DE102012223210B3 - Thermische Sensorvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine thermische Sensorvorrichtung weist eine Membran auf, auf der ein thermisches Element angeordnet ist. Die Membran ist durch ein Aerogel mechanisch verstärkt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermische Sensorvorrichtung und insbesondere eine thermische Sensorvorrichtung, bei der ein thermisches Element auf einer Membran angeordnet ist.
  • Es sind thermische Sensoren, beispielsweise thermische Strömungssensoren bekannt, bei denen ein thermisches Element, beispielsweise ein Heizelement, auf einer Membran angeordnet ist. Beispielsweise können thermische Strömungssensoren eine sehr dünne Siliziumnitrid-Membran aufweisen, wobei in der Membranmitte ein Heizelement angeordnet ist, das sich zwischen zwei im äußeren Membranbereich angeordneten Temperatursensoren befindet. Die Membran kann eine Fläche von mehr als 1 mm2 und eine Dicke von ca. 1 μm aufweisen. Somit sind das Heizelement und die Temperatursensoren aufgrund der geringen Dicke der Membran thermisch entkoppelt. Passivierungsschichten aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid können vorgesehen sein, um die Anordnung gegen Medieneinflüsse zu schützen.
  • Eine schematische Darstellung eines entsprechenden Strömungssensors mit einem Heizelement HZ und zwei Temperatursensorelementen TPv und TPn die auf einer dünnen Membran angeordnet sind, ist in den 4a und 4b gezeigt. Das Heizelement kann beispielsweise durch einen mäanderförmigen Leiter gebildet sein, der im Betrieb eine thermische Verteilung, wie sie in 4a gezeigt ist, bewirken kann, wenn sich ein ruhendes Fluid in einem über der Membran angeordneten Strömungskanal befindet. Die Situation, wenn der Kanal von einem strömenden Fluid durchflossen wird, ist in 4b gezeigt, wobei sich eine entsprechende thermische Verschiebung der Temperaturverteilung ergibt. Diese Verschiebung kann durch die Temperatursensorelemente TPv, und TPn erfasst werden, was wiederum einen Rückschluss auf die Strömung des Fluids in dem Kanal ermöglicht.
  • Im Bereich mikrotechnisch hergestellter Sensoren müssen die entsprechenden Elemente, beispielsweise Sensorelemente und/oder Heizelemente, vom Substrat thermisch entkoppelt und isoliert werden. Typischerweise wird dies durch selektives Abdünnen des Substrats an der Stelle des oder der entsprechenden Elemente erreicht, so dass sich diese letztlich auf einer dünnen Membran befinden. Die Dicke der Membran kann im Bereich 100 nm bis einigen Mikrometern liegen.
  • Derartige mikrotechnisch hergestellte dünne Membrane, beispielsweise aus Silizium (Si), Siliziumnitrid (SiN) oder Siliziumoxid (SiO2) sind prinzipiell stabil gegenüber stetigen Druckänderungen bis zu mehreren bar. Allerdings kann es hierbei zu Verformungen der Membrane kommen, wobei bei plötzlichen Druckstößen insbesondere im Zusammenhang mit Flüssigkeiten die Membran sogar brechen kann.
  • Eine Möglichkeit, um solchen Effekten vorzubeugen, könnte darin bestehen, die Sensormembran prinzipiell dicker auszuführen, was jedoch gleichzeitig zu einer Verringerung der thermischen Empfindlichkeit sowie einer Erhöhung der thermischen Kapazität führt, was die Sensoreigenschaft negativ beeinflusst.
  • Im Bereich der Mikrosystemtechnik beziehungsweise Siliziumtechnik wird ungefähr seit dem Jahr 1995 mit der Abscheidung von Dünnfilm-Aerogelen experimentiert. Diesbezüglich kann beispielsweise auf H. Chang, R. He, J.-A. Paik, P. R. Patterson, C.-J. Kim, B. Dunn, M. C. Wu, „Aerogel MEMS”, Proc. Annual Conference Society for Experimental Mechanics (2003); S. S. Prakash, C. J. Brinker, A. J. Hurd, S. M. Rao, „Silica aerogel films prepared at ambient pressure by using surface derivatization to induce reversible drying shrinkage”, Nature 274 (1995) 439–443; und R. Yokokawa, J.-A. Paik, B. Dunn, N. Kitazawa, H. Kotera, C.-J. Kim, „Mechanical properties of aerogel-like thin films used for MEMS”, Journal of Micromechanics and Microengineering 14 (2004) 681–686, verwiesen werden.
  • Aerogele lassen sich dabei mit den klassischen Strukturierungsverfahren der Siliziumtechnik, beispielsweise Photolithographie und Ätzen, bearbeiten. Hierbei ist zu beachten, dass das Aerogel bei ca. 400° ausgeheizt werden muss und sich das Aerogel während der Prozessierung mit Photolack vollsaugen kann, siehe H. Chang, R. He, J.-A. Paik, P. R. Patterson, C.-J. Kim, B. Dunn, M. C. Wu, „Aerogel MEMS”, Proc. Annual Conference Society for Experimental Mechanics (2003). Bisher wurden auf Basis von dünnen Aerogel-Schichten beispielsweise ungekühlte Infrarotdetektoren, siehe J. A. Ruffner, P. G. Clem, B. A. Tuttle, C. J. Brinker, C. S. Sriram, J. A. Bullington, „Uncooled thin film infrared imaging device with aerogel thermal isolation: deposition and planarization techniques”, Thin Solid Films 332 (1998) 356–361, und Feuchtigkeitssensoren, siehe P. Ruther, M. Burg, C. Steinert, O. Paul, „Humidity Micro Sensors using silica aerogel thin films”, Proc. Eurosensors XIV, Kopenhagen, Dänemark (Aug. 27–30, 2000) 79–82; und C.-T. Wang, C.-L. Wu, I-C. Chen, Y.-Hsiao Huang, „Humidity sensors based an silica nanoparticle aerogel thin films”, Sensors and Actuators B 107 (2005) 402–410, hergestellt.
  • Eine Sensorvorrichtung, bei der unterhalb einer Membran Hohlräume zur thermischen Isolation vorgesehen sind, ist aus der WO 2007/034240 A2 bekannt. Die Hohlräume können mit einem Material geringer Dichte, wie z. B. einem Aerogel, gefüllt sein.
  • Die US 2012/0219760 A1 offenbart ein Verfahren zum Liefern einer Isolation zwischen Komponenten, wobei eine Aerogel-Schicht in Kontakt mit den Komponenten und zwischen den Komponenten und einer Basisschicht vorgesehen wird.
  • Ein Flusssensor, bei dem ein Heizelement und zwei Temperaturfühler in einer Membran angeordnet sind, ist in der DE 10 2005 023 377 A1 offenbart. Eine Hinterfüllung für die Membran ist vorgesehen.
  • Die DE 100 84 999 T1 offenbart eine Peltier-Element zum Kühlen eines aktiven Sensors.
  • Die DE 102 11 551 A1 zeigt einen Flusssensor, bei dem ein Halbleiterbaustein von einem Kanal durch ein thermisch leitfähiges Substrat getrennt ist.
  • Die US 2012/0180563 A1 offenbart einen Sensor, bei dem ein Heizelement und zwei Temperaturfühler auf einer Membran angeordnet sind, wobei eine thermische Isolation auf einem Substrat durch Dünnfilme mit geringer thermischer Leitfähigkeit, wie z. B. Aerogelen, erreicht werden kann.
  • Die DE 201 22 320 U1 zeigt einen Flusssensor, bei dem ein Halbleiterbaustein des Sensors auf einer Außenseite eines Rohrstücks angeordnet ist, wobei ein Temperatursensor und eine Wärmequelle mit der Außenseite des Rohrstücks in Kontakt stehen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine zuverlässige und genaue thermische Sensorvorrichtung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine thermische Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine thermische Sensorvorrichtung mit einer Membran, auf der ein thermisches Element angeordnet ist, wobei die Membran durch ein Aerogel mechanisch verstärkt ist und einem Trägersubstrat, das eine Ausnehmung aufweist, über der die Membran angeordnet ist. Die Ausnehmung ist ein Teil von Fluidikstrukturen, die konfiguriert sind, um ein Fluid in thermischen Kontakt mit der Membran und/oder dem thermischen Element zu bringen, wobei die Fluidikstrukturen einen Fluidkanal aufweisen, der eine Fluidströmung an der Membran vorbei ermöglicht. Das Aerogel ist auf einer von dem Trägersubstrat abgewandten Seite der Membran auf der Membran angeordnet.
  • Das thermische Element ist auf der Membran angeordnet, um das thermische Element von anderen Elementen bzw. einem Substrat thermisch zu entkoppeln. Das Aerogel, beispielsweise ein Silikat-Aerogel, stellt ein Material dar, das einerseits mechanisch stabil ist und gleichzeitig thermische Eigenschaften ähnlich denen von Luft besitzt. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung die Beibehaltung von Sensoreigenschaften, wie sie ohne eine entsprechende Verstärkung erhalten werden würden. Die Membran kann somit trotz der Aerogelverstärkung konfiguriert sein, um das thermische Element thermisch von anderen Elementen, wie z. B. einem Substrat oder anderen thermischen Elementen, zu entkoppeln.
  • Durch das Verstärken der Membran mit dem Aerogel kann eine Verformung der Membran bei Druckänderungen vermieden werden, wodurch die Genauigkeit der thermischen Sensorvorrichtung erhöht sein. Ferner kann auch bei plötzlichen Druckstößen ein Brechen der Membran verhindert werden, so dass die Zuverlässigkeit der thermische Sensorvorrichtung erhöht sein kann.
  • Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen wird dabei das Aerogel erfindungsgemäß nicht als funktionelle oder isolierende Zwischenschicht verwendet, sondern als Verstärkungsmaterial für eine dünne Membran, die aus einem anderen Material besteht. Beispielsweise kann die dünne Membran eine Dicke aufweisen, die eine thermische Entkopplung des thermischen Elements ermöglicht. Beispielsweise kann die Membran eine Dicke zwischen etwa 100 nm und wenigen μm (beispielsweise 5 μm) aufweisen. Bei Ausführungsbeispielen kann die dünne Membran aus Silizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid bestehen. Bei Ausführungsbeispielen kann die Membran auch aus einer Schichtfolge mehrerer dünner Schichten bestehen.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist das thermische Element ein Heizelement, ein Kühlelement oder ein Temperatursensorelement auf. Bei Ausführungsbeispielen kann das thermische Element ein Temperatursensorelement sein und die thermische Sensorvorrichtung ein Temperatursensor. Bei Ausführungsbeispielen kann das thermische Element ein Heizelement oder ein Kühlelement aufweisen, wobei ferner zumindest ein Abschnitt zumindest eines Temperatursensorelements auf der Membran angeordnet ist. Beispielsweise kann das thermische Element ein Heizelement aufweisen, das zur Bildung eines Strömungssensors zwischen zwei Temperatursensorelementen angeordnet ist.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Trägersubstrat ein Halbleiterchip sein, der Schaltungsstrukturen aufweist, die zusammen mit dem thermischen Element einen thermischen Sensor bilden. Bei Ausführungsbeispielen können die Schaltungsstrukturen Strukturen zur Ansteuerung eines oder mehrerer thermischer Elemente und/oder Schaltungsstrukturen zur Verarbeitung Signalen, die von einem oder mehreren thermischen Elementen stammen, aufweisen.
  • Bei wiederum alternativen Ausführungsbeispielen kann das Aerogel zumindest abschnittsweise beidseitig auf der Membran angeordnet sein.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittdarstellung einer thermischen Sensorvorrichtung, bei der ein Aerogel zur mechanischen Verstärkung einer Membran in einer Ausnehmung eines Substrats angeordnet ist;
  • 2 eine schematische Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer thermischen Sensorvorrichtung, bei der ein Aerogel zur mechanischen Verstärkung einer Membran auf einer von einem Substrat abgewandten Oberfläche der Membran angeordnet ist;
  • 3 eine schematische Querschnittdarstellung einer in einer Kanalwandung angeordneten thermischen Sensorvorrichtung; und
  • 4a und 4b Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise eines Strömungssensors.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf die mechanische Verstärkung einer Sensormembran durch ein mechanisch stabiles und thermisches hochisolierendes Aerogel. Aerogele stellen derzeit das beste bekannte thermische Isolationsmaterial dar. Beispiele von Aerogelen, die für die Erfindung verwendet werden können, sind beispielsweise Silikat-Aerogele oder Aluminium-Oxid-Aerogele. Es handelt sich hierbei um hochporöse Materialien, die typischerweise im Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, wobei verschiedene Werkstoffe zur Verfügung stehen. Silikat-Aerogele bestehen beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO2). Die Abscheidung kann hier aus einer Chemikalienlösung von Tetraethylorthosilicat (TEOS), Salzsäure (HCI), Ethanol und Wasser erfolgen, wie beispielsweise bei H. Chang, R. He, J.-A. Paik, P. R. Patterson, C.-J. Kim, B. Dunn, M. C. Wu, „Aerogel MEMS”, Proc. Annual Conference Society for Experimental Mechanics (2003) beschrieben ist. Beispiele zur Herstellung von Aerogelen sowie weitere Aerogel-Materialien, die bei Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden können, sind in der Technik bekannt und bedürfen hierin keiner weiteren Erläuterung.
  • Die thermischen Eigenschaften von solchen Aerogelen und insbesondere von Silikat-Aerogelen kommen dabei denen von Luft sehr nahe. Aus diesem Grund verändert selbst eine sehr dicke Aerogel-Schicht die thermischen Eigenschaften des thermischen Sensor, beispielsweise Strömungssensors, nicht, so dass bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die Dicke einer Aerogel-Schicht, die die mechanische Verstärkung der Membran bildet, prinzipiell nicht begrenzt ist.
  • Zwei prinzipielle Ansätze zur Verstärkung einer Sensormembran durch Aerogel werden nun Bezug nehmend auf die 1 und 2 beschrieben. 1 zeigt eine schematische Querschnittansicht durch eine Sensorvorrichtung, die eine Membran 10 aufweist. Ein Trägersubstrat 12 für die Membran 10 weist eine Ausnehmung 14 auf, so dass ein Abschnitt einer auf dem Trägersubstrat 12 gebildeten Schicht, der über der Ausnehmung 14 angeordnet ist, die Membran 10 bildet. Das Substrat 12 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein und die Membran 10 kann beispielsweise eine Siliziumschicht, eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumoxidschicht sein. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Membran einstückig mit dem Trägersubstrat ausgebildet sein, indem das Trägersubstrat im Bereich der Membran entsprechend gedünnt ist. Bei Ausführungsbeispielen kann bzw. können zwischen der Schicht, die die Membran bildet, und dem Trägersubstrat eine oder mehrere weitere Schichten angeordnet sein.
  • Auf der Membran 10 sind ein oder mehrere thermische Elemente 16 angeordnet. Bei Ausführungsbeispielen kann das thermische Element 16 einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur eines über der Membran 10 angeordneten Fluids aufweisen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die thermischen Elemente 16 zwei Temperatursensorelemente und ein Heizelement aufweisen, wie sie oben Bezug nehmend auf die 4a und 4b beschrieben wurden, um eine Strömung eines an der Membran vorbeiströmenden Fluids 18 erfassen zu können. Fluidikstrukturen 20, beispielsweise in Form eines Fluidkanals, können vorgesehen sein, die es dem Fluid 18 ermöglichen, an der Membran 10 vorbeizuströmen.
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist in der Ausnehmung 14 ein Aerogel 22 angeordnet, das somit eine Verstärkung für die oberhalb der Ausnehmung 14 angeordnete Membran 10 bildet. Das Aerogel 22 kann, wie in 1 gezeigt, die gesamte Ausnehmung 14 ausfüllen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann lediglich eine Schicht des Aerogels, die die Ausnehmung 14 nicht vollständig füllt, auf der Unterseite der Membran 10 vorgesehen sein.
  • 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Membran 10 wiederum über einer in einem Trägersubstrat 26 gebildeten Ausnehmung 28 angeordnet ist. Auf der der Ausnehmung gegenüberliegenden Seite der Membran 10 sind wiederum ein oder mehrere thermische Elemente 16 angeordnet. Ferner ist bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum Fluidikstrukturen 36 vorgesehen, die es ermöglichen, dass ein Fluid in thermischen Kontakt mit der Membran 10 gebracht wird, z. B. in Form einer Strömung. Die Fluidikstrukturen sind dabei durch eine Deckelstruktur 34, die an dem Trägersubstrat 26 angebracht ist und Ausnehmung 28 in dem Trägersubstrat 26 gebildet. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Aerogelschicht 32 zur mechanischen Verstärkung der Membran auf der von dem Trägersubstrat abgewandten Seite der Membran 10 die thermischen Elemente 16 überdeckend vorgesehen. Ein thermischer Kontakt zwischen dem Fluid und dem oder den thermischen Elementen 16 findet dabei durch die Membran 10 statt, was aufgrund der geringen Dicke der Membran kein Problem darstellt. Eine Zulaufstruktur 40 und eine Ablaufstruktur 42 können in der Deckelstruktur 42 vorgesehen sein, um einen Fluidfluss durch die Fluidikstrukturen 36 zu ermöglichen.
  • Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Aerogelverstärkung somit beispielsweise durch Verfüllen der Ausnehmung 14 erzeugt. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Aerogelverstärkung durch Aufbringen, beispielsweise Aufschleudern, einer Aerogelschicht und ggf. nachfolgendem Strukturieren der Aerogelschicht erzeugt werden. Grundsätzlich würde auch die Möglichkeit bestehen, das Aerogel beidseitig aufzubringen, solange ein thermischer Kontakt zwischen dem Fluid, bezüglich dessen eine Erfassung stattfinden soll, und den thermischen Elementen möglich bleibt.
  • Die Ausnehmung in dem Trägersubstrat, über der die Membran angeordnet ist, kann beispielsweise durch selektives Abdünnen des Substrats von der von der Membran abgewandten Seite her an der Stelle des oder der thermischen Elemente erreicht werden, so dass sich das thermische Element oder die thermischen Elemente letztlich auf der dünnen Membran befinden. Die Trägerstruktur kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung durch einen Siliziumchip gebildet sein, der die zum Betrieb der thermischen Sensorvorrichtung notwendigen Schaltungsstrukturen aufweisen kann.
  • Bezug nehmend auf 3 wird nun ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem die thermische Sensorvorrichtung einen Strömungssensor darstellt, der in einer Kanalwandung 50 eines Fluidkanals 52 angeordnet ist. Genauer gesagt ist die thermische Sensorvorrichtung in einer Ausnehmung 54 der Kanalwandung 50 derart angeordnet, dass ein Sensorbereich an den Fluidkanal 52 angrenzt, so dass ein Fluid durch den Fluidkanal 52 an dem Sensorbereich vorbei strömen kann. Die thermische Sensorvorrichtung weist einen ähnlichen Aufbau wie die in 1 gezeigte Sensorvorrichtung auf, wobei die Membran 10 über der Ausnehmung 14 in dem Trägersubstrat 12 angeordnet ist. Auf der von dem Trägersubstrat 12 abgewandten Seite der Membran 10 ist ein Heizelement 60 angeordnet. Abschnitte eines ersten Temperatursensorelements 62 und eines zweiten Temperatursensorelements 64 sind auf der Membran 10 angeordnet. Das Heizelement 60 ist zwischen den Temperatursensorelementen 62 und 64 angeordnet. Bezüglich des Aufbaus und des Betriebs der Temperatursensorelemente 62 und 64 und des Heizelements 60 kann auf die obigen Ausführungen bezüglich der 4a und 4b verwiesen werden. Über der Membran und den thermischen Elementen 60 bis 64 kann eine Passivierungsschicht angeordnet sein, um diese vor einem Einfluss des Fluids in dem Fluidkanal 52 zu schützen.
  • Wie in 3 gezeigt ist, ist in der Ausnehmung 14 unterhalb der Membran 10 ein Aerogel 66 angeordnet, das die Membran 10 verstärkt. Durch die Aerogelverstärkung kann bewirkt werden, dass sich die Membran 10 selbst bei stärkeren Drücken nicht verbiegt und dass auch bei plötzlichen Druckstößen ein Bruch der Membran verhindert wird. Wie in 3 gezeigt ist, ist das Aerogel als Schicht in einer Ausnehmung in einem Substrat angeordnet und füllt die Ausnehmung nicht vollständig aus. Bei anderen Beispielen, beispielsweise dem, das in 1 gezeigt ist, füllt das Aerogel eine Ausnehmung in einem Substrat vollständig aus.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die Membran in Draufsicht eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise eine quadratische oder runde Form. Bei Ausführungsbeispielen können ein Heizelement 60 und zwei Temperatursensorelemente 62 und 64 vollständig auf den Membranbereich, der durch das Aerogel verstärkt ist, angeordnet sein. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können Abschnitte der Temperatursensorelemente auf diesen Membranbereich und Abschnitte außerhalb dieses Membranbereichs angeordnet sein, wie dies beispielsweise in 3 gezeigt ist. Bei Ausführungsbeispielen könnten die Temperatursensorelemente 62 und 64 vollständig außerhalb des Bereichs der Ausnehmung auf dem Substrat bzw. der Schicht, die die Membran bildet, angeordnet sein.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung können unter Verwendung bekannter mikrotechnischer Verfahren hergestellt werden, wobei bezüglich solcher bekannter Verfahren beispielsweise auf H. Chang, R. He, J.-A. Paik, P. R. Patterson, C.-J. Kim, B. Dunn, M. C. Wu, „Aerogel MEMS”, Proc. Annual Conference Society for Experimental Mechanics (2003) und R. Yokokawa, J.-A. Paik, B. Dunn, N. Kitazawa, H. Kotera, C.-J. Kim, „Mechanical properties of aerogel-like thin films used for MEMS”, Journal of Micromechanics and Microengineering 14 (2004) 681–686, verwiesen werden kann. Insbesondere kann hinsichtlich Techniken zur Aufbringung und photolithographischen Strukturierung von Aerogelen auf diese Schriften verwiesen werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen somit eine Verstärkung einer mikrotechnisch hergestellten Membran für die thermische Sensorik durch ein Aerogel. Ausführungsbeispiele schaffen somit Vorrichtungen und Verfahren zur mechanischen Verstärkung einer thermisch isolierenden Membran, wobei zur Verstärkung ein Aerogel verwendet wird. Bei Ausführungsbeispielen ist ein heizendes/kühlendes Element auf der Membran platziert. Bei Ausführungsbeispielen ist ein thermisches Sensorelement auf der Membran platziert. Bei Ausführungsbeispielen wird das Aerogel zur Verfüllung der Rückseitenkavität der Membran verwendet. Bei Ausführungsbeispielen wird das Aerogel zur Verstärkung der planaren Seite der Membran verwendet. Bei Ausführungsbeispielen wird das Aerogel beidseitig auf die Membran aufgebracht. Bei Ausführungsbeispielen wird die Membran durch mikrotechnische Verfahren hergestellt. Bei Ausführungsbeispielen ist das thermische Sensorelement Teil eines Strömungssensors.

Claims (6)

  1. Thermische Sensorvorrichtung mit: einer Membran (10), auf der zumindest ein thermisches Element (16; 60, 62, 64) angeordnet ist, wobei die Membran durch ein Aerogel (22; 32; 66) mechanisch verstärkt ist; und einem Trägersubstrat (12; 26), das eine Ausnehmung (14; 28) aufweist, über der die Membran (10) angeordnet ist, wobei die Ausnehmung ein Teil von Fluidikstrukturen (36; 52) ist, die konfiguriert sind, um ein Fluid in thermischen Kontakt mit der Membran (10) und/oder dem thermischen Element (16; 60, 62, 64) zu bringen, wobei die Fluidikstrukturen (36; 52) einen Fluidkanal aufweisen, der eine Fluidströmung an der Membran (10) vorbei ermöglicht, wobei das Aerogel (32) auf einer von dem Trägersubstrat (26) abgewandten Seite der Membran (10) auf der Membran (10) angeordnet ist.
  2. Thermische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das thermische Element ein Heizelement (60), ein Kühlelement oder ein Temperatursensorelement (62, 64) aufweist.
  3. Thermische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das thermische Element ein Heizelement (60) oder ein Kühlelement aufweist, wobei ferner zumindest ein Abschnitt zumindest eines Temperatursensorelements (62, 64) auf der Membran angeordnet ist.
  4. Thermische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das thermische Element ein Heizelement (60) aufweist, dass zur Bildung eines Strömungssensors zwischen zwei Temperatursensorelementen (60, 62) angeordnet ist.
  5. Thermische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Trägersubstrat (12; 26) ein Halbleiterchip ist, der Schaltungsstrukturen aufweist, die zusammen mit dem thermischen Element (16; 60, 62, 64) einen thermischen Sensor bilden.
  6. Thermische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Aerogel zumindest abschnittsweise beidseitig auf der Membran angeordnet ist.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020104820A1 (de) 2020-02-24 2021-08-26 LABOM Meß- und Regeltechnik Gesellschaft mit beschränkter Haftung Temperaturmessgerät
CN113819965A (zh) * 2020-06-19 2021-12-21 霍尼韦尔国际公司 流量感测装置
US12044561B2 (en) 2020-11-06 2024-07-23 Honeywell International Inc. Flow sensing device

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10084999T1 (de) * 1999-09-15 2002-09-19 Fluid Components Intl Wärmedispersions-Schalter/Sender für Massendurchsatz und Flüssigkeitspegel
DE10211551A1 (de) * 2001-04-23 2002-10-24 Sensirion Ag Zuerich Flußsensor auf Substrat
DE20122320U1 (de) * 2000-05-04 2005-01-20 Sensirion Ag Flußsensor für Flüssigkeiten
DE102005023377A1 (de) * 2005-05-17 2006-11-30 Elbau Elektronik Bauelemente Gmbh Berlin Flowsensor mit Sensorchipelement
WO2007034240A2 (en) * 2005-09-20 2007-03-29 Bae Systems Plc Sensor device with backside contacts
US20120180563A1 (en) * 2011-01-13 2012-07-19 Honeywell International Inc. Sensor with improved thermal stability
US20120219760A1 (en) * 2011-02-28 2012-08-30 Honeywell International Inc. Apparatus and method for providing isolation between components in microfabricated devices

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10084999T1 (de) * 1999-09-15 2002-09-19 Fluid Components Intl Wärmedispersions-Schalter/Sender für Massendurchsatz und Flüssigkeitspegel
DE20122320U1 (de) * 2000-05-04 2005-01-20 Sensirion Ag Flußsensor für Flüssigkeiten
DE10211551A1 (de) * 2001-04-23 2002-10-24 Sensirion Ag Zuerich Flußsensor auf Substrat
DE102005023377A1 (de) * 2005-05-17 2006-11-30 Elbau Elektronik Bauelemente Gmbh Berlin Flowsensor mit Sensorchipelement
WO2007034240A2 (en) * 2005-09-20 2007-03-29 Bae Systems Plc Sensor device with backside contacts
US20120180563A1 (en) * 2011-01-13 2012-07-19 Honeywell International Inc. Sensor with improved thermal stability
US20120219760A1 (en) * 2011-02-28 2012-08-30 Honeywell International Inc. Apparatus and method for providing isolation between components in microfabricated devices

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020104820A1 (de) 2020-02-24 2021-08-26 LABOM Meß- und Regeltechnik Gesellschaft mit beschränkter Haftung Temperaturmessgerät
CN113819965A (zh) * 2020-06-19 2021-12-21 霍尼韦尔国际公司 流量感测装置
EP3926307A1 (de) * 2020-06-19 2021-12-22 Honeywell International Inc. Durchflussmessvorrichtung
US11262224B2 (en) 2020-06-19 2022-03-01 Honeywell International Inc. Flow sensing device
US11768093B2 (en) 2020-06-19 2023-09-26 Honeywell International Inc. Flow sensing device
CN113819965B (zh) * 2020-06-19 2024-07-26 霍尼韦尔国际公司 流量感测装置
US12044561B2 (en) 2020-11-06 2024-07-23 Honeywell International Inc. Flow sensing device

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