EP0663067A1 - Kalorimetrischer durchflusssensor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Kalorimetrischer durchflusssensor und verfahren zu seiner herstellungInfo
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- EP0663067A1 EP0663067A1 EP93920831A EP93920831A EP0663067A1 EP 0663067 A1 EP0663067 A1 EP 0663067A1 EP 93920831 A EP93920831 A EP 93920831A EP 93920831 A EP93920831 A EP 93920831A EP 0663067 A1 EP0663067 A1 EP 0663067A1
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- surface layer
- heating element
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/6845—Micromachined devices
Definitions
- the invention relates to a calorimetric flow sensor for the detection or measurement of the flow rate of a fluid by locally heating the fluid and subsequently determining the heated fluid in the flow path.
- a calorimetric flow meter according to the preamble of claim 1 is known from US 4,888,988.
- This flow meter has a semiconductor substrate which is provided on one side with an etch-resistant surface layer. Conductor tracks are applied to the outside of this surface layer, one of which forms a heating element and two further each form a sensor element.
- the top of this layer, including the conductor tracks formed on it, is covered with a passivation layer.
- Such a calorimetric flow meter has a low thermal inertia and a high measuring accuracy because of the low mass in the area of the window.
- the conductor tracks which form the heating element and the sensor elements, are separated from the flowing medium only by a very thin passivation layer, which follows the contour of the conductor tracks. If the passivation layer is damaged, the conductor tracks are directly exposed to the medium, which can lead to failure of the flow meter.
- a flow meter which has a plate, on the rear side of which is turned away from the flow Heating element and a sensor element are located. This plate is inserted in a frame. Contact wires lead from the heating element and the sensor element to contact elements which are arranged inside the frame.
- Such a flow meter requires a high manufacturing effort because of the parts that can be individually manufactured, assembled, or contacted.
- a flow meter which has a good thermally conductive thin-walled membrane, on the back of which are embedded in holes in an insulating substrate electrically conductive elements which are in thermal contact with the membrane.
- the electrically conductive elements are connected to connecting elements by contact wires.
- the invention has for its object to provide a calimimetric flow sensor which is simple to manufacture and offers reliable protection against contact of its conductor tracks with the flowing medium.
- the flow sensor according to the invention has a one-piece semiconductor body which is provided on its front side facing the liquid with an etch-resistant surface layer.
- the heating element and the sensor element or the sensor elements are arranged on the back of the surface layer of the semiconductor body in windows of the semiconductor body.
- the semiconductor body can be manufactured with high precision using micromechanical etching techniques.
- the presence of the etch-resistant surface layer prevents the windows produced in the semiconductor body from being continuously open. These windows are closed with the etch-resistant surface layer.
- the heating element and the sensor element are accommodated in direct contact with this surface layer in the window or the windows. This ensures direct and very rapid heat transfer through the thin surface layer without the heating element and the sensor element coming into contact with the flowing medium.
- the etch-resistant surface layer has the effect on the one hand that it limits the etching of the semiconductor body and maintains a defined layer thickness, and on the other hand the effect that it is not removed or damaged by aggressive media which flow in the flow channel.
- the surface layer forms in the Windows have a thin membrane that has sufficient strength to withstand the mechanical and chemical loads that occur.
- the semiconductor body forms the mechanical support body of the flow meter.
- the flow meter according to the invention has the advantage that the heating element and the sensor element are separated from the flowing liquid by one or more very thin membranes, which have a low thermal mass, and also the advantage that it is very small in size and at a short distance from the heating element and sensor element can be manufactured.
- the semiconductor body is a one-piece body, the length (in the direction of flow) of which can be approximately 1 to 3 mm and the thickness of which is such that it has the required strength, for example 0.5 mm.
- the etch-resistant surface layer can have a thickness of 100 to 400 nm.
- the invention further relates to a method for producing a calorimetric flow sensor with the steps specified in claim 7.
- the semiconductor body is first provided with an etch-resistant surface layer by vapor deposition.
- the material of the semiconductor body is then removed in mask etching technology in at least one window down to the surface layer.
- electrically conductive material for forming the heating element and the sensor element is evaporated onto an electrically insulating layer or a layer with a substantially greater electrical resistance on the back of the surface layer and the semiconductor body.
- Fig. 1 is a perspective view of a first embodiment of the flow sensor with three separate windows and
- Fig. 2 shows a second embodiment of the flow sensor with a single window.
- the flow sensor shown in FIG. 1 has a semiconductor body 10 which, for example, has a rectangular plan.
- Fig. 1 shows the view of the flow sensor from the rear.
- the semiconductor body 10 is therefore in one piece including its surface layer 11.
- windows 14, 15, 16 are formed, which were created by removing material. These windows 14, 15, 16, which are arranged in a row one behind the other in the direction of flow and which are separated from one another by partition walls, extend from the rear of the semiconductor body to the surface layer 11. The windows are thus through the surface layer 11 closed the front.
- a heating element 17 is formed in the middle window 15 on the rear side of the surface layer 11.
- the upper Surface layer 11 temperature sensor elements 18 and 19 formed in windows 14 and 16, the upper Surface layer 11 temperature sensor elements 18 and 19 formed.
- the heating element 17 and the sensor elements 18, 19 are thin conductor tracks which are connected to contact elements 21 and 22, which are arranged on the rear side of the semiconductor body 10, via further conductor tracks 20 which extend across the edge of the respective window are.
- the contact elements 21 and 22 are used to connect electrical conductors that lead to an evaluation circuit, which may contain a bridge circuit, for example.
- the temperature sensor elements 18 and 19 are designed as narrow conductor tracks. A voltage is applied to the corresponding contact elements in order to measure the electrical resistance of the respective sensor element. The greater the temperature of the sensor element, the greater this resistance.
- the thickness of the semiconductor body 10 is approximately 0.5 mm, the width approximately 2 mm and the length approximately 3 mm.
- the thickness of the surface layer 11 is approximately 100 ⁇ m.
- FIG. 2 corresponds to that of FIG. 1, with the exception of the fact that the semiconductor body 10a contains only a single elongated window 24 in which the heating element 17 and the sensor elements 18 and 19 are arranged together.
- the Contact elements 21 and 22 are located on both sides of the window 24 on the back of the semiconductor body 10a.
- the semiconductor body consists of pure silicon and the surface layer 11 consists of silicon nitride (Si_N).
- the flow sensor is produced by providing a semiconductor body made of (100) -oriented silicon in a low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process with a silicon nitride coating which forms the surface layer 11. Subsequently, the back of the semiconductor body is provided with an etching mask which keeps the windows to be manufactured free, and anisotropic etching takes place, for example with potassium hydroxide solution (KOH). During the etching, the (111) planes of the (100) silicon, which have an angle of inclination of 54.7 ° to the surface, act as horizontal etching stops and enable a defined structuring.
- LPCVD low-pressure chemical vapor deposition
- the electrical conductors which form the heating element 17, the sensor elements 18, 19 and the conductor tracks 20 and contact elements 21, 22, are evaporated.
- the surface passivation of the sensor with Si_ makes it resistant to basic and acidic liquids in the flowing medium.
- the flow sensor can also be used in media under pressure. With a membrane thickness of 180 nm and an edge length of the window of 0.35 mm, a maximum mechanical load capacity of 18 bar was achieved in pressure tests. In a flow sensor designed according to the invention, the thermal time constant is a few milliseconds. This is very low compared to the known flow sensors.
- the flow sensor can be used to measure the flow of fluids of any kind, namely liquids, gases and vapors.
- any kind namely liquids, gases and vapors.
- use in aggressive media is also possible.
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Abstract
Der Durchflusssensor weist einen Halbleiterkörper (10) aus Silizium auf, der an seiner Vorderseite mit einer ätzbeständigen Oberflächenschicht (11) aus Siliziumnitrid versehen ist. In dem Halbleiterkörper (10) sind Fenster (14, 15, 16) ausgebildet, die bis zu der Oberflächenschicht (11) reichen. In diesen Fenstern befinden sich ein Heizelement (17) und mindestens ein Sensorelement (18, 19), die durch Aufdampfen von Metall aufgebracht worden sind. Der Durchflusssensor hat eine geringe thermische Trägheit und geringe Abmessungen und er erlaubt eine hohe Messgenauigkeit.
Description
Kalorimetrischer Durchflußsensor und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen kalorimetrischen Durch- flußsenεor zur Detektion oder Messung der Strömungs¬ geschwindigkeit eines Fluides durch örtliches Aufheizen des Fluids und nachfolgendes Feststellen des aufge¬ heizten Fluids im Strömungsweg.
Ein kalorimetrischer Durchflußmesser nach dem Ober¬ begriff des Patentanspruchs 1 ist bekannt aus US 4 888 988. Dieser Durchflußmesser weist ein Halbleitersub¬ strat auf, das an einer Seite mit einer ätzbeständigen Oberflächenschicht versehen ist. Auf die Außenseite dieser Oberflächenschicht sind Leiterbahnen aufge¬ bracht, von denen eine ein Heizelement und zwei weitere je ein Sensorelement bilden. An der den Leiterbahnen abgewandten Rückseite der Oberflächenschicht wird durch
Ätzen des Halbleiterkörpers ein Fenster erzeugt, so daß die Leiterbahnen nur von der dünnen Oberflächenschicht gehalten werden. Die Oberseite dieser Schicht wird ein¬ schließlich 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 Medium getrennt. Bei Be¬ schädigung der Passivierungsschicht sind die Leiter¬ bahnen dem Medium 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 Durchflu߬ messer bekannt, der eine Platte aufweist, auf deren von der Strömung abgewandten 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 27 501 AI ein Durchflußmesser bekannt, der eine gut wärme1eitfähige 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 kalo¬ rimetrischen Durchflußsensor zu schaffen, der einfach herstellbar ist und einen sicheren Schutz gegen Kon¬ taktberührungen seiner Leiterbahnen mit dem strömenden Medium bietet.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Der erfindungsgemäße Durchflußsensor weist einen ein¬ stückigen Halbleiterkörper auf, der an seiner der Flüs¬ sigkeit zugewandten Vorderseite mit einer ätzbe¬ ständigen Oberflächenschicht versehen ist. Das Heiz¬ element und das Sensorelement bzw. die Sensorelemente sind an der Rückseite der Oberflächenschicht des Halb¬ leiterkörpers in Fenstern des Halbleiterkörpers ange¬ ordnet. Der Halbleiterkörper ist unter Verwendung mikromechanischer Ätztechniken mit hoher Präzision her¬ stellbar. Das Vorhandensein der ätzbeständigen Ober¬ flächenschicht verhindert, daß die im Halbleiterkörper erzeugten Fenster durchgehend offen sind. Diese Fenster sind mit der ätzbeständigen Oberflächenschicht ver¬ schlossen. An der Rückseite der Oberflächenschicht ist in dem Fenster bzw. den Fenstern das Heizelement und das Sensorelement in direktem Kontakt mit dieser Ober¬ flächenschicht untergebracht. Dadurch wird ein direkter und sehr schneller Wärmeübergang durch die dünne Ober¬ flächenschicht hindurch gewährleistet, ohne daß das Heizelement und das Sensorelement mit dem strömenden Medium in Kontakt geraten. Die ätzbeständige Ober¬ flächenschicht 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 Oberflächenschicht 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 oder mehrere sehr dünne Membranen, die eine geringe thermische Masse haben, von der strömenden Flüssigkeit 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, beispielsweise 0,5 mm beträgt. Die ätzbeständige Oberflächenschicht kann eine Stärke vom 100 bis 400 nm haben.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Her¬ stellung eines kalorimetrischen Durchflußsensors mit den im Patentanspruch 7 angegebenen Schritten. Hiernach wird der Halbleiterkörper zunächst durch Bedampfung mit einer ätzbeständigen Oberflächenschicht versehen. Dann wird das Material des Halbleiterkörpers in Masken-Ätz- technik in mindestens einem Fenster bis auf die Ober¬ flächenschicht entfernt. Abschließend wird auf die Rückseite der Oberflächenschicht und des Halbleiter¬ körpers elektrisch leitendes Material zur Bildung des Heizelements und des Sensorelements auf eine elektrisch isolierende Schicht oder eine Schicht mit wesentlich größerem elektrischen Widerstand aufgedampft. Mit diesem Herstellungsverfahren können kleinformatige Durchflußsensoren in Massenfertigung sehr präzise her¬ gestellt werden.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun¬ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Durchflußsensors mit drei voneinander getrennten Fenstern und
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Durchflußsen¬ sors 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 Durchflußsensors von der Rückseite. Auf der Vorder¬ seite, die der zu messenden Strömung 12 ausgesetzt ist, befindet sich eine ätzbeständige Oberflächenschicht 11, die aus dem Material des Halbleiterkörpers 10 zuzüglich eines eindiffundierten Zusatzmaterials besteht. Der Halbleiterkörper 10 ist also einschließlich seiner Oberflächenschicht 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 ange¬ ordnet sind und die durch Zwischenwände voneinander getrennt sind, reichen von der Rückseite des Halb¬ leiterkörpers bis zu der Oberflächenschicht 11. Die Fenster sind also durch die Oberflächenschicht 11 an der Vorderseite verschlossen.
Im mittleren Fenster 15 ist an der Rückseite der Ober¬ flächenschicht 11 ein Heizelement 17 ausgebildet. In den Fenstern 14 und 16 sind an der Rückseite der Ober-
flächenschicht 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 den Rand des jeweiligen Fenster 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 Durchflußsensors wird an die Kontakt- elemente zu beiden Enden des Heizelements 17 eine elek¬ trische 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 Oberflächenschicht 11 beträgt ca. 100 μm.
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 Halb¬ leiterkörper aus reinem Silizium und die Oberflächen¬ schicht 11 besteht aus Siliziumnitrid (Si_N ) .
Die Herstellung des Durchflußsensors 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 Oberflächenschicht 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 Kon¬ taktelemente 21,22 bilden.
Die Oberflächenpassivierung des Sensors mit Si_ macht diesen gegenüber basischen und sauren Flüssigkeiten im strömenden Medium beständig. Der Durchflußsensor 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 nach der Erfindung ausgeführten Durchflu߬ sensor beträgt die thermische Zeitkonstante wenige Millisekunden. Dies ist verglichen mit den bekannten Durchflußsensoren sehr gering.
Der Durchflußsensor kann für die Durchflußmessung an Fluiden jeglicher Art benutzt werden, nämlich für Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe. Infolge der ätzbe¬ ständigen Oberflächenschicht ist auch der Einsatz in aggressiven Medien möglich.
Claims
1. Kalorimetrischer Durchflußmesser mit einem Heiz¬ element (17) und mindestens einem Sensorelement (18,19), die als Leiterbahnen ausgebildet und in mindestens einem Fenster (14,15,16;24) eines ätz- baren Halbleiterkörpers (10,10a) auf einer ätz¬ beständigen Oberflächenschicht (11) entlang des Strömungsweges eines Mediums hintereinander an¬ geordnet sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Leiterbahnen des Heizelements (17) und des Sensorelements (18,19) auf der dem Strömungsweg abgewandten Rückseite der Oberflächenschicht (11) in mindestens einer Vertiefung des Halbleiter¬ körpers (10;:10a) angeordnet sind und sich über den Rand der Vertiefung hinweg zu auf der Rückseite des Halbleiterkörpers (10;10a) angeordneten Kontaktelementen (21,22) erstrecken.
2. Durchflußsensor nach Anspruch l, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Stärke der Oberflächenschicht (11) etwa 100 bis 200 nm beträgt.
3. Durchflußsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Sensorelements (18,19) von dem Heizelement (17) etwa 0,1 bis 0,5 mm beträgt.
4. Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10;10a) aus Silizium besteht.
5. Durchflußsensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die ätzbeständige Oberflächenschicht (11) aus Siliziumnitrid besteht.
6. Verfahren zur Herstellung eines kalorimetrischen Durchflußsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem ein Halbleiterkörper (10;10a) durch Bedampfung mit einer ätzbeständigen Oberflächen¬ schicht (11) versehen und das Material des Halb¬ leiterkörpers in Masken-Ätztechnik in mindestens einem Fenster (14,15,16;24) bis auf die Ober¬ flächenschicht (11) entfernt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf die Rückseite der Oberflächenschicht (11) und des Halbleiterkörpers (10) elektrisch leitendes Material zur Bildung des Heizelements (17) und des Sensorelements (18,19) elektrisch isoliert aufgedampft wird.
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