DE10234171B4

DE10234171B4 - Strömungssensor

Info

Publication number: DE10234171B4
Application number: DE10234171A
Authority: DE
Inventors: Takao Kariya Iwaki; Toshimasa Kariya Yamamoto; Hiroyuki Kariya Wado; Yukihiro Kariya Takeuchi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2022-07-27
Also published as: JP2003042824A; JP3678180B2; US6701782B2; US20030019290A1; DE10234171A1

Abstract

Strömungssensor, mit:
einem Satz unterer Isolierfilme (2, 3), der auf einer Oberseite eines Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist;
elektrischen Vorrichtungen (4, 5), die sich auf den unteren Isolierfilmen (2, 3) befinden;
einem Satz oberer Isolierfilme (7, 8), der auf den Vorrichtungen (4, 5) ausgebildet ist; und
einem Hohlraum (10, 31), der unterhalb der Vorrichtungen (4, 5) in dem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
beide Filmsätze einen Siliziumoxidfilm (3, 7) enthalten und die Dicke (tu1) des Siliziumoxidfilms (7) in dem Satz oberer Isolierfilmschichten (7, 8) größer als die Dicke (td2) des Siliziumoxidfilms (3) in dem Satz unterer Isolierfilmschichten (2, 3) ist, wodurch die mittlere Spannung (σ_up·av) in den oberen Isolierfilmschichten (7, 8) mehr auf der Druckseite liegt als die mittlere Spannung (σ_down·av) in den unteren Isolierfilmschichten (2, 3).

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungssensor und insbesondere einen Strömungssensor mit einer aus einzelnen Schichten bestehenden Membran.
Aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 11-194043 A ( DE 197 44 228 C1 ) ist ein Strömungssensor bekannt, der einen unteren Film mit einem geringen Grad an Zugspannung und einen oberen Film mit einem ebenfalls geringen Grad an Zugspannung aufweist. Mit anderen Worten haben der obere Film (oberhalb der Vorrichtung) und der untere Film (unterhalb der Vorrichtung) ungefähr die gleiche Spannung.
Das Filmpaar oberhalb und unterhalb der Vorrichtung zeigt bei diesem Stand der Technik einen geringen Grad an Zugspannung, da die Druckbeständigkeit des Films umso geringer ist, je höher die Zugspannung in dem Gesamtfilm ist. Eine Druckspannung in dem Film ließe den Film dagegen auswölben. Der Gesamtfilm weist daher eine schwache Zugspannung auf, um die Druckbeständigkeit des Films zu maximieren. Durch einen geringen Grad an Zugspannung in sowohl dem oberen Film als auch dem unteren Film der Vorrichtung wird die Langzeitstabilität des Sensors sichergestellt.
Im allgemeinen bestehen der obere und untere Film in einer solchen Vorrichtung aus einer Kombination von Siliziumnitridfilmen und Siliziumoxidfilmen. Es wird hierzu auf die DE 199 52 055 A1 verwiesen, die einen Strömungssensor gemäß Anspruch 1 offenbart.
Indem die relative Dicke der Siliziumnitridfilme und der Siliziumoxidfilme eingestellt wird, lässt sich die Spannung in dem oberen und unteren Film der Vorrichtung auf einem gewünschten Grad einstellen, um so eine geringe Zugspannung zu erreichen. Damit sowohl der obere als auch der untere Film der Vorrichtung einen geringen Grad an Zugspannung zeigen, müssen der obere Film und der untere Film der Vorrichtung jeweils sowohl einen Oxidfilm als auch einen Nitridfilm enthalten, wobei die Dicke des Oxidfilms und die Dicke des Nitridfilms gleich sein müssen. Mit anderen Worten sollte die folgende Gleichung 1 zutreffen: (Gesamtdicke des Nitridfilms im oberen Film)/(Gesamtdicke des Oxidfilms im oberen Film) = (Gesamtdicke des Nitridfilms im unteren Film)/(Gesamtdicke des Oxidfilms im unteren Film) (1)
Strömungssensoren zur Messung hoher Strömungsgeschwindigkeiten unterliegen dem Problem, dass der Luftstrom von der Membran (von den Filmen) abreißt. Der Luftstrom neigt im allgemeinen dazu abzureißen, wenn sich der Film konkav nach unten verformt. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, umso eher tritt dieses Problem auf. Wenn es zu dem Abreißen gekommen ist, ist die Strömungsmessung schwierig, da dies tendenziell zu einem unregelmäßigen Wirbel führt.
Während ein Siliziumnitridfilm eher eine Zugspannung hat, hat ein Siliziumoxidfilm eher eine Druckspannung und hat ein Platinfilm in der Vorrichtung wiederum eher eine Zugspannung. Wenn der Sensor entsprechend Gleichung 1 ausgelegt ist, neigt der sich ergebende Film dazu, eine nach unten gerichtete Höhlung aufzuweisen. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten reißt der Luftstrom daher leicht von dem Film ab und eine korrekte Strömungsgeschwindigkeitsmessung ist schwierig.
Der Erfindung liegt angesichts dessen die Aufgabe zugrunde, einen Strömungssensor zur Verfügung zustellen, der eine hochpräzise Strömungsgeschwindigkeitsmessung ermöglicht, indem das Abreißen des Luftstroms von der Membran verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Strömungssensor gemäß Anspruch 1 gelöst, der eine Membran mit oberen Isolierfilmschichten und unteren Isolierfilmschichten aufweist und bei dem die mittlere Spannung in den oberen Isolierfilmschichten mehr auf der Druckseite liegt als die mittlere Spannung in den unteren Isolierfilmschichten. Indem die mittlere Spannung in den oberen Isolierfilmschichten mehr auf der Druckseite eingestellt wird als in den unteren Isolierfilmschichten, bleibt die Membran entweder flach oder verformt sich nach oben, was bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten korrekte Strömungsgeschwindigkeitsmessungen zulässt.
Anhand der beigefügten Zeichnungen folgt nun eine genauere Beschreibung der Erfindung. Es zeigen:
1A schematisch eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Strömungssensor;
1B schematisch eine Schnittansicht entlang der Linie 1B-1B von 1A;
2 schematisch eine Vergrößerung des Fensters Y in 1B und eine grafische Darstellung der Spannungsverteilung an der Stelle des Fensters Y;
die 3A–3C schematisch Schnittansichten der einzelnen Fertigungsschritte für den Strömungssensor von 1A;
4A–4C schematisch Schnittansichten weiterer Fertigungsschritte für den Strömungssensor von 1A;
5 schematisch eine Seitenansicht einer für Simulationen verwendeten Vorrichtung;
6A schematisch eine Schnittansicht eines Teils einer in einer Simulation verwendeten Vorrichtung wie in 5;
6B schematisch die Membranverformung unter den Bedingungen von 6A;
7A schematisch eine Schnittansicht eines Teils einer in einer Simulation verwendeten Vorrichtung wie in 5;
7B schematisch die Membranverformung unter den Bedingungen von 7A;
8A schematisch eine Schnittansicht eines Teils einer in einer Simulation verwendeten Vorrichtung wie in 5;
8B schematisch die Membranverformung unter den Bedingungen von 8A;
9 eine grafische Darstellung der Simulationsergebnisse unter den Bedingungen der 6A, 7A und 8A;
die 10A–10C in Schnittansicht Darstellungen der Simulationen unter jeweils verschiedenen Bedingungen;
11 schematisch eine Perspektiveansicht einer Abwandlung des Strömungssensors; und
12 eine Schnittansicht entlang der Linie 12-12 in 11.
Die 1A und 1B zeigen einen auf Wärme ansprechenden Strömungssensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auf der Oberseite eines einkristallinen Siliziumsubstrats (Halbleitersubstrat) 1 befindet sich ein Siliziumnitridfilm 2, auf dem sich ein Siliziumoxidfilm 3 befindet. Die Filme 2, 3 verlaufen über die gesamte Oberseite des Substrats 1. Außerdem befinden sich oben auf dem Siliziumoxidfilm 3 Vorrichtungen 4, 5. Die Vorrichtungen 4, 5 bestehen aus dünnen Metallfilmen (mit geringem Widerstand), genauer gesagt aus dünnen Platinfilmen. Die Vorrichtungen umfassen ein Heizelement 4 (exotherme Vorrichtung) und einen Temperatursensor 5. Die Vorrichtungen 4, 5 befinden sich in der Mitte der Oberseite des Substrats 1. Des Weiteren befindet sich in einem Randabschnitt der Substratoberseite ein Strömungsthermometer 6. Das Strömungsthermometer 6 besteht ebenfalls aus einem Platinfilm. Das Heizelement 4, der Temperatursensor 5 und das Strömungsthermometer 6 sind so angeordnet, dass sich das Heizelement 4 auf der stromabwärtigen Seite und das Strömungsthermometer 6 auf der stromaufwärtigen Seite befinden. Die Richtung des Fluidstroms ist in 1A durch den Pfeil gekennzeichnet. Der Temperatursensor 5 befindet sich zwischen dem Heizelement 4 und dem Strömungsthermometer 6. Das Heizelement 4, der Temperatursensor 5 und das Strömungsthermometer 6 liegen wie dargestellt in Form von Filmstreifen vor.
Abgesehen davon ist auf dem Heizelement 4, dem Temperatursensor 5 und dem Strömungsthermometer 6 ein Siliziumoxidfilm 7 und auf dem Siliziumoxidfilm 7 ein Siliziumnitridfilm 8 ausgebildet. Die Filme 7, 8 verlaufen über die gesamte Oberseite des Substrats 1 und bedecken das Heizelement 4, den Temperatursensor 5 und das Strömungsthermometer 6.
In der Mitte des einkristallinen Siliziumsubstrats 1 ist eine Öffnung bzw. ein Hohlraum 10 ausgebildet, der durch das Siliziumsubstrat 1 hindurch geht. Das Heizelement 4 und der Temperatursensor 5 sind über der Öffnung 10 angeordnet, während sich das Strömungsthermometer 6 außerhalb des Umkreises der Öffnung 10 befindet. Die Öffnung 10 wurde durch Ätzen der Rückseite des Substrats 1 gebildet. Die das Heizelement 4 und den Temperatursensor 5 bildenden Streifen verlaufen von innerhalb des Umkreises der Öffnung 10 zu einer Stelle außerhalb des Umkreises der Öffnung 10. Am Rand des Siliziumsubstrats 1 sind auf dem Siliziumnitridfilm 8 Lötaugen (elektrische Kontakte) 4a und 4b für das Heizelement 4, Lötaugen 5a und 5b für den Temperatursensor 5 und Lötaugen 6a und 6b für das Strömungsthermometer 6 ausgebildet. Die Lötaugen 4a, 4b, 5a, 5b, 6a und 6b sind frei zugänglich und können an Bonddrähte (Verbindungsleitungen) angeschlossen werden.
In diesem Beispiel bilden der Siliziumnitridfilm 2 und der Siliziumoxidfilm 3 den unteren Isolierfilm, während der Siliziumoxidfilm 7 und der Siliziumnitridfilm 8 den oberen Isolierfilm bilden. Die äußerste Schicht des mehrlagigen Aufbaus unterer Isolierfilmschichten, der den Siliziumnitridfilm 2 und den Siliziumoxidfilm 3 umfasst, ist der Siliziumnitridfilm 2. Die Außenfläche des mehrlagigen Aufbaus oberer Isolierfilmschichten, der den Siliziumoxidfilm 7 und den Siliziumnitridfilm 8 umfasst, ist der Siliziumnitridfilm 8, der im Übrigen einen Passivierungsfilm darstellt.
Der besprochene Strömungssensor weist also die unteren Isolierfilmschichten 2, 3, die sich auf der Oberseite des Siliziumsubstrats 1 befinden, die Vorrichtungen 4, 5, die sich oben auf den unteren Isolierfilmen 2, 3 befinden, und die oberen Isolierfilmschichten 7, 8 auf, die sich oben auf den Vorrichtungen 4, 5 befinden. Darüber hinaus ist in dem Siliziumsubstrat 1 unterhalb der Vorrichtungen 4, 5 die Öffnung 10 ausgebildet. Des weiteren bilden die unteren Isolierfilme 2, 3 und die oberen Isolierfilme 7, 8, die die Vorrichtungen 4, 5 von beiden Seiten umgeben, am oberen Ende der Öffnung 10 eine Membran.
Der Strömungssensor arbeitet wie folgt:
Bei dieser Art von auf Wärme ansprechenden Strömungssensoren wird zunächst auf Grundlage des Widerstands in den Metallverbindungsleitungen, die das Strömungsthermometer 6 bilden, die Lufttemperatur gemessen. Dann wird über eine entsprechende Regelung eine Spannung an das Heizelement 4 angelegt, um eine Heizelementtemperatur zu erzielen, die um ein vorgeschriebenes Maß (z. B. 200°C) höher als die durch das Strömungsthermometer 6 erfasste Lufttemperatur ist. Durch die Luftströmung und den dadurch bedingten Wärmeverlust nimmt die Temperatur des Temperatursensors 5 ab, der sich bezüglich des Heizelements 4 auf der stromaufwärtigen Seite befindet. Durch Erfassen seines Widerstands kann die Temperatur des Temperatursensors 5 ermittelt werden, die zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft verwendet werden kann.
Die Temperatur des Heizelements 4 wird um ein vorgeschriebenes Maß über die des Strömungsthermometers 6 gehoben, damit sich die Luftstromgeschwindigkeit auch dann korrekt erfassen lässt, wenn sich die Temperatur der Luft ändert (damit mit anderen Worten ausgedrückt die thermischen Kennwerte verbessert werden). Wenn jedoch die Lufttemperatur bei einer bestimmten Anwendung als konstant bekannt ist, wären das Strömungsthermometer 6 und die zugehörige Regelung unnötig.
Das Heizelement 4 befindet sich bei diesem Bespiel zwar auf der stromaufwärtigen Seite des Temperatursensors 5, doch kann das Heizelement 4 auch auf der stromabwärtigen Seite des Temperatursensors 5 angeordnet sein. Abgesehen davon kann auch der Temperatursensor 5 auf der stromaufwärtigen oder der stromabwärtigen Seite angeordnet sein. Tatsächlich ist die Position des Temperatursensors 5 beliebig, solange sich die Temperatur an der Stelle des Temperatursensors 5 mit der Strömung ändert.
Die Kerneigenschaften des Strömungssensors dieses Ausführungsbeispiels sind wie folgt:
Der linke Teil von 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Kreisfensters Y in 1B. In dieser Ansicht bezeichnen td1 die Dicke des Siliziumnitridfilms 2 in den unteren Isolierfilmschichten, td2 die Dicke des Siliziumoxidfilms 3 in den unteren Isolierfilmschichten, tu1 die Dicke des Siliziumoxidfilms 7 in den oberen Isolierfilmschichten und tu2 die Dicke des Siliziumnitridfilms 8 in den oberen Isolierfilmschichten. Die Filmdicke td1 des Siliziumnitridfilms 2 ist gleich der Filmdicke tu2 des Siliziumnitridfilms 8 (td1 = tu2), während die Filmdicke tu1 des Siliziumoxidfilms 7 größer als die Filmdicke td2 des Siliziumoxidfilms 3 ist (tu1 > td2). Genauer gesagt gilt (tu1/td2) > 1,22. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, liegt die mittlere Spannung σ_up·av in den oberen Isolierfilmschichten 7, 8 um Δσ mehr auf der Druckseite als die mittlere Spannung σ_down·av in den unteren Isolierfilmschichten 2, 3.
Die Filmdicken betragen im Einzelnen 0,12 μm für die Filmdicke td1 des Siliziumnitridfilms 2, 0,3 μm für die Filmdicke td2 des Siliziumoxidfilms 3, 0,7 μm für die Filmdicke tu1 des Siliziumoxidfilms 7 und 0,12 μm für die Filmdicke tu2 des Siliziumnitridfilms 8.
Die mittlere Spannung σ_av in einem Film kann über die folgende Gleichung 2 ausgedrückt werden, wenn der Film einen mehrlagigen Aufbau mit n (n = 1, 2, 3, ...) Schichten aufweist, wobei die Dicke jeder Schicht t1, t2, ..., tn und die Spannung in jedem Film σ1, σ2, ..., σn sind.
Bei einem einlagigen Film (n = 1) beträgt die mittlere Spannung σ_av demnach σ1. Die mittlere Spannung σ_up·av in den oberen Isolierfilmschichten 7, 8 liegt auf der Druckseite, während die mittlere Spannung σ_down·av in den unteren Isolierfilmschichten 2, 3 auf der Zugseite liegt. Abgesehen davon befindet sich die mittlere Spannung über die gesamte Membran hinweg bzw. die Spannung in den Isolierfilmen (Filme 2, 3, 7 und 8) auf der Oberseite und der Unterseite der Vorrichtungen 4, 5 etwas auf der Zugseite.
Daher liegt die Spannung in dem Siliziumoxidfilm auf der Druckseite, die Spannung in dem Siliziumnitridfilm auf der Zugseite, die Spannung in den oberen Isolierfilmschichten auf der Druckseite, die Spannung in den unteren Isolierfilmschichten auf der Zugseite und die mittlere Spannung über die gesamte Membran leicht auf der Zugseite. Die Dicken td1, td2, tu1 und tu2 werden so eingestellt, dass sich diese Spannungseigenschaften ergeben. Als Folge dessen bildet die gesamte Membran eine Oberfläche, die flach ist oder sich auf konvexe Weise leicht nach oben wölbt (von oberhalb der Vorrichtung gesehen). Luft, die über eine solche Oberfläche strömt, reißt nicht von der Oberfläche ab. Daher sind auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten Luftstrommessungen möglich.
Eine andere Herangehensweise, die Verformung in dem Film (Membran) zu verhindern, ist, die Dicke des Films zu erhöhen. Allerdings würde dann eine große Wärmemenge von dem Heizelement 4 durch den Film (Membran) hindurch fließen, was zu einem größeren Energieverbrauch führen würde. Abgesehen davon könnte die Membran leichter beschädigt werden, wenn sich die gesamte Membran (der Satz Filme) unter einer starken Zugspannung befände. Wenn sich die Membran unter einer Druckspannung befindet, kann sich die Membran wölben. Daher ist ein geringer Grad Zugspannung optimal.
Indem also die Spannungsverteilung innerhalb der Membran eingestellt wird, ohne die mittlere Spannung und die Gesamtdicke der Membran (td1 + td2 + tu1 + tu2) zu verändern, lässt sich ein Strömungssensor aufbauen, mit dem sich selbst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten Messungen durchführen lassen, ohne die Spannung, die Festigkeit und die Zuverlässigkeit (Druckbeständigkeit, Ätzwiderstand und Haltbarkeit) der Membran nachteilig zu beeinflussen, während die Gesamtfilmdicken (td1 + td2) der Nitridfilme oberhalb und unterhalb der Vorrichtungen 4, 5 beibehalten werden.
Die 3A–3C und 4A–4C zeigen die Fertigungsschritte für den Strömungssensor. Wie in 3A gezeigt ist, werden für die unteren Isolierfilmschichten auf der Oberseite des einkristallinen Siliziumsubstrats 1 der Siliziumnitridfilm 2 und oben auf dem Siliziumnitridfilm 2 der Siliziumoxidfilm 3 ausgebildet. Als Nächstes wird durch Bedampfen ein 200 nm dicker Platinfilm für das Heizelement 4, den Temperatursensor 5 und das Strömungsthermometer 6 ausgebildet. Zusätzlich wird unterhalb des Platinfilms als Adhäsionsschicht eine (nicht in den Figuren gezeigte) Titanschicht abgeschieden. Dann wird in den Platinfilm durch Ätzen ein Muster eingebracht, um das Heizelement, den Temperatursensor und das Strömungsthermometer in die vorgeschriebenen Formen zu bringen.
Wie in 3B gezeigt ist, wird für die oberen Isolierfilmschichten oberhalb des Siliziumoxidfilms 3 wie auch oberhalb des Heizelements 4, des Temperatursensors 5 und des Strömungsthermometers 6 der Siliziumoxidfilm 7 ausgebildet. Dann wird ebenfalls für die oberen Isolierfilmschichten oben auf dem Siliziumoxidfilm 7 der Siliziumnitridfilm 8 ausgebildet. Die oberen Isolierfilmschichten 7, 8 werden so ausgebildet, dass die mittlere Spannung in den oberen Isolierfilmschichten 7, 8 mehr auf der Druckseite liegt als die mittlere Spannung in den unteren Isolierfilmschichten 2, 3. Mit anderen Worten umfasst mindestens einer der Schritte zum Ausbilden der oberen Isolierfilmschichten 7, 8 und unteren Isolierfilmschichten 2, 3 Schritte zum Ausbilden eines mehrlagigen Aufbaus aus einem Siliziumnitridfilm und einem Siliziumoxidfilm. In den Schritten zum Ausbilden des mehrlagigen Aufbaus aus dem Siliziumnitridfilm und dem Siliziumoxidfilm werden die Siliziumnitridfilme 2, 8 auf den Außenflächen ausgebildet und ist die Filmdicke tut des Siliziumoxidfilms 7 in den oberen Isolierfilmschichten 7, 8 dicker als die Filmdicke td2 des Siliziumoxidfilms 3 in den unteren Isolierfilmschichten 2, 3. Diese Filme sollten im Einzelnen so ausgebildet werden, dass (tu1/td2) > 1,22 gilt.
Wie in 3C gezeigt ist, wird dann ein Teil der oberen Isolierfilmschichten 7, 8 weggeätzt, um ein Kontaktloch 20 auszubilden.
Nachdem auf der gesamten Oberfläche eine 500 nm dicke Schicht aus Gold aufgedampft wurde, werden die Teile ohne Belag weggeätzt (bzw. mit einem Muster versehen), um die in 4A gezeigten Lötaugen 4a, 4b, 5a, 5b, 6a und 6b auszubilden. Wie in 4B gezeigt ist, wird dann auf der Rückseite des Substrats 1 ein Film 21 abgeschieden, der entweder ein Siliziumnitridfilm oder ein Siliziumoxidfilm ist. Ein vorgeschriebener Teil dieses Films 21 wird weggeätzt. Der Film 21 fungiert als eine Maske, um von der Rückseite des Substrats Silizium wegzuätzen.
Wie in 4C gezeigt ist, wird die Rückseite des Siliziumsubstrats 1 unter Verwendung einer TMAH-Lösung oder einer KOH-Lösung anisotrop geätzt, um die Öffnung 10 auszubilden. Um eine Beschädigung auf der Seite des Siliziumsubstrats 1 zu vermeiden, die nicht geätzt wird (Oberseite in der Figur), kann die Oberseite des Substrats während des Ätzens mit einem Schutzfilm aus einem Material wie Harz bedeckt werden.
Mit den oben beschriebenen Schritten kann der in den 1A und 1B gezeigte Strömungssensor hergestellt werden. Im folgenden Abschnitt werden nun die Simulationsergebnisse für die Spannungsverteilung in den Filmen diskutiert.
Wie in 5 gezeigt ist, werden die Kantenstellen der Öffnung 10 festgelegt (x = 0, x = 1) und wird in der Mitte (x = 0,5) der Öffnung 10 das jeweilige Ausmaß der Ablenkung der Vorrichtungen 4, 5 in Aufwärts- und Abwärts- bzw. Vertikalrichtung berechnet.
Wie in den 6A, 7A und 8A gezeigt ist, wurden für die Filmdicken drei Sätze Bedingungen herangezogen. Unter dem in 6A gezeigten ersten Satz Bedingungen waren in den oberen Isolierfilmschichten der Siliziumnitridfilm 0,12 μm und der Siliziumoxidfilm 0,5 μm dick. In den unteren Isolierfilmschichten waren der Siliziumoxidfilm 0,5 μm und der Siliziumnitridfilm 0,12 μm dick.
Unter dem in 7A gezeigten zweiten Satz Bedingungen waren in den oberen Isolierfilmschichten der Siliziumnitridfilm 0,12 μm und der Siliziumoxidfilm 0,3 μm dick. In den unteren Isolierfilmschichten waren der Siliziumoxidfilm 0,7 μm und der Siliziumnitridfilm 0,12 μm dick.
Unter dem in 8A gezeigten dritten Satz Bedingungen waren in den oberen Isolierfilmschichten der Siliziumoxidfilm 0,7 μm und der Siliziumnitridfilm 0,12 μm dick. In den unteren Isolierfilmschichten waren der Siliziumnitridfilm 0,12 μm und der Siliziumoxidfilm 0,3 μm dick.
Der Spannungsgrad war in der Membran unter allen drei Sätzen an Bedingungen im Mittel der gleiche, da die Membran eine schwache Zugspannung hatte. Unter dem ersten Satz Bedingungen (6A) lag die Spannung in sowohl den oberen Filmen als auch den unteren Filmen leicht auf der Zugseite. Unter dem zweiten Satz Bedingungen (7A) lag die Spannung in den oberen Filmen auf der Zugseite und in den unteren Filmen auf der Druckseite. Unter dem dritten Satz Bedingungen (8A) lag die Spannung in den oberen Filmen auf der Druckseite und in den unteren Filmen auf der Zugseite.
Der erste Satz Bedingungen von 6A ist mit den Bedingungen in der Vorrichtung der japanischen Offenlegungsschrift JP 11-194043 A vergleichbar. In diesem Fall wölbt oder verformt sich die Membran wie in 6B gezeigt auf konkave Weise nach unten (von oberhalb der Vorrichtung gesehen). Die in 6B mit X gekennzeichneten Stellen entsprechen denen in 5. Das Ausmaß der Verformung (Auslenkung) betrug 0,06 μm. Unter dem zweiten Satz Bedingungen von 7A ist die Gesamtdicke der Nitridfilme und Oxidfilme die gleiche wie unter dem ersten Satz Bedingungen. Allerdings ist der obere Oxidfilm dünner als der untere Oxidfilm. In diesem Fall verformt sich die Membran wie in 7B gezeigt verglichen mit der Vorrichtung des ersten Satzes Bedingungen (6A) weiter nach unten und betrug das Ausmaß der Verformung (Auslenkung) 0,25 μm. Unter dem dritten Satz Bedingungen von 8A, der mit dem der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels vergleichbar ist, ist der obere Oxidfilm dicker als der untere Oxidfilm. In diesem Fall verformt sich die Membran wie in 8B gezeigt auf konvexe Weise nach oben. Das Ausmaß der Verformung betrug 0,15 μm.
9 fasst die Daten der Vorrichtungssimulationsergebnisse zusammen. Die X-Achse in 9 entspricht dem folgenden Verhältnis: (Dicke des Siliziumoxidfilms in den oberen Isolierfilmschichten)/(Gesamtdicke des Siliziumoxidfilms in den unteren Isolierfilmschichten und des Siliziumoxidfilms in den oberen Isolierfilmschichten)
Die Y-Achse entspricht dem Ausmaß der Verformung in der Mitte der Membran. In 9 ist das gemessene Verformungsausmaß unter allen drei Sätzen Bedingungen aufgetragen und die aufgetragenen Punkte nach der Methode der kleinsten Quadrate zeigen einen linearen Fit. Wenn das Ausmaß der Verformung bei der Methode der kleinsten Quadrate auf der linearen Fit-Geraden Null ist, beträgt der Wert auf der X-Achse 0,55. Die Membran biegt sich daher konvex nach oben durch oder bleibt flach, wenn folgende Bedingung zutrifft: (Dicke des Siliziumoxidfilms in den oberen Isolierfilmschichten)/(Dicke des Siliziumoxidfilms in den unteren Isolierfilmschichten) > 1,22 ((0,55/(1 – 0,55)) = 1,22).
Wie in 10A gezeigt ist, reißt der Luftstrom unter dem ersten Satz Bedingungen von 6A bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ab. Mit anderen Worten biegen sich die Filme nach unten durch, wenn die Oxidfilme in den oberen und unteren Schichten die gleiche Filmdicke haben, was bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu einem Abreißen des Luftstroms führt. Unter dem zweiten Satz Bedingungen von 7A ist das Ausmaß der Durchbiegung sogar noch größer als unter dem ersten Satz Bedingungen und es kommt bei einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit als unter dem ersten Satz Bedingungen zum Abreißen der Strömung.
Unter dem dritten Satz Bedingungen von 8A biegen sich dagegen die Filme wie in 10C gezeigt nach oben durch und die Strömung reißt nicht ab. Die Strömungsgeschwindigkeitsmessung ist daher auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten möglich. Indem der Oxidfilm in den oberen Schichten dicker als der Oxidfilm in den unteren Schichten eingestellt wird, kann die Membran (die Filme) dazu gebracht werden, sich nach oben durchzubiegen, sodass auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ein Abreißen verhindert wird. Wenn zudem das Ausmaß der Durchbiegung in der Vertikalrichtung der Zeichnungen Null ist, kommt es wie in 10B gezeigt zu keinem Abreißen und es sind auch bei hohen Luftstromgeschwindigkeiten Strömungsgeschwindigkeitsmessungen möglich.
Die Vorrichtung der japanischen Offenlegungsschrift JP 11-194043 A hat durch die schwache Zugspannung in den oberen wie auch unteren Filmen und durch die im Mittel schwache Zugspannung in der gesamten Membran eine höhere Stabilität. Allerdings zeigen die Simulationsergebnisse in 9, dass sich die Membran bei einer solchen Vorrichtung nach unten durchbiegen würde. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel hat zwar der Gesamtfilm die gleiche schwache Zugspannung, doch wird die Durchbiegung durch geeignetes Einstellen der Spannungsverteilung in den Filmen unter Kontrolle gehalten.
Wie bislang erläutert wurde, kann die Membran dazu veranlasst werden, sich nach oben durchzubiegen oder flach zu bleiben, ohne die Dicke der Membran zu erhöhen, indem die Filmdickenverteilung innerhalb der Membran zwischen den Filmen oberhalb der Vorrichtung und den Filmen unterhalb der Vorrichtung abgeändert wird, während im Mittel eine Zugspannung aufrecht erhalten wird, um auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ein Abreißen des Luftstroms zu verhindern und um sicherzustellen, dass der Strömungssensor auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten messen kann.
Wie bis lang erläutert wurde, hat der Strömungssensor des vorliegenden Ausführungsbeispiels die folgenden Eigenschaften.
Wie in 2 gezeigt ist, liegt die mittlere Spannung σ_up·av in den oberen Isolierfilmschichten 7, 8 verglichen mit der mittleren Spannung σ_down·av in den unteren Isolierfilmschichten 2, 3 mehr auf der Druckseite. Dadurch biegen sich die oberen und unteren Isolierfilme 2, 3, 7 und 8, die die Vorrichtungen 4, 5 von oben und unten bedecken, an dem Punkt, an dem die Vorrichtungen 4, 5 gelegen sind, nicht nach unten und das Abreißen des Luftstroms wird verhindert, das normalerweise bei nach unten durchgebogener Membran zu beobachten ist. Mit anderen Worten biegt sich die Membran an dem Punkt, an dem die Vorrichtungen 4, 5 gelegen sind, nicht durch oder zumindest nach oben. Da das Abreißen des Luftstroms an dem Punkt, an dem die Vorrichtungen 4, 5 gelegen sind, unter Kontrolle gehalten wird, sind hochpräzise Strömungsgeschwindigkeitsmessungen möglich.
Wie in 2 gezeigt ist, umfassen zumindest die oberen Isolierfilmschichten oder die unteren Isolierfilmschichten einen mehrlagigen Aufbau, der einen Siliziumnitrid- und einen Siliziumoxidfilm enthält. Indem darüber hinaus die Siliziumnitridfilme 2, 8 an den Außenflächen des mehrlagigen Aufbaus aus Siliziumnitrid- und Siliziumoxidfilmen angeordnet werden, können die Siliziumnitridfilme 2, 8 als Oberflächenpassivierungsschichten dienen.
Da die Dicke tu1 des Siliziumoxidfilms 7 in den oberen Isolierfilmschichten wie in 2 gezeigt größer als die Dicke td2 des Siliziumoxidfilms 3 in den unteren Isolierfilmschichten ist, liegt die mittlere Spannung σ_up·av in den oberen Isolierfilmschichten verglichen mit der mittleren Spannung σ_down·av in den unteren Isolierfilmschichten mehr auf der Druckseite.
Genauer gesagt zeigen die Ergebnisse in 9, dass dann, wenn der Zusammenhang zwischen der Dicke tu1 des Siliziumoxidfilms 7 in den oberen Isolierfilmschichten und der Dicke td2 des Siliziumoxidfilms 3 in den unteren Isolierfilmschichten (tu1/td2) > 1,22 entspricht, noch besser sichergestellt werden kann, dass sich die Membran (Filme) an der Stelle, an der die Vorrichtungen 4, 5 gelegen sind, nach oben durchbiegt oder flach bleibt.
Die Vorrichtungen 4, 5 sollten Materialien enthalten, die Zugspannung zeigen, etwa Platin.
Im Folgenden werden weitere Beispiele beschrieben.
Neben den Siliziumoxidfilmen und Siliziumnitridfilmen können für die Isolierfilme (jeweils für sich) Aluminiumoxid-(Al₂O₃-), SiON, TiO₂, Ta₂O₅, und MgO-Filme verwendet werden. Kombinationen dieser Filme können in mehrlagigen Filmen ebenfalls verwendet werden.
Neben Platin können für die Vorrichtungen 4, 5 auch andere Materialien wie Polysilizium, NiCr, TaN, SiC oder W verwendet werden.
Abgesehen davon ist der Strömungssensor nicht auf die in den 1A und 1B gezeigte Ausführungsform beschränkt, sondern kann, wie zum Beispiel in den 11 und 12 gezeigt ist, brückenförmig sein. In diesem Fall sind auf der Oberseite eines Siliziumsubstrats 1 Schlitze 30 enthaltende Filme 2, 3, 7 und 8 ausgebildet. Für den Sensor ist auf dem Siliziumsubstrat 1 unterhalb der Schlitze 30 eine Vertiefung bzw. ein Hohlraum 31 ausgebildet.

Claims

Strömungssensor, mit: einem Satz unterer Isolierfilme (2, 3), der auf einer Oberseite eines Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist; elektrischen Vorrichtungen (4, 5), die sich auf den unteren Isolierfilmen (2, 3) befinden; einem Satz oberer Isolierfilme (7, 8), der auf den Vorrichtungen (4, 5) ausgebildet ist; und einem Hohlraum (10, 31), der unterhalb der Vorrichtungen (4, 5) in dem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Filmsätze einen Siliziumoxidfilm (3, 7) enthalten und die Dicke (tu1) des Siliziumoxidfilms (7) in dem Satz oberer Isolierfilmschichten (7, 8) größer als die Dicke (td2) des Siliziumoxidfilms (3) in dem Satz unterer Isolierfilmschichten (2, 3) ist, wodurch die mittlere Spannung (σ_up·av) in den oberen Isolierfilmschichten (7, 8) mehr auf der Druckseite liegt als die mittlere Spannung (σ_down·av) in den unteren Isolierfilmschichten (2, 3).
Strömungssensor nach Anspruch 1, bei dem der Satz oberer Isolierfilmschichten (7, 8) und/oder der Satz unterer Isolierfilmschichten (2, 3) außer dem Siliziumoxidfilm (3, 7) einen Siliziumnitridfilm (2, 8) enthält.
Strömungssensor nach Anspruch 2, bei dem der Siliziumnitridfilm (2, 8) der äußerste Film dieses zumindest einen Satzes Isolierfilmschichten ist.
Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Verhältnis der Filmdicke des Siliziumoxidfilms (7) in den oberen Isolierfilmschichten (7, 8) zur Filmdicke des Siliziumoxidfilms (3) in den unteren Isolierfilmschichten (2, 3) größer als 1,22 ist.
Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Vorrichtungen (4, 5) unter Zugspannung stehen.
Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Vorrichtungen (4, 5) aus einem platinhaltigen Material bestehen.