DE19527861B4

DE19527861B4 - Massenflusssensor sowie Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE19527861B4
Application number: DE19527861A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Treutler; Detlef Dipl.-Phys. Gruen; Horst Dr.-Ing. Dr. Muenzel; Helmut Dipl.-Phys. Dr. Baumann; Steffen Dipl.-Ing. Schmidt; Andreas Dipl.-Phys. Dr. Lock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-07-29
Filing date: 1995-07-29
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2015-07-30
Also published as: KR100515422B1; JPH0943018A; DE19527861A1; US5705745A; JP3889831B2; KR970007308A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Massenflußsensors, wobei zur Herstellung
– die Oberfläche eines Siliziumsubstrats ganzflächig mit einer Membranschicht (7) bedeckt wird und
– in das Siliziumsubstrat ausgehend von der Rückseite eine Ausnehmung (8) bis zur Membranschicht (7) geätzt wird,
wobei vorgesehen ist, dass die Ausnehmung (8)
– einen Rahmen (1) und
– eine in dem Rahmen (1) aufgespannte Membran (2) bildet, und
– auf der Membran (2) eine Metallschicht abgeschieden wird, aus der ein Heizelement (3) und Temperaturmeßelemente (4) herausstrukturiert werden,
– am Rand der Membran (2) aus der Metallschicht Wärmeleitelemente (20, 21, 22) herausstrukturiert werden, die sich von der Membran (2) bis über den Rahmen (1) aus einkristallinem Silizium erstrecken,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wärmeleitelement stromaufwärts und ein Wärmeleitelement stromabwärts des Heizelements (3) in Bezug auf den zu erfassenden Massenfluß erzeugt wird.

Description

Stand der Technik
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.
In der Schrift US 4,651,564 wird ein Flusssensor beschrieben, bei dem ein Luftstrom über eine Membranstruktur geleitet wird. Diese Membranstruktur ist dabei von oben offen strukturiert, so dass das Heizelement und die Wärmesensoren, die in Form von dünnen Filmen aufgebracht werden, von Luft umströmt werden können. Um eine Symmetrisierung der Wärmeleiteigenschaften der zur Erfassung des Luftstroms verwendeten dünnen Filme zu erreichen, sind seitlich zum Luftstrom wärmeleitfähige Flächen vorgesehen.
Aus der Schrift DE 4 338 891 A1 ist ein Massenflusssensor bekannt, bei dem in einem Ausführungsbeispiel ein beheizbares Messelement und ein Medientemperaturmesselement auf einer Membran durch ein isothermes Element voneinander getrennt werden.
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.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine Aufsicht und 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor, 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, 4 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel und die 5 bis 7 jeweils einen Querschnitt durch weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt eine Aufsicht und die 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 Photolitographie 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 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 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/mh°C verwendet. Demgegenüber weist Silizium eine Wärmeleitfähigkeit von 180 und Platin von 60 kcal/mh°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 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 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors gezeigt. Der Aufbau entspricht im wesentlichen dem aus den 1 und 2 bekannten Aufbau, so daß gleichwirkende Teile die gleichen Bezugszeichen aufweisen. Im Unterschied zum Sensor nach den 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 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 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 2 unterscheiden sich die Sensoren nach den 5 bis 7 nur hinsichtlich der Ausgestaltung der Wärmeleitelemente.
In der 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 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 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 kaum, 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

Verfahren zur Herstellung eines Massenflußsensors, wobei zur Herstellung – die Oberfläche eines Siliziumsubstrats ganzflächig mit einer Membranschicht (7) bedeckt wird und – in das Siliziumsubstrat ausgehend von der Rückseite eine Ausnehmung (8) bis zur Membranschicht (7) geätzt wird, wobei vorgesehen ist, dass die Ausnehmung (8) – einen Rahmen (1) und – eine in dem Rahmen (1) aufgespannte Membran (2) bildet, und – auf der Membran (2) eine Metallschicht abgeschieden wird, aus der ein Heizelement (3) und Temperaturmeßelemente (4) herausstrukturiert werden, – am Rand der Membran (2) aus der Metallschicht Wärmeleitelemente (20, 21, 22) herausstrukturiert werden, die sich von der Membran (2) bis über den Rahmen (1) aus einkristallinem Silizium erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeleitelement stromaufwärts und ein Wärmeleitelement stromabwärts des Heizelements (3) in Bezug auf den zu erfassenden Massenfluß erzeugt wird.
Massenflußsensor, insbesondere hergestellt nach Anspruch 1, mit – einem Rahmen (1) aus einkristallinem Silizium und – einer in dem Rahmen (1) aufgespannten Membran (2) und – einer unterhalb der Membran (2) befindlichen und von der Rückseite eingebrachten Ausnehmung (8), – einem Heizelement (3) auf der Membran (2), welches aus einer Metallschicht herausstrukturiert ist, wobei am Rand der Membran (2) ebenfalls aus der Metallschicht herausstrukturierte Wärmeleitelemente (20, 21, 22) angeordnet sind, die sich von der Membran (2) bis über den Rahmen (1) aus einkristallinem Silizium erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeleitelement stromaufwärts und ein Wärmeleitelement stromabwärts des Heizelements (3) in Bezug auf den zu erfassenden Massenfluß angeordnet ist.
Massenflußsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) von einer Membranschicht (7) gebildet wird, die sich auch über die Oberseite des Rahmens (1) erstreckt.
Massenflußsensor nach Anspruch 3, 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.
Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Platin besteht.
Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid besteht.
Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Wärmeleitelement (20, 21, 22) eine weitere Metallschicht (30) vorgesehen ist.
Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Wärmeleitelement (20, 21, 22) eine dielektrische Passivierschicht (9) und darüber eine weitere Metallschicht (30) vorgesehen ist.
Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Wärmeleitelements (20, 21, 22) eine weitere Metallschicht (30) vorgesehen ist.
Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Membran (2) zu jeder Seite des Heizelements (3) ein Temperaturmeßelement (4) vorgesehen ist, das ebenfalls aus der Metallschicht herausstrukturiert ist.