Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen integrierten Flusssensor
zu schaffen, der auf einfache Weise hergestellt werden kann und
der einfach aufgebaut ist. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Flusssensors
zur Verfügung
zu stellen.
Diese
Aufgabe wird durch den integrierten Flusssensor zum Messen eines
Fluidflusses nach Anspruch 1 sowie durch das Herstellungsverfahren zum
Herstellen eines Flusssensors nach Anspruch 9 gelöst.
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein integrierter Flusssensor
zum Bestimmen eines Fluidflusses mit einer ersten Funktionsschicht
und einer zweiten Funktionsschicht vorgesehen. Die zweite Funktionsschicht
ist auf der ersten Funktionsschicht aufgebracht und steht mit dieser
in elektrisch leitender Verbindung. Ein Fluidkanal ist in den Funktionsschichten
angeordnet, um einen Fluidstrom zu leiten. Benachbart zum Fluidkanal
ist ein Heizbereich und ein oder mehrere Messbereiche vorgesehen.
Die erste Funktionsschicht ist im Heizbereich und im Messbereich
entweder nicht von der zweiten Funktionsschicht überdeckt oder von der darüber angeordneten
zweiten Funktionsschicht isoliert, so dass die erste Funktionsschicht
oder die zweite Funktionsschicht als Heizwiderstand oder Messwiderstand
betreibbar ist. Der Flusssensor ist so anschließbar, um einen Heizstrom durch
die erste bzw. zweite Funktionsschicht des Heizbereichs zu leiten
und/oder um einen Widerstandswert der ersten bzw. zweiten Funktionsschicht
im Messbereich zu messen, wobei der Fluidfluss abhängig von
dem gemessenen Widerstandswert bei konstanter Heizleistung oder
abhängig
von der benötigten
Heizleistung bei vorgegebenem Widerstandswert bestimmbar ist.
Der
Kern des erfindungsgemäßen Flusssensors
sind ein Heizpunkt und ein Messpunkt in einem Doppelschichtsystem,
womit es möglich
ist, eine bestimmte Menge Wärme
in eine bestimmte Stelle bzw. in einen bestimmten Bereich in der
Kanalwand des Fluidkanals einzuspeisen und über eine Widerstandsänderung
an der Messstelle bzw. an dem Messbereich eine Temperaturände rung
in dem in dem Fluidkanal vorbeiströmenden Fluidstroms festzustellen.
Heizbereich und Messbereich werden gebildet, indem der ansonsten über die
erste und zweite Funktionsschichten gebildete Stromkreis einen Abschnitt
aufweist, bei dem der Strom lediglich durch die erste Funktionsschicht
geführt
ist, die einen größeren Widerstand
aufweist. Wird ein Strom durch einen solchen Stromkreis geleitet,
erwärmt
sich die erste Funktionsschicht, da die erste Funktionsschicht in
diesem Bereich einen erhöhten
Widerstand gegenüber
dem übrigen
Stromkreis aufweist und somit ein Großteil der angelegten Spannung
dort abfällt.
Zum Messen der Temperaturänderung
des vorbeiströmenden
Fluidstroms wird an einen Stromkreis durch den Messbereich eine
Messspannung oder ein Messstrom angelegt und die Widerstandsänderung der
ersten Funktionsschicht im Messbereich gemessen.
Um
den Spannungsabfall im Heizbereich bzw. im Messbereich noch weiter
zu erhöhen,
weist die erste Funktionsschicht einen höheren Widerstand auf als die
zweite Funktionsschicht.
Vorzugsweise
wird der Heizstrom über
einen auf der Seite des Heizbereichs liegenden Wandabschnitt des
Fluidkanals geführt.
Dies hat den Vorteil, dass die Stromzuführungen zum Einspeisen des
Heizstromes mit einem leicht von extern zu kontaktierenden Abstand
in den integrierten Flusssensor vorgesehen sein können.
Vorzugsweise
ist der Widerstand durch Messen eines Messstroms bei Anlegen einer
Messspannung messbar, wobei der Messstrom über einen auf der Seite des
Messbereichs liegenden Wandabschnitts des Fluidkanals geführt ist.
Die
erste Funktionsschicht kann auf einem Substrat aufgebracht sein,
wobei die erste Funktionsschicht zumindest im Heizbereich und/oder
im Messbereich elektrisch von dem Substrat isoliert ist. Dadurch
kann vermieden werden, dass ein Teil des Heizstroms bzw. des Messstroms
im Bereich des Heiz- widerstands
bzw. Messwiderstands durch das Substrat oder das Fluid fließt.
Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die erste Funktionsschicht auf einem
Substrat aufgebracht ist, wobei die erste Funktionsschicht im Heizbereich
thermisch von dem Substrat isoliert ist. Auf diese Weise kann der
Einfluss der Substrattemperatur auf den Wärmeeintrag in den Fluidstrom
reduziert werden, da weniger Wärme
von dem Heizbereich in das Substrat abgeführt wird.
Vorzugsweise
ist der Heizstrom durch eine Kontaktfläche auf der zweiten Funktionsschicht
angelegt und/oder eine Messspannung oder ein Messstrom zum Messen
des Messwiderstands über
eine Kontaktfläche
messbar.
Der
Heizbereich und/oder der Messbereich ist vorzugsweise durch einen
Wandabschnitt des Fluidkanals gebildet, wobei die zweite Funktionsschicht des
Wandabschnitts von der mit der Kontaktfläche versehenen zweiten Funktionsschicht
isoliert ist, so dass der Heizbereich und/oder der Messbereich durch
die erste Funktionsschicht des Wandabschnitts gebildet ist. Auf
diese Weise wird anstelle eines Heizpunkts an der Wand des Fluidkanals
ein Wandabschnitt zum Erwärmen
des Fluidstroms vorgesehen. So kann vorgesehen sein, dass der Messbereich
durch einen weiteren Wandabschnitt des Fluidkanals gebildet ist.
Der weitere Wandabschnitt wird durch den Heizbereich erwärmten Fluidstrom
ebenfalls erwärmt,
was zu einer Widerstandsänderung des
Wandabschnitts führt,
aus der sich der Fluss des Fluidstroms ermitteln lässt.
Um
keine elektrische Wechselwirkung zwischen dem in dem Fluidkanal
geführten
Fluid und dem Heizbereich bzw. dem Messbereich hervorzurufen, ist
die Innenwand des Wandabschnitts des Fluidkanals vorzugsweise mit
einer elektrischen Isolationsschicht versehen.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Herstellen eines Flusssensors vorgesehen. Dazu wird zunächst auf
ein Substrat eine Opferschicht mit Ausnahme im Bereich von Wänden eines
Fluidkanals des Flusssensors aufgebracht. Anschließend wird
eine erste Funktionsschicht aufgebracht, auf die eine Ätzstopschicht
abgeschieden wird. Die Ätzstopschicht
wird zum Definieren eines Heizbereichs und eines Messbereichs des
Flusssensors strukturiert. Darauf wird eine zweite Funktionsschicht
aufgebracht, auf die Kontaktierungsflächen zum elektrischen Anschließen von
Heizbereich und Messbereich aufgebracht werden. Anschließend werden
die Kontaktierungsflächen
und die Kanalwände
des Fluidkanals so maskiert, dass sie von einem nachfolgenden Tiefenätzschritt
nicht angegriffen werden. Der Tiefenätzschritt ätzt die Funktionsschichten,
so dass die Opferschicht freigelegt wird.
Es
kann vorgesehen sein, dass die so freigelegte Opferschicht durch
ein Opferschichtätzverfahren
entfernt wird, so dass im Heizbereich und im Messbereich die Opferschicht
unter der ersten Funktionsschicht entfernt wird und so ein Zwischenraum für eine thermische
bzw. elektrische Isolierung zwischen dem Substrat und der ersten
Funktionsschicht im Heizbereich bzw. im Messbereich geschaffen wird.
Es
kann weiterhin vorgesehen sein, dass nach dem Strukturieren der Ätzstopschicht
eine weitere Opferschicht aufgebracht wird, um einen Wandabschnitt
in der Wand des Fluidkanals zu definieren, der als Heizbereich oder
als Messbereich ausgebildet wird. Die weitere Opferschicht ist so
gestaltet, um bei dem Opferschichtätzverfahren entfernt zu werden,
so dass die erste und die zweite Funktionsschicht des Wandabschnitts
voneinander elektrisch isoliert werden. Dies ermöglicht es, einen Wandabschnitt
in der Wand des Fluidkanals zu definieren, der als Heizbereich oder
als Messbereich dient.
Um
die Beeinflussung des Fluidstroms durch angelegte Ströme bzw.
Spannungen möglichst
gering zu halten, kann vorgesehen sein, dass der Wandabschnitt der
Wand des Fluidkanals mit einer Isolationsschicht versehen wird.
Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
1a einen
Querschnitt auf einen Flusssensor gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
1b eine
Draufsicht auf den Flusssensor nach 1a;
2a–e eine
Veranschaulichung des Herstellungsverfahrens des Flusssensors nach 1;
3 einen
Querschnitt und eine Draufsicht eines Flusssensors gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
4 einen
Querschnitt und eine Draufsicht auf einen Flusssensor gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
5a–f eine
Veranschaulichung des Herstellungsverfahrens des Flusssensors gemäß der Ausführungsform
nach 4;
6 eine
Draufsicht auf einen Flusssensor gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
7 eine
Draufsicht auf einen Flusssensor mit Referenztemperaturfühlern gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
8 eine
Draufsicht auf einen Flusssensor für Fluidstrommessungen in zwei
Strömungsrichtungen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
In 1a ist
ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Flusssensor dargestellt.
Die 1b zeigt in einer Draufsicht die Schnittlinie
B-B', die der Schnittansicht
der 1a entspricht. Der Flusssensor 1 ist
auf einem Substrat 2 angeordnet und weist einen Fluidkanal 3 auf,
der zwischen einer ersten Wand 4 und einer zweiten Wand 5 angeordnet ist.
Die erste und die zweite Wand 4, 5 sind mit einer ersten
Funkti onsschicht 6 und mit einer zweiten auf der ersten
Funktionsschicht 6 aufgebrachten zweiten Funktionsschicht 7 gebildet.
Wie aus der Draufsicht der 1b zu
erkennen, weist der Flusssensor 1 einen Heizbereich 8 und
einen Messbereich 9 auf, wobei der Heizbereich 8 bezüglich der
Flussrichtung durch den Fluidkanal 3 flussaufwärts zum
Messbereich eingeordnet ist. Die Schnittansicht betrifft den Messbereich 9,
wobei der Messbereich 9 durch einen Bereich der ersten
Funktionsschicht 6 gebildet wird, der von dem Substrat 2 durch
einen Zwischenraum isoliert ist und in dem die zweite Funktionsschicht 7 entfernt
ist.
Der
in den 1a und 1b dargestellte Flusssensor
funktioniert nach dem Heizpunktverfahren, bei dem in einer ersten
Variante eine stromaufwärts
eines Fluidstroms angebrachte Wärmequelle den
Fluidstrom oder einen Teil des Fluidstroms erwärmt und mit Hilfe eines Temperatursensors
die Erwärmung
des Fluidstroms gemessen wird. Der Grad der Erwärmung hängt von der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluidstroms ab, so dass über
die gemessene Temperatur des Fluidstroms auf die Strömungsgeschwindigkeit
geschlossen werden kann. Gemäß einer
zweiten Variante des Heizpunktverfahrens wird die mit Hilfe des
Temperatursensors gemessene Erwärmung
konstant gehalten und die Heizleistung bestimmt die zum Erreichen
der konstant gehaltenen Temperatur benötigt wird. Die benötigte Heizleistung ist
dann abhängig
von dem Fluidstrom. Zudem ist es möglich, dass bei dem Heizpunktverfahren
Wärmequelle
und Temperatursensor thermisch miteinander gekoppelt sind, wobei
die in der Wärmequelle
erzeugte Wärme
durch den Fluidstrom abhängig
von seiner Strömungsgeschwindigkeit
abgeführt
wird, so dass an dem Temperatursensor eine von der Wärmeabführung abhängige Temperaturänderung
auftritt.
Gemäß der ersten
Variante des Messverfahrens wird mit Hilfe des Heizbereichs 8 ein
Teil der Wand des Fluidkanals an einem Heizpunkt erwärmt und
somit Wärme
in den Fluidstrom eingebracht. Aufgrund des Durchströmens des
Fluids durch den Flu idkanal fließt das erwärmte Fluid an dem flussabwärts angeordneten
Messbereich 9 vorbei, so dass dieser erwärmt wird,
wodurch sich der Widerstand des Messbereich 9 ändert, was
durch einen geeigneten Messstrom bzw. eine geeignete Messspannung detektiert
werden kann.
In
der Draufsicht der 1b sind eine erste Kontaktfläche 10,
eine zweite Kontaktfläche 11 und eine
dritte Kontaktfläche 12 dargestellt.
Die Erwärmung
des Heizbereichs 8 erfolgt durch Anlagen eines Heizstroms
zwischen der ersten und zweiten Kontaktfläche 10, 11 und
das Detektieren der Widerstandsänderung
des Messbereichs 9 erfolgt durch Anlegen eines Messstroms
bzw. einer Messspannung zwischen der zweiten und dritten Kontaktfläche 11, 12 und
durch Messen der resultierenden Spannung bzw. des resultierenden
Stroms.
Der
Heizstrom fließt über die
erste Kontaktfläche 10,
die auf einem Kontaktbereich 13 aufgebracht ist, in den
Heizbereich 8. Der Kontaktbereich 13 ist ein Bereich,
der durch die erste und zweite Funktionsschicht 6, 7 gebildet
ist und mit dem Heizbereich 8, der lediglich durch die
erste Funktionsschicht gebildet ist, in Verbindung steht, indem
sich der erste Funktionsbereich durch den Kontaktbereich und durch
den Heizbereich 8 erstreckt. Der Heizstrom fließt dann
weiter über
einen Wandabschnitt des Fluidkanals zu einem weiteren Kontaktbereich 14,
auf dem die zweite Kontaktfläche 11 aufgebracht ist.
Somit wird ein Heizstromkreis gebildet, bei dem der größte Spannungsabfall
in dem Heizbereich 8 hervorgerufen wird, da dort der Querschnitt
der stromführenden
ersten Funktionsschicht geringer ist als der Querschnitt der ansonsten
gemeinsam stromführenden
ersten und zweiten Funktionsschichten 6, 7 des
Wandabschnitts des Fluidkanals 3 und der Kontaktbereiche 13, 14.
Um
den Anteil der über
dem Heizbereich 8 abfallenden Spannung noch weiter zu erhöhen, wird die
zweite Funktionsschicht 7 vorzugsweise hochdotiert, um
sie hoch leitfähig
zu machen und die erste Funktionsschicht 6 möglichst
niedrig dotiert belassen, damit diese hochohmig ist.
Vorzugsweise
wird die erste und/oder zweite Funktionsschicht 6, 7 mit
Hilfe eines epitaktischen Verfahrens als Epitaxieschicht aufgebracht.
Die erste Funktionsschicht 6 weist dazu häufig eine
erste Startschicht auf, auf die die epitaktische Schicht als erste Funktionsschicht 6 aufgebracht
wird. Die zweite Funktionsschicht 7 wird auf einer auf
der ersten Funktionsschicht 6 aufgebrachten zweiten Startschicht 16 ebenfalls
epitaktisch aufgebracht. Vorzugsweise sind die erste und die zweite
Funktionsschicht 6, 7 als polykristalline Siliziumschichten
ausgebildet.
Nach
der Strukturierung des Flusssensors wird die auf dem Substrat 2 gebildete
Flusssensorstruktur mit Hilfe einer ebenen Platte 19, insbesondere
einer Glasplatte abgedeckt, um den Flusssensor 1 zu bilden.
In
den 2a–2e ist
das Herstellungsverfahren eines solchen Flusssensors 1 dargestellt. In 2a ist
dargestellt, dass auf dem Substrat 2, vorzugsweise einem
Siliziumsubstrat, eine Opferschicht 18 ganzflächig aufgebracht
wird und anschließend
so strukturiert wird, dass lediglich die Stellen, an denen die Kanalwände 4, 5 des
zu bildenden Fluidkanals 3 gebildet werden sollen, ausgespart werden.
Darauf wird die erste Funktionsschicht 6 epitaktisch aufgebracht,
vorzugsweise unter Verwendung einer ersten Startschicht 61 und
einer polykristallinen Epitaxieschicht 62. Darauf wird
eine Ätzstopschicht 17,
vorzugsweise nach einem Planarisieren der ersten Funktionsschicht 6 aufgebracht
und so strukturiert, dass diese lediglich im Heizbereich 8 und im
Messbereich 9 verbleibt. Dies ist in 2b dargestellt.
In 2c ist
dargestellt, dass mit Hilfe einer zweiten Startschicht 71 und
einer polykristallienen Epitaxierschicht 72 die zweite
Funktionsschicht 7 flächig
aufgebracht wird. Um den Widerstand der elektrischen Verbindung
zwischen der ersten Funktionsschicht und der zweiten Funktionsschicht
zu verringern, ist zumindest nahe dem Grenzbereich zur ersten Funktionsschicht 6 eine
geeignete Dotierung eingebracht, die sich bei einem nachfolgenden
Wärmeprozess
durch Diffusion in die erste Funktionsschicht 6 erstrecken
kann. Die zweite Funktionsschicht 7 wird in Bereichen der
Kontaktflächen 10, 11, 12 metallisiert
und anschließend
mit Hilfe einer Lackmaske mit einer Maskierung für einen nachfolgenden Tiefenätzschritt
versehen, die die Kontaktbereiche 13, 14 mit ihren
aufgebrachten Kontaktflächen 10, 11, 12 und
die Kanalwände 4, 5 vor
einem Ätzangriff schützt.
Das
Ergebnis des nachfolgenden Tiefenätzschritts ist in 2d dargestellt.
Man erkennt, dass die Ätzstoppschicht 17 in
dem nicht durch die Lackmaske maskierten Bereichen und die Opferschicht 18 in
den nicht durch die Ätzstopschicht 17 abgedeckten
Bereichen freigelegt ist. In der Schnittansicht entlang der Schnittlinie
A-A' der 2d erkennt
man, dass im Heizbereich 8 und im Messbereich 9 lediglich die
erste Funktionsschicht verblieben ist, da diese durch die Ätzstopschicht 17 geschützt ist.
Durch nachfolgendes selektives Ätzen
der Opferschicht 18 können
die ersten Funktionsschichten 6 im Heizbereich 8 bzw.
im Messbereich 9 von dem Substrat freigestellt werden,
so dass eine elektrische wie auch thermische Isolierung zum Substrat 2 hin
in Form eines Zwischenraums erfolgt.
Durch
Deckeln der so erzeugten Struktur kann der Fluidkanal verschlossen
werden, so dass der Flusssensor gebildet wird. Vorzugsweise wird
die Flusssensorstruktur mit der ebenen Platte 19 aus geeignetem
Glas oder ähnlichem
versehen. Die Platte 19 weist vorzugsweise im Bereich der
Kontaktflächen 10, 11, 12 Öffnungen
auf, so dass die Kontaktflächen zum
Kontaktieren von außen
zugänglich
sind.
In 3 ist
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Flusssensors
dargestellt. Um den durch den Wandabschnitt geleiteten Strom möglichst
gering zu halten, sind Kontaktflächen
zur Ansteuerung des Heizbereichs 8 und/oder Messbereichs 9 möglichst
dicht nebeneinander angeordnet und der Strom seitlich herausgeführt wird
und über die
zweite Funktionsschicht 7 geleitet wird, damit die Wärme nur
in Wandnähe
in der ersten Funktionsschicht 6 erzeugt wird. Die erste
Funktionsschicht 6 ist dann so angeordnet, dass sie ausgehend
von dem Kontaktbereich 13 einen seitlich versetzten Arm 16 der
ersten Funktionsschicht 6 aufweist, der mit dem benachbarten
weiteren Kontaktbereich 14 in Verbindung steht.
Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass das Zuleiten des Stroms über eine
hochdotierte Schicht im Substrat 2 oder in einer weiteren
Funktionsschicht erfolgen kann, in dem z.B. ein isolierte Leiterbahn
angeordnet ist.
In 4 ist
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Flusssensors
dargestellt. Dabei wird zwischen zwei Kontaktbereichen 20, 21, über denen
der Heiz- bzw. Messstrom angelegt wird, ein Wandabschnitt 22 des
Fluidkanals angeordnet, der als Heizbereich 8 bzw. als
Messbereich 9 dient. Der Wandabschnitt 22 wird
ebenso wie in der vorhergehenden Ausführungsform durch die erste
und zweite Funktionsschicht 6, 7 gebildet, wobei
jedoch die erste Funktionsschicht 6 nicht in elektrisch
leitender Verbindung mit dem Substrat bzw. mit der zweiten Funktionsschicht 7 steht.
Die Kontaktbereiche 20, 21 stehen also lediglich
mit der ersten Funktionsschicht 6 im Bereich des Wandabschnitts 22 in
leitender Verbindung. Durch die Querschnittsverengung und/oder durch
eine geeignete Doteirung bildet der Wandabschnitt 22 den
Bereich des größten Widerstands
in dem zwischen den Kontaktbereichen 20, 21 bestehenden
Stromzweig, so dass die größte Spannung
im Falle eines Heizbereichs 8 über den Wandabschnitt 22 abfällt und
die Wärmeentwicklung im
Wandabschnitt 22 erfolgt.
Dient
der Wandabschnitt 22 als Messbereich 9, so wird
durch eine Temperaturänderung
des vorbeiströmenden
Fluids eine Widerstandsänderung hervorgerufen,
was sich durch einen sich ändernden Spannungsabfall über dem
Wandabschnitt 22 bemerkbar macht. Wenn die elektrische
und thermische Isolierung der ersten Funktionsschicht 6 im
Bereich des Wandabschnitts 22 durch Wegätzen einer Opferschicht erfolgt,
werden somit in dem entsprechenden Bandabschnitt für den Fluidkanal 3 Öffnungen
gebildet, in die das Fluid eindringen kann. Daher ist es notwendig,
die Kanalwände
des Fluidkanals 3 mit einer Isolationsschicht 23 zu
versehen, die den Fluidkanal 3, insbesondere im Bereich
des Wandabschnitts 22 abdichtet und elektrisch isoliert.
In
den 5a–5f ist
das Verfahren zur Herstellung eines Flusssensors gemäß der Ausführungsform
nach 4 dargestellt. Auf ein Substrat 30, z.B.
ein Halbleiterwafer (Silizium) wird eine Opferschicht 31 geeigneter
Dicke aufgebracht. Die Opferschicht 31 weist beispielsweise
Siliziumdioxid SiO2 auf. Die Opferschicht 31 dient
zum Herstellen sowohl einer elektrischen Isolierung der Kontakte
voneinander, damit der Strom über
die Kanalwand fließt,
als auch zur Herstellung einer thermischen Isolierung, um einen
Wärmeverlust
in das Substrat zu verringern. Die Opferschicht 31 wird
strukturiert, indem sie im Bereich der Kanalwände 4, 5 entfernt
wird, lediglich im Bereich des Wandabschnitts 22 verbleibt
die Opferschicht 31 unter der Kanalwand 5. Gemäß 5b wird
auf diese Opferschicht eine 31 nun eine hochohmige erste
Funktionsschicht vorzugsweise in Form einer Epipolyschicht mit einer
Startschicht 32 und einer polykristallinen Epitaxieschicht 33 aufgebracht.
Nach dem Aufbringen kann die erste Funktionsschicht 33 planarisiert
werden.
Auf
die erste Funktionsschicht 6 wird eine Ätzstopschicht 34,
z.B. Siliziumdioxid aufgebracht und so strukturiert, dass der gesamte
Widerstandsbereich, d. h. der Heizbereich 8 oder der Messbereich 9 durch
die Ätzstopschicht 34 überdeckt
ist. Sie wird für
die elektrische und thermische Isolierung des Heizbereichs 8 bzw.
des Messbereichs 9 gegenüber einer darauf aufgebrachten
zweiten Funktionsschicht 7 sowie als Ätzstopschicht 34 für Zuleitungsbereiche verwendet.
Auf
die so erzeugte Schichtenfolge wird nun eine zweite Funktionsschicht 7 ebenfalls
in Form einer Epi-Polischicht mit einer zweiten Startschicht 35 und
einer zweiten Schicht aus polykristallinem Epitaxiematerial 36 aufgebracht.
Die zweite Funktionsschicht 7 wird so dotiert, dass sie
den Strom gut leitet.
Auf
diese Schicht wird anschließend
eine Metallisierung aufgebracht und so strukturiert, dass die Kontaktflächen 37, 38 auf
den Kontaktbereichen 39, 40 gebildet werden. Über die
Kontaktflächen 37, 38 kann
durch Drahtbonden der spätere
elektrische Anschluss zu dem Heizbereich 8 bzw. zu dem
Messbereich 9 hergestellt werden.
Anschließend wird
auf das gesamte Schichtsystem eine Lackmaske 41 aufgebracht,
die so strukturiert ist, dass die Kontaktflächen 37, 38,
die Kontaktbereiche 39, 40 und die Kanalwände 4, 5 gegenüber einem
nachfolgenden Tiefenätzschritt
geschützt sind.
Nachfolgend
werden die beiden Funktionsschichten 6, 7 mit
einem geeigneten Ätzverfahren, z.B.
DRIE o.ä.
geätzt,
so dass die Struktur der 5d verbleibt.
Der Ätzprozess
für die
beiden Funktionsschichten 6, 7 endet an der Opferschicht 31 bzw.
an der Ätzstopschicht 34,
die durch ein nachfolgendes Opferschichtätzverfahren, beispielsweise Gasphasen-
oder BOE-Ätzen entfernt
werden. Dadurch wird die erste Funktionsschicht 6 im Wandabschnitt 22 freigestellt,
wie in 5e dargestellt ist. Die erste
und zweite Funktionsschicht 6, 7 des Wandabschnitts 22 werden
lediglich durch die Bereiche der Kanalwand 4 gehalten,
deren erste und zweite Funktionsschicht 6, 7 nicht
durch die Ätzstopschicht 34 bzw.
Opferschicht voneinander getrennt sind.
Um
eine Ausfließen
des Fluids durch die so gebildeten Öffnungen in dem Wandabschnitt
zu verhindern, müssen
diese verschlossen werden. Hierzu wird eine Isolationsschicht 23 abgeschieden,
mit der die Öffnungen
verschlossen werden. Damit durch die Isolationsschicht 23 das
anodische Bonden der Platte 19 zum Verschließen der
Flusssensorstruktur nicht behindert wird, kann vorgesehen sein,
dass die Isolationsschicht 23 auf den oberen horizontalen
Flächen wieder
zurück
geätzt
wird, so dass nur die vertikalen Flächen bedeckt bleiben.
Durch
anschließendes
Deckeln der Flusssensorstruktur (z.B. durch anodisches Bonden mit geeignet
strukturiertem Glas, das Kontaktlöcher im Bereich der Kontaktflächen aufweist)
wird das Bauelement funktional, so dass ein Fluid durch den so gebildeten
geschlossenen Fluidkanal am lateralen Flusssensor vorbeigeführt werden
kann.
Über die
hochdotierte zweite Funktionsschicht 7 wird der Strom von
den Kontaktflächen 37, 38 zu
dem Heiz- bzw. Messwiderstand geleitet, der in der niedrig dotierten
(hochohmigen) ersten Funktionsschicht 6 des Wandabschnitts 22 umfasst
ist. Im Gegensatz zur Ausführungsform
der 1 fällt die Spannung nicht nur
auf einem kurzen Abschnitt vor der Kanalwand ab, sondern über den
gesamten Bereich des Wandabschnitts 22. Im Falle des Heizbereichs 8 wird
so die Wärme
direkt am Fluid auf einer größeren Fläche erzeugt.
Der Messbereich 9 hat ebenfalls eine größere Fläche zur Verfügung, um
die Temperatur des Fluids zu messen, wobei die Empfindlichkeit erhöht werden
kann.
In 6 befinden
sich ein Heizbereich 45 und ein Messbereich 46 auf
verschiedenen Seiten des Fluidkanals, so dass die gemessene Temperaturänderung
abhängig
von der Diffusionsgeschwindigkeit im Fluid quer zur Flussrichtung
und der Flussgeschwindigkeit des Fluids ist. Je schneller das Fluid strömt, desto
stärker
wird das gemessene Signal, bis schließlich die Diffusionsgeschwindigkeit
nicht mehr schnell genug ist, die Wärme quer durch den Kanal zu
transportieren. Bei einer solchen Auslegung darf die maximale Strömungsgeschwindigkeit
einen bestimmten Wert nicht übersteigen.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass es in der Wand
vom Heizzum Messbereich keine Wärmeleitung
gibt, so dass der Wärmetransport
ausschließlich
in dem Fluid stattfindet.
In 7 befinden
sich Messbereich und Heizbereich auf der gleichen Seite der Kanalwand. Bei
dieser Ausführungsform
wird die Wärme
nicht nur durch das Fluid transportiert, sondern auch durch das Material,
d. h. die Funktionsschichten der Kanalwand. Der Heizbereich 45 ist
flussabwärts
bezüglich des
Messbereichs 46 angeordnet. Je schneller das Fluid durch
den Fluidkanal 3 strömt,
desto mehr Wärme
wird vom Fluid abtransportiert, bevor sie den Messwiderstand über die
Wärmeleitung
in der Wand ändern
kann. Die Temperatur im Messbereich sinkt entsprechend. Über einen
Referenzmessbereich 47, der mit der gleichen Empfindlichkeit,
insbesondere mit den gleichen geometrischen Abmessungen wie der
Messbereich ausgebildet ist, kann die Umgebungstemperatur festgestellt
werden. Alternativ kann auch eine Dreifachanordnung mit zwei Messbereichen
und einem zwischen den beiden Messbereichen angeordneten Heizbereich
realisiert werden, wobei die Messwerte der beiden Messbereiche ausgewertet
werden. Dadurch können
Fluidströme
in beide Richtungen des Fluidkanals detektiert werden.
In 8 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Flusssensors
dargestellt, bei dem die in 1 beschriebene
Flusssensorstruktur auf der gegenüberliegenden Seite der Kanalwand ebenfalls
angebracht wird, jedoch so, dass ein Fluidstrom in entgegengesetzter
Richtung gemessen werden kann.