WO2009153099A1 - Silizium-basierter mikroströmungsfühler für die gasanalyse und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Silizium-basierter mikroströmungsfühler für die gasanalyse und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2009153099A1
WO2009153099A1 PCT/EP2009/055336 EP2009055336W WO2009153099A1 WO 2009153099 A1 WO2009153099 A1 WO 2009153099A1 EP 2009055336 W EP2009055336 W EP 2009055336W WO 2009153099 A1 WO2009153099 A1 WO 2009153099A1
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WO
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silicon
sensor according
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micro flow
flow sensor
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Application number
PCT/EP2009/055336
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Inventor
Gerald Eckstein
Oliver Freudenberg
Ingo KÜHNE
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Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • 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

Definitions

  • Silicon-based microflow sensor for gas analysis and process for its production
  • the present invention relates to a micro flow sensor for measuring the flow velocities of a flow medium and / or for detecting gases, as well as its use and manufacture.
  • Glass-nickel-based microcurrent sensors are used in a conventional manner, in particular as a central sensor element, for example in product series ULTRAMAT 6, OXYMAT 6 and SiBENCH.
  • the applications in these series are just examples.
  • a micro flow sensor can be used everywhere where comparable measuring methods are available.
  • the field of the present invention is not limited to these products.
  • NDIR Dispersive infrared
  • infrared active gases whose absorption bands are in the infrared wavelength range of 2 to 8 microns, such as CO, CO2, NO, SO2, NH 3, H 2 O, CH 4 and other hydrocarbons.
  • the ULTRAMAT 6 is a high end analyzing device.
  • the area of application covers all areas from emission measurement to use in processes for managing
  • the OXYMAT physics of the Series 6 combi device exploits the paramagnetic properties of the oxygen molecules by comparison with a reference gas.
  • This reference gas may be ambient air, nitrogen or oxygen.
  • the SiBENCH is an optical bench specially designed for use in Emission testers. The volume concentration of the various gas components is determined based on the infrared absorption.
  • Gas-filled detectors with micro flow sensors guarantee maximum selectivity and reproducibility in the measurement of CO, CO2, NO and HC.
  • electrochemical sensors for the measurement of O 2 and NO can be connected.
  • the detector for these product lines for the measurement of gases is based on the principle of thermal anemometry.
  • a sensor element whose electrical resistance depends on the temperature, electrically heated. Due to the circulation, heat transport into the flow medium takes place, which depends on the flow velocity. By measuring the electrical variables can be concluded that the flow rate.
  • a conventional micro flow sensor is made of glass, with the galvanic nickel measuring resistor integrated.
  • the production of the sensor in this technology is very complex and the measuring resistor is subject to process-related fluctuations.
  • the two nickel grids of the micro flow sensor are heated to 120 ° C.
  • the two metal grids together with two supplementary resistors form a Wheatstone bridge.
  • the pulsating flow in the gas, in conjunction with a spatially very dense arrangement of the nickel lattice leads to a change in resistance.
  • the result is a bridge detuning, which depends on the concentration of the sample gas.
  • FIG. 4 shows an assembled conventional micro flow sensor.
  • the measuring resistors of a sensor grid should be reproducible.
  • the sensitivity of the sensor should be increased.
  • the response times should be reduced.
  • a signal-to-noise ratio should be increased.
  • the transmitter is to be simplified.
  • the corrosion resistance of the sensor element should be increased, for example for use in industrial gases. It is intended to provide completely new sensor elements with sub-sensor elements. It should be possible to integrate serial and parallel resistors for adapting the measuring resistances to the respective measuring conditions.
  • the process chain for the production of a sensor is to be simplified and stabilized.
  • the yield should be increased.
  • the production costs should be reduced.
  • micro flow sensor according to the main claim, a use according to the independent claim and a method according to the second independent claim.
  • the micro flow sensor is provided in micromechanics based on silicon. It should be possible to measure gases, such as CO, CO2, HC.
  • the micro flow sensor should be particularly suitable for detecting the flow velocity of a flow medium and / or the concentration of a medium.
  • two grating structures together with two supplementary resistors, form a Wheatstone bridge.
  • the complementary resistors are also provided as silicon lattice structures.
  • the grating structures are each formed meander-shaped.
  • Grid structures each produced on a substrate, which are stacked on one another such that a substrate is at the same time spacers between the grid structures. This advantageously eliminates the need for an additional spacer.
  • two grid structures are arranged on each side of a substrate parallel to each other.
  • a microflow sensor according to the invention is used in a ULTRAMAT, a SiBENCH or OXYMAT.
  • the grid structures are heated to temperatures in the range from 115 ° C. to 125 ° C.
  • the lattice structures made of crystalline silicon are produced by means of silicone-on-insolater (SOI) wafer material.
  • SOI silicone-on-insolater
  • free silicon surfaces are passivated. This can be provided for example by means of a silicon oxide layer.
  • Fig. 1 is a diagram of the operation of a ULTRAMAT 6 and SiBENCH
  • FIG. Figure 2 is a diagram of the operation of an OXIMAT 6
  • FIG. 3 shows a structure of a conventional micro flow guide
  • Fig. Fig. 4 shows a structure of a conventional composite micro flow sensor
  • FIG. 5 shows an embodiment of a microflow sensor according to the invention
  • Fig. 6 shows a second embodiment of a microflow sensor according to the invention
  • Fig. 7 shows a third embodiment of a erfindungsge ⁇
  • O £ f UI should have micro flow sensor
  • Fig. 8 is an equivalent circuit diagram of a Wheatstone bridge
  • Fig. 9 shows an exemplary embodiment of a lattice structure according to the invention.
  • Fig. 10 shows a further exemplary embodiment of a microstrusion sensor
  • Fig. 11 is an illustration of the time course of a periodically detuned bridge according to the invention.
  • FIG. 1 shows a representation of the function of a conventional ULTRAMAT 6 and SiBENCH.
  • the ULTRAMAT channel operates according to the infrared push-pull alternating light principle with two-layer detector and optical coupler.
  • the measuring principle is based on the molecule-specific absorption of bands of infrared radiation. The absorbed wavelengths are characteristic of individual gases but may overlap in part. This leads to cross-sensitivities, which are minimized in the ULTRAMAT channel by the following measures: a) gas-filled filter chamber (beam splitter); b) Two-layer detector with optical coupler; c) optionally optical filters.
  • FIG. 1 shows the measuring principle.
  • a heated to about 700 ° C and displaceable for balancing the system emitter 3 is divided in the beam splitter 5 into two equal beam, namely measuring and reference beam.
  • the beam splitter also acts as a filter chamber.
  • the reference beam hits through a column filled with the non-infrared active gas N 2 Comparison chamber 9 virtually unattenuated to the right side of the detector 10 up, the measuring beam passes through the flow-type with measuring gas measuring chamber 8 and applies depending on configuration, the measuring gas is more or less weakened to the left side of the receiver chamber 11.
  • the receiver chamber is filled with a specified concentration of the gas component to be measured.
  • the detector is constructed as a two-layer detector.
  • the absorption band center is preferably absorbed, while the band edges in the lower and upper layer are absorbed approximately to the same extent.
  • Upper and lower detector layers are pneumatically connected to each other via the micro flow sensor 13. This negative feedback causes the spectral sensitivity to become very narrowband.
  • the lower receiver chamber layer is optically extended.
  • the slide position 14 the infrared absorption in the second receiver chamber is varied. This results in the possibility of individually minimizing the influence of the interference components. Since an aperture wheel 6 rotates between the beam splitter and the measuring chamber, causing both beams to cycle clockingly and intermittently, a pulsating flow is generated in the measuring chamber during pre-absorption, which is converted by the micro flow sensor 13 into an electrical signal.
  • the micro flow sensor consists of two nickel grids heated to about 120 ° C, which together with two supplementary resistors form a Wheatstone bridge.
  • the pulsating flow in conjunction with a spatially very dense arrangement of the nickel lattices, leads to a change in resistance.
  • the result is a bridge detuning, which depends on the concentration of the sample gas.
  • Reference numeral 1 records the sample gas inlet.
  • Reference numeral 2 denotes the sample gas outlet.
  • Reference numeral 4 denotes an optical filter.
  • Reference numeral 7 denotes an eddy current drive.
  • FIG. 2 shows a diagram relating to the operation of a conventional OXYMAT 6.
  • oxygen is paramagnetic. This property is used in the OXYMAT analysis channel as a measuring effect. Due to their paramagnetism, oxygen molecules are moved in an inhomogeneous magnetic field in the direction of higher field strength. If two gases with different oxygen contents are combined in a magnetic field, a pressure difference arises between them.
  • one gas 15 is a reference gas, such as N 2 , O 2 or air, the other is the measurement gas 19.
  • the comparison gas 15 is supplied to the measurement chamber 20 through two channels 17. One of these comparison currents coincides in the region of the magnetic field 21 with the measurement gas 19.
  • the resulting pressure difference which is proportional to the difference of the oxygen contents of the measurement gas 19 and the reference gas 15, causes a flow that is converted by a micro flow sensor 18 into an electrical signal.
  • the micro flow sensor 18 consists of two heated to about 120 ° C nickel meshes, which together with two supplementary resistors form a Wheatstone bridge. The pulsating flow leads to a resistance change of the nickel mesh. The result is a bridge detuning, which is dependent on the oxygen concentration of the measuring gas 19. Since the micro flow sensor 18 is arranged in the reference gas stream, the measurement is not influenced by the thermal conductivity, the specific heat or the internal friction of the sample gas 19.
  • the micro flow sensor 18 is not exposed to the direct action of the sample gas 19.
  • the directly flowed measuring chamber 20 has a small volume, and the micro flow sensor 18 is delay. This results in a very short response time for the OXYMAT channel. Frequently, vibrations occur at the measuring location. These may distort the measurement signal as a result of noise. Therefore, another, not flowed micro flow sensor 24 was installed as a vibration pickup. Its signal is switched together as a compensation signal with the measurement signal.
  • the compensation micro-flow sensor 24 like the measurement micro-flow sensor 18, is likewise supplied with reference gas 15.
  • Reference numeral 16 denotes a throttle each.
  • Reference numeral 23 denotes a sample gas and reference gas output.
  • Figure 3 shows a schematic representation of the structure of a conventional micro flow sensor.
  • Glass layers 1 and 2 each with a thickness of, for example, 0.2 mm, are formed above and below the micro flow sensor.
  • a polymer spacer 3 is provided with a thickness of, for example, 0.2 microns.
  • a grid having a thickness of, for example, 3 microns is formed between the lower glass layer 1 and the polymer spacer 3, a grid having a thickness of, for example, 3 microns is formed.
  • the grid 4 is conventionally made of nickel.
  • a conventional nickel grid 5 is formed between the upper glass layer 2 and the polymer spacer 3 arranged in the middle.
  • the nickel grid 5 may also have, for example, a thickness of 3 microns.
  • the glass layers 1 and 2 and the polymer spacer 3 each have an opening 6, the access to the nickel grids 4 and 5 form.
  • FIG. 4 shows the structure of a composite conventional micro flow sensor.
  • a glass layer 1 or 2 are formed at the top and bottom.
  • Reference numeral 3 denotes the polymer spacer which is the distance between the conventional nickel grid 5 and that in FIG. 4 not shown nickel grating 4, which is hidden causes.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a micromechanically generated structure of a microflow sensor according to the invention for detecting the flow velocity of a flow medium.
  • FIG. 5 shows the basic structure of a silicon-integrated microflow sensor according to the invention.
  • Reference numeral 1 denotes a wafer 1.
  • Reference numeral 2 denotes a wafer 2.
  • the wafer 1 is on the
  • Wafer 2 arranged. Wafer 1 and wafer 2 have the following structure. On a silicon layer 3, in each case a grid 5 or grid 6 are produced in their recesses 4. On the silicon 3 and the gratings 5 and 6, in each case a passivation layer, which comprises, for example, silicon oxide, is formed. Such passivation layers are identified by the reference numeral 7. Reference numerals 8 each indicate diffusion regions on which metallic contact pads 9 are produced, for example, for soldering or wire bonding. In this way, the trained micro flow sensor can be contacted electrically. Compared to the prior art, a polymer spacer can be omitted since, for example, the upper silicon layer 3 additionally provides the function of a spacer.
  • the free silicon surfaces are passivated, for example by means of silicon oxide or else silicon nitride or in a similar manner.
  • the silicon structuring can be carried out by means of dry etching processes or wet chemical etching processes, for example with KOH (potassium hydroxide) or TMAH (tetramethylammonium hydroxide).
  • the silicon lattice structures are produced from crystalline silicon, for example by the use of silicone-on-insolater (SOI) wafer material.
  • SOI silicone-on-insolater
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a silicon-based lattice structure.
  • a grid structure 3 is formed between the contact pads 1 and 2 made of silicon. testifies.
  • Reference numeral 4 denotes lateral grid support structures, wherein a gray scale indicates a respective temperature.
  • Figure 7 shows an embodiment of a silicon-based sensor with four sub-sensor elements in a schematic representation.
  • a sub-sensor element is identified by the reference numeral 1.
  • Several electrically interconnected sub-sensor elements 1 can form one or more grating structures.
  • FIG. 8 shows the use of a Wheatstone bridge circuit as an electrical measuring principle.
  • the Wheatstone bridge is a measuring device for the measurement of a) ohmic resistors, ie DC resistors, and b) small changes in resistance. It is constructed from four resistors, with two resistors each forming a voltage divider and two voltage dividers are parallel to each other.
  • the principle of the almost balanced bridge circuit is used to measure the smallest temperature-dependent changes in resistance. Due to the substitution of a conventional metal grid by a silicon-based grating according to the invention, the resistance is in the range of a few kilohms compared to a few ohms when using conventional metal grids.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a sensor array of a micro-flow sensor according to the invention.
  • FIG. 9 shows the serial interconnection of a quadruple sensor array on a front side of a substrate. Shown is the In Herbertlust several sub-sensor elements 1 to further increase the resistance. Sub-sensor elements 1 allow for improved interconnection within the Wheatstone bridge to further increase performance.
  • FIG. 9 shows in particular a resistance of the Wheatstone bridge generated by means of the sub-grating structures 1.
  • FIG. 10 shows a further exemplary embodiment of a microflow sensor according to the invention.
  • FIG. 10 shows the substitution of the previously used supplementary resistances of the Wheatstone bridge by two further silicon meanders. With appropriate electrical circuitry within the Wheatstone bridge of FIG. 8, together with a suitable spatial arrangement, improved sensitivity can be achieved.
  • FIG. 10 shows the arrangement of the four bridge resistors Ri, R2, R3, R4 of a silicon meander Wheatstone bridge.
  • FIG. 10 shows that in each case two grating structures, each forming a resistor, are arranged parallel to one another on each side of a substrate. In each case, two grating structures R1 / R3 or R4 / R2 arranged one above the other are contacted electrically parallel to one another. The electrical contact is shown in each case by a dotted line. On the left side of FIG. 10 is the front side and on the right side of FIG. 10, the back side of an associated substrate is shown.
  • FIG. 11 shows a representation of the qualitative time profile of a periodically detuned Wheatstone bridge in comparison between the Wheatstone bridges with and without supplementary resistors designed as silicon meanders.
  • the first case is a Wheatstone bridge with two silicon meanders and two conventional supplementary resistors, and the second case with four silicon meander resistors.
  • figure 11 clearly shows that the sensitivity of the measurement signal, that is to say the generated amplitude, is markedly improved or increased by means of the use of four silicon meanders.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroströmungsfühler zum Messen der Strömungsgeschwindigkeiten eines Strömungsmediums. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei aus Silizium bestehende Mäander-Strukturen (5, 6) ausgebildet sind. Besonders Vorteilhaft ist die Verwendung dieser beiden Mäander-Strukturen (5, 6) zusammen mit zwei Ergänzungswiderständen, sodass eine Wheatstone-Brücke ausgebildet wird. Bei einem derartigen Mikroströmungsfühler sollen die Empfindlichkeit der Sensoren erhöht, die Ansprechzeiten verringert sowie das Signal-/Rausch-Verhältnis erhöht werden.

Description

Beschreibung
Silizium-basierter Mikroströmungsfühler für die Gasanalyse und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroströmungsfühler zum Messen der Strömungsgeschwindigkeiten eines Strömungsmediums und/oder zum Erfassen von Gasen, sowie dessen Verwendung und Herstellung.
Auf herkömmliche Weise werden Mikroströmensfühler auf Glas/Nickel-Basis insbesondere als zentrales Sensorelement beispielsweise in Produktbaureihen ULTRAMAT 6, OXYMAT 6 sowie SiBENCH verwendet. Die Anwendungen in diesen Baureihen sind lediglich Beispiele. Ein Mikroströmungsfühler ist überall einsetzbar, wo vergleichbare Messverfahren vorliegen. Das Gebiet der vorliegenden Erfindung ist nicht auf diese Produkte beschränkt .
Die Gasanalysatoren dieser Baureihen messen mit Non-
Dispersiven Infrarot- (NDIR-) Detektoren, auf der Grundlage der Infrarotabsorption, kontinuierlich und hoch selektiv ein oder mehrere Infrarot- aktive Gase, deren Absorptionsbanden im Infrarot-Wellenlängenbereich von 2 bis 8 Mikrometer lie- gen, wie beispielsweise CO, CO2, NO, SO2, NH3, H2O, CH4 und andere Kohlenwasserstoffe.
Der ULTRAMAT 6 ist ein High-End-Analysing Gerät. Im Allgemeinen umfasst das Einsatzgebiet alle Bereiche von der Emission- smessung bis hin zum Einsatz in Prozessen zur Führung von
Produktionsverfahren und zur Sicherstellung der Produktqualität, auch bei Anwesenheit hochkorrosiver Gase.
Die OXYMAT-Physik des Kombigeräts der Baureihe 6 nutzt die paramagnetischen Eigenschaften der Sauerstoffmoleküle durch Vergleich mit einem Referenzgas. Dieses Referenzgas kann Umgebungsluft, Stickstoff oder Sauerstoff sein. Die SiBENCH ist eine optische Messbank speziell entwickelt für den Einsatz in Abgastestern. Die Volumenkonzentration der verschiedenen Gaskomponenten wird auf Basis der Infrarotabsorption ermittelt.
Gasgefüllte Detektoren mit Mikroströmungsfühlern garantieren höchste Selektivität und Reproduzierbarkeit bei der Messung von CO, CO2, NO und HC. Zusätzlich können elektrochemische Sensoren für die Messung von O2 und NO angeschlossen werden.
Der Detektor für diese Produktreihen zur Messung von Gasen beruht auf dem Prinzip der thermischen Anemometrie. Dabei wird ein Sensorelement, dessen elektrischer Widerstand von der Temperatur abhängt, elektrisch beheizt. Durch die Umströ- mung findet ein Wärmetransport in das Strömungsmedium statt, der von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Durch Messung der elektrischen Größen kann so auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.
Die Arbeitsweise von ULTRAMAT 6 und SiBENCH sowie OXIMAT 6 werden in Verbindung mit Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben.
Ein herkömmlicher Mikroströmungsfühler wird aus Glas gefertigt, wobei der Messwiderstand aus galvanischem Nickel integriert wird. Die Herstellung des Sensors in dieser Technologie ist sehr aufwändig und der Messwiderstand unterliegt prozess- bedingt Schwankungen. Für die Durchführung von gasspezifischen Messungen werden die beiden Nickelgitter des Mikroströ- mungsfühlers auf 120° C beheizt. Die beiden Metallgitter bilden zusammen mit zwei Ergänzungswiderständen eine Wheatstone- Brücke. Die pulsierende Strömung im Gas führt in Verbindung mit einer räumlich sehr dichten Anordnung der Nickel-Gitter zu einer Widerstandsänderung. Es resultiert eine Brückenverstimmung, die von der Konzentration des Messgases abhängig ist. Ein herkömmlicher Aufbau eines Mikroströmungsfühlers ist gemäß Fig. 3 schematisch dargestellt. Figur 4 zeigt einem zu- sammengefügten herkömmlichen Mikroströmungsfühler.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Mikroströmungsfühler mit folgenden Vorteilen gegenüber herkömmlichen Mikroströmungs- fühlern bereitzustellen: Die Messwiderstände eines Sensor- Gitters sollen reproduzierbar sein. Die Empfindlichkeit des Sensors soll erhöht werden. Die Ansprechzeiten sollen verringert werden. Ein Signal-/Rausch-Verhältnis soll erhöht werden. Die Auswerteelektronik soll vereinfacht werden. Die Korrosionsbeständigkeit des Sensorelements soll, beispielsweise zur Anwendung in Industriegasen, erhöht werden. Es sollen völlig neue Sensorelemente mit Subsensorelementen bereitgestellt werden. Es sollen serielle und parallele Widerstände zur Anpassung der Messwiderstände an die jeweiligen Messbedingungen integrierbar sein. Die Prozesskette zur Herstellung eines Sensors soll vereinfacht und stabilisiert werden. Die Ausbeute soll erhöht werden. Die Herstellungskosten sollen verringert werden.
Die Aufgabe wird durch einen Mikroströmungsfühler gemäß dem Hauptanspruch, eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch sowie ein Verfahren gemäß dem zweiten Nebenanspruch gelöst.
Der Mikroströmungsfühler wird in Mikromechanik auf Siliziumbasis bereitgestellt. Es sollen Gase gemessen werden können, wie es beispielsweise CO, CO2, HC sind. Der Mikroströmungsfühler soll sich insbesondere zum Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmediums und/oder der Konzentra- tion eines Mediums eignen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden zwei Gitterstrukturen, zusammen mit zwei Ergänzungswiderständen, eine Wheatstone-Brücke aus.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ergänzungs- widerstände ebenso als Siliziumgitterstrukturen bereitgestellt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Gitterstruktur als eine elektrische Schaltung, beispielsweise Reihenschaltung, von n=l,2...i Sub-Gitterstrukturen erzeugt. Auf diese Weise kann die Messempfindlichkeit wirksam opti- miert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Gitterstrukturen jeweils mäanderförmig ausgebildet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die
Gitterstrukturen jeweils auf einem Substrat erzeugt, die derart aufeinander gestapelt sind, dass ein Substrat gleichzeitig Abstandshalter zwischen den Gitterstrukturen ist. Auf diese Weise entfällt vorteilhaft ein zusätzlicher Abstands- halter.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind jeweils zwei Gitterstrukturen auf jeder Seite eines Substrats parallel zueinander angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind jeweils zwei übereinander angeordnete Gitterstrukturen elektrisch parallel zueinander kontaktiert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein erfindungsgemäßer Mikroströmungsfühler in einem ULTRAMAT, einem SiBENCH oder OXYMAT verwendet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Erwärmen der Gitterstrukturen auf Temperaturen im Bereich von 115° C bis 125° C.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Erzeugen der Gitterstrukturen aus kristallinem Silizium mit- tels Silikon-On-Insolater (SOI-) Wafermaterial . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden freie Siliziumflächen passiviert. Dies kann beispielsweise mittels einer Siliziumoxidschicht bereitgestellt werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Funktionsweise eines ULTRAMAT 6 und SiBENCH;
10 Fig . 2 ein Diagramm zur Funktionsweise eines OXIMAT 6;
Fig . 3 einen Aufbau eines herkömmlichen Mikroströmungsfüh- lers;
Fig . 4 einen Aufbau eines herkömmlichen zusammengesetzten Mikroströmungsfühlers ;
15 Fig . 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroströmungsfühlers ;
Fig . 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß Mikroströmungsfühlers ;
Fig . 7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬
O £ f UI mäßen Mikroströmungsfühlers ;
Fig . 8 ein Ersatzschaltbild einer Wheatstone-Brücke;
Fig . 9 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gitterstruktur;
Fig . 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mikroströo K mungsfühlers;
Fig . 11 eine Darstellung zum zeitlichen Verlauf einer periodisch verstimmten erfindungsgemäßen Brücke.
Figur 1 zeigt eine Darstellung zur Funktion eines herkömmli- 30 chen ULTRAMAT 6 und SiBENCH. Der ULTRAMAT-Kanal arbeitet nach dem Infrarot-Gegentakt-Wechsellichtprinzip mit Zweischicht- Detektor und optischem Koppler. Das Messprinzip beruht auf der molekülspezifischen Absorption von Banden der Infrarotstrahlung. Die absorbierten Wellenlängen sind für einzelne 35 Gase charakteristisch, können sich jedoch zum Teil überlagern. Dies führt zu Querempfindlichkeiten, die beim ULTRAMAT- Kanal durch folgende Maßnahmen auf ein Minimum beschränkt werden: a) gasgefüllte Filterkammer (Strahlenteiler); b) Zweischichtdetektor mit optischem Koppler; c) gegebenenfalls optische Filter. Figur 1 zeigt das Messprinzip. Ein auf etwa 700° C erhitzter und zum Symmetrieren des Systems verschiebbarer Strahler 3 wird im Strahlenteiler 5 in zwei gleiche Strahlenbündel, und zwar Mess- und Vergleichsstrahl, geteilt. Der Strahlenteiler wirkt gleichzeitig als Filterkammer. Während der Vergleichsstrahl durch eine mit dem nicht infrarotaktiven Gas N2 gefüllte Vergleichskammer 9 praktisch ungeschwächt auf die rechte Seite der Empfängerkammer 10 auf- trifft, durchläuft der Messstrahl die mit Messgas beströmte Messkammer 8 und trifft je nach Konstellation des Messgases mehr oder weniger geschwächt auf die linke Seite der Empfängerkammer 11 auf. Die Empfängerkammer ist mit einer festgelegten Konzentration der zu messenden Gaskomponente gefüllt. Der Detektor ist als Zweischichtdetektor aufgebaut. In der oberen Detektorschicht wird bevorzugt die Absorptionsbandenmitte absorbiert, während die Bandenflanken in der unteren und oberen Schicht etwa im gleichen Maße absorbiert werden. Obere und untere Detektorschicht sind pneumatisch über den Mikroströmungsfühler 13 miteinander verbunden. Diese Gegenkopplung führt dazu, dass die spektrale Empfindlichkeit sehr schmalbandig wird. Mit dem optischen Koppler 12 wird die untere Empfängerkammerschicht optisch verlängert. Durch Verändern der Schieberstellung 14 wird die Infrarotabsorption in der zweiten Empfängerkammer variiert. So ergibt sich die Möglichkeit, den Einfluss der Störkomponenten individuell zu minimieren. Da zwischen Strahlenteiler und Messkammer ein Blendenrad 6 rotiert, dass beide Strahlenbündel gegen getaktet und periodisch unterbricht, wird bei Vorabsorption in der Messkammer eine pulsierende Strömung erzeugt, die durch den Mikroströmungsfühler 13 in ein elektrisches Signal umgeformt wird. Der Mikroströmungsfühler besteht aus zwei auf etwa 120° C aufgeheizten Nickelgittern, die zusammen mit zwei Ergänzungswiderständen eine Wheatstone-Brücke bilden. Die pul- sierende Strömung führt in Verbindung mit einer räumlich sehr dichten Anordnung der Nickel-Gitter zu einer Widerstandsänderung. Es resultiert eine Brückenverstimmung, die von der Konzentration des Messgases abhängig ist. Bezugszeichen 1 be- zeichnet den Messgaseingang. Bezugszeichen 2 bezeichnet den Messgasausgang. Bezugszeichen 4 bezeichnet ein optisches Filter. Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Wirbelstromantrieb.
Figur 2 zeigt eine Darstellung bezüglich der Arbeitsweise eines herkömmlichen OXYMAT 6. Sauerstoff ist im Gegensatz zu fast allen anderen Gasen paramagnetisch. Diese Eigenschaft wird in den OXYMAT-Analysenkanal als Messeffekt genutzt. Sau- erstoffmoleküle werden aufgrund ihres Paramagnetismus in ei- nem inhomogenen Magnetfeld in Richtung höherer Feldstärke bewegt. Werden zwei Gase mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt in einem Magnetfeld zusammengeführt, so entsteht zwischen diesen ein Druckunterschied. Beim OXYMAT-Kanal ist das eine Gas 15 ein Vergleichsgas, wie es beispielsweise N2, O2 oder Luft ist, das andere das Messgas 19. Das Vergleichs-gas 15 wird der Messkammer 20 durch zwei Kanäle 17 zugeführt. Einer dieser Vergleichsströme trifft im Bereich des Magnet-felds 21 mit dem Messgas 19 zusammen. Da die Kanäle mitei-nander verbunden sind, bewirkt die entstehende Druckdiffer-enz, die dem Unterschied der Sauerstoffgehalte des Messgases 19 und des Vergleichsgases 15 proportional ist, eine Strömung, die von einem Mikroströmungsfühler 18 in ein elektrisches Signal umgeformt wird. Der Mikroströmungsfühler 18 besteht aus zwei auf etwa 120° C aufgeheizten Nickelgittern, die zusammen mit zwei Ergänzungswiderständen eine Wheatstone-Brücke bilden. Die pulsierende Strömung führt zu einer Widerstandsänderung der Nickelgitter. Es resultiert eine Brückenverstimmung, die von der Sauerstoffkonzentration des Messgases 19 abhängig ist. Da der Mikroströmungsfühler 18 im Vergleichsgasstrom an- geordnet ist, wird die Messung nicht von der Wärmeleitfähigkeit, der spezifischen Wärme oder der inneren Reibung des Messgases 19 beeinflusst. Außerdem wird hierdurch ein guter Korrosionsschutz erzielt, da der Mikroströmungsfühler 18 nicht der direkten Einwirkung des Messgases 19 ausgesetzt ist. Durch Anwendung eines Magnetfeldes mit wechselnder Flussstärke 22 wird die Grundströmung am Mikroströmungsfühler 18 nicht erfasst, sodass die Messung unabhängig von der Messkämmerläge und damit auch von der Gebrauchslage des Gasanalysengerätes ist. Die direkt beströmte Messkammer 20 hat ein kleines Volumen, und der Mikroströmungsfühler 18 ist verzögerungsarm. Daraus ergibt sich für den OXYMAT-Kanal eine sehr kurze Ansprechzeit. Häufig treten am Messort Vibrationen auf. Diese verfälschen unter Umständen das Messsignal in Folge Rauschens. Deshalb wurde ein weiterer, nicht beströmter Mikroströmungsfühler 24 als Vibrationsaufnehmer eingebaut. Dessen Signal wird als Kompensationssignal mit dem Messsignal zusammen geschaltet. Weicht die mittlere Dichte des Messgases 19 um mehr als 50 % von der Dichte des Vergleichsgases 15 ab, so wird der Kompensations-Mikroströmungsfühler 24 wie der Mess-Mikroströmungsfühler 18 ebenfalls mit Vergleichsgas 15 beströmt. Bezugszeichen 16 bezeichnet jeweils eine Drossel. Bezugszeichen 23 bezeichnet einen Messgas- und Vergleichsgas- Ausgang.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines herkömmlichen Mikroströmungsfühlers . Oberhalb und unterhalb des Mikroströmungsfühlers sind Glasschichten 1 und 2 mit je- weils einer Dicke von beispielsweise 0,2 mm ausgebildet. In der Mitte des Mikroströmungsfühlers ist ein Polymer-Spacer 3 mit einer Dicke von beispielsweise 0,2 Mikrometer bereitgestellt. Zwischen der unteren Glasschicht 1 und dem Polymer- Spacer 3 ist ein Gitter mit einer Dicke von beispielsweise 3 Mikrometern ausgebildet. Das Gitter 4 besteht herkömmlicherweise aus Nickel. Ebenso ist zwischen der oberen Glasschicht 2 und dem in der Mitte angeordneten Polymer-Spacer 3 ein herkömmliches Nickelgitter 5 ausgebildet. Das Nickelgitter 5 kann ebenso beispielsweise ein Dicke von 3 Mikrometern aufweisen. Die Glasschichten 1 und 2 sowie der Polymer- Spacer 3 weisen jeweils eine Öffnung 6 auf, die Zugänge zu den Nickelgittern 4 und 5 ausbilden.
Figur 4 zeigt den Aufbau eines zusammengesetzten herkömmli- chen Mikroströmungsfühlers. Dabei sind oben und unten jeweils eine Glasschicht 1 beziehungsweise 2 ausgebildet. Bezugszeichen 3 kennzeichnet den Polymer-Spacer, der den Abstand zwischen dem herkömmlichen Nickelgitter 5 und dem in Figur 4 nicht dargestellten Nickelgitter 4, welches verdeckt ist, bewirkt .
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mikromechanisch erzeugten Aufbaus eines erfindungsgemäßen Mikroströmungsfüh- lers zum Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmediums. Figur 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Silizium-Integrierten Mikroströmungsfüh- lers . Bezugszeichen 1 kennzeichnet einen Wafer 1. Bezugszei- chen 2 kennzeichnet einen Wafer 2. Der Wafer 1 ist auf dem
Wafer 2 angeordnet. Wafer 1 und Wafer 2 weisen folgenden Aufbau auf. Auf einer Siliziumschicht 3 sind in deren Ausnehmungen 4 jeweils ein Gitter 5 beziehungsweise Gitter 6 erzeugt. Auf dem Silizium 3 und den Gittern 5 und 6 ist jeweils eine Passivierungsschicht, die beispielsweise Siliziumoxid aufweist, ausgebildet. Derartige Passivierungsschichten sind mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet. Bezugszeichen 8 kennzeichnen jeweils Diffusionsgebiete, auf denen beispielsweise zum Löten oder Drahtbonden metallische Kontaktpads 9 erzeugt sind. Auf diese Weise kann der ausgebildete Mikroströmungs- fühler elektrisch kontaktiert werden. Im Vergleich zum Stand der Technik kann ein Polymer-Spacer entfallen, da beispielsweise die obere Siliziumschicht 3 zusätzlich die Funktion eines Abstandshalters bereitstellt. Die freien Siliziumflächen sind passiviert, und zwar beispielsweise mittels Siliziumoxid oder aber ebenso Siliziumnitrid oder auf ähnliche Weise. Die Siliziumstrukturierung kann mittels Trockenätzprozesse oder nasschemische Ätzprozesse beispielsweise mit KOH (Kaliumhydroxid) oder TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) ausgeführt werden. Die Siliziumgitterstrukturen werden aus kristallinem Silizium erzeugt, beispielsweise durch die Verwendung von Si- licon-On-Insolater (SOI-) Wafermaterial . Die Silizium basierte Mikroströmungsvariante besteht aus zwei gegenüberliegenden Siliziummäandern .
Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Silizium basierten Gitterstruktur. Zwischen den aus Silizium bestehenden Ankontaktierflachen 1 und 2 ist eine Gitterstruktur 3 er- zeugt. Bezugszeichen 4 kennzeichnet seitliche Gitterstützstrukturen, wobei eine Graustufung eine jeweilige Temperatur anzeigt .
Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Siliziumbasierten Sensors mit vier Subsensorelementen in schematischer Darstellung. Ein Subsensorelement ist mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Ein Silizium-basierter Mikroströmungsfühler kann aus n Sub-Sensorelementen bestehen (n=l...i) ohne den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors grundlegend zu verändern. Dies ermöglicht grundsätzlich eine variablere elektrische Verschaltung zur weiteren Optimierung des Mikroströmungsfühlers beziehungsweise des zugeordneten Messverfahrens. Mehrere elektrisch verschaltete Subsensorelemente 1 können eine oder mehrere Gitterstrukturen ausbilden.
Figur 8 zeigt die Verwendung einer Wheatstone-Brückenschalt- ung als elektrisches Messprinzip. Die Wheatstone-Brücke ist eine Messeinrichtung zur Messung von a) elektrischen Wider- ständen ohmscher Art, das heißt Gleichstromwiderständen, und b) von kleinen Widerstandsänderungen. Sie ist dabei aufgebaut aus vier Widerständen, wobei jeweils zwei Widerstände einen Spannungsteiler ausbilden und jeweils zwei Spannungsteiler parallel zueinander liegen. Im Mikroströmungsfühler wird das Prinzip der fast abgeglichenen Brückenschaltung angewendet, um kleinste temperaturabhängige Widerstandsänderungen messen zu können. Aufgrund der Substitution eines herkömmlichen Metallgitters durch ein erfindungsgemäßes siliziumbasiertes Gitter liegt der Widerstand im Bereich von einigen KiloOhm im Vergleich zu wenigen Ohm bei der Verwendung von herkömmlichen Metallgittern. Dieser höhere Widerstandswert führt zu Vorteilen, wie beispielsweise einem verbesserten Signal-/Rausch- Verhältnis. Des Weiteren führt der im Vergleich zu Metallen größere Widerstandskoeffizient zu einer höheren Messempfind- lichkeit, das heißt zu höheren temperaturabhängigen Widerstandsänderungen . Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Senso- rarrays eines erfindungsgemäßen Mirkoströmungsfühlers. Figur 9 zeigt das serielle Verschalten eines Vierfach-Sensorarrays auf einer Vorderseite eines Substrates. Dargestellt ist das Inreiheschalten mehrerer Sub-Sensorelemente 1 zur weiteren Erhöhung des Widerstandes. Sub-Sensorelemente 1 ermöglichen eine verbesserte Verschaltung innerhalb der Wheatstone- Brücke, um die Leistungsfähigkeit weiter zu erhöhen. Figur 9 zeigt insbesondere einen mittels der Sub-Gitterstrukturen 1 erzeugten Widerstand der Wheatstone-Brücke .
Figur 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroströmungsfühlers . Figur 10 zeigt die Substitution der bisher verwendeten Ergänzungswiderstände der Wheatstone-Brücke durch zwei weitere Silizium-Mäander. Bei entsprechender elektrischer Verschaltung innerhalb der Wheatstone-Brücke gemäß Fig. 8, zusammen mit einer geeigneten räumlichen Anordnung, lässt sich eine verbesserte Empfindlichkeit erzielen. Figur 10 stellt die Anordnung der vier Brückenwiderstände Ri, R2, R3, R4 einer Wheatstone-Brücke in Silizium-Mäanderausführung dar. Figur 10 zeigt dass jeweils zwei Gitterstrukturen, die jeweils einen Widerstand ausbilden, auf jeder Seite eines Substrats parallel zueinander angeordnet sind. Es sind jeweils zwei übereinander angeordnete Gitterstrukturen R1/R3 beziehungsweise R4/R2 elektrisch parallel zueinander kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung ist jeweils durch eine gepunktete Linie dargestellt. Auf der linken Seite der Fig. 10 ist die Vorderseite und auf der rechten Seite der Fig. 10 ist die Rückseite eines dazugehörigen Sub- strats dargestellt.
Figur 11 zeigt eine Darstellung des qualitativen zeitlichen Verlaufs einer periodisch verstimmten Wheatstone-Brücke im Vergleich zwischen den Wheatstone-Brücken ohne und mit als Silizium-Mäander ausgebildeten Ergänzungswiderständen. Dabei ist der erste Fall eine Wheatstone-Brücke mit zwei Silizium- Mäandern und zwei herkömmlichen Ergänzungswiderständen sowie der zweite Fall mit vier Silizium-Mäander-Widerständen. Figur 11 zeigt deutlich, dass die Empfindlichkeit des Messsignals, das heißt die erzeugte Amplitude, mittels der Verwendung von vier Silizium-Mäandern deutlich verbessert beziehungsweise erhöht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Mikroströmungsfühler, gekennzeichnet durch mindestens eine aus Silizium bestehende Gitterstruktur (5, 6) .
2. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gitterstrukturen (5, 6), zusammen mit zwei Ergänzungswiderständen, eine Wheatstone-Brücke ausbilden.
3. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungswiderstände ebenso als Silizium- Gitterstrukturen bereitgestellt sind.
4. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gitterstruktur (5, 6) als eine elektrische Verschaltung von n= 1, 2...i mit i ε N Sub-Gitterstrukturen erzeugt ist.
5. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstrukturen (5, 6) jeweils Mäander ausbilden.
6. Mikroströmungsfühler nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstrukturen jeweils auf einem Substrat (3) erzeugt sind, wobei die Gitterstrukturen (5, 6) derart aufeinander gestapelt sind, dass ein Substrat (3) gleichzeitig Abstandshalter zwischen den Gitterstrukturen (5, 6) ist.
7. Mikroströmungsfühler nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Gitterstrukturen (5, 6) auf jeder Seite eines Substrats (3) parallel zueinander angeordnet sind.
8. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei übereinander angeordnete Gitterstrukturen (5, 6] elektrisch parallel geschaltet sind.
9. Verwendung eines Mikroströmungsfühlers nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch Erwärmen der Gitterstrukturen (5, 6) ,
Einbringen der Gitterstrukturen (5, 6) in eine Strömung des
Strömungsmediums ,
Erfassen einer Wheatstone-Brückenverstimmung, die von der
Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums abhängt.
10. Verwendung nach Anspruch 9, in einem ULTRAMAT, einem SiBENCH oder in einem OXYMAT.
11. Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch elektrisches Erwärmen auf eine Temperatur beispielsweise im Bereich von 115°C bis 125°C.
12. Verfahren zur Herstellung eines Mikroströmungsfühlers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch
Erzeugen der Gitterstrukturen (5, 6) aus kristallinem Silizium (3) mittels Silicon-On-Insulator (SOI-) Wafermaterial (1, 2), aus Poly-Silizium oder aus durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) abgeschiedenes Silizium.
13. Verfahren zur Herstellung eines Mikroströmungsfühlers nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch
Siliziumstrukturieren mittels Tröckenätzens oder nasschemi- sehen Ätzens, beispielsweise KOH (Kaliumhydroxid) oder TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) .
14. Verfahren zur Herstellung eines Mikroströmungsfühlers nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch
Passivieren zunächst freier Siliziumflächen und Erzeugen von Passivierungsschichten (7) zum Schutz der Gitterstrukturen (5, 6), beispielsweise vor aggressiven Gasen.
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