DE3628017C2

DE3628017C2 -

Info

Publication number: DE3628017C2
Application number: DE3628017A
Authority: DE
Inventors: Hisatoshi Yamatokoriyama Nara Jp Furubayashi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-08-20
Filing date: 1986-08-19
Publication date: 1988-12-29
Also published as: GB2179748A; DE3628017A1; GB2179748B; US5108193A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermischen Durchflußmessers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines thermischen Durchflußmessers ist bereits aus der EP-01 37 687 bekannt. Der bekannte thermische Durch flußmesser hat überall, also auch im Bereich der Widerstandsstruktur, eine der Substratdicke entspre chende Stärke. Aufgrund dieser Ausgestaltung hat der bekannte Durchflußmesser zu lange Ansprechzeiten und eine unzureichende Genauigkeit. Andererseits ist jedoch das Herstellungsverfahren dieses bekannten Durchfluß messers durch Einsetzen des bekannten Maskenätzver fahrens für eine Großserienproduktion geeignet.

Ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines thermischen Durchflußmessers ist bereits aus der DE-OS 29 25 975 bekannt. Bei dem Herstellen des bekannten thermischen Durchflußmessers wird zunächst die aus Heizwiderstand und Temperaturmeßwiderstand bestehende Widerstands struktur auf einen durch eine dünne Trägerfolie gebil deten, elektrisch isolierenden Film aufgebracht. An schließend wird die Folie auf das bereits eine Aus nehmung aufweisende Substrat aufgeklebt. Bei der Her stellung dieses bekannten thermischen Durchflußmessers sind also verschiedenartigste Arbeitsschritte erfor derlich, die einer Massenherstellung des Durchfluß messers entgegenstehen.

Aus der DE-AS 23 02 615 ist es bekannt, einen tempera turabhängigen elektrischen Widerstand herzustellen, indem zunächst eine Vertiefung in einen Tragkörper geätzt wird, die anschließend mi einer dünnen, iso lierenden Folie, welche den temperaturabhängigen Wider stand in Form einer mäanderförmigen Leiterbahn trägt, überklebt wird. Auch bei diesem bekannten Verfahren ist es also erforderlich, die dünne isolierende Folie, die den mäanderförmigen Widerstand trägt, durch Kleben mit dem Tragkörper zu verbinden. Das Herstellen der Klebe verbindung zwischen der dünnen und empfindlichen iso lierenden Folie und dem Tragkörper erweist sich als kritischer Arbeitsschritt, der einer Massenherstellung nicht angepaßt ist.

Aus der (nich vorveröffentlichten) DE-OS 34 30 075 ist ein Verfahren zum Herstellen eines thermischen Durch flußmessers zu entnehmen, der die eingangs genannte Struktur aufweist, bei dem ein elekrisch isolierender Film in Form einer Trägerfolie auf ein Substrat auf gebracht wird, der die Widerstandsstruktur trägt. An schließend wird das Substrat in einem Bereich unterhalb der Widerstandsstruktur durch Ätzen mit einer Ausnehmung versehen.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines thermischen Durchflußmessers der ein gangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit leicht beherrschbaren verfahrenstechnischen Maßnahmen eine Massenherstellung eines genauen und schnell anspre chenden Durchflußmessers erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Ober begriff des Anspruches 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unter ansprüche.

Der thermische Durchflußmesser nach der Erfindung, der die obige Aufgabe löst sowie zahlreiche weitere Nach teile des Standes der Technik vermeidet, enthält ein ätzbares Substrat, einen auf dem Substrat aufgebrach ten elektrisch isolierenden Film, dessen Ätzcharakte ristik von der des Substrates verschieden ist, einen auf dem isolierenden Film aufgebrachten Heizwiderstand und einen Fluidtemperatur-Meßwiderstand, der auf dem isolierenden Film in einem vorgegebenen Abstand von dem Heizwiderstand angeordnet ist, wobei der Abschnitt des Substrates, der mindestens einem von beiden Wider ständen, d. h. dem Heizwiderstand und dem Fluidtempe ratur-Meßwiderstand zugeordnet ist und der Umgebung dieses Bereiches weggeätzt ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Substrat aus Silizium.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der isolierende Film aus einem einschichtigen Film oder einem mehrschichtigen Film, der zumindest aus einem der nachfolgenden Materialien besteht:
Zircon, Stickstoffsilicid und Siliziumoxid. Alternativ hierzu kann der isolierende Film auch aus einer iso lierenden Paste hergestellt sein.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Heiz widerstand und der Fluidtemperatur-Meßwiderstand aus Platin, Nickel, einer Nickellegierung oder einem Ther mistor-Material.

Mit der Erfindung werden folgende Ziele erreicht:

1. Es wird ein thermischer Durchflußmesser geschaf fen, bei dem der Heizwiderstand und der Fluid temperatur-Meßwiderstand auf einem einzigen Sub strat angeordnet sind, wobei ein Teil des Sub strates, das zumindest einem dieser Widerstände entspricht sowie die Umgebung dieses Teiles mittels Ätzen entfernt sind, so daß diese Wider stände thermisch voneinander isoliert sind und der Sensor miniaturisiert werden kann;
2. es wird ein thermischer Durchflußmesser geschaf fen, der eine ausgezeichnete thermische Isolierung zwischen dem Heizwiderstand und dem Fluidtempera tur-Meßwiderstand aufweist, was zu einer verbes serten Meßgenauigkeit führt;
3. es wird ein thermischer Durchflußmesser geschaf fen, der weniger elektrische Energie verbraucht;
4. es wird ein thermischer Durchflußmesser geschaf fen, der eine schnelle (thermische) Meßantwort liefert;
5. es wird ein thermischer Durchflußmesser geschaf fen, der in Massenproduktion herstellbar ist;
6. es wird ein thermischer Durchflußmesser geschaf fen, bei dem der isolierende Film aus einem pastösen Material sein kann, so daß die Herstel lung des isolierenden Filmes unter den Bedingun gen einer Massenproduktion einfach auszuführen ist;
7. es wird ein thermischer Durchflußmesser geschaf fen, bei dem der isolierende Film, der durch Sintern eines pastösen Materiales bei hoher Tem peratur hergestellt wird, sehr fest mit dem Sub strat verbunden ist, wodurch eine verbesserte mechanische Festigkeit des fertigen Sensors er reicht wird; und
8. es wird ein thermischer Durchflußmesser geschaf fen, bei dem eine gute thermische Isolierung zwischen den beiden Widerständen und dem Substrat vorhanden ist und zwar aufgrund der geringen ther mischen Leitfähigkeit des pastösen Materiales, aus dem der isolierende Film auf dem Substrat ge bildet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfüh rungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung aus führlicher erläutert. Es zeigen

Fig. 1(A), 1(B) und 1(C) schematische Schnittzeichnungen verschiede ner Herstellstufen des thermischen Durchfluß messers nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht des thermischen Durchfluß messers, der nach den Arbeitsschritten der Fig. 1(A), 1(B) und 1(C) erhalten wird; und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild des thermischen Durch flußmessers, der mit den Arbeitsschritten Fig. 1(A), 1(B) und 1(C) erhalten wird.

Die Erfindung schafft einen thermischen Durchflußmesser, bei dem sowohl der Heizwiderstand als auch der Fluid temperatur-Meßwiderstand auf einem einzigen Substrat mit kleinen Ausmaßen angeordnet sind, wobei zumindest ein Teil des Substrates, der mindestens einem dieser beiden Widerstände entspricht sowie zusätzlich angren zende Teile dieses Bereiches weggeätzt sind, so daß diese Widerstände thermisch voneinander isoliert sind, womit man hohe Leistungsfähigkeit, Miniaturisierung und Massenproduzierbarkeit erhält.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 1(A), 1(B) und 1(C) zeigen die Verfahrens schritte zur Herstellung des thermischen Durchfluß messers nach der Erfindung.

Die Herstellschritte laufen wie folgt ab: auf einem Substrat aus Silizium oder ähnlichem, das leicht ge ätzt werden kann, wird ein isolierender Film 2 aus Aluminum oder ähnlichem, der eine ausgezeichnete elektrische Isolation bildet und chemisch widerstands fähig ist, durch ein Vakuum-Dampfabscheiden, eine Auf sprühmethode, ein plasmaunterstütztes, chemisches Dampfabscheiden etc. aufgebracht. Sodann wird ein dünner Metallfilm 3 aus Platin oder ähnlichem aufge bracht, wobei dieser Film einen hohen Widerstands-/ Temperatur-Koeffizienten hat. Dieser Film wird mit den gleichen Methoden aufgebracht wie der isolierende Film 2. Er wird auf dem isolierenden Film 2 aufge bracht (vgl. Fig. 1(A)). Darauf wird der dünne Metall film 3 mittels einer Ätztechnik in eine vorgegebene Form gebracht, womit ein Heizwiderstand 4 und ein Fluidtemperatur-Meßwiderstand 5 gebildet werden, wobei diese beiden in einem vorgegebenen Abstand zueinander auf dem isolierenden Film 2 liegen (vgl. Fig. 1(B)). Der Abschnitt des Substrates 1, der dem Heizwiderstand 4 entspricht sowie angrenzende Bereiche dieses Ab schnittes werden dann mittels einer Ätztechnik ent fernt. Dies führt zu einer Diaphragma- bzw. Membran struktur, bei der der Heizwiderstand 4 ausschließlich von dem isolierenden Film 2 getragen wird (vgl. Fig. 1(C)). Wie in Fig. 2 dargestellt sind elektrische An schlüsse 44, die mit dem Heizwiderstand 4 verbunden sein müssen, außerhalb der "Membran" 100 angeordnet, womit verhindert wird, daß die Membran 100 bei den nachfolgenden Arbeitsschritten für die Verbindung einer Zufuhrleitung zu dem Heizwiderstand 4 bricht. Wahlweise kann auch eine Einrichtung zur Steuerung des Wider standes des Heizwiderstandes 4 außerhalb der Membran 100 angeordnet sein.

Das für den isolierenden Film 2 verwendete Material kann Keramik (z. B. Zirkon, etc.), Stickstoffsilicid, Siliziumoxid etc. sein. Der isolierende Film muß nicht notwendiger weise ein einschichtiger Film sein; er kann auch ein mehrschichtiger Film sein. Der isolierende Film kann auch aus einer Mischung aus zwei oder mehreren Arten von Filmmaterialien bestehen. Die Dicke des isolierenden Filmes sollte möglichst gering sein, um den Effekt der thermischen Isolierung zu vergrößern; andererseits hat ein extrem dünner Film nur eine geringe mechanische Festigkeit, so daß die Dicke des Filmes in der Größen ordnung von vorzugsweise 1 µm bis 10 µm liegen sollte. Das Material für die dünne Metallschicht 3 muß nicht unbedingt Platin sein; es kann statt dessen auch Nickel oder eine Nickellegierung verwendet werden, aufgrund des höheren Widerstands-/Temperatur-Koeffizienten. Statt des dünnen Metallfilmes 3 können anstatt von Metallen auch Feucht-Widerstands-Materialien verwen det werden, wie sie in Thermistoren verwendet werden.

Als Ätztechnik für das Ätzen des Siliziumsubstrates kann entweder eine isotropische Ätztechnik verwendet werden mit einem Ätzmittel, das aus einer Lösung aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure besteht oder eine anisotrope Ätztechnik, bei der eine Lösung aus Ethylendiamin-Pyrokatechin-Wasser verwendet wird.

Obwohl in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel derjenige Bereich des Substrates 1, der dem Heizwider stand 4 und dessen Umgebung entspricht, mittels einer Ätztechnik entfernt wurde, kann natürlich auch der Teil des Substrates 1 entfernt werden, der dem Fluidtempera tur-Meßwiderstand 5 und dessen Umgebung entspricht oder auch Teile des Substrates 1, die beiden Widerstände 4 und 5 und deren Umgebung entspricht. In der Tat wird die Entfernung von Teilen des Substrates, die beiden Widerständen 4 und 5 und deren Umgebung entspricht, bevorzugt, da der thermische Isolationseffekt hierdurch verbessert wird und damit auch eine schnelle thermische Meßantwort.

Der resultierende Chip des thermischen Durchflußmessers ist sehr klein und hat eine Größe von nur einigen Milli metern, so daß er in Wafer-Technik hergestellt werden kann, bei dem mehrere Chips gleichzeitig produziert werden. Ein durch Schneiden des Wafers erhaltener Chip wird dann auf einer (nicht dargestellten) Stützplatte befestigt und mit den notwendigen Elementen mit Lei tungen verbunden, womit man dann den thermischen Durch flußmesser gemäß Fig. 3 erhält.

Fig. 3 zeigt einen Durchflußmesser mit den beschrie benen Heiz- und Fluidtemperatur-Meßwiderständen, wobei der Fluidtemperatur-Meßwiderstand 6 und der Heizwider stand 7 in einem Durchflußweg 10 angeordnet sind, durch welchen das Fluid in Richtung der Pfeile fließt. Der Fluidtemperatur-Meßwiderstand 6 ist stromaufwärts zum Heizwiderstand 7 angeordnet. Der Fluidtemperatur-Meß widerstand 6 und der Heizwiderstand 7 sind mit elek trischen Widerstandselementen 8 bzw. 9 in einer Brüc kenschaltung verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerstandselementen 8 und 9 ist geerdet. Die Brückenschaltung ist mit einem Rückkopplungsschalt kreis verbunden, in welchem die Potentialdifferenz zwischen einem Brückenzweig (zusammengesetzt aus dem Temperaturmeßwiderstand 6 und dem Widerstandselement 8) und der andere Brückenzweig (zusammengesetzt aus dem Heizwiderstand 7 und dem elektrischen Widerstands element 9) mit einem Differentialverstärker 11 ver stärkt werden. Das Ausgangssignal des Differentialver stärkers 11 steuert das Basispotential eines Transis tors 12, dessen Emitter mit dem gemeinsamen Verbin dungspunkt des Fluidtemperatur-Meßwiderstandes 6 und des Heizwiderstandes 7 verbunden ist, womit der Tran sistor getrieben wird. Sowohl der Fluidtemperatur-Meß widerstand 6 als auch der Heizwiderstand 7 werden durch den Rückkopplungsschaltkreis gesteuert, so daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Widerstand 6 und dem Widerstand 7 unabhängig von Temperaturänderungen des Fluids auf einem festen Wert gehalten werden kann. Das Fluid kann hierbei beispielsweise ein Öl, ein chemisches Reagenz, ein Gas etc. sein, das durch den Strömungsweg 10 fließt.

Wenn der Transistor 12 eingeschaltet ist, wird elek trischer Strom von einem Eingangsanschluß 13 zu dem Heizwiderstand 7 geleitet, so daß in letzterem Wärme erzeugt wird.

Will man die Durchflußrate auch dann bestimmen, wenn sich die Temperatur des Fluides ändert, so ist - wie in Fig. 3 gezeigt - der Fluidtemperatur-Meßwiderstand 6 stromaufwärts zum Heizwiderstand 7 in einer Brücken schaltung anzuordnen, so daß die Temperatur des Fluides gemessen wird. Dabei wird der zum Heizwiderstand 7 zu geführte elektrische Strom durch den Rückkopplungs schaltkreis so gesteuert, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und dem Heizwiderstand konstant ge halten wird. Wird die Temperaturdifferenz in der be schriebenen Weise auf einem konstanten Wert gehalten, so kann unabhängig von der Wärmekapazität des Heiz widerstandes eine schnelle Meßantwort auf Änderungen der Durchflußrate erhalten werden. Hält man die Tempe raturdifferenz auf einem hohen Wert, so kann der Aus gang (Signalausgang) des Durchflußmessers vergrößert werden.

Ausführungsbeispiel 2

Ein anderer Durchflußmesser nach der Erfindung kann in gleicher Weise wie im Ausführungsbeispiel 1 hergestellt werden mit Ausnahme, daß der isolierende Film aus einer Paste ist.

Auf einem Siliziumsubstrat wird eine Glaspaste oder ähnliches, die eine ausgezeichnete elektrische Isola tionsfähigkeit hat, mittels einer Filmauftragetechnik wie z. B. Siebdrucken, Drall-Auftragen (spin-coating), Aufsprühen etc. aufgetragen, sodann getrocknet und ge sintert, womit man den isolierenden Film 2 erhält. Das für den isolierenden Film dabei verwendete Material muß nicht unbedingt eine Glaspaste sein. Es kann auch eine dielektrische Paste, eine keramische Paste etc. sein. Wünschenswert ist es, daß der thermische Ausdeh nungskoeffizient dieses pastösen Materiales möglichst nahe bei dem des Siliziumsubstrates 1 liegt, so daß (mechanische) Spannungen des isolierenden Filmes mini miert werden, womit man eine feste Bindung des iso lierenden Filmes an das Substrat erhält.

Um den Effekt der thermischen Isolierung des isolie renden Filmes zu verbessern, wird vorzugsweise pastöses Material mit einer sehr geringen thermischen Leitfähig keit verwendet. Die Dicke des isolierenden Filmes soll sehr klein sein, um seine thermische Kapazität zu ver ringern und den Effekt der thermischen Isolierung zu vergrößern. Allerdings haben extrem dünne Filme wieder den Nachteil geringer mechanischer Festigkeit, so daß die Dicke des Filmes in der Größenordnung von vorzugs weise 1 µm bis einige 10 µm liegen sollte.

Sodann wird ein dünner Metallfilm 3 aus Platin oder ähnlichem mit einem hohen Widerstands-/Temperatur- Koeffizienten auf dem isolierenden Film 2 mittels Vakuumdampfabscheidetechnik, Aufsprühtechnik etc. auf gebracht. Danach folgt die Musterbildung des dünnen Metallfilmes 3 in gleicher Weise wie im Ausführungs beispiel 1. Damit erhält man den Heizwiderstand 4 und den Fluidtemperatur-Meßwiderstand 5 in einem vorgege benen Abstand auf dem isolierenden Film 2. Danach wird die Diaphragma- bzw. Membranstruktur in dem Abschnitt des Substrates 1 gebildet, der mindestens einem der beiden Widerstände 4 und 5 und deren Umgebung ent spricht und zwar in gleicher Weise wie im Ausführungs beispiel 1 beschrieben, womit man den thermischen Durch flußsensor erhält. Als Ätzprozeß für das Siliziumsub strat kann entweder eine anisotrope Ätztechnik mit einem Ätzmittel wie z. B. einem System von Äthylen diamin-pyrokatechol-Wasser, eine wäßrige Lösung aus Kaliumhydroxid oder ähnliches verwendet werden, wobei darauf zu achten ist, daß die Glaspaste damit nicht geätzt wird.

Der fertige Durchflußmesser arbeitet dann in gleicher Weise wie der des Ausführungsbeispieles 1 (vgl. auch Fig. 3).

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines thermischen Durchfluß messers, der ein Substrat, einen auf dem Substrat angeordneten, elektrisch isolierenden Film und eine auf dem Film angeordnete Widerstandsstruktur aufweist, wobei die Widerstandsstruktur mittels eines Masken ätzverfahrens hergestellt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Aufbringen des elektrisch isolierenden Filmes (2) mit einer von der Ätzcharakteristik des Substra tes (1) verschiedenen Ätzcharakteristik, mittels einer Filmauftragetechnik auf das Substrat (1); und
- Ätzen einer Ausnehmung (100) in dem Substrat (1) im Bereich der Widerstandsstruktur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch isolierende Film aus einer iso lierenden Paste (2) hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Filmauftragetechnik eines der fol genden Verfahren umfaßt: Vakuum-Dampfabscheiden; Aufsprühen; plasmaunterstütztes, chemisches Dampf abscheiden; Siebdrucken oder Drall-Auftragen (spin- coating).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch isolierende Film (2) ein einschichtiger oder mehrschichtiger Film ist, der aus Zirkon und/oder Stickstoffsilicid und/oder Siliziumoxid besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (4) und der Temperaturmeßwiderstand (5) aus Platin und/oder Nickel und/oder einer Nickellegierung und/oder einem Thermistormaterial bestehen.