A new SiC/HfB_1tn2 based micro hotplane for metal oxide gassensors [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Florian Solzbacher

A new SiC/HfB based micro hotplate for metal 2
oxide gassensors
Florian Solzbacher


A new SiC/HfB based micro hotplate for metal 2
oxide gassensors
vorgelegt von
Diplomingenieur
Florian Solzbacher
aus Saarbrücken
Der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität Ilmenau
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur
- Dr.-Ing. -
vorgelegte Dissertation




Berichterstatter:
Vertr.-Prof. Dr.-Ing. habil. T. Doll
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. W. Buff
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. A. Schütze
Univ.-Prof. Dr. M. Vellekoop


Eingereicht am: 13.05.2003
Verteidigt am: 28.11.2003



Ilmenau 2003

Abstract
Solzbacher, Florian
A new SiC/HfB based modular concept of micro hotplates for metal 2
oxide gassensors
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer SiC/HfB -basierter Mikroheizer 2
mit niedrigster Leistungsaufnahme für die Anwendung in Metalloxid-
Gassensoren entwickelt und demonstriert. Erstmals wurden Siliziumkarbid
(SiC) und Hafniumdiborid (HfB ) als Werkstoffe für einen Mikroheizer 2
eingesetzt. Durch geringe Modifikation der Herstellungsprozesse lässt sich
der Heizer so variieren, dass der Einsatz sowohl für den automobilen
Anwendungsbereich (12V-24V) als auch für tragbare Geräte (1V-2V) für eine
Vielzahl unterschiedlicher Messgase möglich ist. Es ist der erste Mikroheizer
für Gassensoren überhaupt, der den Batteriebetrieb bei nur 1-2 V erlaubt. Der
modulare Fertigungsansatz ermöglicht die Reduzierung der Entwicklungs-
und Fertigungskosten für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche. Aus der
Marktentwicklung in der Sensorik, den industriellen Anforderungen und den
zu den Metalloxid-Gassensoren im Wettbewerb stehenden alternativen
Technologien ergeben sich das Anforderungsprofil des Sensors. Die Wahl der
Materialien spielt eine Schlüsselrolle für die Heizereigenschaften.
Der Mikroheizer besteht aus einer 1 µm dicken, an 150 µm langen und 10 bis
40 µm breiten Stegen aufgehängten Membran mit Außenmaßen von 100 µm
x 100 µm. Alternativ kommen eine HfB – Dünnfilm-Widerstandsheizung 2
oder ein dotierter SiC-Heizer zum Einsatz. Mit Leistungsaufnahmen von 32
mW werden Temperaturen von 600°C erreicht, was einer Effizienz von ca.
19 K/mW entspricht. Die verwendeten hexagonalen Strukturen ermöglichen
dichtes Packen der Sensoren in Arrays bei hoher mechanischer Stabilität.
Erste NO Sensoren mit gassensitiver In O Schicht konnten gezeigt werden.2 2 3Abstract
Solzbacher, Florian
A new SiC/HfB based modular concept of micro hotplates for metal 2
oxide gassensors
A new SiC/HfB -based micro hotplate with ultra low power consumption for 2
the application in metal oxide micro gas sensors is developed and
demonstrated. For the first time, silicon carbide (SiC) and Hafniumdiboride
(HfB ) are used as materials for a micro hotplate structure. Using only slight 2
modifications of the fabrication process, the device can be used either for
automotive applications with operating voltages of 12V-24V or for battery
operated handheld detectors with operating voltages of 1V-2V for a variety of
different gases. It is the first micro hotplate device ever designed to work for
low battery voltages of 1V-2V. The modular approach towards the processing
allows easy modification for a variety of application fields and thus also
reduces market entrance barriers. Based on the market development of micro
sensors, the industrial requirements, and competing metal oxide gas sensors
using alternative technologies, technical specifications for the hotplate as well
as the state of the art’s limits are determined. The new material choice plays a
key role in the device properties.
The micro hotplate consists of a 100 µm x 100 µm membrane supported by
thin beams of 1 µm thickness, 150 µm length and 10 to 40 µm width.
Alternatively, an HfB – thin film resistive heater or a doped SiC heater are 2
used. Temperatures of 600°C are achieved using a power consumption of
only 32 mW resulting in a thermal heater efficiency of ~19 K/mW. The
hexagonal geometry allows close packing of the hotplates in array structures
with high mechanical strength. NO sensors with gas sensitive In O layer are 2 2 3
presented. VII
Table of contents
Table of contents .............................................................................. VII
Table of symbols .................................................................................X
Table of acronyms ...........................................................................XIII
Acknowledgements .......................................................................... XV
Summary ....................................................................................... XVII
1. Introduction .................................................................................1
2. Micro gas sensors ........................................................................5
2.1 Overview of micro gas sensors .................................................................................. 6
2.1.1 Mass sensitive micro gas sensors....................................................................... 6
2.1.2 Optical mi................................................................................... 8
2.1.3 Thermal/Calorimetric micro gas sensors............................................................ 9
2.1.4 Potentiometric gas sensors.................................................................................9
2.1.5 Amperomesensors......................................................................................10
2.1.6 Conductivity micro gas sensors
2.1.7 Summary..........................................................................................................12
2.2 Metal oxides as gas sensitive material ..................................................................... 13
2.2.1 Electrical conductivity of metal oxides 13
2.2.2 Metal oxide – gas interaction ........................................................................... 15
2.2.4 Summary19
2.3 Micro hotplates in gas sensor applications...............................................................
2.3.1 Present micro heater solutions.......................................................................... 20
2.3.2 Discussion........................................................................................................27
2.4 Perspectives and requirements for future devices.................................................... 29
3. Sensor concept...........................................................................32
3.1 The new micro hotplate concept .............................................................................. 34
3.2 aterial choice .......................................................................................... 35
3.2.1 Silicon carbide properties.................................................................................40
3.2.2 Hafnium diboride properties ............................................................................ 43
3.3 Discussion................................................................................................................43
4. Design and simulation ...............................................................46
4.1 Integrated micro heater............................................................................................. 46
4.1.1 Micro heater design 47
4.1.2 Influence of the electrical heater contacts on the heater current density
distribution........................................................................................................ 49
4.2 Designing the interdigital contact electrodes and the resistive temperature sensor. 53
4.3 Connecting leads, hotplate shape and geometry ...................................................... 55
4.4 Hotplate – array structures ....................................................................................... 58
4.5 Summary..................................................................................................................59
5. Modelling and finite element analysis.......................................62
5.1 Modelling the sensor ................................................................................................ 63
5.1.1 Analytical modelling of the thermal characteristics......................................... 64 VIII
5.1.2 Summary..........................................................................................................78
5.2 Thermal simulations...................................................................................................... 79
5.2.1 Material properties and boundary conditions................................................... 79
5.2.2 Mesh generation...............................................................................................82
5.2.3 Temperature distribution across the micro hotplate......................................... 83
5.2.4 Power consumption as a function of the heater temperature ........