DE10065025A1 - Mikromechanisches Bauelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere Massenflußsensor, mit einer Zunge (1; 1a-i) aus einem mikromechanischem Material, welche unter dem Einfluß eines auf einen Oberflächenbereich der Zunge (1; 1a-i) wirkenden externen Drucks elastisch verbiegbar ist; einer an der elastischen Zunge (1; 1a-i) vorgesehenen piezoresistiven Widerstandseinrichtung (2a, 2b); und einer Halteeinrichtung (15) zum Halten eines Bereichs der elastischen Zunge (1; 1a-i); wobei die Halteeinrichtung (15) derart gestaltet ist, daß der externe Druck eine Änderung der mechanischen Spannung am Ort der Zunge (1; 1a-i) im Bereich der piezoresistiven Widerstandseinrichtung (2a, 2b) hervorruft.

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere einen Massenflußsensor.

Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Strukturen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwend­ bar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrun­ deliegende Problematik in bezug auf einen in der Technolo­ gie der Siliziummikromechanik herstellbaren Massenflußsen­ sor erläutert.

Massenflußsensoren dienen dazu, eine Gasströmungsrate in einem bestimmten Strömungskanal festzustellen, beispiels­ weise die Strömungsrate des Luft-/Kraftstoff-Gemischs im Ansaugstutzen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeu­ ges.

Übliche Massenflußsensoren werden meist in Bulk-Silizium­ mikromechanik hergestellt und haben den Nachteil, daß ihre Herstellung aufwendig und kostspielig ist.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, daß es einfacher und kostengünstiger herstellbar ist als bekannte vergleichbare Bauelemente, wie z. B. Massenflußsensoren.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sind seine sehr robuste Bauweise, d. h. seine Unempfindlichkeit gegenüber Beschädigungen, insbesondere durch Partikelbeschuss. Auch besteht die Möglichkeit der Integration einer Auswerteschaltung auf dem gleichen Chip, beispielsweise im gehalterten Bereich der Zunge.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee be­ steht darin, daß eine Zunge aus einem mikromechanischem Ma­ terial, wie z. B. Silizium, unter dem Einfluß eines auf ei­ nen Oberflächenbereich der Zunge wirkenden externen Drucks elastisch verbiegbar ist. Es ist eine Halteeinrichtung zum Halten eines Bereichs der elastischen Zunge vorgesehen, die derart gestaltet ist, daß der externe Druck eine Verbiegung bzw. Änderung der mechanischen Spannung am Ort der Zunge z. B. im Bereich einer piezoresistiven Widerstandseinrich­ tung oder sonstigen Spannungserfassungseinrichtung hervor­ ruft.

Bei einem Massenflußsensor ragt die Zunge in den Massen­ strom und wird durch den dort herrschenden Staudruck verbo­ gen. Diese elastische Verbiegung wird durch piezoresistive Widerstände im Verbiegungsbereich gemessen und durch eine entsprechende Auswerteschaltung in einen entsprechenden Massenfluß umgerechnet.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil­ dungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Spannungs­ erfassungseinrichtung eine piezoresistive Widerstandsein­ richtung auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Er­ fassungseinrichtung zum Erfassen der durch die Änderung der mechanischen Spannung hervorgerufenen Widerstandsänderung der piezoresistiven Widerstandseinrichtung vorgesehen. Da­ bei kann die Strömungsrichtung durch das Vorzeichen der Wi­ derstandsänderung bestimmt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Zunge eine Biegegerade auf, unterhalb der sie gehaltert ist, und die piezoresistive Widerstandseinrichtung weist ein oder mehrere Widerstandsstreifen auf, die sich über die Biegegerade hinweg erstrecken.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Zunge eine im wesentlichen stückweise rechteckige Gestalt auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Zunge entlang der Biegegeraden Ausnehmungen auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Zunge entlang der Biegegeraden auf der der piezoresistiven Widerstandseinrichtung abgewandten Seite Einkerbungen auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der gehalterte Bereich der Zunge ein oder mehrere Ausnehmungen zur Fixierung auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Zun­ ge einteilig mit einem Rahmen ausgebildet, welcher den Be­ reich des wirkenden externen Drucks und die Umströmung der Zunge festlegt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Zun­ ge im gehalterten Bereich durch ein Halterungssubstrat ver­ steift.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das mi­ kromechanische Bauelement in einen Strömungskanal einge­ baut, wobei die piezoresistive Widerstandseinrichtung auf der der Strömungsrichtung abgewandten Seite vorgesehen ist.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1a, b eine schematische Darstellung eines Massenfluß­ sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und zwar Fig. 1a die Sensorzunge in Draufsicht und Fig. 1b die in einen Strömungska­ nal eingebaute Sensorzunge in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Sensorzunge ei­ nes Massenflußsensors gemäß einer zweiten Ausfüh­ rungsform der Erfindung in Draufsicht;

Fig. 3a-c eine schematische Darstellung der Sensorzunge ei­ nes Massenflußsensors gemäß einer dritten, vier­ ten und fünften Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Sensorzunge ei­ nes Massenflußsensors gemäß einer sechsten Aus­ führungsform der Erfindung in Draufsicht;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Sensorzunge ei­ nes Massenflußsensors gemäß einer siebenten Aus­ führungsform der Erfindung in Draufsicht;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Sensorzunge ei­ nes Massenflußsensors gemäß einer achten Ausfüh­ rungsform der Erfindung in Draufsicht;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Sensorzunge ei­ nes Massenflußsensors gemäß einer neunten Ausfüh­ rungsform der Erfindung in Draufsicht;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Sensorzunge ei­ nes Massenflußsensors gemäß einer zehnten Ausfüh­ rungsform der Erfindung im Querschnitt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1a, b zeigen eine schematische Darstellung eines Mas­ senflußsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Er­ findung, und zwar Fig. 1a die Sensorzunge in Draufsicht und Fig. 1b die in einen Strömungskanal eingebaute Sensorzunge in perspektivischer Ansicht.

In Fig. 1a, b bezeichnet 1 eine Zunge aus Silizium, 2a, 2b in die Zunge 1 eingebrachte piezoresistiver Widerstand­ streifen, 10 eine Biegegerade, entlang der die Zunge 1 ela­ stisch unter der Wirkung eines externen Drucks verbiegbar ist, 11a einen eingespannten Bereich der Zunge 1, 11b einen verbiegbaren freien Bereich der Zunge 1, 15 eine Halte­ rungseinrichtung bzw. Einspanneinrichtung zum Halten des Bereichs 11a der Zunge 1 und 25 eine Erfassungseinrichtung, die entweder auf der Zunge 1 integriert sein kann oder au­ ßerhalb der Zunge 1 vorgesehen sein kann.

Die in Fig. 1a gezeigte Zunge 1 ist ein rechteckiges Sili­ ziumstück, welches überall die gleiche Dicke aufweist. Die piezoresistiven Widerstände 2a, 2b erstrecken sich als Lei­ terbahnen über die Biegegerade 10, so dass eine Verbiegung der Zunge durch einen externen Druck eine Verformung der piezoresistiven Widerstände 2a, 2b und damit eine Wider­ standsänderung hervorruft.

Gemäß Fig. 1b ist die Zunge 1 nach Fig. 1a in einen Strö­ mungskanal 50 eingebaut, worin 100 die Strömungsrichtung eines Gases, z. B. eines Kraftstoffgemischs, bezeichnet. Durch die besondere Art der Halterung bzw. Einspannung durch die Halterungseinrichtung 15, welche in Fig. 1b aus Übersichtlichkeitsgründen nicht eingezeichnet ist, liegt das Maximum der Verbiegung entlang der Biegegeraden 1, und dadurch wird eine maximale Änderung des Widerstands der piezoresistiven Widerstände 2a, 2b erreicht. Die ebenfalls nur in Fig. 1a gezeigte Erfassungseinrichtung 25 verarbei­ tet diese Widerstandsänderungen und ermittelt daraus - ge­ gebenenfalls nach entsprechender Kalibrierung - den Massen­ fluß des Gases in der Strömungsrichtung 100 im Strömungska­ nal 50.

Bei der Einbauvariante gemäß Fig. 1b sind die piezoresi­ stiven Widerstände 2a, 2b auf der dem Massenstrom abgewandten Seite realisiert. Dadurch sind sie gegenüber Partikel­ beschuss geschützt.

Die besagte Widerstandsänderung hängt bei Gasen linear vom Massenfluß ab, und bei Flüssigkeiten quadratisch. Bei­ spielsweise ist die Widerstandsänderung bei einer Silizium­ zunge 1 mit einer Dicke von 400 µm, einer Breite und einer in den Strömungskanal hineinragende Höhe von 2 mm groß ge­ nug, um sicher ausgewertet zu können.

Damit kann in der einfachsten Variante die Zunge 1 auf ei­ nem Standardsubstrat durch wenige Prozessschritte und an­ schließendes Sägen hergestellt werden. Die Spannung am Ort bzw. Verbiegung entlang der Biegegeraden 10 und damit die Widerstandsänderung hängen quadratisch von der reziproken Dicke der Zunge 1 ab, d. h. zur Erhöhung der Erfassungsemp­ findlichkeit sollte die Zunge entlang der Biegegeraden 10 so dünn wie möglich ausgestaltet werden. Grenzen hierfür sind durch die technische Realisierbarkeit und durch die Stabilität der Zunge 1 gesetzt. Je größer die reversible Verbiegung entlang der Biegeraden 10 gestaltet werden kann, desto höher ist die Empfindlichkeit des betreffenden Sen­ sors.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Sensorzunge eines Massenflußsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht.

Bei dieser zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind ent­ lang der Biegegeraden 10 seitliche Ausnehmungen 20a, 20b auf beiden Seiten der Zunge 1a vorgesehen. Damit ist die Zunge 1a im Bereich der Biegeraden 10 leichter verbiegbar, und daher der betreffende Sensor empfindlicher. Diese seit­ lichen Ausnehmungen 20a, 20b lassen sich leicht durch Ätzen realisieren. Als Ätztechnik kann hierzu beispielsweise das bekannte Hochratentrenchen verwendet werden. Zudem kann durch die Lage der Ausnehmungen die Zunge 1a in einem Ge­ häuse genau positioniert und fixiert werden. Dadurch wird ihre Lage im Strömungskanal 50 genau festgelegt.

Fig. 3a-c zeigen eine schematische Darstellung der Sensor­ zunge eines Massenflußsensors gemäß einer dritten, vierten und fünften Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.

Fig. 3a bis c zeigen 3 Varianten, bei denen auf der den piezoresistiven Widerständen 2a, 2b abgewandten Seite Ein­ kerbungen 30b, 30c bzw. 30d vorhanden sind. Diese Einker­ bungen 30b, 30c, 30d lassen sich ebenfalls leicht mit ani­ sotropen bzw. isotropen Ätztechniken erzeugen, wobei bei der Herstellung mit anisotropen Ätztechniken isotrop über­ ätzt werden sollte, um störende Kerbwirkungen zu vermeiden, welche zum Abbrechen der Zunge 1b, 1c bzw. 1d führen könn­ ten.

Gemäß Fig. 3a und 3b ist die Zunge 1a bzw. 1b lokal einge­ kerbt, und gemäß 3c ist die Zunge im gesamten Bereich ober­ halb der Biegegeraden 10 abgedünnt. Selbstverständlich können verschiedene Einkerbungen der Fig. 3 miteinander kom­ biniert werden. Durch solche Einkerbungen 30b, 30c, 30d er­ folgt eine Konzentration der mechanischen Spannungen im Be­ reich der piezoresistiven Widerständen 2a, 2b, und zwar re­ lativ unabhängig von der Einspannung im Gehäuse.

Mit anderen Worten muss die Einspannung bei diesen Ausfüh­ rungsformen nicht im gesamten Bereich unterhalb der Biege­ geraden 10 vorhanden sein, wie dies Fig. 1a dargestellt ist, sondern kann auf den untersten Teil der Zunge 1a, 1b, 1c beschränkt werden, da sich durch die über die Länge va­ riable Verbiegbarkeit die maximale Verbiegung automatisch entlang der Biegegeraden 10 ergibt.

Fig. 4 zeigen eine schematische Darstellung der Sensorzunge eines Massenflußsensors gemäß einer sechsten Ausführungs­ form der Erfindung in Draufsicht.

Werden die Abmessungen der Zunge primär durch Sägen be­ stimmt, dann besteht die Gefahr, dass die Kanten der Zunge aufgrund von kleinen Rissen oder Ausbrüchen, die beim Sägen entstehen, vorgeschädigt sind. Dies könnte die Stabilität und damit die Lebensdauer der Siliziumzunge reduzieren. Verhindert werden kann dies gemäß der sechsten Ausführungs­ form nach Fig. 4, indem die Geometrie der Zunge 1e nicht durch Sägen, sondern durch Ätztechniken wie z. B. Hochraten­ trenchen, definiert wird. Dadurch wäre auch die Größendefi­ nition des nicht-gehalterten Teils 11b genauer festzulegen. Selbstverständlich kann die sechste Ausführungsform gemäß Fig. 4 auch in Zusammenhang mit den Kerben gemäß der drit­ ten bis fünften Ausführungsform erstellt werden.

Fig. 5 zeigen eine schematische Darstellung der Sensorzunge eines Massenflußsensors gemäß einer siebenten Ausführungs­ form der Erfindung in Draufsicht.

Bei der siebenten Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind ent­ lang der Biegelinie nicht nur seitliche Ausnehmungen 20e, 20g analog zu 20a bis 20d vorgesehen, sondern auch eine zentrale Ausnehmung 20f, die als durchgehendes Loch ausge­ staltet ist. Dadurch lässt sich die Empfindlichkeit entlang der Biegegeraden 10 weiter erhöhen.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Sensorzunge eines Massenflußsensors gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht.

Bei der achten Ausführungsform gemäß Fig. 6 sind im einge­ spannten Bereich 11a Ausnehmungen 40a, 40b zur Fixierung an einem (nicht gezeigten) Gehäuse vorgesehen. Ihre Anzahl, Lage und Form ist nahezu beliebig.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Sensorzunge eines Massenflußsensors gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht.

Bei der neunten Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist die Zunge 1h im eingespannten Bereich 11a einstückig mit einem Rahmen 45 versehen, der den Strömungsquerschnitt bestimmt. Dieser Rahmen 45 kann auch im Gehäuse fixiert werden.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Sensorzunge eines Massenflußsensors gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.

Bei der zehnten Ausführungsform gemäß Fig. 8 ist im einge­ spannten Bereich 11a der Zunge 1i eine Versteifung durch Bonden eines Halterungssubstrats 60, z. B. eines Glases eine zusätzliche Versteifung vorgesehen, welche eine Verbiegung entlang der Biegegeraden 10 leichter ermöglicht.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevor­ zugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie dar­ auf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifi­ zierbar.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur auf einen Masserflußsensor, sondern auf beliebige mikromechanische Bauelemente mit einer elastischen Zunge anwendbar.

Alle gezeigten Ausführungsformen sind prinzipiell miteinan­ der kombinierbar und können einteilig mit einer integrier­ ten Schaltung zur Auswertung hergestellt werden. Diese in­ tegrierte Schaltung befindet sich vorzugsweise auf dem Be­ reich 11a der Siliziumzunge, der durch das Gehäuse ge­ schützt ist, also gehaltert, ist.

Die Anzahl der piezoresistiven Widerstände ist nicht auf zwei beschränkt, sondern erfolgt in Abhängigkeit von der gewünschten Auswertungsmethode. Möglich ist beispielsweise eine Verschaltung von 4 Widerständen gemäß einer Wheatsto­ ne'schen Messbrücke.

Als Form der Zunge sind selbstverständlich auch Formen denkbar, die deutlich von einem Rechteck bzw. den sonstigen gezeigten Formen abweichen. Die Form sollte so gewählt wer­ den, dass sie strömungstechnisch am günstigsten ist.

Als Spannungserfassungseinrichtung können anstatt der pie­ zoresistiven Widerstandseinrichtung auch Dehnmeßstreifen o. ä. vorgesehen sein.

Claims (11)

1. Mikromechanisches Bauelement, insbesondere Massenfluß­ sensor, mit:
einer Zunge (1; 1a-i) aus einem mikromechanischem Material, welche unter dem Einfluß eines auf einen ersten Bereich (11b) der Zunge (1; 1a-i) wirkenden externen Drucks ela­ stisch verbiegbar ist;
einer an der elastischen Zunge (1; 1a-i) vorgesehenen Span­ nungserfassungseinrichtung (2a, 2b); und
einer Halteeinrichtung (15) zum Halten eines zweiten Be­ reichs (11a) der elastischen Zunge (1; 1a-i)
wobei die Halteeinrichtung (15) derart gestaltet ist, daß der externe Druck eine Änderung der mechanischen Spannung am Ort der Spannungserfassungseinrichtung (2a, 2b) hervor­ ruft.

2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserfassungseinrichtung (2a, 2b) eine piezoresistive Widerstandseinrichtung (2a, 2b) aufweist.

3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erfassungseinrichtung (25) zum Er­ fassen der durch die Änderung der mechanischen Spannung hervorgerufenen Widerstandsänderung der piezoresistiven Wi­ derstandseinrichtung (2a, 2b) vorgesehen ist.

4. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (1; 1a-i) eine Biege­ gerade (10) aufweist, unterhalb der sie gehaltert ist, und daß die piezoresistive Widerstandseinrichtung (2a, 2b) ein oder mehrere Widerstandsstreifen (2a, 2b) aufweist, die sich über die Biegegerade (10) hinweg erstrecken.

5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (1; 1a-i) eine im wesentlichen stückweise rechteckige Gestalt aufweist.

6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (1; 1a-i) entlang der Biegegeraden (10) Ausnehmungen (20a-g) aufweist.

7. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge­ henden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (1; 1a-i) entlang der Biegegeraden (10) auf der der piezoresistiven Widerstandseinrichtung (2a, 2b) abgewandten Seite Einkerbungen (30b-d) aufweist.

8. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gehalter­ te zweite Bereich (11a) der Zunge (1g) ein oder mehrere Ausnehmungen (40a; 40) zur Fixierung aufweist.

9. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (1h) einteilig mit einem Rahmen ausgebildet ist, welcher den Bereich des wirkenden externen Drucks und die Umströ­ mung der Zunge (1h) festlegt.

10. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (1i) im gehalterten zweiten Bereich (11a) durch ein Halte­ rungssubstrat (60) versteift ist.

11. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge­ henden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es in einen Strömungskanal (50) eingebaut ist, wobei die pie­ zoresistive Widerstandseinrichtung (2a, 2b) auf der der Strömungsrichtung (100) abgewandten Seite vorgesehen ist.