DE10010020A1

DE10010020A1 - Fließsensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10010020A1
Application number: DE10010020A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Wado; Yukihiro Takeuchi; Toshimasa Yamamoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2001-03-08
Also published as: FR2798194B1; FR2798194A1; US6626037B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fließsensor, welcher eine Fließgeschwindigkeit in einem weiten Bereich einschließlich eines Bereichs einer hohen Fließgeschwindigkeit mit einer einfachen Struktur erfassen kann. Ein Fließsensor enthält ein Substrat mit einem hohlen Teil und einen Dünnschichtstrukturteil, der über dem hohlen Teil vorgesehen ist. Der Dünnschichtstrukturteil ist mit einem Heizkörper, welcher in einem mittleren Teil gebildet ist, stromauf und stromab befindlichen Temperaturdetektoren, welche die Temperatur des Fluids erfassen, einem Fluidthermometer, welches die Temperatur des Fluids erfasst, und thermischen Kopplungsschichten versehen, welche auf dem Substrat an einem Teil zwischen dem Heizkörper und beiden Temperaturdetektoren vorgesehen sind. Entsprechend dieser Struktur erhöhen die thermischen Kopplungsschichten die thermische Kopplung zwischen dem Heizkörper und den Temperaturdetektoren. Dementsprechend kann verhindert werden, dass die Temperatur des stromauf befindlichen Temperaturdetektors etwa auf die Temperatur des Fluids abfällt und es kann die Fließgeschwindigkeit erhöht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fließ- bzw. Durchflußsensoren und insbesondere auf einen Fließsensor, welcher die Fließgeschwindigkeit eines Fluids erfaßt, und auf ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Es sind Fließsensoren, welche die Fließgeschwindigkeit eines entlang einem Heizkörper fließenden Fluids erfassen, und ein Temperaturdetektor bekannt. Diese Art eines Fließ sensors ist im allgemeinen mit dem Heizkörper und dem Tem peraturdetektor versehen, wobei jedes Gerät aus einer Schichtstruktur auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist (JP-B-6-43906, JP-A-7-174600 oder JP-A-9-243423).

Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fließ sensors nach dem Stand der Technik. Ein hohler Teil 7 ist in einem Substrat 1 vorgesehen; und ein Dünnschichtstruk turteil 2 ist über dem hohlen Teil 7 derart vorgesehen, dass der Dünnschichtstrukturteil 2 den hohlen Teil 7 über brückt. In dem Dünnschichtstrukturteil 2 ist ein Heizkörper 3 in einem Mittelteil gebildet, und es sind ein stromauf befindlicher Temperaturdetektor (upper stream temperature detector) 5 und ein stromab befindlicher Temperaturdetektor (lower stream temperature detector) 6 an beiden Randseiten gebildet. Ein Fluidthermometer 4, welches die Temperatur des Fluids erfasst, ist auf dem Substrat 1 an einem Teil gebildet, wo ein unterschiedlicher Teil des Dünnschicht strukturteils 2 vorhanden ist und wo eine stromauf befind liche Seite des Fluids vorhanden ist, welche in Fig. 11 durch einen Pfeil dargestellt ist.

Bei dieser Art von Sensor wird das Heizkörper derart betrieben, dass das Heizkörper eine bestimmte Temperatur besitzt, die um eine vorbestimmte Temperatur größer als die Fluidtemperatur ist, welche von dem Fluidthermometer 4 er fasst wird. Die Temperatur des stromauf befindlichen Tempe raturdetektors 5 fällt als Ergebnis eines Wärmeverlusts in folge des Fluidflusses entlang dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor 5; wohingegen die Temperatur des stromab befindlichen Temperaturdetektors 6 infolge der von dem Heizkörper 3 erzeugten Wärme ansteigt. Die Fließgeschwin digkeit des Fluids wird auf der Grundlage einer Temperatur differenz zwischen dem stromauf befindlichen Temperaturde tektor 5 und dem stromab befindlichen Temperaturdetektor 6 gemessen (erfasst).

Bei dem Fließsensor mit der oben beschriebenen Struktur ändert sich jede der Temperaturen des stromauf befindlichen Temperaturdetektors 5 und des stromab befindlichen Tempera turdetektors 6 bezüglich der Fließgeschwindigkeit wie in Fig. 12A dargestellt; und es ändert sich die Temperaturdif ferenz zwischen dem stromauf befindlichen Temperaturdetek tor 5 und dem stromab befindlichen Temperaturdetektor 6 be züglich der Fließgeschwindigkeit wie in Fig. 12B darge stellt. Aus Fig. 12B ergibt sich eine Charakteristik mit einer guten Linearität in einem Bereich einer niedrigen Fließgeschwindigkeit; jedoch wird die Linearität in einem Bereich einer hohen Fließgeschwindigkeit schlechter. Der Grund dafür ist in folgendem zu sehen. Da der Dünnschicht strukturteil 2 eine äußerst geringe thermische Kapazität besitzt, kühlt sich die Temperatur des stromauf befindli chen Temperaturdetektors 5 etwa auf die Temperatur des Fluids ab, wenn die Fließgeschwindigkeit ansteigt, so dass ein Änderungsverhältnis der Temperatur bezüglich der Fließ geschwindigkeit sich verringert, und ein Abkühlen des der Temperatur des stromab befindlichen Temperaturdetektors durch das Fluid übersteigt ein Aufheizen durch den Heizkör per 3. Als Ergebnis verringert sich die Temperaturdiffe renz, wenn die Fließgeschwindigkeit ansteigt.

Um ein Verringern der Empfindlichkeit in dem Bereich einer hohen Fließgeschwindigkeit zu verhindern, werden in der JP-B-6-68451 oder der JP-B-4-74672 einige Gegenmaßnah men vorgeschlagen. Entsprechend einer in der JP-B-6-68451 vorgeschlagenen Gegenmaßnahme wird der Dünnschichtstruktur teil aus einer metallischen Schicht mit einer äußerst hohen thermischen Kapazität gebildet, um eine Erfassung in dem Bereich einer hohen Fließgeschwindigkeit zu ermöglichen. Andererseits wird entsprechend einer in der JP-B-4-74672 vorgeschlagenen Gegenmaßnahme der Temperaturerfassungsteil auf dem Heizkörper mit einer dazwischen angeordneten Iso lierschicht aufgeschichtet, um eine Erfassung in dem Be reich einer hohen Fließgeschwindigkeit zu ermöglichen.

Entsprechend dieser Gegenmaßnahmen kann jedoch eine kompliziert aufgebaute Struktur entstehen, da sie die lami nierte Struktur auf den Heizkörper, den Temperaturdetektor und die metallische Schicht mit einer äußerst hohen thermi schen Kapazität anwenden oder die laminierte Struktur auf den Heizkörper und den Temperaturdetektor anwenden. Des weiteren kann ein Verfahren zur Herstellung dieser Art ei nes Strukturkörpers ebenfalls kompliziert ausgestaltet wer den. Des weiteren ist es in dem Fall, bei welchem eine der artige laminierte bzw. geschichtete Struktur verwendet wird, insbesondere wenn der Heizkörper und der Temperatur detektor aus metallischen Schichten gebildet sind und zwei Schichten von metallischen Schichten bzw. Filmen in dem Strukturkörper gebildet werden, schwierig eine Verwölbung des Strukturkörpers infolge einer Druckverteilung zu steu ern. Des weiteren wird ein thermischer Druck bzw. eine thermische Spannung in dem Strukturkörper erzeugt, da sich die Verwölbung infolge einer Differenz eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen jedem Material ändert, wenn sich die Temperatur des Strukturkörpers ändert. Wenn daher ein Abkühlungs-/Erwärmungszyklus wiederholt auf den Strukturkörper als Ergebnis, des Einschaltens/Ausschaltens einer Energiezufuhr oder eines diskontinuierlichen Ein schaltens wiederholt angewandt wird, kann sich die Zuver lässigkeit des Strukturkörpers verringern.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem soweit be schriebenen technischen Hintergrund, und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Erfassung der Fließgeschwindig keit in einem weiten Bereich einschließlich eines Bereichs einer hohen Fließgeschwindigkeit mit einer einfachen Struk tur zu ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der nebengeordneten unabhängigen Ansprüche.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine ther mische Kopplungsschicht auf dem Substrat an einem Teil zwi schen dem Heizkörper und dem Temperaturdetektor gebildet, um eine thermische Kopplung dazwischen zu erhöhen. Dement sprechend kann verhindert werden, dass die Temperatur des Temperaturdetektors auf etwa die Temperatur des Fluids ab fällt, und daher kann die Fließgeschwindigkeit in einem weiten Bereich einschließlich des Bereichs einer hohen Fließgeschwindigkeit erfasst werden.

Entsprechend einem anderen Gesichtspunkt der vorliegen den Erfindung besitzt ein Temperaturdetektor eine vorbe stimmte Struktur, so dass wenigstens ein Teil des Tempera turdetektors innerhalb der Struktur des Heizkörpers einge schlossen bzw. davon umgeben ist. Dementsprechend kann ver hindert werden, dass die Temperatur des Temperaturdetektors auf etwa die Temperatur des Fluids abfällt, und daher kann die Fließgeschwindigkeit in einem weiten Bereich ein schließlich des Bereichs einer hohen Fließgeschwindigkeit erfasst werden.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

In der Zeichnung sind dieselben Teile oder entspre chende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, um eine redundante Erklärung zu vermeiden.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fließ sensors einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Er findung;

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Fließsensors entlang Linie II-II von Fig. 1;

Fig. 3A-3D zeigen Querschnittsansichten, welche je den Schritt des Verfahrens der Herstellung des in Fig. 1 und 2 dargestellten Fließsensors veranschaulichen;

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen modifizierten Fließsensor der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Fließsensor ei ner zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ther misch sensitiven Fließsensors einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7A-7C zeigen Querschnittsansichten, welche je den Schritt des Verfahrens der Herstellung des in Fig. 6 dargestellten Fließsensors veranschaulichen;

Fig. 8 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwi schen der Fließgeschwindigkeit und der Temperaturdifferenz zwischen einem Fluidthermometer 4 und einem stromauf be findlichen Temperaturdetektor 5 veranschaulicht;

Fig. 9A zeigt eine Draufsicht auf einen thermisch sen sitiven Fließsensor einer vierten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung;

Fig. 9B zeigt eine vergrößerte Draufsicht von Fig. 9A;

Fig. 10A zeigt eine Draufsicht auf einen thermisch sen sitiven Fließsensor einer fünften Ausführungsform der vor liegenden Erfindung;

Fig. 10B zeigt eine vergrößerte Draufsicht von Fig. 10A;

Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ther misch sensitiven Fließsensors nach dem Stand der Technik;

Fig. 12A zeigt einen Graphen, welcher Beziehungen zwi schen der Fließgeschwindigkeit und der Temperatur eines stromauf befindlichen Temperaturdetektors und zwischen ei ner Fließgeschwindigkeit und der Temperatur eines stromab befindlichen Temperaturdetektors veranschaulicht; und

Fig. 12B zeigt einen Graphen, welcher Beziehungen zwi schen der Fließgeschwindigkeit und der Temperaturdifferenz zwischen dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor und dem stromab befindlichen Temperaturdetektor veranschau licht.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ther misch sensitiven Fließsensors einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Fig. 2 zeigt eine Quer schnittsansicht des Fließsensors entlang Linie II-II von Fig. 1.

Ein hohler Teil 7 ist in einem Substrat 1 vorgesehen; und ein Dünnschichtstrukturteil 2 ist über dem hohlen Teil 7 derart vorgesehen, dass der Dünnschichtstrukturteil 2 den hohlen Teil 7 überbrückt. In dem Dünnschichtstrukturteil 2 ist ein Heizkörper 3 in einem mittleren Teil gebildet, und es sind ein stromauf befindlicher Temperaturdetektor 5 (upper stream temperature detector) und ein stromab befind licher Temperaturdetektor 6 (lower stream temperature de tector) an beiden Randseiten gebildet. Ein Fluidthermometer 4 zum Erfassen der Temperatur, des Fluids ist auf dem Substrat 1 an einem Teil einer stromauf befindlichen Seite des Fluids gebildet, wo ein unterschiedlicher Teil zu dem Dünnschichtstrukturteil 2 befindlich ist, was in Fig. 1 durch einen Pfeil dargestellt ist.

Des weiteren sind wie in Fig. 1 und 2 dargestellt thermische Kopplungsschichten 10 auf dem Substrat an Teilen vorgesehen, wo sie jeweils zwischen dem Heizkörper 3 und dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor (dem ersten Detektor 5) und zwischen dem Heizkörper 3 und dem stromab befindlichen Temperaturdetektor (dem zweiten Detektor) 6 befindlich sind. Die thermische Kopplungsschicht 10 ist aus einer Platinschicht (Pt-Schicht) gebildet, wobei der Heiz körper 3 und die Temperaturdetektoren 5 und 6 aus demselben Material gebildet sind. Die thermische Kopplungsschicht 10 ist entlang dem Heizkörpers und den Temperaturdetektoren 5 und 6 gebildet. Bei dieser Ausführungsform sind die Tempe raturdetektoren 5 und 6 derart gebildet, dass sie wechsel weise gewunden sind. Die thermische Kopplungsschicht 10 be sitzt eine Kammform, um jeden benachbarten Windungsteil der Temperaturdetektoren 5 und 6 auszufüllen.

Bei dieser Art von Sensor wird der Heizkörper derart betrieben, dass das Heizkörper eine bestimmte Temperatur besitzt, welche um eine vorbestimmte Temperatur größer als eine Fluidtemperatur ist, die von dem Fluidthermometer 4 erfasst wird. Die Temperatur des stromauf befindlichen Tem peraturdetektors fällt als Ergebnis eines Wärmeverlusts in folge der Fluidflüsse entlang dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor 5 ab; und die Temperatur des stromab be findlichen Temperaturdetektors 6 steigt infolge der von dem Heizkörper 3 erzeugten Wärme an. Die Fließgeschwindigkeit des Fluids wird auf der Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor 5 und dem stromab befindlichen Temperaturdetektor 6 gemessen.

Da bei dieser Ausführungsform die thermischen Kopp lungsschichten 10 vorgesehen sind, ist eine thermische Kopplung zwischen dem Heizkörper 3 und dem stromauf befind lichen Temperaturdetektor 5 intensiviert (sie wird stär ker), und die thermische Kopplung zwischen dem Heizkörper 3 und dem stromab befindlichen Temperaturdetektor 6 ist eben falls intensiviert. Dementsprechend kann verhindert werden, dass die Temperatur des stromauf befindlichen Temperaturde tektors 5 auf etwa die Temperatur des Fluids abfällt. Des weiteren kann eine bestimmte Fließgeschwindigkeit erhöht werden, bei welcher die Kürzung des stromab befindlichen Temperaturdetektors 6 infolge des Fluidflusses eine Erwär mung durch das Heizkörper 3 überschreitet. Daher kann die Fließgeschwindigkeit in einem weiten Bereich einschließlich eines Bereichs einer hohen Fließgeschwindigkeit erfasst werden.

Als nächstes wird ein Verfahren der Herstellung des oben beschriebenen Fließsensors unter Bezugnahme auf Fig. 3A-3D erklärt.

In Fig. 3A dargestellter Schritt

Es wird ein Halbleitersubstrat (Siliziumsubstrat) 1 be reitgestellt. Eine untere Schicht 8 wird auf dem Halblei tersubstrat 1 gebildet. Diese untere Schicht 8 ist aus zwei Isolierschichten gebildet, wobei eine Si₃N₄-Schicht und ei ne SiO₂-Schicht aufeinandergeschichtet sind, so dass eine in der unteren Schicht 8 gebildete innere Spannung freige setzt wird. Danach wird eine Platinschicht mit einer Dicke von 200 nm (2000 Å) auf die untere Schicht 8 bei 200°C als Schicht aufgetragen, welche den Heizkörper 3, das Fluidthermometer 4, die thermische Kopplungsschicht 10 und die Temperaturdetektoren 5 und 6 bildet. Dabei wird eine Titanschicht (Ti-Schicht) mit einer Dicke von 5 nm (50 Å) als Bondschicht zwischen der Pt-Schicht und der unteren Schicht 8 aufgetragen. Danach werden der Heizkörper 3, das Fluidthermometer 4, die thermische Kopplungsschicht 10, die Temperaturdetektoren 5 und 6 und ein Elektrodenaufnahmeteil 15 durch Ätzen in vorbestimmte Formen strukturiert.

In Fig. 3B dargestellter Schritt

Eine aus zwei Schichten gebildete obere Schicht 9, in welcher eine Si₃N₄-Schicht und eine SiO₂-Schicht aufge schichtet sind, wird auf der unteren Schicht 8 und der Pt- Schicht in gleicher Weise die die untere Schicht 8 gebil det. Danach werden durch Ätzen von vorbestimmten Teilen Öffnungen gebildet, wo der hohle Teil 7, der Heizkörper 3, das Fluidthermometer 4, dies Temperaturdetektoren 5 und 6 und der Elektrodenaufnahmeteil 15 zu bilden sind.

In Fig. 3C dargestellter Schritt

Nach dem Auftragen einer Goldschicht (Au-Schicht) mit einer Dicke von 500 nm (5000 Å) auf der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 wird ein Ätzen bezüglich der Au- Schicht durchgeführt, um eine Ätzsschutzschicht 16 zu bil den, welche den Elektrodenaufnahmeteil 15 bedeckt. Die Ätz schutzschicht 16 wird zum Schutz des Elektrodenaufnahme teils 15 vor einen in dem nächsten Schritt zu verwendenden Siliziumätzmittel und zum Erhöhen einer Haftfähigkeit be züglich einer Au-Schicht verwendet, wenn die Au-Schicht als externer Draht verwendet wird.

In Fig. 3D dargestellter Schritt

Der hohe Teil 7 wird unter Verwendung eines anisotropen Ätzens unter Verwendung einer TMAH-Lösung von einer Haupt oberflächenseite des Siliziumsubstrats 1 her gebildet. Auf diese Arten wird der in Fig. 1 und 2 dargestellte Fließ sensor gebildet.

Da bei diesem Fließsensor die thermischen Kopplungs schichten 10 sowohl zwischen dem Heizkörper 3 und dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor 5 als auch zwi schen dem Heizkörper 3 und dem stromab befindlichen Tempe raturdetektor 6 gebildet sind, wird die thermische Kopplung zwischen dem Heizkörper 3 und beiden Temperaturdetektoren 5 und 6 erhöht. In diesem Fall werden der Heizkörper 3, die Temperaturdetektoren 5 und 6 und die thermische Kopplungs schicht 10 aus einem gemeinsamen Material gebildet und in einem gemeinsamen Schritt zur selben Zeit hergestellt. Da her kann dieser Fließsensor ohne einen zusätzlichen spezi ellen Schritt hergestellt werden. Da lediglich eine metal lische Schicht in dem Strukturkörper des Dünnschichtstruk turteils 2 verwendet wird, kann des weiteren eine Druck- bzw. Spannungssteuerung vereinfacht werden. Konkret darge stellt, der Strukturkörper wird stark bzw. widerstandsfähig gegenüber thermischem Druck bzw. einer thermischen Span nung, da eine Verwölbung infolge einer Temperaturänderung durch Anordnen der Platinschicht hinreichend verhindert werden kann, welche den Heizkörper 3 und die Temperaturde tektoren 5 und 6 bildet, an einem im wesentlichen mittleren Teil der Schichtstruktur und durch symmetrisches Anordnen der unteren Schicht 8 und der oberen Schicht 9 bezüglich der Platinschicht (darauf und darunter).

Es können dabei Polysilizium, NiCr, TaN, SiC, W oder dergleichen anstelle von Platin als die Schicht verwendet werden, welche den Heizkörper 3, das Fluidthermometer 4, die thermische Kopplungsschicht 10 und die Temperaturdetek toren 5 und 6 bildet. Des weiteren kann eine aus TiO₂, Al₂O₃, Ta₂O₂, MgO usw. gebildete einzige Schicht oder eine Vielfachschicht einschließlich einer Schicht davon als die untere Schicht 8 und die obere Schicht 9 verwendet werden, solange wie sie den Heizkörper 3 usw. schützen kann. Des weiteren kann die Ätzschutzschicht 16 aus einem anderen Ma terial als Gold gewählt werden, solange wie die Schicht ei ne Beständigkeit gegenüber dem Ätzmittel und eine Haftfä higkeit zwischen der Verbindungsverdrahtung besitzt. Dabei kann die Ätzschutzschicht 16 weggelassen werden, wenn der bloßgelegte Elektrodenaufnahmeteil 15 eine Beständigkeit gegenüber dem Ätzmittel besitzt. Der hohle Teil 7 kann durch ein anderes Ätzen als dem anisotropen Ätzen unter Verwendung der TMAH-Lösung gebildet werden, solange wie der hohle Teil 7 gebildet wird.

Bei dieser Ausführungsform sind die thermischen Kopp lungsschichten 10 sowohl zwischen dem Heizkörper 3 und dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor 5 als auch zwi schen dem Heizkörper 3 und dem stromab befindlichen Tempe raturdetektor 6 vorgesehen. Jedoch können wie in Fig. 4 dargestellt die thermischen Kopplungsschichten 10 an beiden Seiten des Heizkörpers 3 an dem Dünnschichtstrukturteil 2 vorgesehen sein, und die Temperaturdetektoren 5 und 6 kön nen an der inneren Seite der thermischen Kopplungsschichten 10 angeordnet sein. Mit anderen Worten, die thermische Kopplungsschicht 10 kann auf einem anderen Bereich als dem jenigen gebildet werden, an dem die Temperaturdetektoren 5 und 6 zu bilden sind. Entsprechend dieser Modifizierung kann die thermische Kopplung zwischen dem Heizkörper 3 und den beiden Temperaturdetektoren 5 und 6 weiter intensiviert werden.

Zweite Ausführungsform

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Fließsensor ei ner zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind der Heizkörper 3 und die Tempe raturdetektoren 5 und 6 derart angeordnet, dass Teile der Temperaturdetektoren 5 und 6 zwischen benachbarten Teilen des Heizkörpers 3 angeordnet sind. D. h. der Heizkörper 4 sowie die Temperaturdetektoren 5 und 6 sind jeweils zu ei ner abwechselnden bzw. wechselweisen Wicklung gebildet. Mit anderen Worten, der Heizkörper 3 besitzt zwei U-förmige Teile, und jeder der Temperaturdetektoren 5 und 6 besitzt einen U-förmigen Teil, von denen jeder mit einem der zwei U-förmigen Teile des Heizkörpers 3 ineinandergreift (oder ihm gegenübersteht).

Dementsprechend kann verhindert werden, dass die Tempe raturen der Temperaturdetektoren 5 und 6 auf etwa die Tem peratur des Fluids abfallen, sogar wenn das Fluid mit einer hohen Geschwindigkeit fließt. Wenn der gesamte Teil der Temperaturdetektoren 5 und 6 in der Struktur des Heizkör pers 3 enthalten ist, kann die Fließgeschwindigkeit in ei nem weiten Bereich einschließlich dem Bereich einer hohen Fließgeschwindigkeit mit einer sehr hohen Empfindlichkeit erfasst werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde der Betrieb für den Fall beschrieben, bei welchem das Fluid von der Seite des stromauf befindlichen Temperaturdetektors 5 zu der Seite des stromab befindlichen Temperaturdetektors 6 fließt und bei welchem die Fließgeschwindigkeit auf der Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen dem stromauf be findlichen Temperaturdetektor 5 und dem stromab befindli chen Temperaturdetektor 6 gemessen wird, wenn der Heizkör per 3 auf eine bestimmte Temperatur gesteuert wird, die um eine vorbestimmte Temperatur größer als die von dem Fluidthermometer 4 erfaßte Fluidtemperatur ist. Jedoch tritt eine Temperaturdifferenz zwischen dem stromauf be findlichen Temperaturdetektor 5 und dem stromab befindli chen Temperaturdetektor 6 sogar dann auf (in diesem Fall ist die von dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor 5 erfasste Temperatur größer als die von dem stromab befind lichen Temperaturdetektor 6 erfasste Temperatur), wenn das Fluid von der Seite des stromab befindlichen Temperaturde tektors 6 zu der Seite des stromauf befindlichen Tempera turdetektors 5 rückwärts gerichtet fließt. Daher kann bei diesem Fließsensor die Fließgeschwindigkeit und eine Rich tung des Fluids auf der Grundlage der Temperaturen erfasst werden, welche sowohl von dem stromauf befindlichen Tempe raturdetektor 5 als auch dem stromab befindlichen Tempera turdetektors 6 erfasst werden.

Des weiteren sind die Temperaturdetektoren 5 und 6 an beiden Seiten des Heizkörpers 3 bei den obigen Ausführungs formen vorgesehen, jedoch kann der Temperaturdetektor le diglich an einer Seite des Heizkörpers 3 vorgesehen sein, um die Fließgeschwindigkeit zu erfassen. Es kann eine in einem Diaphragma gebildete Dünnschichtstruktur anstelle der Schichtstruktur verwendet werden, die in der über dem hoh len Teil 7 vorgesehenen Brücke gebildet ist. Diese Modifi zierungen werden bezüglich der folgenden Ausführungsform erklärt.

Dritte Ausführungsform

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ther misch sensitiven Fließsensors einer dritten Ausführungs form; und Fig. 7C zeigt eine Querschnittsansicht des Fließ sensors entlang Linie VII-VII von Fig. 6. Bei dieser Aus führungsform ist wie oben kurz beschrieben der Temperatur detektor (der stromauf befindliche Temperaturdetektor 5) lediglich an einer Seite des Heizkörpers 3 der ersten Aus führungsform vorgesehen, und des weiteren ist der Dünn schichtstrukturteil 2 durch eine in einem Diaphragma gebil dete Dünnschichtstruktur unter Bereitstellung des hohlen Teils 7 an einer Rückseitenoberfläche des Siliziumsubstrats 1 konstruiert.

Bei dieser Ausführungsform ist in dem Fall, bei welchem der Heizkörper 3 derart gesteuert wird, das er eine be stimmte Temperatur besitzt, die um eine vorbestimmte Tempe ratur größer als die durch das Fluidthermometer 4 erfasste Fluidtemperatur ist, eine Temperaturdifferenz zwischen dem Fluidthermometer 4 und dem stromauf befindlichen Tempera turdetektor 5 in eine Vorwärtsrichtung (die durch einen Pfeil in Fig. 6 angezeigte Richtung) klein, da Wärme von dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor 5 abgestrahlt wird, während eine Temperaturdifferenz zwischen dem Fluidthermometer 4 und dem stromauf befindlichen Tempera turdetektor 5 in eine Rückwärtsrichtung (die entgegenge setzte Richtung des Pfeils von Fig. 6) groß ist, da Wärme auf den stromauf befindlichen Temperaturdetektor übertragen wird. Daher werden bei dieser Ausführungsform die Fließge schwindigkeit und die Richtung des Fluids auf der Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen dem Fluidthermometer 4 und dem stromauf befindlichen Temperaturdetektor 5 erfasst.

Der thermisch sensitive Fließsensor dieser Ausführungs form kann ebenfalls die Fließgeschwindigkeit und die Rich tung des Fluids erfassen, da die thermische Kopplungs schicht 10 zwischen dem stromauf befindlichen Temperaturde tektor 5 und dem Heizkörper 3 vorgesehen ist.

Fig. 7A-7C zeigen Querschnittsansichten, welche je den Schritt des Verfahrens der Herstellung des Fließsensors veranschaulichen. Jeder Schritt ist im wesentlichen der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme der folgenden Punkte: der stromauf befindliche Temperatur detektor 5 wird lediglich an einer Seite des Heizkörpers 3 gebildet; und der hohle Teil 7 wird auf der Rückseitenober fläche des Siliziumsubstrats 1 durch Ätzen von der Rücksei tenoberfläche des Siliziumsubstrats 1 her gebildet. Konkret dargestellt wird wie in Fig. 7A veranschaulicht die untere Schicht 8 auf dem Siliziumsubstrat 1 gebildet; es wird die Platinschicht auf der unteren Schicht 8 aufgetragen; und es wird die untere Schicht 8 zur Bildung des Heizkörpers 3, des Fluidthermometers 4, das Temperaturdetektors 5 und der thermischen Kopplungsschicht 10 strukturiert. Wie in Fig. 7B dargestellt wird die obere Schicht 9 auf dem Silizium substrat 1 gebildet. Wie in Fig. 7C dargestellt wird nach der Bildung der SiN-Schicht oder der SiO₂-Schicht auf der Rückseitenoberfläche des Siliziumsubstrats 1 die Schicht teilweise geöffnet; und es wird ein anisotropes Ätzen von der Rückseitenoberfläche des Siliziumsubstrats 1 her durch eine Öffnung der Schicht derart durchgeführt, dass der hohle Teil 7 gebildet wird.

Da bei diesem Fließsensor ähnlich wie bei den oben be schriebenen Ausführungsformen der Heizkörper 3, der Tempe raturdetektor 5 und die thermische Kopplungsschicht 10 aus einem gemeinsamen Material gebildet und in einem gemeinsa men Schritt zur selben Zeit hergestellt werden, kann dieser Fließsensor ohne einen zusätzlichen speziellen Schritt her gestellt werden. Da lediglich eine metallische Schicht in dem Strukturkörper des Dünnschichtstrukturteils 2 verwendet wird, kann des weiteren eine Druck- bzw. Spannungssteuerung vereinfacht werden. Konkret dargestellt, der Strukturkörper wird gegenüber einer thermischen Spannung stark, da eine Verwölbung infolge einer Temperaturänderung hinreichend verhindert wird durch Anordnen der Platinschicht, welche den Heizkörper und den Temperaturdetektor 5 bildet, an dem im wesentlichen mittleren Teil der Schichtstruktur und durch symmetrisches Anordnen der unteren Schicht 8 und der obere Schicht 9 bezüglich der Platinschicht (darauf und darunter).

Vierte Ausführungsform

Fig. 9A zeigt eine Draufsicht auf den thermisch sensi tiven Fließsensor einer vierten Ausführungsform; und Fig. 9B zeigt eine vergrößerte Draufsicht von Fig. 9A. Bei die ser Ausführungsform ist der Temperaturdetektor (der strom auf befindliche Temperaturdetektor 5) an einer Seite des Heizkörpers 3 der zweiten Ausführungsform vorgesehen, und der Dünnschichtstrukturteil 2 ist auf einem Diaphragma ge bildet, welches in dem Siliziumsubstrat 1 durch Bereitstel len des hohlen Teils 7 an der Rückseitenoberfläche des Si liziumsubstrats 1 gebildet ist.

Bei dieser Ausführungsform sind wie in Fig. 9A und 9B dargestellt der Heizkörper 3 und der Temperaturdetektor 5 als abwechselnde bzw. wechselweise Windung gebildet. Mit anderen Worten, der Heizkörper 3 besitzt viele (d. h. vier) zurückkehrende Teile, und der Temperaturdetektor 5 besitzt ebenfalls viele (d. h. vier) zurückkehrende Teile. Jeder der zurückkehrenden Teile des Temperaturdetektors 5 ist teil weise innerhalb jedes benachbarten zurückkehrenden Teils der Struktur des Heizkörpers 3 eingeschlossen bzw. wird da von umgeben.

Bei dieser Ausführungsform ist der Temperaturdetektor lediglich durch den stromauf befindlichen Temperaturdetek tor 5 gebildet, jedoch sind der Heizkörper 3 und der Tempe raturdetektor 5 derart angeordnet, dass wenigstens ein Teil (oder der gesamte Teil) des Temperaturdetektors 5 in der Struktur des Heizkörpers 3 eingeschlossen bzw. davon um hüllt ist. Daher kann dieser Fließsensor die Fließgeschwin digkeit und die Richtung des Fluids in einem weiten Bereich einschließlich eines Bereich einer hoher Fließgeschwindig keit mit einer einfachen Struktur sogar dann erfassen, wenn keine thermische Kopplungsschicht 10 vorhanden ist. Da keine thermische Kopplungschicht 10 vorhanden ist, kann des weiteren die Strukturgröße verringert werden, die ther mische Kapazität verringert werden und die Ansprechempfind lichkeit verbessert werden.

Fünfte Ausführungsform

Fig. 10A zeigt eine Draufsicht auf einen thermisch sen sitiven Fließsensor einer fünften Ausführungsform; und Fig. 10B zeigt eine vergrößerte Draufsicht von Fig. 10A. Der Fließsensor dieser Ausführungsform ist im wesentlichen der gleiche wie derjenige der vierten Ausführungsform mit der Ausnahme der Struktur des stromauf befindlichen Temperatur detektors 5.

Bei dieser Ausführungsform ist wie in Fig. 10B darge stellt der stromauf befindliche Temperaturdetektor 5 durch Hinzufügen einer Mehrzahl von Erstreckungsteilen 53 in Se rie bzw. Reihe verlängert, um den Gesamtwiderstand des stromauf befindlichen Temperaturdetektors 5 auf dem Dia phragma zu erhöhen. Jedes der Erstreckungsteile 53 besitzt eine Mehrzahl von zurückkehrenden Teilen (in dieser Figur ist die Anzahl der zurückkehrenden Teile jedes Er streckungsteils 53 gleich zwei).

Bei dieser Art eines Fließsensors unter Verwendung des Temperaturdetektors eines Dünnschichttyps kann die Erfas sungsgenauigkeit durch Erhöhen des Widerstands des Tempera turdetektors verbessert werden, da sich die Änderungsrate des Widerstands bezüglich Änderungen der Temperatur erhöht, wenn sich der Gesamtwiderstand des Temperaturdetektors er höht. Da bei dem Fließsensor dieser Ausführungsform Er streckungsteile 53 dem stromauf befindlichen Temperaturde tektor 5 in Serie hinzugefügt sind, kann die Erfassungsge nauigkeit im Vergleich mit derjenigen der vierten Ausfüh rungsform weiter verbessert werden.

Wenn dabei bei dem stromauf befindlichen Temperaturde tektor 5 die Länge eines Verbindungsteils 54, welcher den eingeschlossenen Teil 55 an; schließt (welcher in der Struk tur des Heizkörpers 3 eingeschlossen ist) mit L_l bezeichnet wird, wird es bevorzugt die Gesamtlänge L_T jedes Ausdeh nungsteils 53 entsprechend der Beziehung L_l < L_T < 6L₁ festzulegen (bei dieser Ausführungsform ist L_T etwa gleich 2L₁). Wenn jedes zurückkehrende Teil eine Länge von etwa 2L₁ wie bei dieser Ausführungsform besitzt, wird die Anzahl der zurückkehrenden Teile jedes Ausdehnungsteils 53 vor zugsweise auf zwei, vier oder sechs festgelegt, um wirksam die Länge zu erhöhen und zu verhindern, dass sich der ther mische Kopplungseffekt infolge des Abstands von dem Heiz körper 3 verringert.

Bei den vierten und fünften Ausführungsformen ist die Länge L₃ des eingeschlossenen Teils 55, welcher in der Struktur des Heizkörpers einzuschließen ist, kleiner als die Hälfte der Länge L₂ jedes zurückkehrenden Teils des Heizkörpers 3 (L₃ < L₂/2). Entsprechend dieser Struktur kann verhindert werden, dass die Erfassungsempfindlichkeit in einem Bereich einer geringen Fließgeschwindigkeit sich verringert, und es kann die Fließgeschwindigkeit in einem weiten Bereich einschließlich des Bereichs einer hohen Fließgeschwindigkeit mit einer einfachen Struktur erfasst werden.

Vorstehend wurde ein Fließsensor offenbart, welcher ei ne Fließgeschwindigkeit in einem weiten Bereich einschließ lich eines Bereichs einer hohen Fließgeschwindigkeit mit einer einfachen Struktur erfassen kann. Der Fließsensor enthält ein Substrat (1) mit einem hohlen Teil (7); und ei nen Dünnschichtstrukturteil (2), der über dem hohlen Teil vorgesehen ist. Der Dünnschichtstrukturteil ist mit einem Heizkörper (3), welcher in einem mittleren Teil gebildet ist, stromauf und stromab befindlichen Temperaturdetektoren (5, 6), welche die Temperatur des Fluids erfassen, einem Fluidthermometer (4), welches die Temperatur des Fluids er fasst, und thermischen Kopplungsschichten (10) versehen, welche auf dem Substrat an einem Teil zwischen dem Heizkör per und beiden Temperaturdetektoren vorgesehen sind. Ent sprechend dieser Struktur erhöhen die thermischen Kopp lungsschichten die thermische Kopplung zwischen dem Heiz körper und den Temperaturdetektoren. Dementsprechend kann verhindert werden, dass die Temperatur des stromauf befind lichen Temperaturdetektors etwa auf die Temperatur des Fluids abfällt und es kann eine bestimmte Fließgeschwindig keit erhöht werden, bei welcher das Abkühlen des stromab befindlichen Temperaturdetektors infolge des Fluidflusses eine Erwärmung durch den Heizkörper überschreitet. Daher kann die Fließgeschwindigkeit in einem weiten Bereich ein schließlich eines Bereichs einer hohen Fließgeschwindigkeit erfasst werden.

Claims

1. Fließsensor, welcher eine Fließgeschwindigkeit eines Fluids erfasst, mit:
einem Substrat (1);
einem Heizkörper (3), welcher Wärme erzeugt, auf dem Substrat gebildet ist und eine Schichtstruktur aufweist;
einem Temperaturdetektor (5, 6), welcher die Tempera tur des Fluids erfasst, auf dem Substrat gebildet ist und eine Schichtstruktur aufweist; und
einer thermischen Kopplungsschicht (10), welche auf dem Substrat an einem Teil zwischen dem Heizkörper und dem Temperaturdetektor gebildet ist und die thermische Kopplung dazwischen erhöht.

2. Fließsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (1) einen hohlen Teil (7) und einen über dem hohlen Teil vorgesehenen Dünnschichtstrukturteil (2) aufweist;
der Heizkörper (3) und der Temperaturdetektor (5, 6) auf dem Schichtstrukturteil gebildet sind;
der Temperaturdetektor einen ersten Detektor (5) und einen zweiten Detektor (6) enthält;
die thermische Kopplungsschicht (10) eine erste Schicht, welche zwischen dem Heizkörper und dem ersten De tektor vorgesehen ist, und eine zweite Schicht enthält, die zwischen dem Heizkörper und dem zweiten Detektor vorgesehen ist; und
die Fließgeschwindigkeit des Fluids auf der Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen der durch den ersten De tektor erfassten Temperatur und der durch den zweiten De tektor erfassten Temperatur erfasst wird.

3. Fließsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (1) einen hohlen Teil (7) und einen über dem hohlen Teil vorgesehenen Dünnschichtstrukturteil (2) aufweist; und
ein Fluidthermometer (4) auf dem Substrat an einem Teil außer dem Dünnschichtstrukturteil gebildet ist und die Temperatur des Fluids erfasst, wobei
die Fließgeschwindigkeit des Fluids auf der Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen der durch den Tempera turdetektor erfassten Temperatur und der durch das Fluid thermometer erfassten Temperatur erfasst wird.

4. Fließsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (1) einen hohlen Teil (7) und einen über dem hohlen Teil vorgesehenen Dünnschichtstrukturteil (2) aufweist; und
der Schichtstrukturteil durch symmetrisches Anordnen eines Paars von Isolatoren (8, 9) auf und unter dem Heiz körper (3), des Temperaturdetektors (5, 6) und der thermi schen Kopplungsschicht (10) konstruiert ist.

5. Fließsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatoren (8, 9) aus einer Kombination einer Si liziumnitridschicht und einer Siliziumoxidschicht gebildet sind.

6. Fließsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (3), der Temperaturdetektor (5, 6) und die thermische Kopplungsschicht (10) aus Platin oder einer Platinlegierung gebildet sind.

7. Fließsensor, welcher die Fließgeschwindigkeit eines Fluids erfasst, mit:
einem Substrat (1);
einem Heizkörper (3), welcher Wärme erzeugt, auf dem Substrat gebildet ist, eine Schichtstruktur und eine vorbe stimmte Struktur aufweist; und
einem Temperaturdetektor (5, 6), welcher die Tempera tur des Fluids erfasst, auf dem Substrat gebildet ist, eine Schichtstruktur und eine vorbestimmte Struktur derart auf weist, dass wenigstens ein Teil des Temperaturdetektors in nerhalb der Struktur des Heizkörpers eingeschlossen ist.

8. Fließsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (1) einen hohlen Teil (7) und einen über dem hohlen Teil vorgesehenen Dünnschichtstrukturteil (2) aufweist;
der Heizkörper (3) und der Temperaturdetektor (5, 6) auf dem Schichtstrukturteil gebildet sind;
der Temperaturdetektor einen ersten Detektor (5) und einen zweiten Detektor (6) enthält, wobei der erste und der zweite Detektor jeweils die vorbestimmte Struktur derart aufweist, dass wenigstens ein Teil davon innerhalb der Struktur des Heizkörpers eingeschlossen ist; und
die Fließgeschwindigkeit des Fluids auf der Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen der durch den ersten De tektor erfassten Temperatur und der durch den zweiten De tektor erfassten Temperatur erfasst wird.

9. Fließsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (1) einen hohlen Teil (7) und einen über dem hohlen Teil vorgesehenen Dünnschichtstrukturteil (2) aufweist; und
ein Fluidthermometer (4) auf dem Substrat an einem Teil außer dem Dünnschichtstrukturteil gebildet ist und die Temperatur des Fluids erfasst, wobei
die Fließgeschwindigkeit des Fluids auf der Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen der durch den Tempera turdetektor erfassten Temperatur und der durch das Fluidthermometer erfassten Temperatur erfasst wird.

10. Fließsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Heizkörper (3) die vorbestimmte Struktur mit einer Mehrzahl von zurückkehrenden Teilen aufweist; und
der Temperaturdetektor (5) die vorbestimmte Struktur mit einer Mehrzahl von zuriickkehrenden Teilen mit einge schlossenen Teilen (55) aufweist, welche innerhalb der zu rückkehrenden Teile des Heizkörpers eingeschlossen sind.

11. Fließsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturdetektor (5) eine Mehrzahl von Ausdeh nungsteilen (54), welche jeweils eine Mehrzahl von zurück kehrenden Teilen aufweisen, an einem Teil außer dem einge schlossenen Teil (55) aufweist.

12. Fließsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L₃) jedes der eingeschlossenen Teile (55) des Temperaturdetektors (5) kleiner als die Hälfte der Länge (L₂) jedes der zurückkehrenden Teile des Heizgeräts (3) ist.

13. Fließsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der zurückkehrenden Teile für jeweils einen Ausdehnungsteil (54) des Temperaturdetektors (5) größer als die Anzahl der zurückkehrenden Teile des innerhalb eines zurückkehrenden Teils des Heizkörpers (3) eingeschlossenen Temperaturdetektors ist.

14. Fließsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturdetektor eine Mehrzahl von Verbindungs teilen mit einer Länge L_l zwischen jedem eingeschlossenen Teil aufweist und die Gesamtlänge jedes Ausdehnungsteils auf L_l < L_T < 6L₁ festgelegt ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Fließsensors mit: einem Substrat (1);
einem Heizkörper (3), welcher Wärme erzeugt, auf dem Substrat gebildet ist und eine Schichtstruktur aufweist;
einem Temperaturdetektor (5, 6), welcher die Tempera tur des Fluids erfasst, auf dem Substrat gebildet ist und eine Schichtstruktur aufweist; und
einer thermischen Kopplungsschicht (10), welche auf dem Substrat an einem Teil zwischen dem Heizkörper und dem Temperaturdetektor gebildet ist und die thermische Kopplung dazwischen erhöht,
wobei das Verfahren den Schritt aufweist:
Bilden des Heizkörpers, des Temperaturdetektors und der thermischen Kopplungsschicht auf dem Substrat zur sel ben Zeit durch Bilden eines gemeinsamen Materials auf dem Substrat.

16. Verfahren zur Herstellung eines Fließsensors mit den Schritten:
Bilden einer unteren Schicht (8) auf dem Substrat (1);
Bilden einer metallischen Schicht auf der unteren Schicht;
Strukturieren der metallischen Schicht, um einen Heiz körper (3), einen Temperaturdetektor (5, 6) und eine ther mische Kopplungsschicht (10) zu bilden, welche zwischen dem Heizkörper und dem Temperaturdetektor positioniert ist;
Bilden einer oberen Schicht (9) auf dem Substrat, wel ches eine strukturierte metallische Schicht (3, 5, 6, 10) enthält; und
Bilden eines hohlen Teils (7) in dem Substrat an einem Teil unter einer Schichtstruktur der unteren Schicht, der strukturierten metallischen Schicht und der oberen Schicht.