DE19906100C2 - Thermischer Durchflußsensor in Mikrosystemtechnik - Google Patents

Description

Aus dem Patent WO 96/28712 A1 sind Durchflußsensoren in Mikrosystemtechnik mit einer Membran bekannt, wobei auf der Membran ein Heizer und zu jeder Seite des Heizers mindestens ein Temperatursensor angeordnet sind. Der Heizer und die Temperatursensoren sind aus einer Widerstandsschicht heraus­ strukturiert. Zur Auswertung sind die Temperatursensoren mit weiteren Widerständen in einer Meßbrückenschaltung angeord­ net.

Aus der US 4909078 ist es bekannt, den Heizer freitragend ohne Membran auszubilden und ihn zugleich als Temperatursen­ sor einzusetzen.

Der Durchflußsensor mit freitragenden Dünnschicht-Metall- Strukturen für den Heizer hat gegenüber denen mit einer Mem­ bran den Vorteil einer höheren mechanischen Stabilität und Empfindlichkeit. Dies ist im wesentlichen auf die unvermeid­ lichen intrinsischen Spannungen des Membranmaterials zurück­ zuführen, welches sich zudem beim Unterätzen nur teilweise entspannen kann. Darüber hinaus entstehen aufgrund der ther­ mischen Gradienten im Betrieb und der unterschiedlichen ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten zusätzliche Spannungen, die infolge der unvermeidlichen thermischen Zyklen die Lebens­ dauer beeinträchtigen.

Werden die Metalldünnschichten mit einem geeigneten Kathoden­ zerstäubungsprozeß hingegen spannungsarm auf das Substratma­ terial abgeschieden, sind sie nach Unterätzung gänzlich ohne intrinsische Spannungen, was zu einer hohen mechanischen Stabilität der freitragenden Metalldünnschichten führt. Para­ sitäre Wärmekapazitäten, wie auch Wärmeleitfähigkeiten sind bei den freitragenden Dünnschicht-Metall-Strukturen auf ein Minimum reduziert. Bei dieser Ausführung ist mit den geringen parasitären thermischen Eigenschaften das Temperaturprofil über den Heizer und dem damit verbundenen Widerstandsgradien­ ten in Strömungsrichtung des Fluids proportional der Durch­ flußrate des umströmenden Mediums.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Temperaturprofil über den Heizer für die Durchflußmessung erfaßbar zu machen.

Diese Aufgabe wird durch einen Durchflußmesser mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Da die kalorimetrische Auswertung direkt lokalisiert an der Heizquelle durchgeführt wird, ist dieses Verfahren empfindlicher und hat einen größeren Meßbereich als die klassischen Verfahren mit separaten Heizern und Temperatursensoren.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt un in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert.

In der Abb. 1 ist eine Ansicht des freitragenden Heiz­ elementes 2, welches auch als Temperatursensor eingesetzt wird, mit seinen elektrischen Zuleitungen 3 gezeigt. Diese Dünnschicht-Metall-Strukturen befinden sich auf einem Sub­ strat 1 mit einer Grabenstruktur 7.

Abb. 2 skizziert eine mögliche Anordnung der Metall- Dünnschicht-Strukturen, wie sie zum Aufbau des Heizers mit integrierter kalorimetrischer Auswertung realisiert werden kann. Die freitragenden Dünnschicht-Metallstreifen 2 fungie­ ren hier als Heizelemente und Temperatursensoren.

In Abb. 2 ist der untere Graben 7 der Referenzgraben, welcher nicht von dem Medium durchströmt wird, und der obere ist der Meßgraben. Das Heizelement 2 im Meßgraben 7 hat einen elektrischen Abgriff in der Mitte des Heizers mit einem Bondpad 51. Das Heizelement im Referenzgraben hat zwei elektrische Abgriffe, die mit einem Streifen 4 verbunden sind. Von diesem geht das Bondpad 52 ab. An diesen Bondpads 51 und 52 wird das Meßsignal abgegriffen. Zum Nullabgleich dieser Meßanordnung wird der Dünnschicht-Metallstreifen 4 z. B. mit einem Laser in seinem Widerstand angepaßt.

Abb. 3 zeigt eine mögliche Grabenanordnung 7 für die Fluidführung, bei der die Referenzkammer über einem nicht dargestellten Verbindungsgraben mit dem Fluidmedium über Diffusion versorgt wird und so die Referenz im selben Medium betrieben wird wie der Sensorheizdraht. Die Heizerstrukturen 2 können in Form eines Mäanders ausgeführt sein. Der Metallstreifen 4 kann durch ein Potentiometer ersetzt werden. Die Anschlüsse 6 dienen der Meßbrücken-Spannungsversorgung.

Abb. 4 zeigt einen möglichen Querschnitt des Durchfluß­ sensors. Auf dem Substrat 1 mit einer Isolationsschicht 8 und den Dünnschicht-Metall-Strukturen 2 ist eine Abdeckung 9 mit einer deckungsgleichen Grabenstruktur 10, wie sie im Substrat vorhanden ist 7, aufgebracht. In der Abdeckung 9 sind zudem Vertiefungen 11 im Bereich der Metallstrukturen vorgesehen, damit die Abdeckung 9 mit dem Substrat gasdicht verbunden werden kann.

Die Abb. 5 und 6 zeigen Querschnitte gleicher Halte­ rungen zur Anbindung des Durchflußsensors an die Gaszufuhr. Die Halterung besteht aus einer Wanne 12, in die die Sensoren eingelegt werden. In diese Wanne 12 sind Senken für O-Ringe 13 eingebracht, womit ein unerwünschter Gasaustritt verhindert wird. Der Durchflußsensor wird hier mit Federblechen 121 in die Wanne 12 und auf die O-Ringe 13 gedrückt. Die Wanne 12 kann Bestandteil einer Pumpe sein, welche im Gehäuse der Pumpe integriert ist.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchflußsensor gekennzeichnet durch Fluidzuführungen 14

• - durch das Siliziumsubstrat in Form naßchemisch geätzter Lö­ cher 15, oder
• - durch eine Abdeckung aus Silikatglas in Form ultraschallge­ bohrter Löcher 17, oder
• - durch eine Abdeckung aus Spritzgußkunststoff in Form von bei deren Fertigung eingebrachten Löchern.

Abb. 7 zeigt eine alternative Anbindung der Gaszufuhr und -abfuhr. Dazu werden die Gräben 19 im Substrat und in der Abdeckung bis an den Rand des Sensors geführt. Auf die Stirnflächen, wo das Grabensystem austritt, werden Spritzguß- Kunststoffadapter 18 angebracht. Diese bestehen im wesent­ lichen aus zylindrischen Rohren und gehen in einen geschlitzten Quader über, welcher über den Grabenöffnungen, wie in Abb. 7 gezeigt, befestigt wird.

Claims (10)

1. Thermischer Durchflußsensor in Mikrosystemtechnik mit min­ destens einem freitragenden Heizelement (2) über mindestens einem Graben (7) in einem Substrat, wobei das Heizelement (2) aus einer metallischen Widerstandsschicht herausstrukturiert ist und zugleich als Temperatursensor dient, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Heizelement (2) ein elektrischer Abgriff realisiert ist, um das elektrische Spannungsprofil über das Heizelement (2) erfaßbar zu machen.

2. Durchflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Widerstandsschicht, aus der die Heizer­ struktur herausstrukturiert ist, aus Platin-, NiCr- oder Gold-Dünnschichten besteht.

3. Durchflußsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Heizelement (2) in Form eines Mäanders aus­ geführt ist, um die laterale Ausdehnung zu minimieren und das Meßsignal durch größere Heizleistungsdichte zu vergrößern.

4. Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der metallischen Widerstandsschicht auch die zum Aufbau einer Meßbrücke benötigten Referenz- und Kompensationswiderstände herausstrukturiert sind.

5. Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus der metallischen Widerstandsschicht auch Zuleitungen (3) und Kontaktierungsflächen (Bondpads) (51, 52) für das Heizelement (2) und die Meßbrücke herausstrukturiert sind.

6. Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er in Silizium-Glas- oder Silizium-Kunst­ stoff-Technologie aufgebaut ist, unter Einsatz eines isotro­ pen Silizium-Plasmaätzprozesses zur Schaffung von Gräben (7) im Substrat und zur Unterätzung der Heizstruktur.

7. Durchflußsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß er eine Abdeckung (9) aus Silikatglas oder Spritzgußkunststoff aufweist,
in der deckungsgleich zu den Gräben (7) im Substrat eben­ falls Gräben vorgesehen sind, so daß das Heizelement (2) auch unter der Abdeckung freitragend bleibt,
in der Vertiefungen (11) zum Versenken der Strukturen der metallischen Widerstandsschicht vorgesehen sind, und
die mit herkömmlichen Bondtechniken aus der Mikrosystemtechnik zum Siliziumsubstrat verbunden ist.

8. Durchflußsensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Fluidzuführungen (14)
durch das Siliziumsubstrat in Form naßchemisch geätzter Lö­ cher (15), oder
durch eine Abdeckung aus Silikatglas in Form ultraschallge­ bohrter Löcher (17), oder
durch eine Abdeckung aus Spritzgußkunststoff in Form von bei deren Fertigung eingebrachten Löchern.

9. Durchflußsensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Fluidzuführungen von den Seitenrändern des Substrats aus, in­ dem die Gräben im Substrat und die deckungsgleichen Gräben in der Abdeckung bis an die Ränder geführt werden.

10. Durchflußsensor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Adapter für eine Schlauchanbindung an den Fluidzuführungen, vorzugsweise hergestellt in Kunststoffspritzgußtechnik.