DE102017204041A1 - Sensor device for detecting at least one flow characteristic of a fluid medium - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung (110) umfasst:
• mindestens ein Sensorelement (120) zur Erfassung der Strömungseigenschaft des fluiden Mediums, wobei das Sensorelement (120) mindestens ein Substrat (124) und mindestens eine in dem Substrat (124) ausgebildete Kaverne (132) aufweist, wobei das Substrat (124) eine Messseite (152) und eine Montageseite (154) aufweist, wobei die Kaverne (132) zu der Montageseite (154) hin geöffnet oder geschlossen sein kann und auf der Messseite (152) von einer Sensormembran (128) überdeckt ist, welche von dem fluiden Medium überströmbar ist,
• mindestens ein Sensorgehäuse (112), wobei das Sensorgehäuse (112) mindestens einen Strömungskanal (114) mit mindestens einer Einlassöffnung (116) und mindestens einer Auslassöffnung (118) für das fluide Medium umfasst, wobei das Sensorelement (120) in den Strömungskanal (114) hineinragt; dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (120) derart ausgestaltet ist, dass ein Austausch von dem fluiden Medium zwischen der Messseite (152) und der Kaverne (132) durch das Sensorelement (120) hindurch ermöglicht ist.
A sensor device (110) for detecting at least one flow characteristic of a fluid medium is proposed. The sensor device (110) comprises:
At least one sensor element (120) for detecting the flow property of the fluid medium, wherein the sensor element (120) has at least one substrate (124) and at least one cavern (132) formed in the substrate (124), the substrate (124) forming a Measuring side (152) and a mounting side (154), wherein the cavern (132) may be opened or closed to the mounting side (154) and on the measuring side (152) of a sensor membrane (128) is covered, which of the fluid Medium is overflowable,
At least one sensor housing (112), wherein the sensor housing (112) comprises at least one flow channel (114) with at least one inlet opening (116) and at least one outlet opening (118) for the fluid medium, wherein the sensor element (120) into the flow channel ( 114) protrudes; characterized in that the sensor element (120) is designed such that an exchange of the fluid medium between the measuring side (152) and the cavern (132) through the sensor element (120) is made possible therethrough.
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Strömungseigenschaften fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften kann es sich dabei grundsätzlich um beliebige physikalisch und/oder chemisch messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom handeln.Methods and devices for determining flow properties of fluid media, ie liquids and / or gases, are known from the prior art. In principle, the flow properties can be any physically and / or chemically measurable properties which qualify or quantify a flow of the fluid medium. In particular, this may be a flow velocity and / or a mass flow and / or a volume flow.
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf sogenannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, wie sie beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.), Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 146-148, beschrieben sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Siliziumsensorchip, mit einer Messoberfläche, welche von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorchip umfasst in der Regel mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind. Aus einer Asymmetrie des von den Temperaturfühlern erfassten Temperaturprofils, welches durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst wird, kann auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom des fluiden Mediums geschlossen werden. Heißfilmluftmassenmesser sind üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist. The invention is described below in particular with reference to so-called hot-film air mass meter, as described for example in Konrad Reif (ed.), Sensors in the motor vehicle, 1 st edition 2010, pages 146-148. Such Heißfiluuftmassenmesser are usually based on a sensor chip, in particular a silicon sensor chip, with a measuring surface, which is overflowed by the flowing fluid medium. The sensor chip usually comprises at least one heating element and at least two temperature sensors, which are arranged, for example, on the measuring surface of the sensor chip. From an asymmetry of the temperature profile detected by the temperature sensors, which is influenced by the flow of the fluid medium, it is possible to deduce a mass flow and / or volume flow of the fluid medium. Heißfileinuftmassenmesser are usually designed as plug-in sensor, which is fixed or interchangeable introduced into a flow tube.
Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine handeln.For example, this flow tube may be an intake tract of an internal combustion engine.
Sensormembranen können üblicherweise eine Dicke von wenigen Mikrometern aufweisen. Eine Druckdifferenz zwischen einer Oberseite und einer Unterseite der Membran kann grundsätzlich zu einer mechanischen Zerstörung führen. Daher können Sensorchips so montiert sein, dass ein hinterer Teil geklebt ist und ein vorderer Teil, welcher die Membran umfasst, frei bleibt und dem fluiden Medium ausgesetzt ist.Sensor membranes can usually have a thickness of a few micrometers. A pressure difference between an upper side and a lower side of the membrane can fundamentally lead to mechanical destruction. Therefore, sensor chips may be mounted so that a back part is glued and a front part comprising the membrane remains free and exposed to the fluid medium.
Aus
Trotz der durch diese Sensorvorrichtungen bewirkten Vorteile beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Insbesondere die geringe mechanische Belastbarkeit von Sensorchips mit Messermembranen stellt nach wie vor eine technische Herausforderung dar.Despite the advantages provided by these sensor devices, they still have room for improvement. In particular, the low mechanical strength of sensor chips with knife membranes is still a technical challenge.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird daher eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Sensorvorrichtungen zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere soll der Empfindlichkeit der Membran üblicher Sensorchips Rechnung getragen werden, so dass insbesondere strömungsbedingte oder klimabedingte Druckunterschiede zwischen einer von dem fluiden Medium überströmten Oberseite des Sensorchips, im Folgenden auch als Messseite bezeichnet, und einer Unterseite des Sensorchips, im Folgenden auch als Montageseite bezeichnet, nicht zu einer Zerstörung des Sensorchips führen. Hierzu soll insbesondere ein verbesserter Druckausgleich zwischen der Messseite und der Montageseite geschaffen werden.Therefore, a sensor device for detecting at least one flow characteristic of a fluid medium is proposed, which at least largely avoids the above-described disadvantages of known sensor devices. In particular, the sensitivity of the membrane of conventional sensor chips should be taken into account so that in particular flow-related or climate-induced pressure differences between an overflowed from the fluid medium top of the sensor chip, hereinafter also referred to as the measurement side, and a bottom of the sensor chip, hereinafter also referred to as mounting side, not lead to destruction of the sensor chip. For this purpose, in particular an improved pressure equalization between the measuring side and the mounting side should be created.
Bezüglich der mindestens einen zu erfassenden Strömungseigenschaft, welche qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann, kann beispielsweise auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden. Insbesondere kann es sich bei dieser Strömungseigenschaft um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom des fluiden Mediums handeln. Bei dem fluiden Medium kann es sich insbesondere um ein Gas, vorzugsweise um Luft und/oder ein Abgas, handeln. Die Sensorvorrichtung kann insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar sein, beispielsweise im Ansaugtrakt einer Verbrennungsmaschine. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf sogenannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, wie sie beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.), Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 146-148, beschrieben sind. Es sei darauf hingewiesen, dass jedoch auch andere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung möglich sind.With respect to the at least one flow characteristic to be detected, which can be detected qualitatively and / or quantitatively, reference may be made, for example, to the above description of the prior art. In particular, this flow property may be a flow velocity and / or a mass flow and / or a volume flow of the fluid medium. The fluid medium may in particular be a gas, preferably air and / or an exhaust gas. The sensor device can be used in particular in motor vehicle technology, for example in the intake tract of an internal combustion engine. However, other applications are possible in principle.
The invention is described below in particular with reference to so-called hot-film air mass meter, as described for example in Konrad Reif (ed.), Sensors in the motor vehicle, 1 st edition 2010, pages 146-148. It was pointed out that, however, other embodiments of the sensor device according to the invention are possible.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums umfasst mindestens ein Sensorelement zur Erfassung der Strömungseigenschaft des fluiden Mediums. Dieses Sensorelement kann insbesondere als Sensorchip ausgestaltet sein, beispielsweise als Halbleiterchip.The sensor device according to the invention for detecting at least one flow characteristic of a fluid medium comprises at least one sensor element for detecting the flow property of the fluid medium. This sensor element can in particular be designed as a sensor chip, for example as a semiconductor chip.
Das Sensorelement weist mindestens ein Substrat, insbesondere ein Halbleitersubstrat, und mindestens eine in dem Substrat ausgebildete Kaverne auf. Das Substrat weist eine Messseite und eine Montageseite auf. Die Kaverne kann zu der Montageseite hin geöffnet oder verschlossen sein. Die Kaverne ist auf der Messseite von einer Sensormembran überdeckt. Die Sensormembran ist von dem fluiden Medium überströmbar. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung mindestens ein Sensorgehäuse. Das Sensorgehäuse umfasst mindestens einen Strömungskanal mit mindestens einer Einlassöffnung und mindestens einer Auslassöffnung für das fluide Medium. Das Sensorelement ragt in den Strömungskanal hinein, beispielsweise indem ein Trägerelement des Sensorelements mit dem Sensorelement in den Strömungskanal hineinragt. Das Sensorelement ist derart ausgestaltet, dass ein Austausch von dem fluiden Medium zwischen der Messseite und der Kaverne durch das Sensorelement hindurch ermöglicht ist.The sensor element has at least one substrate, in particular a semiconductor substrate, and at least one cavity formed in the substrate. The substrate has a measurement side and a mounting side. The cavern can be opened or closed to the mounting side. The cavern is covered on the measuring side by a sensor membrane. The sensor membrane can be overflowed by the fluid medium. Furthermore, the sensor device comprises at least one sensor housing. The sensor housing comprises at least one flow channel with at least one inlet opening and at least one outlet opening for the fluid medium. The sensor element protrudes into the flow channel, for example in that a support element of the sensor element projects with the sensor element into the flow channel. The sensor element is designed such that an exchange of the fluid medium between the measurement side and the cavern through the sensor element is made possible.
Unter einem „Sensorgehäuse“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine einteilige oder auch mehrteilige Vorrichtung zu verstehen, welche die Sensorvorrichtung nach außen zumindest weitgehend abschließt und zumindest weitgehend schützt gegenüber mechanischen Einwirkungen und vorzugsweise auch anderen Arten von Einwirkungen, beispielsweise chemischen Einwirkungen und/oder Feuchteeinwirkungen. Insbesondere kann das Sensorgehäuse mindestens einen Steckfühler umfassen, wobei der Steckfühler in das strömende fluide Medium einbringbar ist. Der Steckfühler und das Sensorgehäuse können insbesondere zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein, beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens. Das Sensorgehäuse, insbesondere der Steckfühler, kann beispielsweise in ein Strömungsrohr einsteckbar sein oder fest in einem Strömungsrohr montiert sein, so dass der Steckfühler beispielsweise von dem fluiden Medium, welches durch das Strömungsrohr strömt, umströmt wird. Der Steckfühler kann fest oder auch lösbar in dem Strömungsrohr montiert sein. Das Strömungsrohr kann separat ausgebildet sein oder kann auch Bestandteil der Sensorvorrichtung sein.In the context of the present invention, a "sensor housing" is basically a one-part or multi-part device which at least largely closes off the sensor device and at least largely protects it against mechanical effects and preferably also other types of actions, for example chemical effects and / or humidity influences. In particular, the sensor housing may comprise at least one plug-in sensor, wherein the plug-in sensor can be introduced into the flowing fluid medium. The plug-in sensor and the sensor housing may in particular be made at least partially of a plastic material, for example by means of an injection molding process. The sensor housing, in particular the plug-in sensor, for example, be plugged into a flow tube or be permanently mounted in a flow tube, so that the plug-in sensor, for example, flows around the fluid medium, which flows through the flow tube. The plug-in sensor can be fixed or detachably mounted in the flow tube. The flow tube may be formed separately or may also be part of the sensor device.
Unter einem „Strömungskanal“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger, von einem fluiden Medium durchströmbarer Hohlkörper oder Hohlraum zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlraum handeln, welcher gerade oder auch beliebig gekrümmt ausgestaltet sein kann. Weiterhin kann der Strömungskanal auch verzweigt ausgestaltet sein. Der Strömungskanal kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen quadratischen, rechteckigen, runden, einen ovalen oder einen polygonalen Querschnitt. Die Einlassöffnung kann eingerichtet sein, um das fluide Medium in den Strömungskanal hinein zu transportieren. Die Einlassöffnung kann daher auch als Einströmöffnung bezeichnet werden. Weiterhin kann die Auslassöffnung eingerichtet sein, um das fluide Medium aus dem Strömungskanal hinaus zu transportieren. Die Auslassöffnung kann daher auch als Ausströmöffnung bezeichnet werden.A "flow channel" in the sense of the present invention is basically to be understood as meaning any hollow body or hollow space through which a fluid medium can flow. In particular, it may be an elongated cavity, which may be designed straight or curved as desired. Furthermore, the flow channel can also be configured branched. The flow channel can in principle have any desired cross section, for example a square, rectangular, round, oval or polygonal cross section. The inlet port may be configured to transport the fluid medium into the flow channel. The inlet opening can therefore also be referred to as an inflow opening. Furthermore, the outlet opening may be arranged to transport the fluid medium out of the flow channel. The outlet opening can therefore also be referred to as a discharge opening.
Unter einem „Sensorelement“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Messgröße zu erfassen, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Messgröße, insbesondere eine optische und/oder elektrische Messgröße. Das Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens ein Sensorsignal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Sensorsignal, beispielsweise ein analoges und/oder digitales Sensorsignal. Unter einem Sensorelement zur Erfassung einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums ist grundsätzlich ein beliebiger Sensor zu verstehen, welcher eingerichtet ist, die Strömungseigenschaft qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen. Das Sensorelement kann daher auch als Strömungssensor bezeichnet werden. Insbesondere kann es sich bei dem Sensorelement um mindestens einen Heißfilmluftmassenmesschip handeln. Insbesondere kann dieser Heißfilmluftmassenmesserchip mindestens einen Siliziumchip umfassen, mit einer Messoberfläche, welche von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Auf dieser Sensoroberfläche können sich beispielsweise mindestens ein Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühler befinden, wobei aus einer Asymmetrie des mittels des Temperaturfühlers gemessenen Temperaturprofils auf die mindestens eine Strömungseigenschaft schließbar sein kann.A "sensor element" in the sense of the present invention basically means any device that is set up to detect at least one measured variable, for example a physical and / or chemical measured variable, in particular an optical and / or electrical measured variable. The sensor element may in particular be designed to generate at least one sensor signal, in particular at least one electrical sensor signal, for example an analog and / or digital sensor signal. A sensor element for detecting a flow property of a fluid medium is basically an arbitrary sensor which is set up to qualitatively and / or quantitatively detect the flow property. The sensor element can therefore also be referred to as a flow sensor. In particular, the sensor element may be at least one hot-film air mass measuring chip. In particular, this Heißfilmuftmassenmesserchip comprise at least one silicon chip, with a measuring surface, which is overflowed by the flowing fluid medium. On this sensor surface, for example, at least one heating element and at least two temperature sensors can be located, wherein from an asymmetry of the temperature profile measured by means of the temperature sensor on the at least one flow property can be closed.
Das Sensorelement kann insbesondere ein mikromechanisches Sensorelement sein. Unter dem Begriff „mikromechanisch“ ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft einer dreidimensionalen Struktur zu verstehen, welche Dimensionen im Mikrometerbereich, d.h. im Bereich unterhalb von 1 mm, aufweist. Beispielsweise können dies Breiten von Kavernen, laterale Ausdehnungen von Membranen oder ähnliche charakteristische Dimensionen sein, welche in diesem Bereich liegen. Dimensionen im Bereich oberhalb von 1 mm sind jedoch ebenfalls denkbar.The sensor element may in particular be a micromechanical sensor element. In the context of the present invention, the term "micromechanical" is generally to be understood as the property of a three-dimensional structure which has dimensions in the micrometer range, ie in the region below 1 mm. For example, widths of caverns, lateral dimensions of membranes or similar characteristic Dimensions that are in this range. However, dimensions in the range above 1 mm are also conceivable.
Das Sensorelement ragt in den Strömungskanal hinein. Beispielsweise kann das Sensorelement auf oder in einem Sensorträger befestigt sein, beispielsweise einem aus Kunststoff gefertigten Sensorträger, beispielsweise in Form eines Flügels, welcher in den Strömungskanal hineinragt. Der Sensorchip kann beispielsweise eine Messoberfläche oder Sensorfläche aufweisen, welche auf der Messseite angeordnet ist. Das Sensorelement kann derart in den Strömungskanal hineinragen, dass die Messseite ganz oder teilweise, insbesondere die Messoberfläche, dem fluiden Medium ausgesetzt ist und von dem fluiden Medium überströmbar ist.The sensor element protrudes into the flow channel. For example, the sensor element can be fastened on or in a sensor carrier, for example a sensor carrier made of plastic, for example in the form of a wing, which protrudes into the flow channel. The sensor chip may have, for example, a measuring surface or sensor surface which is arranged on the measuring side. The sensor element can protrude into the flow channel in such a way that the measurement side is completely or partially exposed, in particular the measurement surface, to the fluid medium and can be overflowed by the fluid medium.
Wie bereits oben ausgeführt, umfasst das Sensorelement die mindestens eine Sensormembran. Unter einer „Membran“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiges Element mit einer länglichen Form und einer Dicke zu verstehen, wobei die Ausdehnung des Elements in lateraler Dimension die Dicke des Elements überschreitet, beispielsweise um einen Faktor von 10 bis 1000, vorzugsweise um einen Faktor von 200 bis 500. Derartige Membranen können beispielsweise durch entsprechende halbleitertechnische Verfahren, beispielsweise Ätzverfahren, hergestellt werden, bei denen das Substrat in einem Abschnitt derart geätzt wird, dass nach Abschluss des Verfahrens lediglich noch die Membran übrig bleibt. Bei diesem Ätzverfahren wird gleichzeitig dann die Kaverne hergestellt, welche von der Membran überdeckt ist. Unter einer „Sensormembran“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung dementsprechend allgemein eine Membran verstanden, welche selbst als Sensor fungiert oder welche eine oder mehrere Sensorelemente trägt. Beispielsweise können, wie bei Heißfilmluftmassenmesser üblich, auf der Sensormembran, insbesondere auf einer der Messseite zugewandten Seite der Sensormembran, mindestens ein Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühler angeordnet sein.As already stated above, the sensor element comprises the at least one sensor membrane. In principle, a "membrane" in the sense of the present invention is to be understood as meaning any element having an elongate shape and a thickness, wherein the dimension of the element in a lateral dimension exceeds the thickness of the element, for example by a factor of 10 to 1000, preferably by a factor of 200 to 500. Such membranes can be prepared, for example, by appropriate semiconductor techniques, such as etching, in which the substrate is etched in a section such that after completion of the process, only the membrane remains. In this etching process, the cavern is then simultaneously produced, which is covered by the membrane. In the context of the present invention, a "sensor membrane" is accordingly generally understood to mean a membrane which itself acts as a sensor or which carries one or more sensor elements. For example, as is usual with hot-film air mass meters, at least one heating element and at least two temperature sensors can be arranged on the sensor membrane, in particular on a side of the sensor membrane facing the measuring side.
Weiterhin weist das Sensorelement, wie bereits oben ausgeführt, das mindestens eine Substrat auf. Insbesondere kann es sich um ein Halbleitersubstrat handeln, welches mikromechanisch strukturiert ist. Die mikromechanische Strukturierung kann insbesondere die Ausbildung der Kaverne und der Membran beinhalten, so dass das Halbleitersubstrat beispielsweise einen Rahmen bildet, welcher die Kaverne umrandet und von der Membran, welche selbst Bestandteil des Halbleitersubstrats ist oder separat ausgebildet ist, überspannt wird. Das Substrat kann beispielsweise ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Halbleitersubstrat sein. Insbesondere kann das Substrat mehrere Halbleitersubstrate umfassen, welche mittels Waferbonden miteinander verbunden sind. Das Substrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Insbesondere kann das Substrat Silizium umfassen. Auch andere halbleitende oder isolierende Materialien wie Siliziumcarbid, GaN, Saphir und Glas sind grundsätzlich denkbar.Furthermore, as already explained above, the sensor element has the at least one substrate. In particular, it may be a semiconductor substrate which is micromechanically structured. The micromechanical structuring may in particular include the formation of the cavern and the membrane, so that the semiconductor substrate forms, for example, a frame which surrounds the cavern and is spanned by the membrane, which itself is a component of the semiconductor substrate or is formed separately. The substrate may be, for example, a disk-shaped or plate-shaped semiconductor substrate. In particular, the substrate may comprise a plurality of semiconductor substrates, which are interconnected by wafer bonding. The substrate may be formed in particular as a chip. In particular, the substrate may comprise silicon. Other semiconducting or insulating materials such as silicon carbide, GaN, sapphire and glass are also conceivable.
Unter einer „Kaverne“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Hohlraum zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen offenen und/oder frei gestalteten Hohlraum handeln oder um einen geschlossenen Hohlraum. Die Kaverne kann im Querschnitt grundsätzlich eine beliebige Grundform aufweisen, beispielsweise eine Trapezform. Die Kaverne kann einem Trägerelement zugewandt angeordnet sein. Das Sensorelement kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die Membran der Messseite zugewandt ist und die unterhalb der Membran angeordnete Kaverne zur Montageseite hin geöffnet ist oder verschlossen ist.Under a "cavern" in the context of the present invention is basically to understand any cavity. In particular, it may be an open and / or free-form cavity or a closed cavity. The cavern can in principle have any basic shape in cross section, for example a trapezoidal shape. The cavern can be arranged facing a carrier element. The sensor element can be designed, for example, such that the membrane faces the measurement side and the cavity arranged below the membrane is opened towards the mounting side or is closed.
Wie bereits oben ausgeführt, weist das Sensorelement, insbesondere das Substrat, eine Messseite und eine Montageseite auf. Diese beiden Seiten bezeichnen grundsätzlich vorzugsweise zwei beliebige, einander gegenüberliegende Seiten des Sensorelements, beispielsweise des Sensorchips. Diese beiden Seiten sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet, beispielsweise indem diese beiden Seiten die einander gegenüberliegenden ebenen Oberflächen des Sensorelements, insbesondere des Sensorchips, bilden. So kann die Messseite insbesondere die Seite des Sensorelements sein, welche dem fluiden Medium zugewandt ist, wohingegen die Montageseite die Seite sein kann, welche einem Sensorträger zugewandt ist. Beispielsweise kann das Sensorelement auf einer Oberfläche des Sensorträgers angeordnet sein und/oder in eine Vertiefung des Sensorträgers eingebracht sein, wobei die Montageseite dem Sensorträger zuweist. Das Sensorelement kann beispielsweise stoffschlüssig mit dem Sensorträger verbunden sein, beispielsweise durch ein Klebeverfahren. Der Sensorträger kann beispielsweise als Flügel ausgebildet sein und kann in den Strömungskanal hineinragen. Eine Sensoroberfläche des Sensorelements, auch als Sensorfläche oder Messfläche bezeichnet, kann dabei auf der Messseite angeordnet sein. Die Sensorfläche kann insbesondere auf der Membran, auch als Sensormembran bezeichnet, angeordnet sein. Dementsprechend kann die Sensormembran insbesondere auf der Messseite angeordnet sein.As already stated above, the sensor element, in particular the substrate, has a measuring side and a mounting side. In principle, these two sides preferably designate any two sides of the sensor element, for example the sensor chip, which lie opposite one another. These two sides are preferably arranged parallel to one another, for example in that these two sides form the mutually opposite flat surfaces of the sensor element, in particular of the sensor chip. Thus, the measuring side may in particular be the side of the sensor element which faces the fluid medium, whereas the mounting side may be the side which faces a sensor carrier. For example, the sensor element can be arranged on a surface of the sensor carrier and / or be introduced into a depression of the sensor carrier, wherein the mounting side assigns the sensor carrier. The sensor element may, for example, be connected to the sensor carrier in a material-locking manner, for example by an adhesive method. The sensor carrier may for example be designed as a wing and may protrude into the flow channel. A sensor surface of the sensor element, also referred to as sensor surface or measuring surface, can be arranged on the measurement side. The sensor surface may in particular be arranged on the membrane, also referred to as sensor membrane. Accordingly, the sensor membrane can be arranged in particular on the measurement side.
Das Sensorelement kann beispielsweise auf einem Sensorträger angeordnet sein. Der Sensorträger kann beispielsweise mit einem Elektronikmodul der Sensorvorrichtung verbunden sein oder Bestandteil des Elektronikmoduls sein. Dieses Elektronikmodul kann beispielsweise in einem Elektronikraum in dem Sensorgehäuse angeordnet sein, welcher von dem Strömungskanal getrennt ausgebildet ist, wobei der Sensorträger von dem Elektronikraum aus in den Strömungskanal hineinragt. Das Elektronikmodul kann insbesondere einteilig ausgestaltet sein und kann insbesondere eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung des Sensorelements tragen, welche eingerichtet ist, um das Sensorelement anzusteuern und/oder Signale des Strömungssensors aufzunehmen. Dementsprechend kann das Elektronikmodul beispielsweise mindestens einen Schaltungsträger aufweisen, welcher mit dem Sensorträger vorzugsweise mechanisch verbunden ist. Beispielsweise kann der Schaltungsträger in einem Elektronikraum des Sensorgehäuses angeordnet sein, und der Sensorträger kann aus diesem Elektronikraum heraus in das fluide Medium hineinragen.The sensor element can be arranged, for example, on a sensor carrier. The sensor carrier may for example be connected to an electronic module of the sensor device or be part of the electronic module. This electronic module can be arranged for example in an electronics compartment in the sensor housing, which of the flow channel is formed separately, wherein the sensor carrier protrudes from the electronics compartment into the flow channel. In particular, the electronic module can be embodied in one piece and, in particular, can carry a control and / or evaluation circuit of the sensor element, which is set up to control the sensor element and / or to receive signals from the flow sensor. Accordingly, the electronic module may have, for example, at least one circuit carrier, which is preferably mechanically connected to the sensor carrier. For example, the circuit carrier can be arranged in an electronics compartment of the sensor housing, and the sensor carrier can protrude out of this electronics compartment into the fluid medium.
Die Sensorvorrichtung kann darüber hinaus auch ein oder mehrere weitere Sensorelemente zur Erfassung mindestens einer weiteren physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des fluiden Mediums umfassen, beispielsweise mindestens einen Feuchtesensor, einen Temperatursensor, einen Drucksensor. Unter einem Drucksensor ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Sensorelement zu verstehen, welches eingerichtet ist, um einen Druck des fluiden Mediums zu erfassen. Insbesondere kann es sich hierbei um Drucksensoren handeln, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.), Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 80-82 und 134-136 beschrieben sind. Auch andere Arten von Drucksensoren sind jedoch alternativ oder zusätzlich einsetzbar, beispielsweise Drucksensoren, welche unmittelbar auf der Verwendung eines oder mehrerer Dehnungsmessstreifen oder ähnlicher Drucksensorelemente basieren. Beispielsweise kann ein Temperaturfühler auf einer Außenseite des Sensorgehäuses angeordnet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Der Temperaturfühler kann insbesondere mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand umfassen. Alternativ oder zusätzlich sind auch andere Arten von Temperaturfühlern einsetzbar. Der Temperaturfühler kann insbesondere frei von dem strömenden fluiden Medium überströmbar sein. Der Temperaturfühler kann insbesondere durch einen Kraftschluss und/oder Formschluss mit dem Sensorgehäuse verbunden sein, beispielsweise indem Zuleitungen des Temperaturfühlers mit einer Außenwand des Sensorgehäuses verstemmt oder auf andere Weise verbunden sind. Unter einem Feuchtesensor ist grundsätzlich ein beliebiges Sensorelement zu verstehen, welches eingerichtet ist, um eine Feuchtigkeit des fluiden Mediums zu erfassen. Beispielsweise kommen hierbei resistive und/oder kapazitive Sensorelemente in Betracht, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispiele derartiger Feuchtesensoren sind aus Konrad Reif (Hrsg.), 1. Aufl. 2010, Seiten 98-101 beschrieben. Auch andere Arten von Feuchtesensoren kommen jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich für den Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Betracht.The sensor device may also include one or more further sensor elements for detecting at least one further physical and / or chemical property of the fluid medium, for example at least one humidity sensor, a temperature sensor, a pressure sensor. Under a pressure sensor is basically to understand any sensor element which is adapted to detect a pressure of the fluid medium. In particular, these may be pressure sensors, as described, for example, Konrad Reif (ed.), Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pages 80-82 and 134-136. However, other types of pressure sensors are alternatively or additionally usable, for example pressure sensors, which are based directly on the use of one or more strain gauges or similar pressure sensor elements. For example, a temperature sensor may be arranged on an outer side of the sensor housing. However, other embodiments are possible in principle. The temperature sensor may in particular comprise at least one temperature-dependent resistor. Alternatively or additionally, other types of temperature sensors can be used. In particular, the temperature sensor can be overflowed freely by the flowing fluid medium. The temperature sensor can be connected in particular by a frictional connection and / or positive connection with the sensor housing, for example by caulking leads of the temperature sensor with an outer wall of the sensor housing or connected in any other way. Under a moisture sensor is basically any sensor element to understand, which is adapted to detect a moisture of the fluid medium. For example, resistive and / or capacitive sensor elements come into consideration here, as are known from the prior art. Examples of such humidity sensors are described in Konrad Reif (ed.), 1st ed. 2010, pages 98-101. However, other types of humidity sensors are in principle alternatively or additionally considered for use in the context of the present invention.
Wie bereits oben ausgeführt, ist das Sensorelement derart ausgestaltet, dass ein Austausch von dem fluiden Medium zwischen der Messseite und der Kaverne durch das Sensorelement hindurch ermöglicht ist. Insbesondere kann das fluide Medium zwischen einer äußeren Umgebung des Sensorelements und der Kaverne austauschbar sein. Unter einer „äußeren Umgebung“ ist insbesondere ein Raum zu verstehen, welcher direkt an das Sensorelement, insbesondere direkt an die Sensormembran, angrenzt. Insbesondere kann es sich bei der äußeren Umgebung um ein Inneres des Strömungskanals des Sensorgehäuses handeln. Der Begriff „Austausch“ bezeichnet insbesondere, dass das fluide Medium von der äußeren Umgebung, beispielsweise dem Strömungskanal, in die Kaverne gelangen kann und/oder umgekehrt. Der Austausch kann beispielsweise als Durchströmung und/oder durch Diffusion erfolgen. Insbesondere kann hierdurch ein Druckausgleich und/oder eine Entlüftung gewährleistet sein. Insbesondere kann der Austausch zwischen der Messseite und der Kaverne durch mindestens ein Verbindungselement erfolgen. Unter einem „Verbindungselement“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um einen Fluidaustausch zwischen mindestens zwei voneinander abgetrennten Räumen zu ermöglichen. Insbesondere können die mindestens zwei voneinander abgetrennten Räume durch ein Element voneinander getrennt sein und das Verbindungselement kann auf dem Element angeordnet sein und/oder Teil des Elements sein. Wie unten noch näher erläutert, kann das Verbindungselement beispielsweise mindestens eine Durchgangsöffnung, beispielsweise einen Kanal, durch das Sensorelement umfassen. Darüber hinaus kann die Sensorvorrichtung auch eine andere Art von Verbindungselement aufweisen, beispielsweise Poren. Die Poren können insbesondere derart ausgestaltet sein, dass eine Perkolationsschwelle überschritten werden kann, sodass ein Fluiddurchtritt durch die Poren von der Messseite zu der Kaverne oder umgekehrt möglich ist.As already stated above, the sensor element is designed such that an exchange of the fluid medium between the measurement side and the cavern through the sensor element is made possible. In particular, the fluid medium can be exchangeable between an external environment of the sensor element and the cavern. An "external environment" is to be understood in particular as a space which directly adjoins the sensor element, in particular directly to the sensor membrane. In particular, the external environment may be an interior of the flow channel of the sensor housing. In particular, the term "exchange" designates that the fluid medium can enter the cavern from the external environment, for example the flow channel, and / or vice versa. The exchange can be done for example as a flow and / or by diffusion. In particular, a pressure equalization and / or a ventilation can be ensured in this way. In particular, the exchange between the measuring side and the cavern can be effected by at least one connecting element. In the context of the present invention, a "connecting element" is in principle to be understood as meaning any device which is set up to permit a fluid exchange between at least two spaces separated from one another. In particular, the at least two spaces separated from one another can be separated from one another by an element, and the connecting element can be arranged on the element and / or be part of the element. As explained in more detail below, the connecting element may for example comprise at least one passage opening, for example a channel, through the sensor element. In addition, the sensor device may also comprise a different type of connecting element, for example pores. In particular, the pores can be designed such that a percolation threshold can be exceeded so that a fluid passage through the pores from the measurement side to the cavern or vice versa is possible.
Insbesondere kann das Sensorelement mindestens eine Durchgangsöffnung zwischen der Kaverne und der Messseite umfassen. Diese Durchgangsöffnung kann beispielsweise in einem Halbleiterchip des Sensorelements ausgebildet sein, innerhalb der Sensormembran und/oder außerhalb der Sensormembran. Der Begriff „Durchgangsöffnung“ bezeichnet insbesondere eine Öffnung, welche ein beliebiges Element vollständig durchdringt. Die Durchgangsöffnung kann sich ausgehend von einer ersten Oberfläche des Elements über ein Inneres des Elements zu einer zweiten Oberfläche des Elements erstecken und kann somit als Verbindung zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche fungieren. Die Durchgangsöffnung kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden, einen ovalen oder einen eckigen Querschnitt. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich denkbar. Insbesondere kann die Durchgangsöffnung als zylindrische Öffnung ausgebildet sein. Der Querschnitt der Durchgangsöffnung kann insbesondere deutlich kleiner sein als der Querschnitt der Sensormembran, beispielsweise um mindestens einen Faktor 2, mindestens einen Faktor 5, mindestens einen Faktor 10 oder sogar mindestens um einen Faktor 50 oder mindestens um einen Faktor 100. Das Sensorelement kann insbesondere mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen, beispielsweise mindestens zwei Durchgangsöffnungen, vorzugsweise mindestens drei Durchgangsöffnungen und besonders bevorzugt mindestens vier Durchgangsöffnungen.In particular, the sensor element may comprise at least one passage opening between the cavern and the measuring side. This passage opening can be formed, for example, in a semiconductor chip of the sensor element, within the sensor membrane and / or outside the sensor membrane. The term "passage opening" refers in particular to an opening which completely penetrates any element. The passage opening may extend from a first surface of the element via an interior of the element to a second surface of the element and thus may act as a connection between the first surface and the second surface. The passage opening can in principle have any desired cross section, for example a round, an oval or an angular cross section. Other embodiments are conceivable in principle. In particular, the passage opening may be formed as a cylindrical opening. In particular, the cross section of the passage opening may be significantly smaller than the cross section of the sensor membrane, for example by at least a factor of 2, at least a factor of 5, at least a factor of 10 or even at least a factor of 50 or at least a factor of 100 Through openings have, for example, at least two through holes, preferably at least three through holes and more preferably at least four through holes.
Beispielsweise kann die mindestens eine Durchgangsöffnung ganz oder teilweise in der Sensormembran ausgebildet sein. Die Durchgangsöffnung kann sich dabei quer, insbesondere senkrecht, zu einer Oberfläche des Sensorelements erstrecken, beispielsweise die Sensormembran senkrecht durchdringen. For example, the at least one passage opening may be formed wholly or partly in the sensor membrane. The passage opening may extend transversely, in particular perpendicularly, to a surface of the sensor element, for example, penetrate the sensor membrane vertically.
Beispielsweise kann die Sensormembran in Draufsicht eine eckige Form aufweisen, und die Sensormembran kann mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen, welche jeweils in Ecken der Sensormembran angeordnet sind.For example, the sensor membrane in plan view may have an angular shape, and the sensor membrane may have a plurality of through openings, which are each arranged in corners of the sensor membrane.
Wie bereits oben ausgeführt, kann das Sensorelement das Substrat aufweisen. Die Durchgangsöffnung kann insbesondere ganz oder teilweise außerhalb der Sensormembran angeordnet sein. Die Messseite kann eben ausgestaltet sein. Eine Durchgangsöffnungslängsachse kann quer zu Oberfläche der Messseite angeordnet sein. Die Durchgangsöffnungslängsachse kann in einem Winkel von 10° bis 80°, vorzugsweise von 20° bis 70° und besonders bevorzugt von 30° bis 60° zu der Oberfläche der Messseite angeordnet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Die Kaverne kann durch mindestens eine Sensorsubstratoberfläche begrenzt sein, Die Sensorsubstratoberfläche kann Teil einer Oberfläche der Ausnehmung sein. Die Durchgangsöffnung kann innerhalb der Sensorsubstratoberfläche münden.As already stated above, the sensor element may comprise the substrate. The passage opening can in particular be arranged wholly or partly outside the sensor membrane. The measuring side can be designed just. A passage opening longitudinal axis may be arranged transversely to the surface of the measuring side. The passage opening longitudinal axis can be arranged at an angle of 10 ° to 80 °, preferably from 20 ° to 70 ° and particularly preferably from 30 ° to 60 ° to the surface of the measuring side. However, other embodiments are conceivable in principle. The cavern may be delimited by at least one sensor substrate surface. The sensor substrate surface may be part of a surface of the recess. The passage opening can open inside the sensor substrate surface.
Es können eine oder mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen sein. Mehr als eine Durchgangsöffnung ist insbesondere sinnvoll um in dem Fall, in dem eine Durchgangsöffnung durch Schmutz verstopft wird, noch eine oder mehrere weitere funktionsfähige Durchgangsöffnungen zur Verfügung zu stellen. Die eine oder mehreren Durchgangsöffnungen werden bevorzugt in einem oder mehreren Bereichen positioniert, in denen geringe mechanische Spannungen auftreten.It can be provided one or more through holes. More than one passage opening is particularly useful in the case in which a passage opening is clogged by dirt, to provide one or more other functional through openings available. The one or more passage openings are preferably positioned in one or more areas where low mechanical stresses occur.
Weiterhin kann die Sensormembran eine poröse Membran sein, welche für das fluide Medium durchlässig ist. Unter einer „porösen Membran“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Membran zu verstehen, welche Poren aufweist, derart, dass ein Gasdurchtritt durch die Membran möglich ist. Die poröse Membran kann insbesondere Poren mit einer durchschnittlichen Porengröße zwischen 10 nm und 500 µm, insbesondere zwischen 50 nm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 100 nm und 10 µm aufweisen.Furthermore, the sensor membrane may be a porous membrane which is permeable to the fluid medium. In the context of the present invention, a "porous membrane" is basically understood to mean a membrane which has pores in such a way that gas permeation through the membrane is possible. The porous membrane may in particular have pores with an average pore size between 10 nm and 500 μm, in particular between 50 nm and 100 μm, particularly preferably between 100 nm and 10 μm.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung weist gegenüber bekannten Sensorvorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Es kann insbesondere möglich sein, ohne weitere Hilfsmittel einen Druckausgleich über die Sensormembran zu schaffen. Die Sensormembran kann so porös sein und/oder Löcher aufweisen, durch welche eine Entlüftung und damit ein Druckausgleich möglich ist. Das Sensorelement kann vollflächig montiert werden. Damit können strömungsmechanisch nachteilhafte Spalten vermieden werden. Deshalb kann die Sensorvorrichtung ohne einen Einsatz von weiteren Bauelementen auskommen. Die Löcher können direkt während der Herstellung des Sensorelements erzeugt werden.The sensor device according to the invention has numerous advantages over known sensor devices. In particular, it may be possible to provide pressure equalization across the sensor membrane without further aids. The sensor membrane may be so porous and / or have holes through which venting and thus pressure equalization is possible. The sensor element can be mounted over the entire surface. This can be avoided aerodynamically disadvantageous columns. Therefore, the sensor device can do without the use of other components. The holes can be generated directly during the manufacture of the sensor element.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums, -
2A und2B ein exemplarisches Sensorelement und in einer Schnittdarstellung (2A ) und in einer Draufsicht (2B ); und -
3A und3B ein exemplarisches Sensorelement in einer Schnittdarstellung (3A ) und in einer Draufsicht (3B );
-
1 a schematic representation of a sensor device for detecting at least one flow characteristic of a fluid medium, -
2A and2 B an exemplary sensor element and in a sectional view (2A ) and in a plan view (2 B ); and -
3A and3B an exemplary sensor element in a sectional view (3A ) and in a plan view (3B );
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Das Sensorelement
Das Sensorelement
Insbesondere kann die Sensormembran
Auch in diesem Fall weist das Sensorelement
Die Durchgangsöffnung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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