DE4233153C2 - Kalorimetrischer Durchflußmesser und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kalorimetrischen Durch­ flußmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger kalorimetrischer Durchflußmesser ist aus US 4 888 988 bekannt. Dieser Durchflußmesser weist ein Halbleitersub­ strat auf, das an einer Seite mit einer ätzbeständigen Membranschicht versehen ist. Auf die Außenseite dieser Membranschicht sind Leiterbahnen aufge­ bracht, von denen eine ein Heizelement und zwei weitere je ein Sensorelement bilden. An der den Leiterbahnen abgewandten Rückseite der Membranschicht wird durch Ätzen des Halbleiterkörpers ein Fenster erzeugt, so daß die Leiterbahnen dort nur von der dünnen Membranschicht getragen werden. Die Oberseite dieser Schicht wird einschließlich der auf ihr gebildeten Leiterbahnen mit einer Passivierungsschicht bedeckt. Ein derartiger kalorimetrischer Durchflußmesser hat wegen der geringen Masse im Bereich des Fensters eine geringe Wärme­ trägheit und eine hohe Meßgenauigkeit. Die Leiter­ bahnen, welche das Heizelement und die Sensorelemente bilden, sind allerdings nur durch eine sehr dünne Passivierungsschicht, die der Kontur der Leiterbahnen folgt, von dem strömenden Fluid getrennt. Bei Be­ schädigung der Passivierungsschicht sind die Leiter­ bahnen dem Fluid unmittelbar ausgesetzt, was zum Ausfall des Durchflußmessers führen kann.

Aus JP 63-85363 A (Patent Abstracts of Japan, P-751, August 30, 1988, Vol. 12/No. 319) ist ein Durchfluß­ messer bekannt, der eine Platte aufweist, auf deren von der Strömung abgewandter Rückseite sich ein Heizelement und ein Sensorelement befinden. Diese Platte ist in einen Rahmen eingesetzt. Von dem Heizelement und dem Sensorelement führen Kontaktdrähte zu Kontaktelementen, die im Innern des Rahmens angeordnet sind. Ein der­ artiger Durchflußmesser erfordert wegen der einzeln herzustellenden und zu montierenden bzw. zu kontak­ tierenden Teile einen hohen Herstellungsaufwand.

Schließlich ist aus DE 25 27 505 A1 ein Durchflußmesser bekannt, der eine gut wärmeleitfähige dünnwandige Membran aufweist, auf deren Rückseite in Löchern eines isolierenden Substrats elektrisch leitende Elemente eingebettet sind, die in thermischem Kontakt mit der Membran stehen. Auch hier sind die elektrisch leitenden Elemente durch Kontaktdrähte mit Anschlußelementen ver­ bunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kalorimetrischen Durchflußmesser zu schaffen, der einfach herstellbar ist und einen sicheren Schutz gegen Kontaktberührungen seiner Leiterbahnen mit dem strömenden Fluid bietet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser weist einen ein­ stückigen Halbleiterkörper auf, der an seiner dem Fluid zugewandten Vorderseite mit einer ätz­ beständigen Membranschicht versehen ist. Das Heiz­ element und das Sensorelement oder mehrere Sensorelemente sind an der dem strömenden Fluid abgewandten Rückseite der Membranschicht in ausgesparten Fenstern im Halbleiterkörper ange­ ordnet. Der Halbleiterkörper ist unter Verwendung mikromechanischer Ätztechniken mit hoher Präzision her­ stellbar. Das Vorhandensein der ätzbeständigen Membranschicht verhindert, daß die im Halbleiterkörper erzeugten Fenster durchgehend offen sind. Diese Fenster sind mit der ätzbeständigen Membranschicht überspannt. An der Rückseite der Membranschicht ist in dem Fenster oder in mehreren Fenstern das Heizelement und das Sensorelement in direktem Kontakt mit dieser Membranschicht untergebracht. Dadurch wird ein direkter und sehr schneller Wärmeübergang durch die dünne Membranschicht hindurch gewährleistet, ohne daß das Heizelement und das Sensorelement mit dem strömenden Fluid in Kontakt geraten. Die ätzbeständige Membranschicht hat einerseits die Wirkung, daß sie das Ätzen des Halbleiterkörpers begrenzt und eine definierte Schichtdicke beibehält, und andererseits die Wirkung, daß sie von aggressiven Medien, die im Strömungskanal strömen, nicht abgetragen oder be­ schädigt wird. Die Membranschicht bildet in dem Fenster eine dünne Membran, die eine hinreichende Festigkeit hat, um den auftretenden mechanischen und chemischen Belastungen standzuhalten. Der Halbleiter­ körper bildet den mechanischen Trägerkörper des Durch­ flußmessers.

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser hat den Vorteil, daß das Heizelement und das Sensorelement durch eine sehr dünne Membran, die eine geringe thermische Masse haben, von dem strömenden Fluid getrennt sind, und ferner den Vorteil, daß er sehr kleinformatig und mit geringem Abstand von Heizelement und Sensorelement hergestellt werden kann. Der Halb­ leiterkörper ist ein einstückiger Körper, dessen Länge (in Strömungsrichtung) etwa 1 bis 3 mm betragen kann und dessen Stärke so bemessen ist, daß er die erforder­ liche Festigkeit hat, und beispielsweise 0,5 mm beträgt. Die ätzbeständige Membranschicht kann eine Stärke von 100 bis 400 nm haben, vorzugsweise eine Stärke von 100 bis 200 nm.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Her­ stellung eines kalorimetrischen Durchflußmessers mit den im Patentanspruch 6 angegebenen Schritten. Hiernach wird der Halbleiterkörper zunächst durch Bedampfung mit einer ätzbeständigen Membranschicht versehen. Dann wird das Material des Halbleiterkörpers in Masken-Ätz­ technik in mindestens einem Fenster bis zur Rückseite der Membranschicht entfernt. Abschließend wird auf die innerhalb des Fensters freiliegende Rückseite der Membranschicht und den Halbleiter­ körper elektrisch leitendes Material zur Bildung des Heizelements und des Sensorelements aufgedampft. Mit diesem Herstellungsverfahren können kleinformatige Durchflußmesser in Massenfertigung sehr präzise her­ gestellt werden.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Durchflußmessers mit drei voneinander getrennten Fenstern und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Durchflußmessers mit einem einzigen Fenster.

Der in Fig. 1 dargestellte Durchflußsensor weist einen Halbleiterkörper 10 auf, der beispielsweise recht­ eckigen Grundriß hat. Fig. 1 zeigt die Ansicht des Durchflußmessers von der Rückseite. Auf der Vorder­ seite, die der zu messenden Strömung 12 ausgesetzt ist, befindet sich eine ätzbeständige Membranschicht 11, die aus dem Material des Halbleiterkörpers 10 zuzüglich eines eindiffundierten Zusatzmaterials besteht. Der Halbleiterkörper 10 ist also einschließlich seiner Membranschicht 11 einstückig.

An der Rückseite des Halbleiterkörpers 10 sind drei Fenster 14, 15, 16 ausgebildet, die durch Materialent­ fernung entstanden sind. Diese Fenster 14, 15, 16, die in Strömungsrichtung in einer Reihe hintereinander an­ geordnet sind und die durch Zwischenwände voneinander getrennt sind, reichen von der Rückseite des Halb­ leiterkörpers bis zu der Membranschicht 11. Die Fenster sind also durch die Membranschicht 11 an der Vorderseite verschlossen.

Im mittleren Fenster 15 ist an der Rückseite der Membranschicht 11 ein Heizelement 17 ausgebildet. In den Fenstern 14 und 16 sind an der Rückseite der Membranschicht 11 Temperatur-Sensorelemente 18 und 19 ausgebildet. Das Heizelement 17 und die Sensorelemente 18, 19 sind dünne Leiterbahnen, die über weitere Leiter­ bahnen 20, die sich quer über die Seitenwände des jeweiligen Fensters erstrecken, mit Kontaktelementen 21 und 22 verbunden sind, die auf der Rückseite des Halbleiter­ körpers 10 angeordnet sind. Die Kontaktelemente 21 und 22 dienen zum Anschluß elektrischer Leiter, die zu einer Auswerteschaltung führen, die beispielsweise eine Brückenschaltung enthalten kann.

Beim Betrieb des Durchflußmessers wird an die Kontakt­ elemente zu beiden Enden des Heizelements 17 eine elektrische Spannung gelegt, so daß ein Strom durch das Heizelement 17 fließt. Da die Breite des Heizelements 17 wesentlich kleiner ist als die Breite der Leiter­ bahnen 20 und der Kontaktelemente 21, 22, tritt am Heizelement 17 die größte Heizwirkung auf.

In gleicher Weise wie das Heizelement 17 sind auch die Temperatur-Sensorelemente 18 und 19 als schmale Leiter­ bahnen ausgeführt. An die entsprechenden Kontakt­ elemente wird eine Spannung gelegt, um den elektrischen Widerstand des jeweiligen Sensorelements zu messen. Dieser Widerstand ist um so größer je größer die Temperatur des Sensorelements ist.

Die Stärke des Halbleiterkörpers 10 beträgt etwa 0,5 mm, die Breite etwa 2 mm und die Länge etwa 3 mm. Die Stärke der Membranschicht 11 beträgt ca. 100 nm.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 entspricht dem­ jenigen von Fig. 1, mit Ausnahme der Tatsache, daß der Halbleiterkörper 10a nur ein einziges langgestrecktes Fenster 24 enthält, in dem das Heizelement 17 und die Sensorelemente 18 und 19 gemeinsam angeordnet sind. Die Kontaktelemente 21 und 22 befinden sich zu beiden Seiten des Fensters 24 auf der Rückseite des Halb­ leiterkörpers 10a.

Bei beiden Ausführungsbeispielen besteht der Halbleiter­ körper aus reinem Silizium und die Membranschicht 11 besteht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄).

Die Herstellung des Durchflußmessers erfolgt dadurch, daß ein Halbleiterkörper aus (100)-orientiertem Silizium im Low-Pressure-Chemical-Vapor-Deposition-Ver­ fahren (LPCVD) mit einer Siliziumnitrid-Beschichtung versehen wird, die die Membranschicht 11 bildet. Anschließend wird der Halbleiterkörper auf seiner Rück­ seite mit einer Ätzmaske versehen, die die herzustel­ lenden Fenster freihält, und es erfolgt ein anisotropes Ätzen, beispielsweise mit Kalilauge (KOH). Beim Ätzen wirken die (111)-Ebenen des (100)-Siliziums, die einen Neigungswinkel von 54,7° zur Oberfläche besitzen, als horizontale Ätzstopps und ermöglichen eine definierte Strukturierung.

Nachdem das Silizium bis auf die Oberflächenschicht 11 weggeätzt worden ist, erfolgt eine Aufdampfung der elektrischen Leiter, die das Heizelement 17, die Sen­ sorelemente 18, 19 sowie die Leiterbahnen 20 und Kontaktelemente 21, 22 bilden.

Die Oberflächenpassivierung des Sensors in Form der Si₃N₄-Membranschicht macht diesen gegenüber basischen und sauren Bestandteilen im strömenden Fluid beständig. Der Durchflußmesser ist auch in unter Druck stehenden Medien einsetzbar. Bei einer Membranstärke von 180 nm und einer Kantenlänge des Fensters von 0,35 mm wurde in Druckversuchen eine maximale mechanische Belastbarkeit von 18 bar erreicht.

Bei einem wie beschrieben ausgeführten Durchfluß­ messer beträgt die thermische Zeitkonstante wenige Millisekunden. Dies ist verglichen mit den bekannten Durchflußmessern sehr gering.

Der Durchflußmesser kann für die Durchflußmessung an Fluiden jeglicher Art benutzt werden, nämlich für Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe. Infolge der ätzbe­ ständigen Membranschicht ist auch der Einsatz in aggressiven Medien möglich.

Claims (6)

1. Kalorimetrischer Durchflußmesser für strömende Fluide mit einem Heizelement (17) und mindestens einem Sensorelement (18, 19), die als Leiterbahnen ausge­ bildet und auf einer mindestens ein Fenster (14, 15, 16; 24) in einem ätzbaren Halbleiterkörper (10, 10a) überspannenden ätzbeständigen Membranschicht (11) entlang des Strömungsweges des Fluids hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen des Heizelements (17) und des mindestens einen Sensorelements (18, 19) auf der dem strömenden Fluid abgewandten Seite der Membran­ schicht (11) innerhalb des mindestens einen Fensters im Halbleiterkörper (10; 10a) angeordnet sind und sich über die Seitenwände des mindestens einen Fensters hinweg zu auf der dem strömenden Fluid abge­ wandten Seite des Halbleiterkörpers (10; 10a) ange­ ordneten Kontaktelementen (21, 22) erstrecken.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stärke der Membranschicht (11) etwa 100 bis 200 nm beträgt.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand des mindestens einen Sensorelements (18, 19) von dem Heizelement (17) etwa 0,1 bis 0,5 mm beträgt.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10; 10a) aus Silizium besteht.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ätzbeständige Membranschicht (11) aus Siliziumnitrid besteht.

6. Verfahren zur Herstellung eines kalorimetrischen Durchflußmessers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem ein Halbleiterkörper (10; 10a) durch Be­ dampfung mit einer ätzbeständigen Membranschicht (11) versehen wird, das Material des Halbleiterkör­ pers in Masken-Ätztechnik in mindestens einem Fen­ ster (14, 15, 16; 24) bis zur Rückseite der Membran­ schicht (11) entfernt wird und auf die innerhalb des mindestens einen Fensters freiliegende Rückseite der Membranschicht (11) und den Halbleiterkörper (10) elektrische Leiter, die das Heizelement (17) und das mindestens eine Sensorelement (18, 19) bilden, derart aufgedampft werden, daß sie sich über die Seitenwände des mindestens einen Fensters hinaus auf den Halbleiterkörper erstrecken.