DE19516480C1

DE19516480C1 - Micro-sensor for determn. of thermal flux density and thermal flow throughput

Info

Publication number: DE19516480C1
Application number: DE1995116480
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Kesler; Friedemann Prof Dr Voelklein
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 1995-05-05
Filing date: 1995-05-05
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2015-05-06

Abstract

The microsensor involves a wall (3) situated between rooms at different temps. (T1,T2), where difference of temp. is produced between the centre and edge of a SiO2 - Si3N4 combination layer diaphragm (2) spanning a cavity (11) in a silicon wafer (1) on a thin copper sheet (9). A thin-film thermopile (4), formed pref. by photolithography with a "hot" contact in the middle of the diaphragm and a "cold" contact above the remaining blocks of silicon, is covered by a SiO2 insulating coating (7) 100 nm thick, on which a pref. meander-line heating film (8) of e.g. nickel-chromium is deposited. A pref. thin-film resistive temp. sensor (10) is integrated into the diaphragm.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrosensor zur Bestimmung von Wärmestromdichten und in weiterer Ausgestaltung und Verwendung zur Bestimmung von Wärmedurchgangszahlen einer Festkörper-, Flüssigkeits- oder Gasschicht (im folgenden Wand genannt) mit sehr hoher Empfindlichkeit und kurzer Ansprechzeit zur direkten Messung an der betreffenden Wand.The invention relates to a microsensor for determining Heat flow densities and in a further embodiment and use for Determination of heat transfer numbers of a solid, liquid or gas layer (hereinafter called wall) with a very high Sensitivity and short response time for direct measurement on the concerned wall.

Die Messung der Wärmedurchgangszahl beruht auf der Bestimmung eines Wärmestromes pro Flächeneinheit (Wärmestromdichte) q, der eine Wand bei einer vorhandenen Temperaturdifferenz T₁ - T₂ an dieser Wand durchsetzt, gemäß der Beziehung k = q/(T₁ - T₂) (mit p in [W/m²] und T₁, T₂ in [K]).The measurement of the heat transfer coefficient is based on the determination of a Heat flows per unit area (heat flow density) q of a wall with an existing temperature difference T₁ - T₂ on this wall enforced, according to the relationship k = q / (T₁ - T₂) (with p in [W / m²] and T₁, T₂ in [K]).

Es sind bereits Wärmestrommesser, auch in Dünnschichtausführung, bekannt (siehe: DE 32 37 912 A1, US-PS 4,779,994, US-PS 3,525,648), bei denen sich die "heißen" Kontaktstellen der thermoelektrischen Wandlerschichten auf der einen, die "kalten" Kontaktstellen auf der anderen Oberfläche einer lateral ausgedehnten wärmeleitenden Zwischenschicht, bezeichnet als Hilfswand, befinden und durch den zu messenden Wärmestrom zwischen den beiden Oberflächen dieser Hilfswand eine Temperaturdifferenz entsteht, durch die eine Signalspannung erzeugt wird. Diesen Lösungen haftet jedoch der Nachteil einer zu geringen Empfindlichkeit an.There are already heat flow meters, also in thin-film versions, known (see: DE 32 37 912 A1, US Pat. No. 4,779,994, US Pat. No. 3,525,648), where the "hot" contact points of the thermoelectric Transducer layers on one side, the "cold" contact points on the one other surface of a laterally extended thermally conductive Intermediate layer, referred to as the auxiliary wall, are located and through the measuring heat flow between the two surfaces of this Auxiliary wall creates a temperature difference through which one Signal voltage is generated. However, these solutions have the disadvantage sensitivity is too low.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrosensor zur Bestimmung von Wärmestromdichten und Wärmedurchgangszahlen anzugeben, der eine hohe Empfindlichkeit bei zugleich relativ kurzen Ansprechzeiten aufweist und der keiner gesonderten Kalibrierung bedarf.The invention has for its object to provide a microsensor Determination of heat flow densities and heat transfer numbers to indicate the high sensitivity with at the same time relatively short Response times and which does not require a separate calibration.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. Der erfindungsgemäße Mikrosensoraufbau bewirkt eine Empfindlichkeitssteigerung gegenüber vergleichbaren bekannten Dünnschichtsensoren um einen Faktor von ca. 10³.According to the invention, the object is characterized by the characteristic features of the claims solved. The microsensor structure according to the invention causes an increase in sensitivity compared to comparable known thin-film sensors by a factor of approx. 10³.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausfürungsbeispiels und zweier schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below using an exemplary embodiment and two schematic drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen Ausschnitt funktionsbestimmender Baugruppen der Erfindung in perspektivischer Darstellung im seitlichen Schnitt und Fig. 1 shows a section of function-determining modules of the invention in a perspective view in side section and

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine praktische Ausführungsform gemäß Fig. 1 in teilweise aufgerissener Darstellung. Fig. 2 is a plan view of a practical embodiment of FIG. 1 in a partially broken illustration.

In Fig. 1 ist der funktionsbestimmende Teil eines erfindungsgemäßen Mikrosensors perspektivisch im seitlichen Schnitt dargestellt, welcher im Beispiel als mikromechanischer Sensor mittels Dünnschichttechnologien, photolithographischer Strukturierung und anisotroper Ätztechniken in Silizium ausgeführt ist.In Fig. 1, the function-determining part of a microsensor according to the invention is shown in perspective in a lateral section, which in the example is designed as a micromechanical sensor using thin-film technologies, photolithographic structuring and anisotropic etching techniques in silicon.

Auf einem Siliziumwafer 1 (gut wärmeleitender Rahmen) befindet sich eine etwa 800 nm dicke, schlecht wärmeleitende Schicht 2, die vorzugsweise aus einer Schichtkombination von SiO₂/Si₃N₄ besteht, welche durch mikromechanische Ätztechnik des Siliziumwafers 1 als dünne, freitragende Membran über einer Ausnehmung 11 präpariert ist. In x-Richtung weist der freiliegende Membranteil im Beispiel eine Ausdehnung von ca. 1,1 mm auf. In jedem Fall soll jedoch gemäß der Erfindung ein Verhältnis dieser kleinsten lateralen Membranausdehnung in ihrem freiliegenden Bereich bezogen auf ihre Dicke von größer als 700 : 1 eingehalten sein.On a silicon wafer 1 (good heat-conducting frame) there is an approximately 800 nm thick, poorly heat-conducting layer 2 , which preferably consists of a layer combination of SiO₂ / Si₃N₄, which is prepared by micromechanical etching technology of the silicon wafer 1 as a thin, self-supporting membrane over a recess 11 is. In the example, the exposed membrane part has an extension of approximately 1.1 mm in the x direction. In any case, however, according to the invention, a ratio of this smallest lateral membrane expansion in its exposed area, based on its thickness, of greater than 700: 1 should be maintained.

Auf der Membran ist eine Dünnschichtthermosäule 4 (Thermopile) aufgebracht, die vorzugsweise durch eine Reihenschaltung von photo lithographisch strukturierten Dünnschicht-Thermoelementen gebildet ist, deren "heiße" Kontaktstellen 5 sich in der Mitte der Membran 2 und deren "kalte" Kontaktstellen 6 sich oberhalb der verbliebenen Stege des massiven Siliziumträgers 1 befinden. Die Dünnschichtthermosäule 4 ist von einer dünnen Isolationsschicht 7, die z. B. aus einer 100 nm SiO₂-Beschichtung bestehen kann, überdeckt. Auf der Isolationsschicht 7 ist eine dünne, vorzugsweise mäanderförmig strukturierte Heizschicht 8, bspw. aus NiCr bestehend, in der Weise aufgebracht, daß sie gemäß der Erfindung eine Fläche F einnimmt, die die "kalten" Kontaktstellen 6 der Dünnschichtthermosäule 4 mit erfaßt. Außerhalb des durch die Dünnschichtthermosäule 4 erfaßten Bereiches ist auf der Membran 2, oberhalb der verbliebenen Stege des Siliziumträgers 1 ein Temperatursensor 10, der vorzugsweise ebenfalls in Dünnschichttechnik als mäandrierte Widerstandsschicht ausgeführt sein kann, integriert. Membranabseitig ist der Siliziumträger weiterhin mit einer sehr gut wärmeleitenden Bedeckung 9, z. B. einem dünnen Kupferblech, versehen, mit welcher der Mikrosensor auf eine zu vermessende Wand 3 aufgesetzt wird.A thin-film thermal column 4 (thermopile) is applied to the membrane, which is preferably formed by a series connection of photo-lithographically structured thin-film thermocouples, the "hot" contact points 5 in the middle of the membrane 2 and the "cold" contact points 6 above the remaining webs of the solid silicon carrier 1 are located. The thin-film thermal column 4 is of a thin insulation layer 7 , the z. B. can consist of a 100 nm SiO₂ coating, covered. On the insulation layer 7 , a thin, preferably meandering structured heating layer 8 , for example made of NiCr, is applied in such a way that it occupies an area F according to the invention, which also covers the "cold" contact points 6 of the thin-layer thermal column 4 . Outside the area covered by the thin-film thermal column 4 , a temperature sensor 10 is integrated on the membrane 2 , above the remaining webs of the silicon carrier 1, which temperature sensor 10 can preferably also be embodied as a meandered resistance layer. The silicon carrier is further away from the membrane with a very good heat-conducting covering 9 , for. B. a thin copper sheet, with which the microsensor is placed on a wall 3 to be measured.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform, wie sie praktischerweise zur Anwendung gelangt, in teilweise aufgerissenem Zustand, nicht maßstäblich dargestellt. In den Siliziumträger 1 sind bspw. zehn parallele Gräben eingeätzt, die jeweils von genannten Membranbereichen 2 überdeckt sind. Den freiliegenden Membranbereichen ist im Beispiel, bei oben genannter Breite von ca. 1,1 mm, eine Längsausdehnung von ca. 22 mm gegeben. Diese Bereiche sind jeweils von einer Thermosäule 4, die aus etwa 900 untereinander in Reihe verschalteter Einzelthermo schenkelpaarungen, die schematisch in Teilen angedeutet sind, gebildet ist, überdeckt. Die Thermosäulen 4 sind untereinander ebenfalls in Reihe verschaltet. In diesem Beispiel ist beidseits der Thermosäulenbereiche je ein Dünnschichtwiderstand 10 angeordnet. Ohne die Erfindung darauf zu beschränken, befindet sich oberhalb jeder Thermosäule 4 ein ebenfalls mäandriert ausgebildetes Dünnschichtheizelement 8, das zur Thermosäule 4 durch die bereits genannte Isolationsschicht 7 elektrisch isoliert angeordnet ist. Diese zehn Dünnschichtheizelemente sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Bei Einhaltung eines handhabbaren elektrischen Widerstands des Dünnschichtheizelements, wäre auch eine ganzflächige Überdeckung aller Thermosäulen mit einem einzigen Dünnschicht heizelement in gleicher Weise herstellbar. Wesentlich bei der Gestaltung des Dünnschichtheizelementes ist lediglich, daß gemäß der Erfindung auch die äußersten "kalten" Kontaktstellen der Thermosäule(n) von dieser mit erfaßt werden, und daß eine homogene Temperaturbeaufschlagung aller Thermosäulen 4 bei Einbringung einer elektrischen Heizleistung in das Dünnschichtheizelement 8 gewährleistet ist. In Fig. 2, an embodiment as it is practically used, in a partially opened state, is not shown to scale. For example, ten parallel trenches are etched into the silicon carrier 1 , each of which is covered by the membrane regions 2 mentioned. In the example, the exposed membrane areas, given the above-mentioned width of approx. 1.1 mm, have a longitudinal extension of approx. 22 mm. These areas are each covered by a thermopile 4 , which is formed from approximately 900 interconnected individual thermocouple leg pairs, which are indicated schematically in parts. The thermopiles 4 are also interconnected in series. In this example, a thin film resistor 10 is arranged on each side of the thermopile areas. Without restricting the invention to this, there is a thin-film heating element 8 , likewise meandering, above each thermopile 4 , which is arranged electrically insulated from the thermopile 4 by the insulation layer 7 already mentioned. These ten thin film heating elements are also connected in series. If a manageable electrical resistance of the thin-film heating element is adhered to, it would also be possible to cover all of the thermopiles with a single thin-film heating element in the same way. All that is important in the design of the thin-film heating element is that, according to the invention, the outermost “cold” contact points of the thermopile (s) are also covered by the thermopile (s), and that a homogeneous temperature exposure of all thermopiles 4 is ensured when an electrical heating power is introduced into the thin-film heating element 8 .

Anhand von Fig. 1 soll die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Mikrosensors näher erläutert werden. Die Wand 3, bspw. ein Mauerwerk, trennt im Beispiel einen Raum höherer Temperatur T₁ von einem Außenraum niederer Temperatur T₂. Der durch die Temperaturdifferenz (T₁-T₂) bewirkte Wärmestrom q ist durch Pfeile dargestellt.The operation of the microsensor according to the invention will be explained in more detail with reference to FIG. 1. The wall 3 , for example. Masonry, separates a room of higher temperature T 1 from an outdoor room of lower temperature T 2 in the example. The heat flow q caused by the temperature difference (T₁-T₂) is represented by arrows.

Die Wärmestromdichte q erzeugt zwischen Mitte und Rand der dünnen, schlecht wärmeleitenden, freitragenden SiO₂/Si₃N₄-Membran 2 (also senkrecht zum Wärmestrom) eine Temperaturdifferenz ΔT_x, die um ein Vielfaches größer ist, als die Temperaturdifferenz ΔT_z (parallel zum Wärmestrom) im massiven Teil des Siliziumwafers. Die Temperatur differenz ΔT_x ist proportional der Wärmestromdichte: q ≈ ΔT_x.The heat flow density q generates between the center and edge of the thin, poorly heat-conducting, self-supporting SiO₂ / Si₃N₄ membrane 2 (i.e. perpendicular to the heat flow) a temperature difference ΔT _x that is many times larger than the temperature difference ΔT _z (parallel to the heat flow) in massive part of the silicon wafer. The temperature difference ΔT _x is proportional to the heat flow density: q ≈ ΔT _x .

Durch Messung dieser Temperaturdifferenz ist q mit wesentlich höherer Empfindlichkeit als bei Messung der Temperaturdifferenz ΔT_z, wie nach dem Stand der Technik üblich, bestimmbar. Die experimentell ermittelte Empfindlichkeitssteigerung liegt um ca. 10³ höher.By measuring this temperature difference, q can be determined with significantly higher sensitivity than when measuring the temperature difference ΔT _z , as is customary in the prior art. The experimentally determined sensitivity increase is about 10³ higher.

Die Temperaturdifferenz ΔT_x führt infolge des resultierenden Seebeck- Koeffizienten (α₁-α₂) der beiden thermoelektrischen Schichten, die die Thermopaarung der Dünnschichtthermosäule 4 bilden, zu einer Signalspannung U ≈ (α₁-α₂)·ΔT_x, die wiederum proportional der gesuchten Wärmestromdichte q ist. Die Messung von U liefert also den Wert für die zu ermittelnde Wärmestromdichte q, sofern für den jeweiligen Sensor der Zusammenhang zwischen U und q durch Kalibrierung bekannt ist. Um auf eine Kalibrierung des Sensors an einem Kalibrierplatz mit bekannter Wärmestromdichte verzichten und den Sensor direkt an der zu untersuchenden Wand 3 einsetzen zu können, gelangt erfindungsgemäß genanntes Dünnschichtheizelement 8 zum Einsatz. Die mäanderförmig strukturierte dünne Heizschicht 8, die den Sensorchip nahezu ganzflächig auf einer Fläche F bedeckt, ist so strukturiert, daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung an diese Schicht eine homogen über diese Fläche F verteilte elektrische Heizleistung N einbringbar ist. Die Messung einer unbekannten Wärmestromdichte q ohne vorherige Kalibrierung des Sensors erfolgt, indem der Mikrosensor zunächst ohne Heizleistung betrieben und die thermoelektrische Signalspannung U bestimmt wird. Danach wird eine solche Heizleistung N in der mäanderförmigen Heizschicht 8 umgesetzt, daß sich die thermoelektrische Signalspannung U auf 2·U verdoppelt. Die gesuchte Wärmestromdichte ergibt sich dann zu q=N/F.The temperature difference ΔT _x leads due to the resulting Seebeck coefficient (α₁-α₂) of the two thermoelectric layers, which form the thermocouple of the thin-film thermal column 4 , to a signal voltage U ≈ (α₁-α₂) · ΔT _x , which in turn is proportional to the sought heat flow density q is. The measurement of U thus provides the value for the heat flow density q to be determined, provided the relationship between U and q is known by calibration for the respective sensor. In order to dispense with calibration of the sensor at a calibration station with a known heat flow density and to be able to use the sensor directly on the wall 3 to be examined, the thin-film heating element 8 according to the invention is used. The meandering structured thin heating layer 8 , which covers the sensor chip almost over the entire area on a surface F, is structured such that an electrical heating power N distributed homogeneously over this surface F can be introduced when an electrical voltage is applied to this layer. An unknown heat flow density q is measured without prior calibration of the sensor by initially operating the microsensor without heating power and determining the thermoelectric signal voltage U. Then such a heating power N is implemented in the meandering heating layer 8 in such a way that the thermoelectric signal voltage U doubles to 2 · U. The heat flow density we are looking for then results in q = N / F.

Das Ziel der kurzen Ansprechzeit des Mikrosensors wird durch die Realisierung des Sensors in Dünnschichttechnologie und durch die mikromechanische Präparation der extrem dünnen Membran erreicht, wodurch sich kleine thermische Massen und entsprechend kleine thermische Zeitkonstanten ergeben.The goal of the short response time of the microsensor is through the Realization of the sensor in thin film technology and by micromechanical preparation of the extremely thin membrane achieved, whereby small thermal masses and correspondingly small result in thermal time constants.

Der beschriebene Sensorchip befindet sich auf einem dünnen, sehr gut wärmeleitenden Träger 9 (z. B. einem dünnen Cu-Blech) und wird mit diesem Träger direkt auf die zu untersuchende Wand 3 aufgesetzt. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Trägers 9 und des Siliziumwafers 1 stellt der Mikrosensor nur einen sehr geringen Wärmewiderstand im Vergleich zur Wand 3 dar, so daß die Wärmestromdichte q durch den Sensor selbst nur vernachlässigbar verändert wird.The sensor chip described is located on a thin, very good heat-conducting carrier 9 (for example a thin Cu sheet) and is placed directly on the wall 3 to be examined with this carrier. Due to the high thermal conductivity of the carrier 9 and the silicon wafer 1 , the microsensor represents only a very low thermal resistance in comparison to the wall 3 , so that the heat flow density q is only negligibly changed by the sensor itself.

Zur gewünschten gleichzeitigen Bestimmung der Wärmedurchgangszahl der zu untersuchenden Wand 3 ist auf dem Mikrosensor weiterhin ein Temperatursensor 10 in Form genannten Dünnschichtwiderstands 10 oder einer vergleichbaren Baugruppe mit bekannter Widerstands-Temperatur- Kennlinie integriert, mit Hilfe dessen, entsprechend der Darstellung in Fig. 1, unmittelbar die Temperatur T₁ und bei nachfolgendem Aufsetzen des Mikrosensors auf die andere Wandseite unmittelbar die Temperatur T₂ bestimmbar ist. Alle vom Mikrosensor abgehenden Signale, als auch die in das Dünnschichtheizelement 8 eingespeiste Heizleistung sind problemlos einer nicht dargestellten Auswerteeinheit zuführbar und ergeben direkt die gesuchten Meßgrößen für die Wärmestromdichte bzw. die Wärmedurchgangszahl, ohne daß zusätzliche Kalibrierungs maßnahmen erforderlich wären.For the desired simultaneous determination of the thermal transmittance of the wall 3 to be examined, a temperature sensor 10 in the form of a thin-film resistor 10 or a comparable module with a known resistance-temperature characteristic is also integrated on the microsensor, with the aid of which, as shown in FIG. 1, directly the temperature T₁ and the subsequent placement of the microsensor on the other wall side, the temperature T₂ can be determined directly. All of the signals coming from the microsensor, as well as the heating power fed into the thin-film heating element 8, can be fed to an evaluation unit (not shown) without any problems and directly result in the measured variables sought for the heat flow density or the heat transfer coefficient, without additional calibration measures being necessary.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the Features shown in the drawing can be used both individually and in any combination with each other be essential to the invention.

BezugszeichenlisteReference list

1 - Siliziumwafer (gut wärmeleitender Rahmen)
2 - schlecht wärmeleitende Membran
3 - (zu vermessende) Wand
4 - Dünnschichtthermosäule
5 - "heiße" Kontaktstellen
6 - "kalte" Kontaktstellen
7 - Isolationsschicht
8 - Heizschicht
9 - sehr gut wärmeleitender Träger
10 - Temperatursensor
11 - Ausnehmung
F - Fläche des homogenen Heizleistungseintrages
q - Wärmestromdichte. 1 - silicon wafer (good heat-conducting frame)
2 - poor heat-conducting membrane
3 - Wall to be measured
4 - thin film thermal column
5 - "hot" contact points
6 - "cold" contact points
7 - insulation layer
8 - heating layer
9 - very good heat-conducting support
10 - temperature sensor
11 - recess
F - area of the homogeneous heat input
q - heat flow density.

Claims

1. microsensor for determining heat flow densities and heat transfer coefficients, consisting of a good heat-conducting frame ( 1 ) which has at least one recess ( 11 ) covered by a poorly heat-conducting membrane ( 2 ) over which a thin-film thermopile arrangement ( 4 ) extends in such a way that the "hot" contact points ( 5 ) of the thermopile arrangement ( 4 ) come to lie in the center of the membrane, whereas the "cold" contact points ( 6 ) are arranged above heat sink areas of the frame ( 1 ), the entire thin film thermopile arrangement ( 4 ) is covered by an electrical insulation layer ( 7 ) is covered, on which an electrically heatable layer ( 8 ) is arranged, which is structured in such a way that, when current is applied, a homogeneous heating power input into the thin-layer thermal column arrangement ( 4 ) over an area (F) which is so large that all "cold""Contact points ( 6 ) are still covered by her, guaranteed, and that a At least one temperature sensor ( 10 ) is arranged on the microsensor.

2. Microsensor according to claim 1, characterized in that a ratio of the smallest lateral extent of exposed areas of said membrane ( 2 ) to their thickness is greater than 700: 1.

3. A microsensor according to claim 1, characterized in that the temperature sensor ( 10 ) is designed as a thin-film resistance element which is arranged in the plane of the thin-film thermopile arrangement ( 4 ) and outside of said surface (F).

4. A microsensor according to claim 1, characterized in that said frame ( 1 ) is provided on the side opposite the membrane-bearing side with a very good heat-conducting cover ( 9 ), in particular a thin copper sheet.