an dem die Membran befestigt ist.

Dabei ist die Membran relativ zu dem Trägerkörper beweglich.

Insbesondere ist die Membran so an dem Trägerkörper

befestigt, dass sie relativ zu dem Trägerkörper verbogen werden beziehungsweise schwingen kann. Das bedeutet, dass die

Membran auf Dehn-, Kraft- oder Druckeinwirkung mit

Verbiegungen reagieren kann, was zu Widerstandsänderungen in dem Schichtwiderstand führt.

Die Membran und der Schichtwiderstand können in direktem mechanischem Kontakt miteinander sein oder es können noch weitere Elemente, beispielsweise eine Isolationsschicht zwischen der Membran und dem Schichtwiderstand angeordnet sein.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die Membran und der

Trägerkörper ein Material auf, das aus Keramik und Metall ausgewählt ist. Dabei können Membran und Trägerkörper

unabhängig voneinander eines dieser Materialien aufweisen oder sie können einen Körper bilden, der eines der

Materialien enthält.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die Membran und der

Trägerkörper ein Material auf, das aus Edelstahl und

Yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) ausgewählt ist.

Membran und Trägerkörper können somit beide Edelstahl oder

YSZ aufweisen. Die Ausdehnungskoeffizienten von Edelstählen und YSZ entsprechen besonders gut den Ausdehnungskoeffizi-enten, die in Übergangsmetallcarbiden eingestellt werden können, insbesondere auch dem Ausdehnungskoeffizienten von

Chromcarbid .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Dünnfilmsensor mindestens zwei Schichtwiderstände wie oben beschrieben auf. Die Schichtwiderstände können zu einer Brückenschaltung miteinander verschaltet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann einer der

Schichtwiderstände zur Temperaturmessung ausgebildet sein. Der Schichtwiderstand zur Temperaturmessung kann dasselbe erste Übergangsmetallcarbid aufweisen, wie der oder die übrigen Schichtwiderstände. Dabei kann er aus dem ersten Übergangsmetallcarbid bestehen oder dieses enthalten.

Der Schichtwiderstand zur Temperaturmessung kann in einem Bereich des Trägerkörpers oder der Membran angeordnet sein, der eine geringere Verformung erfährt als andere Bereiche des Trägerkörpers oder der Membran.

Anhand der Figur und Ausführungsbeispielen werden bestimmte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines

Dünnfilmsensors gemäß eines Ausführungsbeispiels.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente jeweils mit

denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines

Dünnfilmsensors gemäß eines Ausführungsbeispiels. Der

Trägerkörper 30 weist eine Öffnung 31 auf. Andere, hier nicht gezeigte Formen des Trägerkörpers 30 sind ebenfalls denkbar. Beispielsweise kann der Trägerkörper 30 so geformt sein, dass die Membran 20 nur mit einem ihrer Seitenränder daran

befestigt ist.

Auf dem Trägerkörper 30 ist eine Membran 20 so aufgebracht, dass sie zwischen dem Trägerkörper 30, innerhalb der Öffnung 31, relativ zu dem Trägerkörper 30 frei beweglich ist.

Insbesondere kann die Membran 20 relativ zu dem Trägerkörper 30 verbogen werden beziehungsweise schwingen.

Auf der Membran 20, insbesondere in dem Bereich, in dem die Membran 20 relativ zu dem Trägerkörper 30 frei beweglich ist, befindet sich der Schichtwiderstand 10, der die piezoresis-tive Schicht 11 enthält. Auf der piezoresistiven Schicht 11 befinden sich an zwei entgegengesetzten Enden elektrische Kontakte 40, die über Bonddrähte 50 elektrisch kontaktiert sind.

Erfährt die Membran 20 eine Verformung, wird auch die

piezoresistive Schicht 11 verformt, was aufgrund des

piezoresistiven Effekts zu einer Widerstandänderung führt, die von den Kontakten 40 detektiert werden kann.

Der Dünnfilmsensor kann auch mehrere Schichtwiderstände 10 aufweisen (hier nicht gezeigt) . Beispielsweise kann der

Dünnfilmsensor vier Schichtwiderstände aufweisen. Die

Schichtwiderstände 10 können zu einer Messbrücke verschaltet sein, mit der beispielsweise ein Druck gemessen werden kann. Ebenso können auch Kräfte und Dehnungen der Membran 20 gemessen werden.

In diesem Ausführungsbeispiel enthält die piezoresistive Schicht 11 als Hauptbestandteil Cr3C2. Dieses kann mit

Zusatzmaterialien, wie beispielsweise anderen Nitriden oder Carbiden der Übergangsmetalle, insbesondere mit WC,

Mischkristalle bilden. Die Kontakte 40 enthalten als

Hauptbestandteil ebenfalls Cr3Ü2. Der Trägerkörper 30 und die Membran 20 bestehen aus Edelstahl oder YSZ.

Die piezoresistive Schicht sowie die Membran 20 und der Trägerkörper 30 weisen aneinander angepasste Ausdehnungskoeffizienten auf, beispielsweise einen Ausdehnungskoeffizienten von jeweils 10 ppm/K auf. Damit entsteht zwischen der Membran 20 und dem Schichtwiderstand 10 kein Stress während der Messung, der zu Drifts oder einer Zerstörung des

Dünnfilmsensors führen könnte.

Bezugs zeichenliste

10 Schichtwiderstand

11 piezoresistive Schicht

20 Membran

30 rägerkörper

31 Öffnung

40 Kontakt

50 Bonddraht