DE19527861A1 - Massenflußsensor - Google Patents
MassenflußsensorInfo
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- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/6845—Micromachined devices
Description
Die Erfindung geht aus von einem Massenflußsensor nach der
Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Aus der US 4,888,988 ist bereits ein Massenflußsensor mit
einem Rahmen aus einkristallinem Silizium bekannt, in dem
eine Membran aus dielektrischem Material aufgespannt ist.
Auf der Membran ist ein Heizelement und mehrere
Temperaturmeßelemente angeordnet, die aus einer
Metallschicht herausstrukturiert sind. Um eine genaue
Reproduzierbarkeit der Membran zu erreichen, ist ein stark
dotierter Ätzrahmen vorgesehen, durch den die äußeren
Abmessungen der Membran bestimmt werden. Die Genauigkeit der
Positionierung des Heizelements relativ zu diesem Ätzrahmen
hängt von der Genauigkeit der Positionierung bei der
photolithographischen Strukturierung der Metallschicht ab.
Der erfindungsgemäße Massenflußsensor mit den
kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat
demgegenüber den Vorteil, daß eine besonders exakte
Justierung des Heizelements relativ zum Wärmeleitelement
erreicht wird. Dadurch wird sichergestellt, daß ausgehend
vom Heizelement ein reproduzierbarer Wärmefluß durch die
Membran erfolgt. Weiterhin kann so ein sehr symmetrischer
Aufbau des Sensors erreicht werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des Massenflußsensors des unabhängigen
Anspruchs möglich. Besonders einfach wird die Membran aus
einer Membranschicht herausstrukturiert, die sich auch über
die Oberseite des Rahmens erstreckt. Dabei können
vorteilhafterweise Öffnungen vorgesehen werden, mit dem eine
unmittelbare thermische Ankopplung des Wärmeleitelements auf
dem Silizium des Rahmens erfolgen kann. Dadurch wird der
Wärmefluß vom Wärmeleitelement in den Siliziumrahmen
verbessert. Platin ist ein besonders geeignetes Material für
die Metallschicht. Durch weitere Metallschichten kann die
Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitelements verbessert werden.
Eine besonders gute Verbesserung wird erreicht, wenn diese
unmittelbar auf oder unter der Metallschicht angeordnet
sind. Eine weitere Möglichkeit der Anordnung der weiteren
Metallschichten besteht darin, daß diese durch eine
dielektrische Schicht von der Metallschicht getrennt sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Aufsicht und Fig. 2 einen
Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor, Fig. 3
einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel
und die Fig. 5 bis 7 jeweils einen Querschnitt durch
weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors.
Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht und die Fig. 2 einen
Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Massenflußsensor.
Der Massenflußsensor weist einen Rahmen 1 aus
einkristallinem Silizium auf, in dem eine Membran 2
aufgespannt ist. Auf der Membran ist ein Heizer 3 und zwei
Temperatursensoren 4 angeordnet. Der Heizer 3 und die
Temperatursensoren 4 sind durch Leiterbahnen 5 kontaktiert
und durch Bondpads 6 mit externen Betriebs- und
Auswerteschaltungen verbindbar. Im Randbereich der Membran 2
sind streifenförmige Wärmeleitelemente 20 vorgesehen, die
sowohl die Membran 2 wie auch einen Teil des Siliziumrahmens
1 überdecken.
Durch den Heizer 3 wird die Membran 2 auf einen Wert
aufgeheizt, der über der Umgebungstemperatur liegt. Wenn wie
durch den Pfeil 70 angedeutet ein Mediumstrom, insbesondere
ein Luftstrom auf der Oberseite der Membran 2 entlangströmt,
so ist durch diesen Mediumstrom eine Abkühlung der Membran 2
verbunden. Diese Abkühlung der Membran 2 wird im
vorliegenden Fall durch die beiden Temperatursensoren 4
ausgewertet, wobei der stromaufwärts gelegene
Temperatursensor 4 stärker abgekühlt wird als der
flußabwärts gelegene Temperatursensor 4. Alternativ ist es
auch möglich, durch eine Widerstandsmessung des
Heizelementes 3 die Abkühlung der Membran zu bestimmen.
Weiterhin können auch alle anderen Formen von
Temperatursensor, auch einzeln, verwendet werden. Beim
Heizer 3 handelt es sich um einen Widerstand, der von einem
Strom durchflossen wird. Dieser Stromfluß erzeugt eine
Erwärmung des Heizers 3. Bei den Temperaturmeßelementen 4
handelt es sich ebenfalls um Widerstände, die aus einem
Material bestehen, dessen Widerstand temperaturabhängig ist.
Ein besonders geeignetes Material für den Heizer 3 und die
Temperatursensoren 4 ist Platin, welches eine hervorragende
chemische Beständigkeit und eine hohe Temperaturabhängigkeit
des Widerstandes aufweist. Es sind jedoch auch andere
Metallschichten für derartige Sensoren verwendbar.
Die Herstellung des Heizelementes 3 und der
Temperatursensoren 4 erfolgt zweckmäßigerweise, indem eine
ganzflächige Metallschicht abgeschieden wird. Aus dieser
ganzflächigen Metallschicht wird dann das Heizelement 3 und
die Temperaturmeßelemente 4 durch Photolithographie und Ätzen
heraus strukturiert. Dabei können auch gleich die
Leiterbahnen 5 und die Bondpads 6 herausstrukturiert werden,
die sich nur hinsichtlich der Breite der Struktur von dem
Heizelement 3 bzw. den Temperaturmeßelementen 4
unterscheidet. Für die Membran 2 wird in der Regel eine
Membranschicht 7 vorgesehen, die zunächst ganzflächig die
Oberfläche eines Siliziumsubstrats bedeckt. In das
Siliziumsubstrat wird dann ausgehend von der Rückseite eine
Ausnehmung 8 eingeätzt, die von der Rückseite bis zur
Membranschicht 7 reicht. Durch diese Ausnehmung 8 wird auch
der Rahmen 1 gebildet. Es wird so ein Siliziumrahmen 1
gebildet, auf dessen Oberseite sich auch die Membranschicht
7 erstreckt. Das Einbringen der Ausnehmung 8 kann nicht mit
beliebiger Präzision erfolgen. Die geometrischen Abmessungen
des Membranbereichs 2 bzw. die genaue Lage des Heizelementes
3 auf der Membran 2 unterliegen daher bestimmten Streuungen.
Problematisch ist dabei, daß die Kennlinie des
Massenflußsensors, d. h. das Sensorsignal als Funktion der
Strömung, von den Abmessungen der Membran 2 beeinflußt wird.
Dies liegt darin, daß ein wesentlicher Teil der vom
Heizelement 3 erzeugten Wärme nicht durch das
vorbeiströmende Medium abgeführt wird, sondern über die
Membranschicht 7 bzw. der auf der Oberseite des Sensors
aufgebrachten Passivierungsschicht 9 zum Siliziumrahmen 1
abfließt. Bei einer Variation der geometrischen Abmessungen
der Membran 2 variiert dieser Anteil. Wenn die Auswertung
des Sensorsignals durch die Temperaturmeßelemente 4 erfolgt,
so hängt das Sensorsignal auch von der relativen Lage der
Temperaturmeßelemente 4 relativ zum Rahmen 1 ab. Besonders
störend ist dabei, wenn in irgendeiner Form ein
Differenzsignal von zwei Temperatursensoren 4 gebildet wird,
da sich dann eine unsymmetrische Anordnung der
Temperaturmeßelemente 4 relativ zum Rahmen 1 in einer
entsprechenden Unsymmetrie der Kennlinie des Sensors
bemerkbar macht. Es ist daher wünschenswert, den Wärmefluß
durch die Membran 2 exakt kontrollieren zu können, um so
eine qualitativ hochwertige Kennlinie des Sensors
sicherzustellen.
Für diesen Zweck sind im Randbereich der Membran 2 die
Wärmeleitelemente 20 vorgesehen. Diese Wärmeleitelemente 20,
die in den Fig. 1 und 2 als streifenförmige
Wärmeleitelemente ausgebildet sind, überdecken den
Randbereich der Membran 2 und des Rahmens 1. Die
Wärmeleitelemente 20 werden im gleichen Herstellungsschritt
wie die Herstellung des Heizelementes 3 und der
Temperaturmeßelemente 4 aus der Metallschicht
photolithographisch herausstrukturiert. Da alle Strukturen
auf einer einzelnen Maske vorhanden sind, läßt sich eine
hohe Genauigkeit der Relativpositionen der Wärmeleitelemente
20 relativ zu den Temperaturmeßelementen 4 bzw. zum
Heizelement 3 erreichen. Wenn, wie es in der Fig. 2 gezeigt
wird, bei der Herstellung eine gewisse Dejustierung der
Maske für die Strukturierung der Metallschicht relativ zur
Ausnehmung 8 auftritt, so bleiben trotzdem die Bedingungen
für den Wärmeabfluß in der Membran konstant. Dies liegt
darin, daß die Wärmeleitfähigkeit der Membranschicht 7
geringer ist als das Wärmeleitvermögen der Wärmeleitelemente
20. Dies liegt vornehmlich in der Wahl der Materialien
begründet. Für die Membranschicht 7 werden dünne Schichten
aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid mit einer
Wärmeleitfähigkeit von 1,6 bzw. 15 kcal/m h°C verwendet.
Demgegenüber weist Silizium eine Wärmeleitfähigkeit von 180
und Platin von 60 kcal/m h°C auf. Typische Dicken der
Membranschicht 7 liegen in der Größenordnung 1 bis 2 µm, für
die Metallschicht 0,1-0,3 µm und für den Rahmen 1 in der
Größenordnung von einigen 100 µm. Das Wärmeleitvermögen des
Rahmens 1 ist daher beliebig groß gegenüber der Membran 2
bzw. der Metallschicht. Obwohl die Metallschicht nur eine
geringe Dicke aufweist, wird durch das höhere
Wärmeleitvermögen des Metalls im Vergleich zur Membran ein
besseres Wärmeleitvermögen erreicht. Durch die hohe
Genauigkeit, die bei der relativen Anordnung der
Wärmeleitelemente 20 relativ zum Heizelement 3 bzw. den
Temperaturmeßelementen 4 erreichbar ist, wird somit eine
Verbesserung der Kennlinie erreicht. Dabei ist vor allen
Dingen vorteilhaft, daß die in den Fig. 1 und 2 gezeigten
Wärmeleitelemente keinen Zusatzaufwand bei der Herstellung
der Sensoren erfordern.
Die Herstellung des Sensors geht zunächst von einem
Siliziumsubstrat aus. Auf der Oberseite wird dann eine
Membranschicht 7 aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder
ähnlichen Materialien abgeschieden. Auf der Membranschicht 7
wird dann ganzflächig eine Metallschicht aufgebracht, aus
der durch Photolithographie und Ätzen Heizelement 3,
Temperaturmeßelemente 4, Leiterbahnen 5, Bondpads 6 und die
Wärmeleitelemente 20 herausstrukturiert werden. Die
Leiterbahnen 5 und die Bondpads 6 können auch aus anderem
Material bestehen, die vor oder nach dem Strukturieren der
Metallschicht aufgebracht und strukturiert werden. Wahlweise
kann danach die Oberfläche des Sensors noch mit einer
dielektrischen Schutzschicht 9 bedeckt werden. In einem
weiteren Prozeßschritt erfolgt die Einätzung der Ausnehmung
8 ausgehend von der Rückseite. Es wird so der Rahmen 1
geschaffen und die Abmessungen der Membran 2 festgelegt.
Dabei ist es schwierig, sowohl die Absolutmessungen der
Ausnehmung 8 bzw. die Lage relativ zum Heizer 3 festzulegen.
In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Sensors gezeigt. Der Aufbau entspricht im wesentlichen dem
aus den Fig. 1 und 2 bekannten Aufbau, so daß
gleichwirkende Teile die gleichen Bezugszeichen aufweisen.
Im Unterschied zum Sensor nach den Fig. 1 und 2 sind
jedoch Wärmeleitelemente 21 vorgesehen, die in unmittelbarem
Kontakt zum Silizium des Rahmens 1 stehen. Dazu sind in der
Membranschicht 7 auf dem Rahmen 1 Öffnungen vorgesehen, in
denen die Metallschicht der Wärmeleitelemente 21 unmittelbar
auf dem Silizium aufliegen. Diese Öffnungen werden vor dem
Abscheiden der Metallschicht, aus der die Wärmeleitelemente
21 bzw. Heizelement 3 und Temperaturmeßelemente 4
herausstrukturiert werden, erzeugt. Da nun zwischen den
Wärmeleitelementen 21 und dem Silizium keine thermisch
schlechte leitende Membranschicht 7 vorgesehen ist, wird das
Wärmeleitvermögen der Wärmeleitelemente 21 verbessert, womit
auch die Kennlinie des Sensors weiter verbessert wird.
In der Fig. 4 wird in der Aufsicht eine weitere
Ausgestaltung des Wärmeleitelements gezeigt. Aus
Vereinfachungsgründen ist nur der Heizer 3 und das U-förmige
Wärmeleitelement 22 gezeigt, welches den Heizer 3 an
mindestens drei Seiten vollständig umgibt. Nur wo die
Leiterbahnen 5 an das Heizelement 3 herangeführt werden
müssen, ist eine Lücke im Wärmeleitelement 22 vorgesehen.
In den Fig. 5 bis 7 sind Querschnitte durch weitere
Ausführungsbeispiele des Sensors zu sehen, die jeweils einen
Rahmen 1 aus einkristallinem Silizium mit einer darin
aufgespannten Membran 2, die aus einer Membranschicht 7
besteht, aufweisen. Weiterhin ist jeweils ein Heizer 3 und
zwei Temperaturmeßelemente 4 vorgesehen. Im Vergleich zu
Fig. 2 unterscheiden sich die Sensoren nach den Fig. 5
bis 7 nur hinsichtlich der Ausgestaltung der
Wärmeleitelemente.
In der Fig. 5 ist auf dem Wärmeleitelement 20 eine weitere
Metallschicht 30 vorgesehen, die einen Teil des durch das
Wärmeleitelement 20 fließenden Wärmestroms aufnehmen kann.
In der Fig. 6 wird gezeigt, daß das Wärmeleitelement 20 mit
der Passivierungsschicht 9 bedeckt ist und dann auf der
Oberseite der Passivierungsschicht 9 überhalb des
Wärmeleitelementes 20 eine weitere Metallschicht 30
vorgesehen ist. In der Fig. 7 wird gezeigt, daß eine
weitere Metallschicht 30 unmittelbar auf der Membranschicht
7 unterhalb der Wärmeleitelemente 20 angeordnet ist.
Die weiteren Metallschichten 30 stellen Elemente dar, die
einen Teil des Wärmestroms aufnehmen können, der durch die
Wärmeleitelemente 20 fließt. Wenn die weiteren
Metallschichten 30 mit der gleichen Präzision erzeugt werden
können wie die Wärmeleitelemente 20, so tragen sie in
gleichem Maße zur Verbesserung der Kennlinie bei. Da die
weiteren Metallschichten 30 jedoch in der Regel in separaten
Herstellungsschritten hergestellt werden, ist die
Genauigkeit der Positionierung dieser weiteren
Metallschichten 30 in der Regel geringer. Sofern die
Genauigkeit der Erzeugung dieser weiteren Metallschichten
jedoch besser ist als die Genauigkeit, mit der die
Ausnehmung 8 eingebracht werden kann, wird auch durch die
weiteren Metallschichten 30 eine Verbesserung der Kennlinie
des Sensors erreicht. In der Regel wird man die weiteren
Metallschichten vorsehen, wenn das Herstellungsverfahren
sowieso die Verwendung von weiteren Metallschichten,
beispielsweise für die Leiterbahnen 5, die Bondpads 6 oder
aus anderen Gründen erfordert.
Claims (9)
1. Massenflußsensor mit einem Rahmen (1) aus einkristallinem
Silizium und einer darin aufgespannten Membran (2), wobei
auf der Membran (2) ein Heizelement (3) angeordnet ist,
welches aus einer Metallschicht herausstrukturiert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß am Rand der Membran (2) ein
ebenfalls aus der Metallschicht herausstrukturiertes
Wärmeleitelement (20, 21, 22) angeordnet ist, das sich von
der Membran (2) bis über den Rahmen (1) aus einkristallinem
Silizium erstreckt.
2. Massenflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (2) von einer Membranschicht (7) gebildet
wird, die sich auch über die Oberseite des Rahmens (1)
erstreckt.
3. Massenflußsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membranschicht (7) im Bereich des Rahmens (1) eine
Öffnung aufweist, durch die das Wärmeleitelement (21) direkt
mit dem Silizium des Rahmens (1) in Kontakt steht.
4. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Platin
besteht.
5. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus Siliziumoxid
und/oder Siliziumnitrid besteht.
6. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Wärmeleitelement (20,
21, 22) eine weitere Metallschicht (30) vorgesehen ist.
7. Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Wärmeleitelement (20,
21, 22) eine dielektrische Passivierschicht und darüber eine
weitere Metallschicht (30) vorgesehen ist.
8. Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Wärmeleitelements
(20, 21, 22) eine weitere Metallschicht (30) vorgesehen ist.
9. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der Membran zu jeder Seite
des Heizelements (3) ein Temperaturmeßelement (4) vorgesehen
ist, das ebenfalls aus der Metallschicht herausstrukturiert
ist.
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