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CN109249020B - 用于制造传感器结构的方法和带有传感器结构的传感器 - Google Patents

用于制造传感器结构的方法和带有传感器结构的传感器 Download PDF

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CN109249020B CN201810763479.2A CN201810763479A CN109249020B CN 109249020 B CN109249020 B CN 109249020B CN 201810763479 A CN201810763479 A CN 201810763479A CN 109249020 B CN109249020 B CN 109249020B
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Abstract

一种用于制造传感器结构的方法，具有：将基底材料施加到转移载体上，将转移载体设置在传感器本体上，以及借助局部能量输入将基底材料的至少部分从转移载体传递到传感器本体上。

Description

用于制造传感器结构的方法和带有传感器结构的传感器
技术领域
本发明涉及一种用于制造传感器结构的方法以及一种带有传感器结构的传感器。该方法包括将层转移和熔融。具有传感器本体和传感器结构的传感器应用于物理变量的检测系统中。
背景技术
传统的用于在传感器本体上制造传感器结构的方法是费事的，成本高昂的而且并不适合经济地将传感器结构施加到弯曲的表面上。
发明内容
因此，本发明的任务是提出了成本低廉的用于在传感器本体上并且尤其在传感器本体的弯曲的表面上制造传感器结构的解决方案，和提供一种相应的传感器。此外，还要提出一种用于测量物理变量例如压力、流量或温度的结构，其中或为此提出了在传感器本体上的测量电阻。此外，优选地要产生非常均匀的薄的结构层，其中这要在一个或较少的工序中进行。
前述的任务利用根据权利要求1所述的方法或根据权利要求14所述的传感器来解决。本发明的有利的设计方案是相应的从属权利要求的主题。
根据本发明的用于制造传感器结构的方法具有如下步骤：将基底材料施加到转移载体上；将转移载体设置在传感器本体上；以及借助局部能量输入将基底材料的至少部分从转移载体传递到传感器本体上。
通过该方法直接借助局部能量输入逐步地将用于传感器结构的基底材料从转移载体传递到传感器本体上。选择性的转移过程能够实现经济地产生或沉积传感器结构。在使用柔性的转移载体时，传感器结构也可以在传感器本体的弯曲的表面上成本低廉地产生。
根据本发明的方法的大的优点是不需要刻蚀过程。在刻蚀中的困难在于，刻蚀溶液的浓度必须尽可能是恒定的，并且因此常常更换，以及必须确保其均匀性。因为刻蚀速率随着温度而增加，所以稳定的且精确的温控对于可再现性而言是重要的。根据本发明的方法消除了刻蚀的缺点。
优选地，该方法附加地具有如下步骤：在传递基底材料之后去除转移载体；以及调节(Konditionieren)和/或照射传递到传感器本体上的传感器结构。调节可以包括调温或再烧结。传感器结构部分通过照射又被去除或部分分离。
直接的热处理用于改进表面，均匀的结构以及所施加的传感器结构的棱边形成。利用选择性照射可以更精确地制造传感器结构，或可以补偿或减小在传递基底材料中的不精确性。
优选地，该方法附加地具有如下步骤：在传递基底材料之前，将绝缘层施加到传感器本体上。绝缘层的厚度优选为1μm到10μm。此外，绝缘层具有玻璃或完全由玻璃构成。
绝缘层防止在传感器结构与传感器本体之间不期望的传导的连接。
绝缘层是粗糙的并且具有1nm到6nm的减小的中心高度Rpk以及1nm到6nm的减小的沟槽深度Rvk。Rpk和Rvk的值所在的范围主要取决于基本体的材料特性。
这描述了类似具有深细的沟槽或毛细管的平台的表面。多孔性和粗糙度有利于通过在基底材料与传感器本体之间的粘附力的增强来传递或(局部)完全润湿传感器本体。
优选地，通过照射实现局部能量输入。这优选借助激光束或电子束进行。
通过使用激光束或电子束可以精确地控制处理时间或能量输入，使得可以节省位于传感器上的其他材料。
优选地，局部能量输入选择性地在传感器本体的预先确定的部位处进行。
这能够实现高效的传感器本体和该传感器本体或位于其上的其他材料温和地制造传感器结构本体。
优选地，在转移载体上的基底材料的层厚度为10nm到100nm。此外，基底材料的颗粒优选具有1nm到100nm的直径，即为所谓的纳米颗粒。
因此，可以产生非常薄的传感器结构层。基底材料的颗粒大小的选择对处理成功有主要影响。随着颗粒大小减小，致密率以及颗粒增长率升高。通过减小颗粒大小，相对表面增大，并且同样追求缩小表面。这可以用于缩短处理时间并且通过激光束或电子束的更小的能量输入。由此可以节省位于传感器上的其他材料。
优选地，转移载体由玻璃或薄膜构成。
由此，转移载体具有在激光的波长中的高透射率。因此可能的是，借助通过激光照射执行对基底材料的传递，而不必事先将转移载体从传感器本体去除。附加地，当转移载体仅部分由玻璃构成或薄膜具有异质的特性和转移载体因此能够部分屏蔽能量输入时，可以考虑将转移载体用作掩模。
优选地，将基底材料以静电方式、通过溅射、在气相中或以化学方式施加到转移载体上。
由此，将基底材料施加到转移载体上是非常可变的并且施加方法可以在基底材料层的所期望的特性方面在考虑到经济性的情况下得到保证。
根据本发明的传感器具有传感器本体和根据上文所描述的方法制造的传感器结构。优选地，传感器具有上文所描述的绝缘层。
根据本发明，传感器具有传感器本体，在所述传感器本体上借助选择性的转移过程产生或沉积传感器结构。
在此情况下，用于传感器结构的材料被从转移载体直接借助局部能量输入逐步地传递到传感器本体上。
所施加的结构的表面和均匀的构造以及棱边形成可以利用接着对传感器本体的热处理来改进。
此外通过选择性激光束或电子束粉末与工艺气体的堆焊来将金属结构施加到传感器元件上。在该方法中，粉末状的金属材料焊接到已有的传感器本体上。根据本发明将结构施加到弯曲的表面上不需要粘合连接并且在选择性激光或电子粉末焊接连带工艺气体的情况下也不需要转移膜(转移载体)。
附图说明
图1A示出了根据本发明的一个实施形式的传感器本体和设置在其上的转移载体的结构。
图1B示出了借助激光束或电子束将基底材料的一部分从转移载体传递到传感器本体上。
图1C示出了借助激光束或电子束将基底材料的一部分从转移载体传递到传感器本体上。
图2示出了根据本发明的一个实施形式的具有施加到其上的示例性的传感器结构的传感器本体。
图3A示出了根据本发明的一个实施形式的传感器结构的剖视图，所述传感器结构适合于检测压力。
图3B示出了根据本发明的一个实施形式的具有施加到其上的示例性的传感器结构的传感器元件。
图4A示出了可保持多个传感器元件的工件载体。
图4B示出了辐射源，连带转移载体、基底材料和传感器元件。
图5A示出了传统的传感器结构的剖视图。
图5B示出了传统的光刻方法，在该光刻方法中在传感器结构上保留层光刻覆盖漆。
图6A示出了施加在传感器本体上的根据本发明的传感器结构的剖视图。
图6B示出了施加在传感器本体上的根据本发明的传感器结构的剖视图，其中在传感器本体与传感器结构之间设置绝缘层。
图6C示出了在传感器本体上的按照根据本发明的转移方法制造的传感器结构。
具体实施方式
图1A示出了示例性的结构，其可以用于根据本发明制造传感器结构。优选在开始根据本发明的方法之前将绝缘层2施加或涂抹到传感器本体1上。绝缘层2优选具有1μm到10μm的厚度。绝缘层2优选是粗糙的，其中Rpk值小(中心高度减小)和Rvk值更大(沟槽深度减小)。这描述了类似于具有深细的槽或毛细管的平台的表面。转移载体3设置在传感器本体1之下或旁并且置于其附近，这通过箭头示出。
转移载体3现在铺设在传感器本体1上。转移载体3优选是玻璃片，或薄膜，其具有在激光的波长中的高透射率。薄膜是柔性的并且也可以用于弯曲的表面。
转移载体3承载用于传感器结构5的基底材料4，呈层厚度为10nm到100nm和颗粒大小为1nm到100nm的层的形式。在此，颗粒大小的选择对处理成功有主要影响。随着颗粒大小减小，压缩率以及颗粒增长率升高。通过减小颗粒大小，相对表面增大，并且同样追求缩小表面。这可以用于缩短处理时间并且通过激光束6或电子束的更小的能量输入。位于传感器上的其他材料由此得以保护。
基底材料层4已在根据本发明的方法开始之前以静电方式通过溅射在气相中或化学地沉积在转移载体3上。
图1B示出了带有可选的绝缘层2和布设的转移载体3的传感器本体1，转移载体承载用于传感器结构5的基底材料4。夹心单元现在借助激光束6或电子束局部地在控制的位置7处被照射。
通过聚焦例如通过透镜8或磁体聚焦，现在将局部的传感器结构5沉积或构建/印刷在传感器本体1上。电子束可以通过磁体控制、聚焦和定位。
将传感器结构5转移和熔融到传感器本体1上可以通过选择性地熔融由粉末构成基底材料4进行。通过局部能量输入将传感器结构5作为层从转移载体3传递到传感器本体1上。传递可以脉冲式或连续地或通过熔融进行。此外，逐层地或层到层地进行该传递。
基底材料传递直接在局部气相中或在局部形成的等离子体中进行。在此情况下，沉积经由聚焦、温度、在转移载体3上的疏水材料的分离层或传感器本体1的用于接收侧的、绝缘层2的多孔性或粗糙度、所施加的电压和工艺气体影响。
将激光能量引入基底材料4的金属层中导致金属发热，这使金属熔融。粘附力实现两个相的机械接合。所述粘附力通过用于接收侧的多孔性和粗糙度增强并且导致传感器本体1的所期望的部位的完全润湿。
将电压施加在转移载体3上的基底材料4的金属层(带有整面的导电的层/电极)与传感器本体1之间辅助转移过程，其中要注意转移载体3与传感器本体1之间的恒定间距或接触。
可选地，关于所产生的层的传感器数据被测量并且保存在传感器装置的相关的分析电子装置中。
在此情况下调节(在炉中的调温、对层的再烧结)之前会是适宜的。
也可考虑的是，这些层首先通过激光束6或电子束被转移，并且传感器本体1接着经受更高的温度。因为转移载体3承受少量热负荷，所以转移载体可以保持可重复使用。
同样可以以该方式(首先或者作为中间过程)例如由透明的玻璃产生绝缘层2。
图1C示出了传感器主体1的横截面，其具有应变敏感膜和施加的转移载体3，其承载用于传感器结构5的基底材料4。然后借助于透镜8借助激光束6或电子束在受控位置7局部照射夹层单元。
图2示出了具有绝缘层2和所施加的传感器结构5的传感器本体1。利用激光也可以修剪过多施加的或多余的材料，并且这样例如可以改进测量电桥的调谐或其他测量技术的特性。
图3A示出了用于压力p的传感器结构5B的剖面。该传感器元件1B具有平的表面，其具有绝缘层2。在其上施加有传感器结构5B。
图3B示出了传感器元件1B，其具有施加在其上的传感器结构5B。传感器本体可以具有大小为3mm到15mm、优选4mm到10mm的直径。
图4A示出了能够保持多个传感元件1B的工件载体。下侧与工件载体一起形成平面的表面。
图4B示出了辐射源，连带具有基底材料4和传感器元件1B的转移载体3。
图5A示出了传统的传感器结构，其通过使用刻蚀工艺来制造。在此，形成(锋利的)棱边和梯形的结构。尤其是，在该制造方法中在传感器结构5C上保留光阻层9。
图5B示出了传统的光刻方法，其中光阻层9保留在传感器结构上并且在传感器结构上产生钝化部作为最上部的层。
图6A示出了施加在传感器本体1上的根据本发明的传感器结构1B的剖视图。与利用传统的方法产生的传感器结构相比，利用根据本发明的制造方法可以通过事后退火产生具有半径R的倒圆的角部。
根据本发明的传感器结构于是优选在剖面视图中具有梯形的形状，其长边与短边相比更靠近传感器本体并且其上角部是倒圆的。其高度即传感器结构的层厚度D优选为10nm到100nm。
优选前面已描述的平置的梯形，但同时也存在所谓的剥离方法，其因此大致类似于上文所描述的方法，并且也可以产生倒立的梯形。
图6B示出了施加在传感器本体1上的根据本发明的传感器结构5B的剖视图，其中与在图6A中所示的布置不同，在传感器本体1与传感器结构5B之间设置绝缘层2。绝缘层2的减小的中心高度Rpk和减小的沟槽深度Rvk分别在1nm到6nm中并且主要取决于传感器本体1的材料特性。
图6C示出了按照根据本发明的转移方法制造的在传感器本体1上的传感器结构5B。在此，优选在传感器本体1与传感器结构之间是绝缘层2，其例如由二氧化硅(SiO2)构成或具有二氧化硅。传感器结构5B在横截面中具有平置的梯形的形状，该梯形具有倒圆的角部，该角部具有半径R，并且该传感器结构例如由镍基合金构成，优选由Ni-Cr合金构成，或具有其。在传感器结构5B和绝缘层2之上借助钝化部产生保护层，所述保护层例如由二氧化硅(SiO2)构成或具有二氧化硅。
根据本发明的转移方法与传统的刻蚀方法相比在不使用的光阻情况下也能行。由此，利用根据本发明的转移方法制造的传感器结构没有光阻层。
附图标记表
传感器本体 1
传感器元件 1B
绝缘层 2
转移载体 3
基底材料 4
传感器结构 5、5B、5C
激光束 6
受控的位置 7
透镜 8
光阻层 9
层厚度 D
半径 R
减小的中心高度 Rpk
减小的沟槽深度 Rvk

Claims (23)

1.一种用于制造传感器结构的方法，具有：
将基底材料施加到转移载体上，
将转移载体设置在传感器本体上，以及
借助局部能量输入将基底材料的至少部分从转移载体传递到传感器本体上，其中，将所述传感器结构熔融到传感器本体上，
其中，通过事后退火产生传感器结构的倒圆的角部。
2.根据权利要求1所述的用于制造传感器结构的方法，其中，所述传递脉冲式或连续地或通过熔融进行。
3.根据权利要求1或2所述的用于制造传感器结构的方法，此外具有：
在传递所述基底材料之后去除转移载体；以及
调节和/或照射传递到所述传感器本体上的传感器结构。
4.根据权利要求3所述的用于制造传感器结构的方法，其中，所述调节包括调温或再烧结。
5.根据权利要求3所述的用于制造传感器结构的方法，其中，所述传感器结构通过照射被部分重新去除或被部分分离。
6.根据权利要求1或2所述的用于制造传感器结构的方法，此外具有：
在传递所述基底材料之前将绝缘层施加到所述传感器本体上，所述基底材料绝缘层的厚度为1μm到10μm。
7.根据权利要求6所述的用于制造传感器结构的方法，其中，所述绝缘层具有玻璃。
8.根据权利要求7所述的用于制造传感器结构的方法，其中，所述绝缘层由玻璃构成。
9.根据权利要求6所述的用于制造传感器结构的方法，其中，所述绝缘层是粗糙的并且具有1nm到6nm的中心高度Rpk以及1nm到6nm的沟槽深度Rvk。
10.根据权利要求1或2所述的用于制造传感器结构的方法，其中，局部能量输入通过照射实现。
11.根据权利要求10所述的用于制造传感器结构的方法，其中，局部能量输入借助激光束或电子束实现。
12.根据权利要求1或2所述的用于制造传感器结构的方法，其中，所述局部能量输入选择性地在所述传感器本体的预先确定的部位处进行。
13.根据权利要求1或2所述的用于制造传感器结构的方法，其中，在所述转移载体上的基底材料的层厚度为10nm到100nm。
14.根据权利要求1或2所述的用于制造传感器结构的方法，其中，所述基底材料的颗粒具有1nm到100nm的直径。
15.根据权利要求1或2所述的用于制造传感器结构的方法，其中，所述转移载体由玻璃或薄膜构成。
16.根据权利要求1或2所述的用于制造传感器结构的方法，其中，将所述基底材料以静电方式、通过溅射、在气相中或以化学方式施加到所述转移载体上。
17.一种传感器，具有：
传感器本体，和
利用根据权利要求1至16中任一项所述的方法制造的传感器结构。
18.根据权利要求17所述的传感器，其中，所述传感器还具有绝缘层，该绝缘层的厚度为1μm到10μm且具有玻璃，并且该绝缘层是粗糙的并且具有1nm到6nm的中心高度Rpk以及1nm到6nm的沟槽深度Rvk。
19.根据权利要求18所述的传感器，其中，所述绝缘层由玻璃构成。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的传感器，其中，所述传感器本体具有大小为3mm到15mm的直径。
21.根据权利要求20所述的传感器，其中，所述传感器本体具有大小为4mm到10mm的直径。
22.根据权利要求17至19中任一项所述的传感器，其中，在剖面视图中看，所述传感器结构具有梯形的形状，所述梯形的长边相较于短边更靠近传感器本体。
23.根据权利要求17至19中任一项所述的传感器，其中，所述传感器结构没有光阻漆层。
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