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Technisches Gebiet
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Bei vielen Prozessen muss eine definierte Luftmasse zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, die unter geregelten Bedingungen ablaufen, wie die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei Heißfilmluftmassensensoren eingesetzt.
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Stand der Technik
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DE 101 17 486 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Halbleiterbauelement. Bei dem Halbleiterbauelement handelt es sich um ein mehrschichtiges Halbleiterbauelement, vorzugsweise um ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere einen Wärmeleitsensor, der ein Halbleitersubstrat, insbesondere aus Silizium und einen Sensorbereich aufweist. Zur kostengünstigen Herstellung einer thermischen Isolierung zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Sensorbereich wird eine poröse Schicht in dem Halbleiterbauelement vorgesehen. Diese isoliert den Sensorbereich gegenüber dem Halbleitersubstrat zumindest teilweise thermisch. In einem weiteren Schritt wird ein Hohlraum bzw. eine Kaverne unter oder aus der ersten porösen Schicht in dem Halbleiterbauelement gebildet.
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DE 100 46 622 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Membransensoreinheit sowie auf eine Membransensoreinheit. Gemäß des Verfahrens zur Herstellung einer Membransensoreinheit mit einem Halbleitermaterialträger wird ein Halbleitermaterialträger vorgeschlagen, bei welchem für die Ausbildung von Sensorelementstrukturen für wenigstens einen Sensor eine flächige Membran und eine Isolationswanne zur thermischen Isolierung unter der Membran erzeugt wird. Der Halbleitermaterialträger erhält in einem vorgegebenen Bereich, der Sensorelementstrukturen definiert, eine zum umgebenden Halbleitermaterial gezielt unterschiedliche Dotierung. Aus Halbleitermaterialabschnitten zwischen den durch Dotierung ausgezeichneten Bereichen wird ein poröses Halbleitermaterial erzeugt. Das Halbleitermaterial wird im Wannenbereich unter dem porösizierten Halbleitermaterial und Teilen der Sensorelementstruktur entfernt und/oder porösiziert.
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Aus „Kraftfahrtechnisches Taschenbuch”, Herausgeber Robert Bosch GmbH, 23. Auflage, Seite 116 f., Vieweg Verlag Wiesbaden, 1999, ist bekannt, bei einem Heißfilmluftmassensensor auf einer dünnen Sensormembran einen Heizwiderstand anzuordnen, der von zwei Temperaturmesswiderständen umgeben ist. In einem Luftstrom, der über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung und wird von den Temperaturmesswiderständen erfasst. Aus der Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände ist der Luftmassenstrom bestimmbar.
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Damit ein möglichst großer Anteil des vom Heizelement auf der Sensormembran abgegebenen Wärmestromes an die Luft abgegeben wird, und nicht über das Silizium des Sensorchips abgeleitet wird, ist die Membran möglichst dünn auszuführen. Weiterhin ist zur Isolierung unterhalb der Membran, bei den derzeit eingesetzten Heißfilmluftmassensensoren eine Kaverne ausgebildet. Da der Sensorchip in einer Trägerstruktur aufgenommen ist, ist die Kaverne rundum abgeschlossen und es findet kein Luftaustausch mit der Umgebung statt. Hierdurch wird die Isolierwirkung der Kaverne weiter erhöht.
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Nachteilig bei den derzeit eingesetzten Sensorchips ist es, dass die mechanische Stabilität des Sensorchips nur durch den die Sensormembran umgebenen Rahmen aufrechterhalten wird. Zudem ist die Membran selbst empfindlich gegenüber mechanischen Einflüssen.
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Darstellung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, zur Abstützung der Membran eine Stützstruktur aus porösem Silizium unterhalb der Membran anzuordnen.
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Zur Reduzierung der thermischen Kopplung der Sensormembran an den Siliziumchip und zur Aufrechterhaltung der Isolierung unterhalb der Sensormembran, ist die Porosität der Stützstruktur direkt unter der Membran möglichst hoch zu wählen. Die Porosität der Stützstruktur direkt unter der Sensormembran liegt vorzugsweise im Bereich kleiner 0,7, wobei eine Porosität von 1 bedeutet, dass kein Siliziumoxid vorhanden ist, während eine Porosität von 0 reines Siliziumoxid bedeutet. Die poröse Schicht umfasst vorzugsweise eine hochporöse Schicht, der sich eine Schicht mit abnehmender Porosität anschließt. Die Dicke der hochporösen Schicht wird so ausgeführt, dass insgesamt gerade eine ausreichende Isolierwirkung aufgebaut wird. Dazu weist die hochporöse Schicht eine Dicke von vorzugsweise höchstens 200 μm, mehr bevorzugt von höchstens 100 μm und insbesondere von höchstens 30 μm auf. Ab dieser Dicke wird mit weiter zunehmender Entfernung von der Sensormembran die Porosität der Stützstruktur verringert. Hierdurch wird gewährleistet, dass die in der Stützstruktur gespeicherte Wärmemenge besser an den die Stützstruktur umgebenden Sensorchip abgegeben werden kann. Insgesamt nimmt die Dicke der Stützstruktur nur einen Teil der Dicke des Sensorchips ein. Das bedeutet, dass die Stützstruktur auf der Oberseite durch die Sensormembran begrenzt wird und auf allen anderen Seiten durch das Material des Sensorchips. Sowohl der Sensorchip als auch die Stützstruktur bestehen dabei vorzugsweise aus Silizium. Die Sensormembran wird vorzugsweise aus Siliziumoxid gefertigt und mit einer Siliziumnitridbeschichtung versehen.
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Zur Messung des Luftmassenstromes sind auf der Sensormembran in einer ersten Ausführungsvariante ein Heizelement und zwei Temperatursensoren angeordnet. Dabei sind die Temperatursensoren in Strömungsrichtung vor und hinter dem Heizelement angebracht. Bei einem vom Heizelement abgegebenen konstanten Wärmestrom lässt sich so aus der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren der Luftmassenstrom bestimmen. Neben den Temperatursensoren vor und hinter dem Heizelement können auch weitere Temperatursensoren zur Messung der Umgebungslufttemperatur auf dem Sensorchip angeordnet sein.
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In einer zweiten Ausführungsvariante sind auf der Sensormembran zwei Heizelemente angeordnet. Weiterhin befinden sich in Strömungsrichtung jeweils vor und hinter den Heizelementen Temperatursensoren. Zur Bestimmung des den Sensorchip überströmenden Luftmassenstromes wird das Temperaturprofil im Luftstrom durch Variation des zugeführten Wärmestromes konstant gehalten. Abhängig vom Wärmestrom beziehungsweise der zugeführten Heizleistung lasst sich so der Luftmassenstrom bestimmen. Auch in dieser Ausführungsvariante können weitere Temperatursensoren auf dem Sensorchip angeordnet sein, um die Lufttemperatur zu messen.
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Neben den in den Ausführungsvarianten beschriebenen Anordnungen von Heizelement und Temperatursensoren sind jedoch auch alle weiteren dem Fachmann bekannten Anordnungen von Heizelementen und Temperatursensoren denkbar, mit denen über die Temperaturdifferenz und den zugegebenen Wärmestrom der Luftmassenstrom bestimmt werden kann.
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Das zumindest eine Heizelement und die Temperatursensoren sowie die Leiterbahnen zur Spannungsversorgung bzw. zur Erfassung der Messdaten sind vorzugsweise aus Platin gefertigt. Ein weiteres Material zur Fertigung des zumindest einen Heizelementes, der Temperatursensoren und der Leiterbahnen ist Siliziumcarbid, welches eine hohe mechanische und thermische Stabilität aufweist.
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Die Temperatursensoren arbeiten vorzugsweise als Widerstandsthermometer. Es ist jedoch auch möglich, Temperatursensoren in Form von Thermoelementen einzusetzen.
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Zeichnung
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
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Es zeigt:
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1 ein Ausschnitt aus einem Heißfilmluftmassensensor nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Darstellung,
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2 ein Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Sensorchip,
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3 ein Ausschnitt aus einem Heißfilmluftmassensensor mit Thermopiles in einer perspektivischen Darstellung.
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Ausführungsvarianten
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In 1 ist ein Ausschnitt aus einem Heißfilmluftmassensensor nach dem Stand der Technik in perspektivischer Darstellung dargestellt.
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Zur Messung des Luftmassendurchsatzes ist ein Heißfilmluftmassensensor 1 in einem hier nicht dargestellten Messkanal angeordnet. Die Anströmrichtung der zu messenden Luftmasse ist durch einen mit Bezugszeichen 15 bezeichneten Pfeil gekennzeichnet. Hierbei wird der einen Sensorchip 3 mit einer Sensormembran 4 umfassende Heißfilmluftmassensensor 1 von der Luft umströmt. Zur Stabilisierung und zum Schutz der Sensormembran 4, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, ist der vorzugsweise aus Silizium gefertigte Sensorchip 3 in einer Aufnahme 7 einer Trägerstruktur 5 aufgenommen. Um die Wärmeleitung innerhalb des Sensorchips 3 möglichst gering zu halten, befindet sich unterhalb der Sensormembran 4 eine Kaverne 6. Die sich in der Kaverne 6 befindende Luft wirkt aufgrund ihrer im Vergleich zu Silizium niedrigen Wärmekapazität und ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit isolierend.
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Eine strömungstechnisch günstige Form des Heißfilmluftmassensensors 1 wird dadurch erhalten, dass die Trägerstruktur 5 auf der Anströmseite der Luft eine abgerundete Anströmkante 14 aufweist. Neben der in 1 dargestellten abgerundeten Anströmkante 14 der Trägerstruktur 5 kann die Anströmkante 14 auch jedes weitere dem Fachmann bekannte, aerodynamisch günstige Anströmprofil aufweisen. Hierzu zählen insbesondere elliptische und parabolische Profile.
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Um das Einführen des Sensorchips 3 in die mit einem Boden 8 und Dichtflächen 9 als Seitenflächen versehene Aufnahme 7 der Trägerstruktur 5 zu erleichtern, sind die Dichtflächen 9 der Aufnahme 7 mit einer umlaufenden Fase 10 versehen. Durch die Dichtflächen 9, die mit den Seitenflächen 19 des Sensorchips 3 in Kontakt sind, wird eine Luftströmung in die Kaverne 6 unter der Sensormembran 4 vermieden. Hierdurch wird vermieden, dass beim Überströmen des Heißfilmluftmassensensors 1 ein Teil des Luftstromes durch einen Spalt zwischen Trägerstruktur 5 und Sensorchip 3 unter den Sensorchip 3 gelangt.
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Der Sensorchip 3 ist vorzugsweise so in der Trägerstruktur 5 angeordnet, dass die Oberseite 21 der Trägerstruktur 5 und die Oberseite 18 des Sensorchips 3 eine Ebene bilden. Die Ausrichtung des Sensorchips 3 in der Trägerstruktur 5 erfolgt mit Hilfe eines Spaltes 17 unterhalb des Sensorchips 3. Der Spalt 17 dient dabei als Toleranzausgleich, wobei der Abstand vom Boden 8 zur Oberseite 21 der Trägerstruktur 5 größer sein muss als der Abstand von der Unterseite 20 von die Sensormembran 4 umgebenden verdickten Bereichen 16 zur Oberseite 18 des Sensorchips 3. Die Befestigung des Sensorchips 3 in der Trägerstruktur 5 erfolgt durch eine in 1 nicht dargestellte Verklebung. Bei der Verklebung ist darauf zu achten, dass kein Klebstoff in die Kaverne 6 unterhalb der Sensormembran 4 gelangt. Die Menge des Klebstoffes ist so zu bemessen, dass die Oberseite 18 des Sensorchips 3 und die Oberseite 21 der Trägerstruktur 5 eine Ebene bilden.
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Zur Bestimmung der Luftmasse, die durch den in 1 nicht dargestellten Messkanal strömt, sind auf der Sensormembran 4 ein Heizelement 11, ein erster Temperatursensor 12 und ein zweiter Temperatursensor 13 quer zur Anströmrichtung 15 der Luft angeordnet. Zur Bestimmung der den Heißfilmluftmassensensor 1 überströmenden Luftmasse wird zunächst mit dem ersten Temperatursensor 12 die Temperatur der Luft gemessen, im weiteren Verlauf wird die den Heißfilmluftmassensensor 1 überströmende Luft am Heizelement 11 mit einem konstanten Wärmestrom aufgeheizt und abschließend die Temperatur mit dem zweiten Temperatursensor 13 erneut gemessen. Die den Heißfilmluftmassensensor 1 überströmende Luftmasse ist bei konstantem zugeführtem Wärmestrom und bei konstanter spezifischer Wärmekapazität direkt umgekehrt proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor 12 und dem zweiten Temperatursensor 13.
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Zur thermischen Entkopplung des Heizelementes 11 vom Sensorchip 3 ist das Heizelement 11 auf der Sensormembran 4 angebracht. Aufgrund der geringen Dicke der Sensormembran 4 wird nur ein geringer Anteil der vom Heizelement 11 abgegebenen Wärme durch Wärmeleitung an den Sensorchip 3 transportiert. Eine weitere Reduzierung der Wärmeleitung von der Sensormembran 4 zum Sensorchip 3 wird dadurch erreicht, dass die Sensormembran 4 vorzugsweise aus Siliziumoxid gefertigt ist. Im Vergleich zu dem vorzugsweise aus Silizium gefertigten Sensorchip 3 weist Siliziumoxid eine niedrigere Wärmeleitfähgikeit auf. Um ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit oder Kondenswasser aus der den Heißfilmluftmassensensor 1 überströmenden Luft zu vermeiden, ist die Oberseite 18 der Sensormembran 4 mit einer Siliziumnitridbeschichtung versehen, die gleichzeitig die mechanische Stabilität der Membranoberfläche verbessert.
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2 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Sensorchip.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Sensorchip 3 umfasst eine Sensormembran 4, die auf einer Stützstruktur 22 aufliegt. Die Stützstruktur 22 weist eine Höhe h auf, die niedriger ist als die Dicke d des Sensorchips 3. Auf diese Weise ist die Stützstruktur 22 auf der Oberseite 18 des Sensorchips 3 durch die Sensormembran 4 und auf allen anderen Seiten durch das Material des Sensorchips 3 umschlossen. Dadurch, dass die Stützstruktur 22 auf allen Seiten abgeschlossen ist, wird gewährleistet, dass keine Luft unter die Sensormembran 4 strömen kann.
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Die Stützstruktur 22 ist so ausgebildet, dass die Porosität der Stützstruktur 22 mit zunehmendem Abstand von der Sensormembran 4 abnimmt. Direkt unter der Sensormembran 4 weist die Stützstruktur 22 eine hohe Porosität auf, um die thermische Entkopplung der Sensormembran 4 vom Sensorchip 3 zu verbessern. Die hochporöse Schicht wird so dick ausgeführt, dass insgesamt gerade eine ausreichende Isolierwirkung aufgebaut wird. Mit weiter zunehmender Dicke der Stützstruktur 22 wird die Porosität mit zunehmendem Abstand von der Sensormembran 4 reduziert. Hierdurch wird gewährleitstet, dass die über die Stützstruktur 22 gespeicherte Wärme besser an den Sensorchip 3 abgegeben werden kann. Durch eine Anpassung des Verlaufs des Porositätsgradienten entlang der mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichneten Achse, kann während der Herstellung des Sensorchips 3 bereits das dynamische Verhalten des Sensors beeinflusst werden.
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Bei dem in 2 dargestellten Sensorchip 3 sind auf der Sensormembran 4 zwei Heizelemente 11.1, 11.2 und in Anströmrichtung 15 vor jedem Heizelement 11.1, 11.2 ein erster Temperatursensor 12 und hinter jedem Heizelement 11.1, 11.2 ein zweiter Temperatursensor 13 angeordnet. Die Anströmrichtung des Sensorchips 3 ist dabei mit dem mit Bezugszeichen 15 gekennzeichneten Pfeil gekennzeichnet. Zusätzlich zu den Temperatursensoren 12, 13 auf der Sensormembran 4 sind bei der in 2 dargestellten Ausführungsvariante weitere Temperatursensoren 23 auf dem Sensorchip 3 angeordnet. Alternativ dazu kann auch das Heizelement 11.1, 11.2 umlaufend um einen Temperatursensor 12, 13 oder ein Temperatursensor umlaufend um ein Heizelement 11.1, 11.2 ausgebildet sein.
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Neben der in 2 dargestellten Anordnung können bei der Sensormembran 4, die durch die Stützstruktur 22 unterstützt wird, auch ein Heizelement 11 und zwei Temperatursensoren 12, 13 entsprechend der in 1 dargestellten Ausführungsvariante angeordnet sein. Weiterhin ist jede beliebige andere Kombination an Heizelementen 11, 11.1, 11.2 und Temperatursensoren 12, 13 möglich, mit der über den vom Heizelement 11, 11.1, 11.2 abgegebenen Wärmestrom und die Temperaturdifferenz an den Temperatursensoren 12, 13 der Luftmassenstrom bestimmt werden kann.
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Die Heizelemente 11, 11.1, 11.2 und Temperatursensoren 12, 13, 23 sind, ebenso wie die zur Spannungsversorgung und zur Übertragung der elektrischen Signale eingesetzten Leiterbahnen auf dem Sensorchip 3, vorzugsweise aus Platin gefertigt. Insbesondere als Temperatursensoren 12, 13, 23 werden Widerstandsthermometer aus Platin, z. B. PT 100, eingesetzt. Neben Temperatursensoren als Widerstandsthermometer eignen sich aber auch Thermoelemente.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus einem Heißfilmluftmassensensor mit Thermopiles in perspektivischer Darstellung.
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Bei dem in 3 dargestellten Sensorchip 3 ist unterhalb der Sensormembran 4 eine poröse Stützstruktur 22 aufgenommen. Auf der Oberseite 18 des Sensorchips 3 sind in Anströmrichtung 15 ein erster Thermopile 25, ein Heizelement 11 und ein zweiter Thermopile 26 angeordnet. Die Spannungsversorgung des Heizelementes 11 und die Datenübertragung der Thermopiles 25, 26 erfolgt über elektrische Kontakte 27.
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Die poröse Stützstruktur 22 unterhalb der Sensormembran 4 wird vorzugsweise durch ein Ätzverfahren hergestellt. Hierzu wird zunächst ein Basis-Wafer, welcher vorzugsweise aus Silizium gefertigt ist, mit einer Silizium-Nitridmaskierung versehen. Die Maske wird dort unterbrochen, wo die Stützstruktur 4 entstehen soll. Mit einer Mischung aus Fluorwasserstoff, Isopropanol und Wasser als Elektrolyt wird an der Stelle, an der die Maske unterbrochen ist, poröses Silizium hergestellt. Hierbei wird die Wärmeleitfähigkeit über die Stromstärke während der Anodisierung, die Fluorwasserstoff-Konzentration, die Substratdotierung oder die Ätzdauer bzw. Pausendauer zwischen zwei Ätzvorgängen eingestellt. Nach der Herstellung des porösen Siliziums wird die Maske aus Silizium-Nitrid entfernt. Im nächsten Schritt wird das poröse Silizium oxidiert. Durch eine Silizium-Nitrid-Beschichtung werden die Poren verschlossen. Abschließend erfolgt eine Beschichtung mit Platin und einer Siliziumoxid-Deckschicht. Bei der Herstellung des porösen Siliziums kann der Gradient der Porosität durch Anpassung der Stromdichte mit zunehmender Ätztiefe eingestellt werden.
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Neben der Stützstruktur 4 aus porösem Siliziumoxid kann die Stützstruktur 4 auch als Säulen- oder Stegstruktur aus Siliziumoxid ausgebildet sein. Zur Herstellung der Säulen- bzw. Stegstrukturen werden zunächst entsprechende Strukturen im Silizium-Wafer durch Plasmaätzen erzeugt, die Strukturen werden oxidiert und abschließend mit Siliziumoxid verschlossen. Abschließend erfolgt auch hier eine Beschichtung mit Platin und Siliziumoxid. Zusätzlich kann sowohl bei dem Sensorchip 3 mit der Stützstruktur 4 aus porösem Siliziumoxid als auch bei dem Sensorchip 3 mit der Säulen- oder Stegstruktur eine Silizium-Nitritdeckschicht aufgebracht werden.
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Bei der Säulen- oder Stegstruktur kann ein Gradient in der Stützstruktur 4 durch eine Zunahme der Materialdichte erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heißfilmluftmassensensor
- 3
- Sensorchip
- 4
- Sensormembran
- 5
- Trägerstruktur
- 6
- Kaverne
- 7
- Aufnahme
- 8
- Boden der Aufnahme 7
- 9
- Dichtfläche
- 10
- Fase
- 11, 11.1,
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- 11.2
- Heizelement
- 12
- erster Temperatursensor
- 13
- zweiter Temperatursensor
- 14
- Anströmkante
- 15
- Anströmrichtung
- 16
- verdickter Bereich
- 17
- Spalt
- 18
- Oberseite des Sensorchips 3
- 19
- Seitenfläche des Sensorchips 3
- 20
- Unterseite des Sensorchips 3
- 21
- Oberseite der Trägerstruktur 5
- 22
- Stützstruktur
- 23
- Temperatursensor
- 24
- Achse
- 25
- erster Thermopile
- 26
- zweiter Thermopile
- 27
- elektrischer Kontakt
- d
- Dicke des Sensorchips 3
- h
- Dicke der Stützstruktur 22
