DE4338890A1

DE4338890A1 - Massenflußsensor

Info

Publication number: DE4338890A1
Application number: DE4338890A
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Kleinhans; Jiri Dr Ing Marek; Botho Dipl Phys Ziegenbein; Frank Dipl Phys Bantien; Guenther Dipl Ing Findler; Michael Dr Ing Offenberg; Eckart Reihlen; Uwe Konzelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-02-25
Filing date: 1993-11-13
Publication date: 1994-09-01
Also published as: DE4338891A1; US5467649A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Massenflußsensor nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus der EP 330 105 A2 ist bereits ein Massenflußsensor mit einem Meßelement auf einer Membran bekannt, wobei das Meßelement gegenüber dem strömenden Medium eine höhere Temperatur aufweist. Aus dem Wärmeübergang in das Medium wird die Stärke der Strömung gemessen. Die Membran wird dabei auf einem Rahmen gehalten. Der Rahmen ist aus einem einkristallinen Silizium plättchen durch Einbringen einer Ausnehmung in die Rückseite des Siliziumplättchens ausgebildet. Dazu wird ein Siliziumplättchen mit einer 100-orientierten Ober- und Unterseite verwendet. Auf der Unterseite des Siliziumplättchens bilden die Ränder der Ausnehmung ein Rechteck, wobei die Ränder jeweils parallel zu 100-Kristall richtungen des Siliziumeinkristalls sind. Die Wände der Ausnehmung werden so durch 111-Kristallebenen des Siliziumeinkristalls ge bildet, die einen Winkel von ca. 54,7° zur 100-Unterseite des Siliziumplättchens aufweisen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßen Massenflußsensoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs haben demgegenüber den Vorteil, daß der Rahmen besonders schmal ausgestaltet wird. Der Flächenbedarf für den Rahmen wird daher besonders gering, so daß bei der Her stellung einer Vielzahl von Massenflußsensoren aus einem Wafer mehr Sensoren pro Waferfläche herstellbar sind.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Massenflußsensors möglich. Besonders gering wird der Flächenbedarf bei der Verwendung eines 110-orientierten Siliziumwafers, da so alle vier Seitenwände senkrecht zur Wafer oberfläche ausgestaltet sind. Bei der Verwendung eines 100-orientierten Wafers lassen sich bei der Verwendung einer Aus nehmung, deren Ränder ein Sechseck bilden gegenüber einer Ausnehmung mit einem Viereck ebenfalls Flächenvorteile erzielen. Weiterhin ist die so gebildete Membran symmetrisch ausgestaltet.

Zeichnungen

In den Fig. 1 und 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Er findung mit einem 110-orientierten Siliziumplättchen und in den Fig. 3 bis 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem 100-orientierten Siliziumplättchen gezeigt.

Beschreibung der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Er findung gezeigt. Die Fig. 1 stellt eine Unteransicht auf den Massenflußsensor, ausgehend von der Linie I-I der Fig. 2 dar. Die Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Sensor nach Fig. 1 entlang der Linie II-II. Der Sensor weist einen Rahmen 3 auf, auf dem die Membran 2 aufgespannt ist. Auf der Membran 2 ist ein Meßelement 1 angeordnet. Auf der Oberseite der Membran 2 strömt ein Medium ent lang. Das Meßelement wird auf einer Temperatur gehalten, welche höher ist als die Temperatur des Mediums. Durch Messung des Wärme überganges vom Meßelement 1 zum Medium kann so die Stärke der Strömung bestimmt werden. Das Meßelement 1 kann dabei einfach aus einem temperaturabhängigen Widerstand bestehen, welcher durch einen Strom erwärmt wird und dessen Widerstand gemessen wird. Ebensogut kann das Meßelement 1 auch aus einem Heizer und zusätzlichen Tempe ratursensoren bestehen. Zur Herstellung dieses Massenflußsensors wird von einem Siliziumplättchen 4 ausgegangen. Auf der Oberseite dieses Siliziumplättchens 4 wird eine dünne Schicht für die Membran 2 abgeschieden. Dabei kann es sich sowohl um eine Siliziumschicht, wie auch um dielektrische Schichten aus Siliziumoxid oder Silizium nitrid handeln. Weiterhin werden die Strukturen für das Meßelement 1 aufgebracht. Ausgehend von der Unterseite des Siliziumplättchens 4 wird dann die Ausnehmung 5 eingebracht. Dies erfolgt durch Auf bringen einer Ätzmaske. Bei einer Ätzmaske handelt es sich um eine ätzresistente Schicht, die in den Bereichen, wo eine Ätzung des Siliziumplättchens 4 erfolgen soll wieder entfernt wird. Beim Beauf schlagen mit einem Ätzmedium, hier insbesondere einer flüssigen anisotropen Ätze, wie beispielsweise Natrium- oder Kalilauge, werden dann nur die freiliegenden Siliziumbereiche geätzt. Wenn die sich dabei ausbildenden Seitenwände der Ausnehmung 5 nicht rechtwinklig zur Unterseite des Siliziumplättchens 4 sind, so wird der Rahmen auf der Oberseite des Siliziumplättchens 4 breiter ausgebildet als auf der Unterseite, so daß bei einer bestimmten gewünschten Größe der Membran 2 das gesamte Siliziumplättchen 4 entsprechend größer ausge bildet sein muß, um auf der Unterseite eine gewisse Mindestdicke des Rahmens zu garantieren. Wenn die Seitenwände der Ausnehmung 5 senk recht zur Unterseite des Siliziumplättchens 4 sind, ist der Rahmen 3 über den gesamten Querschnitt gleich dick ausgebildet, so daß bei vorgegebener Größe der Membran 2 eine geringere Fläche für das Siliziumplättchen 4 benötigt wird. In der Regel wird eine Vielzahl von Massenflußsensoren gleichzeitig auf einem Siliziumwafer ge fertigt und dann durch Zersägen des Siliziumwafers die einzelnen Massenflußsensoren vereinzelt. Zweckmäßigerweise ist dabei der Säge schnitt zum Vereinzeln der Sensoren senkrecht zur Oberfläche des Wafers. Da bei der in der Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausge staltung des Massenflußsensors die Seitenwände der Ausnehmung 5 parallel zu den Schnittwänden sind, kann ein entsprechender Vorhalt beim Zerteilen des Siliziumwafers in einzelne Massenflußsensoren besonders gering gehalten werden. Die hier gezeigte Ausgestaltung der Ausnehmung 5 geht von einem Siliziumplättchen 4 aus, dessen Oberseite und Unterseite in 110-Kristallrichtung orientiert sind. Die Ausnehmung 5 weist auf der Unterseite des Siliziumplättchens 4 einen ersten Rand 201 auf, der mit einem Winkel von ca. 109,5° zu einem zweiten Rand 202 orientiert ist, der zweite Rand 202 ist mit einem Winkel von 70,5° zu einem dritten Rand 203 orientiert, der dritte Rand 203 ist ist mit einem Winkel von 109,5° zu einem vierten Rand 204 orientiert und dieser weist wieder einen Winkel von 70,5° zum ersten Rand 201 auf. Die vier Ränder 201, 202, 203, 204 liegen dabei jeweils in 111-Kristallebenen des Siliziumeinkristalls, die senkrecht zur 110-Oberfläche des Siliziumplättchens 4 orientiert sind.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II.

In den Fig. 3, 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors gezeigt. Die Fig. 4 zeigt dabei einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV und die Fig. 5 einen Quer schnitt entlang der Linie V-V der Fig. 3. Die Fig. 3 zeigt eine Unteransicht des Sensors ausgehend von der Linie III-III der Fig. 4. Die bereits aus den Fig. 1 und 2 bekannten Elemente sind wieder mit dem gleichen Bezugszeichen versehen und üben die gleiche Funktion aus. Im Unterschied zu den Fig. 1 und 2 wird hier jedoch eine Ausnehmung 5 verwendet, die auf der Unterseite des Silizium plättchens 4 eine sechseckige Form aufweist. Ein erster Rand 101 bildet einen Winkel von 90° zum zweiten Rand 102, der zweite Rand 102 bildet einen Winkel von 135° zum dritten Rand 103, der dritte Rand 103 bildet einen Winkel von 135° zum vierten Rand 104, der vierte Rand 104 bildet einen Winkel von 90° zum fünften Rand 105, der fünfte Rand 105 bildet einen Winkel von 135° zum sechsten Rand 106 und der sechste Rand 106 bildet eine Winkel von 135° zum ersten Rand 101. Die Oberseite und Unterseite des Siliziumplättchens 4 sind hier in 100-Richtung orientiert. Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, liegen die Ränder 103 und 106 jeweils auf 100-Ebenen des Silizium einkristalls, die senkrecht zur 100-Oberseite und Unterseite des Siliziumplättchens 4 ausgerichtet sind. Die vier Ränder 101, 102, 104 und 105 liegen jeweils auf 111-Kristallebenen, die einen Winkel von ca. 54,74° zur 100-Oberfläche des Siliziumplättchens 4 auf weisen. Eine entsprechende Seitenwand, die von dem Rand 101 ausgeht, ist in der Fig. 5 dargestellt. Da auch hier der Rahmen 3 zumindest in der Nähe der Ränder 103 und 106 sehr dünn ausgestaltet werden kann, wird auch hier ein geringerer Platzverbrauch ermöglicht, als wenn alle Seitenwände in einem schrägen Winkel zur Unterseite orientiert wären. Es wird somit wiederum bei der Herstellung einer Vielzahl von Sensoren aus einem Siliziumwafer die Nutzung der Wafer oberfläche verbessert und so eine Verringerung der Kosten pro Einzelsensor erreicht.

Claims

1. Massenflußsensor mit einem Meßelement (1) auf einer Membran (2), wobei das Meßelement (1) gegenüber dem Medium eine höhere Temperatur aufweist und aus dem Wärmeübergang in das Medium die Stärke der Strömung des Mediums mißt, wobei die Membran (2) in einem Rahmen (3) gehalten ist, der als einkristallines Siliziumplättchen (4) mit einer Ausnehmung (5) in der Rückseite ausgebildet ist, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ausnehmung (5) Seitenwände aufweist, die senk recht zur Unterseite des Siliziumplättchens (4) sind.

2. Massenflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite der Siliziumplatte (4) eine 100-Fläche ist, daß die Ränder (101 bis 106) der Ausnehmung (5) auf der Rückseite der Siliziumplatte (4) ein Sechseck bildet, daß der erste Rand (101) einen Winkel von 90° zum daran anschließenden zweiten Rand (102) bildet, daß der zweite Rand (102) einen Winkel von 135° zum daran anschließenden dritten Rand (103) bildet, daß der dritte Rand (103) einen Winkel von 135° zum daran anschließenden vierten Rand (104) bildet, daß der vierte Rand (104) einen Winkel von 90° zum daran anschließenden fünften Rand (105) bildet, daß der fünfte Rand (105) einen Winkel von 135° zum daran anschließenden sechsten Rand (106) bildet, daß der sechste Rand (106) einen Winkel von 135° zum ersten Rand (101) bildet, daß der erste, zweite, vierte und fünfte Rand (101, 102, 104, 105) auf einer jeweils einer 111-Fläche der Siliziumplatte (4) liegen, wobei diese 111-Flächen einen Winkel von ca. 54,7° zur 100-Unterseite der Siliziumplatte (4) bilden, und daß der dritte und der sechste Rand (103, 106) auf je weils einer 100-Fläche liegen, die senkrecht zur 100-Unterseite der Siliziumplatte (4) sind.

3. Massenflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite der Siliziumplatte (4) eine 110-Fläche ist, daß die Ränder (201 bis 204) der Ausnehmungen (5) auf der Unterseite der Siliziumplatte (4) ein Parallelogramm bildet, daß der erste Rand (201) einen Winkel von ca. 109,5° zum daran anschließenden zweiten Rand (202) bildet, daß der zweite Rand (202) einen Winkel von ca. 70,5° zum daran anschließenden dritten Rand (203) bildet, daß der dritte Rand (203) einen Winkel von ca. 109,5° zum daran an schließenden vierten Rand (204) bildet, daß der vierte Rand (204) einen Winkel von ca. 70,5° zum ersten Rand (201) bildet, und daß die Ränder (201 bis 204) auf jeweils einer 111-Fläche der Siliziumplatte (4) liegen, die senkrecht zur 110-Unterseite der Siliziumplatte (4) sind.