DE10355793A1 - Flectional crosspiece sensor for measuring mass through-flow of gases/liquids has a piezoresistive mass flow sensor and a flow channel for gas/liquid - Google Patents

Flectional crosspiece sensor for measuring mass through-flow of gases/liquids has a piezoresistive mass flow sensor and a flow channel for gas/liquid Download PDF

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Hubert Benzel
Stefan Finkbeiner
Christop Schelling
Julian Gonska
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Abstract

A flectional crosspiece sensor (10) forms a piezoresistive mass flow sensor (PMFS) (30) with the form of a semiconductor chip and a flow channel (FC) (32), through which a gas or liquid can flow so as to measure its speed and mass flow. The FC extends from the top (36) to the bottom (34) sides of the PMFS. An independent claim is also included for a method for producing a flectional crosspiece sensor for measuring mass through-flow of gases/liquids.

Description

Die Erfindung betrifft einen Biegebalkenssensor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Massenflusssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Biegebalkensensors zur Durchflussmessung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.The The invention relates to a bending beam sensor according to the preamble of the claim 1 and a mass flow sensor with the features of the claim 10. The invention further relates to a process for the preparation a bending beam sensor for flow measurement with the features of claim 14.

Stand der TechnikState of technology

Bei einer Durchflussmessung erfolgt eine Messung einer pro Zeiteinheit durch einen Leitungsquerschnitt fließenden Masse eines flüssigen oder gasförmigen Mediums. Bei den meisten bekannten Verfahren wird über eine Volumen- oder Geschwindigkeitsmessung primär der Volumenstrom erfasst und mit der bekannten bzw. separat zu messenden Dichte des Mediums auf den Massenstrom geschlossen. Zur Messung sind zahlreiche unterschiedliche Verfahren bekannt. So beruht die Durchflussmessung mittels eines Stauscheiben-Sensors auf einer Kraftwirkung, die auf einen Körper durch das ihn umströmende Medium ausgeübt wird. Die Staukraft auf eine festgehaltene Stauscheibe wird hierbei nach der Methode der Kraftkompensation gemessen. Mit Hilfe der Strömungsgesetze lässt sich daraus der Durchfluss ermitteln.at a flow measurement is a measurement of one per unit time through a line cross-section flowing mass of a liquid or gaseous medium. Most known methods use a volume or velocity measurement primary the volume flow detected and with the known or separately measured density of the medium closed to the mass flow. To measure are numerous different methods known. This is how the flow measurement is based by means of a baffle plate sensor on a force acting on a body by the flow around him Medium exercised becomes. The jamming force on a captured baffle plate is here measured according to the method of force compensation. With the help of the flow laws let yourself determine the flow from this.

Der Massenstrom flüssiger oder gasförmiger Medien kann auch mittels sogenannter Biegebalken gemessen werden. Hierbei wird die auf den Biegebalken wirkende Kraft erfasst, indem seine Durchbiegung ermittelt wird. Die Auslenkung des Balkens kann beispielsweise mittels bekannter Dehnungsmessstreifen oder auch mittels piezoresistiver Messelemente erfasst werden, die sich an geeigneter Stelle, vorzugsweise an einer Stelle mit maximaler Beugung des Balkens befinden. Mit dieser Methode lassen sich sowohl Stärke als auch Richtung der Durchbiegung erfassen.Of the Mass flow liquid or gaseous media can also be measured by means of so-called bending beams. in this connection the force acting on the bending beam is detected by its Deflection is determined. The deflection of the bar can, for example by known strain gauges or by piezoresistive Measuring elements are detected, located at a suitable location, preferably in a position with maximum bending of the beam. With This method allows both strength and direction of deflection to capture.

Aus der JP 60 250 259 A ist ein Durchflusssensor bekannt, bei dem auf einem Biegebalken ein piezoelektrisches Element aufgebracht ist, mit dessen Hilfe die Durchbiegung des in einem strömenden Medium angeordneten Biegebalkens erfasst und ausgewertet wird. Ein ähnlicher Druchflusssensor mit einem Biegebalken ist weiterhin aus der WO 00/39537 A1 bekannt. Auch hierbei ist ein sich in einer Fluidströmung befindlicher Biegebalken mit einem piezoresistiven Element versehen, welches die Durchbiegung des Balkens in der Strömung erfasst und ein von der Biegung abhängiges Signal zur weiteren Auswerteschaltung liefert.From the JP 60 250 259 A a flow sensor is known in which a piezoelectric element is applied to a bending beam, with the aid of which the deflection of the arranged in a flowing medium bending beam is detected and evaluated. A similar flow sensor with a bending beam is further known from WO 00/39537 A1. Here too, a bending beam located in a fluid flow is provided with a piezoresistive element which detects the deflection of the beam in the flow and supplies a signal dependent on the bending for further evaluation.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen möglichst universell verwendbaren und robusten Biegebalkensensor, insbesondere zur Durchflussmessung zur Verfügung zu stellen, der Messwerte möglichst hoher Genauigkeit liefert.A Object of the present invention is a possible universally usable and robust bending beam sensor, in particular for Flow measurement available to put the readings as possible high accuracy delivers.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved with the subject of the independent claim. characteristics Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent Claims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Ein erfindungsgemäßer Biegebalkensensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 umfasst eine Dehnungsmesseinrichtung mit wenigstens einem piezosensitiven Sensorelement. Ein solcher Biegebalkensensor eignet sich insbesondere als Durchflusssensor zur Massenflussmessung flüssiger und/oder gasförmiger strömender Medien. Der Biegebalkensensor bzw. der Durchflusssensor umfasst einen starr an einer Wand verankerten Biegebalken, der an einem fest eingespannten Ende eine Dehnungsmesseinrichtung aufweist. Gemäß vorliegender Erfindung umfasst diese Dehnungsmesseinrichtung wenigstens ein, ggf. zwei oder mehr piezosensitive Sensorelemente, die insbesondere als piezoresistive oder piezoelektrische Widerstandselemente ausgebildet sein können. Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Sensorele mente an gegenüber liegenden Seiten des Balkens angeordnet, so dass bei einer Verformung des Balkens einer der Sensoren komprimiert und der andere expandiert wird. Hierdurch kann eine exaktere Messung als mit nur einem Sensorelement durchgeführt werden, da bspw. ein Temperatur- und Toleranzausgleich ermöglicht ist. Es existiert keine sog. Nullauslenkung des Biegebalkens, da die Sensorelemente vorzugsweise symmetrisch zur neutralen Faser des Balkens angeordnet sind.One inventive bending beam sensor with The features of claim 1 comprises a strain gauge with at least one piezo-sensitive sensor element. Such a bending beam sensor is particularly suitable as a flow sensor for mass flow measurement liquid and / or gaseous flowing Media. The bending beam sensor or the flow sensor comprises a rigidly anchored to a wall bending beam, on a firmly clamped End having a strain gauge. According to the present invention this strain gauge at least one, possibly two or more piezosensitive sensor elements, in particular as piezoresistive or piezoelectric resistance elements may be formed. Preferably are the at least two Sensorele elements on opposite sides of the beam arranged so that upon deformation of the beam compresses one of the sensors and the other is expanding. This allows a more accurate measurement be performed with only one sensor element, since, for example, a temperature and tolerance compensation allows is. There is no so-called zero deflection of the bending beam, since the sensor elements preferably symmetrical to the neutral fiber of the beam are arranged.

Weist der Biegebalkensensor zwei oder mehr Sensorelemente auf, so können diese gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung miteinander verschaltet sein, wodurch eine hohe Messgenauigkeit und ein Ausgleich von externen Effekten, bspw. durch Temperaturveränderungen o. dgl. ermöglicht ist.has the bending beam sensor on two or more sensor elements, so they can according to a embodiment of the invention interconnected in a Wheatstone bridge circuit be, whereby a high measuring accuracy and a balance of external Effects, eg. By temperature changes o. The like. Is made possible.

Die Sensorelemente können mittels eines geeigneten Herstellungsverfahrens aus einem Halbleitersubstrat gefertigt werden, wobei die Sensorelemente vorzugsweise gekapselt sind, bspw. mittels einer geeigneten Passivierungsschicht. Auf diese Weise lassen sich die erfindungsgemäßen Durchflusssensoren bspw. in einem mikrofluidischen System als Massenflusssensoren einsetzen. Die Passivierung ermöglicht einen Einsatz des Sensors auch in elektrisch leitfähigen und korrosiven Medien. Zudem wird durch die Passivierung die Langzeitstabilität der Messparameter des Sensors verbessert.The Sensor elements can by means of a suitable manufacturing method of a semiconductor substrate be manufactured, the sensor elements preferably encapsulated are, for example, by means of a suitable passivation layer. To this Way, the flow sensors according to the invention can, for example. in a microfluidic system as mass flow sensors. The passivation allows a use of the sensor also in electrically conductive and corrosive media. In addition, passivation improves the long-term stability of the measurement parameters of the sensor improved.

Mit einem solchen Biegebalkensensor gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen lässt sich ein erfindungsgemäßer Massenflusssensor herstellen, indem der Biegebalkensensor innerhalb eines Strömungskanals angeordnet wird. Hierbei wird der Sensor einseitig starr an einer Wand des Strömungskanals befestigt, so dass bei einer Durchströmung mit gasförmigem oder flüssigem Medium eine Auslenkung des Balkens erfolgt, die durch eine Widerstandsmessung der piezoresistiven Sensorelemente erfasst werden kann.With Such a bending beam sensor according to one of the previously described embodiments let yourself an inventive mass flow sensor produce by the bending beam sensor within a flow channel is arranged. Here, the sensor is rigid on one side Wall of the flow channel attached so that when flowing through with gaseous or liquid Medium, a deflection of the beam is done by a resistance measurement the piezoresistive sensor elements can be detected.

Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Massenflusssensors sieht vor, dass dieser wenigstens einen weiteren Biegebalkensensor aufweist, der außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist. Dieser weitere Sensor kann als Referenzsensor fungieren und eine nochmalige Erhöhung der Signalgüte ermöglichen. Eine Temperaturkompensation kann hierbei über einen Brückengesamtwiderstand der zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschalteten Biegebalkensensoren erfolgen.A sees advantageous variant of the mass flow sensor according to the invention in that it has at least one further bending beam sensor, the outside of the flow channel is arranged. This additional sensor can act as a reference sensor and a further increase the signal quality enable. A temperature compensation can in this case via a bridge total resistance to a Wheatstone bridge circuit interconnected bending beam sensors done.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Biegebalkensensors zur Durchfluss- bzw. Strömungsmessung in gasförmigen oder flüssigen strömenden Medien, insbesondere gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, werden auf ein Halbleitersubstrat in aufeinander folgenden Verfahrensschritten zwei als piezoresistive Widerstandsbereiche fungierende und durch Isolatorschichten vom Halbleitersubstrat bzw. voneinander getrennte Halbleiterschichten aufgebracht. Die Zuleitungen zu den piezoresistiven Widerstandsbereichen werden vorzugsweise jeweils mittels eines Implantationsverfahrens definiert. Die Zuleitungen zu den piezoresistiven Widerstandsbereichen können nach dem Implantationsverfahren durch Zufuhr von Energie auf geeignete Weise aktiviert werden. Anschließend wird zur Ausbildung eines Biegebalkensensors ein Teil des Halbleitersubstrats entfernt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines Ätzschrittes, wobei gleichzeitig eine Vereinzelung des aus mehreren Chipbereichen bestehenden Halbleitersubstrats erfolgen kann. Auf diese Weise entfällt das mechanische Vereinzeln durch Sägen, was einen großen Vorteil darstellt, da während eines solchen Sägeprozesses die Biegebalken durch Einwirkung von Partikeln und Sägewasser sehr leicht beschädigt, zerstört, verschmutzt oder durch Partikel blockiert werden können.at a method for producing a bending beam sensor for flow or flow measurement in gaseous form or liquid flowing Media, in particular according to a the embodiments described above, be on a semiconductor substrate in successive steps two acting as piezoresistive resistance areas and through Insulator layers of the semiconductor substrate or separate semiconductor layers applied. The leads to the piezoresistive resistance areas are preferably each by means of an implantation process Are defined. The leads to the piezoresistive resistance areas can after the implantation process by supplying energy to appropriate Be activated. Subsequently, the formation of a Bending beam sensor removes part of the semiconductor substrate. This is preferably carried out by means of an etching step, wherein at the same time a Singulation of the semiconductor chip consisting of several chip areas can be done. In this way eliminates the mechanical separation by saws, which is a big one Advantage is there during of such a sawing process the bending beam by the action of particles and Sägewasser very slightly damaged, destroyed, can be contaminated or blocked by particles.

Zeichnungendrawings

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:preferred embodiments The invention will be described below with reference to the accompanying drawings explained in more detail. there shows:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Biegebalkensensors, 1 a schematic sectional view of a bending beam sensor according to the invention,

2 eine Draufsicht auf den Sensor gemäß 1, 2 a plan view of the sensor according to 1 .

3 eine schematische Schnittdarstellung einer Variante des erfindungsgemäßen Biegebalkensensors, 3 a schematic sectional view of a variant of the bending beam sensor according to the invention,

4 eine weitere Draufsicht auf einen Biegebalkensensor, 4 another plan view of a bending beam sensor,

5 ein Schaltbild zur elektrischen Verschaltung des Sensors, 5 a circuit diagram for the electrical connection of the sensor,

6 eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Massenflusssensors, 6 a schematic perspective view of a mass flow sensor according to the invention,

7 eine schematische Darstellung zur elektrischen Verschaltung zweier Biegebalkensensoren eines Massenflusssensors gemäß 7, 7 a schematic representation of the electrical interconnection of two bending beam sensors of a mass flow sensor according to 7 .

8 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Variante des Biegebalkensensors und 8th a schematic plan view of a further variant of the bending beam sensor and

9 bis 19 aufeinander folgende Prozessschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Massenflusssensors aus einem Halbleitersubstrat. 9 to 19 successive process steps for producing a mass flow sensor according to the invention from a semiconductor substrate.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

In einer schematischen Schnittansicht verdeutlicht die 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Biegebalkensensors 10, der aus einem leitfähigen Basismaterial 12, piezoresistiven Widerstandsbereichen 14 und Isolationsschichten 16, welche das Basismaterial 12 ummanteln und eine obere Leiterbahnschicht 18 und eine untere Leiterbahnschicht 20 voneinander trennen. Bei der schematischen Draufsicht der 2 ist die Ummantelung des Sensors 10 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Eine alternative Ausführungsform mit nur einer Leiterbahnebene 18 ist in der schematischen Schnittdarstellung der 3 verdeutlicht. Die Bezugsziffer 24 bezeichnet eine feste Einspannung des Biegebalkensensors 10, bspw. in einer Leitungswand.In a schematic sectional view illustrates the 1 the basic structure of a bending beam sensor according to the invention 10 made of a conductive base material 12 , Piezoresistive resistance areas 14 and insulation layers 16 which are the base material 12 encasing and an upper wiring layer 18 and a lower wiring layer 20 separate each other. In the schematic plan view of 2 is the sheath of the sensor 10 not shown for reasons of clarity. An alternative embodiment with only one conductor track plane 18 is in the schematic sectional view of 3 clarified. The reference number 24 denotes a fixed clamping of the bending beam sensor 10 , for example in a conduit wall.

4 verdeutlicht eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform des Biegebalkensensors 10, der in diesem Fall vier piezoresistive Widerstandsbereiche 14 aufweist, die vorzugsweise zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung 22 entsprechend 5 verschaltet werden können. Die Leiterbahnschichten 18 sind durch Membranen aus Isolationsmaterial 16 getrennt. Die Isolationsschichten zwischen den Leiterbahnebenen sowie die Ummantelung des Sensors 10 sind in 4 nicht dargestellt. Vorzugsweise liegen Kontaktanschlüsse 26 und 28 zur elektrischen Kontaktierung des Sensors 10 frei. 4 illustrates a schematic plan view of an embodiment of the bending beam sensor 10 which in this case has four piezoresistive resistance ranges 14 which preferably leads to a Wheatstone bridge circuit 22 corresponding 5 can be interconnected. The conductor layers 18 are through membranes of insulation material 16 separated. The insulation layers between the interconnect levels and the sheath of the sensor 10 are in 4 not shown. Preferably, there are contact connections 26 and 28 for electrical contacting of the sensor 10 free.

Die Brückenschaltung 22 entsprechend 5 umfasst vier piezoresistive Widerstandsbereiche 14, die hier mit R12, R34, R56 und R78 bezeichnet sind. Die jeweils gegenüber liegend angeordneten Widerstände R12 und R34 können bspw. über die obere Leiterbahnschicht 18 mit ersten Kontaktanschlüssen 26 elektrisch leitend verbunden sein, während die ebenfalls gegenüber liegend angeordneten Widerstände R56 und R78 über die untere Leiterbahnschicht 20 mit den zweiten Kontaktanschlüssen 28 elektrischen leitend verbunden sein können. Dabei sind die Widerstände R12 und R34 auf der Oberseite des Sensors und die Widerstände R56 und R78 an dessen Unterseite angebracht. Eine Versorgungsspannung UE liegt zwischen den Widerständen R12 und R78 bzw. den Widerständen R56 und R34 an. Die Messspannung UM wird zwischen den Widerständen R12 und R56 bzw. den Widerständen R34 und R78 abgegriffen. Die Messspannung UM liefert einen Wert für die Durchbiegung des in einer Strömung flüssigen oder gasförmigen Mediums befindlichen Biegebalkensensors 10.The bridge circuit 22 corresponding 5 includes four piezoresistive resistance regions 14 , which are designated here by R 12 , R 34 , R 56 and R 78 . The respective oppositely disposed resistors R 12 and R 34 may, for example, via the upper conductor track layer 18 with first contact connections 26 be electrically conductively connected, while also oppositely disposed resistors R 56 and R 78 via the lower conductor track layer 20 with the second contact terminals 28 can be electrically connected. The resistors R 12 and R 34 are mounted on the upper side of the sensor and the resistors R 56 and R 78 on the underside thereof. A supply voltage U E is present between the resistors R 12 and R 78 and the resistors R 56 and R 34 . The measuring voltage U M is tapped between the resistors R 12 and R 56 and the resistors R 34 and R 78 . The measuring voltage U M supplies a value for the bending of the bending beam sensor located in a flow of liquid or gaseous medium 10 ,

6 verdeutlicht eine beispielhafte Anwendung des Biegebalkensensors 10 als piezoresistiver Massenflusssensor 30. Dieser Massenflusssensor 30 weist einen Strömungskanal 32 auf, durch den gasförmiges oder flüssiges Medium hindurch strömen kann, dessen Geschwindigkeit bzw. Massenfluss gemessen werden soll. Der Kanal 32 erstreckt sich von einer Unterseite 34 bis zu einer Oberseite 36 des Massenflusssensors 30. Weiterhin kann in der Unterseite 34 oder der Oberseite 36 eine Vertiefung 38 vorgesehen sein, innerhalb derer ein weiterer Biegebalkensensor 10 angeordnet ist, der als Referenzsensor zum Ausgleich von Temperatur- oder Bauteiltoleranzen o. dgl. dient. Hierzu müssen die beiden Biegebalkensensoren 10 exakt die gleichen Maße und den gleichen Schichtaufbau aufweisen. Der Biegebalkensensor 10 im Strömungskanal 32 ist der eigentliche Messbiegebalken, welcher die gewünschten Messwerte (Messspannung UM) liefert. Der Massenflusssensor 30 kann in einer bevorzugten Ausgestaltung als Halbleiterchip gefertigt sein. 6 illustrates an exemplary application of the bending beam sensor 10 as piezoresistive mass flow sensor 30 , This mass flow sensor 30 has a flow channel 32 through which gaseous or liquid medium can flow, whose velocity or mass flow is to be measured. The channel 32 extends from a bottom 34 up to a top 36 of the mass flow sensor 30 , Furthermore, in the bottom 34 or the top 36 a depression 38 be provided within which another bending beam sensor 10 is arranged, which serves as a reference sensor to compensate for temperature or component tolerances o. The like. For this purpose, the two bending beam sensors 10 have exactly the same dimensions and the same layer structure. The bending beam sensor 10 in the flow channel 32 is the actual measuring beam, which delivers the desired measured values (measuring voltage U M ). The mass flow sensor 30 can be made in a preferred embodiment as a semiconductor chip.

Die 7 verdeutlicht in einer schematischen Draufsicht die prinzipielle elektrische Verschaltung des Massenflusssensors 30 mit den beiden Biegebalkensensoren 10, wobei die Isolationsummantelung weggelassen wurde. Die Biegebalkensensoren 10 weisen in dieser Ausführungsform jeweils vier piezoresistive Widerstandsbereiche sowie je zwei Befestigungspunkte zum Massenflusssensor 30 auf. Weiterhin können die Biegebalkensensoren 10 mit einer Reihe von Perforationslöchern 40 versehen sein, deren Funktion und Fertigung weiter unten noch näher erläutert wird. Die beiden äußeren Kontaktierungen jedes Biegebalkens 10 sind an die untere Leiterbahn des entsprechenden Balkens angeschlossen. Das elektrische Schaltbild zeigt die Wheatstonesche Brückenschaltung, die als Auswerteschaltung zur Erfassung der Durchbiegung des Messbalkens aufgrund der Fluidströmung durch den Strömungskanal 32 dient. Die Wheatstonesche Brückenschaltung 22 besteht aus den zwei piezoresistiven Widerständen des Messbiegebalkens, den zwei piezoresistiven Widerständen des Referenzbiegebalkens sowie der Spannungsquelle UE. Die Messspannung UM kann verstärkt und ausgewertet werden.The 7 illustrates in a schematic plan view of the basic electrical interconnection of the mass flow sensor 30 with the two bending beam sensors 10 wherein the insulation jacket has been omitted. The bending beam sensors 10 In this embodiment, each have four piezoresistive resistance regions and two attachment points to the mass flow sensor 30 on. Furthermore, the bending beam sensors 10 with a series of perforation holes 40 be provided whose function and manufacturing will be explained in more detail below. The two outer contacts of each bending beam 10 are connected to the lower track of the corresponding beam. The electrical diagram shows the Wheatstone bridge circuit, which serves as an evaluation circuit for detecting the deflection of the measuring beam due to the fluid flow through the flow channel 32 serves. The Wheatstone bridge circuit 22 consists of the two piezoresistive resistors of the measuring cantilever, the two piezoresistive resistors of the reference cantilever and the voltage source U E. The measuring voltage U M can be amplified and evaluated.

Eine weitere alternative Ausgestaltung des Biegebalkensensors 10 ist anhand der 8 verdeutlicht. Zur besseren Übersichtlichkeit sind von den Kontaktanschlüssen 26, 28 nur die Kontaktanschlüsse 26 zur oberen Leiterbahnschicht 18 eingezeichnet. Die Isolationsummantelung ist nicht eingezeichnet. Der dargestellte Sensor 10 weist insgesamt acht piezoresistive Widerstandsbereiche 14 auf. Es ist eine mäanderförmige Leiterbahnschicht 18 erkennbar, deren Bahnen jeweils durch membranartige Isolationsschichten 16 voneinander getrennt sind. Sowohl die Leiterbahnschicht 18, die piezoresistiven Widerstandsbereiche 14 als auch die Isolationsschicht 16 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils mit einer Vielzahl von Perforationslöchern 40 versehen. Die membranartigen Isolationsschichten 16 können durch nicht mit dem Membranbalkensensor verbundene Verstrebungselemente 80 versteift sein, die aus dem selben Material wie die Leiterbahnschicht 18 bestehen. Ziel dieser Versteifung ist eine maximale Verbiegung am Aufhängungspunkt im Bereich der piezoresistiven Widerstandsbereiche 14 und eine minimale Verbiegung am freien Ende.Another alternative embodiment of the bending beam sensor 10 is based on the 8th clarified. For clarity, are of the contact terminals 26 . 28 only the contact connections 26 to the upper wiring layer 18 located. The insulation sheath is not shown. The illustrated sensor 10 has a total of eight piezoresistive resistance areas 14 on. It is a meandering conductor layer 18 recognizable, their paths in each case by membrane-like insulating layers 16 are separated from each other. Both the conductor layer 18 , the piezoresistive resistance areas 14 as well as the insulation layer 16 are in the illustrated embodiment, each with a plurality of perforation holes 40 Mistake. The membrane-like insulation layers 16 may be due to not connected to the membrane beam sensor strut elements 80 be stiffened, made of the same material as the wiring layer 18 consist. The aim of this stiffening is maximum bending at the suspension point in the area of piezoresistive resistance areas 14 and a minimal bending at the free end.

Bei allen gezeigten Varianten können wahlweise bestimmte Bereiche bzw. Abschnitte des Biegebalkensensors 10 dicker ausgeführt sein, um eine versteifende Wirkung zu erzielen.In all the variants shown, optionally certain areas or sections of the bending beam sensor 10 be made thicker to achieve a stiffening effect.

Ein beispielhafter Prozessablauf zur Herstellung und Vereinzelung eines erfindungsgemäßen Massenflusssensors 30 wird anhand der folgenden 9 bis 19 erläutert.An exemplary process sequence for producing and separating a mass flow sensor according to the invention 30 is based on the following 9 to 19 explained.

Zunächst wird auf einem Siliziumwafer 50 eine Isolatorschicht 52 aufgebracht, die insbesondere aus Siliziumdioxid bestehen kann (1). Diese Isolatorschicht kann bspw. abgeschieden oder durch Oxidation des Siliziumwafers 50 auf diesen aufgebracht werden. Zur Passivierung kann optional eine Siliziumnitridschicht abgeschieden werden. Diese Schichten werden rückseitig durch einseitiges Ätzen wieder vom Siliziumwafer 50 entfernt. Auf der Isolatorschicht 52 aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid wird anschließend mittels eines geeigne ten Epitaxieverfahrens eine Halbleiterschicht 54, insbesondere eine Polysiliziumschicht abgeschieden.First, on a silicon wafer 50 an insulator layer 52 applied, which may consist in particular of silicon dioxide ( 1 ). This insulator layer can, for example, deposited or by oxidation of the silicon wafer 50 be applied to this. For passivation optionally a silicon nitride layer can be deposited. These layers are backside by one-sided etching back from the silicon wafer 50 away. On the insulator layer 52 From silicon oxide and / or silicon nitride is then by means of a appro priate Epitaxieverfahrens a semiconductor layer 54 , in particular a polysilicon layer deposited.

Durch eine Implantationsmaske werden lokal durch Implantation eines geeigneten Materials wie bspw. Arsen die Zuleitungsbereiche zu den piezoresistiven Widerstandsbereiche 56 der unteren Leiterbahnschicht 20 implantiert und so die Piezowiderstandsbereiche 56 definiert (10). Die bspw. aus einem Fotolack bestehende Implantationsmaske wird anschließend wieder entfernt.Through an implantation mask are locally by implantation of a suitable material such as For example, arsenic the lead areas to the piezoresistive resistance areas 56 the lower wiring layer 20 implanted and so the piezoresistance areas 56 Are defined ( 10 ). The example consisting of a photoresist implantation mask is then removed again.

Anschließend wird eine weitere Isolatorschicht 58 abgeschieden (11), wofür ebenfalls Siliziumoxid verwendet werden kann. Diese weitere Isolatorschicht 58 wird wiederum von der Waferrückseite entfernt. Auch auf dieser weiteren Isolatorschicht 58 wird mittels Epitaxie eine weitere Halbleiterschicht 60, insbesondere wieder eine Polysiliziumschicht aufgebracht, bspw. durch Abscheidung (12). Durch Implantation der Zuleitungsbereiche außerhalb der piezoresistiven Widerstandsbereiche 62 wird die obere Leiterbahn 18 definiert.Subsequently, another insulator layer 58 isolated ( 11 ), for which silicon oxide can also be used. This further insulator layer 58 in turn is removed from the wafer backside. Also on this further insulator layer 58 becomes a further semiconductor layer by means of epitaxy 60 , in particular again applied a polysilicon layer, for example by deposition ( 12 ). By implantation of the lead areas outside the piezoresistive resistance areas 62 becomes the upper trace 18 Are defined.

Alternativ zu den in 9 bis 12 beschriebenen Prozessschritten ist es auch denkbar, durch geeignete Prozessierung zwei Schichten monokristallines Silizium sowie zwei Schichten Siliziumdioxid auf dem Siliziumwafer 50 herzustellen.Alternatively to the in 9 to 12 described process steps, it is also conceivable, by suitable processing two layers of monocrystalline silicon and two layers of silicon dioxide on the silicon wafer 50 manufacture.

Die Halbleiterschichten 54, 60 sowie die Isolatorschichten 52, 58 werden durch einen Fotolithografie- und Ätzprozess derart strukturiert, dass zum einen die späteren Kanal- 32 und Vertiefungsbereiche (nicht im Bild) des Massenflusssensors 30 als auch die späteren Ränder des Chips 38 offen liegen (13). Zudem werden im Bereich der späteren Biegebalken die erwähnten Perforationslöcher 40 in der Größenordnung von einigen μm Durchmesser und einem Abstand von 5 bis 30 μm strukturiert. Diese Perforationslöcher sind in den 13 bis 19 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Die Perforationslöcher dienen dazu, die Dauer des Freistellens durch isotropes Ätzen zu verkürzen.The semiconductor layers 54 . 60 as well as the insulator layers 52 . 58 are structured by a photolithography and etching process in such a way that, on the one hand, the later channel 32 and pit areas (not in the image) of the mass flow sensor 30 as well as the later edges of the chip 38 open ( 13 ). In addition, in the area of the later bending beam, the perforation holes mentioned 40 in the order of a few microns in diameter and a distance of 5 to 30 microns structured. These perforation holes are in the 13 to 19 not shown for reasons of clarity. The perforation holes serve to shorten the duration of the release by isotropic etching.

14 verdeutlicht einen weiteren Prozessschritt, bei dem die gesamte frei liegende Oberfläche des Halbleiterwafers 50 mit einer Isolationsschicht 64 überzogen wird. Zudem wird das implantierte Material durch Zufuhr von Wärmeenergie aktiviert. Anschließend kann optional Siliziumnitrid auf die Oberfläche abgeschieden werden. Dies dient als Schutz des Massenflusssensorchips gegen Korrosion sowie zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften der Biegebalken. Auf der Waferrückseite kann ggf. eine weitere Oxidschicht abgeschieden werden, die – nach Strukturierung – als Maskierung für den reaktiven Ionenätzprozess verwendet werden kann. 14 illustrates a further process step in which the entire exposed surface of the semiconductor wafer 50 with an insulation layer 64 is coated. In addition, the implanted material is activated by the application of heat energy. Subsequently, optionally silicon nitride can be deposited on the surface. This serves to protect the mass flow sensor chip against corrosion and to adjust the mechanical properties of the bending beam. If desired, a further oxide layer can be deposited on the wafer back side, which - after structuring - can be used as a mask for the reactive ion etching process.

Durch Fotolithografie wird die Oberfläche der später zu vereinzelnden Halbleiterchips derart strukturiert, dass die Kanal- und Vertiefungsbereiche, die Chipränder, die Perforationslöcher sowie die Kontaktbereiche zur elektrischen Kontaktierung der Biegebalken frei gelegt werden (15). Die Waferrückseite wird ganzflächig mit einer Ätzschutzschicht versehen. Durch einen Ätzprozess werden das Siliziumnitrid sowie das Siliziumdioxid in den offen liegenden Bereichen entfernt. Anschließend wird der Fotolack entfernt. Auf der Waferrückseite wird auf gleiche Weise die Maskierung für den reaktiven Ionenätzprozess strukturiert.By means of photolithography, the surface of the semiconductor chips to be separated later is structured in such a way that the channel and depression regions, the chip edges, the perforation holes and the contact regions for the electrical contacting of the bending beams are exposed ( 15 ). The wafer back side is provided over the entire surface with an etching protective layer. An etching process removes silicon nitride and silicon dioxide in the exposed areas. Then the photoresist is removed. On the wafer back side the masking for the reactive ion etching process is structured in the same way.

Mittels eines nachfolgenden Abscheideprozesses wird eine Metallschicht 66 auf die Isolationsschicht 64 abgeschieden, die zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichten 60 bzw. 54 dient (16). Die Metallschicht 66 kann bspw. aus Aluminium bestehen. Durch Fotolithografie wird diese Metallschicht 66 derart strukturiert, dass nur die gewünschten Kontaktanschlüsse von der Fotolackschicht bedeckt bleiben. Mit Hilfe eines Ätzverfahrens wird das Metall in dien offen liegenden Bereichen entfernt. Nach der Herstellung der Kontaktanschlüsse wird die Fotolackschicht entfernt und der Siliziumwafer 50 einer Wärmebehandlung unterzogen.By means of a subsequent deposition process, a metal layer is formed 66 on the insulation layer 64 deposited, for electrical contacting of the semiconductor layers 60 respectively. 54 serves ( 16 ). The metal layer 66 can, for example, consist of aluminum. By photolithography, this metal layer 66 structured such that only the desired contact terminals remain covered by the photoresist layer. By means of an etching process, the metal in the exposed areas is removed. After making the contact terminals, the photoresist layer is removed and the silicon wafer 50 subjected to a heat treatment.

Die Biegebalken werden mittels eines Trockenätzschrittes z.B. mit Chlortrifluorid oder Xenondifluorid freigelegt (17). Die Ränder des Chips liegen dabei offen und werden daher ebenfalls geätzt. Die Herstellung der in 17 dargestellten Form ist möglich, da die Biegebalken die zuvor beschriebenen Perforationslöcher aufweisen.The bending beams are exposed by means of a dry etching step, for example with chlorotrifluoride or xenon difluoride ( 17 ). The edges of the chip are open and therefore also etched. The production of in 17 The illustrated shape is possible because the bending beams have the perforation holes described above.

18 verdeutlicht einen nachfolgenden Prozessschritt, bei dem auf die Wafervorderseite zunächst ein Tape auflaminiert wird. Dieses Tape ist derart beschaffen, dass die Bindung des Tapes an eine Oberfläche lokal gezielt geschwächt werden kann, bspw. mittels Bestrahlung mit ultraviolettem Licht. Anschließend wird der Siliziumwafer 50 von seiner Rückseite her mittels eines reaktiven Ionenätzprozesses anisotrop geätzt, bis das Silizium um den Chiprand bzw. im Kanal 32 vollständig entfernt ist. Als Ionenätzprozess kommt bspw. ein solcher in Frage, wie er in der DE 198 26 382 A1 beschrieben ist. 18 illustrates a subsequent process step, in which on the wafer front side first a tape is laminated. This tape is designed such that the binding of the tape to a surface can be targeted weakened locally, for example by means of irradiation with ultraviolet light. Subsequently, the silicon wafer 50 etched anisotropically from its rear side by means of a reactive ion etching process until the silicon surrounds the chip edge or in the channel 32 completely removed. As ion etching process, for example, such as in question, as in the DE 198 26 382 A1 is described.

Die vereinzelten Substratchips 68 können anschließend mit ihrer Rückseite auf ein expandierbares Tape transferiert werden. Danach wird die Bindung des Tapes auf der Vorderseite an die Oberfläche durch geeignete UV-Licht-Bestrahlung geschwächt, wodurch das Tape von der Oberfläche entfernt werden kann. Die Massenflusssensoren 30 befinden sich nun auf dem expandierbaren Tape und können mit geeigneten Prozessschritten weiter verarbeitet werden.The isolated substrate chips 68 can then be transferred with their backs onto an expandable tape. Thereafter, the bond of the tape on the front surface to the surface is weakened by appropriate UV light irradiation, whereby the tape can be removed from the surface. The mass flow sensors 30 are now on the expandable tape and can be further processed with suitable process steps.

19 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Massenflusssensors 30, der über einen Kappenwafer 70 aus Glas oder Silizium in ein Mikrofluidkanalsystem integriert werden kann. Der Kanal 32 mit dem darin angeordneten Biegebalkensensor 10 kann hierbei auf geeignete Weise innerhalb des Kappenwafers 70 umgelenkt werden, um die gewünschten Durchflussmessungen mit dem Biegebalkensensor 10 durchführen zu können. 19 shows an exemplary embodiment of a mass flow sensor 30 that about a cap wafer 70 made of glass or silicon can be integrated into a Mikrofluidkanalsystem. The channel 32 with the bending beam sensor arranged therein 10 can be suitably within the cap wafer 70 be deflected to the desired flow measurements with the bending beam sensor 10 to carry out.

Claims (17)

Biegebalkensensor mit einem flexiblen Balken, der mit einem Ende starr an einer Wand verankert ist und der zwischen einem freien Ende und dem starr verankerten Ende eine Dehnungsmesseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmesseinrichtung wenigstens ein piezosensitives Sensorelement umfasst.Bending beam sensor with a flexible beam, which is rigidly anchored at one end to a wall and having a strain gauge between a free end and the rigidly anchored end, characterized in that the strain gauge comprises at least one piezosensitive sensor element. Biegebalkensensor nach Anspruch 1 zur Verwendung als Durchflusssensor zur Massenflussmessung flüssiger und/oder gasförmiger strömender Medien, mit einem innerhalb einer Fluidströmung angeordneten flexiblen Balken, der mit einem Ende starr an einer Wand verankert ist und der zwischen einem freien Ende und dem starr verankerten Ende eine Dehnungsmesseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmesseinrichtung wenigstens zwei piezoresistive Sensorelemente umfasst.Bending beam sensor according to claim 1 for use as a flow sensor for mass flow measurement of liquid and / or gaseous flowing media, with a flexible fluid disposed within a fluid flow Beam that is rigidly anchored to a wall with one end and the between a free end and the rigidly anchored end of a strain gauge characterized in that the strain gauge at least comprises two piezoresistive sensor elements. Biegebalkensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sein Aufbau symmetrisch zur neutralen Faser ist.Bending beam sensor according to claim 2, characterized in that that its structure is symmetrical to the neutral fiber. Biegebalkensensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Sensorelemente an gegenüber liegenden Seiten des Balkens angeordnet sind.Bending beam sensor according to claim 2 or 3, characterized characterized in that the at least two sensor elements on opposite Sides of the bar are arranged. Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Sensorelemente in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung (22) verschaltet sind.Bending beam sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two sensor elements in a Wheatstone bridge circuit ( 22 ) are interconnected. Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegebalken vollständig von einer Passivierungsschicht ummantelt sind.Bending beam sensor according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the bending beams completely from a passivation layer are sheathed. Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente gekapselt sind.Bending beam sensor according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sensor elements are encapsulated. Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente aus einem Halbleitermaterial bestehen.Bending beam sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor elements are made of a semiconductor material consist. Biegebalkensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken durch zusätzliche Verstrebungselemente (80) am freien Ende versteift ist.Bending beam sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the bending beam by additional bracing elements ( 80 ) is stiffened at the free end. Massenflusssensor mit einem innerhalb eines von flüssigem oder gasförmigen Fluid durchströmbaren Strömungskanals (32) angeordneten Durchflusssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.Mass flow sensor with a flow channel through which liquid or gaseous fluid can flow (US Pat. 32 ) arranged flow sensor according to one of claims 1 to 9. Massenflusssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der als Biegebalkensensor (10) ausgebildete Durchflusssensor einseitig starr an einer Wand des Strömungskanals (32) befestigt ist.Mass flow sensor according to claim 10, characterized in that the bending beam sensor ( 10 ) formed flow sensor on one side rigidly on a wall of the flow channel ( 32 ) is attached. Massenflusssensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenflusssensor (30) wenigstens einen weiteren Biegebalkensensor (10) aufweist, der außerhalb des Strömungskanals (32) angeordnet ist und als Referenzsensor fungiert.Mass flow sensor according to claim 10 or 11, characterized in that the mass flow sensor ( 30 ) at least one further bending beam sensor ( 10 ), which outside the flow channel ( 32 ) and acts as a reference sensor. Massenflusssensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistiven Sensorelemente der beiden Biegebalkensensoren (10) jeweils in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung (22) verschaltet sind.Mass flow sensor according to one of claims 10 to 12, characterized in that the piezoresistive sensor elements of the two bending beam sensors ( 10 ) each in a Wheatstone bridge circuit ( 22 ) are interconnected. Verfahren zur Herstellung eines Biegebalkensensors zur Durchfluss- bzw. Strömungsmessung in gasförmigen oder flüssigen strömenden Medien, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem auf ein Halbleitersubstrat (50) in aufeinander folgenden Verfahrensschritten zwei als piezoresistive Widerstandsbereiche (56, 62) fungierende und durch Isolatorschichten vom Halbleitersubstrat (50) bzw. voneinander getrennte Halbleiterschichten (54, 60) aufgebracht werden, wobei die piezoresistiven Widerstandsbereiche (56, 62) jeweils mittels eines Implantationsverfahrens definiert werden, wonach zur Ausbildung eines Biegebalkensensors (10) ein Teil des Halbleitersubstrats (50) entfernt wird.Method for producing a bending beam sensor for flow or flow measurement in gaseous or liquid flowing media, in particular according to one of claims 1 to 6, in which a semiconductor substrate ( 50 ) in successive process steps two as piezoresistive resistance regions ( 56 . 62 ) and by insulator layers of the semiconductor substrate ( 50 ) or separate semiconductor layers ( 54 . 60 ), wherein the piezoresistive resistance regions ( 56 . 62 ) are each defined by means of an implantation method, according to which, in order to form a bending beam sensor ( 10 ) a part of the semiconductor substrate ( 50 ) Will get removed. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Zuleitungen zu den piezoresistiven Widerstandsbereichen (56, 62) nach dem Implantationsverfahren durch Zufuhr von Energie aktiviert werden.Method according to Claim 14, in which the leads to the piezoresistive resistance regions ( 56 . 62 ) are activated by the introduction of energy after the implantation procedure. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der Halbleiterwafer (50) nach dem Herstellen der Biegebalkensensoren (10) mechanisch oder mittels eines Ätzverfahrens vereinzelt wird.Method according to Claim 14 or 15, in which the semiconductor wafer ( 50 ) after producing the bending beam sensors ( 10 ) is separated mechanically or by means of an etching process. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem in die Biegebalken Perforationslöcher (40) zur Verkürzung der Dauer des Freistellens durch isotropes Ätzen eingebracht werden.Method according to one of claims 14 to 16, in which perforation holes (in the bending beam ( 40 ) are introduced to shorten the duration of the release by isotropic etching.
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