DE10111840C2

DE10111840C2 - Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip und Verwendung eines Zusatzheizers auf einem Sensorchip

Info

Publication number: DE10111840C2
Application number: DE10111840A
Authority: DE
Inventors: Hans Hecht; Uwe Konzelman; Torsten Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: WO2002073140A3; CN1278106C; CN1459020A; WO2002073140A2; US6845660B2; JP2004518982A; EP1370835A2; DE10111840A1; KR20020093099A; US20030154807A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip und die Verwendung eines Zusatzheizers auf einem Sensorchip.

Aus der DE 196 01 791 A1 ist ein Sensorchip mit einem Sensorbereich bekannt, der bspw. aus einem Rahmenelement, einer Ausnehmung und einer Membran besteht. Es kann immer wieder aufgrund von Kontaminationen, wie z. B. Öl, denen der Sensorchip ausgesetzt ist, zu einer unerwünschten Mess signalbeeinflussung des Sensorchips im Bereich des Sensor bereichs kommen. Eine Verschmutzung des Sensorbereichs oder im unmittelbaren Bereich um den Sensorbereich mit Öl verändert den Wärmeleitwert an der Oberfläche des Sensorchips und wirkt sich so auf das Messsignal aus. Hinzu kommt, dass das auf dem Sensorchip niedergeschlagene Öl als Haftvermittler für in einem strömenden Medium enthaltene Partikel dient. Diese eingefangenen Partikel verstärken wiederum den ungünstigen Einfluss zusätzlich.

Ebenfalls bekannt ist aus der US 4833912 ein Sensorchip zur Messung zumindest eines Parameters eines strömenden Mediums, der einen Sensorbereich aufweist, zu dem mit Abstand zumindest ein Zusatzheizer angeordnet ist, der unabhängig vom Sensorbereich betrieben ist, um Ablagerungen abzubrennen.

Die US-PS 5,705,745 zeigt einen Sensorchip mit einer Membran, auf der Temperatur- und Heizwiderstände angeordnet sind, wobei die Membran von einem Wärmeleitelement umgeben ist, das auch eine U-Form haben kann. Das Wärmeleitelement wird nicht beheizt. Das Wärmeleitelement ist auch zumindest teilweise im Bereich der Membran angeordnet.

Die US-PS 4,888,988 zeigt einen Sensorchip mit einer Membran, wobei um die Membran herum ein metallischer Leiter angeordnet ist, der nicht im Bereich der Membran angeordnet ist. Dieser Leiter ist der gemeinsame Null-Leiter der Messanordnung auf dem Sensorchip. Der Querschnitt dieses Null-Leiters wurde sogar selektiv erhöht, um eine Temperaturerhöhung zu verhindern. Eine erhöhte Temperatur des Null-Leiters würde zudem die Messung nach diesem Verfahren stark negativ beeinflussen.

Die DE 198 01 484 A1 zeigt einen Sensorchip mit einer Membran, wobei um die Membran elektrische Leiter angeordnet sind, durch die ein elektrischer Strom fliesst. Diese Leiterbahnen sind Temperaturfühler, die für das Messverfahren bzw. den Messvorgang benutzt werden.

Die DE 29 00 210 A1 bzw. US-PS 4,294,114 zeigt einen Sensorchip, der einen temperaturabhängigen Widerstand auf einem Träger aufweist, wobei auf dem Träger ein weiterer Widerstand aufgebracht ist, der direkt an den temperaturabhängigen Widerstand angrenzt.

Die DE 42 19 454 A1 bzw. US-PS 5,404,753 zeigt einen Sensorchip, der in einem Abstand von einem Sensorbereich einen Referenztemperaturfühler aufweist.

Die DE 31 35 793 A1 bzw. US-PS 4,468,963 zeigt einen Sensorchip, der strömungsaufwärts und/oder strömungsabwärts des Sensorwiderstands einen weiteren Widerstand aufweist, der aber das Messsignal beeinflusst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip bzw. die erfindungsge mäße Verwendung eines Zusatzheizers auf einem Sensorchip mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. 7 hat demgegenüber den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine Verschmutzung des Sensorbereichs des Sensorchips reduziert oder verhindert wird.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserun gen des im Anspruch 1 genannten Verfahrens möglich.

Vorteilhaft ist ein Verfahren mit einem Zusatzheizer, der von dem Sensorbereich einen Abstand bis zu 1 mm hat, so dass die dort bewusst gebildeten Niederschläge weit genug von dem Sensorbereich entfernt sind und ein Messverhalten des Sensorbereichs nicht beeinflussen können.

Zeichnung

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Sensorchip nach dem Stand der Technik,

Fig. 2a ein erstes, Fig. 2b ein zweites und Fig. 2c ein drittes Beispiel eines Sensorchips, mit dem sich das Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen ausführen lässt,

Fig. 3a, 3b einen Sensorchip und eine Steuerschaltung, und

Fig. 4 ein Temperaturprofil von einem Zusatzheizer und einem Sensorbereich eines Sensorchips.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt einen Sensorchip nach dem Stand der Technik. Das Herstellungsverfahren und die Anwendung eines solchen Sensorchips ist in der DE 196 01 791 A1 näher beschrieben und soll ausdrücklich Teil dieser Offenbarung sein.

Der Sensorchip hat ein Rahmenelement 3, das bspw. aus Silizium besteht. Das Rahmenelement 3 hat eine Ausnehmung 5. Auf dem Rahmenelement ist bspw. eine dielektrische Schicht 21, bspw. aus SiO₂, aufgebracht. Die Schicht 21 kann sich über das ganze Rahmenelement 3 erstrecken, aber auch nur über einen Bereich der Ausnehmung 5. Dieser Bereich bildet einen Membranbereich 7, der die Ausnehmung 5 auf einer Seite teil weise oder ganz begrenzt.

Auf der der Ausnehmung 5 abgewandten Seite des Membran bereichs 7 sind zumindest ein, bspw. drei Metallbahnen 19 aufgebracht. Die Metallbahnen 19 bilden bspw. elektrische Heizer und/oder Messwiderstände und bilden mit dem Membran bereich 7 einen Sensorbereich 17. Der Sensorbereich 17 ist vorzugsweise mit einer Schutzschicht 23 überzogen. Die Schutzschicht 23 kann sich auch nur über die Metallbahnen 19 erstrecken.

Der Membranbereich 7 wird dann zum Teil von der ein Messsig nal erzeugenden dielektrischen Schicht 21, einer Membran 33, und zum Teil von der Schutzschicht 21 gebildet.

Der Sensorchip hat eine Oberfläche 27, die im direkten Kontakt mit einem strömenden Medium steht.

Fig. 2a zeigt in einer Draufsicht ein erstes Beispiel eines Sensorchips 1, der zur Durchführung des Verfahrens zur Ver meidung von Verschmutzungen geeignet ist. Der Sensorchip 1 hat einen Sensorbereich 17 mit einer Länge 1 quer zur einer Hauptströmungsrichtung 42. Auf dem Sensorbereich 17 sind bspw. Metallbahnen 19, die bspw. zumindest einen elektrischen Heizwiderstand 35 und zumindest einen Temperaturfühler 37 bilden, angeordnet. Der Temperaturfühler 37 ist bspw. auch ein elektrischer Widerstand. In diesem Fall sind es ein Heizwiderstand 35 und zwei Temperaturfühler 37. Die Metall bahnen 19 sind zum grössten Teil in dem Sensorbereich 17 angeordnet und sind Voraussetzung für ein Messverfahren zur Bestimmung des zumindest einen Parameters, wie z. B. Temperatur und Durchflussmenge, des strömenden Mediums. Der Sensorbereich 17 ist daher an eine Kontroll- und Regelschaltung angeschlossen. Der Sensorbereich 17 kann bspw. durch die oben beschriebene Membran 33 gebildet sein.

Der Sensorchip 1 ist in einem strömenden Medium zur Bestimmung zumindest eines Parameters angeordnet, wobei das strömende Medium in der Hauptströmungsrichtung 42 an dem bzw. über dem Sensorchip 1 bzw. der Oberfläche 27 vorbeiströmt. Das strömende Medium kann Verunreinigungen beinhalten, die zur Verschmutzung des Sensorchips 1 führen können. Dies sind z. B. Öl oder in Wasser gelöste Salze.

Um zu verhindern, dass sich diese Verunreinigungen im Bereich des Sensorbereichs 17 niederschlagen, ist bspw. strömungsaufwärts des Sensorbereichs 17 zumindest teilweise ein Zusatzheizer 39 angeordnet, der an einer nicht dargestellten Stromquelle angeschlossen und über seinen ohmschen Widerstand aufgeheizt ist. Der Zusatzheizer 39 ist im deutlichen Abstand, bspw. bis zu 1 mm, von dem Sensorbereich 17 entfernt.

Zur Regelung der Temperatur des Zusatzheizers 39 ist keine Kontrollschaltung notwendig. Eine bei der Konstruktion, d. h. durch den Querschnitt, ausgelegte Stromstärke ist ausreichend. Der Zusatzheizer 39 wird nicht für ein Messverfahren zur Bestimmung eines Parameters des strömenden Mediums benutzt, d. h. er ist kein Bestandteil dieser Messstrecke.

Der Zusatzheizer 39 hat hier beispielsweise die Form einer geraden Linie, die sich quer zur bspw. senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 42 bspw. über eine Länge 1 des Sensorbereichs 17 hinaus erstreckt. Der Zusatzheizer 39 kann auch eine schlangenlinienförmige Form aufweisen. Durch den Zusatzheizer 39 kommt es zu einer Verschmutzung des Sensorchips 1 im Bereich des Zusatzheizers 39, aber im deutlichen Abstand von dem Sensorbereich 17, so dass ein Messverhalten des Sensorbereichs 17 nicht beeinflusst ist. Die Verschmutzung wird so von dem Sensorbereich 17 in den Bereich um den Zusatzheizer 39 verlagert.

Die Temperatur des Zusatzheizers 39 ist so ausgelegt, dass es zu einem scharfen Temperaturübergang im Bereich des Zusatzheizers 39 kommt, so dass Thermogradientenwirbel erzeugt werden, die die Flüssigkeit oder das Öl aus dem strömenden Medium quasi herausfiltern, d. h. die schwereren Bestandteile des strömenden Mediums schlagen sich auf der Oberfläche 27 im Bereich des Zusatzheizers 39, aber nicht im Sensorbereich 17 nieder.

Fig. 2b zeigt in Draufsicht ein weiteres Beispiel des Sensorchips 1, der zur Durchführung des Verfahrens zur Vermeidung von Verschmutzungen geeignet ist. Im Gegensatz zur Fig. 2a hat der Zusatzheizer 39 eine U-Form. Die U-Form des Zusatzheizers 39 ist wiederum im deutlichen Abstand von dem Sensorbereich 17 strömungsaufwärts auf dem Sensorchip 1 angeordnet, wobei die beiden Schenkel der U-Form quer zur Hauptströmungsrichtung 42 verlaufen.

Fig. 2c zeigt in Draufsicht ein weiteres Beispiel eines Sen sorchips 1, der zur Durchführung des Verfahrens zur Vermei dung von Verschmutzungen geeignet ist. Der Zusatzheizer 39 hat auch eine U-Form, die den Sensorbereich 17 zumindest teilweise umschließt. Der Zusatzheizer 39 verläuft bspw. auf einer strömungsabwärtigen und strömungsaufwärtigen Seite deutlich abseits des Sensorbereichs 17 und an einer Stirn seite der Membran 33.

Der Zusatzheizer 39 ist bspw. so ausgebildet, dass er zumindest strömungsaufwärts oder strömungsabwärts des Sensorbereichs 17 eine Länge aufweist, die länger als der Sensorbereich 17 ist. Dadurch wird der Sensorbereich 17 über seine gesamte Länge 1 vor Verschmutzungen geschützt.

Die Widerstände 35, 37 und/oder der Zusatzheizer 39 sind vorzugsweise als Leiterbahnen ausgebildet.

Der Sensorchip 1 ist beispielsweise plättchenförmig ausgebil det und hat die Oberfläche 27, an der das strömende Medium vorbeiströmt. Der Sensorbereich 17 und der Zusatzheizer 39 sind dabei zusammen auf der Oberfläche 27 angeordnet.

Fig. 3a zeigt einen Sensorchip 1 mit einem Sensorbereich 17 und einer ersten Steuerschaltung 54, die über elektrische Leitungen 51, z. B. Bonddrähte mit dem Sensorbereich 17 elektrisch verbunden ist. Die erste Steuerschaltung 54 weist eine erste Energiequelle 45, beispielsweise eine Strom- oder Spannungsquelle, auf oder ist mit einer solchen elektrisch verbunden, mittels der der zumindest eine Heizwiderstand 35 oder zumindest eine Temperaturfühler 37 im Sensorbereich 17 elektrisch beheizt werden.

Der Zusatzheizer 39 ist über elektrische Leitungen 51 mit einer bspw. separaten, zweiten Energiequelle 48 verbunden. Zwischen der ersten Steuerschaltung 54 und der zweiten Energiequelle 48 besteht keine elektrische Verbindung. Die erste Steuerschaltung 54 liefert also ein Messsignal, beispielsweise für eine Motorregelung, das unabhängig ist von dem Betrieb des Zusatzheizers 39, d. h. der Betrieb des Zusatzheizers 39 beeinflusst das Messsignal nicht.

Die erste Energiequelle 45 kann auch den Zusatzheizer 39 beheizen, beispielsweise über einen Spannungsteiler, wobei aber das Steuersignal der ersten Energiequelle 45 an den Zusatzheizer 39 weiterhin unabhängig von dem Messverfahren oder Signalen an dem Sensorbereich 17 ist.

Der Sensorchip 1 liefert ein Messsignal, beispielsweise für eine Regelung einer Brennkraftmaschine. Der Zusatzheizer 39 wird bspw. nur beheizt, wenn die Brennkraftmaschine nicht in Betrieb ist. Denn erst nach Abschalten der Brennkraftmaschine kommt es am häufigsten zu Verschmutzungen des Sensorchips 1 durch Rückströmungen, beispielsweise aus einer Kurbelgehäuseentlüftung, die Verschmutzungen wie z. B. Öl enthalten. Die erste Steuerschaltung 54 kann dabei beispielsweise das Signal für den Heizbetrieb des Zusatzheizers 39 geben, in dem bspw. ein Schalter 60 geschlossen wird, wodurch die zweite Energiequelle 48 den Zusatzheizer 39 beheizt.

Dieses Steuersignal zum Heizen des Zusatzheizers 39, wenn die Brennkraftmaschine nicht im Betrieb ist, kann auch von einer zweiten Steuerschaltung 57 geliefert werden. Die zweite Steuerschaltung 57 ist bspw. die Motorregelung (Fig. 3b).

Fig. 4 zeigt ein Temperaturprofil von dem Zusatzheizer 39 und dem Sensorbereich 17. Fig. 4 stellt ein X/Y-Diagramm dar, wobei auf der X-Achse eine Länge in Hauptströmungsrichtung 42 und auf der Y-Achse eine Temperatur auf der Oberfläche des Sensorchips 1 aufgetragen ist.

Der Zusatzheizer 39 befindet sich bspw. strömungsaufwärts des Sensorbereichs 17. Zwischen dem Zusatzheizer 39 und dem Sensorbereich 17 ist ein von Null verschiedener Abstand vorhanden. Die Widerstände im Sensorbereich 17 erzeugen beispielsweise einen trapezförmigen Temperaturverlauf mit einer Maximaltemperatur T_M.

Der Zusatzheizer 39 hat eine Maximaltemperatur T_Z, mit einem bspw. parabolförmigen Temperaturverlauf, die grösser oder gleich der Temperatur T_M ist.

Die Pfeile 62 zeigen den Strömungsverlauf des Mediums in der Nähe der Oberfläche 27. Der Zusatzheizer 39 erzeugt an der Oberfläche 27 einen mehr oder weniger starken abrupten Anstieg der Temperatur, d. h. einen von null verschiedenen und grossen Thermogradienten. Anströmende Teilchen in der Nähe der Oberfläche 27 werden vor oder am Anfangsbereich des Zusatzheizers 39 quasi durch einen Unterdruck an die Oberfläche 27 angesaugt, um dann im Bereich des Zusatzheizers nach oben zu steigen, d. h. sich von der Oberfläche 27 zu entfernen. Durch diesen Strömungsverlauf werden im Bereich des Zusatzheizers 39 Thermogradientenwirbel 65 erzeugt. Schmutz- oder Ölteilchen haften sich deshalb im Bereich des Zusatzheizers 39 an die Oberfläche 27 des Sensorchips 1 an, wodurch strömendes Medium im oberflächennahen Bereich gesäubert ist und der Sensorbereich 17 nicht mehr oder kaum verschmutzt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip (1), der einen Sensorbereich (17) hat und in einem strömenden Medium angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zusatzheizer (39) durch seinen ohmschen Widerstand elektrisch so erhitzt wird, dass im Bereich des Zusatzheizers (39) Thermogradientenwirbel gebildet werden, die zu Niederschlägen der Verschmutzungen des strömenden Mediums in dem Bereich des Zusatzheizers (39) abseits des Bereichs des Sensorbereichs (17) führen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzheizer (39) zumindest teilweise in einem Abstand bis zu 1 mm zum Sensorbereich (17) angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (1) ein Messsignal für die Steuerung einer Brennkraftmaschine liefert, und dass der Zusatzheizer (39) nur beheizt wird, wenn die Brennkraftmaschine nicht betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal für den Heizbetrieb des Zusatzheizers (39) von einer ersten Steuerschaltung (54) geliefert wird, die auch den Sensorbereich (17) steuert.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal für den Heizbetrieb des Zusatzheizers (39) von einer zweiten Steuerschaltung (57) geliefert wird, die nicht auch den Sensorbereich (17) steuert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuerschaltung (57) eine Motorregelung ist.

7. Verwendung zumindest eines Zusatzheizers (39), der auf einem Sensorchip (1) zur Bestimmung zumindest eines Parameters eines strömenden Mediums im Abstand zu einem Sensorbereich (17) des Sensorchips (1) angeordnet ist, zur Bildung von Thermogradientenwirbeln (65) im strömenden Medium im Bereich des Zusatzheizers (39).