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WO2019002029A1 - Schichtwiderstand, dünnfilmsensor und verwendung von partikel eines zweiten leitfähigen materials - Google Patents

Schichtwiderstand, dünnfilmsensor und verwendung von partikel eines zweiten leitfähigen materials Download PDF

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WO2019002029A1
WO2019002029A1 PCT/EP2018/066281 EP2018066281W WO2019002029A1 WO 2019002029 A1 WO2019002029 A1 WO 2019002029A1 EP 2018066281 W EP2018066281 W EP 2018066281W WO 2019002029 A1 WO2019002029 A1 WO 2019002029A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
conductive material
particles
sheet resistance
film sensor
resistance
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/066281
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bettina MILKE
Bernhard Ostrick
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
Publication of WO2019002029A1 publication Critical patent/WO2019002029A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01C17/06573—Precursor compositions therefor, e.g. pastes, inks, glass frits characterised by the permanent binder
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    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/006—Thin film resistors

Definitions

  • the invention relates to the use of particles of a second conductive material for adjusting a thermal expansion coefficient of
  • Resistor material of sheet resistance is Resistor material of sheet resistance.
  • a sheet resistor may comprise a piezoresistive layer on which two electrodes are arranged. In a thin-film sensor, the sheet resistance becomes one
  • Carrier body can swing or can be bent relative to the substrate.
  • the sheet resistance should have a high sensitivity in order to enable a high measurement accuracy, for example in a pressure measurement.
  • the sensitivity can be given by the K-factor, also known as the Gage factor, which describes the relationship between relative
  • the sheet resistance should have a sensitivity of K> 2.
  • the sheet resistance is usually subjected to a cyclic bending stress. Therefore, the sheet resistance is required to be good
  • the sheet resistance should preferably be low
  • the layer sensor should also be suitable for use at high pressures of up to 1000 bar and at high temperatures of up to 250 ° C.
  • the object of the present invention is to specify an improved sheet resistance.
  • the sheet resistance should preferably be one or more of the above
  • Sheet resistance to be constructed so that
  • thermal expansion coefficient can be adjusted in a desired manner and adapted to the thermal expansion coefficient of a carrier body.
  • Resistor material comprising a matrix of a first conductive material in which particles of a second conductive material are dispersed, wherein the coefficient of thermal expansion of the resistance material is different from the thermal expansion coefficient of the first material, wherein the second conductive material
  • thermal expansion coefficient of the resistance material can be adjusted in the desired manner. Accordingly,
  • the thermal expansion coefficient of the resistance material differs from the thermal one
  • Expansion coefficients of the first material By the dispersion of the first conductive material and the second conductive material, a thermal expansion coefficient higher or lower than the thermal expansion coefficient of the first material may result for the resistance material. Accordingly, by the particles of the second conductive material of the thermal
  • Expansion coefficient of the resistance material to a material consisting only of the matrix of the first conductive material can be changed.
  • the thermal expansion coefficient of the sheet resistance can be adjusted very accurately by a concentration and / or a particle size of the particles of the second
  • the thermal expansion coefficient of the Sheet resistance can be varied. These parameters influence the thermal expansion coefficient of the Sheet resistance. Accordingly, by a suitable choice of the concentration and the particle size of the particles of the second conductive material, the thermal expansion coefficient of the Sheet resistance. Accordingly, by a suitable choice of the concentration and the particle size of the particles of the second conductive material, the thermal expansion coefficient of the Sheet resistance. Accordingly, by a suitable choice of the concentration and the particle size of the particles of the second conductive material, the thermal expansion coefficient of the Sheet resistance. Accordingly, by a suitable choice of the concentration and the particle size of the particles of the second conductive material, the thermal expansion coefficient of the Sheet resistance. Accordingly, by a suitable choice of the concentration and the particle size of the particles of the second conductive material, the thermal expansion coefficient of the Sheet resistance. Accordingly, by a suitable choice of the concentration and the particle size of the particles of the second conductive material, the thermal expansion coefficient of the Sheet resistance. Accordingly, by a suitable choice of the concentration and the particle size of the particles of the second conductive material, the
  • Expansion coefficient of the sheet resistance can be adjusted so that it corresponds to the coefficient of thermal expansion of a carrier body. Also the material of
  • Particles of the second conductive material may be the
  • the first conductive material is a material different from the second conductive material.
  • the first conductive material may be a piezoresistive material.
  • the particles of the second conductive material are dispersed in the first conductive material, the first conductive material and the second conductive material form a dispersion.
  • the two materials can accordingly form a heterogeneous mixture.
  • the particles of the second conductive material are dispersed in the first conductive material, the first conductive material and the second conductive material form a dispersion.
  • the two materials can accordingly form a heterogeneous mixture.
  • the particles of the second material may be finely dispersed in the first conductive material.
  • the particles of the second conductive material may be in the first
  • Material be arranged randomly.
  • the particles of the second conductive material may also be referred to as cluster particles.
  • introduced cluster particles in the matrix of the first conductive material may make it possible to set the thermal expansion coefficient exactly to a desired value and thus to the thermal
  • the thermal expansion coefficient of the sheet resistance can vary over its lifetime by less than 0.1 ⁇ 6.
  • particles of a second conductive material may be the construction of a
  • Allow sheet resistance which has a high K-factor and thus a high measuring sensitivity. Since the second material is conductive, the sensitivity does not become due to the introduction of the second material into the matrix
  • the K-factor of the resistance material may be greater than 2.
  • the resistance material can be a linear
  • Sheet resistance have a linear temperature dependence over a wide temperature range, for example between 50 K and 550 K.
  • the particles of the second conductive material may comprise a shell comprising graphitic carbon, Ag, Si or Sic.
  • the sheath may consist of one of these materials.
  • the shell can be the particle
  • the particles of the second conductive material may have a particle size between 5 nm and 50 nm. at
  • the diameter of the sphere indicates the particle size.
  • the distance of the two farthest points of the particle is assumed to be the particle size.
  • the matrix of the first conductive material may include at least one selected from amorphous carbon, a polymer,
  • the matrix of the first conductive material may be one of these
  • the first material may be an amorphous carbon matrix having Si and / or SiC moieties.
  • the Si and / or SiC components can the
  • the Young's modulus can be varied by introducing Si or SiC into the amorphous carbon matrix without changing the thermal expansion coefficient.
  • the resistance material can be a thermal
  • Carrier body of a thin film sensor can be used, for example yttrium-stabilized zirconium or stainless steel.
  • the particles of the second conductive material can be any suitable material.
  • the sheet resistance can by means of a sol-gel process in conjunction with a thermal treatment or by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition
  • Thermal treatment can be a so-called
  • the present invention relates
  • Invention a thin-film sensor having the above-described sheet resistance.
  • the thin-film sensor may have a carrier body on which the sheet resistor is arranged, the carrier body and the sheet resistor having the same thermal
  • Sheet resistance and the support body can be considered equal if the thermal
  • Expansion coefficients differ by less than 0.2 ppm / K, preferably by less than 0.05 ppm / K. Due to the coordinated thermal expansion coefficients mechanical stresses between sheet resistance and support body can be avoided even with large temperature fluctuations. Thus, a long-term stability of the sheet resistance and a high measurement accuracy over the entire lifetime of the sheet resistance can be made possible.
  • a concentration and a particle size of the particles of the second conductive material may be selected such that the carrier body and the sheet resistor have the same thermal expansion coefficient.
  • the use of the second conductive provides Material a high design flexibility, which allows the adjustment of the thermal expansion coefficient
  • the carrier body may comprise stainless steel or yttrium-stabilized zirconium.
  • the carrier body may be a membrane and a substrate
  • the membrane in which the membrane is fixed in such a way that the membrane can move relative to the substrate, wherein the sheet resistance is arranged directly on the membrane.
  • the membrane and the substrate may be made of the same material.
  • the present invention relates
  • Expansion coefficient of a resistive material of a sheet resistance wherein the resistance material comprises a matrix of a first conductive material, in which the
  • the sheet resistance may, in particular, be the sheet resistance described above. Accordingly, all structural and functional features associated with the sheet resistance or the
  • Thin-film sensor have been disclosed, also apply to this aspect. Accordingly, the particles of the second conductive material can be used to heat the thermal
  • the coefficient of thermal expansion should be set to a value which deviates from the coefficient of thermal expansion of a carrier body by less than 0.2 ppm / K, preferably by less than 0.05 ppm / K.
  • the second conductive material may be a nitride of a
  • Transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W, or a transition metal carbide selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W.
  • the particles of the second conductive material may include a shell having graphitic carbon, Ag, Si or SiC.
  • the matrix of the first conductive material may include at least one selected from amorphous carbon, a polymer, A1P04, amorphous Si, and amorphous SiC.
  • FIG. 1 shows a sheet resistance
  • Figure 2 shows a thin-film sensor according to a first
  • Figure 3 shows a thin-film sensor according to a second
  • Figure 1 is a sectional view through a
  • Sheet resistance 2 which has a resistance material 3, which is arranged between two electrodes 4.
  • the sheet resistance serves to define a defined provide electrical resistance between the two electrodes 4.
  • the resistance material 3 is schematic and not
  • Resistive material 3 to illustrate.
  • Resistor material 3 has a matrix of a first
  • Material may be amorphous carbon, a polymer, AIPO4, amorphous Si or amorphous SiC.
  • particles 9 of a second conductive material are arranged.
  • the particles 9 are embedded in the first material 8.
  • the particles 9 are shown in spherical form. Also possible are ellipsoids, elongated particles or irregular particles.
  • the particles 9 comprise the second conductive material, which is a nitride of a transition metal or a carbide of a transition metal. It can do that
  • the particles 9 may further comprise an oxygen addition to the nitride of the transition metal or the carbide of the transition metal. Furthermore, the particles 9 have a shell 10 which contains the particles 9
  • the shell 10 may be made of graphite
  • FIG. 2 shows a thin-film sensor 1, which has a
  • Sheet resistance 2 with the resistance material 3 has.
  • the sheet resistor 2 also has two electrodes 4.
  • the electrodes 4 are at opposite ends of the
  • the thin-film sensor 1 has a carrier body 7.
  • the carrier body 7 has a membrane 5 and a substrate 6.
  • the membrane 5 is fixed to the substrate 6 such that the membrane 5 can move relative to the substrate 6.
  • the membrane 5 can oscillate relative to the substrate 6.
  • a central region of the membrane 5 can be bent.
  • the sheet resistance 2 is arranged on the membrane 5.
  • the resistance material 3 can be deposited directly on the membrane 5.
  • the sheet resistance 2 is arranged in the region of the membrane 5 which is movable relative to the substrate 6.
  • piezoelectric effect creates an electrical signal that can be detected by the electrodes 4.
  • the thin-film sensor 1 preferably has four layer resistors 2, which are connected to form an electrical resistance bridge.
  • the resistance bridge is preferably a Wheatstone bridge. Based on the electrical signals detected by these sheet resistors 2, a pressure applied to the thin-film sensor 1 can be calculated.
  • the thin-film sensor 1 described here is suitable not only for measuring a pressure but also for measuring forces and for measuring an expansion of the membrane 5.
  • the resistance material 3 is the material described above, which is a matrix of a first conductive material 8
  • Transition metal selected from Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo and W.
  • the membrane 5 and the substrate 6 may be stainless steel or
  • Sheet resistance 3 has a thermal
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the invention
  • Thin-film sensor 1 in which the membrane 5 is attached to the substrate 6 on only one side. Accordingly, the diaphragm 5 can be bent relative to the substrate 6.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schichtwiderstand (2) aufweisend ein Widerstandsmaterial (3), das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials (8) aufweist, in die Partikel (9) eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei das zweite leitfähige Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Dünnfilmsensor (1), der den Schichtwiderstand (2) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung von Partikel (9) eines zweiten leitfähigen Materials zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Widerstandsmaterials des Schichtwiderstands.

Description

Beschreibung
Schichtwiderstand, Dünnfilmsensor und Verwendung von Partikel eines zweiten leitfähigen Materials
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schichtwiderstand sowie einen Dünnfilmsensor, der den Schichtwiderstand
aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung von Partikel eines zweiten leitfähigen Materials zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
Widerstandsmaterials des Schichtwiderstands.
Ein Schichtwiderstand kann eine piezoresistive Schicht aufweisen, an der zwei Elektroden angeordnet sind. In einem Dünnfilmsensor wird der Schichtwiderstand auf einen
Trägerkörper aufgebracht. Insbesondere kann der
Schichtwiderstand auf eine Membran des Trägerkörpers
aufgebracht werden, die relativ zu einem Substrat des
Trägerkörpers schwingen kann oder relativ zu dem Substrat gebogen werden kann.
Um eine hohe Messgenauigkeit des Dünnfilmsensors zu
ermöglichen, sollte es vermieden werden, dass während einer Messung mechanischer Stress zwischen dem Schichtwiderstand und dem Trägerkörper entsteht. Mechanischer Stress könnte beispielsweise durch unterschiedliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten des Schichtwiderstands und des
Trägerkörpers entstehen, wenn es zu einer Temperaturänderung kommt. Durch mechanischen Stress könnte es zu Drifts in den Messergebnissen und eine damit verbundene Ungenauigkeit der Messung oder sogar zu einer Zerstörung des Dünnfilmsensors kommen . Ferner sollte der Schichtwiderstand eine hohe Sensitivität aufweisen, um eine hohe Messgenauigkeit beispielsweise bei einer Druckmessung zu ermöglichen. Bei einem piezoresitiven Sensor kann die Sensitivität durch den K-Faktor, der auch als „Gage-Faktor" bezeichnet wird, angegeben werden. Dieser beschreibt das Verhältnis zwischen relativer
Widerstandsänderung zu relativer Längenänderung einer
piezoelektrischen Schicht. Der Schichtwiderstand sollte eine Sensitivität von K > 2 besitzen.
In einem Drucksensor ist der Schichtwiderstand üblicherweise einer zyklischen Biegebeanspruchung ausgesetzt. Daher ist es erforderlich, dass der Schichtwiderstand eine gute
mechanische Stabilität aufweist. Aus diesem Grund sollte der Schichtwiderstand vorzugsweise einen geringen
Elastizitätsmodul aufweisen.
Vorzugsweise sollte der Schichtsensor ferner dazu geeignet sein, bei hohen Drücken von bis zu 1000 bar und bei hohen Temperaturen von bis zu 250 °C eingesetzt zu werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Schichtwiderstand anzugeben. Der Schichtwiderstand sollte vorzugsweise eine oder mehrere der oben genannten
Anforderungen erfüllen. Insbesondere sollte der
Schichtwiderstand derart konstruiert sein, dass sein
thermischer Ausdehnungskoeffizient in einer gewünschten Weise eingestellt und an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Trägerkörpers angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Schichtwiderstand gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Es wird ein Schichtwiderstand vorgeschlagen, der ein
Widerstandsmaterial aufweist, das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials aufweist, in die Partikel eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials sich von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials unterscheidet, wobei das zweite leitfähige Material ein
Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist.
Durch das Dispergieren des zweiten leitfähigen Materials in die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann der
thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials in gewünschter Weise angepasst werden. Dementsprechend
unterscheidet sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials von dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials. Durch die Dispersion des ersten leitfähigen Materials und des zweiten leitfähigen Materials kann sich für das Widerstandsmaterial ein thermischer Ausdehnungskoeffizient ergeben, der höher oder niedriger ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des ersten Materials. Dementsprechend kann durch die Partikel des zweiten leitfähigen Materials der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials gegenüber einem Material, das nur aus der Matrix des ersten leitfähigen Materials besteht, verändert werden.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstandes kann sehr genau einstellbar sein, indem eine Konzentration und/oder eine Partikelgröße der Partikel des zweiten
leitfähigen Materials variiert werden. Diese Parameter beeinflussen den thermischen Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstands. Dementsprechend kann durch eine geeignete Wahl der Konzentration und der Partikelgröße der Partikel des zweiten leitfähigen Materials der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstands so angepasst werden, dass er dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Trägerkörpers entspricht. Auch das Material der
Partikel des zweiten leitfähigen Materials kann den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten beeinflussen. Das erste leitfähige Material ist ein Material, das sich von dem zweiten leitfähigen Material unterscheidet. Das erste leitfähige Material kann ein piezoresistives Material sein.
Da die Partikel des zweiten leitfähigen Materials in das erste leitfähige Material dispergiert sind, bilden das erste leitfähige Material und das zweite leitfähige Material eine Dispersion. Die beiden Materialien können dementsprechend ein heterogenes Gemisch bilden. Die Partikel des zweiten
Materials können sich dabei nicht in der Matrix des ersten Materials lösen und können sich mit dieser kaum chemisch verbinden. Die Partikel des zweiten Materials können in dem ersten leitfähigen Material fein verteilt sein. Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können in dem ersten
Material zufällig angeordnet sein.
Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können auch als Clusterpartikel bezeichnet werden. Die Menge des
eingebrachten Clusterpartikels in der Matrix des ersten leitfähigen Materials kann es ermöglichen, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten exakt auf einen gewünschten Wert einzustellen und diesen damit an den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten eines verwendeten Substrats
anzupassen. Genau abgestimmte thermische Ausdehnungskoeffizienten können den Stress zwischen dem
Schichtwiderstand und dem Substrat minimieren, wodurch eine höhere Toleranz gegenüber externem thermischem Stress erreicht werden kann. Dadurch kann eine Langzeitstabilität des Schichtwiderstands verbessert werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schichtwiderstandes kann über seine Lebensdauer um weniger als 0,1 ~6 variieren.
Ferner kann die Verwendung von Partikeln eines zweiten leitfähigen Materials die Konstruktion eines
Schichtwiderstands ermöglichen, der einen hohen K-Faktor und damit eine hohe Messsensitivität aufweist. Da das zweite Material leitfähig ist, wird die Sensitivität durch das Einbringen des zweiten Materials in die Matrix nicht
verringert. Der K-Faktor des Widerstandsmaterials kann größer als 2 sein.
Ferner kann das Widerstandsmaterial eine lineare
Temperaturabhängigkeit aufweisen. Insbesondere kann der
Schichtwiderstand eine lineare Temperaturabhängigkeit über einen großen Temperaturbereich, beispielsweise zwischen 50 K und 550 K, aufweisen.
Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können eine Hülle aufweisen, die graphitischen Kohlenstoff, Ag, Si oder Sic aufweist. Insbesondere kann die Hülle aus einem dieser Materialien bestehen. Die Hülle kann die Partikel
stabilisieren. Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können eine Partikelgröße zwischen 5 nm und 50 nm aufweisen. Bei
kugelförmigen Partikeln gibt der Durchmesser der Kugel die Partikelgröße an. Bei Partikeln mit einer unregelmäßigeren Form wird der Abstand der beiden am weitesten voneinander entfernten Punkte des Partikels als Partikelgröße angenommen.
Die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann zumindest eines ausgewählt aus amorphem Kohlenstoff, einem Polymer,
AIPO4, amorphem Si und amorphem SiC aufweisen. Die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann aus einem dieser
Materialien bestehen. Bei dem ersten Material kann es sich um eine amorphe Kohlenstoffmatrix handeln, die Si- und/oder SiC- Anteile aufweist. Die Si- und/oder SiC-Anteile können den
Elastizitätsmodul des Widerstandsmaterials beeinflussen. Der Elastizitätsmodul kann durch das Einbringen von Si oder SiC in die Matrix aus amorphem Kohlenstoff variiert werden, ohne dabei den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verändern.
Das Widerstandsmaterial kann einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen 9 ppm/K und 11 ppm/K aufweisen. Thermische Ausdehnungskoeffizienten in diesem Bereich sind typisch für die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, die für einen
Trägerkörper eines Dünnfilmsensors verwendet werden können, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkon oder Edelstahl.
Den Partikeln des zweiten leitfähigen Materials kann
Sauerstoff beigemischt sein. Dementsprechend können die
Partikel des zweiten leitfähigen Materials zusätzlich zu dem Carbid des Übergangsmaterials oder dem Nitrid des
Übergangsmetalls TaON, ZrON CrON, TiON, GaON, VON, MnON, MoON, WoON, TaOC, ZrOC, CrOC, TiOC, GaOC, VOC, MnOC, MoOC oder WOC aufweisen.
Der Schichtwiderstand kann mit Hilfe eines Sol-Gel-Prozesses in Verbindung mit einer thermischen Behandlung oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (englisch: Physical Vapor Deposition = PVD) oder chemischer Gasphasenabscheidung
(englisch: Chemical Vapor Deposition = CVD) hergestellt werden. Bei dem Sol-Gel-Prozess in Verbindung mit dem
thermischen Behandeln kann es sich um einen sogenannten
Harnstoff-Glas-Router handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende
Erfindung einen Dünnfilmsensor, der den oben beschriebenen Schichtwiderstand aufweist.
Der Dünnfilmsensor kann einen Trägerkörper aufweisen, auf dem der Schichtwiderstand angeordnet ist, wobei der Trägerkörper und der Schichtwiderstand den gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere kann der
Schichtwiderstand unmittelbar auf dem Trägerkörper angeordnet sein. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des
Schichtwiderstands und des Trägerkörpers können als gleich angesehen werden, wenn die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten um weniger als 0,2 ppm/K voneinander abweichen, vorzugsweise um weniger als 0,05 ppm/K. Durch die aufeinander abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten können selbst bei großen Temperaturschwankungen mechanische Belastungen zwischen Schichtwiderstand und Trägerkörper vermieden werden. Damit kann eine Langzeitstabilität des Schichtwiderstands und eine hohe Messgenauigkeit über die gesamte Lebenszeit des Schichtwiderstands ermöglicht werden.
Eine Konzentration und eine Partikelgröße der Partikel des zweiten leitfähigen Materials können derart gewählt sein, dass der Trägerkörper und der Schichtwiderstand den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Dementsprechend bietet die Verwendung des zweiten leitfähigen Materials eine hohe Designflexibilität, die die Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ermöglicht, und
gleichzeitig sicherstellt, dass der Schichtwiderstand einen hohen K-Faktor und eine lineare Temperaturabhängigkeit zeigt.
Der Trägerkörper kann Edelstahl oder Yttrium-stabilisiertes Zirkon aufweisen.
Der Trägerkörper kann eine Membran und ein Substrat
aufweisen, an dem die Membran derart befestigt ist, dass die Membran sich relativ zu dem Substrat bewegen kann, wobei der Schichtwiderstand unmittelbar auf der Membran angeordnet ist. Die Membran und das Substrat können aus dem gleichen Material bestehen .
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende
Erfindung eine Verwendung von Partikeln eines zweiten
leitfähigen Materials zur Einstellung eines thermischen
Ausdehnungskoeffizienten eines Widerstandsmaterials eines Schichtwiderstands, wobei das Widerstandsmaterial eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials aufweist, in die die
Partikel des zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind. Bei dem Schichtwiderstand kann es sich insbesondere um den oben beschriebenen Schichtwiderstand handeln. Dementsprechend können alle strukturellen und funktionalen Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Schichtwiderstand oder dem
Dünnfilmsensor offenbart wurden, auch auf diesen Aspekt zutreffen . Dementsprechend können die Partikel des zweiten leitfähigen Materials dazu verwendet werden, den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Widerstandsmaterials in einer gewünschten Weise einzustellen. Insbesondere kann der thermische Ausdehnungskoeffizient auf einen Wert eingestellt werden, der von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Trägerkörpers um weniger als 0,2 ppm/K, vorzugsweise um weniger als 0,05 ppm/K, abweicht.
Das zweite leitfähige Material kann ein Nitrid eines
Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweisen.
Die Partikel des zweiten leitfähigen Materials können eine Hülle aufweisen, die graphitischen Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC aufweist. Die Matrix des ersten leitfähigen Materials kann zumindest eines ausgewählt aus amorphem Kohlenstoff, einem Polymer, A1P04, amorphem Si und amorphem SiC aufweisen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Figuren erläutert.
Figur 1 zeigt einen Schichtwiderstand.
Figur 2 zeigt einen Dünnfilmsensor gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel.
Figur 3 zeigt einen Dünnfilmsensor gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel . In Figur 1 ist eine Schnittansicht durch einen
Schichtwiderstand 2 dargestellt, der ein Widerstandsmaterial 3 aufweist, das zwischen zwei Elektroden 4 angeordnet ist. Der Schichtwiderstand dient dazu, einen definierten elektrischen Widerstand zwischen den beiden Elektroden 4 bereitzustellen.
Das Widerstandsmaterial 3 ist schematisch und nicht
maßstabsgetreu dargestellt, um die Zusammensetzung des
Widerstandsmaterials 3 zu verdeutlichen. Das
Widerstandsmaterial 3 weist eine Matrix eines ersten
leitfähigen Materials 8 auf. Bei dem ersten leitfähigen
Material kann es sich um amorphen Kohlenstoff, ein Polymer, AIPO4, amorphes Si oder amorphes SiC handeln.
In dem ersten Material 8 sind Partikel 9 eines zweiten leitfähigen Materials angeordnet. Die Partikel 9 sind in das erste Material 8 eingebettet. In Figur 1 sind die Partikel 9 in Kugelform dargestellt. Möglich sind auch Ellipsoide, längliche Partikel oder unregelmäßige Partikel.
Die Partikel 9 weisen das zweite leitfähige Material auf, bei dem es sich um ein Nitrid eines Übergangsmetalls oder ein Carbid eines Übergangsmetalls handelt. Dabei kann das
Übergangsmetall eines ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W sein. Die Partikel 9 können darüber hinaus eine Sauerstoffbeimischung zu dem Nitrid des Übergangsmetalls oder dem Carbid des Übergangsmetalls aufweisen. Ferner weisen die Partikel 9 eine Hülle 10 auf, die die Partikel 9
stabilisiert. Die Hülle 10 kann aus graphitischem
Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC bestehen.
Figur 2 zeigt einen Dünnfilmsensor 1, der einen
Schichtwiderstand 2 mit dem Widerstandsmaterial 3 aufweist. Der Schichtwiderstand 2 weist ferner zwei Elektroden 4 auf. Die Elektroden 4 sind an entgegengesetzten Enden des
Widerstandsmaterials 3 angeordnet. Der Dünnfilmsensor 1 weist einen Trägerkörper 7 auf. Der Trägerkörper 7 weist eine Membran 5 und ein Substrat 6 auf. Die Membran 5 ist an dem Substrat 6 derart befestigt, dass die Membran 5 sich relativ zu dem Substrat 6 bewegen kann. Insbesondere kann die Membran 5 relativ zu dem Substrat 6 schwingen. Dabei kann ein mittlerer Bereich der Membran 5 gebogen werden. Der Schichtwiderstand 2 ist auf der Membran 5 angeordnet. Das Widerstandsmaterial 3 kann dazu unmittelbar auf der Membran 5 abgeschieden sein. Insbesondere ist der Schichtwiderstand 2 in dem Bereich der Membran 5 angeordnet, der relativ zu dem Substrat 6 beweglich ist.
Verformt sich nunmehr die Membran 5 in Folge eines auf sie ausgeübten Drucks, führt dieses zu einer Verformung des
Widerstandsmaterials 3. Dabei entsteht aufgrund des
piezoelektrischen Effektes entsteht ein elektrisches Signal, das von den Elektroden 4 erfasst werden kann.
Vorzugsweise weist der Dünnfilmsensor 1 vier Schicht- widerstände 2 auf, die zu einer elektrischen Widerstandbrücke verschaltet sind. Bei der Widerstandsbrücke handelt es sich vorzugsweise um eine Wheatstonebrücke . Auf Basis der von diesen Schichtwiderständen 2 erfassten elektrischen Signale kann ein auf den Dünnfilmsensor 1 ausgeübter Druck berechnet werden.
Der hier beschriebene Dünnfilmsensor 1 eignet sich neben der Messung eines Drucks auch zur Messung von Kräften sowie zur Messung einer Dehnung der Membran 5.
Das Widerstandsmaterial 3 ist das oben beschriebene Material, das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials 8
aufweist, in die Partikel 9 eines zweiten leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei das zweite leitfähige
Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines
Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist.
Die Membran 5 und das Substrat 6 können Edelstahl oder
Yttrium-stabilisiertes Zirkon aufweisen. Der
Schichtwiderstand 3 weist einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten auf, der nahezu identisch zu den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Membran 5 und des Substrats 6 ist.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des
Dünnfilmsensors 1, bei dem die Membran 5 nur einseitig an dem Substrat 6 befestigt ist. Dementsprechend kann die Membran 5 relativ zu dem Substrat 6 gebogen werden.
Bezugs zeichenliste
1 Dünnfilmsensor
2 Schichtwiderstand
3 Widerstandsmaterial
4 Elektrode
5 Membran
6 Substrat
7 Trägerkörper
8 erstes leitfähiges Material
9 Partikel eines zweiten leitfähigen Materials
10 Hülle

Claims

Schichtwiderstand (2) aufweisend ein Widerstandsmaterial (3) , das eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials (8) aufweist, in die Partikel (9) eines zweiten
leitfähigen Materials dispergiert sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des
Widerstandsmaterials sich von dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials
unterscheidet,
wobei das zweite leitfähige Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist .
Schichtwiderstand (2) gemäß Anspruch 1,
wobei die Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials eine Hülle (10) aufweisen, die graphitischen
Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC aufweist.
Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei die Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials eine Partikelgröße zwischen 5 nm und 50 nm aufweisen.
Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei die Matrix des ersten leitfähigen Materials (8) zumindest eines ausgewählt aus amorphem Kohlenstoff, einem Polymer, AIPO4, amorphem Si und amorphem SiC aufweist .
5. Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei das Widerstandsmaterial (3) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 9 ppm/K und 11 ppm/K aufweist .
6. Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei die Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials eine Sauerstoffbeimischung durch TaON, ZrON, CrON, TiON, GaON, VON, MnON, MoON, WoON, TaOC, ZrOC, CrOC, TiOC, GaOC, VOC, MnOC, MoOC oder WOC aufweisen.
7. Dünnfilmsensor (1) aufweisend einen Schichtwiderstand (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
8. Dünnfilmsensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
aufweisend einen Trägerkörper (7), auf dem der
Schichtwiderstand (2) angeordnet ist,
wobei der Trägerkörper (7) und der Schichtwiderstand (2) den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen .
9. Dünnfilmsensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei eine Konzentration und eine Partikelgröße der Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials derart gewählt sind, dass der Trägerkörper (7) und der
Schichtwiderstand (2) den gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen .
10. Dünnfilmsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der Trägerkörper (7) Edelstahl oder Yttrium stabilisiertes Zirkon aufweist.
11. Dünnfilmsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Trägerkörper (7) eine Membran (5) und ein Substrat (6) aufweist, an dem die Membran (5) derart befestigt ist, dass die Membran (5) sich relativ zu dem Substrat (6) bewegen kann, wobei der Schichtwiderstand
(2) unmittelbar auf der Membran (5) angeordnet ist.
12. Verwendung von Partikel (9) eines zweiten leitfähigen Materials zur Einstellung eines thermischen
Ausdehnungskoeffizienten eines Widerstandsmaterials eines Schichtwiderstands, wobei das Widerstandsmaterial
(3) eine Matrix eines ersten leitfähigen Materials (8) aufweist, in die die Partikel (9) des zweiten
leitfähigen Materials dispergiert sind.
13. Verwendung von Partikeln (9) eines zweiten leitfähigen Materials gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei das zweite leitfähige Material ein Nitrid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W oder ein Carbid eines Übergangsmetalls ausgewählt aus Ta, Zr, Cr, Ti, Ga, V, Mn, Mo und W aufweist .
14. Verwendung von Partikeln (9) eines zweiten leitfähigen Materials gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13,
wobei die Partikel (9) des zweiten leitfähigen Materials eine Hülle (10) aufweisen, die graphitischen
Kohlenstoff, Ag, Si oder SiC aufweist. 15. Verwendung von Partikeln (9) eines zweiten leitfähigen Materials gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14,
wobei die Matrix des ersten leitfähigen Materials (8) zumindest eines ausgewählt aus amorphem Kohlenstoff, einem Polymer, AIPO4, amorphem Si und amorphem SiC aufweist .
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