CH694974A5 - Flusssensor mit Substrat. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung betrifft einen Flusssensor und ein Verfahren zu dessen  Herstellung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. 



   Es ist bekannt, die Flussgeschwindigkeit bzw. den Massenfluss eines  flüssigen oder gasförmigen Mediums mit einem Halbleiterbaustein zu  messen, auf welchem eine Wärmequelle und mindestens ein Temperatursensor  angeordnet sind. Der Fluss führt zu einer Änderung der Temperaturverteilung  der Wärmequelle, welche mit dem Temperatursensor bzw. den Temperatursensoren  gemessen werden kann. 



   Halbleiterbausteine dieser Art sind jedoch empfindlich. Im Kontakt  mit gewissen Flüssigkeiten oder Gasen kommt es leicht zu unerwünschter  Verschmutzung oder Beschädigung des Bausteins. Ausserdem kann mechanische  Beanspruchung das Bauteil beschädigen. In gewissen Anwendungen kann  es ferner vorkommen, dass das zu messende Medium durch den Halbleiterbaustein  in unerwünschter Weise kontaminiert wird. Deshalb müssen die Halbleiterbausteine  z.B. durch Schutzschichten vom zu messenden Medium getrennt werden,  was jedoch aufwendig ist und nicht immer zu befriedigen vermag. 



   Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Flusssensor der eingangs  genannten Art bereitzustellen, der eine Vielzahl von verschiedensten  Medien messen kann, robust ist und in einfacher Weise hergestellt  werden kann. 



   Diese Aufgabe wird vom Flusssensor gemäss Anspruch 1 erfüllt. 



   Erfindungsgemäss ist also ein Substrat vorgesehen. Dieses befindet  sich zwischen dem Halbleiterbaustein und dem Medium und bildet eine  Trennwand. Es ist thermisch leitfähig, so dass eine Messung durch  das Substrat hindurch möglich ist. 



   Auf dem Substrat sind Leiterbahnen angeordnet, welche mit den Kontaktpunkten  des Halbleiterbau   steins verbunden werden können. Auf diese Weise  übernimmt das Substrat gleichzeitig die Aufgabe einer Trennwand und  einer Leiterplatte, was die Zahl der Komponenten reduziert und die  Herstellung vereinfacht. Der Halbleiterbaustein kann auf das Substrat  aufgelötet werden, vorzugsweise mittels Flip- Chip-Technik. 



   Das Substrat kann nebst dem Halbleiterbaustein noch weitere elektronische  Komponenten, wie z.B. digitale Speicher, Spulen oder Kondensatoren  aufnehmen. 



   Vorzugsweise basiert das Substrat auf einer flexiblen, elektrisch  isolierenden Folie, auf welcher die Leiterbahnen angeordnet werden.  Derartige Folien werden für verschiedenste Anwendungen angeboten  und eignen sich für standardisierte Herstellungsverfahren. 



   Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders gut zur Messung des  Flusses einer Flüssigkeit, sie kann jedoch auch zur Messung von Gasflüssen  verwendet werden. 



   Weitere bevorzugte Ausführungen werden in den abhängigen Ansprüchen  sowie in der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren offenbart.  Dabei zeigen:      Fig. 1 einen Schnitt durch eine bevorzugte  Ausführung des Sensors entlang des Kanals,     Fig. 2 einen Schnitt  entlang Linie II-II von Fig. 1 quer zum Kanal,     Fig. 3 eine  Ansicht des Halbleiterbausteins für den Sensor nach Fig. 1 und 2  vom Substrat her,     Fig. 4 eine Draufsicht auf das Substrat mit  den darauf angeordneten Komponenten und     Fig. 5 eine weitere  Ausführung des Sensors.  



   Der Grundaufbau des Flusssensors ergibt sich aus dem in Fig. 1 und  2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel. Er besteht aus einem  Halbleiterbaustein 1, der in einem Gehäuse 2 angeordnet ist. Das  Gehäuse 2 besteht aus einem ersten Gehäuseteil 2a und einem zweiten  Gehäuseteil 2b, welche z.B. beide als Spritzgussteile aus Kunststoff  ausgestaltet sein können. 



     Der erste Gehäuseteil 2a besitzt eine im Wesentlichen flache Oberseite  3, in der eine gerade Nut bzw. Vertiefung 4 verläuft. Der zweite  Gehäuseteil 2b liegt auf der Oberseite 3 des ersten Gehäuseteils  2a auf. Zwischen den beiden Gehäuseteilen 2a, 2b ist ein folienartiges  Substrat 5 eingeklemmt. Das Substrat 5 ist mit beiden Gehäuseteilen  2a, 2b z.B. durch Schweissen oder Kleben so verbunden, dass das Medium  nicht zwischen den Teilen hindurchtreten kann. Somit bildet die Nut  4 zusammen mit dem Substrat 5 einen Kanal 6 für das zu messende Medium.                                                        



   Der Halbleiterbaustein 1 ist auf dem Substrat 5 angeordnet. Durch  den zweiten Gehäuseteil 2b erstreckt sich eine zentrale Öffnung 7,  in welcher der Halbleiterbaustein 1 und allfällige weitere, auf dem  Substrat 5 angeordnete Komponenten 8, 9, 10 Platz finden. Die Öffnung  7 und somit der Bereich um den Halbleiterbaustein 1 bis an das Substrat  5 ist mit einer ausgehärteten Füllmasse 11 gefüllt. Die Füllmasse  11 bietet Halbleiterbaustein 1, dem Substrat 5 und den allfälligen  weiteren Komponenten 8, 9, 10 Halt. 



   Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist auf einer Komponentenseite  1a des Halbleiterbausteins 1 eine integrierte Schaltung in CMOS-Technik  angeordnet. Diese umfasst eine Wärmequelle 12 in Form eines Widerstands.  In Flussrichtung des Mediums vor und hinter der Wärmequelle 12 sind  zwei Temperatursensoren 13a, 13b vorgesehen. In der vorliegenden  bevorzugten Ausführung sind die Temperatursensoren 13a, 13b als Thermosäulen  ausgestaltet. 



   Im Halbleiterbaustein 1 ist eine Öffnung 14 ausgeätzt, die von einer  dünnen dielektrischen Membran 15 überdeckt ist. Die Wärmequelle 12  sowie die wärmequellenseitigen Kontaktreihen der Thermosäulen 13a,  13b sind auf der Membran 15 angeordnet. Durch diese Anordnung wird  die Wärmeleitung zwischen der Wärmequelle 12 und den Temperatursensoren  13a, 13b reduziert. 



     Die Wärmequelle 12 und die Thermosäulen 13a, 13b sind mit einer  dielektrischen Passivierungsschicht (nicht gezeigt) z.B. aus Siliziumoxid  oder Siliziumnitrid versehen. 



   Die Wärmequelle 12 und zumindest die inneren Kontaktreihen der Thermosäulen  13a, 13b bzw. deren Passivierungsschicht stehen in thermischem Kontakt  mit dem Substrat 5. Sie können das Substrat 5 direkt berühren oder  von diesem durch eine dünne Schicht aus adhäsivem Material, Wärmeleitpaste  oder Lot getrennt sein. 



   Auf dem Halbleiterbaustein 1 ist ferner eine Auswerteelektronik 17  angeordnet. Diese umfasst z. B. einen Vorverstärker, einen Analog-Digital-Wandler  und eine digitale Verarbeitungsstufe, z.B. um das Signal der Thermosäulen  zu linearisieren und zu skalieren, sowie die Ansteuerung für die  Wärmequelle. Zur elektrischen Verbindung mit der Aussenwelt besitzt  die integrierte Schaltung Anschlusspunkte 18. 



   Die Auswerteelektronik 17 ist ausgestaltet, um die Wärmequelle 12  mit konstantem Strom, konstanter Temperatur, konstanter Spannung  oder gepulst zu betreiben. Ferner misst sie den Unterschied  DELTA  der Temperaturdifferenzen über den Thermosäulen 13a, 13b. Da die  äusseren Kontaktreihen der Thermosäulen 13a, 13b ungefähr auf gleicher  Temperatur liegen, entspricht der Unterschied  DELTA  im Wesentlichen  dem Temperaturunterschied an den inneren Kontakt-reihen. 



   Im Betrieb erzeugt die Wärmequelle 12 eine Temperaturverteilung in  der Wand des Kanals 6. Durch den Fluss des Mediums im Kanal 2 wird  diese Temperaturverteilung asymmetrisch, so dass der Unterschied  DELTA  der Temperaturdifferenzen ein Mass für die Flussgeschwindigkeit  ist. Aus diesem Wert leitet die Auswerteelektronik 17 einen geeignetes  Messwert ab. 



   Dem Substrat 5 kommen in der vorliegenden Vorrichtung verschiedene  Aufgaben zu. Einerseits bildet es, wie bereits erwähnt, eine Wand  für den Kanal 6 und    schliesst diesen gegen oben ab. Weiter überträgt  es die Wärmesignale zwischen dem Halbleiterbaustein 1 und dem zu  messenden Medium. Schliesslich bildet es eine Leiterbahnfolie zur  elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbausteins 1. 



   Hierzu sind, wie auf Fig. 4 dargestellt, auf dem Substrat 5 Leiterbahnen  19 angeordnet, wie sie beispielhaft in Fig. 4 illustriert sind. Die  Leiterbahnen 19 sind mit dem Kontaktpunkten 18 des Halbleiterbausteins  1 verbunden, vorzugsweise über Lotverbindungen. 



   Auf dem Substrat 5 können, wie bereits erwähnt, noch weitere Komponenten  angeordnet sein, wie z.B. ein externes ROM 8 für die Auswerteschaltung  17 oder passive Komponenten 9, 10, beispielsweise Kondensatoren oder  Spulen. Diese Komponenten sind ebenfalls mit den Leiterbahnen 19  des Substrats 6 verbunden. 



   In einem Randbereich 20 des Substrats bilden die Leiterbahnen 19  Kontaktflächen 21. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ragt der Randbereich  20 seitlich über das Gehäuse 2 hinaus, so dass die Kontaktflächen  21 als Anschlüsse für den Sensor zugänglich sind. 



   Zum Anschluss von Rohren oder Schläuchen für das Medium sind im Gehäuse  2 ferner zwei zylindrische Öffnungen 23 vorgesehen, welche im Wesentlichen  konzentrisch zum Kanal 6 angeordnet sind. Diese können in den Gehäuseteilen  2a, 2b vorgeformt sein oder nach der Herstellung des Sensors ausgebohrt  werden. 



   Bei der Herstellung des Sensors werden zuerst die Gehäuseteile 2a,  2b, der Halbleiterbaustein 1, die übrigen Komponenten 8, 9, 10 sowie  das Substrat 5 gefertigt. Das Substrat 5 besteht vorzugsweise aus  einer Folie, auf welcher die Leiterbahnen 19 in bekannter Technik  angeordnet werden. Vorzugsweise besteht das Substrat aus einem flexiblen,  elektrisch nicht leitenden Kunststoff, wie z.B. Polyether-etherketon  (PEEK), Teflon, Polyaryl-Sulfon (PSU) oder Polyimid, und besitzt  eine Dicke zwischen 10 und 200  mu m. Das Substrat sollte für das  zu mes   sende Medium undurchlässig sein, so dass es eine Trennwand  zwischen dem Kanal 6 und dem Halbleiterbaustein 1 bildet. 



   Nach der Herstellung der Einzelteile können beispielsweise der Halbleiterbaustein  1 und die Komponenten 8, 9 und 10 auf dem Substrat 5 befestigt werden,  was vorzugsweise im Flip-Chip-Verfahren geschieht. Dabei werden die  Kontaktpunkte 18 über Lottropfen mit den Leiterbahnen 19 verbunden.  Zusätzlich können, um einen guten thermischen Kontakt zu gewährleisten,  zwischen der Wärmequelle 12 und dem Substrat 5, sowie zwischen den  wärmequellenseitigen Kontaktreihen der Thermosäulen 13a, 13b Wärmebrücken  angeordnet werden, z.B. in Form einer Schicht aus Wärmeleitpaste  oder Metall. 



   Nun kann das Substrat 5 mit den Gehäuseteilen 2a, 2b verbunden werden.  Vorzugsweise geschieht dies mittels Kleben oder Schweissen, damit  eine dichte Verbindung entsteht. 



   Schliesslich wird die Füllmasse 11 in die Öffnung 7 eingefüllt und  ausgehärtet. 



   Es ist auch denkbar, dass das Substrat 5 zuerst zwischen den Gehäuseteilen  2a, 2b angeordnet oder zumindest mit einem davon verbunden wird,  bevor der Halbleiterbaustein 1 und die Komponenten 8, 9, 10 darauf  angeordnet werden. 



   Im soweit beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde das Substrat 5  separat von den Gehäuseteilen 2a, 2b gefertigt. Es ist jedoch auch  denkbar, dass es einstückig von einem der Gehäuseteile 2a oder 2b  gebildet wird. Beispielsweise kann das Substrat durch die Oberseite  des ersten Gehäuseteils 2a gebildet werden, wobei in diesem Falle  der Gehäuseteil 2a so gespritzt wird, dass sich über dem Kanal 6  eine Membran bildet. Die Ausgestaltung des Substrats 5 als separate  Folie hat jedoch den Vorteil, dass zum Bilden der Leiterbahnen Strukturierung  konventionelle Herstellungsverfahren verwendet werden können. 



     In einer weiteren, in Fig. 5 dargestellten Ausführung des Sensors,  kann der Gehäuseteil 2a mit dem Kanal 6 auch entfallen. Dieser Sensor  eignet sich besonders für eine direkte Anordnung im zu messenden  Medium. Beispielsweise kann er als Geschwindigkeitsmesser für ein  Boot verwendet werden.

Claims (17)

1. Flusssensor zum Messen des Flusses eines Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit, mit einem Halbleiterbaustein (1), auf welchem mindestens ein Temperatursensor (13a, 13b), eine Wärmequelle (12) und elektrische Anschlusspunkte (18) integriert sind, gekennzeichnet durch ein Substrat (5) mit Leiterbahnen (19), welches mindestens teilweise zwischen dem Halbleiterbaustein (1) und dem Medium angeordnet ist, wobei mindestens ein Teil der Anschlusspunkte mit den Leiterbahnen (19) verbunden ist und die Wärmequelle und der Temperatursensor über das Substrat (5) in thermischen Kontakt mit dem Medium stehen, derart, dass das Substrat (5) eine thermisch leitende Trennwand zwischen dem Halbleiterbaustein (1) und dem Medium bildet.

2.

Flusssensor nach Anspruch 1 mit einem ersten Gehäuseteil (2a), in welchem ein Kanal (6) für das Medium verläuft, wobei das Substrat (5) die Vertiefung zum Bilden des Kanals (6) abdeckt, und insbesondere dass der Kanal (6) als Vertiefung (4) im ersten Gehäuseteil (2a) angeordnet ist.

3. Flusssensor nach Anspruch 2, wobei das Substrat (5) mit dem ersten Gehäuseteil (2a) verbunden ist, insbesondere mit diesem verklebt oder verschweisst ist.

4. Flusssensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, mit einem zweiten Gehäuseteil (2b), wobei mindestens ein Teil des Substrats (5) zwischen dem ersten (2a) und dem zweiten (2b) Gehäuseteil eingeklemmt ist.

5.

Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf dem Substrat (5) neben dem Halbleiterbaustein (1) noch mindestens eine weitere elektronische Komponente (8, 9, 10) angeordnet und mit den Leiterbahnen (19) verbunden ist.

6. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterbaustein (1) auf das Substrat (5) gelötet ist.

7. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) eine mit den Leiterbahnen (19) versehene, flexible, elektrisch isolierende Folie aufweist.

8. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) für das zu messende Medium undurchlässig ist.

9.

Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Kanal (6) für das Medium, wobei eine Wand des Kanals (6) von einer Kunststofffolie gebildet wird und die übrigen Wände von mindestens einem Gehäuseteil (2a), wobei die Kunststoff-folie die Leiterbahnen (19) trägt.

10. Flusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Kanal (6) für das Medium, wobei der Kanal (6) und das Substrat (5) einstückig von einem Gehäuseteil gebildet werden.

11. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trennwand eine Dicke zwischen 10 mu m und 200 mu m aufweist.

12. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) aus einem Kunststoff ist, insbesondere aus Polyetheretherketon, Polyimid, Polyaryl-Sulfon oder Teflon.

13.

Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei er ein Gehäuse (2) aufweist, in welchem der Halbleiterbaustein (1) und ein Kanal (6) für das Medium angeordnet sind, wobei das Substrat (5) aus dem Gehäuse geführt ist und ausserhalb des Gehäuses Kontakte (21) zum Kontaktieren des Flusssensors aufweist.

14. Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmequelle (12), der Temperatursensor (13a, 13b) und die elektrischen Anschlusspunkte (18) auf einer Komponentenseite (1a) des Halbleiterbausteins (1) angeordnet sind und wobei der Halbleiterbaustein (1) mit der Komponentenseite (1a) am Substrat (5) angeordnet ist.

15. Flussensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Bereich um den Halbleiterbaustein (1) bis an das Substrat (5) mit einer ausgehärteten Füllmasse (11) ausgefüllt ist.

16.

Verfahren zum Herstellen des Flusssensors nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Halbleiterbaustein (1) bereitgestellt wird, auf welchem mindestens ein Temperatursensor (13a, 13b), eine Wärmequelle (12) und elektrische Anschlusspunkte (18) integriert sind, gekennzeichnet durch die Schritte Herstellen eines Substrats (5) mit Leiterbahnen (19) und Anordnen des Substrats (5) als Trennwand zwischen dem Halbleiterbaustein und einem zu messenden Medium und Herstellen elektrischer Verbindungen zwischen dem Halbleiterbaustein und den Leiterbahnen (19) des Substrats (5).

17. Verfahren nach Anspruch 16 wobei der Halbleiterbaustein (1) mittels Flip-Chip-Technik mit den Leiterbahnen (19) des Substrats (5) verbunden wird.