Thermischer Strömungssensor auf flexiblem Substrat
Projektbeschreibung:
Das Microsystems Center Bremen (MCB) entwickelt thermische Strömungssensoren, die mit einem neuartigen Hochtemperaturprozess gefertigt werden. Schlüsselelement dieses neuen Fertigungsprozesses ist eine Passivierungsschicht aus einer Hochtemperatur-Siliziumnitridschicht, die mittels eines LPCVD-Verfahrens (Low-Pressure Chemical Vapour Deposition) abgeschieden wird. Diese Schicht bietet wesentliche Vorteile im Bezug auf den Einsatz in Flüssigkeiten, wie in hydraulischen Anwendungsszenarien oder in der Medizintechnik und Biotechnologie. Weiterhin bieten die Sensoren auch im Einsatz in Gasen exzellente Eigenschaften, z.B. pneumatischen Anwendungen oder zur Messung der Windgeschwindigkeit. Der thermische Strömungssensor besteht aus einem zentrale Heizelement und zwei, stromauf- und stromabwärts liegenden hochpräzisen Thermometern (Abbildung 1). Diese elektrischen Funktionskomponenten befinden sich auf einer nur 600 nm dicken freistehenden Membran aus Siliziumnitrid. Diese Membran dient der thermischen Isolation der Komponenten und ist verantwortlich für die herausragende thermische Ansprechzeit des Sensors von nur 2,6 ms, aufgrund der minimalen thermischen Kapazität und dem hohen Grad der Miniaturisierung.
Die beiden Thermometer messen die Wärmeverteilung im Fluid. Die Wärme, die vom Heizer eingekoppelt wird, verteilt sich bei ruhendem Fluid symmetrisch. Liegt jedoch eine Strömung über der Membran an, verschiebt sich das Temperaturprofil und wird asymmetrisch. Dies führt zu einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermometern, die direkt zur Strömungsgeschwindigkeit korreliert. Zusätzlich zum Betrag der Strömung kann mit diesem Messverfahren auch die Strömungsrichtung bestimmt werden.
Der Strömungssensor des MCB verwendet thermoelektrische Thermometer – Thermosäulen bestehend aus jeweils 15 Thermoelementen. Dünnschicht-Thermoelemente werden heute in vielen Anwendungsgebieten als monolithisch integrierte und hochgenaue Thermometer verwendet, Beispiele sind Infrarotsensoren, thermoelektrische Gassensoren und eben thermische Strömungssensoren. Thermoelemente messen eine Differenztemperatur zwischen zwei verschiedenen Punkten, mit einer Seebeck-Spannung als dazu proportionales Ausgangssignal. Im Falle von Infrarotsensoren oder Strömungssensoren sind die warmen Kontaktstellen auf einer Membran nahe zum Absorber oder dem Heizer platziert, wohingegen der Referenzpunkt auf dem Siliziumsubstrat liegt das als Wärmesenke dient. Abbildung 2 zeigt einen schematischen Querschnitt des Sensors. Heizer und die Thermosäulen sind zwischen zwei Schichten aus LPCVD-Siliziumnitrid eingebettet. Polysilizium dient als hochempfindliches thermoelektrisches Material, wohingegen eine Legierung aus Wolfram und Titan (WTi) sowie eine Diffusionsbarriere aus Titannitrid die Hochtemperaturstabilität gewährleistet. Der Heizer besteht ebenfalls aus WTi.
Die Hochtemperatur-LPCVD-Passivierung ist quasi frei von Fehlstellen und zeichnet sich durch eine sehr gute Flankenbedeckung sowie eine hohe chemische und mechanische Stabilität aus. Die gemessene Thermospannung der Thermosäulen von 4.3 mV/K bzw. von 287 ?V/K für ein Thermoelement liegt gleichauf mit gebräuchlichen Thermoelementen aus Polysilizium und Gold oder Aluminium. Die Membran wird mittels DRIE (Deep Reactive Ion Etching) freigelegt. Dies erlaubt senkrechte Seitenwände der Kavität und führt zu einer Reduktion der Systemgröße.
Abbildung 3 zeigt einen Strömungssensor mit integrierter Kanalstruktur zur Messung kleinster Flussraten in Bereichen von weniger als zehn Nanolitern pro Minute. Weiterhin wurden Sensoren für verschiedene Messbereiche entworfen, gefertigt und charakterisiert. Abbildung 4 zeigt eine typische Kennlinie des Sensors in Luft.
Die Medientemperatur wurde zum Funktionsnachweis einer Schaltung zur Temperaturkompensation variiert. Zurzeit entwirft das MCB Sensoren für verschiedenste Aufgaben in der Strömungsmesstechnik. Darüber hinaus wird an dem Transfer der Technologie auf andere messtechnische Gebiete gearbeitet, z.B. der Tropfencharakterisierung und der chemischen Analytik. Im Fokus steht auch eine elektrische Durchkontaktierung zur Vereinfachung der Systemimplementierung.
Partnerinstitute/-firmen:
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) http://www.ifam.fraunhofer.de/
Institut für Mikro- und Sensorsysteme der Universität Magdeburg (IMOS)
http://www.uni-magdeburg.de/imos/
CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH (CiS)http://www.cismst.de/
Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS Chips) http://www.ims-chips.de/
Embedded Microsystems Bremen (emb) http://www.em-bremen.de
Bartels Mikrotechnik GmbH
Finanziert durch AiF, BMBF, DFG
Laufzeit: Seit 2003
Veröffentlichungen:
Buchner R, Sosna C, Maiwald M et al (2006) A high-temperature thermopile fabrication process for thermal flow sensors. Sensor Actuat A-Phys 130-131:262-266.
Buchner R, Maiwald M, Sosna C et al (2006) Miniaturised thermal flow sensors for rough environments. 19th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems pp. 582 - 585.
Ni J, Maiwald M, Buchner R et al (2007) simple modeling of the thermal behavior of a tiny liquid splat on a thermal microsensor. J Microelectromech S 16:473-479.
Buchner R, Bhargava P, Sosna C et al (2007) Thermoelectric flow sensors with monolithically integrated channel structures for measurements of very small flow rates. IEEE Sensors 2007 pp. 828 - 831.
Buchner R, Froehner K, Sosna C et al (2008) Toward flexible thermoelectric flow sensors: a new technological approach. J Microelectromech S 17:1114-1119.
Kropp M, Kutzner C, Hartgenbusch N et al (2009) Pressure stable thermoelectric flow sensors by means of membrane perforation. International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. TRANSDUCERS 2009 pp 1130-1133.
Buchner R, Sosna C, Lang W (2009) Temperature stability improvement of thin-film thermopiles by implementation of a diffusion barrier of TiN. IEEE Sensors 2009 pp. 483-486.
Sturm H, Sosna C, Buchner R (2009) New electrical connection technology for microsystems using inktelligent printing® and functional nanoscaled INKS. International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. TRANSDUCERS 2009 pp 1702-1705.
H. Sturm, K. Froehner, E. Brauns, R. Buchner and W. Lang (2010) Flexible Thermoelectric Flow Sensors – An Integration of Sensorial Layers on Polymers. EMRS Spring Meeting 2010, accepted.