JPH10267720A - 薄膜素子を有するセンサ - Google Patents

薄膜素子を有するセンサ

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JPH10267720A
JPH10267720A JP10059535A JP5953598A JPH10267720A JP H10267720 A JPH10267720 A JP H10267720A JP 10059535 A JP10059535 A JP 10059535A JP 5953598 A JP5953598 A JP 5953598A JP H10267720 A JPH10267720 A JP H10267720A
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thin
film element
sensor
layer
film
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JP10059535A
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Martin Dr Zechnall
ツェヒナル マーティン
Christoph Dr Treutler
トロイトラー クリストフ
Manfred Lembke
レンプケ マンフレート
Hans Hecht
ヘヒト ハンス
Jiri Marek
マレク イリ
Herbert Goebel
ゲーベル ヘルベルト
Martin Dr Willmann
ヴィルマン マーティン
Hans-Ulrich Dr Gruber
グルーバー ハンス−ウルリッヒ
Andreas Dr Lock
ロック アンドレアス
Klaus Dr Heyers
ハイアース クラウス
Joerg Buth
ブート イェルク
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気抵抗の温度依存性を有する薄膜素子
（４）を有するセンサ（１）を提供する。 【解決手段】 該センサは、薄膜素子（４）が白金層を
有し、該白金層にジルコニウム又は酸化ジルコニウムが
ドープされている。該薄膜素子（４）は、質量流量セン
サを形成するために、膜（３）の上に配置されていても
よい。 【効果】 該センサは、従来のセンサに比較して、改良
された薄膜素子の温度依存性の長時間安定性、及び、少
ない割合のジルコニウム又は酸化ジルコニウムを有する
白金層を使用することにより、安定化された電気抵抗の
温度依存性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜素子を有する
センサであって、該薄膜素子が電気抵抗の温度依存性を
有する形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】欧州特許出願公開第３７５３９９号明細
書から、既に薄膜素子を有するセンサは公知である。該
薄膜素子は、金属酸化物層からなる付着層により窒化珪
素からなる誘電性層上に固定された純粋な白金層からな
る。窒化珪素層は、シリコン基板内の切欠上にブリッジ
として張設されている。この装置は、ブリッジを加熱し
かつそばを通過する空気による冷却を測定することによ
り、質量流量センサとして働く。ブリッジ素子の温度の
測定は、白金層の抵抗の温度依存性により行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
のセンサに比して改良された特性を有する、冒頭に記載
した形式の新規の薄膜素子を有するセンサを提供するこ
とである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記課題は、冒頭に記載
した形式の薄膜素子を有するセンサにおいて、本発明に
より、薄膜素子が白金層を有し、該白金層にジルコニウ
ム又は酸化ジルコニウムがドープされていることにより
解決される。
【０００５】本発明によるセンサは、従来のセンサに比
較して、薄膜素子の温度依存性の長時間安定性が改良さ
れるという利点を有する。純粋な白金層は、電気抵抗の
温度依存性を変化させる老化挙動を呈することがある。
少ない割合のジルコニウム又は酸化ジルコニウムを有す
る白金層を使用することにより、電気抵抗の温度依存性
が安定化される。
【０００６】請求項２以降に記載された手段により、請
求項１記載のセンサの有利な構成及び改良が可能であ
る。好ましくは、ジルコニウム又は酸化ジルコニウムの
割合は０．１〜１％のオーダである。単結晶シリコンか
らなる枠及び誘電性膜を使用することにより、特に安定
な質量流量センサが提供される。この場合、膜は加熱素
子により加熱することができ、それにより質量流量セン
サが提供される。その際、膜の温度を測定するために
は、加熱素子自体の電気抵抗又は分離された温度測定素
子のいずれかを利用することができる。その際には、膜
の温度を測定するためには、加熱素子自体の電気抵抗か
又は分離された温度測定素子を利用する。膜内の応力を
制御して調整するためには、この膜を多層で酸化珪素層
及び窒化珪素層から形成する。この場合、付着改良のた
めに、窒化珪素層を再酸化工程により表面的に再び酸化
物層に転換することができる。別の被覆層により、環境
影響に対する薄膜素子の保護を行うことができる。
【０００７】
【実施例】次に図面を参照して本発明を実施例により詳
細に説明する。
【０００８】図１には、センサ素子の平面図が示されて
いる。該センサ素子は、単結晶シリコンからなる枠２を
有し、該枠に膜３が張設されている。該膜３の上に、薄
膜素子４が形成され、該薄膜素子は導体路５により接続
部分６と電気的に接続されている。
【０００９】薄膜素子４は、薄い金属層であり、これは
膜領域３に抵抗ループを形成するようにパターン化され
ている。２つの導体路５により、この抵抗ループのそれ
ぞれ一方の端部がそれぞれ１つの接続部分６と接続され
ている。接続部分６には、センサ１の外部接触のために
リード線を固定することができる。そのようにして、抵
抗ループとして形成された薄膜素子４により電流を送り
かつその際発生する電圧降下を測定することが可能であ
る。これは多種多様に利用することができる。大きな電
流量により、該薄膜素子を加熱体として利用しかつそう
して膜を周囲温度を越える温度に加熱することができ
る。更に、膜３のさほどの加熱が惹起されないように僅
かだけの電流量を薄膜素子４を通し、かつその際発生す
る薄膜素子内の電圧降下を観察することも可能である。
薄膜素子４が、その電気抵抗が温度に依存する材料から
形成されている場合、それにより膜３の温度を測定する
ことができる。更に、該薄膜素子４を膜を加熱するため
に使用しかつその際同時に薄膜素子４の電気抵抗を測定
することにより膜３の温度を測定することもできる。膜
３上の単数又は複数の薄膜素子４は、特に有利に質量流
量センサとして利用することができる。このためには、
膜３を加熱し、かつ、そばを通過する空気により引き起
こされる膜の冷却を測定する。このことは、欧州特許出
願公開第３７５３９９号明細書に記載されているよう
に、薄膜素子４が加熱体として機能しかつ別の薄膜素子
４を温度センサとして利用することにより行うことがで
きる。選択的にもちろん、図１に示されているように、
同時に膜３を加熱しかつそばを通過する空気に依存した
膜３の冷却を測定する唯一の薄膜素子だけを設けること
も可能である。従って、図１に基づく装置は、質量流量
センサとして使用することができる。
【００１０】この場合重要であるのは、薄膜素子４の電
気抵抗及び該電気抵抗の温度依存性が正確に既知である
ことである。更にこの場合、抵抗及びその温度依存性は
長い時間帯に亙り安定に保持されるべきである。このよ
うな薄膜素子を形成するためには、白金が特に好適であ
ることが立証されている。それというのも、これらの層
は極めて良好に再現可能な電気抵抗の温度依存性をもっ
て製造することができるからである。この温度依存性を
長時間に亙り安定化するためには、白金からなる薄膜素
子の製造後に５００℃以上の温度で熱処理を行う。しか
しながら、純粋な白金層では前記のような熱処理にもか
かわらず常になおある程度のドリフト、即ち抵抗及びそ
の温度依存性の時間的変化が生じることが判明した。こ
のドリフトは、その都度のセンサの持続時間及び使用形
態（使用温度、化学的雰囲気）に基づき数パーミル（Pr
omille）になり得る。ところで、低い割合のジルコニウ
ム又は酸化ジルコニウムをドープした白金を使用するこ
とにより、このドリフトを更に低下させることができる
ことが判明した。そのようにして、電気抵抗の温度依存
性を、それに基づくセンサの測定精度が改良されるよう
に、更に安定化することができる。この場合、白金層に
ジルコニウム又は酸化ジルコニウム０．０１〜１０％、
有利には０．１〜１（重量％）をドープするのが好まし
いことが判明した。調査の結果、純粋な白金層は時間の
経過とともにその粒度を変化することが判明した。この
効果は、ジルコニウム又は酸化ジルコニウムを添加する
ことにより減少させることができた。
【００１１】図２には、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った横
断面図が示されている。この横断面図につき、このセン
サの製造を説明する。単結晶シリコン２からなる枠内に
張設される膜３を形成するために、まず板状シリコン基
板から出発する。次いで、膜３のために、前記板状シリ
コン基板の表面に膜３のための誘電性層１１，１２，１
３を析出させる。次いで、誘電性層１１，１２，１３と
は反対側から出発して切欠をエッチングにより設けるこ
とにより、枠２を形成する。この際、該切欠１０は最も
下の誘電性層１１まで達する。誘電性層１１，１２，１
３のためには、特に簡単にシリコンとともに加工するこ
とができる材料が有利である。ここでは例として、下方
層１１のためには、約１／２μｍのオーダの熱酸化珪素
を設けることを提案する。この場合、重要であるのは、
酸化珪素層１１はシリコン基板に比較して圧応力を有
し、一方窒化珪素層１２は引張り応力を有することであ
る。それにより、層１１及び１２の析出条件及び厚さの
選択によりかつその他の層を考慮して、膜３が実質的に
応力を有しないか又は僅かな引張り応力を有することを
達成することができる。そのようにして、特に強靭であ
る膜３が提供される。典型的には、０．４μｍのオーダ
の窒化珪素層を析出させる。金属層の窒化珪素上での付
着は悪いので、もう１つの工程で窒化珪素層に高温で酸
素を吹付けることにより窒化珪素層１２の薄い表面層
（数１０ｎｍのオーダ）を酸化珪素に変換させる。次い
で、この再酸化した酸化珪素を、引き続いて施される金
属層のための付着層として利用する。次いで、引き続い
ての工程で少量のジルコニウム又は酸化ジルコニウムを
ドープした白金からなる薄層を施す。これは例えは、相
応してドープした白金ターゲットから出発して金属層を
スパッタすることにより行う。再酸化した酸化珪素１３
への付着が不十分であることが判明した限り、予めなお
極めて薄い付着層（数ｎｍのオーダ）を施すことができ
る。この場合、材料としては金属酸化物又は金属珪化物
が該当する。この場合、特に高温安定性の窒化物又は酸
化物を形成する金属、例えばタンタル、タングステン、
モリブデン、コバルト等が有利である。ジルコニウム又
は酸化ジルコニウムをドープした白金層の厚さは、数百
ナノメータである。次いで、更なる工程で、抵抗ループ
として形成された、白金層からなる薄膜素子をパターン
化するために、前記白金層のパターン化を行う。
【００１２】図２には、薄膜素子４の横断面が示されて
いる。該薄膜素子は、枠２まで延びている。ドープした
白金層から、導体路５及び接続部分６をもパターン化す
ることができ、その際導体路５の抵抗は幅広い横断面に
より、薄膜素子４の抵抗よりも明らかに低い。導体路５
の電気抵抗の更なる低下もしくは接続領域６のための別
の金属層が必要となる限り、これらを付加的に又はドー
プした白金層の代用として使用することができる。次い
でなお、膜３の上側に、例えば酸化珪素からなっていて
もよい保護層１４を析出させることができる。この層
は、薄膜素子４を化学的作用から保護するために役立
つ。このような化学的作用は、例えば、不純物が白金に
拡散侵入することにより、薄膜素子４の電気抵抗の温度
感度に影響を及ぼすことがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】センサ素子の平面図である。
【図２】図１のセンサ素子のＩＩ−ＩＩ線に沿った横断
面図である。
【符号の説明】 １ センサ、 ２ 枠、 ３ 誘電性膜、 ４ 薄膜素
子、 １１ 酸化珪素層、 １２ 窒化珪素層、 １３
酸化珪素層、 １４ 被覆層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリストフ トロイトラー ドイツ連邦共和国 ヴァンヴァイル ゲオ ルクシュトラーセ １ (72)発明者 マンフレート レンプケ ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン ガルテ ンシュトラーセ 79−１ (72)発明者 ハンス ヘヒト ドイツ連邦共和国 コルンタール−ミュン ヒンゲン ヘービッヒシュトラーセ 12 (72)発明者 イリ マレク ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン ライ ブルシュトラーセ 10−１ (72)発明者 ヘルベルト ゲーベル ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン シュ ピッツエッカーヴェーク 27 (72)発明者 マーティン ヴィルマン ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン アー ヘナー シュトラーセ 146 (72)発明者 ハンス−ウルリッヒ グルーバー ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン ガルテ ンシュトラーセ 51 (72)発明者 アンドレアス ロック ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン レッ シングシュトラーセ 12 (72)発明者 クラウス ハイアース ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン ロベ ルト−コッホ シュトラーセ 37 (72)発明者 イェルク ブート ドイツ連邦共和国 レオンベルク−ヴァル ムブロン ビュスナウアー シュトラーセ 24

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 薄膜素子（４）を有するセンサ（１）で
    あって、該薄膜素子（４）が電気抵抗の温度依存性を有
    する形式のものにおいて、薄膜素子（４）が白金層を有
    し、該白金層にジルコニウム又は酸化ジルコニウムがド
    ープされていることを特徴とする、薄膜素子を有するセ
    ンサ
  2. 【請求項２】 ジルコニウム又は酸化ジルコニウムのド
    ーピングが０．０１〜１０％である、請求項１記載のセ
    ンサ。
  3. 【請求項３】 シリコンからなる枠（２）及び誘電性薄
    膜（３）が設けられており、かつ、該薄膜素子が膜上に
    配置されている、請求項１又は２記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 薄膜素子（４）が加熱素子として形成さ
    れている、請求項３記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 膜（３）の温度が加熱素子又は単数もし
    くは複数の別の薄膜素子の電気抵抗を測定することによ
    り測定可能である、請求項４記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 膜（３）が第１の酸化珪素層（１１）及
    びその上に配置された窒化珪素層（１２）を有する、請
    求項３から５までのいずれか１項記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 窒化珪素層（１２）の表面が酸化工程に
    より酸化珪素層（１３）に変換されている、請求項６記
    載のセンサ。
  8. 【請求項８】 薄膜素子（４）が被覆層（１４）により
    保護されている、請求項１から７までのいずれか１項記
    載のセンサ。
JP10059535A 1997-03-14 1998-03-11 薄膜素子を有するセンサ Pending JPH10267720A (ja)

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DE19710559A DE19710559A1 (de) 1997-03-14 1997-03-14 Sensor mit einem Dünnfilmelement
DE19710559.9 1997-03-14

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JPH10267720A true JPH10267720A (ja) 1998-10-09

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ID=7823348

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JP10059535A Pending JPH10267720A (ja) 1997-03-14 1998-03-11 薄膜素子を有するセンサ

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