DE20122320U1

DE20122320U1 - Flußsensor für Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE20122320U1
Application number: DE20122320U
Authority: DE
Original assignee: Sensirion AG
Current assignee: Sensirion Holding AG
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2011-04-24

Abstract

Flusssensor für eine Flüssigkeit mit einem Halbleiterbaustein (1), auf welchem mindestens ein Temperatursensor (6a, 6b) und eine Wärmequelle (5) integriert sind, gekennzeichnet durch ein Rohrstück (2) zum Führen der Flüssigkeit, wobei der Halbleiterbaustein (1) auf einer Aussenseite des Rohrstücks (2) angeordnet ist, und wobei der Temperatursensor (6a, 6b) und die Wärmequelle (5) mit der Aussenseite des Rohrstücks (2) in thermischen Kontakt stehen.

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft einen Flusssensor für eine Flüssigkeit gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Es ist bekannt, die Flussgeschwindigkeit bzw. den Massenfluss einer Flüssigkeit 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 über den Temperatursensor bzw. die Temperatursensoren gemessen werden kann.
Halbleiterbausteine dieser Art sind jedoch empfindlich. Im Kontakt mit Flüssigkeiten kommt es leicht zu unerwünschter Diffusion von Stoffen, die die Eigenschaften des Bausteins beeinflussen. Ausserdem kann mechanische Beanspruchung das Bauteil beschädigen. Deshalb müssen die Halbleiterbausteine in aufwendiger Weise z.B. durch Schutzschichten geschützt werden.
Darstellung der Erfindung
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Flusssensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine Vielzahl von verschiedensten Flüssigkeiten messen kann, robust ist und in einfacher Weise hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird vom Flusssensor gemäss Anspruch 1 erfüllt.
Erfindungsgemäss wird der Halbleiterbaustein also an der Aussenseite eines Rohrstücks angeordnet, und zwar derart, dass er mit dieser Aussenseite in thermischem Kontakt steht. Überraschenderweise zeigt es sich, dass eine derartige Anordnung immer noch genaue und empfindliche Messungen erlaubt. Da die Flüssigkeit im Rohrstück geführt wird und nicht mit dem Halbleiterbaustein bzw. mit dessen Passivierungsschichten in Kontakt kommt, können Schäden vermieden werden.
Der Halbleiterbaustein kann z.B. in direktem thermischen Kontakt mit der Rohraussenseite stehen, oder er kann mit dieser über Wärmeleitelemente, z.B. aus Metall, verbunden sein. Zwischen dem Rohrstück und dem Halbleiterbaustein kann auch eine adhäsive Schicht angeordnet werden, z.B. aus einem Lot, oder es kann Wärmeleitpaste verwendet werden.
Das Rohrstück kann z.B. aus Glas oder Metall sein, wobei Metall wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit bevorzugt wird. Andere Materialien, wie z.B. Kunststoff, sind jedoch auch denkbar.
Das Rohrstück kann einteilig sein oder aus mehreren einzelnen Rohrstücken bestehen.
Um einen besseren Wärmekontakt zu gewährleisten, kann die Aussenseite des Rohrs im Bereich des Halbleiterbausteins abgeflacht ausgestaltet werden und/oder das Rohr weist einen verdünnten Wandbereich auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erste Ausführung des Flusssensors,
2 einen Schnitt entlang Linie II–II von 1,
3 eine Draufsicht auf den Halbleiterbaustein des Flusssensors,
4 eine Seitenansicht eines Flusssensors mit Wärmeleitelementen,
5 einen Schnitt durch eine dritte Ausführung des Flusssensors,
6 einen Schnitt entlang Linie VI–VI von 5,
7 einen Schnitt durch eine vierte Ausführung des Flusssensors,
8 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführung des Flusssensors,
9 einen Schnitt durch eine sechste Ausführung des Flussensors und
10 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführung des Halbleiterbausteins.
Wehe zur Ausführung der Erfindung
Der Grundaufbau des Flusssensors ergibt sich aus dem in 1 – 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel. Er besteht aus einem Halbleiterbaustein 1, der an der Aussenseite eines Rohrstücks 2 angeordnet ist, durch welches die zu messende Flüssigkeit strömt. Zur Fixierung des Halbleiterbausteins 1 am Rohrstück 2 ist in dieser Ausführung eine ausgehärtete Klebemasse 3 vorgesehen.
Wie insbesondere aus 3 ersichtlich, besteht der Halbleiterbaustein 1 aus einem Substrat 1a, auf welchem eine Wärmequelle 5 in Form eines integrierten Widerstands angeordnet ist. In Flussrichtung der Flüssigkeit vor und hinter der Wärmequelle 5 sind zwei Temperatursensoren 6a, 6b vorgesehen. In der vorliegenden bevorzugten Ausführung sind die Temperatursensoren als Thermosäulen ausgestaltet.
Im Substrat 4 ist eine Öffnung 7 ausgeätzt, die von einer dünnen dielektrischen Membran 8 überdeckt ist. Die Wärmequelle 5 sowie die wärmequellen-seitigen Kontaktreihen der Thermosäulen 6a, 6b sind auf der Membran 8 angeordnet. Durch diese Anordnung wird die Wärmeleitung zwischen der Wärmequelle 5 und den Temperatursensoren reduziert.
Die Wärmequelle 5 und die Thermosäulen 6a, 6b sind auf ihrer Oberseite mit einer dielektrischen Passivierungsschicht (nicht gezeigt) z.B. aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid versehen.
Die Wärmequelle 5 und zumindest die inneren Kontaktreihen der Thermosäulen 6a, 6b bzw. deren Passivierungsschicht stehen in thermischem Kontakt mit der Aussenseite des Rohrs 2. Sie können die Aussenseite des Rohrs direkt berühren oder von dieser durch eine dünne Schicht aus adhäsivem Material, Wärmeleitpaste oder Lot getrennt sein.
Auf dem Substrat 4 ist ferner eine Auswerteelektronik 10 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 sind Anschlusspads 11 vorgesehen.
Die Auswerteelektronik 10 ist ausgestaltet, um die Wärmequelle 5 mit konstantem Strom, konstanter Temperatur oder konstanter Spannung zu betreiben. Ferner misst sie den Unterschied Δ der Temperaturdifferenzen über den Thermosäulen 6a, 6b. Da die äusseren Kontaktreihen der Thermosäulen 6a, 6b im wesentlichen auf gleicher Temperatur liegen, entspricht der Unterschied Δ im wesentlichen dem Temperaturunterschied an den inneren Kontaktreihen.
Im Betrieb erzeugt die Wärmequelle 5 eine Temperaturverteilung in der Wand des Rohrs 2. Durch den Fluss der Flüssigkeit im Rohr 2 wird diese Temperaturverteilung asymmetrisch, so dass der Unterschied Δ der Temperaturdifferenzen ein Mass für die Flussgeschwindigkeit ist.
Das Rohrstück 2 ist unabhängig vom Halbleiterbaustein 1 gefertigt und selbsttragend. Es besteht vorzugsweise aus Metall und besitzt eine Wandstärke von möglichst weniger als 0.5 mm, so dass eine gute Empfindlichkeit erreicht wird. Es zeigt sich jedoch, dass dank der hohen Sensitivität des Halbleiterbausteins auch Rohrstücke mit dickeren Wandungen verwendet werden können.
Es können auch Rohre aus Glas oder Kunststoff verwendet werden.
Eine zweite Ausführung der Erfindung wird in 4 dargestellt. Hier liegt der Halbleiterbaustein 1 nicht direkt an der Aussenseite des Rohrstücks 2 auf. Vielmehr sind zwischen dem Halbleiterbaustein 1 und dem Rohr 2 drei Wärmeleitelemente 12 angeordnet. Dabei kann es sich z.B. „Metallbumps" handeln, d.h. um Erhebungen aus Metall, vorzugsweise aus Gold oder Kupfer, die je über den inneren Kontaktreihen der Thermosäulen 6a, 6b und der Heizung 5 liegen und mit diesen je einen thermischen Kontakt bilden. Die Anordnung gemäss 4 hat den Vorteil, dass der Halbleiterbaustein 1 mit dem Rohrstück 2 nur an wohldefinierten Stellen in thermischem Kontakt steht.
Der Halbleiterbaustein gemäss 4 kann wie jener gemäss 1 auch mit einer Klebemasse bedeckt werden.
5 und 6 zeigen eine weitere Ausführung der Erfindung, wobei der Halbleiterbaustein 1 von einem Gehäuse 13 geschützt wird. Das Gehäuse 13 besteht vorzugsweise aus Kunststoff und besitzt z.B. eine geeignete Vertiefung zur Aufnahme des Halbleiterbausteins 1. Der Halbleiterbaustein 1 ist über Bonddrähte 18 mit einer gedruckten Schaltung 15 verbunden. Die gedruckte Schaltung 15 dient zur Montage von Anschlussdrähten 16 and ist mit dem Gehäuse 13 mechanisch verbunden, so dass an den Anschlussdrähten 16 angreifende Kräfte nicht direkt auf den Halbleiterbaustein 1 übertragen werden können.
Zum Abdecken des Halbleiterbausteins 1 und zum Befestigen des Gehäuses 13 am Rohr 2 ist wiederum ein Kleber 3 vorgesehen.
In den obigen Beispielen besitzt das Rohrstück 2 eine zylindrische Aussenfläche. Um eine möglichst gute Wärmeübertragung zwischen Halbleiterbaustein 1 und Rohrstück 2 zu erreichen, ist die Aussenfläche des Rohrstücks 2 im Bereich des Halbleiterbausteins 1 vorzugsweise jedoch abgeflacht ausgestaltet.
Zwei entsprechende Ausführungsbeispiele sind in 7 und 8 dargestellt. Im Beispiel nach 7 ist das Rohrstück 2 zylindrisch, wurde aber in einem Bereich 17 abgeflacht.
In 8 ist das Rohrstück 2 im wesentlichen rechteckig und weist eine Vertiefung 19 auf, in welcher der Halbleiterbaustein 1 angeordnet wird. Im Bereich der Vertiefung 19 weist das Rohrstück 2 eine geringere Wandstärke auf als an den übrigen Wänden. Durch diese Anordnung ist der Halbleiterbaustein 1 besser geschützt und der Wärmewiderstand der Wandung des Rohrstücks 2 ist geringer. Mit anderen Worten weist das Rohrstück 2 also Wandbereiche unterschiedlicher Dicke auf, wobei der Halbleiterbaustein 1 an demjenigen Wandbereich angeordnet ist, der die geringste Dicke besitzt.
In den soweit dargstellten Ausführungsbeispielen ist das Rohr 2 einstückig dargestellt, d.h. der Querschnitt des Rohrs im Bereich des Sensors wird von einem Teil gebildet. Das Rohr 2 kann jedoch auch mehrstückig aufgebaut sein, so dass die den Rohrquerschhnitt bildenden Rohrwände aus mehreren Teilen gebildet sind.
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 9 dargestellt. Hier wird das Rohr 2 von einem ersten Rohrteil 2a und einem zweiten Rohrteil 2b gebildet. Rohrteil 2b besteht aus einem Materialblock, in welchem eine Vertiefung bzw. Nut 20 angeordnet ist. Rohrteil 2a besitzt die Form einer dünnen Platte oder Folie und erstreckt sich über die Nut 20. Der Halbleiterbaustein 1 steht mit Rohrteil 2a in thermischen Kontakt und ist auf dessen Aussenseite angeordnet.
Bei dieser Ausführung bildet Rohrteil 2a also eine Wand des Rohrs 2 und trennt dessen Innenraum vom Halbleiterbaustein 1.
Die Ausführung nach 9 besitzt verschiedene Vorteile. Insbesondere kann Rohrteil 2a separat von Rohrteil 2b gefertigt werden. Dies erlaubt es, Rohrteil 2a als Platte oder Folie mit sehr gut definierter Dicke zu fertigen. Da Rohrteil 2a separat gefertigt wird, muss er selbsttragend sein.
Rohrteil 2a kann nach seiner Fertigung dichtend mit Rohrteil 2b verbunden werden, z.B. durch Kleben oder Schweissen. Der unabhängig von Rohrteil 2a gefertige Halbleiterbaustein 1 wird vor oder nach dem Verbinden der Rohrteile 2a und 2b am Rohrteil 2a befestigt.
Vorzugsweise besteht Rohrteil 2a aus einem Kunststoff, wie z.B. PEEK (Polyetheretherketon), Teflon Polyaryl-Sulfon (PSU) oder Polyimid. Seine Dicke ist gegeben durch die gewünschte Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Damit er selbsttragend ist, sollte er jedoch eine Dicke von mindestens 10 μm, vorzugsweise mindestens 25 μm, aufweisen.
Ein weiterer Vorteil der Ausführung gemäss 9 liegt darin, dass das Rohrinnere bei der Herstellung zugänglich ist und somit in einfacher Weise ganz oder teilweise beschichtet werden kann, z.B. mit einer härtenden, anti-haftenden und/oder passivierenden Beschichtung, beispielsweise DLC (Diamond Like Carbon). Sowohl Rohteil 2a, als auch Rohrteil 2b können beschichtet sein.
Ein zusätzlicher Vorteil einer separaten Fertigung mehrerer Rohrteile 2a, 2b liegt darin, dass der Rohrteil 2a, der den Halbleiterbaustein 1 vom Innern des Rohrs trennt, im Hinblick auf einen gewünschten Messbereich bzw. ein gewünschtes Messmedium gezielt ausgewählt werden kann.
Ausserdem ermöglicht die Verwendung mehrerer Rohrteile den Einsatz unterschiedlicher Materialien, so dass z.B. Rohrteil 2a aus Kunststoff und Rohrteil 2b aus Metall sein kann.
Bei der Ausführung nach 9 heisst dies beispielsweise, dass verschiedene Platten bzw. Folien unterschiedlicher Dicke als Rohrteil 2a bereitgestellt werden. Abhängig vom Messbereich und/oder dem zu messenden Medium wird sodann die Dicke gewählt, die es erlaubt, die Dynamik des Halbleiterbausteins 1 voll auszunutzen bzw. den Messbereich anzupassen.
In den obigen Ausführungsbeispielen werden symmetrisch aufgebaute Sensoranordnungen mit zwei Temperatursensoren 6a, 6b verwendet. Es ist jedoch auch denkbar, nur einen Temperatursensor zu verwenden, wobei jedoch eine Anordnung mit zwei Temperatursensoren höhere Empfindlichkeit und Genauigkeit besitzt.
In der in 3 gezeigten Ausführung des Halbleiterbausteins 1 ist eine Öffnung 7 und eine Membran 8 vorgesehen, auf welcher sowohl die Heizung 5 als auch die inneren Kontakte der Thermosäulen 6a, 6b liegen. Eine alternative Ausführung ist in 10 dargestellt. Hier sind drei Öffnungen im Halbleiterbaustein 1 vorgesehen, von denen die-mittlere unter der Heizung 5 und die äusseren unter den äusseren Kontaktreihen der Thermosäulen 6a, 6b liegen, und die jeweils von Membranen 8a, 8b und 8c überdeckt sind. Auch bei dieser Architektur ergibt sich eine gute thermische Isolation zwischen den Temperatursensoren und der Heizung.
Es ist auch denkbar, auf die Verwendung von Öffnungen und Membranen im Halbleiterbaustein zu verzichten und die Heizung sowie die Kontaktreihen der Thermoelemente über dem vollen Substrat anzuordnen. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Bausteins zwar reduziert, die mechanische Stabilität jedoch erhöht.
Bei der Herstellung des Sensors werden separat voneinander der Halbleiterbaustein 1 und der Rohrabschnitt 2 bzw. die beiden Rohrteile 2a, 2b gefertigt. Sodann werden die Teile zusammengefügt. Bei der Ausführung nach 9 können dabei entweder zuerst die beiden Rohrteile 2a, 2b miteinander verbunden werden, oder es ist auch möglich, den Rohrteil 2a nach seiner Fertigung zuerst mit dem Halbleiterbaustein 1 zu verbinden, und erst dann den Halbleiterbaustein 1 mit dem ersten Rohrteil 2a am zweiten Rohrteil zu befestigen.
Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese Beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Flusssensor für eine Flüssigkeit mit einem Halbleiterbaustein (1), auf welchem mindestens ein Temperatursensor (6a, 6b) und eine Wärmequelle (5) integriert sind, gekennzeichnet durch ein Rohrstück (2) zum Führen der Flüssigkeit, wobei der Halbleiterbaustein (1) auf einer Aussenseite des Rohrstücks (2) angeordnet ist, und wobei der Temperatursensor (6a, 6b) und die Wärmequelle (5) mit der Aussenseite des Rohrstücks (2) in thermischen Kontakt stehen.
Flusssensor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Temperatursensor (6a, 6b) und die Wärmequelle (5) in direktem Kontakt mit der Aussenseite des Rohrstücks (2) stehen.
Flusssensor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Temperatursensor (6a, 6b) und die Wärmequelle über Wärmeleitelemente (12), insbesondere über metallische Wärmeleitelemente, mit der Aussenseite des Rohrstücks (2) in Kontakt stehen.
Flusssensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei zwischen dem Halbleiterbaustein (1) und dem Rohrstück (2) eine adhäsive Schicht angeordnet ist.
Flusssensor nach Anspruch 4, wobei die adhäsive Schicht ein ausgehärtetes Lot ist.
Flusssensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei zwischen dem Halbleiterbaustein (1) und dem Rohrstück (2) Wärmeleitpaste angeordnet ist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterbaustein (1) auf das Rohrstück (2) geklebt ist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (2) aus Metall ist und/oder eine Wandstärke von höchstens 0.5 mm aufweist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Halbleiterbaustein mindestens eine Vertiefung oder Öffnung (7) angeordnet ist, über der eine Membran (8; 8a, 8b) angeordnet ist, und dass der mindestens eine Temperatursensor (6a, 6b) und die Wärmequelle (5) auf der Membran (8; 8a, 8b) angeordnet sind.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwei Temperatursensoren (6a, 6b) auf dem Halbleiterbaustein (1) angeordnet sind und dass die Wärmequelle (5) zwischen den Temperatursensoren (6a, 6b) angeordnet ist, und/oder dass auf dem Halbleiterbaustein (1) eine Auswerteelektronik (10) für Signale des Temperatursensors bzw. der Temperatursensoren angeordnet ist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aussenseite des Rohrstücks (2) im Bereich (17) des Halbleiterbausteins (1) abgeflacht ist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Rohrstück (2) an seiner Aussenseite eine Vertiefung (19) aufweist, in welcher der Halbleiterbaustein (1) angeordnet ist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohstück (2) einstückig ist.
Flusssensor nach einem der Ansprüche 1 – 12, wobei das Rohrstück (2) mehstückig ist und mehrere Rohrteile (2a, 2b) aufweist, wobei der Halbleiterbaustein (1) mit einem ersten (2a) der Rohrteile in thermischen Kontakt steht.
Flusssensor nach Anspruch 14, wobei der erste Rohrteil (2a) die Form eine Platte oder Folie hat, und sich über eine Vertiefung (20) erstreckt.
Flusssensor nach Anspruch 15, wobei der erste Rohrteil (2a) selbsttragend ist und eine Dicke von mindestens 10 μm, vorzugsweise von mindestens 25 μm aufweist.
Flusssensor nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei der erste Rohrteil aus einem Kunststoff ist.
Flusssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Rohrstück (2) Wandbereiche unterschiedlicher Dicke aufweist, wobei der Halbleiterbaustein am Wandbereiche geringster Dicke angeordnet ist.