DE10210335A1

DE10210335A1 - Membransensor

Info

Publication number: DE10210335A1
Application number: DE2002110335
Authority: DE
Inventors: Roland Mueller-Fiedler; Matthias Fuertsch; Winfried Bernhard; Rainer Schink; Ulrich Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-10-02
Also published as: WO2003076878A1

Abstract

Es wird ein Membransensor mit einer Einfassung der Membran (2) in einer Halterung (1) am Sensorgehäuse vorgeschlagen, bei dem die Einfassung aus einer zusätzlichen Schicht (3; 5; 6; 7) besteht, die auf der Seite der Membran (2), die dem zu sensierenden Medium ausgesetzt ist, zumindest an Bereichen des Randes der Membran (2) und/oder der angrenzenden Halterung (1) angebracht ist. Die Schicht (3; 5; 6; 7) weist vorzugsweise eine Dicke auf, die nahezu keinen Einfluss auf die Strömung des mit einem Luftmassen- oder Luftgütesensor zu sensierenden Mediums hat. Die zusätzliche Schicht (3; 5; 6; 7) kann aus einem in Dünnschicht- oder in Dickschichttechnik strukturierbaren Material gebildet sein.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Membransensor, insbesondere einen Sensor mit direktem Medienkontakt wie z. B. einen Luftmassensensor oder Luftgütesensor, nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.

Die Herstellung solcher Membransensoren erfolgt vorzugsweise durch Abscheidung der Membranmaterialien beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Polysilizium oder aus Metallen auf einem Silizium-Wafer und anschließende lokale nass- oder trockenchemische Ätzung des Siliziums von der Rückseite bis zur Membran. Diese Sensoren besitzen oft zur Reduzierung der Wärmeleitung ins Substrat sehr dünne Membranen.

Es ist beispielsweise aus der DE 42 15 722 A1 ein solcher Sensor bekannt, bei dem die Membran zur Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber den auftretenden Kerbspannungen an der Membranhalterung und zur Verbesserung der Druckempfindlichkeit mit einer elastischen Einfassung versehen ist. Die elastische Einfassung ist der Seite der Membran gegenüberliegend angebracht, an der die Messelemente liegen und der damit das zu messenden Medium vorbeiströmt.

Bei diesen Sensortypen mit einem direktem Medienkontakt, wie dem eingangs erwähnten Luftmassensensor oder Lüftgütesensor ist die Membran mit einer Dicke im Mikrometer- Bereich und lateralen Dimensionen vom einigen 100 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern daher direkt dem strömenden Medium, z. B. Luft, ausgesetzt. Die trotz der Verwendung von Filtern in den Medien enthaltenen Partikel, wie z. B. Staub, können daher bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten zur Beschädigung der Membran führen.

Die Stabilität der Membranen gegen Partikelbeschuss wird durch die statistische Lebensdauer in einer Luftströmung mit einer definierten Staubmenge bestimmt. Dabei ließe sich zwar eine Erhöhung der Stabilität durch Erhöhung der Membrandicke und/oder durch Absenken der Vorspannung der Membran erreichen, jedoch führt eine Erhöhung der Dicke zur Zunahme der Wärmeleitfähigkeit und damit zur Verschlechterung der Kennlinie. Die Vorspannung kann in der Regel nicht ausreichend abgesenkt werden, da die Membran unter allen Betriebsbedingungen im Zugspannungsbereich bleiben muss, um ein Aufwölben zu verhindern.

Vorteile der Erfindung

Mit der Erfindung wird ein Membransensor mit einer Einfassung der Membran in einer Halterung am Sensorgehäuse weitergebildet, bei dem in vorteilhafter Weise die Einfassung eine zusätzliche Schicht aufweist bzw. dass diese aus einer zusätzlichen Schicht besteht, die auf der Seite der Membran, die dem zu sensierenden Medium ausgesetzt ist, zumindest an Bereichen des Randes der Membran und/oder der angrenzenden Halterung angebracht ist. Somit kann auf einfache Weise die Erhöhung der Stabilität der Membran gegen auftreffende Partikel ohne Einschränkung der Funktion, besonders hinsichtlich der thermischen Eigenschaften, erreicht werden.

Es hat sich gezeigt, dass besonders am Rand der Membran auftreffende Partikel leicht zu einer Zerstörung führen, während die Membranmitte relativ unempfindlich ist. Weiterhin zeigt sich auch eine höhere Zerstörungsempfindlichkeit entlang der kurzen Membrankante im Vergleich zur langen Kante. Daher kann die Stabilität der Membran gegen Partikelbeschuss durch eine lokale Verstärkung der Membran im Randbereich erhöht werden.

Die zusätzliche Schicht kann gemäß verschiedener Ausführungsformen als schmaler Streifen umlaufend im Kantenbereich der Membran und der angrenzenden Oberfläche der Halterung angebracht werden oder auch den Kantenbereich der Membran und die restliche Oberfläche der Halterung bedecken. Andererseits kann die zusätzliche Schicht nur zwei gegenüberliegende Kantenbereiche der Membran, vorzugsweise die kürzere, und die jeweils angrenzende Oberfläche der Halterung bedecken. Es ist auch vorteilhaft möglich, dass die zusätzliche Schicht den Kantenbereich der Membran berührungslos überdeckt.

Wenn die lokal aufgebrachte Zusatzschicht auch noch spannungsärmer ist als die Membran, erhöht sie die Stabilität sowohl durch die lokale Erhöhung der Dicke als auch durch die Absenkung der Spannung. Der für die Funktion benötigte Mittelbereich der Membran wird nicht verändert, so dass nur ein sehr geringer und abgleichbarer Einfluss auf die Kennlinie entsteht.

Die Schicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 nm bis 100 µm auf, insbesondere von 0,5 µm bis 10 µm, die nahezu keinen Einfluss auf die Strömung des mit einem Luftmassen- oder Luftgütesensor zu sensierenden Mediums hat.

Die erfindungsgemäße Zusatzschicht kann aus nahezu allen in Dünnschicht- oder Dickschichttechnik aufbringbaren und strukturierbaren Materialien bestehen, wie z. B. Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, dotierte Varianten der vorhergenannten Schichten, Metalle, Polymere, organisch/anorganische Hybridmaterialen, wobei elastische Materialien wie Polymere einige Vorteile aufweisen. Die Zusatzschicht kann darüber hinaus auch durch Erzeugung einer dickeren Membran und anschließenden Abdünnung des funktionalen Bereiches in der Membranmitte erfolgen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Membransensors mit einer Zusatzschicht werden anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 und 1a eine schematische Ansicht auf einen Membransensor im Teilschnitt mit einer schmalen Abdeckung des Kantenbereichs der Membran,
Fig. 2 eine schematische Ansicht auf einen Membransensor im Teilschnitt mit einer Abdeckung des Kantenbereichs der Membran und der restlichen Oberfläche der Halterung,
Fig. 3 eine schematische Ansicht auf einen Membransensor im Teilschnitt mit einer Abdeckung der kürzeren Seite der Kantenbereiche der Membran und
Fig. 4 und 4a eine schematische Ansicht auf einen Membransensor im Teilschnitt mit einer berührungslosen Abdeckung des Kantenbereichs der Membran.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht auf eine Halterung 1 für eine Membran 2 eines hier nicht näher erläuterten Membransensors, beispielsweise einen Luftmassensensor, gezeigt. Ein Bereich der Einfassung der Membran 2 an der Halterung 1 ist in der Ausschnittsvergrößerung A der Schnittkante dieses Bereichs in Fig. 1a separat dargestellt.
Es ist weiterhin eine Zusatzschicht 3 gezeigt, die als schmale Abdeckung des Kantenbereichs der Membran 2 dient. Die Zusatzschicht ist hier beispielsweise durch eine zusätzliche Polymerschicht von ca. 4 µm Dicke, die jeweils 20 µm entlang der langen Kante und 40 µm entlang der kurzen Kante auf die Membran 2 heraufreicht und zumindest teilweise die feste Oberfläche der Halterung mit Ausnahme der hier nicht ersichtlichen Kontaktpads bedeckt. Mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel konnte versuchsweise eine Erhöhung der mittleren Lebensdauer eines Luftmassensensors in strömender Luft mit Glaskugeln von ca. 70 µm Durchmesser als störende Partikel um den Faktor 6,5 erreicht werden.
Ein Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt eine Zusatzschicht 5, die in Abwandlung der Anordnung nach der Fig. 1 die gesamte Oberfläche der Halterung 1 überdeckt. Aus Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem eine Zusatzschicht 6, in Abwandlung der Anordnung nach der Fig. 2 nur die kurzen Kanten der Membran 2 und die jeweils angrenzende Oberfläche der Halterung 1 zumindest teilweise überdeckt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist ein Bereich der Einfassung der Membran 2 an der Halterung 1 gezeigt, bei dem in Abwandlung der Anordnung nach der Fig. 2 eine Zusatzschicht 7 eine berührungslose Abdeckung des Kantenbereichs der Membran 2 bewirkt. In der Ausschnittsvergrößerung B der Schnittkante dieses Bereichs ist gemäß Fig. 4a die berührungslose Abdeckung des Kantenbereichs mit der Zusatzschicht 7 separat dargestellt.

Claims

1. Membransensor mit
einer Einfassung der Membran (2) in einer Halterung (1) am Sensorgehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass
die Einfassung eine zusätzliche Schicht (3; 5; 6; 7) aufweist, die auf der Seite der Membran (2), die dem zu sensierenden Medium ausgesetzt ist, zumindest an Bereichen des Randes der Membran (2) und/oder der angrenzenden Halterung (1) angebracht ist.

2. Membransensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3; 5; 6; 7) eine Dicke aufweist, die nahezu keinen Einfluss auf die Strömung des mit einem Luftmassen- oder Luftgütesensor zu sensierenden Mediums hat.

3. Membransensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht (3; 5; 6; 7) eine Dicke im Bereich von 10 nm bis 100 µm, insbesondere 0,5 µm bis 10 µm, aufweist.

4. Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht (3) als schmaler Streifen umlaufend im Kantenbereich der Membran (2) und der angrenzenden Oberfläche der Halterung (1) angebracht ist.

5. Membransensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht (5) den Kantenbereich der Membran (2) und die restliche Oberfläche der Halterung (1) bedeckt.

6. Membransensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht (6) nur zwei gegenüberliegende Kantenbereiche der Membran (2) und der jeweils angrenzenden Oberfläche der Halterung (1) bedeckt.

7. Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht (7) den Kantenbereich der Membran (2) berührungslos überdeckt.

8. Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht (3; 5; 6; 7) spannungsärmer als die Membran (2) ist.

9. Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht (3; 5; 6; 7) durch Abdünnung der mittleren Bereiche der Membran (2) aus einer dickeren Schicht herstellbar ist.

10. Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht (3; 5; 6; 7) aus einem in Dünnschicht- oder in Dickschichttechnik strukturierbarem Material ist, wie dotierte oder nichtdotierte Siliziumverbindungen, Metalle, Polymere oder organisch/anorganische Hybridmaterialien.