DE102015226197A1

DE102015226197A1 - A method of manufacturing a thin-film based flow sensor and such a flow sensor

Info

Publication number: DE102015226197A1
Application number: DE102015226197.2A
Authority: DE
Inventors: Fabian Utermoehlen; David Gross
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22
Also published as: WO2017108300A1; EP3394574A1; CN108431555A

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.A method of making a thin film based flow sensor (1) comprising a first heater and temperature sensing element (10) and at least one second heater and temperature sensing element (11), said heater and temperature sensing elements (10, 11) being spatially separated from each other, and wherein a support structure (21) is provided, which is designed to receive the heater and temperature measuring elements (10, 11). According to the invention, the method of manufacture comprises at least the following steps: providing a substrate (100); Depositing a first photoresist (12) on the substrate (100); Depositing a second photoresist (13) on the first photoresist (12); Opening the first (12) and second photoresist (13) to form a terminal metallization; Depositing a metal (14) to form the heater and temperature sensing elements (10, 11); Patterning the deposited metal (14); Depositing a third photoresist (15) and removing the first photoresist (12) by at least one sacrificial layer etch. Furthermore, the invention relates to a flow sensor (1) produced by such a method.

Description

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.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.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

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.Flow sensors or so-called mass flow sensors which operate on the principle of the hot wire anemometer are known. In this case, 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 incoming air mass per time. Disadvantages are the high power consumption required and the space-consuming and expensive vectorial measurement.

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.The use of mass flow sensors in small products is indispensable for many applications, in particular future applications, for example for mobile radiation detectors, air quality or pollen sensors or the like, in which an amount of air in a chamber has to be determined. In addition to the high power consumption of commercially available mass flow sensors based on the principle of the hot wire anemometer, especially the high space requirement for integration into small devices is a hindrance, for example in smartphones. Sensors based on a MEMS (Micro Electro Mechanical System) require a separate heater placed between two thermocouples whose temperature is measured.

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.A semiconductor sensor constructed flow sensor is for example from DE 40 05 801 C2 known. The flow sensor comprises a first 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. In order to provide an opening and thus to release the resistive elements, 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. Disadvantageously, however, a larger etch volume is necessary, moreover, results from the separate structure of resistive elements and of the thin-film heating elements, a complex structure. It is proposed in particular to indemnify several relatively existing bridge elements, creating a considerable construction effort. Moreover, 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.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

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.The object of the invention is to provide an improved thin-film based flow sensor that is easy to manufacture and versatile. In particular, the flow sensor should be able to be manufactured on a thin film basis with a few process steps, and should be able to find application in standard installation situations.

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.This object is achieved on the basis of a method for producing a thin film based flow sensor according to the preamble of claim 1 and starting from a thin film based flow sensor according to the preamble of claim 7 with the respective characterizing features. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

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.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.

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.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 temperature measuring elements, so that the etching of semiconductor substrates, for example consisting of silicon and silicon oxide, is eliminated. By this method according to the invention results in a drastic reduction of manufacturing costs and it Simple integration at the CMOS-based backend is possible because no high-temperature steps such as Epi-Si growth processes are necessary. In particular, this does not change the characteristics of a CMOS wafer since low process temperatures are required to produce 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.

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. 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.

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.Advantageously, a CMOS ASIC wafer, a glass wafer or a polymer film is used as the substrate, so that no restrictions result for the later use of the flow sensor.

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.With further advantage, 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 the third photoresist, which is also chemically resistant to the sacrificial layer etching of the first photoresist. The application of the individual photoresists is carried out with suitable application methods, for example by spin-coating or spraying, and patterning by means of photolithography. Advantageously, 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.

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.The invention is further directed to a thin film based flow sensor 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 from one another, and wherein a support structure is provided for receiving the Heater and temperature measuring elements is formed. According to the invention, the support structure has at least one photoresist, and to form an exemption, the support structure has a free space to the substrate.

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.With further advantage, 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.

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.With further advantage, 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.

Mit noch weiterem Vorteil weist die Trägerstruktur zwischen den beiden Heizer- und 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.With even further advantage, the support structure has a structuring between the two heater and temperature measuring elements. The heater and temperature measuring elements can be enclosed in the photoresists and have a meander structure, so that the largest possible convection surface of the heater and structural elements is created.

BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNGPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of a preferred embodiment of the invention with reference to FIGS. It shows:

1 eine Draufsicht auf einen Strömungssensor auf Dünnfilmbasis, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, 1 a top view of a thin film based flow sensor, prepared by the method according to the invention,

2 eine Querschnittsansicht des Strömungssensors entlang der Schnittlinie A-A‘, 2 a cross-sectional view of the flow sensor along the section line AA ',

3 eine weitere Draufsicht auf den Strömungssensor, 3 another top view of the flow sensor,

4 eine Querschnittsansicht des Strömungssensors entlang der Schnittlinie B-B‘, 4 a cross-sectional view of the flow sensor along the section line BB ',

5 eine Anordnung von zwei Strömungssensoren, die mit einer Luftströmung aus einer horizontalen Strömungsrichtung angeströmt sind und 5 an arrangement of two flow sensors, which have flowed with an air flow from a horizontal flow direction and

6 eine Anordnung von zwei Strömungssensoren, die mit einer Luftströmung aus einer vertikalen Strömungsrichtung angeströmt sind. 6 an arrangement of two flow sensors, which have flowed with an air flow from a vertical flow direction.

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. 1 shows an example of a possible embodiment of a flow sensor 1 which is constructed on a substrate, not shown. The flow sensor 1 has a support structure 21 made up of several layers of photoresists is constructed. In the carrier structure 21 are two spatially separated heater and temperature measuring elements 10 and 11 taken over electrical connections 19 connected to the substrate. The leaking electrical connections 19 are in connection arms 17 included, which is part of the support structure 21 are and the electrical connections 19 mounting. In the middle between the heater and temperature measuring elements 10 . 11 is a structuring 18 , which is shown in simplified form as a free space.

Die Heizer- und Temperaturmesselemente 10 und 11 sind durch abgeschiedene Metalle 14 aufgebaut und weisen mittig eine Mäanderstruktur auf.The heater and temperature measuring elements 10 and 11 are by deposited metals 14 constructed and have a meandering meandering structure.

2 zeigt eine Querschnittsansicht des Strömungssensors 1 entlang der Schnittlinie A-A‘, wie in 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 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. 2 shows a cross-sectional view of the flow sensor 1 along the section line AA ', as in 1 shown. The support structure 21 is constructed 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 containing the heater and temperature measuring elements 10 . 11 forms, as in the plan view in 1 shown. Below the photoresists 13 and 15 there is a free space 16 which was created by a first photoresist 12 , where the first photoresist 12 represents a sacrificial layer that creates the free space 16 was etched away. Consequently, a floating arrangement of the support structure is created 21 , based on the remaining photoresists 13 and 15 , The free space extends between the second photoresist 13 as the lower carrier side of the carrier structure 21 and the substrate 100 , for example comprising a CMOS circuit.

3 zeigt eine weitere Draufsicht auf einen Strömungssensor 1, in dem eine Schnittlinie B-B‘ dargestellt ist, und die zugehörige die Schnittansicht zeigt 4. 3 shows a further plan view of a flow sensor 1 in which a section line BB 'is shown, and the corresponding section shows the 4 ,

4 zeigt die Schnittansicht des Strömungssensors 1 entlang der Schnittlinie B-B‘ gemäß 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 3 dargestellt. 4 shows the sectional view of the flow sensor 1 along the section line BB 'according to 3 , In addition, the substrate 100 shown on the support structure 21 with the photoresists 13 and 15 is constructed. Between the two photoresists 13 and 15 is the deposited metal 14 to form the heater and temperature measuring elements 10 . 11 as in 3 shown.

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.Due to the course of the section line BB 'is the deposited metal of the second heater and temperature measuring element 11 shown lying in section, the interruptions due to the meander structure of the heater and temperature measuring element 11 arise. At the end faces the deposited metal 14 electrical connections 19 to the substrate 100 on, and the electrical connections 19 are framed in connecting arms 17 passing through the second photoresist 13 and through the third photoresist 15 are formed. By sacrificial layer etching is the first photoresist 12 has been removed, eliminating the clearance 16 below the support structure 21 is created.

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.The deposited metal 14 forms the heater and temperature measuring elements 10 . 11 and has a linear relationship between the resistance value and the temperature. With constant current supply, the measured voltage can be used to at least indirectly convert this into an operating temperature of the resistor. The cooling as a result of a flow around the metals 14 leads to the cooling of the heater and temperature measuring elements 10 and 11 and thus the voltage also changes as a result of the resistance change. Now both heater and temperature measuring elements 10 . 11 of the sensor element 1 spaced from each other and flowed against a flow, the side of the heater and temperature measuring elements 10 . 11 is applied, can be closed by means of the measured voltage directly to the flow velocity of the flow. The measuring principle is based on the fact that the heater and temperature measuring element lying in the flow direction is cooled more strongly than the subsequent heater and temperature measuring element behind the first heater and temperature measuring element, which is located with the flow direction.

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 Heizer- und Temperaturmesselement 11 angeströmt. Somit ergibt sich eine Temperatur T1 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. 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 flown, and only then the second heater and temperature measuring element 11 incident flow. This results in a temperature T1 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 that can be measured, for example, over a Wheatstone bridge, and over the flow rate of the flow 20 can be closed.

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 Heizer- und 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.The further flow sensor 1 is arranged rotated by 90 °, so that both heater and temperature measuring elements 10 . 11 equally from the flow 20 be streamed. As a result, the temperature T3 of the first heater and temperature measuring element 10 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 can be calculated by vector addition.

6 zeigt die Anordnung der Strömungssensoren 1 mit einer Strömungsrichtung 20 aus einer Vertikalen, die 90° gedreht zur Strömungsrichtung der Strömung 20 gemäß 5 ist. Infolgedessen sind die Temperaturen T1 und T2 der Heizer- und Temperaturmesselemente 10, 11 des ersten Strömungssensors 1 gleich, und die Temperatur T4 des ersten Heizer- und Temperaturmesselementes 10 ist kleiner als die Temperatur T3 des zweiten Heizer- und Temperaturmesselementes 11 des zweiten Strömungssensors 1. 6 shows the arrangement of the flow sensors 1 with a flow direction 20 from one Vertical, which is 90 ° rotated to the flow direction of the flow 20 according to 5 is. As a result, the temperatures T1 and T2 are the heater and temperature sensing elements 10 . 11 of the first flow sensor 1 equal, and the temperature T4 of the first heater and temperature measuring element 10 is smaller than the temperature T3 of the second heater and temperature measuring element 11 of the second flow sensor 1 ,

Ein Vergleich der Temperaturdifferenzen der Heizer- und Temperaturmesselemente 10 und 11 der Strömungssensoren 1 in den 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.A comparison of the temperature differences of the heater and temperature measuring elements 10 and 11 the flow sensors 1 in the 5 and 6 illustrates that already by the respective voltages resulting from the temperatures on the flow direction of the flow 20 can be closed.

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. 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. Any features and / or advantages resulting from the claims, the description or the drawings, including constructive details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention, both individually and in the most diverse combinations. Above all, it is also possible to keep the voltage constant and to measure the current.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4005801 C2 [0004] DE 4005801 C2 [0004]

Claims

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. Method for producing a flow sensor ( 1 ) based on a thin film, comprising a first heater and temperature measuring element ( 10 ) and at least one second heater and temperature measuring element ( 11 ), wherein the heater and temperature measuring elements ( 10 . 11 ) are spatially separated, and wherein a support structure ( 21 ), which is used to hold the heater and temperature measuring elements ( 10 . 11 ), wherein the method of manufacture comprises at least the following steps: - providing a substrate ( 100 ), - deposition of a first photoresist ( 12 ) on the substrate ( 100 ), - depositing a second photoresist ( 13 ) on the first photoresist ( 12 ), - opening the first ( 12 ) and second photoresist ( 13 ) for producing a terminal metallization, - depositing a metal ( 14 ) for forming the heater and temperature measuring elements ( 10 . 11 ), - structuring of the deposited metal ( 14 ), - depositing a third photoresist ( 15 ) and - removing the first photoresist ( 12 ) by at least one sacrificial layer etch.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (100) ein CMOS ASIC Wafer, ein Glaswafer oder eine Polymerfolie bereitgestellt wird. Method according to claim 1, characterized in that as substrate ( 100 ) a CMOS ASIC wafer, a glass wafer or a polymer film is provided.

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. A method according to claim 1 or 2, characterized in that a photoresist as the second photoresist ( 13 ) which is chemically resistant to the sacrificial layer etching of the first photoresist ( 12 ).

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. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a photoresist as the third photoresist ( 15 ) which is chemically resistant to the sacrificial layer etching of the first photoresist ( 12 ).

Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Fotolacke (12, 13, 15) aufgeschleudert oder aufgesprüht wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the photoresists ( 12 . 13 . 15 ) is spin-coated or sprayed on.

Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Fotolacke (12, 13, 15) mittels eines fotolithografischen Verfahren strukturiert wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the photoresists ( 12 . 13 . 15 ) is patterned by means of a photolithographic process.

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 Heizer- und 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. Flow sensor ( 1 ) based on thin film, comprising: a first heater and temperature measuring element ( 10 ) and at least one second heater and temperature measuring element ( 11 ), and wherein the heater and temperature measuring elements ( 10 . 11 ) are spatially separated, and wherein a support structure ( 21 ), which is used to hold the heater and temperature measuring elements ( 10 . 11 ), and wherein the support structure ( 21 ) with the heater and temperature measuring elements ( 10 . 11 ) on a substrate ( 100 ), characterized in that the support structure ( 21 ) at least one photoresist ( 12 ) and to create an exemption 16 ) to the substrate ( 100 ) having.

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. Flow sensor ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the support structure ( 21 ) a free space ( 16 ) between the temperature measuring elements ( 10 . 11 ), which by a sacrificial layer etching of the first photoresist ( 12 ) is generated.

Strömungssensor (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (21) Anschlussarme (17) zur Kontaktierung der Heizer- und Temperaturmesselemente (10, 11) aufweist. Flow sensor ( 1 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the support structure ( 21 ) Connecting arms ( 17 ) for contacting the heater and temperature measuring elements ( 10 . 11 ) having.

Strömungssensor (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (21) zwischen den beiden Heizer- und Temperaturmesselementen (10, 11) eine Strukturierung (18) aufweist. Flow sensor ( 1 ) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the support structure ( 21 ) between the two heater and temperature measuring elements ( 10 . 11 ) a structuring ( 18 ) having.