DE10065025A1 - Mikromechanisches Bauelement - Google Patents
Mikromechanisches BauelementInfo
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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
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.
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.
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.
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.
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.
Priority Applications (5)
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