ISBN 9783868537659

978-3-86853-765-9, Reihe Mikrosystemtechnik

Christoph Sosna
Miniaturisierte durchkontaktierte thermische Strömungssensoren für die Messung von Gasströmungen

206 Seiten, Dissertation Universität Bremen (2010), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der analytischen Modellierung, Optimierung und Herstellung von miniaturisierten, auf Silizium basierenden und elektrisch durchkontaktierten thermoelektrischen Strömungssensoren. Hauptaugenmerk der hier vorgestellten Optimierung liegt auf das Erfassen eines erweiterten Messbereiches und der Entwicklung einer neuen Aufbau- und Verbindungstechnik der Sensoren.

Um das Verhalten thermischer Strömungssensoren besser zu verstehen und um darauf basierend eine Optimierung der am IMSAS vorhandenen thermoelektrischen Strömungssensoren durchführen zu können, beginnt die Arbeit mit einem eindimensionalen, analytischen Modell. Nach Aufstellen und Lösen der Differentialgleichung sowie Bestimmung aller in ihr vorkommenden Größen wurde das Modell anhand von Messungen verifiziert. Der Vergleich zeigte trotz vieler im Modell enthaltener Vereinfachungen eine sehr gute übereinstimmung des Modells zu den Messungen. Für eine Optimierung der Sensoren wurde eine Variation der Parameter Membrandicke, thermische Leitfähigkeit der Membran und Position der thermoelektrischen Temperaturfühler näher untersucht. Daraus wurde abgeleitet, dass eine Optimierung nur in der Art erfolgen kann, indem die Kontaktflächen der Thermoelemente verkleinert werden, um die Temperaturmessung auf der Membran näher zum Heizer zu verschieben. Ein entsprechender Designvorschlag wurde erarbeitet und präsentiert.

Bei den Messungen werden die Sensoren in einem konstant-Temperaturdifferenz-Modus betrieben. Dabei wird der Heizer einige 10 K konstant über der Fluidtemperatur gehalten. Um jedoch Schwankungen in der Fluidtemperatur auszugleichen, ist eine Temperaturkompensation notwendig, die entsprechend die Heizertemperatur nachregelt. Es wurde eine analoge Schaltung entwickelt und vorgestellt. Anhand von Messungen in einem Klimaschrank konnte gezeigt werden, dass die Temperaturkompensation bis 65◦C mit einer Genauigkeit von 1% arbeitet.

Die letzte Optimierung betrifft die Aufbau- und Verbindungstechnik des thermischen Strömungssensors. Bisher findet die elektrische Anbindung der Sensoren auf der Fluid behafteten Seite statt. In dieser Arbeit wird eine hochtemperaturstabile elektrische Durchkontaktierung des Siliziumsubstrats und die Implementierung in den Prozessablauf des Strömungssensors vorgestellt, um die Kontakte auf die Rückseite zu transferieren. Die Realisierung der Durchkontaktierung erfolgt vor der eigentlichen Sensorprozessierung über Trockenätzen des Siliziums von beiden Seiten, Verfüllung mit polykristallinem LPCVD-Silizium als Leiter und chemisch-mechanischen Polierens der Wafers. Aufgrund der Durchkontaktierung konnten die Chip-Abmessungen auf 1.8 x 2.0mm2 bei unveränderter Membrangeometrie verkleinert werden. über ein Siebdruckverfahren wurde auf Waferebene Lötzinn aufgetragen, um die Sensoren mittels Flip-Chip aufbauen zu können. Eine vollständige Charakterisierung der Durchkontakte und der Sensoren zeigte die volle Funktionalität der Systeme. Die zu Anfang durchgeführte Optimierung zum Erreichen eines erweiterten Messbereiches konnte nur zum Teil erreicht werden. Zwar steigt der Bereich, in dem die Kennlinien in Sättigung gehen, zu höheren Strömungsgeschwindigkeiten, doch sinkt gleichzeitig die Amplitude des Ausgangssignals und wirkt damit dem Erreichen eines erweiterten Messbereichs entgegen.