EP3394574A1 - Verfahren zur herstellung eines strömungssensors auf dünnfilmbasis sowie ein solcher strömungssensor - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines strömungssensors auf dünnfilmbasis sowie ein solcher strömungssensor

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Publication number
EP3394574A1
EP3394574A1 EP16798745.2A EP16798745A EP3394574A1 EP 3394574 A1 EP3394574 A1 EP 3394574A1 EP 16798745 A EP16798745 A EP 16798745A EP 3394574 A1 EP3394574 A1 EP 3394574A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
photoresist
heater
temperature measuring
flow sensor
measuring elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16798745.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David Gross
Fabian Utermoehlen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3394574A1 publication Critical patent/EP3394574A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N97/00—Electric solid-state thin-film or thick-film devices, not otherwise provided for

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a thin-film based flow sensor, comprising a first heater and temperature measuring element and at least one second heater and temperature measuring element, wherein the heater and temperature measuring elements are spatially separated from each other, and wherein a support structure is provided, which for receiving the Heater and
  • Temperature measuring elements is formed.
  • the invention is further directed to such a flow sensor formed on a thin film base.
  • Flow sensors or so-called mass flow sensors which operate on the principle of the hot wire anemometer are known.
  • a hot wire is kept at a constant temperature according to a closed-loop method.
  • the stronger the surrounding mass flow e.g., airflow), the more power must be provided to keep the temperature of the hot wire constant.
  • the latter is a measure of the air flow or the
  • a semiconductor sensor constructed flow sensor is known for example from DE 40 05 801 C2. The flow sensor has a first one
  • Resistance element and a second resistance element which are connected in a Wheatstone bridge, wherein the resistance elements are spatially separated from each other and each a thin-film heating element is necessary to heat the resistance elements.
  • the resistive elements as well as the thin-film heating elements are accommodated in a protective film.
  • a semiconductor substrate has been opened by an etching process on which the resistive elements and the thin-film heating elements have been constructed by a thin-film technique.
  • a larger etching volume is necessary, and furthermore, the separate structure of resistance elements and of the thin-film heating elements results in a complex construction. In this case, it is proposed in particular to indemnify a plurality of relatively existing bridge elements, whereby a considerable
  • the openings created in the semiconductor substrate can be described as macroscopic, which may include depths of, for example, several micrometers, resulting in an additional considerable expenditure of time in the production.
  • the object of the invention is to provide an improved
  • Thin-film based flow sensor that is easy to manufacture and versatile.
  • the flow sensor should
  • Thin film base can be produced with few process steps, and should be used in standard installation situations application.
  • the method according to the invention has at least the following steps: providing a substrate; Depositing a first photoresist on the substrate; Depositing a second photoresist on the first photoresist; Opening the first and second photoresist to form a terminal metallization; Depositing a metal to form the heater and temperature sensing elements; Patterning the deposited metal; Depositing a third photoresist and removing the first photoresist by at least one sacrificial layer etch.
  • the core of the invention is a method for producing a flow sensor, which method is based on the application of a number of photoresists on a substrate.
  • the thin film base is formed by a plurality of photoresists, which are simple and flexible to produce and structure.
  • the photoresists form a carrier layer for receiving the heater and
  • CMOS wafer Characteristics of a CMOS wafer changed, since low process temperatures are needed for the production of the sensor. Moreover, the flow sensor produced according to the invention is also suitable for operation with current and voltage measurements based on standard components.
  • the structuring of the deposited metal can be effected by means of a mask or by means of etching, for example by means of the use of an etching stop layer which has been previously optically and / or thermally modified.
  • CMOS ASIC wafer a glass wafer or a polymer film is used as the substrate, so that for later use of the
  • a photoresist is deposited as a second photoresist which is chemically resistant to the sacrificial layer etching of the first photoresist. Furthermore, a photoresist is deposited as a third photoresist, the chemically also resistant to sacrificial layer etching of the first photoresist. The application of the individual photoresists is carried out with suitable
  • the support structure is constructed, for example, from SU-8, because this paint after the post-exposure beacon is insensitive to most etching methods and solvents and accordingly freestanding structures with the sacrificial layer etching of sacrificial layers, consisting of less
  • solvent-resistant photoresists are possible. Furthermore, in SU-8 photoresists, structures with high edge steepness can be produced, making these coatings particularly suitable for the construction of suspension structures.
  • the invention is further directed to a flow sensor
  • a thin film base comprising a first heater and temperature sensing element and at least one second heater and temperature sensing element, and wherein the heater and temperature sensing elements are spatially separated, and wherein there is a support structure configured to receive the heater and temperature sensing elements.
  • the support structure has a free space between the temperature measuring elements, which is produced by a sacrificial layer etching of the first photoresist.
  • the free space extends in particular between the support structure and the surface of the substrate, so that the support structure receives the heater and temperature measuring elements freely suspended above the substrate.
  • the support structure has connecting arms for contacting the heater and temperature measuring elements.
  • the connecting arms in this case comprise electrical connections for the heater and temperature measuring elements, which are enclosed up to the surface of the substrate with at least one photoresist.
  • the support structure has a structuring between the two heater and temperature measurement elements.
  • Temperature measuring elements can be enclosed in the photoresists and have a meandering structure, so that the largest possible
  • FIG. 1 is a plan view of a thin film based flow sensor made by the method of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the flow sensor along the
  • FIG. 3 shows a further plan view of the flow sensor
  • Figure 4 is a cross-sectional view of the flow sensor along the
  • Figure 5 shows an arrangement of two flow sensors, with a
  • Air flow have flowed from a horizontal flow direction
  • Figure 6 shows an arrangement of two flow sensors, with a
  • Air flow have flowed from a vertical flow direction.
  • Figure 1 shows an example of a possible embodiment of a
  • the flow sensor 1 which is constructed on a substrate, not shown.
  • the flow sensor 1 has a carrier structure 21, which is constructed from a plurality of layers of photoresists.
  • a carrier structure 21 which is constructed from a plurality of layers of photoresists.
  • the support structure 21 are two spatially separated from each other arranged heater and Temperature measuring elements 10 and 11 were added, which are connected via electrical connections 19 to the substrate.
  • the outgoing electrical connections 19 are received in connection arms 17, which are part of the support structure 21 and which surround the electrical connections 19.
  • the heater and temperature measuring elements 10 and 11 are constructed by deposited metals 14 and have a meandering structure in the middle.
  • FIG 2 shows a cross-sectional view of the flow sensor 1 along the section line A-A ', as shown in Figure 1.
  • the support structure 21 is composed of a second photoresist 13 and a third photoresist 15, and between the two photoresists 13 and 15 is shown in cross-section an applied metal 14, which forms the heater and temperature measuring elements 10, 11, as in the plan view in Figure 1 shown.
  • Below the photoresists 13 and 15 is a free space 16, which was created by a first photoresist 12, wherein the first photoresist 12 is a sacrificial layer, which was etched away to create the free space 16.
  • a floating arrangement of the support structure 21 arises, based on the remaining photoresists 13 and 15.
  • the free space extends between the second photoresist 13 as the lower support side of the support structure 21 and the substrate 100, for example comprising a CMOS circuit.
  • FIG. 3 shows a further plan view of a flow sensor 1, in which a section line B-B 'is shown, and the associated sectional view is shown in FIG. 4.
  • FIG. 4 shows the sectional view of the flow sensor 1 along the section line BB 'according to FIG. 3.
  • the substrate 100 is illustrated, on which the carrier structure 21 with the photoresists 13 and 15 is constructed.
  • the deposited metal 14 Between the two photoresists 13 and 15 is the deposited metal 14 to form the heater and temperature sensing elements 10, 11 as shown in Figure 3.
  • the deposited metal 14 has electrical terminals 19 to the substrate 100, and the electrical terminals 19 are enclosed in terminal arms 17 formed by the second photoresist 13 and the third photoresist 15.
  • the deposited metal 14 forms the heater and temperature sensing elements 10, 11 and has a linear relationship between the resistance value and the temperature. With constant energization can so over the
  • measured voltage are at least indirectly converted into an operating temperature of the resistor.
  • the measuring principle is based on the fact that the lying in the flow direction heater and
  • Temperature sensing element is cooled more than the subsequent heater and temperature measuring element behind the first heater and
  • Temperature measuring element located with the flow direction.
  • Figure 5 shows, for example, two flow sensors 1 with a 90 ° to each other rotated arrangement.
  • the first flow sensor 1 has an orientation, so that the first heater and temperature measuring element 10 first from the
  • Flow 20 is flowing, and only then the second heater and temperature measuring element 11 is flown. This results in a temperature Tl of the first heater and temperature measuring element 10, which is smaller than the temperature T2 of the second heater and temperature measuring element 11. This results in a voltage difference, for example via a Wheatstone ash Bridge can be measured, and over on one
  • Flow rate of the flow 20 can be closed.
  • the further flow sensor 1 is arranged rotated by 90 °, so that both heater and temperature measuring elements 10, 11 are equally flowed by the flow 20.
  • the temperature T3 of the first heater and temperature measuring element 10 is equal to the temperature T4 of the second heater and temperature measuring element 11. From the two voltages, the vector components of the flow can be determined and the amount calculated by vector addition.
  • Figure 6 shows the arrangement of the flow sensors 1 with a
  • Temperature measuring elements 10 and 11 of the flow sensors 1 in Figures 5 and 6 illustrates that can already be closed by the respective voltages resulting from the temperatures on the flow direction of the flow 20.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use. All from the

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Strömungssensors (1) auf Dünnfilmbasis, aufweisend ein erstes Heizer- und Temperaturmesselement (10) und wenigstens ein zweites Heizer- und Temperaturmesselement (11), wobei die Heizer- und Temperaturmesselemente (10, 11) räumlich voneinander getrennt sind, und wobei eine Trägerstruktur (21) vorhanden ist, die zur Aufnahme der Heizer- und Temperaturmesselemente (10, 11) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zur Herstellung wenigstens die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrates (100); Abscheiden eines ersten Fotolacks (12) auf dem Substrat (100); Abscheiden eines zweiten Fotolacks (13) auf dem ersten Fotolack (12); Öffnen des ersten (12) und zweiten Fotolacks (13) zur Herstellung einer Anschlussmetallisierung; Abscheidung eines Metalls (14) zur Bildung der Heizer- und Temperaturmesselemente (10, 11); Strukturieren des abgeschiedenen Metalls (14); Abscheiden eines dritten Fotolacks (15) und Entfernen des ersten Fotolackes (12) durch mindestens eine Opferschichtätzung. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Strömungssensor (1), hergestellt mit einem solchen Verfahren.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Strömungssensors auf Dünnfilmbasis sowie ein solcher Strömungssensor Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungssensors auf Dünnfilmbasis, aufweisend ein erstes Heizer- und Temperaturmesselement und wenigstens ein zweites Heizer- und Temperaturmesselement, wobei die Heizer- und Temperaturmesselemente räumlich voneinander getrennt sind, und wobei eine Trägerstruktur vorhanden ist, die zur Aufnahme der Heizer- und
Temperaturmesselemente ausgebildet ist. Die Erfindung richtet sich weiterhin auf einen solchen Strömungssensor, ausgebildet auf einer Dünnfilmbasis. STAND DER TECHNI K
Bekannt sind Strömungssensoren oder sogenannte Massenflusssensoren, die nach dem Prinzip des Hitzdrahtanemometers arbeiten. Dabei wird nach einem Closed-Loop-Verfahren ein Hitzdraht auf einer konstanten Temperatur gehalten. Je stärker der umgebende Massenstrom (z.B. Luftstrom) ist, desto mehr Leistung muss dafür bereitgestellt werden, um die Temperatur des Hitzdrahtes konstant zu halten. Letztere ist ein Maß für den Luftstrom beziehungsweise die
anströmende Luftmasse pro Zeit. Nachteilig sind die hohe benötigte
Leistungsaufnahme sowie die platz- und kostenintensive vektorielle Messung. Ein Einsatz von Massenflusssensoren in Kleinprodukten ist für viele
insbesondere zukünftige Anwendungen unabdingbar, beispielsweise für mobile Strahlungsdetektoren, Luftqualitäts- oder Pollensensoren oder dergleichen, bei denen eine in einer Kammer befindliche Luftmenge bestimmt werden muss. Neben der hohen Leistungsaufnahme kommerziell verfügbarer
Massenflusssensoren basierend auf dem Prinzip des Hitzdrahtanemometers ist vor allem der hohe Platzbedarf für eine Integration in Kleingeräte hinderlich, beispielsweise in Smartphones. Sensoren, die auf einer MEMS-Basis aufgebaut sind (MEMS = Micro Electro Mechanical System), benötigen einen separaten Heizer, angeordnet zwischen zwei Thermoelementen, deren Temperatur gemessen wird. Ein auf Halbleiterbasis aufgebauter Strömungssensor ist beispielsweise aus der DE 40 05 801 C2 bekannt. Der Strömungssensor weist ein erstes
Widerstandselement und ein zweites Widerstandselement auf, die in einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet werden, wobei die Widerstandselemente räumlich voneinander getrennt aufgebaut sind und jeweils ein Dünnfilm- Heizelement notwendig ist, um die Widerstandselemente zu beheizen. Die Widerstandselemente sowie die Dünnfilm-Heizelemente sind in einem Schutzfilm aufgenommen. Zur Schaffung einer Öffnung und damit zur Freistellung der Widerstandselemente ist ein Halbleitersubstrat durch ein Ätzverfahren geöffnet worden, auf dem die Widerstandselemente und die Dünnfilm-Heizelemente durch eine Dünnfilmtechnik aufgebaut wurden. Nachteilhafterweise ist jedoch ein größeres Ätzvolumen notwendig, ferner ergibt sich durch den getrennten Aufbau von Widerstandselementen und von den Dünnfilm-Heizelementen ein komplexer Aufbau. Dabei wird insbesondere vorgeschlagen, mehrere relativ zueinander vorhandene Brückenelemente freizustellen, wodurch ein erheblicher
Aufbauaufwand entsteht. Die geschaffenen Öffnungen im Halbleitersubstrat sind dabei überdies als makroskopisch zu bezeichnen, die Tiefen von beispielsweise mehreren Mikrometern umfassen können, wodurch ein zusätzlicher erheblicher Zeitaufwand bei der Herstellung entsteht.
OFFENBARU NG D ER E RFIN DU NG
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten
Strömungssensors auf Dünnfilmbasis, der einfach herstellbar ist und vielseitig eingesetzt werden kann. Insbesondere soll der Strömungssensor auf
Dünnfilmbasis mit wenigen Prozessschritten hergestellt werden können, und soll in Standard-Einbausituationen Anwendung finden können.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung eines Strömungssensors auf Dünnfilmbasis gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ausgehend von einem Strömungssensor auf Dünnfilmbasis gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren weist wenigstens die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Substrates; Abscheiden eines ersten Fotolacks auf dem Substrat; Abscheiden eines zweiten Fotolacks auf dem ersten Fotolack; Öffnen des ersten und zweiten Fotolacks zur Herstellung einer Anschlussmetallisierung; Abscheiden eines Metalls zur Bildung der Heizer- und Temperaturmesselemente; Strukturieren des abgeschiedenen Metalls; Abscheiden eines dritten Fotolacks und Entfernen des ersten Fotolacks durch mindestens eine Opferschichtätzung.
Kern der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungssensors, welches Verfahren auf der Aufbringung einer Anzahl von Fotolacken auf einem Substrat basiert. Die Dünnfilmbasis wird durch mehrere Fotolacke gebildet, die einfach und flexibel herstellbar und strukturierbar sind. Die Fotolacke bilden dabei eine Trägerschicht zur Aufnahme der Heizer- und
Temperaturmesselemente, so dass das Ätzen von Halbleitersubstraten, beispielsweise bestehend aus Silizium und Siliziumoxid, entfällt. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich eine drastische Reduktion von
Herstellungskosten und es ist eine einfache Integration am Backend auf CMOS- Basis möglich, da keine Hochtemperaturschritte wie beispielsweise Epi-Si Wachstumsvorgänge notwendig sind. Damit wird insbesondere nicht die
Charakteristik eines CMOS-Wafers verändert, da niedrige Prozesstemperaturen zur Herstellung des Sensors benötigt werden. Überdies eignet sich der erfindungsgemäß hergestellte Strömungssensor ebenfalls zum Betrieb mit Strom- und Spannungsmessungen basierend auf Standard-Bauelementen.
Das Strukturieren des abgeschiedenen Metalls kann mittels einer Maske oder mittels Ätzverfahren erfolgen, beispielsweise mittels der Verwendung einer Ätzstoppschicht, die zuvor optisch und/ oder thermisch verändert wurde.
Vorteilhafterweise wird als Substrat ein CMOS ASIC Wafer, ein Glaswafer oder eine Polymerfolie verwendet, so dass für den späteren Einsatz des
Strömungssensors keine Einschränkungen die Folge sind.
Mit weiterem Vorteil wird ein Fotolack als zweiter Fotolack abgeschieden, der chemisch resistent gegenüber der Opferschichtätzung des ersten Fotolackes ist. Weiterhin wird ein Fotolack als dritter Fotolack abgeschieden, der chemisch ebenfalls resistent gegenüber der Opferschichtätzung des ersten Fotolackes ist. Das Aufbringen der einzelnen Fotolacke erfolgt mit geeigneten
Aufbringungsverfahren, also beispielsweise durch ein Aufschleudern oder Aufsprühen, und eine Strukturierung mittels einer Fotolithographie. Vorteilhaft wird dabei die Trägerstruktur zum Beispiel aus SU-8 aufgebaut, weil dieser Lack nach dem Post-Exposure-Bake unempfindlich gegen die meisten Ätzmethoden und Lösungsmittel ist und dementsprechend freistehende Strukturen mit der Opferschichtätzung von Opferschichten, bestehend aus weniger
lösungsmittelresistenten Fotolacken, möglich sind. Des Weiteren lassen sich in SU-8 Fotolacken Strukturen mit hoher Flankensteilheit erzeugen, wodurch sich diese Lacke besonders für die Konstruktion von Aufhängungsstrukturen eignen.
Die Erfindung richtet sich weiterhin auf einen Strömungssensor auf
Dünnfilmbasis, aufweisend ein erstes Heizer- und Temperaturmesselement und wenigstens ein zweites Heizer- und Temperaturmesselement, und wobei die Heizer- und Temperaturmesselemente räumlich voneinander getrennt sind, und wobei eine Trägerstruktur vorhanden ist, die zur Aufnahme der Heizer- und Temperaturmesselemente ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist die
Trägerstruktur wenigstens einen Fotolack auf, und zur Bildung einer Freistellung weist die Trägerstruktur einen Freiraum zum Substrat auf.
Mit weiterem Vorteil weist die Trägerstruktur einen Freiraum zwischen den Temperaturmesselementen auf, welcher durch eine Opferschichtätzung des ersten Fotolackes erzeugt ist. Der Freiraum erstreckt sich dabei insbesondere zwischen der Trägerstruktur und der Oberfläche des Substrates, so dass die Trägerstruktur die Heizer- und Temperaturmesselemente frei schwebend über dem Substrat aufnimmt.
Mit weiterem Vorteil weist die Trägerstruktur Anschlussarme zur Kontaktierung der Heizer- und Temperaturmesselemente auf. Die Anschlussarme umfassen dabei elektrische Anschlüsse für die Heizer- und Temperaturmesselemente, die bis auf die Oberfläche des Substrates mit wenigstens einem Fotolack umschlossen sind. Mit noch weiterem Vorteil weist die Trägerstruktur zwischen den beiden Heizerund Temperaturmesselementen eine Strukturierung auf. Die Heizer- und
Temperaturmesselemente können in den Fotolacken eingeschlossen sein und eine Mäanderstruktur aufweisen, so dass eine möglichst große
Konvektionsoberfläche der Heizer- und Strukturelemente geschaffen wird.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPI EL DER ERFINDUNG
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 eine Draufsicht auf einen Strömungssensor auf Dünnfilmbasis, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figur 2 eine Querschnittsansicht des Strömungssensors entlang der
Schnittlinie A-A',
Figur 3 eine weitere Draufsicht auf den Strömungssensor,
Figur 4 eine Querschnittsansicht des Strömungssensors entlang der
Schnittlinie B-B',
Figur 5 eine Anordnung von zwei Strömungssensoren, die mit einer
Luftströmung aus einer horizontalen Strömungsrichtung angeströmt sind und
Figur 6 eine Anordnung von zwei Strömungssensoren, die mit einer
Luftströmung aus einer vertikalen Strömungsrichtung angeströmt sind.
Figur 1 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines
Strömungssensors 1, der auf einem nicht dargestellten Substrat aufgebaut ist. Der Strömungssensor 1 weist eine Trägerstruktur 21 auf, die aus mehreren Schichten von Fotolacken aufgebaut ist. In der Trägerstruktur 21 sind zwei räumlich voneinander getrennt angeordnete Heizer- und Temperaturmesselemente 10 und 11 aufgenommen, die über elektrische Anschlüsse 19 mit dem Substrat verbunden sind. Die auslaufenden elektrischen Anschlüsse 19 sind in Anschlussarmen 17 aufgenommen, die Bestandteil der Trägerstruktur 21 sind und die die elektrischen Anschlüsse 19 einfassen. Mittig zwischen den Heizer- und Temperaturmesselementen 10, 11 befindet sich eine Strukturierung 18, welche vereinfacht als Freiraum dargestellt ist.
Die Heizer- und Temperaturmesselemente 10 und 11 sind durch abgeschiedene Metalle 14 aufgebaut und weisen mittig eine Mäanderstruktur auf.
Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Strömungssensors 1 entlang der Schnittlinie A-A', wie in Figur 1 dargestellt. Die Trägerstruktur 21 ist aufgebaut aus einem zweiten Fotolack 13 und einem dritten Fotolack 15, und zwischen den beiden Fotolacken 13 und 15 befindet sich im Querschnitt dargestellt ein aufgebrachtes Metall 14, das die Heizer- und Temperaturmesselemente 10, 11 bildet, wie in der Draufsicht in Figur 1 dargestellt. Unterhalb der Fotolacke 13 und 15 befindet sich ein Freiraum 16, der geschaffen wurde durch einen ersten Fotolack 12, wobei der erste Fotolack 12 eine Opferschicht darstellt, die zur Schaffung des Freiraumes 16 weggeätzt wurde. Folglich entsteht eine schwebende Anordnung der Trägerstruktur 21, basierend auf den verbleibenden Fotolacken 13 und 15. Der Freiraum erstreckt sich dabei zwischen dem zweiten Fotolack 13 als untere Trägerseite der Trägerstruktur 21 und dem Substrat 100, beispielsweise umfassend eine CMOS Schaltung.
Figur 3 zeigt eine weitere Draufsicht auf einen Strömungssensor 1, in dem eine Schnittlinie B-B' dargestellt ist, und die zugehörige die Schnittansicht zeigt Figur 4.
Figur 4 zeigt die Schnittansicht des Strömungssensors 1 entlang der Schnittlinie B-B' gemäß Figur 3. Zusätzlich ist das Substrat 100 dargestellt, auf dem die Trägerstruktur 21 mit den Fotolacken 13 und 15 aufgebaut ist. Zwischen den beiden Fotolacken 13 und 15 befindet sich das abgeschiedene Metall 14 zur Bildung der Heizer- und Temperaturmesselemente 10, 11 wie in Figur 3 dargestellt. Aufgrund des Verlaufes der Schnittlinie B-B' ist das abgeschiedene Metall des zweiten Heizer- und Temperaturmesselementes 11 im Schnitt liegend dargestellt, wobei die Unterbrechungen aufgrund der Mäanderstruktur des Heizer- und Temperaturmesselementes 11 entstehen. An den Endseiten weist das abgeschiedene Metall 14 elektrische Anschlüsse 19 zum Substrat 100 auf, und die elektrischen Anschlüsse 19 sind eingefasst in Anschlussarme 17, die durch den zweiten Fotolack 13 und durch den dritten Fotolack 15 gebildet sind. Durch eine Opferschichtätzung ist der erste Fotolack 12 entfernt worden, wodurch der Freiraum 16 unterhalb der Trägerstruktur 21 geschaffen ist.
Das abgeschiedene Metall 14 bildet die Heizer- und Temperaturmesselemente 10, 11 und weist einen linearen Zusammenhang zwischen dem Widerstandswert und der Temperatur auf. Bei konstanter Bestromung kann so über die
gemessene Spannung wenigstens indirekt in eine Betriebstemperatur des Widerstandes umgerechnet werden. Die Kühlung in Folge einer Umströmung der
Metalle 14 führt zur Abkühlung der Heizer- und Temperaturmesselemente 10 und 11 und somit ändert sich auch die Spannung in Folge der Widerstandsänderung. Werden nun beide Heizer- und Temperaturmesselemente 10, 11 des
Sensorelementes 1 beabstandet zueinander angeordnet und mit einer Strömung angeströmt, die seitlich zu den Heizer- und Temperaturmesselementen 10, 11 anliegt, kann mittels der gemessenen Spannung direkt auf die
Strömungsgeschwindigkeit der Strömung geschlossen werden. Das Messprinzip beruht darauf, dass das in Strömungsrichtung liegende Heizer- und
Temperaturmesselement stärker abgekühlt wird als das nachfolgende Heizer- und Temperaturmesselement hinter dem ersten Heizer- und
Temperaturmesselement, das mit der Strömungsrichtung gelegen ist.
Figur 5 zeigt beispielsweise zwei Strömungssensoren 1 mit einer 90° zueinander gedrehten Anordnung. Der erste Strömungssensor 1 weist eine Ausrichtung auf, so dass das erste Heizer- und Temperaturmesselement 10 zuerst von der
Strömung 20 angeströmt wird, und erst anschließend wird das zweite Heizerund Temperaturmesselement 11 angeströmt. Somit ergibt sich eine Temperatur Tl des ersten Heizer- und Temperaturmesselementes 10, die kleiner ist als die Temperatur T2 des zweiten Heizer- und Temperaturmesselementes 11. Daraus ergibt sich eine Spannungsdifferenz, die zum Beispiel über eine Wheatstonesche Brücke gemessen werden kann, und über die auf eine
Strömungsgeschwindigkeit der Strömung 20 geschlossen werden kann.
Der weitere Strömungssensor 1 ist um 90° gedreht angeordnet, so dass beide Heizer- und Temperaturmesselemente 10, 11 gleichermaßen von der Strömung 20 angeströmt werden. Infolgedessen ist die Temperatur T3 des ersten Heizerund Temperaturmesselementes 10 gleich der Temperatur T4 des zweiten Heizer- und Temperaturmesselementes 11. Aus den beiden Spannungen können die Vektorkomponenten der Strömung bestimmt werden und der Betrag über Vektoraddition ausgerechnet werden.
Figur 6 zeigt die Anordnung der Strömungssensoren 1 mit einer
Strömungsrichtung 20 aus einer Vertikalen, die 90° gedreht zur
Strömungsrichtung der Strömung 20 gemäß Figur 5 ist. Infolgedessen sind die Temperaturen Tl und T2 der Heizer- und Temperaturmesselemente 10, 11 des ersten Strömungssensors 1 gleich, und die Temperatur T4 des ersten Heizerund Temperaturmesselementes 10 ist kleiner als die Temperatur T3 des zweiten Heizer- und Temperaturmesselementes 11 des zweiten Strömungssensors 1.
Ein Vergleich der Temperaturdifferenzen der Heizer- und
Temperaturmesselemente 10 und 11 der Strömungssensoren 1 in den Figuren 5 und 6 verdeutlicht, dass bereits durch die jeweiligen Spannungen, die sich aus den Temperaturen ergeben, auf die Strömungsrichtung der Strömung 20 geschlossen werden kann.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den
Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden
Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Vor allem ist es auch möglich, die Spannung konstant zu lassen und den Strom zu messen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Strömungssensors (1) auf Dünnfilmbasis, aufweisend ein erstes Heizer- und Temperaturmesselement (10) und wenigstens ein zweites Heizer- und Temperaturmesselement (11), wobei die Heizer- und Temperaturmesselemente (10, 11) räumlich voneinander getrennt sind, und wobei eine Trägerstruktur (21) vorhanden ist, die zur Aufnahme der Heizer- und Temperaturmesselemente (10, 11) ausgebildet ist, wobei das Verfahren zur Herstellung wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Substrates (100),
Abscheiden eines ersten Fotolacks (12) auf dem Substrat (100), Abscheiden eines zweiten Fotolacks (13) auf dem ersten Fotolack (12), Öffnen des ersten (12) und zweiten Fotolacks (13) zur Herstellung einer
Anschlussmetallisierung,
Abscheiden eines Metalls (14) zur Bildung der Heizer- und
Temperaturmesselemente (10, 11),
Strukturieren des abgeschiedenen Metalls (14),
Abscheiden eines dritten Fotolacks (15) und
Entfernen des ersten Fotolackes (12) durch mindestens eine
Opferschichtätzung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (100) ein CMOS ASIC Wafer, ein Glaswafer oder eine Polymerfolie bereitgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Fotolack als zweiter Fotolack (13) abgeschieden wird, der chemisch resistent gegenüber der Opferschichtätzung des ersten Fotolackes (12) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fotolack als dritter Fotolack (15) abgeschieden wird, der chemisch resistent gegenüber der Opferschichtätzung des ersten Fotolackes (12) ist.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Fotolacke (12, 13, 15) aufgeschleudert oder aufgesprüht wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Fotolacke (12, 13, 15) mittels eines fotolithografischen Verfahren strukturiert wird.
7. Strömungssensor (1) auf Dünnfilmbasis, aufweisend:
ein erstes Heizer- und Temperaturmesselement (10) und wenigstens ein zweites Heizer- und Temperaturmesselement (11), und wobei die Heizer- und Temperaturmesselemente (10, 11) räumlich voneinander getrennt sind, und wobei eine Trägerstruktur (21) vorhanden ist, die zur Aufnahme der Heizerund Temperaturmesselemente (10, 11) ausgebildet ist, und wobei die Trägerstruktur (21) mit den Heizer- und Temperaturmesselementen (10, 11) auf einem Substrat (100) aufgebaut ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (21) wenigstens einen Fotolack (12) aufweist und zur Bildung einer Freistellung einen Freiraum (16) zum Substrat (100) aufweist.
8. Strömungssensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (21) einen Freiraum (16) zwischen den
Temperaturmesselementen (10, 11) aufweist, welcher durch eine
Opferschichtätzung des ersten Fotolackes (12) erzeugt ist.
9. Strömungssensor (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (21) Anschlussarme (17) zur Kontaktierung der Heizer- und Temperaturmesselemente (10, 11) aufweist.
10. Strömungssensor (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (21) zwischen den beiden Heizerund Temperaturmesselementen (10, 11) eine Strukturierung (18) aufweist.
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