DE102009047774A1

DE102009047774A1 - Durchflusssensor

Info

Publication number: DE102009047774A1
Application number: DE102009047774A
Authority: DE
Inventors: Junzo Kariya-city Yamaguchi; Yasushi Kariya-city Kohno
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: JP2010107497A; JP5035310B2; DE102009047774B4

Abstract

Ein Durchflusssensor (30) weist auf: ein Substrat (40), das in einer Strömung von Fluid angeordnet ist, ein Heizelement (81), das auf dem Substrat (40) angeordnet ist, einen Temperaturdetektor (83), der auf dem Substrat (40) angeordnet ist, eine erste Verdrahtung (81a), die sich wenigstens vom Heizelement (81) erstreckt, und eine zweite Verdrahtung (83a), die sich wenigstens vom Temperaturdetektor (83) erstreckt. Der Temperaturdetektor (83) erfasst einen Durchfluss von Fluid auf der Grundlage einer Verteilungsänderung von Wärme, die vom Heizelement (81) erzeugt wird. Die erste Verdrahtung (81a) erstreckt sich in einer ersten Richtung (D1), und die zweite Verdrahtung (83a) erstreckt sich in einer zweiten Richtung (D2), die annähernd entgegengesetzt zur ersten Richtung (D1) verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchflusssensor, der dazu ausgelegt ist, einen Durchfluss von Fluid auf der Grundlage einer Verteilungsänderung von Wärme zu erfassen, die von einem auf einem Substrat angeordneten Heizelement erzeugt wird.
Die JP-A-2003-065819 offenbart einen Durchflusssensor, der, wie in 7 gezeigt, eine auf einem Siliciumsubstrat definierte Membran 100 aufweist. Ein Heizelement 90 und Temperaturdetektoren 91, 92 sind auf der Membran 100 angeordnet. Ein Verdrahtungsmuster 90a, das sich vom Heizelement 90 erstreckt, und ein Verdrahtungsmuster 91a, 92a, das sich vom Temperaturdetektor 91, 92 erstreckt, sind auf der Membran 100 angeordnet. Die Verdrahtungsmuster 90a, 91a, 92a erstrecken sich zum gleichen Ende 101 der Membran 100.
Das Heizelement 90, der Temperaturdetektor 91, 92 und das Verdrahtungsmuster 90a, 91a, 92a sind aus Silicium aufgebaut und weisen eine Dünnschichtform auf. Das Verdrahtungsmuster 90a, 91a, 92a ist mit einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) verbunden. Wenn das Heizelement 90 über das Verdrahtungsmuster 90a mit Strom versorgt wird, um das Heizelement 90 zu erwärmen, steigt eine Temperatur um das Heizelement 90 herum und wird eine Änderung einer Temperaturverteilung um das Heizelement 90 herum vom Temperaturdetektor 91, 92 erfasst. Folglich können ein Durchfluss und eine Strömungsrichtung von Gas auf der Grundlage der erfassten Temperaturverteilungsänderung erfasst bzw. gemessen werden.
Vom Heizelement 90 abgestrahlte Wärme wird jedoch leicht zum Verdrahtungsmuster 91a, 92a übertragen, da das Heizelement 90 und das Verdrahtungsmuster 91a, 92a benachbart zueinander angeordnet sind. Ferner wird vom Heizelement 90 abgestrahlte Wärme leicht über das Verdrahtungsmuster 90a zum Verdrahtungsmuster 91a, 92a übertragen, da das Verdrahtungsmuster 90a und das Verdrahtungsmuster 91a, 92a benachbart zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Erfassungsempfindlichkeit schwer erhöht werden.
Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Durchflusssensor mit einer höheren Erfassungsempfindlichkeit bereitzustellen.
Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung weist ein Durchflusssensor auf: ein Substrat, das in einer Strömung von Fluid angeordnet ist, ein Heizelement, das auf dem Substrat angeordnet ist, einen Temperaturdetektor, der auf dem Substrat angeordnet ist, eine erste Verdrahtung, die derart auf dem Substrat angeordnet ist, dass sie sich wenigstens vom Heizelement aus erstreckt, und eine zweite Verdrahtung, die derart auf dem Substrat angeordnet ist, dass sie sich wenigstens vom Temperaturdetektor aus erstreckt. Der Temperaturdetektor erfasst einen Durchfluss von Fluid auf der Grundlage einer Verteilungsänderung von Wärme, die vom Heizelement erzeugt wird. Die erste Verdrahtung erstreckt sich in einer ersten Richtung, und die zweite Verdrahtung erstreckt sich in einer zweiten Richtung, die annähernd entgegengesetzt zur ersten Richtung verläuft.
Auf diese Weise kann die Erfassungsempfindlichkeit erhöht werden.
Die obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Perspektivansicht eines Durchflusssensors;
2 eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung des Durchflusssensors;
3 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung des Durchflusssensors;
4 eine vergrößerte Ansicht zur Veranschaulichung eines Heizelements und eines Temperaturdetektors des in der 3 gezeigten Durchflusssensors;
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einem Abstandsverhältnis und einer Erfassungsempfindlichkeit;
6 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einer Strömungsgeschwindigkeit und einer Ausgangsspannung;
7 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Durchflusssensors;
8 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einer Gasströmungsrichtung und einer Verdrahtungserstreckungsrichtung;
9A eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Vergleichsbeispiels einer Simulation, und 9B eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Verbesserungsbeispiels der Simulation;
10 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Ergebnissen einer ersten Simulation;
11 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Ergebnissen einer zweiten Simulation;
12 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Verbesserungsbeispiels des Durchflusssensors;
13 eine vergrößerte Ansicht zur Veranschaulichung eines Temperaturdetektors des in der 12 gezeigten Verbesserungsbeispiels;
14 eine vergrößerte Ansicht zur Veranschaulichung eines Heizelements des in der 12 gezeigten Verbesserungsbeispiels;
15 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Ergebnissen einer dritten Simulation;
16 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Versuchsbeispiels des Durchflusssensors;
17 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Ergebnissen eines ersten Versuchs; und
18 eine Diagramm zur Veranschaulichung von Ergebnissen eines zweiten Versuchs.
Nachstehend wird eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Abmessungen in den 1 und 2 sind größer als die tatsächlichen Abmessungen gezeigt, um das Verständnis zu erleichtern.
Ein Durchflusssensor 30 ist aus einem Silicium-auf-einem-Isolator-(SOI)-Substrat aufgebaut. Der Durchflusssensor 30 weist, wie in 2 gezeigt, auf: ein Siliciumsubstrat 40, einen Siliciumoxidfilm 50, der geschichtet auf dem Siliciumsubstrat 40 angeordnet ist, ein Verdrahtungsmuster 80, das einem einer einkristallinen Siliciumschicht aufgebaut und auf dem Siliciumoxidfilm 50 angeordnet ist, einen Siliciumoxidfilm 60 zum Abdecken des Verdrahtungsmusters 80 und einen Siliziumnitridfilm 70, der geschichtet auf dem Siliciumoxidfilm 60 angeordnet ist. Der Siliciumoxidfilm 50 kann einem Isolierfilm entsprechen, und das Verdrahtungsmuster 80 kann einer Halbleiterschicht entsprechen.
Eine Kavität 41 ist an einer Rückfläche des Siliciumsubstrats 40 definiert und mittels des Siliciumsubstrat 40s gebildet. Eine Öffnung 43 der Kavität 41 ist, wie in 1 gezeigt, an einer Oberseite des Siliciumsubstrats 40 definiert und mit einer Membran 33 bedeckt, die aus den Siliciumoxidfilmen 50, 60, dem Verdrahtungsmuster 80 und dem Siliziumnitridfilm 70 aufgebaut ist. D. h., ein Basisteil 42 der Kavität 41 wird, wie in 2 gezeigt, durch die Membran 33 definiert.
Das Siliciumsubstrat 40 weist beispielsweise eine Dicke von 500 μm auf. Das Verdrahtungsmuster 80 der Membran 33 weist beispielsweise eine Dicke von 3 μm auf.
Die Unterseite des Siliciumsubstrats 40 wird unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit einem anisotropen Ätzen unterzogen, bis der Siliciumoxidfilm 50 freigelegt ist. Auf diese Weise kann die Kavität 41 gebildet werden. Der Siliziumnitridfilm wird als Maske zum Bilden der Kavität 41 verwendet.
Ein Messteil 32 ist, wie in 3 gezeigt, mit einer Breitenabmessung W und einer Tiefenabmessung D auf der Membran 33 definiert. Der Messteil 32 erfasst einen Durchfluss von Gas, das oberhalb der Membran 33 strömt. Der Messteil 32 weist ein Heizelement 81, einen Widerstand 82 und einen Temperaturdetektor 83 auf. Der Widerstand 82 steuert eine Temperatur des Heizelements 81 und ist auf beiden Seiten des Heizelements 81 angeordnet. Der Temperaturdetektor 83 ist über den Widerstand 82 auf beiden Seiten des Heizelements 81 angeordnet.
Ein Widerstandswert des Widerstands 82 ändert sich, wenn Wärme vom Heizelement 81 zum Widerstand 82 übertragen wird. Folglich wird der Widerstand 82 zur Regelung der Temperatur des Heizelements 81 verwendet. Die Temperatur um das Heizelement 81 herum wird durch die vom Heizelement 81 erzeugte Wärme erhöht. Eine Temperaturverteilung der Membran 33 wird geändert, wenn Gas oberhalb der Membran 33 strömt. Die Änderung der Temperaturverteilung wird vom Temperaturdetektor 83 erfasst.
Wenn der Durchflusssensor 30 zwei der Temperaturdetektoren 83 aufweist, wird ein Durchfluss von Gas gemessen, indem ein Mittelpunktspotential der erfassten Änderungen der Temperaturdetektoren 83 erfasst wird, dank eines Mittelpunktsausgangsteils 84. Das Mittelpunktspotential wird über eine sich vom Ausgangsteil 84 erstreckende Verdrahtung 84a übertragen.
Das Verdrahtungsmuster 80 ist aus einer einkristallinen Siliciumschicht aufgebaut und weist eine Dünnschichtform auf. Das Heizelement 81, der Widerstand 82 und der Temperaturdetektor 83 sind im Verdrahtungsmuster 80 enthalten und werden jeweils gebildet, indem die einkristalline Siliciumschicht mit einem Fremdstoff dotiert wird. Die Membran 33 weist eine annähernd rechteckige Form auf, mit einem Paar von Endkanten 33a, 33b, die sich in einer Links-Rechts-Richtung der 3 gegenüberliegen, und einem Paar von Endkanten 33c, 33d, die sich in einer Aufwärts-Abwärts-Richtung der 3 gegenüberliegen. Das Heizelement 81 und der Widerstand 82 sind an einem im Wesentlichen in der Mitte befindlichen Teil der Membran 33 angeordnet.
Der Temperaturdetektor 83 weist eine doppelte U-Form auf und erstreckt sich annähernd parallel zu den Kanten 33a, 33b. Das Verdrahtungsmuster 80 ist in einem nicht schraffierten Bereich angeordnet, der in der 3 nicht schraffiert ist, und das Verdrahtungsmuster 80 ist nicht in einen schraffierten Bereich angeordnet, der in der 3 schraffiert ist. Der freie Bereich ist aus der einkristallinen Siliciumschicht entsprechend dem Verdrahtungsmuster 80, den Siliciumoxidfilmen 50, 60 und dem Siliziumnitridfilm 70 aufgebaut, und der schraffierte Bereich ist aus den Oxidfilmen 50, 60 und dem Siliziumnitridfilm 70 ohne das Verdrahtungsmuster 80 aufgebaut.
Nachstehend werden die kennzeichnenden Teile des Durchflusssensors 30 beschrieben. Ein Verdrahtungsmuster 81a ist elektrisch mit einem Heizelement 81 verbunden und erstreckt sich zur Kante 33d der Membran 33. Ein Verdrahtungsmuster 83a ist elektrisch mit dem Temperaturdetektor 83 verbunden und erstreckt sich zur Kante 33c der Membran 33, welche der Kante 33d gegenüberliegt. Ein Verdrahtungsmuster 82a des Widerstands 82 und das Verdrahtungsmuster 84a des Mittelpunktsausgangsteils 84 erstrecken sich zur Kante 33d. Das Verdrahtungsmuster 81a, 82a, 84a, das sich zur Kante 33d erstreckt, kann als erste Verdrahtung definiert werden, und das Verdrahtungsmuster 83a, das sich zur Kante 33c erstreckt, kann als zweite Verdrahtung definiert werden.
Die erste Verdrahtung erstreckt sich, wie in 8 gezeigt, in einer Pfeilrichtung D1, die annähernd senkrecht zu einer Pfeilrichtung F1 verläuft, in der zu erfassendes Gas strömt. Die zweite Verdrahtung erstreckt sich in einer Pfeilrichtung D2, die entgegengesetzt (d. h. 180 Grad) zur Richtung D1 verläuft, und die Richtung D2 verläuft annähernd senkrecht zur Richtung F1, in der zu erfassendes Gas strömt. D. h., die erste Verdrahtung und die zweite Verdrahtung erstrecken sich in entgegengesetzten Rich tungen entgegengesetzt voneinander weg auf der Membran 33, und die Erstreckungsrichtungen der ersten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung verlaufen annähernd senkrecht zur Richtung F1, in der zu erfassendes Gas strömt.
Folglich kann ein Intervall zwischen dem Heizelement 81 und dem Verdrahtungsmuster 83a des Temperaturdetektors 83 groß ausgelegt werden. Dementsprechend wird vom Heizelement 81 erzeugte Wärme schwer zum Verdrahtungsmuster 83a des Temperaturdetektors 83 übertragen.
Ferner kann ein Intervall zwischen dem Verdrahtungsmuster 81a des Heizelements 81 und dem Verdrahtungsmuster 83a des Temperaturdetektors 83 groß ausgelegt werden. Dementsprechend wird vom Heizelement 81 erzeugte Wärme schwer über das Verdrahtungsmuster 81a zum Verdrahtungsmuster 83a übertragen.
Das Heizelement 81 und der Temperaturdetektor 83 sind auf der Membran 33 mit der Dünnschichtform angeordnet und auf den Siliciumoxidfilmen 50 mit einer Isoliereigenschaft angeordnet, um eine thermische Isoliereigenschaft vorzusehen. Eine Durchflusserfassungsempfindlichkeit kann verbessert werden, da die thermische Isoliereigenschaft des Heizelements 81 verbessert wird.
Das Verdrahtungsmuster 83a weist, wie in 3 gezeigt, einen Basisteil 83b auf, das sich von einer Basis des Temperaturdetektors 83 erstreckt. Der Basisteil 83b benachbart zu einer Ecke 81b des Heizelements 81 erstreckt sich, wie in 4 gezeigt, in einer Querrichtung bezüglich des Heizelements 81.
Ferner weist ein Ende 83c des Verdrahtungsmusters 83a benachbart zum Heizelement 81, wie in 3 gezeigt, die Form einer Vertiefung auf, die sich in Richtung der Kante 33c der Membran 33 vertieft.
Folglich kann das Intervall zwischen dem Heizelement 81 und dem Verdrahtungsmuster 83a groß ausgelegt werden. Dementsprechend kann die Durchflusserfassungsempfindlichkeit weiter verbessert werden, da die thermische Isoliereigenschaft des Heizelements 81 weiter verbessert wird.
Ein Intervall zwischen dem Heizelement 81 und dem Temperaturdetektor 83 ist, wie in 4 gezeigt, als Abstand L definiert, und ein Intervall zwischen dem Heizelement 81 und der Kante 33a der Membran 33 am dichtesten benachbart zum Temperaturdetektor 83 ist als Abstand Lm definiert. Der Abstand Lm ist zwischen dem Heizelement 81 und der Kante 33a über den Temperaturdetektor 83 definiert.
Ein Verhältnis zwischen dem Abstand L, Lm und der Erfassungsempfindlichkeit ist anhand von Versuchen überprüft worden, deren Ergebnisse in der 5 gezeigt sind.
Die Versuche wurden bezüglich des Durchflusssensors 30 und eines Vergleichsbeispielsensors ausgeführt. Der Vergleichsbeispielsensor weist den in der 7 gezeigten Aufbau auf. Eine Abmessung zwischen einem äußeren Ende des Heizelements 81 und einem inneren Ende des Temperaturdetektors 83 ist als der Abstand L definiert, und eine Abmessung zwischen dem äußeren Ende des Heizelements 81 und der Kante 33a der Membran 33 am dichtesten benachbart zum Temperaturdetektor 83 ist als der Abstand Lm definiert. Die Durchflusserfassungsempfindlichkeiten werden gemessen, während ein Verhältnis L/Lm zwischen dem Abstand L und dem Abstand Lm geändert wird. Die Erfassungsempfindlichkeit wird durch ein Verhältnis zwischen einer Ausgangsspannung des Durchflusssensors 30 oder des Vergleichsbeispielsensors und einer Gasströmungsgeschwindigkeit beschrieben.
Die Erfassungsempfindlichkeit des Durchflusssensors 30 liegt, wie in 5 gezeigt, über der des Vergleichsbeispielsensors, wenn das Verhältnis L/Lm in einem Bereich zwischen 0,19 und 0,7 liegt. Die Erfassungsempfindlichkeit nimmt zu, wenn das Verhältnis L/Lm von 0,19 an erhöht wird. Die Erfassungsempfindlichkeit nimmt einen Höchstwert an, wenn das Verhältnis L/Lm annähernd einen Wert von 0,4 annimmt.
Des Heizelement 81, der Temperaturdetektor 83 und die Membran 33 weisen, wie in 3 gezeigt, eine symmetrische Form bezüglich einer Linie auf, die einen Mittelpunkt der Kante 33c und einen Mittelpunkt der Kante 33d verbindet. Folglich sollten die gleichen Versuchsergebnisse bei einem Verhältnis zwischen dem Heizelement 81 und dem Temperaturdetektor 83 auf einer linken Seite der 3 erzielt werden.
Wenn das Heizelement 81 und der Temperaturdetektor 83 derart auf der Membran 33 angeordnet sind, dass das Verhältnis L/Lm in dem Bereich zwischen 0,19 und 0,7 liegt, kann die Erfassungsempfindlichkeit erhöht werden. Wenn das Heizelement 81 und der Temperaturdetektor 83 derart auf der Membran 33 angeordnet sind, dass das Verhältnis L/Lm annähernd einen Wert von 0,4 annimmt, kann die Erfassungsempfindlichkeit maximiert werden.
6 zeigt ein Verhältnis zwischen der Gasströmungsgeschwindigkeit und der Ausgangsspannung, das auf den Versuchen basiert. Die Ausgangsspannung des Durchflusssensors 30 ist im gesamten Bereich der Gasströmungsgeschwindigkeit zwischen einer niedrigen und einer hohen Geschwindigkeit höher als die des Vergleichsbeispielsensors. Folglich kann der Durchflusssensor 30 eine vom Vergleichsbeispielsensor gegebenenfalls nicht erfasste geringe Durchflussänderung bezüglich der gleichen Gasströmungsgeschwindigkeit erfassen. Auf diese Weise kann die Erfassungsempfindlichkeit des Durchflusssensors 30 über der des Vergleichsbeispielsensors liegen.
Es wurde eine erste Simulation ausgeführt, um eine Verbesserungsrate der Erfassungsempfindlichkeit zu bestimmen, wenn die Erstreckungsrichtungen der ersten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung entgegengesetzt vorgesehen werden. Die in der 9A gezeigte Membran 33 wird bei der ersten Simulation als Vergleichsbeispiel ohne Verbesserung verwendet, und die in der 9B gezeigte Membran wird bei der ersten Simulation als Verbesserungsbeispiel verwendet. Die Ergebnisse der ersten Simulation sind in der 10 gezeigt.
Die erste Verdrahtung 81a des Vergleichsbeispiels erstreckt sich, wie in 9A gezeigt, vom Heizelement 81 aus in Richtung der Kante 33d der Membran 33. Die zweite Verdrahtung 83a des Vergleichsbeispiels erstreckt sich vom Temperaturdetektor 83 aus in Richtung der Kante 33d der Membran 33.
Die erste Verdrahtung 81a des Verbesserungsbeispiels erstreckt sich, wie in 9B gezeigt, vom Heizelement 81 aus in Richtung der Kante 33d der Membran 33.
Die zweite Verdrahtung 83a des Verbesserungsbeispiels erstreckt sich vom Temperaturdetektor 83 aus in Richtung der der Kante 33d gegenüberliegenden Kante 33c der Membran 33.
Das Heizelement 81 wird mit Strom versorgt, um Wärme zu erzeugen, und es wird bewirkt, dass zu erfassendes Gas in einer in den 9A und 9B gezeigten Pfeilrichtung annähernd senkrecht zu den Erstreckungsrichtungen der ersten und der zweiten Verdrahtung 81a, 83a strömt. Ein Gasdurchfluss wird vom Vergleichsbeispiel oder vom Verbesserungsbeispiel erfasst. 10 zeigt die Ergebnisse der ersten Simulation. Die Erfassungsempfindlichkeit des Verbesserungsbeispiels kann verglichen mit der des Vergleichsbeispiels um ungefähr 8% erhöht werden.
Folglich kann die Erfassungsempfindlichkeit um ungefähr 8% höher ausgelegt werden, wenn sich die erste Verdrahtung 81a und die zweite Verdrahtung 83a in entgegengesetzten Richtungen entgegengesetzt voneinander weg erstrecken, und wenn sich die erste Verdrahtung 81a und die zweite Verdrahtung 83a in den Richtungen annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases erstrecken.
Es wurde eine zweite Simulation ausgeführt, um eine Verringerungsmenge an vom Heizelement 81 erzeugter Wärme zu bestimmen, wenn die Erstreckungsrichtungen der ersten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung entgegengesetzt vorgesehen werden. Die Ergebnisse der zweiten Simulation sind in der 11 gezeigt.
Bei der zweiten Simulation werden das gleiche Vergleichsbeispiel und das gleiche Verbesserungsbeispiel wie bei der ersten Simulation verwendet. Eine Wärmemenge, die erforderlich ist, um eine Temperatur des Heizelements 80 konstant zu halten, wird berechnet, wenn das Heizelement 81 mit Strom versorgt wird, um Wärme zu erzeugen, und wenn bewirkt wird, dass Gas für eine vorbestimmte Zeitspanne in der in den 9A und 9B gezeigten Pfeilrichtung fließt. Wenn die Wärmemenge des Vergleichsbeispiels, wie in 11 gezeigt, bei ungefähr 30 (beliebige Einheit) liegt, liegt die Wärmemenge des Verbesserungsbeispiels bei ungefähr 25. Folglich kann die Wärmemenge des Verbesserungsbeispiels verglichen mit der des Vergleichsbeispiels verringert werden.
Folglich kann die Wärmemenge des Heizelements 81 verringert werden, wenn sich die erste Verdrahtung 81a und die zweite Verdrahtung 83a in entgegengesetzten Richtungen entgegengesetzt voneinander weg erstrecken, und wenn sich die erste Verdrahtung 81a und die zweite Verdrahtung 83a in den Richtungen annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung von Gas erstrecken. Folglich kann der durch das Heizelement 81 fließende Strom verringert werden, so dass der Stromverbrauch des Durchflusssensors 30 verringert werden kann.
Es wurde eine dritte Simulation ausgeführt, um eine Verbesserungsrate der Erfassungsempfindlichkeit zu bestimmen, wenn die Breitenabmessungen der ersten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung erhöht werden. Die in der 12 gezeigte Membran 33 wird als Verbesserungsbeispiel der dritten Simulation verwendet. 13 ist eine vergrößerte Ansicht der in der 12 gezeigten zweiten Verdrahtung 83a, und 14 zeigt eine vergrößerte Ansicht der in der 12 gezeigten ersten Verdrahtung 81a. Die Ergebnisse der dritten Simulation sind in der 15 gezeigt.
Bei der dritten Simulation wird der in der 3 gezeigte Durchflusssensor 30 als Vergleichsbeispiel verwendet, bei dem eine Breitenabmessung des Verdrahtungsmusters 81a, 83a geringer als die des Vergleichsbeispiels ist. Bei dem in der 12 gezeigten Verbesserungsbeispiel weist die erste Verdrahtung 81a eine Breitenabmessung auf, die größer als die des in der 3 gezeigten Vergleichsbeispiels ist, und weist die zweite Verdrahtung 83a eine Breitabmessung auf, die größer als die des Vergleichsbeispiels ist.
Insbesondere weist ein Messteil 83d des Temperaturdetektors 83, wie in 13 gezeigt, eine Breitenabmessung L11 und eine Längsabmessung auf, die annähernd denjenigen des Vergleichsbeispiels entsprechen. Ein Verdrahtungsteil 83e des Temperaturdetektors 83 entsprechend der zweiten Verdrahtung 83a weist Breitenabmessungen L5, L6, L7, L8, L9, L10 auf, die jeweils größer als die des Vergleichsbeispiel sind. Ferner ist die zweite Verdrahtung 83a derart definiert, dass eine Breitenabmessung L12 der zweiten Verdrahtung 83a, welche die Kante 33c der Membran 33 durchquert, größer als die Breitenabmessung L11 des Temperaturdetektors 83 ist.
Ein Messteil 81c des Heizelements 81 weist, wie in 14 gezeigt, eine Breitenabmessung L1 und eine Längsabmessung auf, die annähernd denjenigen des Vergleichsbeispiels entsprechen. Ein Verdrahtungsteil 81d des Heizelements 81 entsprechend der ersten Verdrahtung 81a weist eine Breitenabmessung L2 auf, welche die Kante 33d der Membran 33 durchquert, die größer als die des Vergleichsbeispiels ist.
Ein Messteil 82c des Heizelements 82 weist eine Breitenabmessung L3 und eine Längsabmessung auf, die annähernd denjenigen des Vergleichsbeispiels entsprechen. Ein Verdrahtungsteil 82d des Widerstands 82 entsprechend dem Verdrahtungsmuster 82a weist eine Breitenabmessung L4 auf, welche die Kante 33d der Membran 33 durchquert, die größer als die des Vergleichsbeispiels ist.
Ferner ist die erste Verdrahtung 81a, wie in 14 gezeigt, derart definiert, dass die Breitenabmessung L2 der ersten Verdrahtung 81a, welche die Kante 33d der Membran 33 durchquert, größer als die Breitenabmessung L1 des Heizelements 81 ist. Das Verdrahtungsmuster 82a ist derart definiert, dass die Breitenabmessung L4 des Verdrahtungsmusters 82a, welches die Kante 33d der Membran 33 durchquert, größer als die Breitenabmessung L3 des Widerstands 82 ist. Das Verdrahtungsmuster 84a, das sich vom Mittelpunktsausgangsteil 84 erstreckt, weist eine Breite auf, die annähernd der des Vergleichsbeispiels entspricht.
Ferner weisen zwei der zweiten Verdrahtungen 83a, wie in 12 gezeigt, zusammen eine Querabmessung La auf, welche die Kante 33c durchquert und weist die Kante 33c eine Breitenabmessung W auf. Die zweite Verdrahtung 83a ist derart definiert, dass ein Verhältnis La/W zwischen der Querabmessung La und der Breitenabmessung W in einem Bereich zwischen 0,5 und 0,9 liegt.
Ferner weist die erste Verdrahtung, die aus den Verdrahtungsmustern 81a, 82a, 84a aufgebaut ist, eine Querabmessung Lb auf, welche die Kante 33d durchquert, und weist die Kante 33d eine Breitabmessung W auf. Die erste Verdrahtung ist derart definiert, dass ein Verhältnis Lb/W zwischen der Querabmessung Lb und der Breitenabmessung W in einem Bereich zwischen 0,5 und 0,9 liegt.
Der Gasdurchfluss wird erfasst, wenn das Heizelement 81 mit Strom versorgt wird, um Wärme zu erzeugen, und wenn bewirkt wird, das Gas für die vorbestimmte Zeitspanne in der Pfeilrichtung fließt, gleich der ersten Simulation. 15 zeigt die Ergebnisse der dritten Simulation.
Die Erfassungsempfindlichkeit des Verbesserungsbeispiels kann verglichen mit der des Vergleichsbeispiels um mindestens 3% verbessert werden, wenn die Breitenabmessungen der ersten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung um 20% erhöht werden. Ferner kann die Erfassungsempfindlichkeit des Verbesserungsbeispiels verglichen mit der des Vergleichsbeispiels um mindestens 4% verbessert werden, wenn die Breitenabmessungen der ersten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung um 30% erhöht werden.
Es wurde ein erster Versuch ausgeführt, um eine Änderung einer Druckfestigkeit der Membran 33 zu bestimmen, wenn die erste Verdrahtung und die zweite Verdrahtung derart geändert werden, dass sie einen Eckabschnitt der Membran 33 nicht durchqueren. Die in der 16 gezeigte Membran 33 wird als Verbesserungsbeispiel des ersten Versuchs verwendet. Die Rechenergebnisse des ersten Versuchs sind in der 17 gezeigt.
Die erste Verdrahtung und die zweite Verdrahtung durchqueren den Eckabschnitt der Membran 33 des in der 16 gezeigten Verbesserungsbeispiels nicht. Demgegenüber durchqueren die erste Verdrahtung und die zweite Verdrahtung einen Eckabschnitt der Membran 33 in einem in der 3 gezeigten Vergleichsbeispiel.
In einem Bereich E der 16 durchquert die erste Verdrahtung 81a, 82a, 84a, die sich in Richtung der Kante 33d der Membran 33 erstreckt, nicht den Eckabschnitt der Membran 33. Zwischen dem Eckabschnitt und einem äußersten Ende der ersten Verdrahtung 84a am dichtesten benachbart zum Eckabschnitt ist ein Abstand ΔLb definiert.
In gleicher Weise durchquert die zweite Verdrahtung 83a, die sich in Richtung der der Kante 33d gegenüberliegenden Kante 33c der Membran 33 erstreckt, nicht den Eckabschnitt der Membran 33. Zwischen dem Eckabschnitt und einem äußersten Ende der zweiten Verdrahtung 83a ist ein Abstand ΔLa definiert.
Die Membran 33 wird mit einem Druck beaufschlagt, und die Druckfestigkeit der Membran 33 wird gemessen. Die Druckfestigkeit wird bestimmt, wenn die Membran 33 beschädigt wird. Die Druckfestigkeit der Membran 33 des Verbesserungsbeispiels wird, wie in 17 gezeigt, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel um ca. 10% verbessert.
Folglich wird die Druckfestigkeit der Membran 33 verbessert, wenn die erste Verdrahtung und die zweite Verdrahtung derart aufgebaut werden, dass verhindert wird, dass sie den Eckabschnitt der Membran 33 durchqueren, da eine auf die Membran 33 aufgebrachte Belastung verringert werden kann.
Wenn der Abstand ΔLb größer als 10% der Breitenabmessung W der Kante 33d der Membran 33 ausgelegt wird, und wenn der Abstand ΔLa größer als 10% der Breitenabmessung W der Kante 33c der Membran 33 ausgelegt wird, kann die Druckfestigkeit wenigstens um ca. 10% erhöht werden.
Es wurde ein zweiter Versuch ausgeführt, um eine Änderung der Druckfestigkeit der Membran 33 zu bestimmen, wenn das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W, die bei der dritten Simulation verwendet werden, geändert werden. Die Rechenergebnisse des zweiten Versuchs sind in der 18 gezeigt.
Der zweite Versuch wird ausgeführt, indem die in der 12 gezeigte Membran 33 verwendet wird, in einem Zustand, in welchem das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W annähernd gleich zueinander ausgelegt werden. Bei einem Vergleichsbeispiel weisen das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W, wie in 18 gezeigt, einen Wert von 0,15 auf und ist die Druckfestigkeit der Membran 33 so definiert, dass sie einen Wert von 1 aufweist.
Bei einem Verbesserungsbeispiel werden das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W auf 0,6 erhöht. In diesem Fall wird die Druckfestigkeit der Membran 33 auf 2 erhöht, was dem doppelten Wert des Vergleichsbeispiels entspricht. D. h., wenn das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W verglichen mit dem Vergleichsbeispiel erhöht werden, kann die Druckfestigkeit der Membran 33 erhöht werden.
Ferner kann die Druckfestigkeit der Membran 33 dann, wenn das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W annähernd gleich ausgelegt werden, weiter erhöht werden, da eine Belastung gleichmäßig auf die Membran 33 aufgebracht wird. Wenn sich das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W unterscheiden, kann die Druckfestigkeit verringert werden, da die auf die Membran 33 aufgebrachte Belastung zu einer Seite der Membran 33 verlagert werden kann.
Wenn das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W derart ausgelegt werden, dass sie einen Wert von über 0,9 aufweisen, nimmt eine Steigerung der Druckfestigkeit der Membran 33 einen geringen Wert an, da die äußersten Enden der ersten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung dicht an den Eckabschnitt der Membran 33 rücken. Folglich können das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W auf einen Wert von kleiner oder gleich 0,9 gesetzt werden.
Wenn das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W derart ausgelegt werden, dass sie einen Wert von weniger als 0,5 aufweisen, wird eine Festigkeit der Membran 33 verringert, da ein Bereich der Verdrahtungen, welcher die Kante der Membran 33 durchquert, verringert wird. Folglich können das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W auf einen Wert von größer oder gleich 0,5 gesetzt werden.
D. h., das Verhältnis La/W und das Verhältnis Lb/W werden in einem Bereich zwischen 0,5 und 0,9 annähernd gleich ausgelegt.
Das Heizelement 81, der Widerstand 82, der Temperaturdetektor 83, der Mittelpunktsausgangsteil 84 und die Verdrahtungen 81a, 82a, 83a, 84a sind auf der Membran 33 des Durchflusssensors 30 angeordnet. Alternativ kann der Durchflusssensor 30 den Widerstand 82 und die Verdrahtung 82a nicht aufweisen. Alternativ kann der Tem peraturdetektor 83 nur auf einer Seite des Heizelements 81 angeordnet sein. Alternativ kann der Durchflusssensor 30 den Widerstand 82 und die Verdrahtung 82a nicht aufweisen und kann der Temperaturdetektor 83 nur auf einer Seite des Heizelements 81 angeordnet sein. Alternativ kann sich die Verdrahtung 84a des Mittelpunktsausgangsteils 84 in der gleichen Richtung wie die Verdrahtung 83a des Temperaturdetektors 83 erstrecken. In diesem Fall werden die Verdrahtungen 83a, 84a als die zweite Verdrahtung definiert.
Solche Änderungen und Modifikationen sollen als mit im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, so wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert wird, beinhaltet verstanden werden.
Vorstehend wurde ein Durchflusssensor offenbart.
Ein Durchflusssensor 30 weist auf: ein Substrat 40, das in einer Strömung von Fluid angeordnet ist, ein Heizelement 81, das auf dem Substrat 40 angeordnet ist, einen Temperaturdetektor 83, der auf dem Substrat 40 angeordnet ist, eine erste Verdrahtung 81a, die sich wenigstens vom Heizelement 81 erstreckt, und eine zweite Verdrahtung 83a, die sich wenigstens vom Temperaturdetektor 83 erstreckt. Der Temperaturdetektor 83 erfasst einen Durchfluss von Fluid auf der Grundlage einer Verteilungsänderung von Wärme, die vom Heizelement 81 erzeugt wird. Die erste Verdrahtung 81a erstreckt sich in einer ersten Richtung D1, und die zweite Verdrahtung 83a erstreckt sich in einer zweiten Richtung D2, die annähernd entgegengesetzt zur ersten Richtung D1 verläuft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2003-065819 A [0002]

Claims

Durchflusssensor (30), aufweisend: – ein Substrat (40), das in einer Strömung von Fluid angeordnet ist; – ein Heizelement (81), das auf einer ersten Fläche des Substrats angeordnet ist; – einen Temperaturdetektor (81), der auf der ersten Fläche angeordnet ist; – eine erste Verdrahtung (81a, 82a, 84a), die derart auf der ersten Fläche angeordnet ist, dass sie sich wenigstens vom Heizelement erstreckt; und – eine zweite Verdrahtung (83a), die derart auf der ersten Fläche angeordnet ist, dass sie sich wenigstens vom Temperaturdetektor erstreckt, wobei – der Temperaturdetektor (83) einen Durchfluss von Fluid auf der Grundlage einer Verteilungsänderung von Wärme erfasst, die vom Heizelement (81) erzeugt wird, und – sich die erste Verdrahtung (81a, 82a, 84a) in einer ersten Richtung (D1) erstreckt, und sich die zweite Verdrahtung (83a) in einer zweiten Richtung (D2) erstreckt, die annähernd entgegengesetzt zur ersten Richtung (D1) verläuft.
Durchflusssensor (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (40) eine Vertiefung (41) auf einer der ersten Fläche gegenüberliegenden zweiten Fläche des Substrats aufweist; – der Temperaturdetektor (83) derart auf einer Seite des Heizelements (81) angeordnet ist, dass er einen Abstand (L) zum Heizelement aufweist; und – das Heizelement (81) und der Temperaturdetektor (83) derart angeordnet sind, dass sie einem Basisteil (42) der Vertiefung (41) entsprechen.
Durchflusssensor (30) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Heizelement (81) einen Abstand (Lm) zu einem Seitenende (33a, 33b) des Basisteils am dichtesten benachbart zum Temperaturdetektor (83) aufweist, um ein Verhältnis (L/Lm) zwischen dem Abstand (L) zum Temperaturdetektor (83) und dem Abstand (Lm) zum Seitenende (33a, 33b) zu definieren; und – das Verhältnis (L/Lm) in einem Bereich zwischen 0,19 und 0,70 liegt.
Durchflusssensor (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (L/Lm) annähernd gleich 0,4 ist.
Durchflusssensor (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat aus einem SOI-Substrat mit einem Tragesubstrat in Form eines Siliciumsubstrats (40), einer eingebetteten Schicht in Form eines Isolierfilms (50) und einer SOI-Schicht in Form einer Halbleiterschicht (80) aufgebaut ist; – das Siliciumsubstrat (40) eine Kavität (41) aufweist; – der Isolierfilm (50) die Kavität (41) des Siliciumsubstrats (40) bedeckt, um die Vertiefung zu definieren; und – die Halbleiterschicht (80) das Heizelement, den Temperaturdetektor, die erste Verdrahtung und die zweite Verdrahtung aufweist.
Durchflusssensor (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass verhindert wird, dass die erste Verdrahtung und die zweite Verdrahtung einen Eckabschnitt des Basisteils oder einen Endabschnitt eines Seitenendes (33c, 33d) des Basisteils benachbart zum Eckabschnitt durchqueren.
Durchflusssensor (30) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – das Seitenende (33c, 33d) des Basisteils eine Breitenabmessung (W) aufweist, der zwischen den zueinander benachbarten Eckabschnitten definiert ist; – der Endabschnitt eine Abmessung (ΔLa, ΔLb) aufweist, der vom Eckabschnitt definiert ist; und – die Abmessung (ΔLa, ΔLb) kleiner oder gleich 10% der Breitenabmessung (W) ist.
Durchflusssensor (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – der Basisteil ein erstes Seitenende (33d) mit einer Breitenabmessung (W) aufweist; – die erste Verdrahtung (81a, 82a, 84a) das erste Seitenende (33d) durchquert, um eine erste Querabmessung (Lb) aufzuweisen, um ein erstes Verhältnis (Lb/W) zwischen der ersten Querabmessung (Lb) und der Breitenabmessung (W) zu definieren; – die erste Querabmessung (Lb) größer als eine Breitenabmessung (L11) des Heizelements (81) ist; und – das erste Verhältnis (Lb/W) in einem Bereich zwischen 0,5 und 0,9 liegt.
Durchflusssensor (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass – der Basisteil ein zweites Seitenende (33c) mit einer Breitenabmessung (W) aufweist; – die zweite Verdrahtung (83a) das zweite Seitenende (33c) durchquert, um eine zweite Querabmessung (La) aufzuweisen, um ein zweites Verhältnis (La/W) zwischen der zweiten Querabmessung (La) und der Breitenabmessung (W) zu definieren; – die zweite Querabmessung (La) größer als eine Breitenabmessung (L12) des Temperaturdetektors (83) ist; und – das zweite Verhältnis (La/W) in einem Bereich zwischen 0,5 und 0,9 liegt.
Durchflusssensor (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – der Basisteil ein erstes Seitenende (33d) und ein gegenüberliegendes zweites Seitenende (33c) aufweist, die jeweils eine Breitenabmessung (W) aufweisen; – die erste Verdrahtung (81a, 82a, 84a) das erste Seitenende (33d) durchquert, um eine erste Querabmessung (Lb) aufzuweisen, um ein erstes Verhältnis (Lb/W) zwischen der ersten Querabmessung (Lb) und der Breitenabmessung (W) zu definieren; – die zweite Verdrahtung (83a) das zweite Seitenende (33c) durchquert, um eine zweite Querabmessung (La) aufzuweisen, um ein zweites Verhältnis (La/W) zwischen der zweiten Querabmessung (La) und der Breitenabmessung (W) zu definieren; und – sich das erste Verhältnis (Lb/W) und das zweite Verhältnis (La/W) annähernd entsprechen.
Durchflusssensor (30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das erste Verhältnis (Lb/W) als auch das zweite Verhältnis (La/W) in einem Bereich zwischen 0,5 und 0,9 liegen.
Durchflusssensor (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Verdrahtung (81a, 82a, 84a) und die zweite Verdrahtung (83a) in Richtungen (D1, D2) erstrecken, die annähernd senkrecht zu einer Strömungsrichtung (F1) von Fluid erstrecken.
Durchflusssensor (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Verdrahtung (82a, 84a) von etwas anderem (82, 84) als dem Heizelement (81) erstreckt.