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Die Erfindung betrifft einen integrierten Flusssensor zum Messen eines Fluidflusses durch ein integriertes Bauelement. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Flusssensors.
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Aus
WO 01/40738 A1 ist eine mikrofluidische Sensorvorrichtung bekannt, wobei mittels eines neben einem Mikrokanal angeordneten Sensors über eine Temperatur des Sensors oder eines durch den Mikrokanal fließenden Fluids auf eine Flussrate des Fluids und auf Gasblasen und Partikeln in dem Fluid rückgeschlossen werden kann.
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Aus
DE 44 39 222 A1 ist ein Massenflusssensor für Fluide bekannt, wobei der Sensor außerhalb eines Strömungskanals angeordnet ist und wobei mittels eines Heizwiderstands des Sensors auf einen Massen- oder Volumenstrom im Strömungskanal rückgeschlossen werden kann.
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In der Mikrofluidik ist es neben Transport und Verarbeitung geringer Mengen gasförmiger oder flüssiger Stoffe, sogenannte Fluide, notwendig, beförderte Stoffmengen möglichst genau und möglichst störungsfrei zu bestimmen. Dies erfolgt üblicherweise durch das Messen eines Fluidflusses. Die geringe Größe der Bauelemente erfordert jedoch andere Ansätze als in klassischen Aufbauten. Bei Flusssensoren, die beispielsweise als Varianten des Heizdrahtverfahrens ausgeführt werden, können sich Kurzschlüsse oder Interaktionen mit leitenden Flüssigkeiten ergeben, wenn keine ausreichende Passivierung aufgebracht worden ist.
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Das Heizdrahtverfahren misst den Fluss eines Fluids durch gezielte Erwärmung an einer Stelle und eine Messung der Erwärmung des Fluids an einem flussabwärts angeordneten Temperatursensor, wobei sich aus der bei dem Temperatursensor gemessenen Temperatur des Fluides die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bestimmen lässt.
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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.
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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.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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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.
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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 Temperaturänderung 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.
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Um den Spannungsabfall im Heizbereich bzw. im Messbereich noch weiter zu erhöhen, weist die erste Funktionsschicht einen höheren Widerstand auf als die zweite Funktionsschicht.
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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.
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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.
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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 Heizwiderstands bzw. Messwiderstands durch das Substrat oder das Fluid fließt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a einen Querschnitt auf einen Flusssensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1b eine Draufsicht auf den Flusssensor nach 1a;
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2a–e eine Veranschaulichung des Herstellungsverfahrens des Flusssensors nach 1;
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3 einen Querschnitt und eine Draufsicht eines Flusssensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 einen Querschnitt und eine Draufsicht auf einen Flusssensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5a–f eine Veranschaulichung des Herstellungsverfahrens des Flusssensors gemäß der Ausführungsform nach 4;
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6 eine Draufsicht auf einen Flusssensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Draufsicht auf einen Flusssensor mit Referenztemperaturfühlern gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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8 eine Draufsicht auf einen Flusssensor für Fluidstrommessungen in zwei Strömungsrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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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 Funktionsschicht 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.
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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.
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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 Fluidkanal 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In den 2a–2f 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Heiz- zum Messbereich keine Wärmeleitung gibt, so dass der Wärmetransport ausschließlich in dem Fluid stattfindet.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flusssensor
- 2
- Substrat
- 3
- Fluidkanal
- 4
- Kanalwand
- 5
- Kanalwand
- 6
- erste Funktionsschicht
- 7
- zweite Funktionsschicht
- 8
- Heizbereich
- 9
- Messbereich
- 10
- erste Kontaktfläche
- 11
- zweite Kontaktfläche
- 12
- dritte Kontaktfläche
- 13
- Kontaktbereich
- 14
- weiterer Kontaktbereich
- 16
- seitlich versetzter Arm der ersten Funktionsschicht
- 17
- Ätzstoppschicht
- 18
- Opferschicht
- 19
- ebene Platte
- 20
- Kontaktbereiche
- 21
- Kontaktbereiche
- 22
- Wandabschnitt
- 23
- Isolierschicht
- 30
- Substrat
- 31
- Opferschicht
- 32
- erste Startschicht
- 33
- erste polykristalline Epitaxieschicht
- 34
- Ätzstoppschicht
- 35
- zweite Startschicht
- 36
- zweite polykristalline Epitaxieschicht
- 37
- Kontaktflächen
- 38
- Kontaktflächen
- 39
- Kontaktbereiche
- 40
- Kontaktbereiche
- 41
- Lackmaske
- 61
- Startschicht
- 62
- Epi-Polyschicht
- 71
- Startschicht
- 72
- Epi-Polyschicht
