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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Durchsatzerfassungseinrichtung,
die ein Heizelement aufweist und zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit
oder des Durchsatzes eines Fluids gemäß einem Wärmeübertragungsphänomen verwendet
wird, bei dem Wärme
auf das Fluid von dem Heizelement oder von einem Teil, das durch
das Heizelement erwärmt wird, übertragen
wird, und sie betrifft ferner einen Durchsatzsensor, der eine derartige
Durchsatzerfassungseinrichtung verwendet. Die vorliegende Erfindung
wird beispielsweise auf einen Durchsatzsensor zur Verwendung beim
Messen einer Einlassluftmenge eines Verbrennungsmotors verwendet.
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In
JP-A-03-137521 ist ein Mengenmesser offenbart mit zwei Flussbereichen,
die Membranen aufweisen, Temperaturmesselementen, die auf der stromaufwärtigen und
der stromabwärtigen
Seite angeordnet sind, und Heizabschnitten, die zwischen den Temperaturelementen
angeordnet sind. Die Membranen sind in einer Richtung senkrecht
zu der Flussrichtung angeordnet. DE-A-43 38 891 beschreibt einen
Massenflusssensor, der eine Siliziumplatte mit einer aufgebrachten
Membranschicht aufweist, in die ausgehend von der Rückseite
Ausnehmungen eingebracht sind. Durch die Ausnehmungen wird ein Rahmen
gebildet, in dem zwei Membranen aufgespannt sind, wobei auf einer
Membran ein Medientemperaturmesselement angeordnet ist.
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In
der DE-A-43 20 326 wird eine Vorrichtung zur Messung einer radialen
Gas- oder Flüssigkeitsströmung beschrieben.
Die Vorrichtung weist in eine Wheatstonesche-Brücke geschaltete Widerstandseinrichtungen
auf, die auf einer Membran angeordnet sind. Die Membran hat typischerweise
eine Dicke von 0,5 μm
bis 3 μm.
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JP-A-09-329480
offenbart einen Durchflusssensor mit zumindest einem Heizelement
und einem Temperaturerfassungselement, wobei in einer Ausführungsform
mehrere Temperaturerfassungselemente jeweils abwechselnd an einer
stromaufwärtigen
und einer stromabwärtigen
Seite der Heizabschnitte angeordnet sind.
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15 und 16 sind eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht
einer herkömmlichen
Durchsatzerfassungseinrichtung, die beispielsweise in der ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichung
mit der Nr. 4-230808 beschrieben ist. Im übrigen beschreibt die japanische
ungeprüfte
Patentveröffentlichung
mit der Nr. 4-230808 die Durchsatzerfassungseinrichtung als einen
Membransensor.
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In 15 und 16 bezeichnet die Referenznummer 101 ein
plattenartiges Substrat, das durch einen Siliciumhalbleiter gebildet
wird. In dem mittleren Teil des hinteren Oberflächenabschnitts dieses plattenartigen
Substrats 101 ist ein Hohlraum 110 mit einem trapezförmigen Querschnitt,
beispielsweise durch anisotropes Ätzen, auf derartige Weise ausgebildet,
dass er nicht die Oberfläche
desselben erreicht. In dem vorderen Oberflächenabschnitt des plattenartigen
Substrats 101 ist eine dünne folienartige Durchsatzerfassungsmembran 102 (nachfolgend einfach
als Membran bezeichnet) integral ausgebildet. Ferner ist ein dünnes Folien-Heizelement 103 in dem
mittleren Teil des vorderen Oberflächenabschnitts dieser Membran 102 ausgebildet.
Dünne Folientemperaturerfassungselemente 104 und 105 sind an
beiden Seiten des Heizelements 103 derart ausgebildet,
dass sie um einen vorbestimmten Abstand voneinander entfernt sind
und symmetrisch bezüglich
des Heizelements 103 angeordnet sind. Ferner ist eine jede
von länglichen Öffnungen 106a und 106b,
welche die Membran 102 durchdringen, in einem Abschnitt
gebohrt, der zwischen dem Heizelement 103 und einem entsprechenden
der Temperaturerfassungselemente 104 und 105 entlang
der Längsrichtung
desselben liegt. Darüber
hinaus sind zwei Reihen von mehreren rechtwinkligen Öffnungen 107a und 107b,
welche die Membran durchdringen, entlang der Längsrichtung des Heizelements 103 außerhalb
der Temperaturerfassungselemente 104 und 105 gebohrt.
In ähnlicher
Weise sind Öffnungen 108c und 108d,
welche die Membran durchdringen, in Abschnitten gebohrt, die an
beiden Seiten in der Längsrichtung
des Heizelements 103 vorgesehen sind. Ferner sind Öffnungen 109c und 109d,
welche die Membran durchdringen, in Abschnitten gebohrt, die an
beiden Seiten in der Längsrichtung
eines jeden der Temperaturerfassungselemente 104 und 105 vorgesehen
sind. Diese Öffnungen
sind unter Verwendung von Fotolithographie- und Nassätz- (oder Trockenätz-)Techniken
ausgebildet.
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Wenn
ein Erregungsstrom für
das Heizelement 103 unter Verwendung einer derartigen herkömmlichen
Durchsatzerfassungseinrichtung so gesteuert wird, dass die Temperatur
des Heizelements 103 höher
ist als diejenige des zu messenden Fluids, und zwar um einen vorbestimmten
Wert, sind die Temperaturen der Temperaturerfassungselemente 104 und 105 zueinander
in dem Fall gleich, dass keine Bewegung des zu messenden Fluids
auftritt (d.h. die Strömungsgeschwindigkeit
= 0).
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Wenn
sich eine Luftströmung
in der Richtung eines Pfeils A bewegt, ist die Temperatur des Temperaturerfassungselements 104,
das an einer stromaufwärtigen
Stelle angeordnet ist, geringer als diejenige in dem Fall, dass
die Strömungsgeschwindigkeit
= 0 ist. Wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit
erhöht, fällt die
Temperatur desselben. Im Gegensatz dazu erniedrigt sich die Temperatur
des Temperaturerfassungselements 105, das an der stromabwärtigen Seite
angeordnet ist, nicht auf die Temperatur, die durch das Temperaturerfassungselement 104 an
der stromaufwärtigen
Seite bei der gleichen Strömungsgeschwindigkeit
auftritt. Wenn somit ein Maß,
das einem Temperaturunterschied zwischen den Temperaturerfassungselementen 104 und 105 entspricht, durch
Einarbeiten der Temperaturerfassungselemente 104 und 105 in
eine Wheatstone-Brückenschaltung
(die nicht gezeigt ist) erhalten wird, kann die Strömungsgeschwindigkeit
des zu messenden Fluids gemessen werden.
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Die
ungeprüfte
japanische Patentveröffentlichung
mit der Nr. 4-230808 beschreibt die folgenden Vorteile der herkömmlichen
Durchsatzerfassungseinrichtung infolge des Vorsehens von Öffnungen
in der Membran 102. Es wird nämlich eine Variation im Ausgang
derselben infolge der Ablagerung von Staub als Folge der Tatsachen
verringert, dass die Wärmeströmung von
dem Heizelement 103 zu den Temperaturerfassungselementen 104 und 105 verringert
wird, und dass somit die Temperaturen der Temperaturerfassungselemente 104 und 105 erniedrigt
werden. Darüber
hinaus wird die Empfindlichkeit der herkömmlichen Durchsatzerfassungseinrichtung
erhöht, weil
Wärme,
die in dem Heizelement 103 erzeugt wird und zu dem plattenartigen
Substrat 101 übertragen
wird, verringert wird.
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Währenddessen
tritt, wenn die zu messende Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids größer wird, oder
wenn Druck auf die Durchsatzerfassungsmembran 102 aufgebracht
wird, oder wenn die Durchsatzerfassungsmembran 102 Schwingungen
großer Amplituden
unterliegt, in der Membran 102 Belastung auf. Im schlimmsten
Fall reißt
die Membran 102.
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Ferner
ist die herkömmliche
Durchsatzerfassungseinrichtung derart aufgebaut, dass die Öffnungen
in der Umgebung der stromaufwärtigen
Seite des Heizelements 103 und der Temperaturerfassungselemente 104 und 105 angeordnet
sind, somit wird in dem Fall, dass die Durchsatzerfassungseinrichtung über eine
lange Zeitdauer verwendet wird, Staub, der in dem zu messenden Fluid
enthalten ist, an der Oberfläche
in der Richtung der Dicke des Substrates an Endabschnitten der Öffnungen
abgelagert. Dies führt
zu einer Veränderung
der Art und Weise, wie das zu messende Fluid strömt. Folglich weist die herkömmliche
Durchsatzerfassungseinrichtung einen Nachteil dahingehend auf, dass
deren Erfassungseigenschaften variieren.
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Auch
wenn die Öffnungen,
die in die Membran 102 gebohrt sind, weggelassen werden,
um Variationen bei den Erfassungseigenschaften zu verhindern, weist
die Membran 102 manchmal eine nicht hinreichende Festigkeit
auf.
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Wenn
eine derartige Durchsatzerfassungseinrichtung beispielsweise als
ein Sensor zur Erfassung der Menge einer Einlassluft zur Steuerung
der Kraftstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor eines Automobils
verwendet werden soll, treten die folgenden Probleme auf.
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Der
Verbrennungsmotor eines Automobils erzeugt Schwingungen, die einer
Kraft von 40 G bis 50 G entsprechen. Ferner erreicht die Strömungsgeschwindigkeit
der Einlassluft manchmal 200 m/s oder mehr. Darüber hinaus kann, wenn ein Rückschlag auftritt,
ein Druck von nahezu 2 Atmosphären
auf die Durchsatzerfassungseinrichtung aufgebracht werden. Wenn
die herkömmliche
Durchsatzerfassungseinrichtung einer derartigen mechanischen Belastung
unterliegt, besteht für
die Einrichtung die Gefahr, dass sie reißt.
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Im
Gegensatz dazu erhöht
sich, wenn die Dicke der Membran vergrößert wird, um deren Festigkeit
zu erhöhen,
die Wärmekapazität der Membran. Darüber hinaus
wird das Wärmeansprechverhalten der
Membran verringert. Folglich kann die herkömmliche Durchsatzerfassungseinrichtung
nicht den Veränderungen
des Durchsatzes folgen.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 definiert, und wurde zur
Lösung
der vorangehenden Probleme gemacht. Demzufolge ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, einen Durchsatzsensor mit einer hohen Verlässlichkeit
zu schaffen, der eine Durchsatzerfassungseinrichtung aufweist, die
mit Membranen versehen ist, die jeweils eine verbesserte Festigkeit
aufweisen.
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Es
wird ein wärmeempfindlicher
Durchsatzsensor mit einer Durchsatzerfassungseinrichtung beschrieben,
die mehrere Durchsatzerfassungsmembranen aufweist, von denen jede
mit Heizabschnitten und Temperaturerfassungsabschnitten versehen
ist. Die mehreren Durchsatzerfassungsmembranen sind in einer Richtung
senkrecht zu einer zu messenden Strömungsrichtung eines Fluids
angeordnet. Jede der Durchsatzerfassungsmembranen ist derart ausgebildet
und angeordnet, dass eine Länge
einer längeren
Seite derselben zweimal eine Länge
einer kürzeren
Seite oder mehr beträgt,
und dass sich die längere
Seite derselben entlang der zu messenden Strömungsrichtung des Fluids erstreckt.
Jede der Durchsatzerfassungsmembranen weist wenigstens einen der
Heizabschnitte und wenigstens einen der Temperaturerfassungsabschnitte
auf, die in der zu messenden Strömungsrichtung
des Fluids angeordnet sind.
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Um
die genannte Aufgabe zu lösen,
wird gemäß einem
Aspekt der Erfindung ein wärmeempfindlicher
Durchsatzsensor mit einer Durchsatzerfassungseinrichtung geschaffen,
die Wärmeerfassungsmembranen
aufweist, die jeweils einen Heizabschnitt und einen Temperaturerfassungsabschnitt
aufweisen. Die Durchsatzerfassungsmembranen sind in einer zu messenden
Strömungsrichtung
eines Fluids angeordnet. Jede der Durchsatzerfassungsmembranen ist
derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Länge einer längeren Seite derselben zweimal
eine Länge
einer kürzeren
Seite oder mehr beträgt,
dass sich die längere
Seite in einer Richtung senkrecht zu einer zu messenden Strömungsrichtung
des Fluids erstreckt, und dass eine Dicke derselben nicht mehr als
1 μm beträgt. Eine
stromaufwärtige
der Durchsatzerfassungsmembranen weist den entsprechenden Heizabschnitt
und den entsprechenden Temperaturerfassungsabschnitt auf, der an
einer stromaufwärtigen
Seite derselben angeordnet ist. Eine stromabwärtige der Durchsatzerfassungsmembranen weist
den entsprechenden Heizabschnitt und den entsprechenden Temperaturerfassungsabschnitt
auf, der an einer stromabwärtigen
Seite derselben angeordnet ist. Jeder der Heizabschnitte weist wärmeempfindliche
Widerstände
auf. Die wärmeempfindlichen
Widerstände
eines jeden der Heizabschnitte sind in Reihe oder parallel verbunden
sind. Dieser Sensor verwendet ein Signal, das ein Maß darstellt, das
einem Temperaturunterschied zwischen dem Temperaturerfassungsabschnitt,
der in der stromaufwärtigen
Durchsatzerfassungsmembran vorgesehen ist, und dem Temperaturerfassungsabschnitt
entspricht, der in der stromabwärtigen
Durchsatzerfassungsmembran vorgesehen ist, als ein Durchsatzsignal.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich, in denen gleiche
Referenznummern gleiche oder entsprechende Teile in sämtlichen
Ansichten bezeichnen. Im einzelnen:
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1 ist
eine Draufsicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung, die in einem
wärmeempfindlichen
Durchsatzsensor gemäß einer
ersten Ausführungsform
verwendet wird;
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2 ist
eine Schnittansicht entlang der Richtung der Pfeile von Linie II-II
von 1;
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3 ist
eine Vorderansicht des wärmeempfindlichen
Durchsatzsensors, der die erste Ausführungsform ist;
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4 ist
eine Schnittansicht entlang der Richtung der Pfeile auf der Linie
IV-IV von 3;
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5 ist
ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung eines Stromkreises für eine konstante
Temperaturdifferenz, der in dem wärmeempfindlichen Durchsatzsensor
vorgesehen ist, der eine erste Ausführungsform ist;
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6 ist
ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchsatz
in dem wärmeempfindlichen
Durchsatzsensor gemäß der ersten Ausführungsform
und der Temperatur des Temperaturerfassungselements;
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7 ist
ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis der
längeren Seite
zu der kürzeren
Seite der Membran und der maximalen Belastung, die in der Membran
erzeugt wird;
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8 ist
ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis der
längeren Seite
zu der kürzeren
Seite der Membran und der maximalen Auslenkung, die in der Membran
erzeugt wird;
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9 ist
eine Draufsicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung, die in einem
wärmeempfindlichen
Durchsatzsensor verwendet wird, bei dem es sich um eine zweite Ausführungsform
handelt;
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10 ist
eine Schnittansicht entlang der Richtung der Pfeile auf der Linie
X-X von 9;
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11 ist
eine Draufsicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung, die in einem
wärmeempfindlichen
Durchsatzsensor gemäß einer
dritten Ausführungsform
verwendet wird;
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12 ist
eine Schnittansicht entlang der Richtung der Pfeile auf der Linie
XII-XII von 11;
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13 ist
eine Draufsicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung, die in einem
wärmeempfindlichen
Durchsatzsensor gemäß einer
Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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14 ist
eine Schnittansicht entlang der Richtung der Pfeile auf der Linie
XIV-XIV von 13;
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15 ist
eine Draufsicht der herkömmlichen
Durchsatzerfassungseinrichtung;
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16 ist
eine Schnittansicht der herkömmlichen
Durchsatzerfassungseinrichtung;
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17 ist
eine Draufsicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung gemäß einem
Vergleichsbeispiel; und
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18 ist
eine Schnittansicht der Richtung der Pfeile auf der Linie XVIII-XVIII
von 17.
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Ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
und die bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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1 ist
eine Draufsicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung, die in einem
wärmeempfindlichen
Durchsatzsensor gemäß der ersten
Ausführungsform
verwendet wird.
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2 ist
eine Schnittansicht in Richtung der Pfeile auf der Linie II-II von 1.
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Wie
in 1 und 2 gezeigt ist, wird ein plattenartiges
Substrat 1 durch ein Siliciumsubstrat mit einer Dicke von
etwa 0,4 mm gebildet. Ferner ist ein 0,5 μm dicker isolierender Tragfilm 2 aus
Siliciumnitrid an einer Oberfläche 1a des
plattenartigen Substrats 1 durch Ausführung eines Verfahrens, wie
z.B. Sputtern, Dampfablagerung oder CVD ausgebildet. Darüber hinaus
sind Heizwiderstände 4a bis 4c,
die jeweils durch einen wärmeempfindlichen
Widerstandsfilm, wie z.B. einem Platinfilm gebildet werden, die
als ein Heizabschnitt wirken, Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und 7a bis 7c,
die als ein Temperaturerfassungsabschnitt wirken, und ein Fluidtemperaturerfassungswiderstand 5 an
dem Tragfilm 2 ausgebildet. Diese Heizwiderstände 4a bis 4c,
die Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und 7a bis 7c und
der Fluidtemperaturerfassungswiderstand werden in dem folgenden
Verfahren derart gestaltet, dass eine Strombahn ausgebildet wird.
Zunächst
wird ein wärmeempfindlicher
Widerstandsfilm, wie z.B. ein Platinfilm mit einer Dicke von beispielsweise
0,1 μm an
dem Tragfilm 2 unter Verwendung eines Dampfablagerungs-
oder Sputterverfahrens ausgebildet. Dann wird auf diesem wärmeempfindlichen
Widerstandsfilm durch Verwendung eines fotolithographischen Verfahrens
und einer Nass- (oder Trocken-)Ätzmethode
ein Musterbilden durchgeführt.
Zwei Gruppen der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c bzw. 7a bis 7c sind
an beiden Seiten der Heizwiderstände 4a bis 4c vorgesehen. Der
Fluidtemperaturerfassungswiderstand 5 ist von den Heizwiderständen 4a bis 4c getrennt
vorgesehen.
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Darüber hinaus
ist ein isolierender Schutzüberzug 3,
der durch einen 0,4 μm
dicken Film aus Siliciumnitrid ausgebildet ist, an den Heizwiderständen 4a bis 4c,
den Temperaturerfassungswiderständen 6a bis 6c, 7a bis 7c und
dem Fluidtemperaturerfassungswiderstand 5 durch Durchführung des
Sputter- oder CVD-Verfahrens ausgebildet.
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Die
Heizwiderstände 4a bis 4c sind
in Reihe verbunden und durch Leitungsmuster 8c und 8f mit Elektroden 9c und 9f für eine elektrische
Verbindung der Durchsatzerfassungseinrichtung 10 mit einem äußeren Stromkreis
verbunden. Darüber
hinaus ist der Fluidtemperaturerfassungswiderstand 5 durch Leitungsmuster 8d und 8e mit
Elektroden 9d und 9e für eine elektrische Verbindung
der Durchsatzerfassungseinrichtung 10 mit einem äußeren Stromkreis verbunden.
Darüber
hinaus sind in ähnlicher
Weise die Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c in Reihe
verbunden und ferner durch Leitungsmuster 8a und 8b mit
Elektroden 9a und 9b verbunden. Ferner sind die
Temperaturerfassungswiderstände 7a bis 7c in
Reihe verbunden und ferner durch Leitungsmuster 8g und 8h mit
Elektroden 9g und 9h verbunden.
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Diese
Leitungsmuster 8a bis 8h werden gleichzeitig ausgebildet,
wenn die Musterbildung durchgeführt
wird, um die Heizwiderstände
bis 4a bis 4c, die Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und 7a bis 7c und
der Fluidtemperaturerfassungswiderstand 5 auszubilden.
Ferner werden die Schutzfilme 3, die an den Elektroden 9a und 9d ausgebildet sind,
entfernt, so dass sie mit einem äußeren Stromkreis
durch Drahtverbindung verbunden werden können.
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Ferner
sind Hohlräume 14a bis 14c ausgebildet,
indem das plattenartige Substrat, das unter den Heizwiderständen 4a bis 4c und
den Temperaturerfassungswiderständen 6a bis 6c und 7a bis 7c vorhanden
ist, entfernt wird, so dass die Durchsatzerfassungsmembranen 13a bis 13c gebildet
werden. Die Membranen 13a bis 13c werden wie folgt
ausgebildet. Zunächst
wird ein Rückflächenschutzfilm 11,
der durch einen Oxidfilm gebildet wird, an der entgegengesetzten
Seite des plattenartigen Substrats 1 ausgebildet, die entgegengesetzt zu
der Oberfläche
desselben ist, an welcher der Tragfilm 2 ausgebildet ist. Nachfolgend
werden Ätzöffnungen 12 ausgebildet, indem
der Rückflächenschutzfilm 11 beispielsweise durch
ein fotolithographisches Verfahren entfernt wird. Nachfolgend werden
Hohlräume 14a bis 14c ausgebildet,
indem freigelegte Abschnitte des plattenartigen Substrats entfernt
werden, die trapezförmige
Querschnitte aufweisen und sich von der entgegengesetzten Fläche zu dem
Tragfilm 2 erstrecken, beispielsweise durch alkalisches Ätzen.
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In 1 bezeichnet
ein Pfeil A eine positive Strömungsrichtung
eines zu messenden Fluids. Drei Durchsatzerfassungsmembranen 13a bis 13c sind derart
angeordnet, dass deren Abschnitte an der Seite des Schutzfilmes 3 zu
dem zu messenden Fluid freigelegt sind, dass sich eine längere Seite
einer jeden der Membranen 13a bis 13c entlang
der Strömungsrichtung
des messenden Fluids A erstreckt, und dass die Membranen 13a bis 13c in
einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung A des zu messenden
Fluids angeordnet sind. Die Größe einer jeden
der drei Membranen 13a bis 13c beträgt 1500 μm × 200 μm. Die Dicke
eines Abschnitts, in dem keine Widerstände ausgebildet sind, einer
jeden der Membranen 13a bis 13c beträgt 0,9 μm. Ferner
sind an jeder der Membranen 13a bis 13c die Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c jeweils
an der stromaufwärtigen
Seite der Heizwiderstände 4a bis 4c angeordnet.
Darüber
hinaus sind die Temperaturerfassungswiderstände 7a bis 7c jeweils
an der stromabwärtigen
Seite der Heizwiderstände 4a bis 4c angeordnet.
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3 und 4 sind
eine Vorderansicht und eine Längsschnittansicht
des wärmeempfindlichen Durchsatzes
unter Verwendung der Durchsatzerfassungseinrichtung 10.
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Wie
in 3 und 4 gezeigt ist, weist dieser
Durchsatzsensor einen zylindrischen Hauptdurchgang 16,
der als ein Durchgang dient, durch den ein zu messendes Fluid strömt, und
eine zylindrische Erfassungsröhre 15 auf,
die koaxial in diesem Hauptdurchgang 16 angeordnet ist.
Die Durchsatzerfassungseinrichtung 10, die in 1 und 2 gezeigt
ist, ist an die Oberfläche
des plattenartigen Trageelements 19 angebracht, das in
der Erfassungsröhre 15 derart
angeordnet ist, dass die Oberfläche der
Durchsatzerfassungseinrichtung 10 nahezu parallel zu der
Strömungsrichtung
A des zu messenden Fluids ist. Diese Durchsatzerfassungseinrichtung 10 ist
derart angeordnet, dass der Abschnitt derselben, der an der Seite
des Schutzfilmes 3 vorgesehen ist, zu dem zu messenden
Fluid freigelegt ist, und dass eine längere Seite einer jeden der
Membranen 13a bis 13c sich in der Strömungsrichtung
A des Fluids erstreckt.
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Ferner
ist eine Erfassungsleiterplatte 21, die als eine Erfassungsschaltung
dient, in einem Gehäuse 17 untergebracht.
Die Durchsatzerfassungseinrichtung 10 ist elektrisch mit
der Erfassungsleiterplatte 21 durch einen Bleidraht 20 verbunden.
Darüber hinaus
ist ein Verbinder 18 zur Zuführung von Energie zu dem Durchsatzsensor
und zum Aufnehmen eines Ausgangssignals zu einer äußeren Schaltung
in dem Gehäuse 17 vorgesehen.
Ein Schirmelement 22 ist derart angeordnet, dass es die
Erfassungsleiterplatte 21 derart abdeckt, dass die Erfassungsleiterplatte 21 vor
Störungen
von außen,
wie z.B. elektromagnetischen Wellen, geschützt wird.
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Im übrigen ist
der Aufbau des Durchsatzsensors, der in den 3 und 4 dargestellt
ist, der gleiche wie derjenige von Durchsatzsensoren weiterer Ausführungsformen,
die nachfolgend beschrieben sind.
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In
dieser Durchsatzerfassungseinrichtung 10 und dem zugehörigen Sensor
werden die Heizwiderstände 4a bis 4c durch
den Antriebsschaltkreis für eine
konstante Temperaturdifferenz, der in 5 gezeigt
ist, derart gesteuert, dass sie einen Widerstandswert aufweisen,
bei dem die Durchschnittstemperatur der Heizwiderstände einen
vorbestimmten Wert aufweist. Die Erfassungsschaltung wird durch
eine Brückenschaltung
gebildet, welche den Fluidtemperaturerfassungswiderstand 5 und
den Heizwiderstand 4 aufweist (in diesem Fall sind die Heizwiderstände 4a bis 4c in
Reihe verbunden und somit aus Gründen
der Einfachheit als ein einziger Heizwiderstand 4 gezeigt).
In dieser Figur bezeichnen die Referenzzeichen R1, R2, R3, R4 und
R5 feste Widerstände.
Die Referenzzeichen OP1 und OP2 bezeichnen Operationsverstärker. Die
Referenzzeichen TR1 und TR2 bezeichnen Transistoren, und BATT bezeichnet
eine Energiequelle. Darüber
hinaus sind die Aufbauelemente dieser Schaltung mit Ausnahme des
Fluidtemperaturerfassungswiderstands 5 und des Heizwiderstands 4 an
der Erfassungsleiterplatte 21 ausgebildet.
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Die
Erfassungsschaltung wirkt derart, dass das elektrische Potential
an den Punkten a und b, die in 5 gezeigt
sind, nahezu zueinander gleich ist. Darüber hinaus sind die Aufbauwiderstände der
Brückenschaltung
derart eingestellt, dass die Temperatur des Heizwiderstands 4 höher ist
als die Temperatur des Fluidtemperaturerfassungswiderstands 5, und
zwar um einen vorbestimmten Wert (beispielsweise 100°C), und diese
Erfassungsschaltung steuert einen Heizstrom IH für den Heizwiderstand 4. Wenn
sich die Strömungsgeschwindigkeit
des zu messenden Fluids erhöht,
erhöht
sich ein Ausmaß an Wärme, das
auf dieses Fluid von dem Heizwiderstand 4 übertragen
wird. Wenn somit die Durchschnittstemperatur des Heizwiderstandes 4 bei
einem vorbestimmten Wert gehalten wird, erhöht sich der Heizstrom IH.
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Andererseits
erhält
ein jeder der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und 7a bis 7c einen Ausgang,
der einer Temperatur desselben entspricht, und zwar durch eine (nicht
gezeigte) Schaltung. Ferner wird ein Signal, das den Unterschied
zwischen den Ausgängen
dieser Widerstände
repräsentiert, als
ein Ausgang des Durchsatzsensors verwendet. Wenn sich nämlich das
Fluid in der Richtung des Pfeils A (in der positiven Richtung) gemäß 1 bewegt,
ist die Temperatur der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c geringer
als diejenige der Temperaturerfassungswiderstände 7a bis 7c.
Wenn sich im Gegensatz dazu das Fluid in einer Richtung entgegengesetzt
zu der Richtung des Pfeils A bewegt (d.h. in einer negativen Richtung),
ist die Temperatur der Widerstände 6a bis 6c höher als
diejenige der Temperaturerfassungswiderstände 7a bis 7c.
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6 zeigt
die Durchschnittstemperatur der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und 7a bis 7c entsprechend
dem Durchsatz. Somit werden der Durchsatz des Fluids und die Strömungsrichtung desselben
unter Verwendung des Unterschieds zwischen den Ausgangssignalen
erfasst, die der Temperatur der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und
der Temperatur der Temperaturerfassungswiderstände 7a bis 7c als
einem Ausgang des Durchsatzsensors entsprechen.
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Im übrigen werden
die Temperaturen der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und 7a bis 7c durch
Verfahren mit Aufbringen einer vorbestimmten konstanten Spannung
oder eines Stromes auf eine Gruppe der Widerstände 6a bis 6c und
einer anderen Gruppe der Widerstände 7a bis 7c erfasst.
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In
diesem Zusammenhang werden nachfolgend die maximale Belastung und
die Auslenkung, die in den Membranen zum Zeitpunkt der Aufbringung
einer gleichmäßigen Last,
wie z.B. eines Druckes, auf die Membranen verursacht werden, untersucht.
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7 ist
ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Längenverhältnis einer jeden
der Membranen und der darin in dem Fall, dass die Länge der
kürzeren
Seite einer jeden der Membranen konstant ist, erzeugten maximalen
Belastung. Die Abszisse dieses Diagramms zeigt das Verhältnis der
Länge der
längeren
Seite einer jeden Membran zu derjenigen der kürzeren Seite derselben in dem Fall
an, dass die Länge
der kürzeren
Seite konstant ist, und die Länge
der längeren
Seite verändert
wird. Die Ordinaten dieses Diagramms zeigen die maximale Belastung
an, die erzeugt wird, wenn eine gleichmäßige Last auf die Oberfläche einer
jeden Membran aufgebracht wird, indem die maximale Belastung auf 1
eingestellt wird, wenn das Verhältnis
der Länge
der längeren
Seite zu der Länge
der kürzeren
Seite = 2 ist.
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Wie
aus 7 deutlich wird, verringert sich die Vergrößerungsrate
der maximalen Belastung in dem Fall, dass das Verhältnis der
Länge der
längeren Seite
zu der Länge
der kürzeren
Seite nicht weniger als 2 ist, verglichen mit dem Fall, dass dieses
Verhältnis
geringer als 2 ist. Demzufolge wird in dem Fall, dass eine Fläche der
Membran vergrößert wird,
wenn die Festigkeit der Membran nicht umfangreich verringert wird,
bevorzugt, dass die Länge
der längeren Seite
vergrößert wird,
verglichen mit dem Fall, dass die Länge der kürzeren Seite vergrößert wird.
Ferner kann, wenn das Verhältnis
der Länge
der längeren Seite
zu der Länge
der kürzeren
Seite ≥ 2
ist, eine Verringerung in der Festigkeit der Membran bezüglich einer
Vergrößerung der
Fläche
derselben verringert werden.
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8 ist
ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Längenverhältnis einer jeden
der Membranen und der maximalen Auslenkung, die darin in dem Fall
erzeugt wird, dass die Länge
der kürzeren
Seite einer jeden der Membranen konstant ist. Die Abszisse dieses
Diagramms zeigt das Verhältnis
der Länge
der längeren
Seite einer jeden Membran zu derjenigen der kürzeren Seite derselben unter
den gleichen Bedingungen, ähnlich wie
in 7, an. Die Ordinaten dieses Diagramms zeigen die
maximale Auslenkung an, die erzeugt wird, wenn eine gleichmäßige Last
auf die Oberfläche
einer jeden Membran aufgebracht wird, und indem die maximale Belastung
auf 1 eingestellt wird, wenn das Verhältnis der Länge der längeren Seite zu der Länge der
kürzeren
Seite = 2 ist.
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Wie
aus 8 ersichtlich ist, verringert sich die Vergrößerungsrate
der maximalen Auslenkung in dem Fall, dass das Verhältnis der
Länge der
längeren Seite
zu der Länge
der kürzeren
Seite nicht weniger als 2 ist, verglichen mit dem Fall, dass ein
derartiges Verhältnis
geringer als 2 ist. Deshalb wird in dem Fall, dass die Fläche der
Membran vergrößert wird,
wenn die Auslenkung der Membran nicht umfangreich vergrößert wird,
bevorzugt, die Länge
der längeren
Seite derselben zu vergrößern, verglichen
mit dem Fall, dass die Länge
der kürzeren
Seite derselben vergrößert wird.
Ferner kann, wenn das Verhältnis
der Länge
der längeren
Seite zu der Länge
der kürzeren
Seite ≥ 2
ist, eine Vergrößerung der
Auslenkung der Membran bezüglich
einer Vergrößerung der
Fläche derselben
verringert werden.
-
Wie
aus der vorangehenden Beschreibung dieser Ausführungsform deutlich wird, wird,
wenn eine vorbestimmte Fläche
einer jeden der Membranen sichergestellt wird, die Festigkeit derselben
gegen äußere Kräfte vergrößert, und
die Auslenkung derselben wird verringert, indem die Länge der
längeren
Seite derselben derart eingestellt wird, dass sie zweimal die Länge der
kürzeren
Seite derselben oder mehr beträgt.
-
Ferner
ist es für
die Sicherstellung einer hohen Dauerhaftigkeit der Membran vorteilhaft,
dass die darin erzeugte Belastung und Auslenkung klein sind. Somit
wird ein höchstverlässlicher
Durchsatzsensor erhalten, indem rechtwinklige Membranen vorgesehen
werden, von denen jede eine längere Seite
aufweist, deren Länge
zweimal die Länge
einer kürzeren
Seite oder länger
beträgt.
-
Gemäß der ersten
Ausführungsform
sind die Membranen 13a bis 13c derart angeordnet,
dass sich deren längere
Seite entlang der Strömungsrichtung des
zu messenden Fluids erstrecken. Somit werden der Abstand L1 zwischen
dem stromaufwärtigen
und dem stromabwärtigen
Endabschnitt eines jeden der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und 7a bis 7c und
der Abstand L2 zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Endabschnitt
der Membranen 13a bis 13c auf große Werte
eingestellt. Deshalb wird eine breite Temperaturverteilung in der Richtung
parallel zu der Strömung
des zu messenden Fluids, das auf den Membranen 13a bis 13c strömt, erhalten.
Folglich wird die große
Temperaturdifferenz zwischen einer Gruppe der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und
einer weiteren Gruppe der Temperaturerfassungswiderstände 7a bis 7c erhalten.
Die Durchsatzerfassungsempfindlichkeit des Sensors wird verbessert.
Im übrigen
ist auch in dem Fall, dass eine einzige Durchsatzerfassungsmembran
in dem Sensor vorgesehen ist, ein Durchsatzerfassungsbereich in
der Richtung zu der Strömung
des zu messenden Fluids (d.h. in der Richtung der kürzeren Seite
der Membran) schmal. Somit sind im Fall der ersten Ausführungsform
drei Durchsatzerfassungsmembranen 13a bis 13c in
der Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des zu messenden
Fluids angeordnet, so dass die durchschnittliche radiale Strömungsgeschwindigkeit
in dem Durchgang gemessen wird. Folglich wird die Durchsatzerfassungsgenauigkeit
verbessert.
-
Ferner
ist in jeder der Durchsatzerfassungsmembranen 13a bis 13c ein
entsprechender der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c an
der stromaufwärtigen
Seite eines entsprechenden der Heizwiderstände 4a bis 4c vorgesehen.
Ferner ist ein entsprechender der Temperaturerfassungswiderstände 7a bis 7c an
der stromabwärtigen
Seite desselben vorgesehen. Somit werden ein Signal, das die Temperatur
an der stromaufwärtigen
Seite der Heizwiderstände
repräsentiert,
und ein Signal, das die Temperatur an der stromabwärtigen Seite
derselben repräsentiert,
anhand der Durchsatzerfassungsmembran 13a bis 13c erhalten.
Folglich wird die Empfindlichkeit des Durchsatzsensors vergrößert.
-
Darüber hinaus
werden, weil die Membran aus drei Durchsatzerfassungsmembranen 13a bis 13c besteht,
die Abmessungen einer jeden der drei Membranen verringert. Folglich
wird die Festigkeit der Membranen vergrößert.
-
Zusätzlich ist
eine jede der Durchsatzerfassungsmembranen 13a bis 13c derart
ausgebildet, dass sie eine Größe von 1500 μm × 200 μm aufweist. Somit
wird die Festigkeit der Membranen gegen eine äußere Kraft vergrößert.
-
Folglich
wird die Festigkeit der Membran der Durchsatzerfassungseinrichtung 10 vergrößert, so dass
ein höchstverlässlicher
Durchsatzsensor erhalten wird.
-
Das
Erreichen einer Verbesserung der Festigkeit der Durchsatzerfassungsmembranen
bedeutet, dass dünnere
Membranen in dem Fall erhalten werden, dass eine vorbestimmte Festigkeit
der Membranen erhalten wird.
-
Die
Wärmeträgheit einer
Membran wird gemäß der Wärmekapazität, der Dichte
und des Volumens des Materials der Membran bestimmt. Wenn somit
die Dicke der Membran verringert wird, wird die Wärmeträgheit verringert.
Folglich wird das Ansprechverhalten des Durchsatzsensors verbessert. Wenn
beispielsweise dieser Durchsatzsensor als ein Sensor zur Messung
der Einlassluftmenge zur Verwendung in dem einem Automobil verwendet
wird, ist die Einlassluft eine pulsierende Strömung mit einer Frequenz von
zig bis hundert Hertz und weist manchmal eine Rückwärtsströmung auf. In dem Fall einer derartigen
Verwendung sollte der Durchsatzsensor ein schnelles Ansprechverhalten
aufweisen, um eine Einlassluftmenge genau zu erfassen. Ergebnisse
von Versuchen, die durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung
durchgeführt
wurden, offenbaren, dass, wenn die Dicke der Membran nicht mehr
als 1 μm
beträgt,
ein Ausgangssignal des Sensors erhalten wird, das einer Einlassluftpulsation
folgt, die dem Motor entspricht.
-
Bei
der ersten Ausführungsform
können
dünnere
Membranen verglichen mit der Membran des herkömmlichen Durchsatzsensors verwendet
werden. Darüber
hinaus wird die Wärmekapazität der Membran
verringert. Somit realisiert die vorliegende Erfindung einen Durchsatzsensor,
der auf einen Einlassluftmengensensor zur Verwendung in einem Motor
eines Automobils angewendet werden kann.
-
Ferner
sind die Heizwiderstände 4a bis 4c in Reihe
verbunden. Somit ist es ausreichend, dass der Sensor nur eine Steuerungsschaltung
zur Steuerung der Heizströme
aufweist, die den Heizwiderständen 4a bis 4c zugeführt werden.
Der Sensor weist nämlich
nur eine Antriebsschaltung für
eine konstante Temperaturdifferenz auf, die in 5 gezeigt
ist. Somit wird die Anzahl der Elektroden nicht vergrößert. Folglich
wird, verglichen mit dem herkömmlichen Durchsatzsensor,
die Anzahl der Mannstunden, die zur Durchführung der Leitungsverbindungen
usw. erforderlich ist, nicht vergrößert.
-
In ähnlicher
Weise sind die Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c in
Reihe verbunden, und die Temperaturerfassungswiderstände 7a bis 7c sind in
Reihe verbunden, so dass der Sensor nur ein Paar von stromaufwärtigen und
stromabwärtigen
Temperaturerfassungsschaltungen zur Erfassung der Temperatur der
Temperaturerfassungswiderstände
aufweist. Somit wird verglichen mit dem herkömmlichen Durchsatzsensor die
Anzahl der Temperaturunterschieds-Erfassungsschaltungen nicht vergrößert.
-
Ferner
werden bei einem Herstellungsverfahren der Durchsatzerfassungseinrichtung 10 gemäß der ersten
Ausführungsform
mehrere Membranen gleichzeitig mit dem gleichen Ätzschritt ausgebildet, und
zwar auch in dem Fall, dass die mehreren Membranen an der Durchsatzerfassungseinrichtung 10 vorgesehen
sind. Somit wird die Anzahl der Schritte nicht vergrößert, verglichen
mit dem Fall, dass ein herkömmlicher
Sensor mit einer einzigen Membran verwendet wird. Folglich weist
die erste Ausführungsform
einen Vorteil dahingehend auf, dass die Herstellungskosten verglichen
mit einem herkömmlichen Durchsatzsensor
nicht vergrößert werden.
-
Im übrigen werden,
obwohl die erste Ausführungsform
derart aufgebaut ist, dass die längeren Seiten
der Membranen 13a bis 13c sich parallel mit der
Strömungsrichtung
des zu messenden Fluids erstrecken, ähnliche Wirkungen erhalten,
auch wenn die Membranen derart angeordnet sind, dass sie ein wenig
bezüglich
der Strömungsrichtung
geneigt sind.
-
Darüber hinaus
können,
obwohl die erste Ausführungsform
derart aufgebaut ist, dass die Heizwiderstände 4a bis 4c in
Reihe verbunden sind, die Heizwiderstände 4a bis 4c parallel
verbunden sein. Darüber
hinaus kann in ähnlicher
Weise eine jede der Gruppen der Temperaturerfassungswiderstände 6a bis 6c und 7a bis 7c parallel
verbunden sein.
-
Zusätzlich ist,
obwohl beschrieben wurde, dass die drei Durchsatzerfassungsmembranen
bei der ersten Ausführungsform
in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des zu messenden Fluids
angeordnet sind, die Anzahl derartiger Membranen nicht auf drei
beschränkt. Ähnliche
Wirkungen werden erhalten, wenn mehrere derartiger Membranen in
der Erfassungseinrichtung angeordnet sind.
-
Zweite Ausführungsform
-
9 ist
eine Draufsicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung, die in einem
wärmeempfindlichen
Durchsatzsensor gemäß einer
zweiten Ausführungsform
verwendet wird. 10 ist eine Schnittansicht entlang
der Richtung der Pfeile auf der Linie X-X von 9.
Im übrigen
bezeichnen die Referenznummern 2, 3, 5, 8a bis 8h, 9a bis 9h und 11 die
entsprechenden Aufbauelemente wie bei der ersten Ausführungsform.
-
In
dem Fall der zweiten Ausführungsform
ist ein plattenartiges Substrat 1A ein Siliciumsubstrat, dessen
ebene Oberfläche
eine Kristallorientierung gemäß (110)
aufweist, und die Oberfläche
in der Dickenrichtung eine Kristallorientierung gemäß (111) aufweist.
-
Ferner
werden zunächst
ein Tragfilm 2, Heizwiderstände 4d bis 4j,
die als Heizabschnitte dienen, stromaufwärtige Temperaturerfassungswiderstände 6d bis 6j,
die als Temperaturerfassungsabschnitte dienen, stromabwärtige Temperaturerfassungswiderstände 7d bis 7j,
die als die Temperaturerfassungsabschnitte dienen, ein Fluidtemperaturerfassungswiderstand 5,
Leitungsmuster 8a bis 8h und ein Schutzfilm 3 an
dem plattenartigen Substrat 1A durch Verfahren ähnlich zu
dem Verfahren ausgebildet, das in der Beschreibung der ersten Ausführungsform
beschrieben wurde. Nachfolgend wird ein Rückflächenschutzfilm 11,
der durch einen Oxidfilm gebildet wird, an einer Oberfläche ausgebildet,
die entgegengesetzt zu einer Oberfläche ist, an welcher der Tragfilm 2 des
plattenartigen Substrats 1A ausgebildet ist. Dann werden Ätzöffnungen 12d bis 12j ausgebildet, indem
der Rückflächenschutzfilm 11 durch
ein fotolithographisches Verfahren teilweise entfernt wird. Nachfolgend
wird ein Ätzen
auf diesem Substrat durch Verwendung eines Ätzmittels durchgeführt, wie z.B.
durch Verwendung von TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid). Dann werden
Hohlräume 14d bis 14j durch
Entfernen von Teilen des plattenartigen Substrats 1A ausgebildet,
die von den Ätzöffnungen 12d bis 12j freigelegt
werden, und zwar derart, dass sie den Tragfilm 2 erreichen.
Folglich sind sechs Durchsatzerfassungsmembranen 14d bis 14j gebildet.
-
Die
Heizwiderstände 4d bis 4j sind
in Reihe verbunden. Beide Enden eines jeden dieser Widerstände sind
durch Leitungsmuster 8c und 8f mit den Elektroden 9c und 9f und
somit mit der Antriebsschaltung für eine konstante Temperaturdifferenz verbunden.
Andererseits sind die stromaufwärtigen Temperaturerfassungswiderstände 6d bis 6j in
Reihe verbunden. Beide Enden dieser Temperaturerfassungswiderstände sind
durch Leitungsmuster 8a und 8b mit den Elektroden 9a und 9b und
somit mit der Temperaturerfassungsschaltung verbunden. In ähnlicher
Weise sind die stromabwärtigen
Temperaturerfassungswiderstände 7d bis 7j in
Reihe verbunden. Beide Enden dieser Temperaturerfassungswiderstände sind
mit den Leitungsmustern 8g und 8h mit den Elektroden 9g und 9h und
somit mit der Temperaturerfassungsschaltung verbunden.
-
Im übrigen ist,
wie in 9 und 10 dargestellt ist, eine jede
dieser sechs Durchsatzerfassungsmembranen 13d bis 13j wie
ein Parallelogramm derart ausgebildet, dass sie eine längere Seite
aufweist, die sich parallel mit der Strömungsrichtung A erstreckt.
Ferner ist eine jede dieser sechs Durchsatzerfassungsmembranen in
einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung A derart angeordnet,
dass sich benachbarte dieser sechs Durchsatzerfassungsmembranen
nahe zueinander befinden. Ferner weist eine jede der Membranen den Heizwiderstand
und die Temperaturerfassungswiderstände auf, die an der stromaufwärtigen Seite
und der stromabwärtigen
Seite des Heizwiderstands ausgebildet sind.
-
Ferner
sind als ein Ergebnis der Tatsache, dass ein Siliciumsubstrat, dessen
Oberfläche
in der Dickenrichtung derselben eine Kristallorientierung gemäß (111)
aufweist, als das plattenartige Substrat 1 verwendet wird,
und dass die Hohlräume 14d bis 14j durch
Verwendung des Ätzmittels,
wie z.B. TMAH und durch Durchführung
des Ätzens
ausgebildet werden, die längeren
Seitenabschnitte der Hohlräume 14d bis 14j derart
ausgebildet, dass sie nahezu senkrecht zu der Oberfläche des
plattenartigen Substrats 1 sind.
-
Ferner
wird der Tragfilm 2 durch einen 0,5 μm dicken Siliciumnitridfilm
gebildet, während
der Schutzfilm 3 durch einen 0,4 μm dicken Siliciumnitridfilm
gebildet wird. Ein Abschnitt, in dem keine Widerstände ausgebildet
sind, einer jeden der Durchsatzerfassungsmembranen 13d bis 13j beträgt 0,9 μm in der
Dicke.
-
Der
Durchsatzsensor unter Verwendung der Durchsatzerfassungseinrichtung 10A,
die wie oben beschrieben aufgebaut ist, weist zusätzlich zu
den Wirkungen der ersten Ausführungsform
folgende Wirkungen auf. Im einzelnen ist der längere Seitenabschnitt einer
jeden der Membranen 13d bis 13j senkrecht zu dem
plattenartigen Substrat 1 geätzt. Somit sind viele Membranen
in einer Richtung angeordnet, die sich mit der Richtung A der Strömung des zu
messenden Fluids schneidet (oder zu dieser senkrecht ist), so dass
benachbarte derartige Membranen näher zueinander angeordnet sind.
Folglich wird der Durchsatzerfassungsbereich in der Richtung, welche die
Strömungsrichtung
A schneidet, verbreitert. Somit wird ein höchstgenauer Durchsatzsensor
erhalten.
-
Ferner
sind die Heizwiderstände 4d bis 4j in Reihe
verbunden, so dass nur zwei Elektroden erforderlich sind, ähnlich wie
dies beim herkömmlichen Durchsatzsensor
der Fall ist. Somit wird die Anzahl der Schritte bei einem Verbindungsvorgang
nicht vergrößert. Zusätzlich benötigt der
Durchsatzsensor dieser Ausführungsform
nur eine einzige Antriebsschaltung für eine konstante Temperaturdifferenz.
-
Darüber hinaus
sind die stromaufwärtigen Temperaturerfassungswiderstände 6d bis 6j in
Reihe verbunden, so dass nur zwei Elektroden erforderlich sind, ähnlich wie
dies bei dem herkömmlichen
Durchsatzsensor der Fall ist. Somit wird die Anzahl der Schritte
eines Verbindungsvorgangs nicht vergrößert. Zusätzlich benötigt der Durchsatzsensor dieser Ausführungsform
nur eine Temperaturerfassungsschaltung.
-
In ähnlicher
Weise sind die stromabwärtigen Temperaturerfassungswiderstände 7d bis 7j in
Reihe verbunden, so dass nur zwei Elektroden erforderlich sind, ähnlich wie
dies bei dem herkömmlichen
Durchsatzsensor der Fall ist. Somit wird die Anzahl der Schritte
bei einem Verbindungsvorgang nicht vergrößert. Zusätzlich benötigt der Durchsatzsensor dieser Ausführungsform
nur eine Temperaturerfassungsschaltung.
-
Im übrigen ist,
obwohl ein Siliciumsubstrat, dessen Oberfläche in der Dickenrichtung eine
Kristallorientierung gemäß (111)
aufweist, als das plattenartige Substrat verwendet wird, und dann
ein Nassätzen
an dem Siliciumsubstrat verwendet wird, um dadurch die Hohlräume 14d bis 14j auszubilden,
die senkrecht zu der Oberfläche
des Substrats gemäß der zweiten
Ausführungsform
geätzt
werden, das Verfahren zur Ausbildung derartiger Hohlräume 14d bis 14j,
die senkrecht zu der Oberfläche
des Substrats geätzt
werden, nicht darauf beschränkt.
Ein Verfahren der teilweisen Entfernung des Siliciumsubstrats durch
Durchführung
eines Trockenätzens
kann ebenso verwendet werden.
-
Ferner
können,
obwohl die Heizwiderstände 4d bis 4j bei
der zweiten Ausführungsform
in Reihe verbunden sind, die Heizwiderstände 4d bis 4j parallel
verbunden sein. Darüber hinaus
kann eine jede der Gruppen der Temperaturerfassungswiderstände 6d bis 6j und 7d bis 7j parallel
verbunden sein.
-
Dritte Ausführungsform
-
11 ist
eine Draufsicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung, die in einem
wärmeempfindlichen
Durchsatzsensor gemäß einer
dritten Ausführungsform
verwendet wird. 12 ist eine Schnittansicht entlang
der Richtung der Pfeile auf der Linie XII-XII von 11.
Im übrigen
bezeichnen die Referenznummern 1 bis 3, 5, 8a bis 8h, 9a bis 9h und 11 die
entsprechenden Aufbauelemente wie bei der ersten Ausführungsform.
-
Im
Fall der dritten Ausführungsform
werden zunächst
ein Tragfilm 2, Heizwiderstände 4k bis 4n, die
als Heizabschnitte dienen, Temperaturerfassungswiderstände 6k, 6m, 7l und 7n,
die als die Temperaturerfassungsabschnitte dienen, ein Fluidtemperaturerfassungswiderstand 5,
Leitungsmuster 8a bis 8h und ein Schutzfilm 3 an
dem plattenartigen Substrat 1 durch ein Verfahren ähnlich zu
dem Verfahren, das bei der Beschreibung der ersten Ausführungsform
beschrieben wurde, ausgebildet. Folglich wird ein Rückflächenschutzfilm 11,
der durch einen Oxidfilm gebildet wird, an einer Oberfläche ausgebildet, die
zu einer Oberfläche,
an welcher der Tragfilm 2 des plattenartigen Substrats 1 ausgebildet
ist, entgegengesetzt ist. Dann werden Ätzöffnungen 12 ausgebildet,
indem der Rückseitenschutzfilm 11 durch
ein fotolithographisches Verfahren teilweise entfernt wird. Nachfolgend
wird auf diesem Substrat ein alkalisches Ätzen durchgeführt. Dann
werden Hohlräume 14k bis 14n ausgebildet,
indem Teile des plattenartigen Substrats 1 entfernt werden,
die von den Ätzöffnungen 12 freigelegt
sind, und zwar derart, dass der Tragfilm 2 erreicht wird.
Folglich sind vier Durchsatzerfassungsmembranen 13k bis 13n derart
aufgebaut, dass sie in der Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung
A des zu messenden Fluids angeordnet sind.
-
Ferner
werden die Heizwiderstände 4k und 4m,
die als die Heizabschnitte dienen, und die Temperaturerfassungswiderstände 6k und 6m,
die als die Temperaturerfassungsabschnitte dienen, die an der stromaufwärtigen Seite
der Heizwiderstände 4k und 4m ausgebildet
sind, in den Membranen 13k und 13m jeweils vorgesehen.
Währenddessen
werden die Heizwiderstände 4l und 4n,
die als die Heizabschnitte dienen, und die Temperaturerfassungswiderstände 7l und 7n,
die als die Temperaturerfassungsabschnitte dienen, die an der stromabwärtigen Seite der
Heizwiderstände 4l und 4n ausgebildet
sind, in den Membranen 13l bis 13n vorgesehen.
-
Die
Heizwiderstände 4k bis 4n sind
in Reihe verbunden. Ferner sind die stromaufwärtigen Temperaturerfassungswiderstände 6k bis 6m in
Reihe verbunden. Darüber
hinaus sind die stromabwärtigen Temperaturerfassungswiderstände 7l bis 7n in
Reihe verbunden.
-
Im übrigen ist
der Tragfilm 2 durch einen 0,5 μm dicken Siliciumnitridfilm
gebildet, während
der Schutzfilm 3 durch einen 0,4 μm dicken Siliciumnitridfilm
gebildet wird. Ein Abschnitt, in dem keine Widerstände ausgebildet
sind, einer jeden der Durchsatzerfassungsmembranen 13k bis 13n beträgt 0,9 μm in der
Dicke.
-
Der
Durchsatzsensor unter Verwendung der Durchsatzerfassungseinrichtung 10B,
die wie oben beschrieben aufgebaut ist, weist die folgenden Wirkungen
auf. Im einzelnen sind die Heizwiderstände 4k und 4m und
die Temperaturerfassungswiderstände 6k und 6m,
die an der stromaufwärtigen
Seite der Heizwiderstände 4k und 4m ausgebildet
sind, jeweils in den Membranen 13k und 13m vorgesehen.
Andererseits sind die Heizwiderstände 4l und 4n und
die Temperaturerfassungswiderstände 7l und 7n,
die an der stromabwärtigen
Seite der Heizwiderstände 4l und 4n ausgebildet
sind, jeweils in den Membranen 13l und 13n vorgesehen.
Somit ist die Länge
der längeren
Seite einer jeden der Membranen 13k bis 13n verringert.
Folglich wird die Festigkeit einer jeden der Membranen noch weiter
vergrößert. Somit
wird ein höchstverlässlicher
Durchsatzsensor erhalten.
-
Zusätzlich wird
auch in dem Fall, dass jede der Membranen die Festigkeit aufweist,
die gleich zu derjenigen der Membran des herkömmlichen Durchsatzsensors ist,
die Dicke einer jeden der Membranen verringert. Folglich weist der
beschriebene Durchsatzsensor ein hervorragendes Ansprechverhalten
auf.
-
Ausführungsform
I der Erfindung
-
13 ist
eine Draufsicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung, die in einem
wärmeempfindlichen
Durchsatzsensor gemäß einer
Ausführungsform
I der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 14 ist
eine Schnittansicht entlang der Richtung der Pfeile auf der Linie
XIV-XIV von 13. Im übrigen bezeichnen die Referenznummer 1 bis 3, 5, 8a bis 8h und 9a bis 9h die
entsprechenden Aufbauelemente gemäß der ersten Ausführungsform.
-
In
dem Fall der Ausführungsform
I werden zunächst
ein Tragfilm 2, Heizwiderstände 4o und 4p, die
als Heizabschnitte dienen, Temperaturerfassungswiderstände 6o und 6p,
die als die Temperaturerfassungsabschnitte dienen, ein Fluidtemperaturerfassungswiderstand 5,
Leitungsmuster 8a bis 8h und ein Schutzfilm 3 an
dem plattenartigen Substrat 1 durch ein Verfahren ausgebildet,
das dem Verfahren, das im Rahmen der Beschreibung der ersten Ausführungsform
beschrieben wurde, ähnlich
ist. Nachfolgend wird ein Rückseitenschutzfilm 11,
der durch einen Oxidfilm gebildet wird, an einer Fläche ausgebildet,
die zu der Fläche
entgegengesetzt ist, an welcher der Tragfilm 2 des plattenartigen
Substrats 1 ausgebildet ist. Dann werden Ätzöffnungen 12o und 12p ausgebildet,
indem der Rückseitenschutzfilm 11 teilweise
durch ein fotolithographisches Verfahren entfernt wird. Nachfolgend
wird auf diesem Substrat ein alkalisches Ätzen durchgeführt. Dann
werden Hohlräume 14a bis 14p ausgebildet,
indem Teile des plattenartigen Substrats 1 entfernt werden,
die von den Ätzöffnungen 12 freigelegt
sind, und zwar derart, dass der Tragfilm 2 erreicht wird.
Folglich erstreckt sich eine längere
Seite einer jeden der Durchsatzerfassungsmembranen 13o und 13p entlang
der Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung A des zu messenden
Fluids, und die Membranen 13o und 13p sind in
der Strömungsrichtung
A des zu messenden Fluids angeordnet. Im übrigen ist die Membran 13o an
der stromaufwärtigen
Seite der Membran 13p angeordnet.
-
Ferner
weist die Membran 13o den Heizwiderstand 4o, der
als der Heizabschnitt dient, und den Temperaturerfassungswiderstand 6o auf,
der als der Temperaturerfassungsabschnitt dient, der an der stromaufwärtigen Seite
des Heizwiderstandes 4o ausgebildet ist. Die Membran 13p weist
den Heizwiderstand 4p, der als der Heizabschnitt dient,
und den Temperaturerfassungswiderstand 6p auf, der als
der Temperaturerfassungsabschnitt dient, der an der stromabwärtigen Seite
des Heizwiderstandes 4p ausgebildet ist. Ferner sind die
Heizwiderstände 4o und 4p in
Reihe verbunden.
-
Darüber hinaus
sind die Durchsatzerfassungsmembranen 13o und 13p derart
ausgebildet, dass die Länge
der längeren
Seite einer jeden dieser Membranen zweimal die Länge der kürzeren Seiten derselben oder
länger
ist, und dass die Dicke einer jeden dieser Membranen nicht mehr
als 1 μm
beträgt.
-
17 und 18 sind
eine Draufsicht und eine seitliche Schnittansicht einer Durchsatzerfassungseinrichtung,
die ein Vergleichsbeispiel gemäß einer
Ausführungsform
I sind. In 17 und 18 bezeichnen
Referenznummern 1 bis 3, 5, 8a bis 8h und 9a bis 9h die
entsprechenden Aufbauelemente gemäß der ersten Ausführungsform.
-
In
dem Fall dieses Vergleichsbeispiels erstreckt sich die längere Seite
der Membran 13 in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung
A des zu messenden Fluids. Somit weist dieses Vergleichsbeispiel
einen Vorteil dahingehend auf, dass der Durchsatz eines Fluids in
einem breiten Bereich in der Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung A
des Fluids gemessen wird. Jedoch sind drei Widerstandsmuster des
Heizwiderstands 4, des stromaufwärtigen Temperaturerfassungswiderstands 6 und des
stromabwärtigen
Temperaturerfassungswiderstands 7 an einer einzigen Membran 13 in
der Strömungsrichtung
des zu messenden Fluids angeordnet. Somit ist die Breite der Membran
in Richtung der Strömung
des zu messenden Fluids breit. Somit ist es zur Sicherstellung der
Festigkeit der Membran 13 erforderlich, deren Dicke zu
erhöhen.
Folglich wird ein hinreichendes Ansprechverhalten nicht erhalten.
-
Im
Fall der Ausführungsform
I ist es zur Sicherstellung der Festigkeit einer Membran hinreichend,
dass zwei wärmeempfindliche
Widerstände, nämlich der
Heizabschnitt und der Temperaturerfassungsabschnitt an einer einzigen
Membran angeordnet sind. Somit wird die Festigkeit der Membran durch
Verkleinern der Breite derselben vergrößert.
-
Im übrigen sind
das Verhältnis
zwischen der Festigkeit der Membran und dem Verhältnis der Länge der längeren Seite zu der Länge der
kürzeren
Seite der Membran und das Verhältnis
zwischen der Ablenkung, die in der Membran erzeugt wird, und einem derartigen
Verhältnis
gleich zu den Beziehungen, die im Rahmen der Beschreibung der ersten
Ausführungsform
beschrieben wurden.
-
Die
Dicke der Membran wird verringert, weil deren Festigkeit erhöht werden
kann. Wenn die Dicke der Membran nicht mehr als 1 μm beträgt, erreicht
der Durchsatzsensor eine Wärmeantwort, durch
welche der Sensor der Pulsation einer Luftströmung eines Verbrennungsmotors
eines Automobils folgen kann.
-
Ferner
sind die Heizwiderstände 4o in 4p in Reihe
verbunden. Somit erfordert, auch wenn mehrere Heizwiderstände in der
Einrichtung vorgesehen sind, der Sensor nur eine Schaltung zur Steuerung des
Heizstromes. Ferner sind die Heizwiderstände 4o und 4p in
Reihe verbunden. Somit neigt, wenn eine positive Strömungsrichtung
eines zu messenden Fluids erzeugt wird, die Temperatur des Heizwiderstandes 4o dazu,
niedriger zu werden als die Temperatur des Heizwiderstandes 4p.
Deshalb ist verglichen mit dem Fall, dass die Heizwiderstände 4o und 4p parallel
verbunden sind, der Temperaturunterschied zwischen den Heizwiderständen 6o und 6p groß. Folglich
weist die Ausführungsform
I einen Vorteil dahingehend auf, dass die Empfindlichkeit des Durchsatzsensors
hoch ist.
-
Der
Durchsatzsensor der vorliegenden Erfindung ist wie oben beschrieben
gestaltet und weist die folgenden vorteilhaften Wirkungen auf.
-
Im
einzelnen wird ein wärmeempfindlicher Durchsatzsensor
mit einer Durchsatzerfassungseinrichtung beschrieben, die mehrere
Durchsatzerfassungsmembranen aufweist, von denen jede mit Heizabschnitten
und Temperaturerfassungsabschnitten versehen ist. Die mehreren Durchsatzerfassungsmembranen
sind in einer Richtung senkrecht zu einer zu messenden Strömungsrichtung
eines Fluids angeordnet. Jede der Durchsatzerfassungsmembranen ist
derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Länge einer längeren Seite derselben zweimal
eine Länge
einer kürzeren
Seite oder mehr beträgt,
und dass sich die längere
Seite derselben entlang der zu messenden Strömungsrichtung des Fluids erstreckt. Jede
der Durchsatzerfassungsmembranen weist wenigstens einen der Heizabschnitte
und wenigstens einen der Temperaturerfassungsabschnitte auf, die
in der zu messenden Strömungsrichtung
des Fluids angeordnet sind.
-
Somit
wird die Größe einer
jeden der Membranen verringert, so dass deren Festigkeit erhöht wird.
Ferner ist, auch wenn die längere
Seite der Membran ausgedehnt wird, eine Verringerung in der Festigkeit
derselben gering. Folglich wird die Festigkeit der Membran noch
weiter erhöht.
Darüber
hinaus wird ein höchstverlässlicher
wärmeempfindlicher Durchsatzsensor
erhalten.
-
Ferner
kann die Membran eine vergleichsweise breite Breite in der Strömungsrichtung
eines zu messenden Fluids aufweisen. Somit erlaubt der Sensor eine
vergleichsweise große
Temperaturdifferenz zwischen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Temperaturerfassungsabschnitten.
Folglich wird ein höchstwärmeempfindlicher
Durchsatzsensor erhalten.
-
Ferner
sind mehrere Membranen derart vorgesehen, dass sie in einer Richtung
senkrecht zu der Strömungsrichtung
des zu messenden Fluids angeordnet sind. Somit kann die durchschnittliche
Strömungsgeschwindigkeit
in der Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung eines zu messenden
Fluids gemessen werden. Somit wird ein wärmeempfindlicher Durchsatzsensor
mit einer hohen Strömungsraten-Erfassungsgenauigkeit
erhalten.
-
Darüber hinaus
sind der Heizabschnitt und die Temperaturerfassungsabschnitte, die
jeweils an der stromaufwärtigen
und der stromabwärtigen
Seite des Heizabschnitts angeordnet sind, in jeder der Durchsatzerfassungsmembranen
vorgesehen. Somit werden Signale, die jeweils die Temperaturen in
Teilen an der stromaufwärtigen
Seite und der stromabwärtigen
Seite des Heizabschnitts anzeigen, erhalten. Folglich wird die Erfassungsempfindlichkeit
des Sensors vergrößert.
-
Ferner
beträgt
die Dicke der Durchsatzerfassungsmembran nicht mehr als 1 μm. Somit
erreicht der Sensor ein Ansprechverhalten, durch das der Sensor
einer Pulsation einer Luftströmung
zu einem Verbrennungsmotor eines Automobils folgen kann.
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Darüber hinaus
wird der Heizabschnitt, der an der Durchsatzerfassungsmembran vorgesehen ist,
durch einen wärmeempfindlichen
Widerstand gebildet. Ferner sind die wärmeempfindlichen Widerstände eines
jeden der Heizabstände
in Reihe oder parallel verbunden. Somit besteht keine Notwendigkeit,
mehrere Steuerungsschaltungen für
den Heizstrom in dem Sensor vorzusehen. Folglich werden die Herstellungskosten
des Sensors verringert.
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Zusätzlich wird
jeder der Temperaturerfassungsabschnitte, der an den Durchsatzerfassungsmembranen
vorgesehen ist, durch wärmeempfindliche
Widerstände
gebildet. Die wärmeempfindlichen Widerstände eines
jeden der Temperaturerfassungsabschnitte sind in Reihe oder parallel
verbunden. Somit benötigt
der Sensor nur zwei stromaufwärtige
und stromabwärtige
Temperatursignalerfassungsschaltungen des Temperaturerfassungsabschnitts.
Folglich werden die Herstellungskosten des Sensors verringert.
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Darüber hinaus
weisen die Durchsatzerfassungsmembranen Membranen auf, die jeweils
einen Heizabschnitt und einen Temperaturerfassungsabschnitt, der
an der stromaufwärtigen
Seite des Heizabschnitts angeordnet ist, aufweisen, und sie weisen Membranen
auf, von denen jede einen Heizabschnitt und einen Temperaturerfassungsabschnitt
aufweist, der an der stromabwärtigen
Seite dieses Heizabschnitts angeordnet ist. Somit wird die Länge der
längeren
Seite einer jeden der Membranen verringert. Folglich wird die Festigkeit
einer jeden der Membranen erhöht.
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Ferner
wird in jeder der Durchsatzerfassungsmembranen der längere Seitenabschnitt
dadurch gebildet, dass das plattenartige Substrat in der Richtung
senkrecht zu der Oberfläche
des Substrats entfernt wird. Somit werden viele Membranen derart angeordnet,
dass diese Membranen in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung
eines zu messenden Fluids angeordnet sind, und dass benachbarte
Membranen nahe zueinander angeordnet sind. Folglich wird ein Erfassungsbereich
vergrößert, und
die Erfassungsgenauigkeit und -empfindlichkeit des Sensors werden
vergrößert.
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Ferner
wird gemäß einem
Aspekt der Erfindung ein wärmeempfindlicher
Durchsatzsensor mit einer Durchsatzerfassungseinrichtung geschaffen, die
Wärmeerfassungsmembranen
aufweist, die jeweils einen Heizabschnitt und einen Temperaturerfassungsabschnitt
aufweisen. Die Durchsatzerfassungsmembranen sind in einer zu messenden
Strömungsrichtung
eines Fluids angeordnet. Jede der Durchsatzerfassungsmembranen ist
derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Länge einer längeren Seite derselben zweimal
eine Länge
einer kürzeren Seite
oder mehr beträgt,
dass sich die längere
Seite in einer Richtung senkrecht zu einer zu messenden Strömungsrichtung
des Fluids erstreckt, und dass eine Dicke derselben nicht mehr als
1 μm beträgt. Eine
stromaufwärtige
der Durchsatzerfassungsmembranen weist den entsprechenden Heizabschnitt
und den entsprechenden Temperaturerfassungsabschnitt auf, der an
einer stromaufwärtigen
Seite derselben angeordnet ist. Eine stromabwärtige der Durchsatzerfassungsmembranen
weist den entsprechenden Heizabschnitt und den entsprechenden Temperaturerfassungsabschnitt
auf, der an einer stromabwärtigen
Seite derselben angeordnet ist. Jeder der Heizabschnitte weist wärmeempfindliche
Widerstände
auf. Die wärmeempfindlichen
Widerstände
eines jeden der Heizabschnitte sind in Reihe oder parallel verbunden
sind. Dieser Sensor verwendet ein Signal, das ein Maß darstellt,
das einem Temperaturunterschied zwischen dem Temperaturerfassungsabschnitt,
der in der stromaufwärtigen
Durchsatzerfassungsmembran vorgesehen ist, und dem Temperaturerfassungsabschnitt
entspricht, der in der stromabwärtigen
Durchsatzerfassungsmembran vorgesehen ist, als ein Durchsatzsignal.
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Somit
benötigt
jede der Membranen nur zwei wärmeempfindliche
Widerstände,
nämlich
den Heizabschnitt und den Temperaturerfassungsabschnitt. Folglich
wird die Breite einer jeden der Membranen verringert. Darüber hinaus
wird die Festigkeit einer jeden der Membranen vergrößert. Somit
wird ein höchstverlässlicher
wärmeempfindlicher
Durchsatzsensor erhalten.
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Ferner
beträgt
die Dicke einer jeden der Membranen nicht mehr als 1 μm. Somit
schafft die vorliegende Erfindung einen wärmeempfindlichen Durchsatzsensor
mit einem Ansprechverhalten, durch das der Sensor einer Pulsation
einer Luftströmung
zu einem Verbrennungsmotor eines Automobils folgen kann.
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Obwohl
die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vorangehend beschrieben wurde, ist zu
verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist,
und dass den Fachleuten weitere Modifikationen, ohne den Bereich
der vorliegenden Erfindung zu verlassen, geläufig sind.
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Der
Bereich der vorliegenden Erfindung ist deshalb lediglich durch den
beigefügten
Anspruch beschränkt.