DE102008021896B4 - Device for determining a measured variable of a gas - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Bestimmung einer Messgröße eines Gases mit einem Substrat (5) und einem mit dem Substrat (5) in thermischer Verbindung stehenden thermischen Sensorelement (8), wobei eine Wärmeübertragungsfläche (13) des thermischen Sensorelements (8) zum Übertragen der Wärme des thermischen Sensorelements (8) auf das Substrat (5) geringer als eine Flächenausdehnung (14) des thermischen Sensorelements (8) entlang des Substrats (5) ist, und wobei das thermische Sensorelement (8) entlang seiner Flächenausdehnung (14) wenigstens teilweise vom Substrat (5) beabstandet angeordnet ist und das Substrat (5) mit seiner Wärmeübertragungsfläche (13) berührt, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Sensorelement (8) an seiner dem Substrat (5) zugewandten Seite (18) im Bereich seiner Wärmeübertragungsfläche (13) mehrere integral mit dem Sensorelement (8) ausgebildete Wärmeübertragungselemente (19) aufweist, die sich zwischen Ausnehmungen (20) erstrecken und von dem thermischen Sensorelement (8) vorspringen und das Substrat (5) berühren.Apparatus for determining a measured quantity of a gas with a substrate (5) and a thermal sensor element (8) thermally connected to the substrate (5), wherein a heat transfer surface (13) of the thermal sensor element (8) for transferring the heat of the thermal sensor element (8) on the substrate (5) is smaller than an area extent (14) of the thermal sensor element (8) along the substrate (5), and wherein the thermal sensor element (8) along its surface extent (14) at least partially from the substrate (5 ) is spaced and the substrate (5) with its heat transfer surface (13) touched, characterized in that the thermal sensor element (8) on its the substrate (5) facing side (18) in the region of its heat transfer surface (13) a plurality of integral with The sensor element (8) formed heat transfer elements (19) extending between recesses (20) and of the thermal Projecting sensor element (8) and the substrate (5) touch.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Messgröße eines Gases mit einem Substrat und einem mit dem Substrat in thermischer Verbindung stehenden thermischen Sensorelement.The The invention relates to a device for determining a measured variable of a Gas with a substrate and one with the substrate in thermal Connecting thermal sensor element.
Eine
derartige Vorrichtung ist aus der
Der bekannte Luftmengensensor weist ein elektrisch isoliertes Substrat auf, auf dem mehrere, als thermische Sensorelemente ausgebildete thermosensitive Widerstände angeordnet sind. Zwischen dem Substrat und den Widerständen ist eine Wärmeisolierschicht aus einem eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material angeordnet, die sich entlang der gesamten Widerstandsausdehnung erstreckt. Mittels einer mit den Widerständen in Verbindung stehenden Steuerschaltung kann einem der Widerstände ein Heizstrom zugeführt werden, der diesen Widerstand auf eine Temperatur heizt, die größer als die durch den anderen Widerstand ermittelte Umgebungstemperatur ist. Aus dem zugeführten Heizstrom kann dann der Gasstrom ermittelt werden.Of the known air quantity sensor has an electrically insulated substrate on, on which several, designed as a thermal sensor elements thermosensitive resistors are arranged. There is between the substrate and the resistors a heat insulating layer from a lower thermal conductivity arranged material that extends along the entire Resistance expansion extends. By means of one with the resistors in Connected control circuit can one of the resistors Heating current supplied which heats this resistance to a temperature greater than the ambient temperature determined by the other resistor is. From the supplied Heating current can then be determined, the gas flow.
Bei
dem aus der
Die
Zum Erfassen schneller Änderungen der Luftmenge weist der bekannte Luftmengensensor unter dem der Heizung dienenden Widerstand eine Verdünnung des Substrates aus. Ferner ist der Abschnitt des Substrates, auf dem sich der der Heizung dienende Widerstand befindet, lediglich durch einen schmalen Steg mit dem restlichen Substrat verbunden.To the Capture fast changes the amount of air, the known air quantity sensor under the Heating serving a dilution of the substrate. Further is the portion of the substrate on which the heater is used Resistance is located only by a narrow bridge with the remaining substrate connected.
Ein Nachteil des bekannten Gasmengensensors ist, dass die Ansprechzeit des Luftmengensensors trotz der zur Verkürzung der Ansprechzeit getroffenen Maßnahmen gelegentlich zu lang ist.One Disadvantage of the known gas quantity sensor is that the response time of the air quantity sensor despite being made to shorten the response time activities occasionally too long.
Ein weiterer Nachteil des Gasmengensensors ist, dass die Zeit, die der als Temperaturfühler wirkende Widerstand benötigt, um seine Temperatur an die Umgebungstemperatur anzugleichen, gelegentlich zu lang ist. Erfolgt die Auswertung des Heizstroms zu einem Zeitpunkt, zu dem der als Temperaturfühler dienende Widerstand noch nicht im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung ist, kann es zu Fehlmessungen kommen.One Another disadvantage of the gas quantity sensor is that the time that the acting as a temperature sensor Resistance needed, to adjust its temperature to the ambient temperature, occasionally is too long. If the evaluation of the heating current takes place at a time, to which as a temperature sensor serving resistance not yet in thermal equilibrium with environment, it can lead to incorrect measurements.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Ansprechzeit und Messgenauigkeit verbesserte Vorrichtung bereitzustellen.outgoing From this prior art, the invention is therefore the task based on an improved response time and accuracy To provide device.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.These The object is achieved by a device having the features of the independent claim. In it dependent claims Advantageous embodiments and developments are given.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Sensorelement an seiner dem Substrat zugewandten Seite im Bereich seiner Wärmeübertragungsfläche mehrere integral mit dem Sensorelement ausgebildete Wärmeübertragungselemente aufweist, die sich zwischen Ausnehmungen erstrecken und von dem thermischen Sensorelement vorspringen und das Substrat berühren.The inventive device is characterized in that the thermal sensor element to its side facing the substrate in the region of its heat transfer surface several has integral with the sensor element formed heat transfer elements, which extend between recesses and of the thermal Project sensor element and touch the substrate.
Als Wärmeübertragungsfläche wird im Folgenden die mit dem Substrat in direktem oder indirektem thermischen Kontakt stehende Oberfläche des thermischen Sensorelements verstanden, über die eine Übertragung der Wärme vom thermischen Sensorelement auf das Substrat erfolgt. Die Flächenausdehnung des thermischen Sensorelements bezeichnet hingegen die Projektionsfläche des thermischen Sensorelements auf die Substratoberfläche bei einer im rechten Winkel zur Oberfläche des Substrats erfolgenden Projektion des Sensorelements auf die Substratoberfläche des Substrats. Hierbei werden durch Erhebungen und Vertiefungen entstehende Oberflächenvergrößerungen beziehungsweise Oberflächenverkleinerungen nicht berücksichtigt. Im Falle eines flachen, parallel zum Substrat angeordneten thermischen Sensorelements entspricht die Flächenausdehnung des thermischen Sensorelements seiner Oberfläche.When Heat transfer surface is in the following, those with the substrate in direct or indirect thermal Contact standing surface understood the thermal sensor element via which a transmission the heat from the thermal sensor element to the substrate. The area extent the thermal sensor element, however, denotes the projection surface of the thermal sensor element on the substrate surface at one taking place at right angles to the surface of the substrate Projection of the sensor element on the substrate surface of the Substrate. These are caused by elevations and depressions surface enlargements or surface reductions not considered. In the case of a flat, parallel to the substrate arranged thermal Sensor element corresponds to the surface area the thermal sensor element of its surface.
Durch die kleinere Ausgestaltung der Wärmeübertragungsfläche des thermischen Sensorelements im Vergleich zu seiner Flächenausdehnung wird die ungewollte Wärmeübertragung zwischen thermischem Sensorelement und Substrat verringert, so dass das thermische Sensorelement vom Substrat thermisch entkoppelt ist und in etwa seine Temperatur beibehält. Hierdurch wird die Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung signifikant verringert.Due to the smaller design of the heat transfer surface of the thermal sensor element compared to its surface area, the unwanted heat transfer between the thermal sensor element and the substrate is reduced, so that the thermal sensor element from the Subst rat thermally decoupled and maintains its temperature approximately. As a result, the response time of the device according to the invention is significantly reduced.
Die Temperatur des thermischen Sensorelements korrespondiert ferner mit der zu ermittelnden Messgröße der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine höhere Messgenauigkeit im Vergleich zu einem schlecht wärmeisolierten thermischen Sensorelement aufweist.The Temperature of the thermal sensor element also corresponds with the measured variable to be determined of the device according to the invention, whereby the device according to the invention a higher Measurement accuracy compared to a poorly thermally insulated thermal sensor element having.
Bei der erfindungsgemäßem Vorrichtung ist das thermische Sensorelement entlang seiner Flächenausdehnung wenigstens teilweise vom Substrat beabstandet angeordnet und berührt das Substrat mit seiner Wärmeübertragungsfläche. Diese Anordnung des thermischen Sensorelements bezüglich des Substrats ermöglicht eine gute Wärmeisolation beziehungsweise thermische Entkopplung beider Vorrichtungskomponenten, da der direkte thermische Kontakt zwischen beiden verringert ist und eine Wärmeübertragung nur im Bereich der Kontaktfläche des thermischen Sensorelements und des Substrats stattfindet. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass zwischen dem thermischen Sensorelement und dem Substrat ein luft- oder gasgefüllter Hohlraum vorhanden ist, der die thermische Entkopplung des thermischen Sensorelements und des Substrats erheblich verbessert.at the inventive device is the thermal sensor element along its surface area At least partially spaced from the substrate and touches the Substrate with its heat transfer surface. These Arrangement of the thermal sensor element with respect to the substrate allows a good heat insulation respectively thermal decoupling of both device components, since the direct Thermal contact between both is reduced and heat transfer only in the area of the contact area takes place of the thermal sensor element and the substrate. In In this context, it is particularly preferred that between the thermal sensor element and the substrate an air or gas-filled cavity is present, the thermal decoupling of the thermal sensor element and the substrate significantly improved.
Bei erfindungsgemäßem Vorrichtung weist das thermische Sensorelement an seiner dem Substrat zugewandten Seite im Bereich seiner Wärmeübertragungsfläche wenigstens ein Wärmeübertragungselement auf, das von dem thermischen Sensorelement vorspringt und das Substrat berührt. Durch die Ausbildung eines zwischen dem thermischen Sensorelement und dem Substrat vorhandenen Wärmeübertragungselements entsteht die wenigstens teilweise beabstandete Anordnung des thermischen Sensorelements vom Substrat, so dass die Wärmeisolierung des thermischen Sensorelements besonders gut ist. Das Wärmeübertragungselement kann beispielsweise integral mit dem thermischen Sensorelement ausgebildet oder aus einem zu dem Material des thermischen Sensorelements verschiedenen Material gefertigt sein.at inventive device has the thermal sensor element facing the substrate at its Side in the region of its heat transfer surface at least a heat transfer element which protrudes from the thermal sensor element and the substrate touched. By the formation of a between the thermal sensor element and the substrate existing heat transfer element arises the at least partially spaced arrangement of the thermal sensor element from the substrate, leaving the heat insulation the thermal sensor element is particularly good. The heat transfer element For example, it may be integrally formed with the thermal sensor element or a material different from the material of the thermal sensor element be made.
Vorzugsweise sind die Wärmeübertragungselemente entlang der Flächenausdehnung des thermischen Sensorelements regelmäßig verteilt angeordnet. Hierdurch wird eine besonders stabile Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet, da das thermische Sensorelement in regelmäßigen Abständen mit dem Substrat verbunden ist. Ferner erfolgt der Wärmeübertrag auf das Substrat an mehreren ausgewählten Substratbereichen, so dass eine temperaturbedingte Materialdegradation oder -ermüdung des Substrats durch einen erhöhten Wärmeübertrag an einem einzigen Substratbereich vermieden wird und folglich die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders lang ist.Preferably are the heat transfer elements along the surface area arranged distributed regularly the thermal sensor element. hereby becomes a particularly stable construction of the device according to the invention guaranteed since the thermal sensor element is connected to the substrate at regular intervals is. Furthermore, the heat transfer takes place on the substrate at a plurality of selected substrate areas, such that a temperature-induced material degradation or fatigue of the Substrate by increased heat transfer is avoided on a single substrate area and consequently the Life of the device according to the invention is particularly long.
Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Wärmeisolierelement zum thermischen Isolieren des thermischen Sensorelements vom Substrat zwischen dem Substrat und dem thermischen Sensorelement vorhanden, und das Wärmeisolierelement berührt das thermische Sensorelement entlang wenigstens eines Teils der Wärmeübertragungsfläche des thermischen Sensorelements. Das zusätzlich zwischen dem Substrat und dem thermischen Sensorelement anordnenbare Wärmeisolierelement bewirkt eine zusätzliche thermische Isolierung beider Bauteile, so dass eine Wärmeübertragung vom thermischen Sensorelement auf das Substrat entsprechend verringert und dadurch die Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht wird. Das Wärmeisolierelement kann sich beispielsweise entlang der gesamten Flächenausdehnung des thermischen Sensorelements erstrecken oder auch nur Teilbereiche zwischen dem thermischen Sensorelement und dem Substrat ausfüllen.at another embodiment is a heat insulating element for thermally insulating the thermal sensor element from the substrate present between the substrate and the thermal sensor element, and the heat insulating element touch that thermal sensor element along at least part of the heat transfer surface of the thermal sensor element. That in addition between the substrate and the thermal sensor element can be arranged heat insulating causes a additional thermal insulation of both components, allowing a heat transfer correspondingly reduced by the thermal sensor element to the substrate and As a result, the response time of the device according to the invention is increased. The heat insulating element can, for example, along the entire surface extent of the thermal Extend sensor element or even partial areas between the fill thermal sensor element and the substrate.
Weiterhin kann das Wärmeisolierelement das thermische Sensorelement entlang der gesamten Wärmeübertragungsfläche des thermischen Sensorelements berühren. Dadurch wird gewährleistet, dass die bereits geringe Wärmeübertragung vom thermischen Sensorelement auf das Substrat noch weiter reduziert wird, da diese beiden Vorrichtungskomponenten nur in indirektem thermischen Kontakt stehen.Farther can the heat insulating the thermal sensor element along the entire heat transfer surface of the touch the thermal sensor element. This will ensure that the already low heat transfer further reduced by the thermal sensor element on the substrate is because these two device components only in indirect thermal contact stand.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das thermische Sensorelement derart strukturiert, dass die vom Sub strat abgewandte Oberfläche des thermischen Sensorelements im Vergleich zur Flächenausdehnung des thermischen Sensorelements vergrößert ist. Dies bewirkt, dass die Kontaktfläche des thermischen Sensorelements mit der Umgebung vergrößert wird, so dass eine höhere Sensitivität des thermischen Sensorelements und damit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Umgebung erreicht wird. Im Falle der Ausgestaltung des thermischen Sensorelements als Temperaturfühler können kleine Temperaturschwankungen der Umgebung besonders schnell erfasst werden.at a further preferred embodiment is the thermal sensor element structured such that the of Sub strat surface facing away of the thermal sensor element compared to the surface area of the thermal sensor element is increased. This causes the contact area the thermal sensor element is enlarged with the environment, so that a higher sensitivity the thermal sensor element and thus the device according to the invention is achieved with the environment. In the case of the design of the thermal Sensor element as a temperature sensor can small temperature fluctuations of the environment detected particularly quickly become.
Vorzugsweise ist eine Schutzschicht zum Abdichten des Substrats, des thermischen Sensorelements und/oder des Wärmeisolierelements auf dem Substrat, dem thermischen Sensorelement und/oder dem Wärmeisolierelement ausgebildet. Die zusätzliche Schutzschicht bewirkt einen Schutz der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor Umgebungseinflüssen, die die Stabilität und die Sensitivität der erfindungsgemäßen Vorrichtung negativ beeinträchtigen können.Preferably, a protective layer is formed for sealing the substrate, the thermal sensor element and / or the heat insulating element on the substrate, the thermal sensor element and / or the heat insulating element. The additional protective layer causes a protection of the device according to the invention from environmental influences that adversely affect the stability and sensitivity of the device according to the invention can.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das thermische Sensorelement, das Wärmeübertragungselement und/oder das Wärmeisolierelement durch Lithographieverfahren hergestellt. Diese Art der Herstellung der einzelnen Vorrichtungskomponenten ist besonders einfach, kostengünstig und mit aus dem Stand der Technik ausreichend bekannten Maßnahmen realisierbar.at a further preferred embodiment are the thermal sensor element, the heat transfer element and / or the heat insulating element produced by lithography process. This type of production the individual device components is particularly simple, inexpensive and with well-known from the prior art measures realizable.
Vorzugsweise sind das Substrat aus Glas, das thermische Sensorelement aus Molybdän und das Wärmeisolierelement aus Siliziumdioxid gefertigt. Die Verwendung von Glas und Siliziumdioxid als Substrat- und Wärmeisolierelementmaterial ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Molybdän weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass sich dieses Material besonders gut als Basismaterial für das thermische Sensorelement eignet.Preferably are the substrate of glass, the thermal sensor element of molybdenum and the thermal insulating made of silicon dioxide. The use of glass and silica as a substrate and heat insulating element material allows a particularly cost-effective Production of the device according to the invention. molybdenum has a high thermal conductivity on, making this material especially good as a base material for the thermal Sensor element is suitable.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung ein einen Gasstrom messender Gasmengensensor, der ein als Heizelement oder Temperaturfühler ausgestaltetes thermisches Sensorelement aufweist. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt beispielsweise im Bereich der Automobilindustrie zum Einsatz.In a further preferred embodiment if the device is a gas flow measuring gas quantity sensor, a designed as a heating element or temperature sensor thermal Has sensor element. This embodiment of the device according to the invention is used for example in the automotive industry.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:Further Advantages and characteristics of the invention will become apparent from the following Description forth, in the embodiments the invention with reference to the drawing will be explained in detail. Show it:
In
Bei
der in
Bei
der in
Die
im Vergleich zur Flächenausdehnung
Das
Heizelement
Die
Wärmeübertragungselemente
Eine
vom Substrat
Die
regelmäßig verteilten
Strukturen
Der
Gasmengensensor
Das
Substrat
Eine
Kantenlänge
der in etwa quadratischen Querschnittsfläche des Wärmeübertragungselements
Das
Heizelement
Das
zwischen dem Heizelement
Vorzugsweise
ist das Substrat
Im
Folgenden werden zwei Verfahren zum Herstellen der in
Auf
das Substrat
Im
Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des in
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.In conclusion, be it should be noted that features and properties that are in the Described in connection with a particular embodiment may also be combined with another embodiment can, except if for reasons the compatibility is excluded.
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Gasstromgas flow
- 33
- Strömungskanalflow channel
- 44
- Wändewalls
- 55
- Substratsubstratum
- 66
- Heizarmheating arm
- 77
- TemperaturmessarmTemperaturmessarm
- 88th
- Heizelementheating element
- 99
- Temperaturfühlertemperature sensor
- 1010
- Leiterbahnenconductor tracks
- 1111
- Steuerschaltungcontrol circuit
- 1212
- Kontaktecontacts
- 1313
- WärmeübertragungsflächeHeat transfer surface
- 1414
- Flächenausdehnungsurface area
- 1515
- Kontaktflächecontact area
- 1616
- Heizelementabschnittheating element
- 1717
- Substratoberflächesubstrate surface
- 1818
- Unterseitebottom
- 1919
- WärmeübertragungselementHeat transfer element
- 2020
- Ausnehmungrecess
- 2121
- Heizelementoberflächeheating element
- 2222
- Strukturstructure
- 2323
- Schutzschichtprotective layer
- 2424
- Heizelementheating element
- 2525
- Wärmeisolierelementthermal insulating
- 2626
- Substratsubstratum
- 2727
- Substratoberflächesubstrate surface
- 2828
- Erster Abschnittfirst section
- 2929
- Zweiter Abschnittsecond section
- 3030
- Stegweb
- 3131
- Kontaktflächecontact area
- 3232
- WärmeübertragungsflächeHeat transfer surface
- 3333
- Zwischenraumgap
- 3434
- Opferschichtsacrificial layer
- 3535
- Öffnung OpferschichtOpening sacrificial layer
- 3636
- Seitenwand OpferschichtSide wall sacrificial layer
- 3737
- Opferschichtsacrificial layer
- 3838
- Schutzschichtprotective layer
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