DE10118781A1 - Sensorchip mit Potentialflächen bzw. Verwendung von Potentialflächen auf einem Sensorchip bzw. Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip - Google Patents

Sensorchip mit Potentialflächen bzw. Verwendung von Potentialflächen auf einem Sensorchip bzw. Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip

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Abstract

Bei einem Sensorchip nach dem Stand der Technik kommt es aufgrund von Verschmutzungen in dem Medium, das an dem Sensorchip vorbeiströmt, zu Ablagerungen im Sensorbereich. DOLLAR A Ein erfindungsgemäßer Sensorchip (1) weist zumindest strömungsaufwärts des Sensorbereichs (17) zumindest eine Potentialfläche (44, 47, 50, 53) auf, die durch elektrische Wechselwirkung mit den Verschmutzungen im strömenden Medium, eine Abscheidung im Sensorbereich (17) verhindert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorchip mit Potentialflächen bzw. von einer Verwendung einer Potentialfläche auf einem Sensorchip bzw. von einem Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. 13 bzw. 14 bzw. 15.
Aus der DE 196 01 791 A1 ist ein Sensorchip mit einem Sensorbereich bekannt, der bspw. aus einem Rahmenelement, einer Ausnehmung und einer Membran, die einen Sensorbereich bildet, besteht. Es kann immer wieder aufgrund von Kontaminationen, wie z. B. Öl, denen der Sensorchip ausgesetzt ist, zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung des Sensorchips im Bereich des Sensorbereichs 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 verfälschend auf das Messsignal aus. Hinzu kommt, dass das auf dem Sensorchip niedergeschlagene Öl als Haftvermittler für in einem strömenden Medium enthaltene Festkörperpartikel dient. Diese eingefangenen Partikel verstärken wiederum den ungünstigen Einfluss zusätzlich.
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, d. h. es hat kein Potential.
Die US-PS 4,888,988 zeigt einen Sensorchip mit einer Membran, wobei um die Membran herum ein metallischer Leiter angeordnet ist. Dieser Leiter ist der gemeinsame Nullleiter einer Messanordnung auf dem Sensorchip für ein Messverfahren.
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 das Substrat aufheizt.
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
Der erfindungsgemässe Sensorchip mit den Potentialflächen bzw. die erfindungsgemässe Verwendung von Potentialflächen auf einem Sensorchip bzw. das erfindungsgemässe Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 13 bzw. 14 bzw. 15 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 Verbesserungen des im Anspruch 1 genannten Sensorchips möglich.
Strömungsabwärts des Sensorbereichs sind vorteilhafterweise auch Potentialflächen angeordnet, die den Sensorbereich bspw. bei Rückströmungen schützen.
Ein vorteilhaftes Potentialgefälle erreicht man durch ein positives Potential auf einer ersten Potentialfläche und ein negatives Potential auf einer folgenden Potentialfläche.
Die Potentialflächen haben vorteilhafterweise eine U-Form, die in vorteilhafter Weise den Sensorbereich umschliesst.
Die Potentialflächen sind vorteilhafterweise wie die Heizwiderstände als Leiterbahn ausgebildet, da dies ein bekanntes und einfaches Herstellungsverfahren ist.
Der Sensorbereich wird vorteilhafterweise unabhängig von den Potentialflächen betrieben, d. h. die Messung, oder das Messsignal, das der Sensorbereich liefert ist nicht beeinflusst vom Betrieb des Potentialflächen und umgekehrt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in 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 Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Sensorchips.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt einen Sensorchip nach dem Stand der Technik, der erfindungsgemäss entsprechend den Ausführungen zu den Fig. 2a bis 2c verbessert wird. Das Herstellungsverfahren und die Anwendung eines solchen Sensorchips ist in der DE 196 01 791 A1 näher beschrieben, deren Inhalt ausdrücklich Teil dieser Offenbarung sein soll.
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 eine Membran 33, die die Ausnehmung 5 auf einer Seite teilweise oder ganz begrenzt. Auf der der Ausnehmung 5 abgewandten Seite der Membran 33 sind zumindest ein, bspw. drei Metallbahnen 19 aufgebracht. Die Metallbahnen 19 bilden bspw. elektrische Heizer und/oder Messwiderstände und bilden mit der Membran 33 einen Sensorbereich 17. Wenigstens der Sensorbereich 17 ist vorzugsweise mit einer Schutzschicht 23 überzogen. Die Schutzschicht 23 kann sich auch nur über die Metallbahnen 19 erstrecken.
Der Sensorchip hat eine Oberfläche 27, die im direkten Kontakt mit einem strömenden Medium steht.
Fig. 2a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäss ausgebildeten Sensorchips 1 in einer Draufsicht.
Auf dem Sensorbereich 17 sind bspw. Metallbahnen, 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 überwiegend parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Temperaturfühler 37 links und rechts des Heizwiderstands 35 verlaufen. Die Metallbahnen sind zum grössten Teil in dem Sensorbereich 17 angeordnet und sind Voraussetzung für ein Messverfahren zur Bestimmung des zumindest einen Parameters, wie z. B. der Temperatur und/oder Durchflussmenge, des strömenden Mediums. Der Sensorbereich 17 ist daher an eine nicht dargestellte bekannte 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 einer 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 eine Verschmutzung zu vermeiden oder zu reduzieren sind in der Hauptströmungsrichtung 42 vor dem Sensorbereich 17 eine erste 44 und eine zweite 47 Potentialfläche angeordnet. Die erste Potentialfläche 44 weist beispielsweise ein positives Potential von 1 Volt auf, das bspw. von einer von der Kontroll- und Regelschaltung unabhängigen Spannungsquelle stammt. Die zweite Potentialfläche 47 weist kein oder ein negatives Potential auf. Das Potentialgefälle kann jede Grösse haben und auch umgekehrt ausgebildet sein.
Durch die elektrische Wechselwirkung der Potentialflächen mit den Flüssigkeits- bzw. Schmutzteilchen, die in dem strömenden Medium enthalten sind, wird eine Verhinderung der Abscheidung im Sensorbereich 17 bewirkt, weil die Schmutzteilchen durch das elektrische Feld der angelegten Spannung abgestossen werden und so um den Sensorbereich 17 umgelenkt werden. Dies geschieht, wenn das Potential der Potentialflächen und die Ladung der Flüssigkeits- bzw. Schmutzteilchen gleichsinnig, also entweder beide positiv oder beide negativ, geladen sind.
Wenn das Potential der Potentialflächen und die Ladung der Flüssigkeits- bzw. Schmutzteilchen gegensinnig ist, also das das Potential positiv und die Flüssigkeits- bzw. Schmutzteilchen negativ oder umgekehrt, werden die Flüssigkeits- bzw. Schmutzteilchen zur Oberfläche 27 angezogen und lagern sich gewollt im Bereich der Potentialflächen, aber nicht im Sensorbereich 17 an. Vorzugsweise verwendet man elektrostatische Felder. Es können aber auch Wechselfelder angelegt werden.
Fig. 2b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäss ausgebildeten Sensorchips 1. Der Sensorchip 1 weist zusätzlich strömungsabwärts im Sensorbereich 17 eine dritte 50 und eine vierte 53 Potentialfläche auf. Die erste Potentialfläche 44 liegt bspw. auf dem gleichen Potential wie die vierte Potentialfläche 53 und die zweite 47 und die dritte 50 Potentialfläche weisen beispielsweise ebenfalls das gleiche Potential auf. So werden auch für vorhandene Rückströmungen, beispielsweise durch Pulsationen, Verschmutzungen im Sensorbereich 17 vermieden, die entgegen der Hauptströmungsrichtung 42 erfolgen können. Die Potentialflächen 44, 47, 50, 53 strömungsaufwärts und strömungsabwärts des Sensorbereichs 17 müssen nicht notwendigerweise einen gleichen Potentialunterschied aufweisen.
Fig. 2c zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäss ausgebildeten Sensorchips 1.
Die Potentialflächen 44, 47, 50, 53 bilden Teile je einer U- Form, die den Sensorbereich 17 zumindest teilweise umschliessen. Ausgehend von Fig. 2b sind also die zweite und die dritte Potentialfläche 47, 50 miteinander verbunden, sowie die erste Potentialfläche 44 mit der vierten Potentialfläche 53, die dann eine Potentialfläche bilden. Für alle Ausführungsbeispiele gilt ausserdem, was im folgenden beschrieben ist.
Der Sensorchip 1 ist beispielsweise plättchenförmig ausgebildet und hat die Oberfläche 27, an der das strömende Medium vorbeiströmt. Der Sensorbereich 17 und die Potentialflächen 44, 47, 50, 53 sind dabei bspw. zusammen auf der Oberfläche 27 angeordnet.
Die Potentialflächen 44, 47, 50, 53 sind bspw. so ausgebildet, dass sie zumindest strömungsaufwärts oder strömungsabwärts des Sensorbereichs 17 eine Länge aufweisen, die länger als eine Länge 1 des Sensorbereichs 17, senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 42, ist. Dadurch wird der Sensorbereich 17 über seine gesamte Länge 1 vor Verschmutzungen geschützt.
Die Widerstände 35, 37 und/oder die Potentialflächen 44, 47, 50, 53 sind vorzugsweise als Leiterbahnen ausgebildet.
Die Potentialflächen 44, 47, 50, 53 können ganz oder teilweise auf dem Sensorbereich 17, direkt angrenzend an den Sensorbereich 17 oder im Abstand vom Sensorbereich 17 angeordnet sein.
Der Sensorbereich 17 kann unabhängig von den Potentialflächen 44, 47, 50, 53 betrieben werden, d. h. die Messung, oder das Messsignal, das der Sensorbereich 17 liefert, ist nicht beeinflusst vom Betrieb der Potentialflächen 44, 47, 50, 53. Die Kontroll- und Regelschaltung des Sensorbereichs 17 kann zwar Signale an die Potentialflächen 44, 47, 50, 53 schicken, wie z. B. eine bestimmte Spannung anlegen oder eine Spannung ausschalten, aber die Potentialflächen 44, 47, 50, 53 sind kein Teil der Mess- oder Regelstrecke des Sensorbereichs 17. Die Höhe der angelegten Spannung kann variiert werden.
Das Potential der Potentialflächen 44, 47, 50, 53 kann auch schon bei der Konstruktion festgelegt sein, so dass keine Steuerungsschaltung für diese notwendig ist, um ein bestimmtes Potential einzustellen, das dann für die gesamte Lebensdauer des Sensorchips festgelegt ist.

Claims (15)

1. Sensorchip zur Messung zumindest eines Parameters eines strömenden Mediums,
der einen Sensorbereich für zumindest ein Messverfahren hat, wobei das Medium eine Hauptströmungsrichtung (42) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
dass zumindest teilweise strömungsaufwärts vor dem Sensorbereich (17) auf dem Sensorchip (1) zumindest eine Potentialfläche (44, 47, 50, 53) angeordnet ist.
2. Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass strömungsabwärts hinter dem Sensorbereich (17) auf dem Sensorchip (1) zumindest eine weitere Potentialfläche (44, 47, 50, 53) angeordnet ist.
3. Sensorchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Potentialfläche (44, 47, 50, 53) im Abstand zu dem Sensorbereich (17) angeordnet ist.
4. Sensorchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Potentialfläche (44, 47, 50, 53) ein positives elektrisches Potential aufweist und eine andere direkt benachbarte Potentialfläche (44, 47, 50, 53) kein oder ein negatives Potential aufweist,
wobei beide Potentialflächen (44, 47, 50, 53) in Hauptströmungsrichtung (42) vor oder hinter dem Sensorbereich (17) angeordnet sind.
5. Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialfläche (44, 47, 50, 53) eine U-Form hat.
6. Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbereich (17) eine Membran (33) aufweist.
7. Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sensorbereich (17) zumindest ein Heizwiderstand (35) und zumindest ein Temperaturfühler (37) angeordnet sind, die (35, 37) grösstenteils in dem Sensorbereich (17) angeordnet sind.
8. Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensorbereich (17) quer zur Hauptströmungsrichtung (42) eine Länge (1) hat, und
dass die Potentialfläche (44, 47, 50, 53) quer zur Hauptströmungsrichtung (42) angeordnet und länger als die Länge (1) ist.
9. Sensorchip nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (35) oder der Temperaturfühler (37) als Leiterbahnen ausgebildet sind.
10. Sensorchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialfläche (44, 47, 50, 53) als Leiterbahn ausgebildet ist.
11. Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensorchip (1) zumindest eine Oberfläche (27) hat, an der das strömende Medium vorbeiströmt, und
dass der Sensorbereich (17) und die Potentialfläche (44, 47, 50, 53) zusammen auf einer Oberfläche (27) angeordnet sind.
12. Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbereich (17) unabhängig von den Potentialflächen (44, 47, 50, 53) elektrisch betrieben ist.
13. Verwendung zumindest einer Potentialfläche (44, 47, 50, 53) zur Ablenkung von mitgeführten Teilchen eines strömenden Mediums in der Umgebung des Sensorbereichs (17) mittels elektrischer Felder, wobei die Potentialfläche (44, 47, 50, 53) auf einem Sensorchip (1) angeordnet ist, der zur Bestimmung zumindest eines Parameters des strömenden Mediums dient.
14. 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 eine Potentialfläche (44, 47, 50, 53) durch eine angelegte elektrische Spannung ein elektrisches Feld erzeugt, das mitgeführte Teilchen des Mediums um den Sensorbereich (17) lenkt.
15. 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 eine Potentialfläche (44, 47, 50, 53) durch eine angelegte elektrische Spannung ein elektrisches Feld erzeugt, das mitgeführte Teilchen des Mediums vor oder hinter den Sensorbereich (17) im Bereich der Potentialflächen (44, 47, 50, 53) anzieht.
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