DE3603757C2 - Schichtwiderstand für einen Strömungsfühler sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtwiderstand für einen Strömungsfühler sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strömungsfühlers.

Aus DE 31 46 020 A1 ist ein temperaturabhängiger Widerstand für ein Widerstandsthermometer bekannt, der aus einem Träger aus einem isolierenden Metalloxyd, einer dünnen Platinschicht als Widerstandsmaterial und aus einer Zwischenschicht besteht, die den Träger mit der Platinschicht verbindet.

Aus DE-AS 14 90 581 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Schichtwiderstandes bekannt, wobei eine erste Isolierschicht auf ein Substrat und eine Widerstandsschicht auf die erste Isolierschicht aufgebracht wird, wonach die Widerstandsschicht durch eine Isolierschicht abgedeckt wird. Hierbei soll eine gute Stabilität des Schichtwiderstandes erreicht werden.

Aus DE 25 09 521 A1 ist ein elektrischer Widerstand aus einer Nickel-Phosphor-Widerstandsschicht auf einem Substrat bekannt, wobei das Substrat aus gesintertem Aluminiumoxyd besteht und zwischen Substrat und Widerstandsschicht eine Zwischenschicht aus polykristallinem Titandioxyd angeordnet ist.

In DE-Z: messen & prüfen automatik, März 1982, Seiten 164 bis 167, werden dünne Schichten für Meßgrößenwandler beschrieben, wobei auch Platinschichten in Strömungsmeßvorrichtungen angegeben werden.

Die DE-OS 23 62 241 beschreibt Dünnschichtwiderstände, wobei ein Widerstandselement aus einem Tantalstreifen besteht und Kontaktmittel aus der Überlagerung einer Molybdän- und Goldschicht bestehen, auf denen jeweils eine Goldhaube angebracht ist. Das Substrat des Widerstandselementes besteht aus Silicium, um auf dem eine erste Isolierschicht durch thermisches Oxydieren des Siliciums ausgebildet wird.

Schließlich ist es aus DE 33 34 922 A1 bekannt, bei der Herstellung eines elektrischen Widerstands einem keramischen Träger mit einer verhältnismäßig rauhen dielektrischen Schicht zu überziehen, die anschließend mit einem dünmnen Metallfilm, wie Nickelchrom, überzogen wird. Das dielektrische Material kann aus Silikonnitrit bestehen.

Bei einer Brennkraftmaschine ist im allgemeinen die angesaugte Luftmenge einer der wichtigsten Parameter zum Steuern der eingespritzten Kraftstoffmenge, des Zündzeitpunktes und ähnlichem. Ein Strömungsfühler ist zum Messen der angesaugten Luftmenge vorgesehen. Einer der üblichen bekannten Luftströmungsfühler ist der sogenannte Flügelluftströmungsfühler, der jedoch hinsichtlich seine Abmessung seiner charakteristischen Ansprechgeschwindigkeit und ähnlichem nachteilig ist. In letzter Zeit wurden Luftströmungsfühler mit temperaturab­ hängigen Widerständen entwickelt, die hinsichtlich ihrer Abmessungen ihrer charakteristischen Ansprechgeschwindigkeit und ähnlichem vorteilhaft sind.

Es gibt zwei Arten von Luftströmungsfühlern mit temperatur­ abhängigen Widerständen, nämlich den Luftströmungsfühler mit Heizung und den direkt beheizten Luftströmungsfühler. Bei allen Arten ist eine Heizeinrichtung vorgesehen.

Es können verschiedene Materialien, wie beispielsweise ein einzelnes Metall, eine Legierung oder ähnliches für eine derartige Heizeinrichtung verwendet werden. Bei einem Fühler für die angesaugte Luftmenge in einem Verbrennungsmotor muß jedoch die Widerstandskennlinie der Heizeinrichtung mit der Temperatur linear verlaufen, um für einen breiten Temperaturbereich Ausgleich zu schaffen. Die Heizeinrichtung muß darüber hinaus körperlich stabil sein, da sie hohen Temperaturen ausgesetzt ist, die bei Rückzündungen einige 100° erreichen können, und einer Atmosphäre ausgesetzt ist, die Benzindampf oder Ölgas mit hoher Feuchtigkeit enthält. Es ist Platin als ein Metall verwendet worden, das den obigen Erfordernissen genügt. Bei einem bekannten als Heizeinrichtung eingesetzten Schichtwiderstand mit Platin ist das Platin durch Aufsprühen oder Aufdampfen auf ein Substrat aus einem keramischen Material, Silizium oder ähnlichem ausgebildet, wobei jedoch aufgrund der Tatsache, daß Platin ein stabiles Metall ist, die Haftfestigkeit des Platins auf dem darunter oder darüber liegenden Isoliermaterial schlecht ist und sich beide Materialien dementsprechend leicht voneinander lösen.

Durch die Erfindung soll ein Schichtwiderstand der eingangs genannten Art geschaffen werden, dessen Widerstandsschicht dauerhaft an den angrenzenden Schichten haftet sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung ist u. a. eine Titandioxid TiO₂-Schicht zwischen der Platindünnschicht und einer darunter liegenden Isolierschicht und zwischen der Platindünn­ schicht und einer darüber liegenden Isolierschicht vorgesehen.

Das Material TiO₂ hat den Vorteil, daß es wasserdicht ist, gut verarbeitbar ist und eine feste Verbindung mit Platin eingeht. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist gleichfalls etwa der gleiche wie der des Platins. Es ergibt sich daher eine höhere Festigkeit des Schichtwiderstandes.

Das Material TiO₂ wird im folgenden mehr im einzelnen erläutert.

Als Isolierschichten mit guter Wasserdichtigkeit und guter Verarbeitbarkeit (Ätzen) werden SiO₂, Si₃N₄, TiO₂, Al₂O₃ und ähnliche Materialien verwandt. Platin Pt und Gold Au haben die folgenden Haftfestigkeiten:

SiO₂, Si₃N₄: 0,1×10⁷ N/m²;
TiO₂: 0,9×10⁷ N/m² und
Al₂O₃: 1,1×10⁷ N/m².

Die Haftfestigkeit von TiO₂ und Al₂O₃ für Pt und Au ist zehnmal so groß wie die von SiO₂ und Si₃N₄ für Pt und Au. Au wird als Material zum Verringern des Widerstandes der Anschlüsse des Schichtwiderstandes verwandt.

Diese Materialien haben die folgenden Wärmeausdehnungs­ koeffizienten:

Au: 14,2×10^-6/°C;
Pt: 8,9×10^-6/°C;
TiO₂: 8,2×10^-6/°C und
Al₂O₃: 6,2×10^-6/°C.

In Hinblick auf einen Fühler für die angesaugte Luftmenge einer Brennkraftmaschine, bei dem der Temperaturbereich der angesaugten Luft sehr breit ist und von beispielsweise -40°C bis 120°C geht, eignet sich das Material TiO₂ deshalb besonders gut, weil es einen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten hat, der dem von Pt und Au am nächsten kommt.

Es ist somit ersichtlich, daß das Material TiO₂ als ein Material ausgezeichnet ist, das zwischen dem Material Pt des Schichtwiderstandes und der darüber liegenden Isolierschicht auch dem Material Pt des Schichtwiderstands und der darunter liegenden Isolierschicht angeordnet werden kann.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einer Draufsicht das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schichtwiderstandes ohne die abdeckende Isolierschicht und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Linie II-II in Fig. 1.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist eine gemusterte Pt- Schicht 4 auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 durch Aufdampfen oder Aufsprühen und Ätzen ausgebildet. Der Teil der Schicht 4, der von einer gestrichelten Linie A eingekreist ist, dient als Heizeinrichtung. Es sind weiterhin Elektroden P₁ und P₂ vorgesehen. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ist das einkristalline Siliziumsubstrat 1 oxidiert, um eine erste Isolierschicht, d. h. eine Unterlage aus einem isolierenden Metall, nämlich eine SiO₂-Schicht 2 zu erhalten, auf der eine gemusterte TiO₂-Schicht 3 ausgebildet ist. Auf der TiO₂-Schicht 3 ist die oben erwähnte gemusterte Pt-Schicht 4 ausgebildet. Um den Widerstand der Anschlüsse herabzusetzen, ist die gemusterte Pt-Schicht 4 durch eine gemusterte Au-Schicht 5 dupliziert. Auf der gemusterten Pt-Schicht 4 einschließlich des durch die Au-Schicht 5 duplizierten Schichtteils ist eine zweite gemusterte TiO₂-Schicht 6 ausgebildet. Auf der zweiten TiO₂-Schicht 6 ist eine zweite Isolierschicht, d. h. eine Passivierungsschicht, nämlich eine SiO₂-Schicht 7, durch Aufdampfen gebildet, um damit die Schichten 4, 5 und 6 zu überdecken. Die zweite Isolier­ schicht kann auch aus Siliziumnitrid Si₃N₄ bestehen.

Die gemusterte TiO₂-Schicht 3 mit einer großen Haftfestigkeit gegenüber der Pt-Schicht 4 ist somit zwischen der SiO₂-Schicht 2 als erste Isolierschicht und der gemusterten Pt-Schicht 4 vorgesehen, und die gemusterte TiO₂-Schicht 6 mit einer großen Haftfestigkeit gegenüber der gemusterten Pt-Schichten 4 ist gleichfalls zwischen der Pt-Schicht 4 und der zweiten Isolierschicht, d. h. der SiO₂-Schicht 7 vorgesehen.

Die gemusterte Au-Schicht 5 für die Anschlüsse hat eine geringe Haftfestigkeit zu SiO₂ oder Si₃N₄, so daß es erforderlich ist, eine TiO₂-Schicht 6 mit großer Haftfestigkeit zur Au-Schicht 5 vorzusehen.

Als Material für das Substrat 1 kann ein keramisches Material verwandt werden.

Wie es oben beschrieben wurde, wird gemäß der Erfindung die Haftfestigkeit der gemusterten Pt-Schicht erhöht, so daß sich ein fester Schichtwiderstand für einen Strömungsmeßfühler ergibt.

Claims (5)

1. Schichtwiderstand für einen in einem Verbrennungsmotor verwendbaren Strömungsfühler, umfassend
ein Substrat (1),
eine erste Isolierschicht (2), die auf dem Substrat (1) ausgebildet ist,
eine erste Titandioxid (TiO₂)-Schicht (3), die auf der ersten Isolierschicht (2) ausgebildet ist,
eine Platin (Pt)-Schicht (4), die ein Muster hat und als Widerstand dient, und die auf der ersten Titandioxid-Schicht (3) ausgebildet ist,
eine zweite Titandioxid (TiO₂)-Schicht (6), die auf der (Pt)-Platinschicht (4), deren Muster entsprechend, ausgebildet ist, und
eine zweite Isolierschicht (7), die die Platinschicht (4) und die zweite Titandioxidschicht (6) überdeckt.

2. Schichtwiderstand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gold (Au)-Schicht (5), die auf Anschlußteilen der Platin (Pt)-Dünnschicht ausgebildet ist.

3. Schichtwiderstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus ein kristallinem Silicium besteht.

4. Verfahren zur Herstellung eines Schichtwiderstandes nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolierschicht (2) durch thermisches Oxidieren des einkristallinen Siliciums erhalten ist.

5. Schichtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einem keramischen Material besteht.