(57)【要約】【課題】液状及び／又はガス状の流動媒体の質量流を測定するための流過流量センサとして万能的に使用可能で頑丈でかつできるだけ精度の高い測定値を発信するたわみビームセンサを提供すること。【解決手段】流体流内に配置された、一端で壁に不動に係留されかつ不動に係留された端部に伸び測定装置を有するフレキシブルなビームを有し、伸び測定装置が少なくとも２つのピエゾ抵抗性のセンサエレメントを有していること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレキシブルなビームを有するたわみビームセンサであって、前記ビームが一端で壁に不動に係留されており、前記ビームの自由端部と不動に係留された前記端部との間に伸び測定装置を有している形式のものにおいて、伸び測定装置が少なくとも１つのピエゾ感受性のセンサエレメントを有していることを特徴とする、たわみビームセンサ。
【請求項２】
液状及び／又はガス状の流動媒体の質量流を測定するための流過流量センサとして使用するためのたわみビームセンサであって、流体流の内部に配置されたフレキシブルなビームを有し、該ビームが一端で壁に不動に係留され、該ビームの自由端部と不動に係留された前記端部との間に伸び測定装置を有し、該伸び測定装置が少なくとも２つのピエゾ抵抗性のセンサエレメントを有している、請求項１記載のたわみビームセンサ。
【請求項３】
たわみビームセンサの構造が中央面に対し対称的である、請求項２記載のたわみビームセンサ。
【請求項４】
少なくとも２つのセンサエレメントがビームの対向する側に配置されている、請求項２又は３記載のたわみビームセンサ。
【請求項５】
少なくとも２つのセンサエレメントがホイートストーンブリッジ回路（２２）に回路接続されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のたわみビームセンサ。
【請求項６】
たわみビームが不活性化層により完全に取囲まれている、請求項１から５までのいずれか１項記載のたわみビームセンサ。
【請求項７】
センサエレメントがカプセル内に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のたわみビームセンサ。
【請求項８】
センサエレメントが半導体材料から成っている、請求項１から７までのいずれか１項記載のたわみビームセンサ。
【請求項９】
たわみビームが付加的な補強エレメントによって自由端部にて補強されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のたわみビームセンサ。
【請求項１０】
液状又はガス状の流体が流過可能な流動通路（３２）内に配置された、請求項１から９までのいずれか１項に記載した流過流量センサを有することを特徴とする質量流センサ。
【請求項１１】
たわみビームセンサ（１０）として構成された流過流量センサが片側で不動に流動通路（３２）の壁に固定されている、請求項１０記載の質量流センサ。
【請求項１２】
質量流センサ（３０）が、流動通路（３２）の外側に配置されかつ基準センサとして作用する少なくとも１つの別のたわみビームセンサ（１０）を有している、請求項１０又は１１記載の質量流センサ。
【請求項１３】
両方のたわみビームセンサ（１０）のピエゾ抵抗性のセンサエレメントがそれぞれホイートストーンブリッジ回路（２２）に回路接続されている、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の質量流センサ。
【請求項１４】
ガス状又は液状の媒体内で流過流量測定もしくは流量測定する、特に請求項１から６までのいずれか１項記載のたわみビームセンサを製造する方法であって、半導体基板（５０）の上に順次実施される方法ステップで、ピエゾ抵抗性の抵抗領域（５６，６２）として作用する、絶縁層によって半導体基板（５０）からもしくは相互に分離された２つの半導体層（５４，６０）が施され、この場合ピエゾ抵抗性の抵抗領域（５６，６２）がそれぞれインプラント方法によって規定されており、そのあとでたわみビームセンサ（１０）を構成するために半導体基板（５０）の１部を除去することを特徴とする、たわみビームセンサを製作する方法。
【請求項１５】
ピエゾ抵抗性の抵抗領域（５６，６２）への供給導電路を前記インプラント方法のあとでエネルギを供給することで活性化する、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
半導体ウェーハ（５０）がたわみビームセンサ（１０）を製作したあとで機械的に又はエッチング法で個別化する、請求項１４又は１５記載の方法。
【請求項１７】
たわみビームにパーフォレーションホール（４０）を設け、異方性エッチングによる露出の継続が短縮されている、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念によるたわみビームセンサ並びに請求項１０の特徴を有する質量流センサに関する。さらに本発明は請求項１４の特徴を有する流過流測定を行なうためのたわみビームセンサの製法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
流過流測定の場合には単位時間あたり導管横断面を通って流れる液状又はガス状の媒体の質量測定が行なわれる。たいていの公知の方法では容量又は速度測定を介し一次的に容積流が検出され、既知のもしくは別個に測定される必要のある媒体密度で質量流が推論される。測定のためには数多くの種々の方法が公知である。堰止め円板センサを用いた流過流量測定は物体の周囲を流れる媒体が、該物体に対し発生させる力の作用に依拠している。この場合、固持された堰止め円板に対する堰止め力は力補償法に従って測定される。これから流体法則の助けで流過流量が求められる。
【０００３】
液状又はガス状の媒体の質量流はいわゆるたわみビームによっても測定されることができる。この場合にはたわみビームのたわみが検出されることでたわみビームに作用する力が検出される。ビームの変位は例えば公知の伸び測定条片の他にもビームの適宜の部位、有利にはビーム最大たわみ部位にあるピエゾ抵抗性の測定エレメントを用いて検出することができる。この方法でたわみの強さも方向も検出することができる。
【０００４】
ＪＰ６０２５０２５９Ａ号によればたわみビームの上に圧電素子が取付けられ、この圧電素子で、流動する媒体内に配置されたたわみビームのたわみを検出しかつ評価することが公知である。さらにたわみビームを有する類似した流過流量センサはＷＯ００／３９５３７Ａ１号によって公知である。この場合にも、流体の流れ内にあるたわみビームがピエゾ抵抗素子を備え、このピエゾ抵抗素子が流れにおけるビームのたわみを検出し、たわみに関連した信号を別の評価回路へ送信する。
【特許文献１】ＪＰ６０２５０２５９Ａ号
【特許文献２】ＷＯ００／３９５３７Ａ１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は万能的に使用可能でかつ頑丈なたわみビームセンサ、特に流過流量測定するたわみビームセンサであって、できるだけ高精度の測定値を発信するたわみビームセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題は本発明によれば独立請求項に記載されている発明によって解決された。本発明の有利なさらなる構成は従属請求項に記載されている。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１の特徴を有する本発明によるたわみビームセンサは、少なくとも１つのピエゾ抵抗性のセンサエレメントを有する伸び測定装置を有している。このようなたわみビームセンサは特に、液状及び／又はガス状の媒体の質量流を測定する流過流量センサとして適している。このたわみビームセンサもしくは流過流量センサは壁に不動に係留されたたわみビームを有している。このたわみビームは固定的に緊締された端部に伸び測定装置を有している。本発明によればこの伸び測定装置は少なくとも１つの、場合によっては２つ又は３つ以上のピエゾ感受性のセンサエレメントを有している。このピエゾ感受性のセンサエレメントとして又はピエゾ抵抗性又は圧電性のエレメントとして構成されていることができる。有利には少なくとも２つのセンサエレメントがビームの互いに向き合った側に配置されているので、ビームが変形すると一方のセンサが圧縮されかつ他方のセンサが膨脹させられる。これにより、１つのセンサエレメントしか用いない場合よりも正確な測定が実施できる。何故ならばこの場合には例えば温度及び許容誤差の補償が可能であるからである。センサエレメントはビームの中心面に対し有利には対称的に配置されるのでたわみビームにていわゆる零変位は存在しない。
【０００８】
たわみビームセンサが２つ又は３つ以上のセンサエレメントを有していると、これらのセンサエレメントは本発明の１実施例によればホイートストーン（Wheatstone）ブリッジ回路にて互いに回路接続され、これによって高い精度の測定と外部の作用、例えば温度変化又はそれに類似したものによる外部の作用の補償とが可能である。
【０００９】
センサエレメントは適宜な製作方法で半導体基板から製作することができる。この場合、センサエレメントはカプセル化されていると有利である。このカプセル化は例えば適宜の不活性化層で行なうことができる。このような形式で本発明による流過流センサはミクロ流体的なシステムにて質量流センサとして使用することが可能になる。不活性化はセンサを導電性でかつ腐蝕性の媒体においても使用することを可能にする。さらに不活性化によりセンサの測定パラメータの長時間安定性が改善される。
【００１０】
先きに記述した実施例の１つによるたわみビームセンサによっては、たわみビームセンサが流れ通路の内部に配置されることで本発明による質量流センサを製作することが可能になる。この場合、センサは片側で流れ通路の壁に不動に固定され、ガス状又は液状の媒体が流過した場合にビームが変位させられる。この変位はピエゾ抵抗性のセンサエレメントの抵抗測定によって検出されることができる。
【００１１】
本発明による質量流センサの有利な変化実施例によれば、質量流センサが流れ通路の外に配置された少なくとも１つの別のたわみビームセンサを有している。この別のたわみビームセンサは基準センサとして作用し、信号の質をさらに上昇させる。この場合には温度補償はホイートストーンブリッジ回路に接続されたたわみビームセンサのブリッジ総抵抗を介して行なわれる。
【００１２】
ガス状又は液状の流動媒体において流過流もしくは流量測定するためのたわみビームセンサを製造する方法、特に先きに記述した実施形態の１つによるたわみビームセンサを製作する場合には、半導体基板の上に、連続する方法段階で、ピエゾ抵抗性の抵抗領域として働きかつ絶縁層で半導体基板からもしくは相互に分離された２つの半導体層が設けられる。ピエゾ抵抗性の抵抗領域への供給導電路は有利にはそれぞれインプラント法によって規定されている。ピエゾ抵抗性の抵抗領域への供給導電路はインプラント法によれば適宜の形式でエネルギを供給することで活性化される。次いでたわみビームセンサを構成するために半導体基板の１部が除去される。これは有利にはエッチングステップで行なわれる。この場合には同時に複数のチップ領域から成る半導体基板の個別化を行なうことができる。このような形式で鋸断による機械的な個別化が不要になる。これは、このような鋸断中にたわみビームは粒子と鋸断水との作用によってきわめて損傷しやすく、破壊しやすく、汚染されやすく、又粒子によってブロッキングされやすいので、きわめて大きな利点となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図２の切断線Ｉ−Ｉに沿った概略的な断面図である図１には、本発明によるたわみビームセンサ１０の構造が原理的に示されている。このたわみビームセンサ１０は導電性のベース材料１２とピエゾ抵抗性の抵抗領域１４と絶縁層１６とから成っている。この絶縁層１６はベース材料を取囲みかつ上方の導体路層１８と下方の導体路層２０とを相互に分離している。たわみビームセンサ１０はビームの下側だけで緊締されている。
【００１４】
図２の概略的な断面図には図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面が示されている。導体路層１８を１つしか有していない選択的な実施例は図３の概略的な断面で示されている。関連符号２４では例えば導管壁におけるたわみビームセンサ１０の固定的な緊締が示されている。
【００１５】
図４には４つのピエゾ抵抗性の抵抗領域１４を有するたわみビームセンサ１０の実施例が概略的な平面図で示されている。これらの抵抗領域１４は有利には図５に相応してホイートストーンブリッジ回路２２に回路接続されることができる。導体路層１８は絶縁材料１６から成るダイヤフラムで分離されている。導体路層の間の絶縁層並びにセンサ１０を取囲む外套は図４には示されていない。センサ１０を電気的に接触させるための接触接続部は露出していると有利である。
【００１６】
ブリッジ回路２２は図５に相応して４つのピエゾ抵抗性の抵抗領域１４を有している。これらのピエゾ抵抗性の抵抗領域１４は符号Ｒ１２，Ｒ３４，Ｒ５６及びＲ７８で示されている。それぞれ向き合って位置するように配置された抵抗Ｒ１２とＲ３４は上方の導体路層１８を介して第１の接触接続部２６と導電的に接続されている（図４を参照）に対し、同様に向き合って配置された抵抗Ｒ５６とＲ７８は下方の導体路層２０（見えず）を介して第２の接触接続部２８（同様に見えず）と導電的に接続されている。その際、抵抗Ｒ１２とＲ３４はセンサの上側に取付けられ、抵抗Ｒ５６とＲ７８はセンサの下側に取付けられている。供給電圧ＵＥは抵抗Ｒ１２とＲ７８との間もしくは抵抗Ｒ５６とＲ３４との間に供給される。測定電圧ＵＭは抵抗Ｒ１２とＲ５６との間もしくは抵抗Ｒ３４とＲ７８との間で取出される。測定電圧ＵＭは液状又はガス状の媒体の流れ内に存在するたわみビームセンサ１０のたわみ値を送出する。
【００１７】
図６にはピエゾ抵抗性の質量流センサ３０としてのたわみビームセンサ１０の使用例が示されている。この質量流センサ３０は流動通路３２を有し、この流動通路３２を通してガス状又は液状の媒体が流され、この媒体の速度もしくは質量流が測定される。通路３２は質量流センサ３０の下側３４から上側３６まで延びている。さらに下側３４又は上側３６には凹所３８が設けられていることができる。この凹所３８内には別のたわみビームセンサ１０が配置されている。このたわみビームセンサは基準センサとして温度又は構成部材公差等を補償するために用いられる。このためには両方のたわみビームセンサ１０は正確に同じ寸法と同じ層構造を有していなければならない。流動通路３２におけるたわみビームセンサ１０は所望される測定値（測定電圧ＵＭ）を送出する本来の測定たわみビームである。質量流センサ３０は有利な構成では半導体チップとして製作される。
【００１８】
図７においては概略的な平面図で質量流センサ３０と両方のたわみビームセンサ１０との電気的回路接続が原理的に示されている。この場合、絶縁外套は省略されている。たわみビームセンサ１０はこの実施例においてはそれぞれ４つのピエゾ抵抗性の抵抗領域と質量流センサ３０に対するそれぞれ２つの固定点とを有している。さらにたわみビームセンサ１０は一連のパーフォレーションホール４０を備えることができる。このパーフォレーションホール４０の作用と製作とについては後で詳細に説明する。各たわみビームセンサ１０の両方の外側の接触部は相応するビームの下方の導体路へ接続されている。電気的な回路図にはホイートストーンブリッジ回路が示され、このホイートストーンブリッジ回路は流動通路３２を通る流体流に基づく測定ビームのたわみを検出する評価回路として役立つ。ホイートストーンブリッジ回路２２は測定たわみビームの２つのピエゾ抵抗性の抵抗と基準たわみビームの２つのピエゾ抵抗性の抵抗と電圧源ＵＥとから成っている。測定電圧ＵＭは増幅されかつ評価されることができる。
【００１９】
たわみビームセンサ１０の別の択一的な構成は図８に示されている。図を見やすくするために接触接続部としては上側の導体路層１８に対する接触接続部２６だけが示されている。絶縁外套は記入されていない。図示されたセンサ１０は全部で８つのピエゾ抵抗性の抵抗領域１４を有している。図面には導体路がダイヤフラム状の絶縁層１６によって互いに分離されているメアンダ状の導体路層１８が示されている。導体路層１８もピエゾ抵抗性の抵抗領域１４も絶縁層１６も図示の実施例ではそれぞれ多数のパーフォレーションホール４０を備えている。ダイヤフラム状の絶縁層１６は測定ビームセンサと結合されていない補強エレメント８０によって補強されていることができる。この補強エレメント８０は導体路層１８と同じ材料から成っている。この補強の目的はピエゾ抵抗性の抵抗領域１４の範囲における懸垂点における最大のたわみと自由端における最小のたわみである。
【００２０】
図示されたすべての変化実施例ではたわみビームセンサ１０の選択的に決定された領域もしくは区分は、補強作用を達成するために太く構成されていることができる。
【００２１】
本発明による質量流センサ３０を製作しかつ個別化するためのプロセス経過の１例を、以下図９から図１９までに基づき説明する。
【００２２】
まずシリコンウェーハ５０の上に特に酸化シリコンから成る絶縁層５２が形成される（図１）。この絶縁層は例えば析出されるか又はシリコンウェーハ５０の酸化によってシリコンウェーハ５０の上に形成される。活性化のためには窒化シリコン層が析出される。この層は裏面側にて片側エッチングにより再びシリコンウェーハ５０から除去される。酸化シリコン及び／又は窒化シリコンから成る絶縁層５２の上には次いで適当なエピタキシ法で半導体層５４、特にポリシリコン層が析出される。
【００２３】
インプラントマスクを通して局所的に、適当な材料、例えば砒素のインプラントによって、下側の導体路層２０のピエゾ抵抗性の抵抗領域５６に対する給電領域がインプラントされ、ピエゾ抵抗領域５６が規定される（図１０）。次いで例えばフォトラックから成るインプラントマスクは再び除去される。
【００２４】
そのあとで別の絶縁層５８が析出される（図１１）。このためには同様に酸化シリコンを使用することができる。この絶縁層５８もウェーハ裏面側から除去される。この別の絶縁層５８の上にもウェーハ裏面側からエピタキシにより、別の半導体層６０が、特にこの場合にもポリシリコン層が形成、例えば析出される（図１２）。ピエゾ抵抗性の抵抗領域１２の外側に給電領域をインプラントすることで上方の導体路１８が規定される。
【００２５】
図９から１２と関連して記述したプロセスステップと択一的に、適宜のプロセス化により単結晶のシリコンの２つの層と酸化シリコンの２つの層とをシリコンウェーハ５０の上に形成することもできる。
【００２６】
半導体層５４，６０並びに絶縁層５２，５８はフォトリトグラフ及びエッチングプロセスで、一方では質量流センサ３０の後の通路３２及び凹部領域（図示せず）が他方ではチップの後の縁３８が覆われないように構造化される。それに加えて後のビームの領域にて直径数μｍである前述のパーフォレーションホール４０が５〜３０μｍの間隔で構造化される。このパーフォレーションホール４０は図１３から１９においては図面を見やすくするために記入されていない。パーフォレーションホールは異方性エッチングによる露出の継続を短縮するために役立つ。
【００２７】
図１４には半導体ウェーハ５０の総露出表面が絶縁層６４で被覆される別のプロセスステップが示されている。さらにインプラント材料は熱エネルギの供給により活性化される。次いで選択的に窒化シリコンが表面に析出される。これは、質量流センサチップを腐蝕に対し保護するため並びにたわみビームの機械的な特性を調整するために役立つ。ウェーハ裏面には場合によっては別の酸化層が析出されることができる。この酸化層は−構造化後−反応性のイオンエッチングプロセスのためのマスキングとして使用されることができる。
【００２８】
フォトリトグラフによって、後に個別化される半導体チップの表面は、通路及び凹部領域、チップ縁部、パーフォレーションホール並びにたわみビームを電気的に接触するための接触領域が露出させられるように構造化される（図１５）。ウェーハ裏面は全面的にエッチング保護層を備えている。エッチングプロセスで、覆われていない領域で窒化シリコン並びに酸化シリコンが除去される。次いでフォトラックが除去される。ウェーハ裏面においては同じ形式で反応性のイオンエッチングプロセスのためのマスキングが構造化される。
【００２９】
次いで行なわれる析出プロセスで金属層６６が絶縁層６４の上に析出される。この金属層６６は半導体層６０もしくは５４を電気的に接触させるために役立つ（図１６）。金属層６６は例えばアルミニウムから成ることができる。フォトリトグラフによりこの金属層６６は所望された接触接続部だけがフォトラック層により被覆された状態に保たれるように構造化される。エッチング法を用いて金属は露出した領域にて除去される。接触接続部を製作した後でフォトラック層は除去され、シリコンウェーハ５０は熱処理に晒される。
【００３０】
たわみビームは例えば三フッ化塩素又は二フッ化キセノンを用いてドライエッチングステップでエッチングされる（図１７）。この場合チップの縁部は開放しており、したがって同様にエッチングされる。図１７に示された形は、たわみビームが先きに記述したパーフォレーションホールを有していることで可能である。
【００３１】
図１８にはウェーハ前面にまずテープが積層される次のプロセスステップが示されている。このテープはテープの結合が一表面にて局部的に、例えば紫外線放射により意図的に弱化させられ得るように形成される。次いでシリコンウェーハ５０は裏面側から反応性のイオンエッチングによって、シリコンがチップ縁部もしくは通路３２にて完全に除去されるまで異方性エッチングされる。このような異方性エッチングとしては例えばＤＥ１９８２６３８２Ａ１号に記載されているものを使用することができる。
【００３２】
次いで個別化された基板チップ６８は裏面側にて、伸張可能なテープの上に移籍される。そのあとで前面側でテープ表面に対する結合は適宜のＵＶ光線で弱化させられ、これによりテープは表面から除去されることができる。いまや質量流センサ３０は伸張可能なテープの上に存在し、適当なプロセスステップで後続加工されることができる。
【００３３】
図１９にはガラス又はシリコンから成るキャップウェーハ７０を介してミクロ流体通路系に統合できる質量流センサの１例が示されている。たわみビーム１０で所望の流過流測定を実施できるためには、中に配置されたたわみビームセンサ１０を有する流動通路３２は適当な形式でキャップウェーハ７０内で変向されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるたわみビームセンサの概略的な断面図。
【図２】図１のセンサの平面図。
【図３】本発明によるたわみビームセンサの変化実施例の概略的な断面図。
【図４】たわみビームセンサの別の平面図。
【図５】センサを電気的に回路接続するための回路図。
【図６】本発明による質量流センサの斜視図。
【図７】図６による質量流センサの２つのたわみビームセンサの電気的な回路接続の概略図。
【図８】たわみビームセンサの別の変化実施例の概略的な平面図。
【図９】半導体基板から本発明による質量流を製作する第１プロセス段階を示した図。
【図１０】半導体基板から本発明による質量流を製作する第２プロセス段階を示した図。
【図１１】半導体基板から本発明による質量流を製作する第３プロセス段階を示した図。
【図１２】半導体基板から本発明による質量流を製作する第４プロセス段階を示した図。
【図１３】半導体基板から本発明による質量流を製作する第５プロセス段階を示した図。
【図１４】半導体基板から本発明による質量流を製作する第６プロセス段階を示した図。
【図１５】半導体基板から本発明による質量流を製作する第７プロセス段階を示した図。
【図１６】半導体基板から本発明による質量流を製作する第８プロセス段階を示した図。
【図１７】半導体基板から本発明による質量流を製作する第９プロセス段階を示した図。
【図１８】半導体基板から本発明による質量流を製作する第１０プロセス段階を示した図。
【図１９】半導体基板から本発明による質量流を製作する第１１プロセス段階を示した図。
【符号の説明】
【００３５】
１０  たわみビームセンサ、  １２  ベース材料、  １４  抵抗領域、  １６  絶縁層、  １８  導体路層、  ２０  導体路層、  ２２  ブリッジ回路、  ２４  緊締部、  ２６  接触接続、  ２８  接触接続、  ３０  質量流センサ、  ３２  流動通路、  ３４  下側面、  ３６  上側面、  ３８  凹部、  ４０  パーフォレーションホール、  ５０  シリコンウェーハ、  ５２  絶縁層、  ５４  半導体層、  ５６  抵抗領域、  ５８  絶縁層、  ６０  半導体層、  ６２  抵抗領域、  ６４  絶縁層、  ６６  金属層、  ６８  基板チップ、  ７０  キャップウェーハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005164586.tif 000016
【図１５】
2005164586.tif 000017
【図１６】
2005164586.tif 000018
【図１７】
2005164586.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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