DE10211551A1 - Flußsensor auf Substrat - Google Patents

Abstract

Zur Messung des Flusses einer Flüssigkeit oder eines Gases wird ein Sensor vorgeschlagen, welcher einen Halbleiterbaustein (1) mit Messelementen und ein Gehäuse (2) aufweist. Im Gehäuse (2) verläuft ein Kanal (6) für das zu messende Medium. Der Halbleiterbaustein (1) ist vom Kanal durch ein Substrat (5) getrennt. Dieses ist thermisch leitfähig, so dass eine Messung durch das Substrat hindurch möglich ist. Auf dem Substrat (5) sind Leiterbahnen angeordnet, die in Kontakt mit dem Halbleiterbaustein (1) stehen und diesen mit der Außenwelt verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flusssensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Es ist bekannt, die Flussgeschwindigkeit bzw. den Massenfluss eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mit einem Halbleiterbaustein zu messen, auf welchem eine Wärmequelle und mindestens ein Temperatursensor angeord­ net sind. Der Fluss führt zu einer Änderung der Tempera­ turverteilung der Wärmequelle, welche mit dem Temperatur­ sensor bzw. den Temperatursensoren gemessen werden kann.

Halbleiterbausteine dieser Art sind jedoch empfindlich. Im Kontakt mit gewissen Flüssigkeiten oder Gasen kommt es leicht zu unerwünschter Verschmutzung oder Beschädigung des Bausteins. Ausserdem kann mechanische Beanspruchung das Bauteil beschädigen. In gewissen Anwen­ dungen kann es ferner vorkommen, dass das zu messende Me­ dium durch den Halbleiterbaustein in unerwünschter Weise kontaminiert wird. Deshalb müssen die Halbleiterbausteine z. B. durch Schutzschichten vom zu messenden Medium ge­ trennt werden, was jedoch aufwendig ist und nicht immer zu befriedigen vermag.

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Flusssensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine Vielzahl von verschiedensten Medien messen kann, robust ist und in einfacher Weise hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird vom Flusssensor gemäss An­ spruch 1 erfüllt.

Erfindungsgemäss ist also ein Substrat vorge­ sehen. Dieses befindet sich zwischen dem Halbleiterbau­ stein und dem Medium und bildet eine Trennwand. Es ist thermisch leitfähig, so dass eine Messung durch das Sub­ strat hindurch möglich ist.

Auf dem Substrat sind Leiterbahnen angeord­ net, welche mit den Kontaktpunkten des Halbleiterbau­ steins verbunden werden können. Auf diese Weise übernimmt das Substrat gleichzeitig die Aufgabe einer Trennwand und einer Leiterplatte, was die Zahl der Komponenten redu­ ziert und die Herstellung vereinfacht. Der Halbleiterbau­ stein kann auf das Substrat aufgelötet werden, vorzugs­ weise mittels Flip-Chip Technik.

Das Substrat kann nebst dem Halbleiterbau­ stein noch weitere elektronische Komponenten, wie z. B. digitale Speicher, Spulen oder Kondensatoren aufnehmen.

Vorzugsweise basiert das Substrat auf einer flexiblen, elektrisch isolierenden Folie, auf welcher die Leiterbahnen angeordnet werden. Derartige Folien werden für verschiedenste Anwendungen angeboten und eignen sich für standardisierte Herstellungsverfahren.

Die vorliegende Erfindung eignet sich beson­ ders gut zur Messung des Flusses einer Flüssigkeit, sie kann jedoch auch zur Messung von Gasflüssen verwendet werden.

Weitere bevorzugte Ausführungen werden in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nun folgenden Be­ schreibung anhand der Figuren offenbart. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführung des Sensors entlang des Kanals,

Fig. 2 einen Schnitt entlang Linie II-II von Fig. 1 quer zum Kanal,

Fig. 3 eine Ansicht des Halbleiterbausteins für den Sensor nach Fig. 1 und 2 vom Substrat her,

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Substrat mit den darauf angeordneten Komponenten und

Fig. 5 eine weitere Ausführung des Sensors.

Der Grundaufbau des Flusssensors ergibt sich aus dem in Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungs­ beispiel. Er besteht aus einem Halbleiterbaustein 1, der in einem Gehäuse 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 besteht aus einem ersten Gehäuseteil 2a und einem zweiten Gehäu­ seteil 2b, welche z. B. beide als Spritzgussteile aus Kunststoff ausgestaltet sein können.

Der erste Gehäuseteil 2a besitzt eine im we­ sentlichen flache Oberseite 3, in der eine gerade Nut bzw. Vertiefung 4 verläuft. Der zweite Gehäuseteil 2b liegt auf der Oberseite 3 des ersten Gehäuseteils 2a auf. Zwischen den beiden Gehäuseteilen 2a, 2b ist ein folien­ artiges Substrat 5 eingeklemmt. Das Substrat 5 ist mit beiden Gehäuseteilen 2a, 2b z. B. durch Schweissen oder Kleben so verbunden, dass das Medium nicht zwischen den Teilen hindurchtreten kann. Somit bildet die Nut 4 zusam­ men mit dem Substrat 5 einen Kanal 6 für das zu messende Medium.

Der Halbleiterbaustein 1 ist auf dem Substrat 5 angeordnet. Durch den zweiten Gehäuseteil 2b erstreckt sich eine zentrale Öffnung 7, in welcher der Halbleiter­ baustein 1 und allfällige weitere, auf dem Substrat 5 an­ geordnete Komponenten 8, 9, 10 Platz finden. Die Öffnung 7 und somit der Bereich um den Halbleiterbaustein 1 bis an das Substrat 5 ist mit einer ausgehärteten Füllmasse 11 gefüllt. Die Füllmasse 11 bietet Halbleiterbaustein 1, dem Substrat 5 und den allfälligen weiteren Komponenten 8, 9, 10 Halt.

Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist auf einer Komponentenseite 1a des Halbleiterbausteins 1 eine integrierte Schaltung in CMOS-Technik angeordnet. Diese umfasst eine Wärmequelle 12 in Form eines Wider­ stands. In Flussrichtung des Mediums vor und hinter der Wärmequelle 12 sind zwei Temperatursensoren 13a, 13b vor­ gesehen. In der vorliegenden bevorzugten Ausführung sind die Temperatursensoren 13a, 13b als Thermosäulen ausge­ staltet.

Im Halbleiterbaustein 1 ist eine Öffnung 14 ausgeätzt, die von einer dünnen dielektrischen Membran 15 überdeckt ist. Die Wärmequelle 12 sowie die wärmequellen­ seitigen Kontaktreihen der Thermosäulen 13a, 13b sind auf der Membran 15 angeordnet. Durch diese Anordnung wird die Wärmeleitung zwischen der Wärmequelle 12 und den Tempera­ tursensoren 13a, 13b reduziert.

Die Wärmequelle 12 und die Thermosäulen 13a, 13b sind mit einer dielektrischen Passivierungsschicht (nicht gezeigt) z. B. aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid versehen.

Die Wärmequelle 12 und zumindest die inneren Kontaktreihen der Thermosäulen 13a, 13b bzw. deren Passi­ vierungsschicht stehen in thermischem Kontakt mit dem Substrat 5. Sie können das Substrat 5 direkt berühren oder von diesem durch eine dünne Schicht aus adhäsivem Material, Wärmeleitpaste oder Lot getrennt sein.

Auf dem Halbleiterbaustein 1 ist ferner eine Auswerteelektronik 17 angeordnet. Diese umfasst z. B. ei­ nen Vorverstärker, einen Analog-Digital-Wandler und eine digitale Verarbeitungsstufe, z. B. um das Signal der Ther­ mosäulen zu linearisieren und zu skalieren, sowie die An­ steuerung für die Wärmequelle. Zur elektrischen Verbin­ dung mit der Aussenwelt besitzt die integrierte Schaltung Anschlusspunkte 18.

Die Auswerteelektronik 17 ist ausgestaltet, um die Wärmequelle 12 mit konstantem Strom, konstanter Temperatur, konstanter Spannung oder gepulst zu betrei­ ben. Ferner misst sie den Unterschied A der Temperatur­ differenzen über den Thermosäulen 13a, 13b. Da die äusse­ ren Kontaktreihen der Thermosäulen 13a, 13b ungefähr auf gleicher Temperatur liegen, entspricht der Unterschied Δ im wesentlichen dem Temperaturunterschied an den inneren Kontaktreihen.

Im Betrieb erzeugt die Wärmequelle 12 eine Temperaturverteilung in der Wand des Kanals 6. Durch den Fluss des Mediums im Kanal 2 wird diese Temperaturvertei­ lung asymmetrisch, so dass der Unterschied Δ der Tempera­ turdifferenzen ein Mass für die Flussgeschwindigkeit ist. Aus diesem Wert leitet die Auswerteelektronik 17 einen geeignetes Messwert ab.

Dem Substrat 5 kommen in der vorliegenden Vorrichtung verschiedene Aufgaben zu. Einerseits bildet es, wie bereits erwähnt, eine Wand für den Kanal 6 und schliesst diesen gegen oben ab. Weiter überträgt es die Wärmesignale zwischen dem Halbleiterbaustein 1 und dem zu messenden Medium. Schliesslich bildet es eine Leiterbahn­ folie zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbau­ steins 1.

Hierzu sind, wie auf Fig. 4 dargestellt, auf dem Substrat 5 Leiterbahnen 19 angeordnet, wie sie bei­ spielhaft in Fig. 4 illustriert sind. Die Leiterbahnen 19 sind mit dem Kontaktpunkten 18 des Halbleiterbausteins 1 verbunden, vorzugsweise über Lotverbindungen.

Auf dem Substrat 5 können, wie bereits er­ wähnt, noch weitere Komponenten angeordnet sein, wie z. B. ein externes ROM 8 für die Auswerteschaltung 17 oder pas­ sive Komponenten 9, 10, beispielsweise Kondensatoren oder Spulen. Diese Komponenten sind ebenfalls mit den Leiter­ bahnen 19 des Substrats 6 verbunden.

In einem Randbereich 20 des Substrats bilden die Leiterbahnen 19 Kontaktflächen 21. Wie aus Fig. 2 er­ sichtlich, ragt der Randbereich 20 seitlich über das Ge­ häuse 2 hinaus, so dass die Kontaktflächen 21 als An­ schlüsse für den Sensor zugänglich sind.

Zum Anschluss von Rohren oder Schläuchen für das Medium sind im Gehäuse 2 ferner zwei zylindrische Öffnungen 23 vorgesehen, welche im wesentlichen konzen­ trisch zum Kanal 6 angeordnet sind. Diese können in den Gehäuseteilen 2a, 2b vorgeformt sein oder nach der Her­ stellung des Sensors ausgebohrt werden.

Bei der Herstellung des Sensors werden zuerst die Gehäuseteile 2a, 2b, der Halbleiterbaustein 1, die übrigen Komponenten 8, 9, 10 sowie das Substrat 5 gefer­ tigt. Das Substrat 5 besteht vorzugsweise aus einer Fo­ lie, auf welcher die Leiterbahnen 19 in bekannter Technik angeordnet werden. Vorzugsweise besteht das Substrat aus einem flexiblen, elektrisch nicht leitenden Kunststoff, wie z. B. Polyetheretherketon (PEEK), Teflon, Polyaryl- Sulfon (PSU) oder Polyimid, und besitzt eine Dicke zwi­ schen 10 und 200 µm. Das Substrat sollte für das zu mes­ sende Medium undurchlässig sein, so dass es eine Trenn­ wand zwischen dem Kanal 6 und dem Halbleiterbaustein 1 bildet.

Nach der Herstellung der Einzelteile können beispielsweise der Halbleiterbaustein 1 und die Komponen­ ten 8, 9 und 10 auf dem Substrat 5 befestigt werden, was vorzugsweise im Flip-Chip verfahren geschieht. Dabei wer­ den die Kontaktpunkte 18 über Lottropfen mit den Leiter­ bahnen 19 verbunden. Zusätzlich können, um einen guten thermischen Kontakt zu gewährleisten, zwischen der Wärme­ quelle 12 und dem Substrat 5, sowie zwischen den wärme­ quellen-seitigen Kontaktreihen der Thermosäulen 13a, 13b Wärmebrücken angeordnet werden, z. B. in Form einer Schicht aus Wärmeleitpaste oder Metall.

Nun kann das Substrat 5 mit den Gehäuseteilen 2a, 2b verbunden werden. Vorzugsweise geschieht dies mit­ tels Kleben oder Schweissen, damit eine dichte Verbindung entsteht.

Schliesslich wird die Füllmasse 11 in die Öffnung 7 eingefüllt und ausgehärtet.

Es ist auch denkbar, dass das Substrat 5 zu­ erst zwischen den Gehäuseteilen 2a, 2b angeordnet oder zumindest mit einem davon verbunden wird, bevor der Halb­ leiterbaustein 1 und die Komponenten 8, 9, 10 darauf an­ geordnet werden.

Im soweit beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde das Substrat 5 separat von den Gehäuseteilen 2a, 2b gefertigt. Es ist jedoch auch denkbar, dass es einstückig von einem der Gehäuseteile 2a oder 2b gebildet wird. Bei­ spielsweise kann das Substrat durch die Oberseite des er­ sten Gehäuseteils 2a gebildet werden, wobei in diesem Falle der Gehäuseteil 2a so gespritzt wird, dass sich über dem Kanal 6 eine Membran bildet. Die Ausgestaltung des Substrats 5 als separate Folie hat jedoch den Vor­ teil, dass zum Bilden der Leiterbahnen Strukturierung konventionelle Herstellungsverfahren verwendet werden können.

In einer weiteren, in Fig. 5 dargestellten Ausführung des Sensors, kann der Gehäuseteil 2a mit dem Kanal 6 auch entfallen. Dieser Sensor eignet sich beson­ ders für eine direkte Anordnung im zu messenden Medium. Beispielsweise kann er als Geschwindigkeitsmesser für ein Boot verwendet werden.

Claims (17)

1. Flusssensor zum Messen des Flusses eines Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit, mit einem Halb­ leiterbaustein (1), auf welchem mindestens ein Tempera­ tursensor (13a, 13b), eine Wärmequelle (12) und elektri­ sche Anschlusspunkte (18) integriert sind, gekennzeichnet durch ein Substrat (5) mit Leiterbahnen (19), welches mindestens teilweise zwischen dem Halbleiterbaustein (1) und dem Medium angeordnet ist, wobei mindestens ein Teil der Anschlusspunkte mit den Leiterbahnen (19) verbunden ist und die Wärmequelle und der Temperatursensor über das Substrat (5) in thermischen Kontakt mit dem Medium ste­ hen, derart, dass das Substrat (5) eine thermisch leiten­ de Trennwand zwischen dem Halbleiterbaustein (1) und dem Medium bildet.

2. Flusssensor nach Anspruch 1 mit einem er­ sten Gehäuseteil (2a), in welchem ein Kanal (6) für das Medium verläuft, wobei das Substrat (5) die Vertiefung zum Bilden des Kanals (6) abdeckt, und insbesondere dass der Kanal (6) als Vertiefung (4) im ersten Gehäuseteil (2a) angeordnet ist.

3. Flusssensor nach Anspruch 2, wobei das Substrat (5) mit dem ersten Gehäuseteil (2a) verbunden ist, insbesondere mit diesem verklebt oder verschweisst ist.

4. Flusssensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, mit einem zweiten Gehäuseteil (2b), wobei minde­ stens ein Teil des Substrats (5) zwischen dem ersten (2a) und dem zweiten (2b) Gehäuseteil eingeklemmt ist.

5. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf dem Substrat (5) neben dem Halblei­ terbaustein (1) noch mindestens eine weitere elektroni­ sche Komponente (8, 9, 10) angeordnet und mit den Leiter­ bahnen (19) verbunden ist.

6. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterbaustein (1) auf das Sub­ strat (5) gelötet ist.

7. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) eine mit den Leiterbah­ nen (19) versehene, flexible, elektrisch isolierende Fo­ lie aufweist.

8. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) für das zu messende Me­ dium undurchlässig ist.

9. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Kanal (6) für das Medium, wobei eine Wand des Kanals (6) von einer Kunststofffolie gebildet wird und die übrigen Wände von mindestens einem Gehäuse­ teil (2a), wobei die Kunststofffolie die Leiterbahnen (19) trägt.

10. Flusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Kanal (6) für das Medium, wobei der Kanal (6) und das Substrat (5) einstückig von einem Gehäuseteil gebildet werden.

11. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trennwand eine Dicke zwischen 10 µm und 200 µm aufweist.

12. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) aus einem Kunststoff ist, insbesondere aus Polyetheretherketon, Polyimid, Po­ lyaryl-Sulfon oder Teflon.

13. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei er ein Gehäuse (2) aufweist, in welchem der Halbleiterbaustein (1) und ein Kanal (6) für das Me­ dium angeordnet sind, wobei das Substrat (5) aus dem Ge­ häuse geführt ist und ausserhalb des Gehäuses Kontakte (21) zum Kontaktieren des Flusssensors aufweist.

14. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmequelle (12), der Temperatursen­ sor (13a, 13b) und die elektrischen Anschlusspunkte (18) auf einer Komponentenseite (1a) des Halbleiterbausteins (1) angeordnet sind und wobei der Halbleiterbaustein (1) mit der Komponentenseite (1a) am Substrat (5) angeordnet ist.

15. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Bereich um den Halbleiterbaustein (1) bis an das Substrat (5) mit einer ausgehärteten Füll­ masse (11) ausgefüllt ist.

16. Verfahren zum Herstellen eines Flusssen­ sors, insbesondere nach einem der vorangehenden An­ sprüche, bei welchem ein Halbleiterbaustein (1) bereitge­ stellt wird, auf welchem mindestens ein Temperatursensor (13a, 13b), eine Wärmequelle (12) und elektrische An­ schlusspunkte (18) integriert sind, gekennzeichnet durch die Schritte
Herstellen eines Substrats (5) mit Leiterbah­ nen (19) und
Anordnen des Substrats (5) als Trennwand zwi­ schen dem Halbleiterbaustein und einem zu messenden Medi­ um und
Herstellen elektrischer Verbindungen zwischen dem Halbleiterbaustein und den Leiterbahnen (19) des Sub­ strats (5).

17. Verfahren nach Anspruch 16 wobei der Halbleiterbaustein (1) mittels Flip-Chip Technik mit den Leiterbahnen (19) des Substrats (5) verbunden wird.