DE10355793A1

DE10355793A1 - Biegebalkensensor zur Durchfluss- und Massenflussmessung sowie Verfahren zur Herstellung eines Biegebalkensensors zur Durchflussmessung

Info

Publication number: DE10355793A1
Application number: DE2003155793
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Stefan Finkbeiner; Christop Schelling; Julian Gonska; Torsten Kramer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-23
Also published as: ITMI20042282A1; DE102004030308A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Biegebalkensensor, der bspw. als Durchflusssensor zur Massenflussmessung flüssiger und/oder gasförmiger Medien eingesetzt werden kann. Der Biegebalkensensor weist einen innerhalb einer Fluidströmung angeordneten flexiblen Balken auf, der mit einem Ende starr an einer Wand verankert ist und der am starr verankerten Ende eine Dehnungsmesseinrichtung aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Dehnungsmesseinrichtung wenigstens zwei piezoresistive Sensorelemente umfasst. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin einen Massenflusssensor mit einem innerhalb eines von flüssigem oder gasförmigem Fluid durchströmbaren Strömungskanals (32) angeordneten Durchflusssensor. DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Biegebalkensensors zur Durchfluss- bzw. Strömungsmessung in gasförmigen oder flüssigen strömenden Medien, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem auf ein Halbleitersubstrat (50) in aufeinander folgenden Verfahrensschritten zwei als piezoresistive Widerstandsbereiche (56, 62) fungierende und durch Isolatorschichten vom Halbleitersubstrat (50) bzw. voneinander getrennte Halbleiterschichten (54, 60) aufgebracht werden, wobei die piezoresistiven Widerstandsbereiche (56, 62) jeweils mittels eines Implantationsverfahrens definiert werden, wonach zur Ausbildung eines Biegebalkensensors (10) ein Teil des Halbleitersubstrats (50) entfernt wird (Figur 6).

Description

Die Erfindung betrifft einen Biegebalkenssensor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Massenflusssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Biegebalkensensors zur Durchflussmessung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
Stand der Technik
Bei einer Durchflussmessung erfolgt eine Messung einer pro Zeiteinheit durch einen Leitungsquerschnitt fließenden Masse eines flüssigen oder gasförmigen Mediums. Bei den meisten bekannten Verfahren wird über eine Volumen- oder Geschwindigkeitsmessung primär der Volumenstrom erfasst und mit der bekannten bzw. separat zu messenden Dichte des Mediums auf den Massenstrom geschlossen. Zur Messung sind zahlreiche unterschiedliche Verfahren bekannt. So beruht die Durchflussmessung mittels eines Stauscheiben-Sensors auf einer Kraftwirkung, die auf einen Körper durch das ihn umströmende Medium ausgeübt wird. Die Staukraft auf eine festgehaltene Stauscheibe wird hierbei nach der Methode der Kraftkompensation gemessen. Mit Hilfe der Strömungsgesetze lässt sich daraus der Durchfluss ermitteln.
Der Massenstrom flüssiger oder gasförmiger Medien kann auch mittels sogenannter Biegebalken gemessen werden. Hierbei wird die auf den Biegebalken wirkende Kraft erfasst, indem seine Durchbiegung ermittelt wird. Die Auslenkung des Balkens kann beispielsweise mittels bekannter Dehnungsmessstreifen oder auch mittels piezoresistiver Messelemente erfasst werden, die sich an geeigneter Stelle, vorzugsweise an einer Stelle mit maximaler Beugung des Balkens befinden. Mit dieser Methode lassen sich sowohl Stärke als auch Richtung der Durchbiegung erfassen.
Aus der JP 60 250 259 A ist ein Durchflusssensor bekannt, bei dem auf einem Biegebalken ein piezoelektrisches Element aufgebracht ist, mit dessen Hilfe die Durchbiegung des in einem strömenden Medium angeordneten Biegebalkens erfasst und ausgewertet wird. Ein ähnlicher Druchflusssensor mit einem Biegebalken ist weiterhin aus der WO 00/39537 A1 bekannt. Auch hierbei ist ein sich in einer Fluidströmung befindlicher Biegebalken mit einem piezoresistiven Element versehen, welches die Durchbiegung des Balkens in der Strömung erfasst und ein von der Biegung abhängiges Signal zur weiteren Auswerteschaltung liefert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen möglichst universell verwendbaren und robusten Biegebalkensensor, insbesondere zur Durchflussmessung zur Verfügung zu stellen, der Messwerte möglichst hoher Genauigkeit liefert.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Biegebalkensensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 umfasst eine Dehnungsmesseinrichtung mit wenigstens einem piezosensitiven Sensorelement. Ein solcher Biegebalkensensor eignet sich insbesondere als Durchflusssensor zur Massenflussmessung flüssiger und/oder gasförmiger strömender Medien. Der Biegebalkensensor bzw. der Durchflusssensor umfasst einen starr an einer Wand verankerten Biegebalken, der an einem fest eingespannten Ende eine Dehnungsmesseinrichtung aufweist. Gemäß vorliegender Erfindung umfasst diese Dehnungsmesseinrichtung wenigstens ein, ggf. zwei oder mehr piezosensitive Sensorelemente, die insbesondere als piezoresistive oder piezoelektrische Widerstandselemente ausgebildet sein können. Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Sensorele mente an gegenüber liegenden Seiten des Balkens angeordnet, so dass bei einer Verformung des Balkens einer der Sensoren komprimiert und der andere expandiert wird. Hierdurch kann eine exaktere Messung als mit nur einem Sensorelement durchgeführt werden, da bspw. ein Temperatur- und Toleranzausgleich ermöglicht ist. Es existiert keine sog. Nullauslenkung des Biegebalkens, da die Sensorelemente vorzugsweise symmetrisch zur neutralen Faser des Balkens angeordnet sind.
Weist der Biegebalkensensor zwei oder mehr Sensorelemente auf, so können diese gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung miteinander verschaltet sein, wodurch eine hohe Messgenauigkeit und ein Ausgleich von externen Effekten, bspw. durch Temperaturveränderungen o. dgl. ermöglicht ist.
Die Sensorelemente können mittels eines geeigneten Herstellungsverfahrens aus einem Halbleitersubstrat gefertigt werden, wobei die Sensorelemente vorzugsweise gekapselt sind, bspw. mittels einer geeigneten Passivierungsschicht. Auf diese Weise lassen sich die erfindungsgemäßen Durchflusssensoren bspw. in einem mikrofluidischen System als Massenflusssensoren einsetzen. Die Passivierung ermöglicht einen Einsatz des Sensors auch in elektrisch leitfähigen und korrosiven Medien. Zudem wird durch die Passivierung die Langzeitstabilität der Messparameter des Sensors verbessert.
Mit einem solchen Biegebalkensensor gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen lässt sich ein erfindungsgemäßer Massenflusssensor herstellen, indem der Biegebalkensensor innerhalb eines Strömungskanals angeordnet wird. Hierbei wird der Sensor einseitig starr an einer Wand des Strömungskanals befestigt, so dass bei einer Durchströmung mit gasförmigem oder flüssigem Medium eine Auslenkung des Balkens erfolgt, die durch eine Widerstandsmessung der piezoresistiven Sensorelemente erfasst werden kann.
Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Massenflusssensors sieht vor, dass dieser wenigstens einen weiteren Biegebalkensensor aufweist, der außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist. Dieser weitere Sensor kann als Referenzsensor fungieren und eine nochmalige Erhöhung der Signalgüte ermöglichen. Eine Temperaturkompensation kann hierbei über einen Brückengesamtwiderstand der zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschalteten Biegebalkensensoren erfolgen.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Biegebalkensensors zur Durchfluss- bzw. Strömungsmessung in gasförmigen oder flüssigen strömenden Medien, insbesondere gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, werden auf ein Halbleitersubstrat in aufeinander folgenden Verfahrensschritten zwei als piezoresistive Widerstandsbereiche fungierende und durch Isolatorschichten vom Halbleitersubstrat bzw. voneinander getrennte Halbleiterschichten aufgebracht. Die Zuleitungen zu den piezoresistiven Widerstandsbereichen werden vorzugsweise jeweils mittels eines Implantationsverfahrens definiert. Die Zuleitungen zu den piezoresistiven Widerstandsbereichen können nach dem Implantationsverfahren durch Zufuhr von Energie auf geeignete Weise aktiviert werden. Anschließend wird zur Ausbildung eines Biegebalkensensors ein Teil des Halbleitersubstrats entfernt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines Ätzschrittes, wobei gleichzeitig eine Vereinzelung des aus mehreren Chipbereichen bestehenden Halbleitersubstrats erfolgen kann. Auf diese Weise entfällt das mechanische Vereinzeln durch Sägen, was einen großen Vorteil darstellt, da während eines solchen Sägeprozesses die Biegebalken durch Einwirkung von Partikeln und Sägewasser sehr leicht beschädigt, zerstört, verschmutzt oder durch Partikel blockiert werden können.
Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Biegebalkensensors,
2 eine Draufsicht auf den Sensor gemäß 1,
3 eine schematische Schnittdarstellung einer Variante des erfindungsgemäßen Biegebalkensensors,
4 eine weitere Draufsicht auf einen Biegebalkensensor,
5 ein Schaltbild zur elektrischen Verschaltung des Sensors,
6 eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Massenflusssensors,
7 eine schematische Darstellung zur elektrischen Verschaltung zweier Biegebalkensensoren eines Massenflusssensors gemäß 7,
8 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Variante des Biegebalkensensors und
9 bis 19 aufeinander folgende Prozessschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Massenflusssensors aus einem Halbleitersubstrat.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In einer schematischen Schnittansicht verdeutlicht die 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Biegebalkensensors 10, der aus einem leitfähigen Basismaterial 12, piezoresistiven Widerstandsbereichen 14 und Isolationsschichten 16, welche das Basismaterial 12 ummanteln und eine obere Leiterbahnschicht 18 und eine untere Leiterbahnschicht 20 voneinander trennen. Bei der schematischen Draufsicht der 2 ist die Ummantelung des Sensors 10 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Eine alternative Ausführungsform mit nur einer Leiterbahnebene 18 ist in der schematischen Schnittdarstellung der 3 verdeutlicht. Die Bezugsziffer 24 bezeichnet eine feste Einspannung des Biegebalkensensors 10, bspw. in einer Leitungswand.
4 verdeutlicht eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform des Biegebalkensensors 10, der in diesem Fall vier piezoresistive Widerstandsbereiche 14 aufweist, die vorzugsweise zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung 22 entsprechend 5 verschaltet werden können. Die Leiterbahnschichten 18 sind durch Membranen aus Isolationsmaterial 16 getrennt. Die Isolationsschichten zwischen den Leiterbahnebenen sowie die Ummantelung des Sensors 10 sind in 4 nicht dargestellt. Vorzugsweise liegen Kontaktanschlüsse 26 und 28 zur elektrischen Kontaktierung des Sensors 10 frei.
Die Brückenschaltung 22 entsprechend 5 umfasst vier piezoresistive Widerstandsbereiche 14, die hier mit R₁₂, R₃₄, R₅₆ und R₇₈ bezeichnet sind. Die jeweils gegenüber liegend angeordneten Widerstände R₁₂ und R₃₄ können bspw. über die obere Leiterbahnschicht 18 mit ersten Kontaktanschlüssen 26 elektrisch leitend verbunden sein, während die ebenfalls gegenüber liegend angeordneten Widerstände R₅₆ und R₇₈ über die untere Leiterbahnschicht 20 mit den zweiten Kontaktanschlüssen 28 elektrischen leitend verbunden sein können. Dabei sind die Widerstände R₁₂ und R₃₄ auf der Oberseite des Sensors und die Widerstände R₅₆ und R₇₈ an dessen Unterseite angebracht. Eine Versorgungsspannung U_E liegt zwischen den Widerständen R₁₂ und R₇₈ bzw. den Widerständen R₅₆ und R₃₄ an. Die Messspannung U_M wird zwischen den Widerständen R₁₂ und R₅₆ bzw. den Widerständen R₃₄ und R₇₈ abgegriffen. Die Messspannung U_M liefert einen Wert für die Durchbiegung des in einer Strömung flüssigen oder gasförmigen Mediums befindlichen Biegebalkensensors 10.
6 verdeutlicht eine beispielhafte Anwendung des Biegebalkensensors 10 als piezoresistiver Massenflusssensor 30. Dieser Massenflusssensor 30 weist einen Strömungskanal 32 auf, durch den gasförmiges oder flüssiges Medium hindurch strömen kann, dessen Geschwindigkeit bzw. Massenfluss gemessen werden soll. Der Kanal 32 erstreckt sich von einer Unterseite 34 bis zu einer Oberseite 36 des Massenflusssensors 30. Weiterhin kann in der Unterseite 34 oder der Oberseite 36 eine Vertiefung 38 vorgesehen sein, innerhalb derer ein weiterer Biegebalkensensor 10 angeordnet ist, der als Referenzsensor zum Ausgleich von Temperatur- oder Bauteiltoleranzen o. dgl. dient. Hierzu müssen die beiden Biegebalkensensoren 10 exakt die gleichen Maße und den gleichen Schichtaufbau aufweisen. Der Biegebalkensensor 10 im Strömungskanal 32 ist der eigentliche Messbiegebalken, welcher die gewünschten Messwerte (Messspannung U_M) liefert. Der Massenflusssensor 30 kann in einer bevorzugten Ausgestaltung als Halbleiterchip gefertigt sein.
Die 7 verdeutlicht in einer schematischen Draufsicht die prinzipielle elektrische Verschaltung des Massenflusssensors 30 mit den beiden Biegebalkensensoren 10, wobei die Isolationsummantelung weggelassen wurde. Die Biegebalkensensoren 10 weisen in dieser Ausführungsform jeweils vier piezoresistive Widerstandsbereiche sowie je zwei Befestigungspunkte zum Massenflusssensor 30 auf. Weiterhin können die Biegebalkensensoren 10 mit einer Reihe von Perforationslöchern 40 versehen sein, deren Funktion und Fertigung weiter unten noch näher erläutert wird. Die beiden äußeren Kontaktierungen jedes Biegebalkens 10 sind an die untere Leiterbahn des entsprechenden Balkens angeschlossen. Das elektrische Schaltbild zeigt die Wheatstonesche Brückenschaltung, die als Auswerteschaltung zur Erfassung der Durchbiegung des Messbalkens aufgrund der Fluidströmung durch den Strömungskanal 32 dient. Die Wheatstonesche Brückenschaltung 22 besteht aus den zwei piezoresistiven Widerständen des Messbiegebalkens, den zwei piezoresistiven Widerständen des Referenzbiegebalkens sowie der Spannungsquelle U_E. Die Messspannung U_M kann verstärkt und ausgewertet werden.
Eine weitere alternative Ausgestaltung des Biegebalkensensors 10 ist anhand der 8 verdeutlicht. Zur besseren Übersichtlichkeit sind von den Kontaktanschlüssen 26, 28 nur die Kontaktanschlüsse 26 zur oberen Leiterbahnschicht 18 eingezeichnet. Die Isolationsummantelung ist nicht eingezeichnet. Der dargestellte Sensor 10 weist insgesamt acht piezoresistive Widerstandsbereiche 14 auf. Es ist eine mäanderförmige Leiterbahnschicht 18 erkennbar, deren Bahnen jeweils durch membranartige Isolationsschichten 16 voneinander getrennt sind. Sowohl die Leiterbahnschicht 18, die piezoresistiven Widerstandsbereiche 14 als auch die Isolationsschicht 16 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils mit einer Vielzahl von Perforationslöchern 40 versehen. Die membranartigen Isolationsschichten 16 können durch nicht mit dem Membranbalkensensor verbundene Verstrebungselemente 80 versteift sein, die aus dem selben Material wie die Leiterbahnschicht 18 bestehen. Ziel dieser Versteifung ist eine maximale Verbiegung am Aufhängungspunkt im Bereich der piezoresistiven Widerstandsbereiche 14 und eine minimale Verbiegung am freien Ende.
Bei allen gezeigten Varianten können wahlweise bestimmte Bereiche bzw. Abschnitte des Biegebalkensensors 10 dicker ausgeführt sein, um eine versteifende Wirkung zu erzielen.
Ein beispielhafter Prozessablauf zur Herstellung und Vereinzelung eines erfindungsgemäßen Massenflusssensors 30 wird anhand der folgenden 9 bis 19 erläutert.
Zunächst wird auf einem Siliziumwafer 50 eine Isolatorschicht 52 aufgebracht, die insbesondere aus Siliziumdioxid bestehen kann (1). Diese Isolatorschicht kann bspw. abgeschieden oder durch Oxidation des Siliziumwafers 50 auf diesen aufgebracht werden. Zur Passivierung kann optional eine Siliziumnitridschicht abgeschieden werden. Diese Schichten werden rückseitig durch einseitiges Ätzen wieder vom Siliziumwafer 50 entfernt. Auf der Isolatorschicht 52 aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid wird anschließend mittels eines geeigne ten Epitaxieverfahrens eine Halbleiterschicht 54, insbesondere eine Polysiliziumschicht abgeschieden.
Durch eine Implantationsmaske werden lokal durch Implantation eines geeigneten Materials wie bspw. Arsen die Zuleitungsbereiche zu den piezoresistiven Widerstandsbereiche 56 der unteren Leiterbahnschicht 20 implantiert und so die Piezowiderstandsbereiche 56 definiert (10). Die bspw. aus einem Fotolack bestehende Implantationsmaske wird anschließend wieder entfernt.
Anschließend wird eine weitere Isolatorschicht 58 abgeschieden (11), wofür ebenfalls Siliziumoxid verwendet werden kann. Diese weitere Isolatorschicht 58 wird wiederum von der Waferrückseite entfernt. Auch auf dieser weiteren Isolatorschicht 58 wird mittels Epitaxie eine weitere Halbleiterschicht 60, insbesondere wieder eine Polysiliziumschicht aufgebracht, bspw. durch Abscheidung (12). Durch Implantation der Zuleitungsbereiche außerhalb der piezoresistiven Widerstandsbereiche 62 wird die obere Leiterbahn 18 definiert.
Alternativ zu den in 9 bis 12 beschriebenen Prozessschritten ist es auch denkbar, durch geeignete Prozessierung zwei Schichten monokristallines Silizium sowie zwei Schichten Siliziumdioxid auf dem Siliziumwafer 50 herzustellen.
Die Halbleiterschichten 54, 60 sowie die Isolatorschichten 52, 58 werden durch einen Fotolithografie- und Ätzprozess derart strukturiert, dass zum einen die späteren Kanal- 32 und Vertiefungsbereiche (nicht im Bild) des Massenflusssensors 30 als auch die späteren Ränder des Chips 38 offen liegen (13). Zudem werden im Bereich der späteren Biegebalken die erwähnten Perforationslöcher 40 in der Größenordnung von einigen μm Durchmesser und einem Abstand von 5 bis 30 μm strukturiert. Diese Perforationslöcher sind in den 13 bis 19 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Die Perforationslöcher dienen dazu, die Dauer des Freistellens durch isotropes Ätzen zu verkürzen.
14 verdeutlicht einen weiteren Prozessschritt, bei dem die gesamte frei liegende Oberfläche des Halbleiterwafers 50 mit einer Isolationsschicht 64 überzogen wird. Zudem wird das implantierte Material durch Zufuhr von Wärmeenergie aktiviert. Anschließend kann optional Siliziumnitrid auf die Oberfläche abgeschieden werden. Dies dient als Schutz des Massenflusssensorchips gegen Korrosion sowie zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften der Biegebalken. Auf der Waferrückseite kann ggf. eine weitere Oxidschicht abgeschieden werden, die – nach Strukturierung – als Maskierung für den reaktiven Ionenätzprozess verwendet werden kann.
Durch Fotolithografie wird die Oberfläche der später zu vereinzelnden Halbleiterchips derart strukturiert, dass die Kanal- und Vertiefungsbereiche, die Chipränder, die Perforationslöcher sowie die Kontaktbereiche zur elektrischen Kontaktierung der Biegebalken frei gelegt werden (15). Die Waferrückseite wird ganzflächig mit einer Ätzschutzschicht versehen. Durch einen Ätzprozess werden das Siliziumnitrid sowie das Siliziumdioxid in den offen liegenden Bereichen entfernt. Anschließend wird der Fotolack entfernt. Auf der Waferrückseite wird auf gleiche Weise die Maskierung für den reaktiven Ionenätzprozess strukturiert.
Mittels eines nachfolgenden Abscheideprozesses wird eine Metallschicht 66 auf die Isolationsschicht 64 abgeschieden, die zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichten 60 bzw. 54 dient (16). Die Metallschicht 66 kann bspw. aus Aluminium bestehen. Durch Fotolithografie wird diese Metallschicht 66 derart strukturiert, dass nur die gewünschten Kontaktanschlüsse von der Fotolackschicht bedeckt bleiben. Mit Hilfe eines Ätzverfahrens wird das Metall in dien offen liegenden Bereichen entfernt. Nach der Herstellung der Kontaktanschlüsse wird die Fotolackschicht entfernt und der Siliziumwafer 50 einer Wärmebehandlung unterzogen.
Die Biegebalken werden mittels eines Trockenätzschrittes z.B. mit Chlortrifluorid oder Xenondifluorid freigelegt (17). Die Ränder des Chips liegen dabei offen und werden daher ebenfalls geätzt. Die Herstellung der in 17 dargestellten Form ist möglich, da die Biegebalken die zuvor beschriebenen Perforationslöcher aufweisen.
18 verdeutlicht einen nachfolgenden Prozessschritt, bei dem auf die Wafervorderseite zunächst ein Tape auflaminiert wird. Dieses Tape ist derart beschaffen, dass die Bindung des Tapes an eine Oberfläche lokal gezielt geschwächt werden kann, bspw. mittels Bestrahlung mit ultraviolettem Licht. Anschließend wird der Siliziumwafer 50 von seiner Rückseite her mittels eines reaktiven Ionenätzprozesses anisotrop geätzt, bis das Silizium um den Chiprand bzw. im Kanal 32 vollständig entfernt ist. Als Ionenätzprozess kommt bspw. ein solcher in Frage, wie er in der DE 198 26 382 A1 beschrieben ist.
Die vereinzelten Substratchips 68 können anschließend mit ihrer Rückseite auf ein expandierbares Tape transferiert werden. Danach wird die Bindung des Tapes auf der Vorderseite an die Oberfläche durch geeignete UV-Licht-Bestrahlung geschwächt, wodurch das Tape von der Oberfläche entfernt werden kann. Die Massenflusssensoren 30 befinden sich nun auf dem expandierbaren Tape und können mit geeigneten Prozessschritten weiter verarbeitet werden.
19 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Massenflusssensors 30, der über einen Kappenwafer 70 aus Glas oder Silizium in ein Mikrofluidkanalsystem integriert werden kann. Der Kanal 32 mit dem darin angeordneten Biegebalkensensor 10 kann hierbei auf geeignete Weise innerhalb des Kappenwafers 70 umgelenkt werden, um die gewünschten Durchflussmessungen mit dem Biegebalkensensor 10 durchführen zu können.

Claims

Biegebalkensensor mit einem flexiblen Balken, der mit einem Ende starr an einer Wand verankert ist und der zwischen einem freien Ende und dem starr verankerten Ende eine Dehnungsmesseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmesseinrichtung wenigstens ein piezosensitives Sensorelement umfasst.
Biegebalkensensor nach Anspruch 1 zur Verwendung als Durchflusssensor zur Massenflussmessung flüssiger und/oder gasförmiger strömender Medien, mit einem innerhalb einer Fluidströmung angeordneten flexiblen Balken, der mit einem Ende starr an einer Wand verankert ist und der zwischen einem freien Ende und dem starr verankerten Ende eine Dehnungsmesseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmesseinrichtung wenigstens zwei piezoresistive Sensorelemente umfasst.
Biegebalkensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sein Aufbau symmetrisch zur neutralen Faser ist.
Biegebalkensensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Sensorelemente an gegenüber liegenden Seiten des Balkens angeordnet sind.
Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Sensorelemente in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung (22) verschaltet sind.
Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegebalken vollständig von einer Passivierungsschicht ummantelt sind.
Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente gekapselt sind.
Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente aus einem Halbleitermaterial bestehen.
Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken durch zusätzliche Verstrebungselemente (80) am freien Ende versteift ist.
Massenflusssensor mit einem innerhalb eines von flüssigem oder gasförmigen Fluid durchströmbaren Strömungskanals (32) angeordneten Durchflusssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Massenflusssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der als Biegebalkensensor (10) ausgebildete Durchflusssensor einseitig starr an einer Wand des Strömungskanals (32) befestigt ist.
Massenflusssensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenflusssensor (30) wenigstens einen weiteren Biegebalkensensor (10) aufweist, der außerhalb des Strömungskanals (32) angeordnet ist und als Referenzsensor fungiert.
Massenflusssensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistiven Sensorelemente der beiden Biegebalkensensoren (10) jeweils in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung (22) verschaltet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Biegebalkensensors zur Durchfluss- bzw. Strömungsmessung in gasförmigen oder flüssigen strömenden Medien, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem auf ein Halbleitersubstrat (50) in aufeinander folgenden Verfahrensschritten zwei als piezoresistive Widerstandsbereiche (56, 62) fungierende und durch Isolatorschichten vom Halbleitersubstrat (50) bzw. voneinander getrennte Halbleiterschichten (54, 60) aufgebracht werden, wobei die piezoresistiven Widerstandsbereiche (56, 62) jeweils mittels eines Implantationsverfahrens definiert werden, wonach zur Ausbildung eines Biegebalkensensors (10) ein Teil des Halbleitersubstrats (50) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Zuleitungen zu den piezoresistiven Widerstandsbereichen (56, 62) nach dem Implantationsverfahren durch Zufuhr von Energie aktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der Halbleiterwafer (50) nach dem Herstellen der Biegebalkensensoren (10) mechanisch oder mittels eines Ätzverfahrens vereinzelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem in die Biegebalken Perforationslöcher (40) zur Verkürzung der Dauer des Freistellens durch isotropes Ätzen eingebracht werden.