DE102015118232B4 - System und Verfahren zum Überwachen eines Kanals, insbesondere eines MEMS-Kanals - Google Patents

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Abstract

System zum Überwachen eines Kanals (1), insbesondere eines MEMS-Kanals (1), umfassend:
- den Kanal (1), welcher von einer Kanalwand (2) allseitig umgeben ist, wobei die Kanalwand (2) eine Wanddicke (d) aufweist und aus einem Halbleitermaterial gefertigt ist;
- eine erste Elektrode (3) und eine zweite Elektrode (4), wobei die erste Elektrode (3) und die zweite Elektrode (4) die Kanalwand elektrisch kontaktieren, wobei die erste Elektrode (3) auf einer Außenseite (5) der Kanalwand (2) angebracht ist und wobei die Kanalwand (2) in einem der ersten Elektrode (3) gegenüberliegenden Bereich (6) dotiert ist und die zweite Elektrode (4) bildet; und
- eine Recheneinheit (7), wobei die Recheneinheit (7) mittels der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) einen Kapazitätswert misst, wobei die Recheneinheit den Kapazitätswert mit einem zuvor ermittelten Referenzwert vergleicht und wobei die Recheneinheit eine Änderung der Kanaldicke (d) der Kanalwand (2) anhand des Vergleichs des Kapazitätswerts mit dem zuvor ermittelten Referenzwert ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zum Überwachen eines Kanals, insbesondere eines MEMS-Kanals. Das System umfasst dabei zumindest einen Kanal, welcher von einer Kanalwand allseitig umgeben ist, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Recheneinheit. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen des Kanals mittels des erfindungsgemäßen Systems.
  • Die US 2010 / 0 198 554 A1 beschreibt ein System und ein Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke eines Films, der auf ein Substrat aufgetragen ist. Zwischen dem Substrat und dem Film werden zwei Elektroden auf dem Substrat angebracht und eine Spannung zwischen beiden Elektroden angelegt. Anhand der gemessenen Admittanz wird die Schichtdicke des Films bestimmt.
  • Die US 2005 / 0 075 800 A1 beschreibt ein System zur Bestimmung von Defekten einer Struktur. Hierbei wird ein Abfall eines elektrischen Potentials zwischen zwei Kontaktpunkten auf der Struktur gemessen und mit dem Abfall des elektrischen Potentials auf einer Referenzstruktur verglichen. Anhand des Verhältnisses des Potentialabfalls auf der Struktur mit dem Potentialabfall auf der Referenzstruktur wird eine Änderung der Schichtdicke der Struktur bestimmt.
  • MEMS-Sensoren sind Mikro-Elektromechanische Systeme, die in der Messtechnik zur messtechnischen Erfassung einer oder mehrerer Messgrößen eingesetzt werden. Diese MEMS-Sensoren werden regelmäßig unter Verwendung von in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahren, wie z.B. Ätzprozessen, Oxidationsverfahren, Implantationsverfahren, Bondverfahren und/oder Beschichtungsverfahren, unter Verwendung von ein oder mehrlagigen Wafern, insb. Wafern auf Siliziumbasis, hergestellt.
  • MEMS-Sensoren, die dazu eingesetzt werden eine Messgröße eines strömenden Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit oder eines Gases, zu bestimmen, weisen mindestens einen von einer Kanalwand allseitig umgebenen Kanal auf, der im Messbetrieb von dem Fluid durchströmt wird. Dabei werden zur Messung unterschiedlicher Messgrößen strömender Fluide je nach Messgröße unterschiedliche Messprinzipien, wie beispielsweise die Coriolis-Massendurchfluss-Messung oder die Coriolis-Dichte-Messung eingesetzt. Bei beiden Anwendungsbeispielen wird der im Messbetrieb von dem jeweiligen Fluid durchströmte Kanal eingesetzt, der in diesen Fällen einen mittels einer Erregereinrichtung zu Schwingungen anregbaren Kanalabschnitt umfasst.
  • Beispiele für solche MEMS-Sensoren sind in der DE 10 2008 039 045 A1 , der US 2010 / 0 037 706 A1 , der US 2002 / 0 194 908 A1 und der noch nicht offengelegten DE 10 2015 110 711.2 beschrieben.
  • Bestimmte Fluide, die als Messmedium den Kanal durchströmen, können mit dem Material der Kanalwand chemisch reagieren und zu einem Abtrag dieses Materials führen. Ebenso können sich Teile des Fluids an der Kanalwand ablagern. In beiden Fällen ändern sich die Schwingungseigenschaften des Kanals, wie beispielsweise dessen Resonanzfrequenz, wodurch die unter Ausgangsbedingungen durchgeführte Kalibrierung nicht mehr gültig ist. Da diese Änderungen oft unbemerkt geschehen, kann dies kann zu Fehlmessungen, wie beispielsweise einem fehlerhaften Wert der Dichte, führen.
  • Bisher werden die genannten MEMS-Sensoren von vornherein nicht in Prozessen mit solchen Fluiden eingesetzt. Eine Möglichkeit zur einfachen Detektion von Änderungen der Kanalbeschaffenheit aufgrund von Abtrag oder Ablagerungen ist jedoch nicht bekannt.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren vorzustellen, das es erlaubt, die vorgenannte Problematik zu überwinden.
  • Die Aufgabe wird durch ein System zum Überwachen eines Kanals, insbesondere eines MEMS-Kanals, gelöst, umfassend:
    • - den Kanal, welcher von einer Kanalwand allseitig umgeben ist, wobei die Kanalwand eine Wanddicke aufweist;
    • - eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode die Kanalwand elektrisch kontaktieren; und
    • - eine Recheneinheit, wobei die Recheneinheit mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine elektrische Größe misst, wobei die Recheneinheit die elektrische Größe mit einem zuvor ermittelten Referenzwert vergleicht und wobei die Recheneinheit eine Änderung der Kanaldicke der Kanalwand anhand des Vergleichs der elektrischen Größe mit dem zuvor ermittelten Referenzwert ermittelt.
  • Durch das erfindungsgemäße System ist es möglich, auf einfache Art und Weise Veränderungen der Wanddicke der Kanalwand bedingt durch Abtrag oder Ablagerungen zu detektieren und festzustellen, ob dadurch systematische Messfehler auftreten können und als Konsequenz eine Neukalibration oder mitunter sogar ein kompletter Austausch des MEMS-Sensors, beispielweise aufgrund einen weit fortgeschrittenen Abtrag des Materials der Kanalwand, vonnöten ist. Damit können MEMS-Sensoren auch in Fluiden eingesetzt werden, die zu Materialabtrag oder Materialablagerungen führen können.
  • Beispiele für MEMS-Sensoren, in denen ein solcher Kanal Anwendung findet, sind im einleitenden Teil der Beschreibung genannt.
  • Erfindungsgemäß ist die Kanalwand aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, gefertigt.
  • Erfindungsgemäß ist die erste Elektrode auf einer Außenseite der Kanalwand angebracht, wobei die Kanalwand in einem der Elektrode gegenüberliegenden Bereich dotiert ist und die zweite Elektrode bildet, und wobei die elektrische Größe ein Kapazitätswert ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode aus einem metallischen Material gefertigt sind. Gebräuchliche Materialien für Elektroden, insbesondere in der MEMS-Fertigung, sind beispielsweise Gold, Platin oder Titan. Abhängig von dem verwendeten Material der Kanalwand und dem verwendeten Metall der Elektrode wird zusätzlich ein haftvermittelndes Material, wie beispielsweise Nickel oder Chrom, benötigt, welches zwischen der Kanalwand und der Elektrode angebracht ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung, mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung, mittels einer galvanischen Abscheidung oder mittels eines Lift-off-Verfahrens aufgebracht. Des Weiteren ist jedes weitere Verfahren der Halbleiter-, Dünnschicht- und Mikrosystemtechnik geeignet, welches es erlaubt, Elektroden in geeigneter Form auf und/oder in die Kanalwand aufzubringen. Ein Vorteil besteht darin, dass die Elektroden direkt im Fertigungsprozess eines Kanals oder eines MEMS-Sensors, der einen solchen Kanal enthält, aufgebracht werden können.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zumindest zwei weitere Elektroden an der Kanalwand in einem Bereich des Kanals angebracht sind, in welchem der Kanal nicht von Fluiden durchströmt wird. Zwischen diesen beiden Elektroden wird dieselbe elektrische Größe, also ein Widerstandswert oder ein Kapazitätswert, ermittelt, wie zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Die weiteren Elektroden sind jeweils analog zu der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet, abhängig davon, ob ein Widerstandswert oder ein Kapazitätswert ermittelt wird. Diese weitere elektrische Größe wird jedes Mal dann ermittelt, wenn die elektrische Größe zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gemessen wird, und dient als Referenzwert. Der Vorteil besteht darin, dass systematische, von dem den Kanal durchströmenden Fluid unabhängige Messfehler, bedingt beispielsweise durch eine Temperaturveränderung der Messstelle, eliminiert werden und eine Fehlinterpretation der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gemessenen elektrischen Größe verhindert wird.
  • Des Weiteren wird die Erfindung durch ein Verfahren zum Überwachen eines Kanals, insbesondere eines MEMS-Kanals, mittels des erfindungsgemäßen System gelöst, umfassend die folgenden Schritte:
    • - Messen einer elektrischen Größe mittels einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche eine Kanalwand elektrisch kontaktieren, wobei die Kanalwand den Kanal allseitig umgibt und wobei die Kanalwand eine Wanddicke aufweist;
    • - Vergleichen der elektrischen Größe mit einem zuvor ermittelten Referenzwert; und
    • - Ermitteln einer Änderung der Wanddicke der Kanalwand anhand des Vergleichs der elektrischen Größe mit dem zuvor ermittelten Referenzwert.
  • Erfindungsgemäß wird als elektrische Größe ein Kapazitätswert zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gemessen. Abhängig von der durch Abtrag des Materials der Kanalwand und/oder durch Ablagerungen auf der Kanalwand verursachten Änderung der Kanaldicke erfolgt eine Änderung der Kapazität.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Alarmzustand ausgegeben wird, falls die gemessene elektrische Größe um einen festgelegten Faktor von dem Referenzwert abweicht. Falls das Verfahren auf einer Kapazitätsmessung basiert, besteht eine weitere Möglichkeit zur Detektion eines Alarmzustands darin, dass ein Abtrag des Materials der Kanalwand dazu führt, dass die Elektroden frei liegen und durch das Fluid miteinander in elektrischem Kontakt stehen, wodurch ein Kurzschluss entsteht.
  • Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte können z. B. von der zuvor genannten Recheneinheit durchgeführt werden.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
    • 1: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen eines Kanals, insbesondere eines MEMS-Kanals, basierend auf dem Messen eines Widerstandwerts;
    • 2: eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen eines Kanals, insbesondere eines MEMS-Kanals, basierend auf dem Messen eines Kapazitätswerts (a) mittels eingebetteter Elektroden und (b) mittels gegenüberliegender Elektroden; und
    • 3: eine schematische Zeichnung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems.
  • 1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens zum Überwachen eines Kanals 1, insbesondere eines MEMS-Kanals 1, basierend auf dem Messen eines Widerstandwerts. Der Kanal 1 ist Bestandteil eines MEMS-Sensors. Der MEMS-Sensor dient beispielsweise zur Massedurchfluss-Messung oder Dichtemessung nach dem Coriolis-Prinzip, wobei der Kanal 1 von einem Fluid durchströmt wird.
  • Der Kanal 1 umfasst eine Kanalwand 2, welche den Kanal 1 allseitig umgibt. Die Kanalwand 2 kann aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel einem Elementhalbleitermaterial wie Silizium oder Germanium, einem Verbindungshalbeitermaterial wie Galliumarsenid, oder einem organischen Halbleitermaterial gefertigt sein. Neben Halbleitermaterial können selbstverständlich auch andere Materialien, wie beispielsweise Metalle, Keramiken oder Kunststoffe verwendet werden.
  • Der Kanal 1 mit seiner Kanalwand 2 ist auf einem Substrat S, in diesem Beispiel Glas, aufgebracht. Hier nicht gezeigte Elektroden, welche auf dem Substrat aufgebracht sind, erzeugen durch Anlegen einer Spannung eine Schwingung des Kanals 1.
  • Bestimmte Fluide, welche zur Messung eingesetzt werden, können mit der Kanalwand 2 chemisch reagieren und zu einem Abtrag A des Materials der Kanalwand 2 führen. Ebenso können sich Teile des Fluids an der Kanalwand 2 ablagern. In beiden Fällen ändern sich die Schwingungseigenschaften des Kanals 1, wodurch die Kalibrierung des Kanals 1 ungültig wird und Messergebnisse verfälscht werden.
  • Zur Detektion von Abtrag A des Materials der Kanalwand 2 und/oder Ablagerungen auf der Kanalwand werden eine erste Elektrode 3 und eine zweite Elektrode 4 auf einer Außenseite 5 der Kanalwand 2 angebracht. Mittels Anlegen eines elektrischen Stroms wird von einer hier nicht abgebildeten Recheneinheit der Widerstandswert der Kanalwand 2 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 im Ausgangszustand ermittelt. Dieser Widerstandswert wird im Folgenden als Referenzwert bezeichnet.
  • Kommt es durch den Kontakt der Kanalwand 2 zu einem Abtrag A des Materials der Kanalwand 2, so verringert sich die Kanaldicke d und folglich der Querschnitt der Kanalwand 2, was zu einer Erhöhung des Widerstandwerts proportional zum Abtrag führt. Lagern sich Ablagerungen an der Kanalwand 2 an, so führen diese zu einer Vergrößerung der Kanaldicke d und folglich zu einer Vergrößerung des Querschnitts der Kanalwand, was zu einer Verringerung des Widerstandswerts proportional zur Ablagerungsmenge führt.
  • Der dadurch veränderte Widerstandswert zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 wird von der Recheneinheit ermittelt und mit dem Referenzwert verglichen und eine Änderung des Widerstandwerts ermittelt. Über diese Änderung lässt sich eine Aussage darüber treffen, ob sich die Wanddicke d aufgrund von Abtrag A des Materials der Kanalwand 2 und/oder durch Ablagerungen geändert hat und dadurch eine Neukalibration oder sogar ein kompletter Austausch des MEMS-Sensors vonnöten ist. Dafür lässt sich auch ein Grenzwert einstellen, bei dessen Überschreiten ein Alarmzustand detektiert und ausgegeben wird.
  • In 2 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens zum Überwachen des Kanals 1, insbesondere eines MEMS-Kanals, basierend auf dem Messen eines Kapazitätswerts, gezeigt.
  • In 2a sind die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 in die Kanalwand 2 eingebettet. Abhängig von der durch Abtrag A des Materials der Kanalwand 2 und/oder durch Ablagerungen auf der Kanalwand 2 verursachten Änderung der Kanaldicke d erfolgt eine Änderung der Kapazität. Wie oben beschrieben, nimmt die Recheneinheit zuerst einen Referenzwert auf und vergleicht zu späteren Zeitpunkten gemessene Kapazitätswerte mit dem Referenzwert. Idealerweise sollte die Referenzmessung mit jedem der Fluide durchgeführt werden, die im späteren Messeinsatz verwendet werden.
  • Über diese Änderung des Kapazitätswerts lässt sich eine Aussage darüber treffen, ob sich die Wanddicke d aufgrund von Abtrag A des Materials der Kanalwand 2 und/oder durch Ablagerungen geändert hat und dadurch eine Neukalibration oder sogar ein kompletter Austausch des MEMS-Sensors vonnöten ist.
  • Führt ein Abtrag des Materials der Kanalwand dazu, dass die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 frei liegen und durch das Fluid miteinander in elektrischem Kontakt stehen, so entsteht ein Kurzschluss. Auf diese Art und Weise ist es möglich, einen Alarmzustand zu detektieren, der anzeigt, dass ein Abtrag A um eine bestimmte Dicke der Kanalwand 2 erreicht wurde. Die Abtragtiefe, bei Erreichen derer ein Alarmzustand detektiert wird, ist mittels vertikaler Positionierung der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 in der Kanalwand einstellbar.
  • In 2b ist die erste Elektrode 3 auf einer Außenseite 5 der Kanalwand 2 angebracht. Die zweite Elektrode 4 wird durch einen gegenüberliegenden Bereich 6 der Kanalwand 2 gebildet, welcher eine Dotierung aufweist und dadurch als Elektrode wirken kann. Auch hier erfolgt abhängig von der durch Abtrag A des Materials der Kanalwand 2 und/oder durch Ablagerungen auf der Kanalwand 2 verursachten Änderung der Kanaldicke d eine Änderung der Kapazität. Wie oben beschrieben, nimmt die Recheneinheit zuerst einen Referenzwert auf und vergleicht zu späteren Zeitpunkten gemessene Kapazitätswerte mit dem Referenzwert auf eine Änderung des Kapazitätswerts. Über diese Änderung lässt sich eine Aussage darüber treffen, ob sich die Wanddicke d aufgrund von Abtrag A des Materials der Kanalwand 2 und/oder durch Ablagerungen geändert hat und dadurch eine Neukalibration oder sogar ein kompletter Austausch des MEMS-Sensors vonnöten ist.
  • 3 zeigt eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen Systems. Die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 sind jeweils an der Außenseite 5 der Kanalwand 2 des Kanals 1 angebracht. Die Recheneinheit 7 misst mittels der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 einen Widerstandswert des Abschnitts der Kanalwand 2, der zwischen den beiden Elektroden liegt und vergleicht diesen mit einem zuvor aufgenommenen Referenzwert und ermittelt anhand des Vergleichs eine Änderung der Kanaldicke d der Kanalwand 2. Zwischen den Elektroden 3, 4 und der Recheneinheit 7 kann eine Schaltung 8 angeordnet sein, welche eine elektrische Spannung, welche für die Messung benötigt ist, erzeugt und den Widerstandswert misst. Alternativ kann diese Schaltung 8 auch bereits in der Recheneinheit 7 implementiert sein.
  • Es versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die oben angeführten Ausführungsbeispiele beschränkt und bei einem Kanal 1, insbesondere einem MEMS-Kanal 1, jedweder Applikation anwendbar ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kanal
    2
    Kanalwand
    3
    erste Elektrode
    4
    zweite Elektrode
    5
    Außenseite der Kanalwand
    6
    dotierte Fläche
    7
    Recheneinheit
    8
    Schaltung
    A
    Abtrag
    d
    Dicke der Kanalwand

Claims (5)

  1. System zum Überwachen eines Kanals (1), insbesondere eines MEMS-Kanals (1), umfassend: - den Kanal (1), welcher von einer Kanalwand (2) allseitig umgeben ist, wobei die Kanalwand (2) eine Wanddicke (d) aufweist und aus einem Halbleitermaterial gefertigt ist; - eine erste Elektrode (3) und eine zweite Elektrode (4), wobei die erste Elektrode (3) und die zweite Elektrode (4) die Kanalwand elektrisch kontaktieren, wobei die erste Elektrode (3) auf einer Außenseite (5) der Kanalwand (2) angebracht ist und wobei die Kanalwand (2) in einem der ersten Elektrode (3) gegenüberliegenden Bereich (6) dotiert ist und die zweite Elektrode (4) bildet; und - eine Recheneinheit (7), wobei die Recheneinheit (7) mittels der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) einen Kapazitätswert misst, wobei die Recheneinheit den Kapazitätswert mit einem zuvor ermittelten Referenzwert vergleicht und wobei die Recheneinheit eine Änderung der Kanaldicke (d) der Kanalwand (2) anhand des Vergleichs des Kapazitätswerts mit dem zuvor ermittelten Referenzwert ermittelt.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (3) und/oder die zweite Elektrode (4) aus einem metallischen Material gefertigt sind.
  3. System nach Anspruch 2, wobei die erste Elektrode (3) und/oder die zweite Elektrode (4) mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung, mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung, mittels einer galvanischen Abscheidung oder mittels eines Lift-off-Verfahrens aufgebracht sind.
  4. Verfahren zum Überwachen eines Kanals (1), insbesondere eines MEMS-Kanals (1), mittels eines Systems nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend die folgenden Schritte: - Messen einer elektrischen Größe mittels einer ersten Elektrode (3) und einer zweiten Elektrode (4), welche eine Kanalwand (2) elektrisch kontaktieren, wobei die Kanalwand (2) den Kanal (1) allseitig umgibt und wobei die Kanalwand (2) eine Wanddicke (d) aufweist, wobei als elektrische Größe ein Kapazitätswert zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) gemessen wird; - Vergleichen der elektrischen Größe mit einem zuvor ermittelten Referenzwert; und - Ermitteln einer Änderung der Wanddicke (d) der Kanalwand (d) anhand des Vergleichs der elektrischen Größe mit dem zuvor ermittelten Referenzwert.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Alarmzustand ausgegeben wird, falls die gemessene elektrische Größe um einen festgelegten Faktor von dem Referenzwert abweicht.
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