JP2004514153A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、特にガス流れを分析するためのフローセンサ（５）であって、支持体（１０）と、媒体の流れに対して敏感な少なくとも１つのセンサ構成素子（１５）とが設けられており、該センサ構成素子（１５）が、少なくとも部分的に支持体（１０）から、該支持体（１０）に比べて劣熱伝導性の領域によって分離されている形式のものに関する。さらに、本発明によれば、劣熱伝導性の領域（１１，１１′，１４）が、多孔質のシリコン領域（１１）または多孔質の酸化シリコン領域（１１′）であるかまたは劣熱伝導性の領域（１１，１１′，１４）が、支持体（１０）の表面に設けられた切欠き（１４）であり、該切欠き（１４）の上方でセンサ構成素子（１５）が、切欠き（１４）にわたって延びる少なくとも十分に片持ち式の少なくとも１つのウェブ（１３）に配置されている。本発明によるフローセンサ（５）は、特にガス流れを角度に関連して検出するためにも特に適している。

Description

【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した形式の、特にガス流れを分析するためのフローセンサもしくは流速センサに関する。
【０００２】
背景技術
現在入手可能なフローセンサはしばしば薄膜ダイヤフラムセンサとして実現されている。この場合、その都度の流れを測定するためには、風速測定法が使用される。
【０００３】
さらに、国際公開第９８／５０７６３号パンフレットには、組み込まれたガスフローセンサがすでに提案されている。このガスフローセンサでは、シリコンウェーハに切欠きが形成されている。この切欠きは、多結晶シリコン／二酸化シリコンまたは多結晶シリコン／窒化シリコンから成る２つの層を備えた片持ち式のダイヤフラムによってカバーされている。さらに、この片持ち式のダイヤフラムには、組み込まれた熱電対と、抵抗加熱導体とが設けられている。片持ち式のダイヤフラムの下方の切欠きは、シリコン基板からの熱電対の断熱のために働く。この組み込まれたフローセンサを製作するためには、シリコンに対して表面マイクロマシニング技術による構造化法が使用される。この場合、多孔質のシリコンから成る層が犠牲層として働く。センサ素子として働く熱電対は、たとえばｐ型の多結晶シリコン／アルミニウムまたはｎ型の多結晶シリコン／ｐ型の多結晶シリコンから成っている。国際公開第９８／５０７６３号パンフレットでは、抵抗加熱導体が、多結晶シリコンから成るストリップとして形成されている。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願第１００３０３５２．８号明細書には、センサ素子を、ウェブによって安定化された片持ち式のダイヤフラムに配置することが提案されている。この場合、この片持ち式のダイヤフラムの下方の切欠きは、シリコンから多孔質のシリコンもしくは多孔質の二酸化シリコンへの移行によって形成される。さらに、ドイツ連邦共和国特許出願第１００３０３５２．８号明細書には、このような形式のセンサ構造をフローセンサに使用することが提案されている。
【０００５】
ダイヤフラムの露出に関しては基本的に２つの方法が識別されている。まず、表面マイクロマシニングでは一般的に犠牲層が使用される。この犠牲層はダイヤフラム析出前に支持体、たとえばウェーハの表面に形成される。犠牲層はのちに表面から、ダイヤフラム縁部でダイヤフラムまたは基板に設けられた溶解開口を通って再び除去される。さらに、いわゆる「バルクマイクロマシニング」が知られている。このバルクマイクロマシニングでは、予め形成されたダイヤフラムが、支持体の裏面から種々異なるエッチング法、たとえばウェットエッチング法またはプラズマエッチング法によって、そこにエッチングされた開口によって露出される。
【０００６】
表面マイクロマシニングプロセスのための可能な犠牲層として基本的に知られている多孔質のシリコンは、フッ酸（フッ化水素酸）とシリコンとの電気化学的な反応によって形成される。この反応では、スポンジ状の構造がシリコンに形成される。このためには、ウェーハにフッ酸電解質に対して陽極が与えられていなければならない。形成された多孔質の構造によって、シリコンは、内側の大きな表面と、これによって、周囲のバルクシリコンとは異なる化学的なかつ物理的な特性とを獲得する。特に多孔質のシリコンの反応性は著しく向上させられている。これによって、バルクシリコンに対する多孔質のシリコンの選択的な溶解が可能となる。多孔質のシリコンを製作するためには、種々にドーピングされたシリコン基板が適している。この場合、通常、ｐ型ドーピングされたウェーハが使用される。ドーピングによって、多孔質のシリコンの内部の構造サイズが規定される。
【０００７】
多孔質のシリコンの、局所的に規定された製作時には、種々異なるマスキング法もしくはマスク層と、いわゆる「電気化学的なエッチングストップ」とが使用される。この場合、しばしばマスク層として薄い層が、ｐ型ドーピングされたシリコン基板の表面で、たとえばドーピング物質（ドーパント）の注入もしくは打込みまたは拡散によって、ｎ型ドーピングされたシリコンにドーピング変換されるので、多孔質のシリコンは、後続の電気化学的なエッチング時に、ｐ型ドーピングされた領域にしか形成され得ない。さらに、この電気化学的なエッチングプロセス時の多孔質のシリコンの形成は等方性に経過しているので、この場合、まず被着されたマスク層の下方が完全にエッチングされ、これによって、片持ち式の構造が形成される。
【０００８】
マスキングのための別の可能性は、ドーピング変換されたシリコンの使用のほかに、マスク層として酸化シリコン層と窒化シリコン層とを使用することにある。これによって、両層をのちのプロセスステップで再び除去することもできる。この事例では、同じくマスク層の下方が等方性にエッチングされる。
【０００９】
規定された領域の内部に設けられた形成された多孔質のシリコンを溶解するためには、一方では希釈された水酸化カリウム溶液が考慮され、他方ではフッ酸が考慮される。この場合、フッ酸の事例では、まず形成された多孔質のシリコンが付加的な酸化ステップで多孔質の酸化シリコンに移行されていることが必要となる。
【００１０】
本発明の課題は、支持体に対する本来のセンサ素子の、改善された安定性および改善された断熱を伴ったフローセンサを表面マイクロマシニングで実現することである。さらに、本発明の課題は、流れ、特にガス流れを角度に関連して検出することも許容すると共にフローセンサのレイアウトに関して、廉価であると同時に極めてフレキシブルな製作法が可能となるフローセンサを開発することである。
【００１１】
発明の利点
独立請求項の特徴部に記載の特徴を備えた本発明によるフローセンサは公知先行技術に比べて、多孔質のシリコン領域もしくは多孔質の酸化シリコン領域によって、この多孔質の領域で延びるセンサ素子の極めて効率のよい、簡単であると同時に安定した確実な断熱が可能となるという利点を有している。いま、特に公知先行技術に比べて、センサ素子が配置されている十分に片持ち式のダイヤフラムを形成することがもはや不要となるので、このダイヤフラムに相俟った、手間のかかる所要のエッチング技術、獲得されたダイヤフラムの部分的に不十分な安定性、複雑なソーイング技術および形成された空洞の汚染の危険に関する欠点を克服することができる。
【００１２】
切欠きにわたって延びる少なくとも十分に片持ち式のウェブにセンサ構成素子を配置することは、片持ち式のダイヤフラムに配置することに比べて、センサ構成素子の断熱が著しく改善されており、同時に、たとえばウェブの回路網に配置された複数のセンサ構成素子を切欠きの上方に配置することができるという利点を有している。この場合、これらの個々のセンサ構成素子は互いに直接熱接触していない。すなわち、ここでも、極めて良好な断熱が、支持体に対してだけでなく互いに個々のセンサ構成素子に対しても付与されている。
【００１３】
本発明によるフローセンサの別の利点によれば、フローセンサを表面マイクロマシニング技術でシリコンに製作することが可能であり、これによって、たとえばシリコンウェーハの、しばしば望ましくない汚染を招く両側の加工が不要となる。
【００１４】
本発明によるフローセンサの別の利点は、センサ構成素子を備えた支持体の簡単な製作および後続処理にある。このことは、特に劣熱伝導性の領域が多孔質のシリコン領域または多孔質の酸化シリコン領域である事例に当てはまる。なぜならば、この事例では、慣用の構造・結合技術による後続処理時に空洞の汚染も同じく生ぜしめられ得ないからである。
【００１５】
ちなみに、多孔質のシリコンもしくは多孔質の酸化シリコンを熱抵抗体として切欠き内に使用することはフローセンサ全体の安定性を著しく向上させる。
【００１６】
さらに、本発明によるフローセンサの主要な利点は、フローセンサのレイアウト時の十分な自由度、すなわち、個々のセンサ構成素子を劣熱伝導性の領域の上方に配置することにある。
【００１７】
本発明の有利な構成は、従属請求項に記載した手段から得られる。
【００１８】
センサ構成素子のほかに、少なくとも１つの加熱素子、たとえば白金抵抗導体路の形の加熱導体が設けられており、この加熱素子によって、センサ構成素子が加熱可能であるかもしくはセンサ構成素子を運転温度にもたらすことができると有利である。
【００１９】
さらに、センサ構成素子が、導体路、サーミスタ、熱電対またはサーモパイルを有していると有利である。この場合、白金抵抗導体路の形のセンサ構成素子の構成も特に有利であると分かった。しかし、加熱素子もしくはセンサ構成素子として、薄膜技術で析出可能な別の材料、たとえば多結晶シリコン、白金またはアルミニウムも適している。
【００２０】
ガス流れを角度に関連して検出することも許容するフローセンサを実現するためには、加熱素子と、この加熱素子または中央の面を中心として特に対称的に十字形にまたは星形に配置された複数のセンサ構成素子とが設けられており、これらの個々のセンサ構成素子が、それぞれ少なくとも部分的に支持体から、この支持体に比べて劣熱伝導性の領域によって分離されていると有利である。このような形式の領域がそれぞれ個々のセンサ構成素子に対応配置されていると有利である。これに関連して、支持体の、劣熱伝導性の領域によって占められていない領域が、良熱伝導性のカバー層、たとえばシリコン層または白金層を備えており、このカバー層が、ヒートシンクまたはカバー層の内部の温度の均一化手段として働くとさらに有利である。
【００２１】
実施例
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２２】
本発明の第１実施例を図１〜図３につき詳しく説明する。図１には、まずｐ型ドーピングされた、支持体１０としてのシリコンウェーハが示してある。このシリコンウェーハは表面にマスク１２を備えている。このマスク１２は、図示の例では、ドーピング変換によって形成されたｎ型ドーピングされたシリコン層である。さらに、図１では、支持体１０の表面領域に、多孔質のシリコンを備えた領域１１が形成されている。この場合、この多孔質のシリコン領域１１の内側には、マスク１２がウェブの形で形成されている。このウェブは多孔質のシリコン領域１１にわたって延びていて、ウェブの端部で支持体１０に結合されている。
【００２３】
図２には、別の方法ステップが示してある。この方法ステップでは、図１から出発して、多孔質のシリコン領域１１が酸化ステップによって、多孔質の酸化シリコンから成る領域１１′に移行されている。
【００２４】
その後、図３は、どのようにしてマスク１２の表面に薄膜技術で加熱素子１７とセンサ構成素子１５とが被着されるのかを説明している。さらに、図３には、加熱素子１７もしくはセンサ構成素子１５の被着後、多孔質の酸化シリコン領域１１′が除去されており、これによって、切欠き１４と、少なくとも部分的に片持ち式のウェブ１３とが形成されていることが示してある。このウェブ１３は５００ｎｍよりも少ない厚さ、特に１００ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有している。ウェブ１３上では、それぞれセンサ構成素子１５もしくは加熱素子１７が延びている。この加熱素子１７は、図３によれば、ウェブ１３上で延びる、たとえば白金から成る抵抗導体路として形成されている。加熱素子１７はセンサ構成素子１５を加熱するために働く。これによって、このセンサ構成素子１５が、たとえば１００℃の運転温度に保たれるかまたは加熱素子１７によって加熱された領域が、センサ構成素子１５の領域に比べて、規定された過剰温度にもたらされる。センサ構成素子１５は、図示の例では、同じく薄膜技術で被着された白金抵抗導体路として形成されている。
【００２５】
ちなみに、強調しておくと、マスク１２による支持体１０のマスキングおよび多孔質のシリコンの等方性のエッチング特性もしくは酸化シリコンの等方性の溶解によって、センサ構成素子１５が被着された片持ち式のウェブ１３の十分任意の幾何学的な形状が可能となる。
【００２６】
センサ構成素子１５もしくは加熱素子１７の析出は、有利には物理的／化学的に、たとえばＣＶＤ法またはスパッタリングによって行われる。さらに、ウェブ１３は可能な限り薄く形成されている。これによって、センサ構成素子１５は、ウェブ１３がシリコンから形成されているにもかかわらず、支持体１０から熱的に可能な限り良好に分離されている。
【００２７】
加熱素子１７もしくはセンサ構成素子１５の製作法、析出ならびに切欠き１４の構成に対する公知のさらなる詳細およびシリコンの多孔質化に対する詳細に関しては、ドイツ連邦共和国特許出願第１００３０３５２．８号明細書または国際公開第９８／５０７６３号パンフレットに記載されている。そこには、これらのことが詳しく記載されている。
【００２８】
図４〜図６は、図１〜図３に対して択一的な、フローセンサ５を製作するための実施例を説明している。この場合、図４によれば、まずｐ型ドーピングされた、支持体１０としてのシリコンウェーハから出発する。このシリコンウェーハは、ｎ型ドーピングされたシリコンから成るマスク１２を備えている。さらに、支持体１０の表面は新たに多孔質の、有利にはナノ多孔質のまたはメソ多孔質のシリコン領域１１を備えている。その後、図５には、どのようにして多孔質のシリコン領域１１が酸化によって相応の多孔質の酸化シリコン領域１１′に移行し、次いで、どのようにして支持体１０もしくは多孔質の酸化シリコン領域１１′の表面にカバー層１６が被着されるのかが示してある。このカバー層１６は、図示の例では、劣熱伝導性の層、たとえば窒化シリコン層である。この窒化シリコン層は、多孔質の酸化シリコン領域１１′を封止するために働く。カバー層１６の厚さは、たとえば１００ｎｍ以上に寸法設定されている。
【００２９】
さらに、言及しておくと、残されるシリコンの質量を最小限に抑えると同時にさらに十分な安定性を保証するためには、多孔質のシリコン領域１１もしくは多孔質の酸化シリコン領域１１′が、有利には６０％よりも大きな有孔度を伴って形成される。多孔質のシリコンから多孔質の酸化シリコンへの移行は熱伝導性のさらなる低減を生ぜしめる。なぜならば、良熱伝導性のシリコンが劣熱伝導性の酸化シリコンに移行されるからである。
【００３０】
この場合、シリコンが、１５０Ｗ／Ｋｍの典型的な熱伝導率、酸化シリコンが１．４Ｗ／Ｋｍの熱伝導率、多孔質のシリコンが１〜２Ｗ／Ｋｍの熱伝導率および酸化された多孔質のシリコンが０．３〜１．４Ｗ／Ｋｍの典型的な熱伝導率を有していることを固執することができる。この限りにおいて、センサ構成素子１５の可能な限り良好な断熱を保証するためには、多孔質の酸化シリコン領域１１′が形成されると有利である。
【００３１】
カバー層１６の被着は、図５では、有利には、センサ構成素子１５もしくは加熱素子１７の被着に類似して、すなわち、物理・化学的な析出法、たとえばＣＶＤ法またはスパッタリングによって行われる。さらに、支持体１０に対するセンサ構成素子１５の可能な限り良好な断熱に関して、多孔質の酸化シリコン領域１１′の厚さが可能な限り大きく選択されていて、たとえば５０μｍ〜２００μｍにあると有利である。
【００３２】
その後、支持体１０の表面もしくは多孔質の酸化シリコン領域１１′の表面へのカバー層１６の析出後、図３に類似して、白金抵抗導体路の形の加熱素子１７もしくはセンサ構成素子１５の析出が行われる。この場合、加熱素子１７は新たにセンサ構成素子１５もしくはカバー層１６全体の加熱のために働く。
【００３３】
フローセンサ５の機能は、このフローセンサ５を負荷する媒体、たとえばガスの流れによって、センサ構成素子１５の温度の変化が生ぜしめられることに基づいている。このことは、センサ構成素子１５の電気抵抗の変化に表れる。この場合、電気抵抗のこの変化は評価手段（図示せず）を介して検出される。
【００３４】
図６には、図５の平面図が示してある。この場合、２つのセンサ構成素子１５が相並んで多孔質の酸化シリコン領域１１′の表面に形成されていることを知ることができる。この場合、強調しておくと、図６によれば、加熱素子１７だけでなくセンサ構成素子１５もカバー層１６に位置しているので、図示の多孔質の酸化シリコン領域１１′は平面図では実際に見ることはできない。
【００３５】
図７は、ガス流れをフローセンサ５によって角度に関連して検出するための第３実施例を説明している。このためには、ｐ型ドーピングされたシリコンから成る支持体１０の表面にまず、すでに前述した形式で相応のマスク１２によって多孔質の酸化シリコン領域１１′が形成されている。この多孔質の酸化シリコン領域１１′は、具体的な例では、星形に中央の面１９に向けられている。この面１９も同じく多孔質のシリコンから成っている。さらに、次いで、支持体１０の表面全体にカバー層１６が被着されていることが提案されている。このカバー層１６は多孔質の酸化シリコン領域１１′を封止している。カバー層１６は図７には示していないが、しかし、図５に十分類似している。さらに、図示の実施例では、支持体１０の、多孔質の酸化シリコン領域１１′によって占められていない領域が別の良熱伝導性のカバー層１８、たとえばシリコン層または白金層を備えている。このカバー層１８は、個々のセンサ構成素子１５の間の熱的なクロストークを阻止するために働く。
【００３６】
ちなみに、図７の変化形では、図５に示したカバー層１６が、図７に示した実施例では省略されることが提案されていてよい。なぜならば、多孔質の酸化シリコン領域１１′の封止が必ずしも必要ではないからである。しかし、この構成は長時間安定性に関する欠点を有している。さらに、この場合、この事例では、別のカバー層１８の被着も必ずしも必要とならない。なぜならば、支持体１０の表面の、多孔質の酸化シリコン領域１１′によって占められていない領域でいずれにせよ支持体１０の表面がシリコンから成っているからである。しかし、有利には、この事例でも、カバー層１８が被着され、これによって、形成されたヒートシンクの縁部または仕切り部が正確に規定される。
【００３７】
さらに、図７に示したように、支持体１０の表面には、多孔質の酸化シリコン領域１１′の領域でＵ字形の白金抵抗導体路の形の全部で８つのセンサ構成素子１５が被着されている。したがって、これらのセンサ構成素子１５は図６、図３または図５に十分類似して形成されている。さらに、図７に示した中央の面１９に白金抵抗導体路の形の加熱素子１７が設けられていることが提案されている。この加熱素子１７は相応の給電線路を介して電流で負荷されるので、加熱素子１７を介してセンサ構成素子１５が加熱可能となる。有利には、センサ構成素子１５は十字形にもしくは星形に中央の加熱素子１７を中心として配置されているので、ガス流れをこのようなフローセンサ５によって角度に関連して検出することが可能となる。
【００３８】
この場合、角度精度は明らかにセンサ構成素子１５の配置形式もしくはセンサ構成素子１５の数に関連している。すなわち、８つよりも多くのセンサ構成素子１５の配置によって、フローセンサ５の分解能を著しく向上させることができる。加熱素子１７の可能な形状は、図７に示したように、正方形のベース面を備えた渦巻き形である。
【００３９】
当然ながら、前述したフローセンサ５のレイアウトに関して多数の可能性が存在している。したがって、たとえば図３から出発して、それぞれ少なくとも十分に片持ち式に切欠き１４の上方に案内されている、センサ構成素子１５もしくは複数の加熱素子１７も位置しているウェブ１３の回路網を形成することが難なく可能となる。この場合、加熱素子１７は、たとえば図７のように配置されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
支持体と多孔質のシリコン領域とを備えたフローセンサを製作するための第１の方法ステップの断面図である。
【図２】
形成されたウェブを備えた第２の方法ステップを示す図である。
【図３】
部分的に片持ち式のウェブに配置されたセンサ素子を備えた第３の方法ステップを示す図である。
【図４】
第２実施例の第１の方法ステップを示す図である。
【図５】
第２実施例の別の方法ステップを示す図であり、この場合、センサ構成素子と加熱素子とが形成されている。
【図６】
図５の平面図である。
【図７】
ガス流れを角度に関連して検出するためのフローセンサの第３実施例を示す図である。
【符号の説明】
５　フローセンサ、　１０　支持体、　１１　多孔質のシリコン領域、　１１′　多孔質の酸化シリコン領域、　１２　マスク、　１３　ウェブ、　１４　切欠き、　１５　センサ構成素子、　１６　カバー層、　１７　加熱素子、　１８　カバー層、　１９　面

Claims (11)

1. 特にガス流れを分析するためのフローセンサであって、支持体と、媒体の流れに対して敏感な少なくとも１つのセンサ構成素子とが設けられており、該センサ構成素子が、少なくとも部分的に支持体から、該支持体に比べて劣熱伝導性の領域によって分離されている形式のものにおいて、劣熱伝導性の領域（１１，１１′，１４）が、多孔質のシリコン領域（１１）または多孔質の酸化シリコン領域（１１′）であるかまたは劣熱伝導性の領域（１１，１１′，１４）が、支持体（１０）の表面に設けられた切欠き（１４）であり、該切欠き（１４）の上方でセンサ構成素子（１５）が、切欠き（１４）にわたって延びる少なくとも十分に片持ち式の少なくとも１つのウェブ（１３）に配置されていることを特徴とする、フローセンサ。
2. 劣熱伝導性の領域（１１，１１′，１４）が、支持体（１０）の表面領域である、請求項１記載のフローセンサ。
3. 支持体（１０）が、シリコン体、特にｐ型ドーピングされたシリコンウェーハである、請求項１または２記載のフローセンサ。
4. 劣熱伝導性の領域（１１，１１′，１４）が、少なくとも部分的にカバー層（１６）を備えており、センサ構成素子（１５）が、少なくとも部分的にカバー層（１６）に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のフローセンサ。
5. 少なくとも１つの加熱素子（１７）、特に加熱導体が設けられており、該加熱素子（１７）によってセンサ構成素子（１５）が少なくとも部分的に加熱可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載のフローセンサ。
6. センサ構成素子（１５）が、導体路、特に白金抵抗導体路、サーミスタ、熱電対またはサーモパイルを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のフローセンサ。
7. 少なくとも１つの加熱素子（１７）と、該加熱素子（１７）を中心として特に対称的に十字形にまたは星形に配置された複数のセンサ構成素子（１５）とが設けられており、該センサ構成素子（１５）が、それぞれ少なくとも部分的に支持体（１０）から、該支持体（１０）に比べて劣熱伝導性の領域（１１，１１′，１４）によって分離されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のフローセンサ。
8. 加熱素子（１７）が、少なくとも部分的に支持体（１０）から劣熱伝導性の領域（１１，１１′，１４）によって分離されており、支持体（１０）の、劣熱伝導性の領域（１１，１１′，１４）によって占められていない領域が、良熱伝導性のカバー層（１６）、特にシリコン層を備えている、請求項７記載のフローセンサ。
9. センサ構成素子（１５）と加熱素子（１７）とが、切欠き（１４）、多孔質のシリコン領域（１１）または多孔質の酸化シリコン領域の上方に案内されたウェブ（１３）の回路網に配置されている、請求項７または８記載のフローセンサ。
10. ウェブ（１３）が、５００ｎｍよりも少ない厚さを有していて、少なくとも十分にシリコンから成っている、請求項１から９までのいずれか１項記載のフローセンサ。
11. 多孔質のシリコン領域（１１）が、ナノ多孔質のまたはメソ多孔質のシリコンから成っており、かつ／または多孔質の酸化シリコン領域（１１′）が、ナノ多孔質のまたはメソ多孔質の酸化シリコンから成っている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のフローセンサ。