DE19951595A1

DE19951595A1 - Massenflusssensor mit verbesserter Membranstabilität und einstellbarer Wärmeleitfähigkeit der Membran

Info

Publication number: DE19951595A1
Application number: DE19951595A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fuertsch; Heribert Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2001-05-17
Also published as: JP2001141540A; US6523403B1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Massenflußsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. DOLLAR A Zur Verbesserung der Membranstabilität des bekannten Massenflußsensors sowie zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit einer Membran mit höherer mechanischer Stabilität ist insbesondere vorgesehen, daß die Membran (24; 25) mindestens eine dielektrische bzw. nichtleitende Anpassungs-Schicht (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) mit einer gegenüber einer Silizium-Oxidschicht (4, 9, 11) gleicher Dicke erhöhten Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei die Anpassungs-Schicht zur Anpassung der Wärmeleitfähigkeit der Membran (24, 25) dient. Eine der bevorzugten Anpassungs-Schichten ist polykristallines Silizium.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Massenflußsensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs, der in der Beschreibung zu Fig. 1 näher beschrieben ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Massenflußsensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer verbesserten Membranstabilität aufgrund von mindestens einer Anpassungs-Schicht in einer erfindungsgemäßen Membran.

Durch die Verwendung von einer oder mehreren, vorzugsweise dielektrischen bzw. nichtleitenden Anpassungs-Schichten in einer erfindungsgemäßen Membran ist es möglich die Membran mechanisch stabiler zu gestalten, sei es aufgrund einer gegenüber der bekannten Membran insgesamt dickeren Membran und/oder aufgrund einer Schichtenfolge in der erfindungsgemäßen Membran, die eine höhere mechanische Stabilität bei gleicher Schichtdicke wie die bekannte Membran aufweist. Trotz einer höheren mechanischen Stabilität bei gleicher oder größerer Gesamtschichtdicke einer erfindungsgemäßen Membran gegenüber der bekannten Membran, weist eine erfindungsgemäße Membran aufgrund der erfindungsgemäßen Anpassungs-Schicht bzw. der erfindungsgemäßen Anpassungs-Schichten eine Wärmeleitfähigkeit auf, die der der bekannten Membran entspricht oder diese sogar übersteigt. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich einen Massenflußsensor herzustellen, der mechanisch stabiler als der bekannte Massenflußsensor ist und dennoch eine Ansprechzeit aufweist, die zumindest der des bekannten Massenflußsensors entspricht.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Massenflußsensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine Anpassungs-Schicht polykristallines Silizium aufweist.

Polykristallines Silizium, d. h. Polysilizium, hat eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium-Oxid oder Silizium-Nitrid. Eine Schicht aus polykristallinem Silizium gestattet also eine schnellere Wärmeabfuhr als eine Schicht aus Silizium-Oxid bzw. Silizium-Nitrid gleicher Schichtdicke. Durch die Verwendung von polykristallinem Silizium bzw. einer Anpassungs-Schicht aus polykristallinem Silizium ist es möglich die Schichtdicke einer erfindungsgemäßen Membran gegenüber der bekannten Membran zu erhöhen. Wird eine Silizium-Oxidschicht und/oder eine Silizium-Nitridschicht der bekannten Membran ganz oder teilweise durch eine Schicht aus polykristallinem Silizium ersetzt, ist eine gegenüber der bekannten Membran dickere Membran herstellbar, die eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die der Wärmeleitfähigkeit der bekannten Membran entspricht oder sogar höher ist. Umgekehrt ergibt sich dann eine erfindungsgemäße Membran, deren Wärmespeicherkapazität gleich oder sogar geringer als die Wärmespeicherkapazität einer bekannten Membran ist, wodurch es trotz größerer Gesamtdicke einer erfindungsgemäßen Membran gegenüber einer bekannten Membran möglich wird einen Massenflußsensor zu realisieren, der zumindest die elektrischen Eigenschaften der bekannten Membran aufweist, wie insbesondere eine schnelle Ansprechzeit.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn neben Silizium-Oxid und Silizium-Nitrid noch andere Schichten, allesamt sogenannte Anpassungs-Schichten genannt, eine erfindungsgemäße Membran bilden. Bei diesen Schichten bzw. Anpassungs-Schichten handelt es sich neben möglichen Anpassungs-Schichten aus Silizium-Oxid und Silizium-Nitrid bevorzugt um Schichten aus dem genannten Polysilizium, Silizium-Oxynitrid, Siliziumcarbid, um Metalle oder Metall-Oxide. Die Metalle können beispielsweise Platin, Titan, Palladium, Nickel, Aluminium, Gold, Chrom, Wolfram oder Tantal sein. Bei den Metall-Oxiden kann es sich beispielsweise um Titan-Oxid, Aluminium-Oxid, Wolfram-Oxid oder Tantal-Oxid handeln. Es versteht sich, daß dies lediglich einige Beispiele für die Realisierung der Erfindung sind.

Von Vorteil ist, daß die genannten Materialien zur Bildung einer erfindungsgemäßen Membran deren mechanische Stabilität gegenüber der bekannten Membran erhöhen. Zudem ermöglichen die Materialien aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit und durch eine geeignete Schichtenreihenfolge bzw. Kombination der genannten Anpassungs-Schichten eine Einstellung der mittleren Wärmeleitfähigkeit einer erfindungsgemäßen Membran. Bevorzugt wird mit den genannten Membranmaterialien eine erfindungsgemäße Membran gebildet, die mechanisch stabiler als die bekannte Membran ist und deren mittlere Wärmeleitfähigkeit zumindest der der bekannten Membran entspricht.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht notwendigerweise maßstäblichen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Schichten oder Teile bezeichnen. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Halbleiter-Massenflußsensor mit einer Membran - im Querschnitt;

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Halbleiter-Massenflußsensor mit einer gegenüber der bekannten Membran mechanisch robuster ausgeführten Membran, die Anpassungs- Schichten und eine Feuchtigkeitsbarriere aufweist - im Querschnitt; und

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Halbleiter-Massenflußsensor, der im Unterschied zu dem in Fig. 2 dargestellten Massenflußsensor eine weitere Anpassungs-Schicht aufweist - im Querschnitt.

Beschreibung

Der in Fig. 1 dargestellte Massenflußsensor 1 weist einen Rahmen 6, eine auf dem Rahmen 6 angeordnete Membran 23, die bevorzugt zur Messung einer Luftströmung dient, und eine in der Membran 23 angeordnete Metallschicht, vorzugsweise eine Platin-Schicht 10, auf.

Zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten bekannten Massenflußsensors 1 wird ein Silizium-Substrat 2 mit einer (100)-Orientierung, z. B. meinem Horizontalofen, in bekannter Weise durch die Zufuhr von Sauerstoff auf seinen Oberflächen oxidiert, wobei unterhalb des Silizium-Substrats 2 eine Silizium-Oxidschicht 3 und oberhalb des Silizium- Substrats 2 eine Silizium-Oxidschicht 4 entsteht.

Auf der Ober- und Unterseite des Schichtensystems, bestehend aus dem Silizium-Substrat 2, der unteren Silizium-Oxidschicht 3 und der oberen Silizium-Oxidschicht 4, wird eine Silizium- Nitridschicht 7 und eine Silizium-Nitridschicht 8 abgeschieden. Die Silizium-Nitridschichten 7 und 8 werden bei der bekannten Membran 23 durch sogenanntes "Chemical Vapor Deposition" (CVD), genauer gesagt, durch sogenanntes "Low- Pressure Chemical Vapor Deposition" (LPCVD), erzeugt.

Nachdem die Unter- und die Oberseite mit einer Silizium- Nitridschicht versehen worden sind, wird die Oberfläche der oberhalb des Rahmens 6 befindlichen Silizium-Nitridschicht 8 in eine Silizium-Oxidschicht umgewandelt. Diese Silizium- Oxidschicht, welche im folgenden als Reoxidschicht 9 bezeichnet wird, bildet den Untergrund für die Platin-Schicht 10, die die Reoxidschicht 9 weitgehend bedeckt.

In der Platin-Schicht 10 werden in bekannter Weise elektrisch voneinander isolierte Strukturen (nicht dargestellt) durch Ätzen erzeugt. Die mit jeweils zwei Anschlüssen (nicht dargestellt) zur Herstellung eines elektrischen Anschlusses versehenen Strukturen bilden zur Herstellung eines Massenflußsensors mindestens ein Heizelement (nicht dargestellt) und zwei Temperaturmeßelemente (nicht dargestellt), wovon vorzugsweise eines links vom Heizelement und eines rechts vom Heizelement angeordnet ist.

Nachfolgend wird die Platin-Schicht 10 im Rahmen eines weiteren CVD-Prozeßschritts mit einer Silizium-Oxidschicht 11 versehen. Bei dem CVD-Prozeßschritt zur Bildung der Silizium- Oxidschicht 11 wird vorzugsweise von einem sogenannten "Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition"-Verfahren (PECVD) Gebrauch gemacht. Das PECVD-Verfahren ist bekannt und braucht daher hier nicht näher erläutert zu werden. An der Verwendung eines PECVD-Verfahrens ist von Vorteil, daß sich auch kleine Wachstumsraten reproduzierbar einstellen lassen.

Nach der Beschichtung der Platin-Schicht 10 mit der Silizium- Oxidschicht 11 wird die Silizium-Oxidschicht 11, derart geätzt, daß die in der Platin-Schicht 10 vorgesehenen Strukturen zur Bildung des Heizelements bzw. des oder der Temperaturmeßelemente elektrisch kontaktiert werden können. Nach der Herstellung entsprechender Ätzlöcher in der Silizium- Oxidschicht 11 werden in bekannter Weise Aluminium- Kontaktanschlüsse erzeugt, von, denen beispielhaft lediglich ein einziger Aluminium-Kontaktanschluß 12 in Fig. 1 dargestellt ist, die die Strukturen in der Platin-Schicht 10 kontaktieren und zum externen elektrischen Anschluß des Massenflußsensors 1 dienen.

Das aus dem Silizium-Substrat 2 und den Silizium-Oxidschichten 3 und 4 bestehende Schichtensystem wird nun derart geätzt, vorzugsweise mit Kaliumhydroxid (KOH), daß sich aufgrund der unterschiedlichen Ätzraten von KOH in der[100]- und der [111]-Kristall-Richtung von Silizium eine zur Membran hin verjüngende pyramidenstumpfförmige Aussparung 5 mit trapezförmigem Querschnitt in dem Silizium-Substrat 2 bildet, wodurch der Rahmen 6 entsteht und die Membran 23 gebildet wird.

Der Massenflußsensor 1 der Fig. 1 sowie die in den weiteren Figuren dargestellten erfindungsgemäßen Massenflußsensoren werden typischerweise im Ansaugkanal von Verbrennungsmaschinen zur Messung der der Verbrennungsmaschine zugeführten Luftmenge und deren Strömungsrichtung eingesetzt. Da die der Verbrennungsmaschine zugeführte Luft oftmals Partikel aufweist, können diese auf den Massenflußsensor 1 bzw. die Membran 23 auftreffen und zur Zerstörung der Membran 23 führen. Um diesem Problem zu begegnen, sind die in den Fig. 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Massenflußsensoren 200 und 300 jeweils mit einer Membran 24 und 25 versehen, die mechanisch robuster als die Membran 23 des bekannten Massenflußsensors 1 der Fig. 1 ist.

Eine ausreichende Robustheit gegenüber dem beschriebenen Beschuß mit Partikeln kann insbesondere erreicht werden, indem erfindungsgemäß eine Membran gebildet wird, deren Gesamtschichtdicke dicker als die Gesamtschichtdicke der bekannten Membran 23 ist, wodurch eine ausreichende mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Membran erreicht und ein Membranbruch verhindert wird.

Es versteht sich jedoch, daß die Gesamtschichtdicke einer erfindungsgemäßen Membran in Abhängigkeit von dem konkreten Schichtensystem der Membran bzw. des gesamten Sensors gewählt werden kann. Die Gesamtschichtdicke einer erfindungsgemäßen Membran könnte also auch gleich dick oder dünner als die der bekannten Membran sein, wenn das konkrete Schichtensystem aufgrund seiner Anordnung und/oder seiner Zusammensetzung der die Membran bildenden Schichten eine ausreichende mechanische Stabilität gegenüber dem beschriebenen Beschuß durch Partikeln aufweist.

Die konkrete Gestaltung der Schichtenreihenfolge einer erfindungsgemäßen Membran bzw. von deren Dicke wird sich in der Regel natürlich auch daran orientieren, welche konkreten physikalischen Bedingungen im Ansaugkanal herrschen, in den der Massenflußsensor eingebracht werden soll.

Von besonderer Bedeutung ist jedoch, daß die Wärmespeicherkapazität einer Membran bei einer simplen Vergrößerung von deren Gesamtschichtdicke durch gering wärmeleitfähige Schichten, wie z. B. Silizium-Oxid, zunimmt. Dieser Umstand hat eine nachteilige Auswirkung auf die Ansprechzeit einer ggü. der bekannten Membran lediglich "aufgeblasenen" Membran, d. h. eine solche Membran führt zu einem trägeren Sensor.

Ein wichtiger Aspekt der Erfindung zur Überwindung dieses Nachteils besteht darin, eine oder mehrere der Silizium- Oxidschichten und/oder die Silizium-Nitridschicht der bekannten Membran ganz oder teilweise durch eine oder mehrere sogenannte Anpassungs-Schichten zu ersetzen.

Bevorzugt ist eine Anpassungs-Schicht bzw. sind Anpassungs- Schichten vorgesehen, die eine oder mehrere Schichten aus oder mit Silizium-Oxid, Silizium-Nitrid, Silizium-Oxynitrid, Polysilizium, Siliziumcarbid, einem oder mehreren Metallen und/oder einem oder mehreren Metall-Oxiden aufweisen. Bei den Metallen kann es sich beispielsweise um Platin, Titan, Aluminium, Chrom, Gold, Palladium, Nickel, Wolfram oder Tantal handeln und bei den Metall-Oxiden um Titan-Oxid, Tantal-Oxid, Wolfram-Oxid oder Aluminium-Oxid.

Durch eine geeignete Wahl solcher Schichten und/oder eine geeignete Wahl einer Schichtreihenfolge läßt sich erfindungsgemäß eine ggü. der bekannten Membran 23 dickere und/oder gegen den Beschuß mit Partikeln robustere Membran herstellen, die weitgehend die gleiche oder eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die bekannte Membran 23 aufweist. Bei der Erfindung erfolgt bevorzugt eine "Aufdickung" der bekannten Membran überwiegend oder vollständig unterhalb der Platin-Schicht. Hierdurch kann eine Konditionierung des Schichtverbundes, z. B. durch Tempern, unabhängig von der Platinkonditionierung, erfolgen. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands des Platins bleibt somit unbeeinflußt von den Temperbedingungen des Schichtverbundes.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Massenflußsensor 200, dessen Rahmen 6, Silizium-Oxidschicht 4, LPCVD-Silizium- Nitridschicht 8, Platin-Schicht 10 und Aluminium- Kontaktanschluß 12 denen des bekannten Massenflußsensors in Fig. 1 entsprechen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Massenflußsensor, der eine von Fig. 1 abweichende Membran 24 aufweist, wird auf der Silizium-Nitridschicht 8 eine erste PECVD-Silizium-Nitridschicht 13 abgeschieden. In Richtung der Oberseite des Massenflußsensors 1 folgen die Schichten: erste PECVD-Silizium-Oxidschicht 14, zweite PECVD-Silizium- Nitridschicht 15, zweite PECVD-Silizium-Oxidschicht 16, Platin-Schicht 10, dritte PECVD-Silizium-Oxidschicht 17 und schließlich die dritte PECVD-Silizium-Nitridschicht 18, die eine Deckschicht und Feuchtigkeitsbarriere des Massenflußsensors 200 in Fig. 2 bildet.

Mit der vorstehend aufgeführten Schichtenfolge der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Membran 24, die lediglich ein Beispiel für eine Vielzahl von möglichen Ausführungsformen der Erfindung ist, kann die mechanische Stabilität der in Fig. 1 dargestellten bekannten Membran bei gleichzeitig möglicher Einstellung der Wärmeleitfähigkeit erhöht werden. Die als oberste Schicht bzw. Deckschicht vorgesehene Silizium- Nitridschicht 18 ermöglicht zudem eine sehr gute Feuchtestabilität der in Fig. 2 dargestellten Membran 24 und verhindert wirksam, daß Feuchtigkeit, wie insbesondere Luftfeuchtigkeit im Ansaugkanal, in dem ein Massenflußsensor der Fig. 2 angeordnet sein kann, in die Membran eindringt, was negative Auswirkungen sowohl auf die mechanische Stabilität der Membran als auch auf deren elektrische Eigenschaften hätte.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Massenflußsensor 300, der im Unterschied zu dem in Fig. 2 dargestellten Massenflußsensor eine Polysiliziumschicht 19 aufweist. Die Polysiliziumschicht 19, eine weitere sogenannte Anpassungs-Schicht neben den Silizium-Oxid- und Silizium-Nitrid-Anpassungs-Schichten, ist in der in Fig. 3 dargestellten Membran 25 zwischen der LPCVD- Silizium-Nitridschicht 8 und der ersten PECVD-Silizium- Nitridschicht 13 vorgesehen.

Polysilizium bzw. die Polysiliziumschicht 19 weist bei gleicher Schichtdicke eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium-Oxid oder Silizium-Nitrid auf und ermöglicht eine "Aufdickung" einer Membran bei verhältnismäßig geringer Zunahme der Wärmespeicherkapazität.

Als Ätzstop-Schicht beim KOH-Ätzen dient vorzugsweise eine LPCVD-Silizium-Nitridschicht, die von KOH nicht angegriffen wird. Die LPCVD-Silizium-Nitridschicht kann entweder direkt auf das Silizium-Substrat abgeschieden werden oder aber, zur besseren Streßentkopplung, auf eine zuvor erzeugte Silizium- Oxidschicht. Alternativ kann anstelle einer LPCVD-Silizium- Nitridschicht auch eine andere KOH^-stabile Schicht verwendet werden, wie beispielsweise Silizium-Oxynitrid, Siliziumcarbid oder bestimmte, für diesen Anwendungszweck bekannte Metalle.

Anstelle einer feuchtigkeitsstabilen PECVD-Silizium- Nitridschicht 18 als Deckschicht auf dem erfindungsgemäßen Massenflußsensor 200 und 300 kann auch eine Siliziumcarbid- Schicht verwendet werden. Ebenso ist denkbar eine solche Deckschicht durch chemisch resistente Metalle, wie beispielsweise Platin, Gold usw. oder durch Metall-Oxide zu bilden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt) ist vorgesehen, die Silizium-Nitridschicht 8 der Membranen 24 und 25 in den Fig. 1 und 2 nicht durch LPCVD, sondern durch PECVD herzustellen.

Bezugszeichenliste

1

Massenflußsensor

2

Silizium-Substrat

3

Silizium-Oxidschicht

4

Silizium-Oxidschicht

5

Aussparung

6

Rahmen

7

Silizium-Nitridschicht

8

LPCVD-Silizium-Nitridschicht

9

Reoxidschicht

10

Platin-Schicht

11

Silizium-Oxidschicht

12

Aluminium-Kontaktanschluß

13

erste PECVD-Silizium-Nitridschicht

14

erste PECVD-Silizium-Oxidschicht

15

zweite PECVD-Silizium-Nitridschicht

16

zweite PECVD-Silizium-Oxidschicht

17

dritte PECVD-Silizium-Oxidschicht

18

dritte PECVD-Silizium-Nitridschicht

19

Polysiliziumschicht

23

Membran

24

Membran

25

Membran

200

Massenflußsensor

300

Massenflußsensor

Claims

1. Massenflußsensor (1; 200; 300) umfassend:

- einen Rahmen (6), der zumindest teilweise durch Silizium (2) gebildet ist;
- eine von dem Rahmen (6) gehaltene Membran (23; 24; 25);
- eine oberhalb des Rahmens (6) angeordnete Metallschicht (10);
- ein Heizelement, daß durch eine erste Struktur in der Metallschicht gebildet ist;
- mindestens ein Temperaturmeßelement, daß durch eine zweite Struktur in der Metallschicht gebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (24; 25) mindestens eine dielektrische bzw. nichtleitende Anpassungs-Schicht (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) mit einer ggü. einer Silizium-Oxidschicht (4, 9, 11) gleicher Dicke erhöhten Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei die Anpassungs-Schicht zur Anpassung der Wärmeleitfähigkeit der Membran (24, 25) dient.

2. Massenflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Anpassungs-Schicht (13, 15, 18; 14, 16, 17) Silizium-Nitrid oder Silizium-Oxid aufweist.

3. Massenflußsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Anpassungs-Schicht (13, 14, 15, 16, 17, 18) durch PECVD gebildet ist.

4. Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Anpassungs-Schicht (19) polykristallines Silizium, Silizium-Oxynitrid, Siliziumcarbid, ein oder mehrere Metalle oder ein oder mehrere Metall-Oxide aufweist.

5. Massenflußsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Metalle Platin, Titan, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Gold, Chrom oder Tantal ist.

6. Massenflußsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Metall-Oxide Titan-Oxid, Aluminium-Oxid, Wolfram-Oxid oder Tantal-Oxid ist.

7. Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Anpassungs-Schicht (18) eine Deckschicht der Membran (24; 25) bildet.

8. Massenflußsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (18) Silizium-Nitrid aufweist.

9. Massenflußsensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (18) Siliziumcarbid aufweist.

10. Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (18) durch PECVD, LPCVD oder ein anderes CVD-Verfahren gebildet ist.