CN1459020A - 具有附设加热器的传感器芯片及避免传感器芯片污染的方法以及附设加热器在传感器芯片上的应用 - Google Patents
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Abstract
在现有技术的传感器芯片上传感器区的范围中会沉积流动介质的污物并使该传感器区持续污染，这导致对膜的测量性能的不良影响。在根据本发明的传感器芯片(1)上设有一个附设加热器(39)，它在上游相对传感器区(17)以一明显的距离设置。这将导致：流动介质的污物沉积在附设加热器(39)的区域中，即不再能到达传感器区(17)。
Description
现有技术
本发明涉及根据权利要求1，2及3所述类型的一种传感器芯片、附设加热器在传感器芯片上的应用及避免传感器芯片污染的方法。
由DE 196 01 791 A1公知了一种具有传感器区域的传感器芯片，它例如由一个框件，一个凹槽及一个膜片组成。由于传感器芯片遭受的污染如油的污染，总是会对传感器区域范围中传感器芯片的测量信号带来不希望有的影响。传感器区域或传感器区域周围直接相邻范围中的油污染改变了传感器芯片表面上的热传导值，及由此影响了测量信号。此外，沉淀在传感器芯片上的油作为包含在流动介质中的颗粒的粘附媒体。被捕获的颗粒又额外地增强了不利的影响。
US-PS 5,705,745描述一种具有一个膜的传感器芯片，在其上设有温度元件及加热电阻，其中膜被可具有U形的导热元件包围。该导热元件不被加热。导热元件至少部分地设在膜的区域中。
US-PS 4,888,988描述一种具有一个膜的传感器芯片，其中在膜四周设有金属导体，它们不是设在膜的区域中。这些导体是传感器芯片的测量部分的公共零电位导体。该零电位导体的横截面可选择地增大，以避免温度的升高。零电位导体的温度升高会对根据该方法的测量产生很不良的影响。
DE 198 01 484 A1描述一种具有一个膜的传感器芯片，其中在膜的周围设有电导体，通过它流过电流。这些导体条为温度传感器，它在测量方法或测量过程中被使用。
DE 2900210 A1或US-PS 4,294,114描述一种传感器芯片，它在一个载体上具有一个与温度相关的电阻，其中在该载体上设有另一电阻，后者直接地和与温度相关的电阻相邻。
DE 4219454 A1或US-PS 5,404,753描述一种传感器芯片，它在离传感器区一个距离上具有一个参考温度传感器。
DE 3135793 A1或US-PS 4,468,963描述一种传感器芯片，它在传感器电阻的上游和/或下游具有另一电阻，但它影响测量信号。
本发明的优点
相比之下，根据本发明的权利要求1，2及3特征部分特征的一种传感器芯片，附设加热器在传感器芯片上的应用及避免传感器芯片污染的方法具有其优点，即以简单的方式及方法减少或避免了传感器芯片的传感器区的污染。
通过从属权利要求中描述的特征可实现权利要求1，2及3中所述传感器芯片，所述应用及所述方法的进一步有利的构型及改进。
有利的是，附设加热器相对膜具有达1mm的距离，由此在那里由污染形成的所述沉积足够远地离开传感器区，并且传感器区的测量性能可不受影响。
附设加热器有利地具有U形的形状，该U形的形状以有利方式包围传感器区。
附图说明
在附图中简要地表示了本发明的实施例及在下面的描述中对其进行详细说明。附图为：
图1：根据现有技术的一个传感器芯片；
图2a：根据本发明传感器芯片的第一实施例，
图2b：根据本发明传感器芯片的第二实施例，
图2c：根据本发明传感器芯片的第三实施例，
图3a，3b：根据本发明构成的传感器芯片及控制电路，及
图4：根据本发明构成的传感器芯片的附设加热器及传感器区域的温度曲线图。
具体实施方式
图1表示根据现有技术的一个传感器芯片，图2a至2c所示的根据本发明实施例的传感器芯片对其作出了改进。这种传感器芯片的制造方法及应用被详细描述在DE 196 01 791 A1中及明确地作为这里所公开内容的一部分。
该传感器芯片具有一个框件3，它例如由硅构成。框件3具有一个凹槽5。在该框件上设置了一个介电层21，例如由SiO2组成。该介电层21可伸展在整个框件3上，但也可仅伸展在凹槽5的区域上。该区域构成一个膜区7，它在一侧上部分地或整体地构成凹槽5的边界。
在膜区7的背离凹槽5的一侧上，设置了至少一个例如三个金属条19。这些金属条19构成电加热器和/或测量电阻及与膜区7一起构成一个传感器区17。该传感器区17上最好覆盖一个保护层23。但保护层23也可仅延伸在金属条19上。
膜区7则部分地由产生信号的介电层21、一个膜33以及部分地由保护层21构成。传感器芯片具有一个表面27，它直接与流动介质形成接触。
图2a表示根据本发明构成的传感器芯片1的第一实施例的俯视图。该传感器芯片1具有一个横向于主流动方向42的长度为1的传感器区17。在传感器区17上设有金属条19，这些金属条譬如构成至少一个电加热电阻35及至少一个温度传感器37。该温度传感器37譬如也可为一个电阻。在该例中为一个加热电阻35及两个温度传感器37。金属条19的大部分布置在传感器区17中并且是用于确定至少一个参数如流动介质的温度及流量的测量方法的先决条件。因此传感器区17被连接在一个控制及调节电路上。传感器区17例如可通过上述的膜33构成。传感器芯片1被安置在一个流动介质中，用于确定至少一个参数，其中流动介质将在主流动方向42上在传感器芯片1或表面27的旁边或上面流过。流动介质可能包括污物，所述污物可导致传感器芯片1被污染。这些污物例如为油或溶于水中的盐。
为了避免这些污物沉积在传感器区17的区域上，在譬如传感器区17的上游至少部分地设置一个附设加热器39，后者与一个未示出的电源相连接及通过一个欧姆电阻加热。该附设加热器39与传感器区17隔开一个明显的距离，该距离例如可达到1mm。
为了调节附设加热器39的温度，不需要控制电路，一个在结构上即通过横截面设计的电流强度就能满足。附设加热器39不用于确定流动介质参数的测量方法，即它不是该测量区段的组成部分。
这里附设加热器39例如具有直线的形状，它横向于或者说垂直于主流动方向42例如延伸超过传感器区17的长度1。附设加热器39也可具有蛇形线形状。通过附设加热器39使得附设加热器39范围中的传感器芯片1被污物，而由于与传感器区17隔开一个明显的距离，因此对传感器区17的测量性能无影响。污物因此从传感器区17转移到附设加热器39周围的区域上。
附设加热器39的温度是这样设计的，它一方面在附设加热器39的区域上产生一个尖锐的温度过渡，由此产生热梯度涡旋，它从流动介质中类似过滤地滤出液体或油，即流动介质中重的组分沉积在表面27上附设加热器39的区域上，但不沉积在传感器区17上。
图2b表示根据本发明的传感器芯片的另一实施例的俯视图。与图2a不同的是，附设加热器39具有U形。该U形也在传感器芯片1的上游与传感器区17明显隔开地布置，其中U形的两个腿横向于主流动方向42延伸。
图2c表示根据本发明的传感器芯片的又一实施例的俯视图。附设加热器39具有至少部分地包围传感器区17的U形。附设加热器39明显地离开传感器区17地延伸在其下游侧及上游侧及膜33的一个端部侧旁。
附设加热器39例如这样地构成，它至少在传感器区17的上游或下游具有大于传感器区17的长度。由此使传感器区17在其整个长度1上受到免于污物的保护。
电阻35，37和/或附设加热器39最好被作成导体条。
传感器芯片1例如被构造成小平板状，及具有表面27，流动介质将在该表面旁边流过。在此情况下，传感器区17及附设加热器39一起被设置在表面27上。
图3a表示根据本发明构成的具有一个传感器区17及一个第一控制电路54的传感器芯片1，所述控制电路通过电导线51、如焊接导线与传感器区17形成电连接。第一控制电路54具有第一能源45、例如电流源或电压源，或与这样的电源连接，借助该电源使在传感器区17中的至少一个加热电阻35或至少一个温度传感器37电加热。
附设加热器39通过电导线51与一个例如单独的第二能源48相连接。在第一控制电路54与第二能源48之间没有电连接。第一控制电路54输出一个测量信号，例如用于发动机调节；该测量信号与附设加热器39的工作无关，即附设加热器39的运行对测量信号无影响。第一能源45也可对附设加热器39加热，-例如通过一个分压器，但其中附设加热器39上的第一能源45的控制信号也与传感器区17上的测量方法或信号无关。
传感器芯片1输出一个测量信号，例如用于内燃机调节的测量信号。例如仅当内燃机不工作时，附设加热器39被加热。因为仅在内燃机关机后通常会通过例如一个曲轴箱排气的回流造成传感器芯片1的污染，这些污物例如包含油。在此情况下，第一控制电路54例如输出用于加热运行附设加热器39的信号，例如闭合一个开关60，由此使第二能源48加热附设加热器39。
当内燃机不工作时，用于加热附设加热器39的该控制信号也可由第二控制电路57输出。第二控制电路57例如为发动机调节部分(图3b)。
图4表示附设加热器39及传感器区17的温度曲线图。图4表示一个X/Y坐标图，其中在X轴上记录主流动方向42上的长度及在Y轴上记录传感器芯片1表面上的温度。
附设加热器39位于例如传感器区17的上游。在附设加热器39及传感器区17之间具有不等于零的距离。在传感器区17中的电阻例如产生出一个具有最大温度值TM的梯形温度曲线。
附设加热器39具有一个最大温度值TZ及具有例如抛物线形状的温度曲线，该最大温度值大于或等于温度值TM。
箭头62表示介质在表面27附近的流动方向。附设加热器39在表面27上产生出一个或大或小的温度突然上升，即产生一个不等于零的大温度梯度。流动到表面27附近的颗粒在附设加热器39的开始区域前或该区域上类似通过负压被吸到该表面27上，以便在附设加热器的区域中向上升，即离开表面27。通过这种流动变化在附设加热器39的区域中产生出热梯度涡旋65。因此污物或油颗粒将附着在传感器芯片1的表面27上的附设加热器39的区域中，由此使该表面附近区域中的流动介质变得清洁及使传感器区17不再或几乎不被污染。
Claims (20)
1.用于测量流动介质的至少一个参数的传感器芯片，它具有用于至少一个测量方法的传感器区，其特征在于：在传感器芯片(1)上设有至少一个附设加热器(39)，它相对传感器区(17)以一定距离设置，及传感器区(17)与附设加热器(39)无关地工作。
2.至少一个附设加热器(39)的应用，以便在附设加热器(39)的区域中在流动介质内构成热梯度涡旋(65)，其中附设加热器(39)被设置在一个传感器芯片(1)上，用于确定流动介质的至少一个参数，及它相对传感器芯片(1)的传感器区(17)以一定距离设置。
3.用于避免传感器芯片(1)上污染的方法，该传感器芯片具有一个传感器区(17)及安置在一种流动介质中，其特征在于：至少一个附设加热器(39)被通过它的欧姆电阻这样电加热，以使得在附设加热器(39)区域中构成热梯度涡旋，后者导致流动介质中的污物沉积在离开传感器区(17)所在区域的附设加热器(39)的区域中。
4.根据权利要求1的传感器芯片，其特征在于：传感器区(17)与产生测量信号的第一控制电路(54)电连接，该测量信号与附设加热器(39)的工作无关。
5.根据权利要求4的传感器芯片，其特征在于：第一控制电路(54)控制第一能源(45)；及附设加热器(39)与一个单独的第二能源(48)电连接。
6.根据权利要求1，4或5的传感器芯片，其特征在于：附设加热器(39)相对传感器区(17)至少部分地具有直到1mm的距离。
7.根据权利要求1至4中一项或多项的传感器芯片，其特征在于：附设加热器(39)具有U形的形状。
8.根据权利要求7的传感器芯片，其特征在于：该U形的形状至少部分地包围传感器区(17)。
9.根据权利要求1的传感器芯片，其特征在于：流动介质具有一个主流动方向(42)；及附设加热器(39)在主流动方向(42)上至少部分地设置在传感器区(17)的前面。
10.根据权利要求1的传感器芯片，其特征在于：传感器区(17)具有一个膜(33)。
11.根据权利要求1的传感器芯片，其特征在于：在传感器区(17)中设有至少一个加热电阻(35)及至少一个温度传感器(37)，它们(35，37)设置在传感器区(17)中的大部分上。
12.根据权利要求1的传感器芯片，其特征在于：流动介质具有一个主流动方向(42)；及附设加热器(39)在主流动方向(42)上至少部分地设置在传感器区(17)的后面。
13.根据权利要求1的传感器芯片，其特征在于：流动介质具有一个主流动方向(42)；及传感器区(17)具有横向于主流动方向(42)的长度(1)；及附设加热器(39)横向于主流动方向(42)设置及其长度大于所述长度(1)。
14.根据权利要求11的传感器芯片，其特征在于：电阻(35)或温度传感器(37)被构造成导体条。
15.根据权利要求1，6或7中一项或多项的传感器芯片，其特征在于：附设加热器(39)被构造成导体条。
16.根据权利要求1的传感器芯片，其特征在于：传感器芯片(1)具有至少一个表面(27)，流动介质从该表面旁流过；及传感器区(17)与附设加热器(39)一起设置在所述表面(27)上。
17.根据权利要求3的方法，其特征在于：传感器芯片(1)输出用于控制内燃机的测量信号，及附设加热器(39)仅当内燃机不工作时被加热。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于：用于附设加热器(39)加热工作的信号由传感器芯片(1)的第一控制电路(54)提供。
19.根据权利要求17的方法，其特征在于：用于附设加热器(39)加热工作的信号由第二控制电路(57)提供。
20.根据权利要求17的方法，其特征在于：第二控制电路(57)是一个发动机调节部分。
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