DE10211551B4

DE10211551B4 - Flußsensor auf Substrat

Info

Publication number: DE10211551B4
Application number: DE10211551.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Martin Kleinlogel; Mark Rainer Hornung; Felix Mayer
Original assignee: Sensirion Holding AG
Current assignee: Sensirion Holding AG
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: DE10211551A1; CH694974A5

Abstract

Flusssensor zum Messen des Flusses eines Mediums, mit einem Halbleiterbaustein (1), auf welchem mindestens ein Temperatursensor (13a, 13b), eine Wärmequelle (12) und elektrische Anschlusspunkte (18) integriert sind, mit einem 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, dadurch gekennzeichnet, dass 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, dass ein erstes Gehäuseteil (2a) vorgesehen ist, in welchem ein Kanal (6) für das Medium verläuft, wobei der Kanal (6) als Vertiefung (4) im ersten Gehäuseteil (2a) angeordnet ist, und wobei das Substrat (5) die Vertiefung zum Bilden des Kanals (6) abdeckt.

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. Ein Flusssensor gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der WO 96/38731 A1 bekannt. Die EP 0172669 A1 beschreibt Sensorkomponenten mit Flip-Chip-Konfiguration auf einem Substrat. Ein Strömungskanal ist direkt durch das Substrat hindurch gebildet. Eine ähnliche Konfiguration ist auch beschrieben von Mayer F. et al: Flip-Chip Packaging for Smart MEMS, Proceedings SPIE, 3328, 1998, Seiten 183 bis 193.
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 Halbleiterbausteins 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:
1 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführung des Sensors entlang des Kanals,
2 einen Schnitt entlang Linie II-II von 1 quer zum Kanal,
3 eine Ansicht des Halbleiterbausteins für den Sensor nach 1 und 2 vom Substrat her,
4 eine Draufsicht auf das Substrat mit den darauf angeordneten Komponenten und
5 eine weitere Ausführung des Sensors.
Der Grundaufbau des Flusssensors ergibt sich aus dem in 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 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 Δ der Temperaturdifferenzen über den Thermosäulen 13a, 13b. Da die äusseren Kontaktreihen der Thermosäulen 13a, 13b ungefähr auf gleicher Temperatur liegen, entspricht der Unterschied Δ im wesentlichen dem Temperaturunterschied an den inneren Kontaktreihen.
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 Δ 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 4 dargestellt, auf dem Substrat 5 Leiterbahnen 19 angeordnet, wie sie beispielhaft in 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 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. Polyetheretherketon (PEEK), Teflon, Polyaryl-Sulfon (PSU) oder Polyimid, und besitzt eine Dicke zwischen 10 und 200 μm. Das Substrat sollte für das zu messende 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 wärmequellen-seitigen 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 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

Flusssensor zum Messen des Flusses eines Mediums, mit einem Halbleiterbaustein (1), auf welchem mindestens ein Temperatursensor (13a, 13b), eine Wärmequelle (12) und elektrische Anschlusspunkte (18) integriert sind, mit einem 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, dadurch gekennzeichnet, dass 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, dass ein erstes Gehäuseteil (2a) vorgesehen ist, in welchem ein Kanal (6) für das Medium verläuft, wobei der Kanal (6) als Vertiefung (4) im ersten Gehäuseteil (2a) angeordnet ist, und wobei das Substrat (5) die Vertiefung zum Bilden des Kanals (6) abdeckt.
Flusssensor nach Anspruch 1, wobei das Medium eine Flüssigkeit ist.
Flusssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Substrat (5) mit dem ersten Gehäuseteil (2a) verklebt oder verschweisst ist.
Flusssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zweiten Gehäuseteil (2b), wobei mindestens ein Teil des Substrats (5) zwischen dem ersten (2a) und dem zweiten (2b) Gehäuseteil eingeklemmt ist.
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.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterbaustein (1) auf das Substrat (5) gelötet ist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) eine mit den Leiterbahnen (19) versehene, flexible, elektrisch isolierende Folie aufweist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) für das zu messende Medium undurchlässig ist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Wand des Kanals (6) von einer Kunststofffolie gebildet wird und die übrigen Wände von dem ersten Gehäuseteil (2a), wobei die Kunststofffolie die Leiterbahnen (19) trägt.
Flusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kanal (6) und das Substrat (5) einstückig von dem ersten Gehäuseteil (2a) gebildet werden.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trennwand eine Dicke zwischen 10 μm und 200 μm aufweist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) aus einem Kunststoff ist.
Flusssensor nach Anspruch 12, wobei das Substrat (5) aus Polyetheretherketon, Polyimid, Polyaryl-Sulfon oder Polytetrafluorethylen ist.
Flusssensor nach Anspruch 4, wobei das erste Gehäuseteil (2a) und das zweite Gehäuseteil (2b) ein Gehäuse (2) bilden, in welchem der Halbleiterbaustein (1) und der 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.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Bereich um den Halbleiterbaustein (1) bis an das Substrat (5) mit einer ausgehärteten Füllmasse (11) ausgefüllt ist.
Verfahren zum Herstellen eines 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).
Verfahren nach Anspruch 16 wobei der Halbleiterbaustein (1) mittels Flip-Chip Technik mit den Leiterbahnen (19) des Substrats (5) verbunden wird.