DE19906100C2

DE19906100C2 - Thermal flow sensor in microsystem technology

Info

Publication number: DE19906100C2
Application number: DE1999106100
Authority: DE
Inventors: Joerg Mueller; Uwe Lehmann
Original assignee: SLS Micro Technology GmbH
Current assignee: Verwaltung Exos GmbH
Priority date: 1999-02-13
Filing date: 1999-02-13
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2019-02-14
Also published as: DE19906100A1

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.Flow sensors are known from patent WO 96/28712 A1 Microsystem technology with a membrane known, being on the Membrane a heater and at least on each side of the heater a temperature sensor are arranged. The heater and the Temperature sensors are out of a resistance layer structured. The temperature sensors are included for evaluation further resistors arranged in a measuring bridge circuit net.

Aus der US 4909078 ist es bekannt, den Heizer freitragend ohne Membran auszubilden und ihn zugleich als Temperatursen sor einzusetzen.From US 4909078 it is known that the heater is self-supporting without forming a membrane and at the same time as temperature sensors use sor.

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.The flow sensor with self-supporting thin-film metal Has structures for the heater compared to those with a mem bran the advantage of a higher mechanical stability and Sensitivity. This is essentially inevitable intrinsic tensions of the membrane material lead, which is also only partially when under-etching can relax. In addition, arise due to the ther mix gradients in operation and the different ther coefficients of expansion mix additional stresses that due to the inevitable thermal cycles life affect duration.

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.Cover the metal thin layers with a suitable cathode The sputtering process, on the other hand, stresses the substrate dimension deposited material, after etching they are completely without intrinsic stresses, resulting in high mechanical The stability of the self-supporting metal thin layers leads. para sitary heat capacities, as well as thermal conductivities for the self-supporting thin-film metal structures Minimum reduced. This version is with the low parasitic thermal properties the temperature profile about the heater and the associated resistance levels th in the flow direction of the fluid proportional to the through flow rate of the flowing medium.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Temperaturprofil über den Heizer für die Durchflußmessung erfaßbar zu machen.It is therefore an object of the invention, this temperature profile to make it detectable by the heater for the flow measurement.

Diese Aufgabe wird durch einen Durchflußmesser mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst.This task is accomplished with a flow meter Features solved according to claim 1.

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.Since the calorimetric evaluation is localized directly on the Heat source is performed, this is the procedure more sensitive and has a larger measuring range than that classic processes with separate heaters and Temperature sensors.

drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt un in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu tert.Embodiments of the invention are in the drawings shown and explained in more detail in the following description 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.In Fig. 1 is a view of the cantilever heating element 2 , which is also used as a temperature sensor, with its electrical leads 3 is shown. These thin-film metal structures are located on a substrate 1 with a trench structure 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. Fig. 2 outlines a possible arrangement of the metal thin-film structures, as can be realized to build up the heater with integrated calorimetric evaluation. The self-supporting thin-film metal strips 2 act here as heating elements and temperature sensors.

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.In Fig. 2, the lower trench 7 is the reference trench, which is not traversed by the medium, and the upper trench is the measuring trench. The heating element 2 in the measurement trench 7 has an electrical tap in the middle of the heater with a bond pad 51 . The heating element in the reference trench has two electrical taps which are connected to a strip 4 . The bond pad 52 extends from this. The measurement signal is tapped at these bond pads 51 and 52 . For zero adjustment of this measuring arrangement, the thin-film metal strip 4 z. B. adjusted with a laser in its resistance.

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. Fig. 3 shows a possible trench arrangement 7 for the fluid guide, in which the reference chamber is supplied with the fluid medium via diffusion via a connecting trench, not shown, and so the reference is operated in the same medium as the sensor heating wire. The heater structures 2 can be designed in the form of a meander. The metal strip 4 can be replaced by a potentiometer. The connections 6 serve for the measuring bridge voltage supply.

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. Fig. 4 shows a possible cross section of the flow sensor. A cover 9 with a congruent trench structure 10 , as is present in the substrate 7, is applied to the substrate 1 with an insulation layer 8 and the thin-layer metal structures 2 . In the cover 9 , depressions 11 are also provided in the area of the metal structures, so that the cover 9 can be connected to the substrate in a gas-tight manner.

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. Fig. 5 and 6 show cross sections of the same stanchions for connecting the flow sensor to the gas supply. The holder consists of a trough 12 in which the sensors are inserted. Sinks for O-rings 13 are introduced into this trough 12 , which prevents undesired gas leakage. The flow sensor is pressed here with spring plates 121 into the tub 12 and onto the O-rings 13 . The tub 12 can be part of a pump which is integrated in the housing of the pump.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchflußsensor gekennzeichnet durch Fluidzuführungen 14
According to a preferred embodiment of the invention, the flow sensor is characterized by fluid feeds 14

- Through the silicon substrate in the form of wet chemical etched holes 15 , or
- By a cover made of silicate glass in the form of ultrasonically drilled holes 17 , or
- Through a cover made of injection molded plastic in the form of holes made in their manufacture.

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. Fig. 7 shows an alternative connection for gas supply and discharge. For this purpose, the trenches 19 in the substrate and in the cover are led to the edge of the sensor. Injection molded plastic adapters 18 are attached to the end faces where the trench system emerges. These consist essentially of cylindrical tubes and merge into a slotted cuboid, which is fastened over the trench openings as shown in Fig. 7.

Claims

1. Thermal flow sensor in microsystem technology with at least one self-supporting heating element ( 2 ) over at least one trench ( 7 ) in a substrate, the heating element ( 2 ) being structured out of a metallic resistance layer and at the same time serving as a temperature sensor, characterized in that on the Heating element ( 2 ) an electrical tap is realized to make the electrical voltage profile detectable via the heating element ( 2 ).

2. Flow sensor according to claim 1, characterized in that the metallic resistance layer that makes up the heater is structured out of platinum, NiCr or Gold thin layers exist.

3. Flow sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the heating element ( 2 ) is guided in the form of a meander to minimize the lateral expansion and to increase the measurement signal by greater heating power density.

4. Flow sensor according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that from the metallic resistance layer also the reference and required to build a measuring bridge Compensation resistors are structured.

5. Flow sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that from the metallic resistance layer also leads ( 3 ) and contacting surfaces (bond pads) ( 51 , 52 ) for the heating element ( 2 ) and the measuring bridge are structured.

6. Flow sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that it is constructed in silicon-glass or silicon-plastic technology, using an isotro pen silicon plasma etching process to create trenches ( 7 ) in the substrate and Undercutting of the heating structure.

7. Flow sensor according to claim 6, characterized in
that it has a cover ( 9 ) made of silicate glass or injection molded plastic,
in the congruent to the trenches ( 7 ) in the substrate if trenches are provided so that the heating element ( 2 ) remains cantilevered under the cover,
are provided in the recesses ( 11 ) for sinking the structures of the metallic resistance layer, and
which is combined with conventional bonding techniques from microsystem technology to form the silicon substrate.

8. Flow sensor according to claim 7, characterized by fluid feeds ( 14 )
through the silicon substrate in the form of wet chemical etched holes ( 15 ), or
through a cover made of silicate glass in the form of ultrasonically drilled holes ( 17 ), or
by a cover made of injection molded plastic in the form of holes made during its manufacture.

9. Flow sensor according to claim 7, characterized by Fluid supplies from the side edges of the substrate, in where the trenches in the substrate and the congruent trenches in the cover up to the edges.

10. Flow sensor according to claim 9, characterized by Adapter for a hose connection to the fluid supply, preferably manufactured using plastic injection molding technology.