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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Luftdurchflussmengensensoren, die einen Einlassluftdurchfluss messen, und insbesondere auf einen thermischen Luftdurchflussmengensensor, der einen Heizwiderstand und einen Temperaturmesswiderstand zum Messen eines Luftdurchflusses enthält.
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Stand der Technik
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Thermische Luftdurchflussmengensensoren, die einen Luftdurchfluss direkt detektieren können, sind ein Haupttrend bei dem Luftdurchflussmengensensor. Wegen ihrer niedrigen Kosten und der Fähigkeit, mit wenig elektrischer Leistung angesteuert zu werden, erlangen besonders thermische Luftdurchflussmengensensoren, die in einer Halbleitermikrobearbeitungstechnik hergestellte Messelemente enthalten, Aufmerksamkeit. Das Patentdokument 1 offenbart ein in einem solchen thermischen Luftdurchflussmengensensor enthaltenes Messelement. Der in dem Patentdokument 1 offenbarte thermische Luftdurchflussmengensensor enthält einen elektrisch isolierenden Film, der über einem Halbleitersubstrat gebildet ist, Dünnfilme eines Heizwiderstands und eines Temperaturmesswiderstands, die über dem elektrisch isolierenden Film gebildet sind, und einen elektrischen Isolator, der über dem Heizwiderstand und über dem Temperaturmesswiderstand gebildet ist. Ferner enthält der thermische Luftdurchflussmengensensor eine Membranstruktur, die in einem Gebiet gebildet ist, in dem der Heizwiderstand und der Temperaturmesswiderstand gebildet sind. Die Membranstruktur wird gebildet, nachdem
ein Teil des Halbleitersubstrats im Ergebnis eines von einer Rückseite des Halbleitersubstrats aus ausgeführten anisotropen Ätzens entfernt worden ist.
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Patentdokument 2 offenbart einen Strömungssensor bei dem die Deformation einer Membran bzw. eines Diaphragmas unterdrückt wird, indem erste zusätzliche Muster auf einer Seite gebildet sind, welche den Verbindungsmustern eines Heizelements entgegengesetzt sind, so dass auf der Membran gebildete Dünnschichtmuster beinahe symmetrisch sind, wodurch die Deformation der Membran, welche durch innere Spannungen zwischen einer Basisschicht bzw. einer Schutzschicht und einer Platinschicht, welche die Dünnschichtmuster bildet, sowie den Differenzen der mechanischen oder thermischen Eigenschaften dieser Schichten, unterdrückt wird.
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Patentdokument 3 offenbart einen temperaturempfindlichen Strömungssensor.
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Patentdokument 4 offenbart einen Sensor mit einer Membran, wobei auf der Membran mindestens ein Widerstandselement angeordnet ist.
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Patentdokument 5 offenbart einen Flusssensor beinhaltend ein Substrat, in dem ein Hohlraum ausgebildet ist.
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Patentdokument 6 offenbart einen Sensor mit einer Dünnschichtstruktur.
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Patentdokument 7 offenbart einen Dünnschichtstruktursensor mit einer Membran, der besonders zur Verwendung in einem Sensor zum Messen eines Fluids, wie eines Durchflusssensors oder eines Gassensors, geeignet ist.
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Dokumente des Standes der Technik
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Durch die Erfindung zu lösendes Problem
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Die Dünnfilmmusterung wird allgemein wie in 7(a) und 7(b) gezeigt ausgeführt. Zunächst wird ein Dünnfilm 20 geschichtet, bevor über dem Dünnfilm 20 ein Resist 21 geschichtet wird und gemustert wird. Mit dem als eine Maske verwendeten Resist (Original) 21 wird mittels Trockenätzen ein Dünnfilm gemustert.
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Im Idealfall wird der Dünnfilm auf die genauen Dimensionen des Resists (Originals) 21 gemustert; allerdings ergibt sich in Abhängigkeit von einem Anteil einer Gesamtfläche eines Dünnfilmmusters in dem Messelement an einer Fläche des Messelements (Dünnfilm-Belegungsanteil) eine wie in 7(b) gezeigte Bedingung. Genauer wird das
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Muster relativ zu einer Entwurfsdimension (Maskendimension) enger, wenn der Dünnfilm-Belegungsanteil klein ist, und relativ zu der Entwurfsdimension dicker, wenn der Dünnfilm-Belegungsanteil groß ist. Falls die Schwankungen der Dimension groß sind, nimmt die Messgenauigkeit eines thermischen Luftdurchflussmengenmessers ab.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines thermischen Luftdurchflussmengensensors, der eine hohe Durchflussmessgenauigkeit bietet.
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Mittel zur Lösung des Problems
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Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung kann einen thermischen Luftdurchflussmengensensor mit einer hohen Durchflussmessgenauigkeit schaffen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Draufsicht, die ein Messelement in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 2 ist eine Querschnittsansicht, die das Messelement in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 3 ist eine graphische Darstellung, die einen Dünnfilm-Belegungsanteil und Schwankungen der Dimension zeigt.
- 4 ist eine schematische Darstellung, die ein Prinzip der Messung durch einen thermischen Luftdurchflussmengensensor darstellt.
- 5 ist eine schematische Darstellung, die ein anderes Dünnfilmmuster zeigt.
- 6 ist eine schematische Darstellung, die ein nochmals anderes Dünnfilmmuster zeigt.
- 7(a) ist eine schematische Darstellung, die einen über einem Dünnfilm geschichteten Resist vor der Dünnfilmverarbeitung zeigt.
- 7(b) ist eine schematische Darstellung, die eine beispielhafte Schwankung der Dimension während der Dünnfilmverarbeitung zeigt.
- 8 ist eine graphische Darstellung, die einen Dünnfilm-Belegungsanteil und Schwankungen der Dimension zeigt.
- 9 ist eine Querschnittsansicht, die einen thermischen Luftdurchflussmengensensor zeigt, an dem ein Messelement montiert ist.
- 10 ist eine schematische Systemdarstellung, die ein beispielhaftes Brennkraftmaschinen-Steuersystem zeigt, auf das ein thermischer Luftdurchflussmengensensor in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet ist.
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Ausführungsart der Erfindung
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Anhand von 10 wird im Folgenden ein thermischer Luftdurchflussmengensensor 300 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, angewendet auf ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine mit elektronischer Kraftstoffeinspritzung, beschrieben. Auf der Grundlage eines Betriebs einer Brennkraftmaschine 110, die einen Kraftmaschinenzylinder 112 und einen Kraftmaschinenkolben 114 enthält, wird Einlassluft als ein dosiertes Gas 30 von einem Luftreiniger 122 angesaugt und z. B. über ein Einlassrohr, das als ein Hautdurchlass 124 dient, einen Drosselklappenstutzen 126 oder einen Einlasskrümmer 128 in eine Verbrennungskammer des Kraftmaschinenzylinders 112 geführt. Der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung misst einen Durchfluss des dosierten Gases 30, das als die in die Verbrennungskammer angesaugte Einlassluft dient. Durch ein Kraftstoffeinspritzventil 152 wird auf der Grundlage des gemessenen Durchflusses Kraftstoff zugeführt. Daraufhin wird der Kraftstoff zusammen mit dem dosierten Gas 30 als die Einlassluft in einem Zustand eines Gemischs in die Verbrennungskammer geführt. In der Ausführungsform ist das Kraftstoffeinspritzventil 152 bei einer Einlassöffnung der Brennkraftmaschine angeordnet. Der in die Einlassöffnung eingespritzte Kraftstoff bildet mit dem dosierten Gas 30 als der Einlassluft ein Gemisch. Das Gemisch wird über ein Einlassventil 116 in die Verbrennungskammer geführt und verbrannt, um mechanische Energie zu erzeugen.
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In den letzten Jahren hat die Verwendung des Direkteinspritzungssystems wegen seiner herausragenden Leistungsfähigkeit bei der Abgasreinigung und bei der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zugenommen. In dem Direkteinspritzungssystem spritzt das Kraftstoffeinspritzventil 152, das an dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine montiert ist, Kraftstoff direkt in jede Verbrennungskammer ein. Der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 kann nicht nur in dem wie in 10 gezeigten System verwendet werden, das Kraftstoff in die Einlassöffnung der Brennkraftmaschine einspritzt, sondern auch in dem Direkteinspritzungssystem, das Kraftstoff direkt in jede Verbrennungskammer einspritzt. Diese beiden Systeme haben im Wesentlichen ein gleiches Grundkonzept eines Verfahrens des Messens von Steuerparametern des thermischen Luftdurchflussmengensensors 300, wobei das Verfahren enthält, wie der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 verwendet wird, und eines weiteren Verfahrens des Steuerns der Brennkraftmaschine wie etwa des Steuerns der Kraftstoffzufuhrmenge und der Zündungszeiteinstellung gemeinsam. 10 zeigt das System, das Kraftstoff in die Einlassöffnung einspritzt, als ein Beispiel, das diese Systeme repräsentiert.
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Der Kraftstoff und die Luft, die in die Verbrennungskammer geführt werden, bilden ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft. Das Gemisch wird wegen Zündfunkenzündung durch eine Zündkerze 154 explosiv verbrannt und erzeugt somit mechanische Energie. Das Gas nach der Verbrennung wird mittels eines Auslassventils 118 in ein Auspuffrohr geführt und über das Auspuffrohr als Abgas 24 nach außerhalb des Fahrzeugs abgegeben. Der Durchfluss des dosierten Gases 30 als die in die Verbrennungskammer geführte Einlassluft wird durch eine Drosselklappe 132 gesteuert, die eine Öffnung aufweist, die in Übereinstimmung mit einem Betrieb eines Fahrpedals geändert wird. Die Kraftstoffzufuhrmenge wird auf der Grundlage des Durchflusses der in die Verbrennungskammer geführten Einlassluft gesteuert. Ein Fahrer kann einen Betrag der durch die Brennkraftmaschine erzeugten mechanischen Energie durch Ändern der Öffnung der Drosselklappe 132, um dadurch den Durchfluss der in die Verbrennungskammer geführten Einlassluft einzustellen, steuern.
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Der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 misst einen Durchfluss und eine Temperatur des dosierten Gases 30, während die Einlassluft durch den Luftreiniger 122 angesaugt wird und durch den Hauptdurchlass (das Einlassrohr) 124 strömt. Daraufhin legt der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 elektrische Signale, die den Durchfluss und die Temperatur der Einlassluft angeben, an einen Controller 200 an. Außerdem empfängt der Controller 200 eine Eingabe von einem Drosselwinkelsensor 144, der die Öffnung der Drosselklappe 132 misst. Ferner empfängt der Controller 200 eine Eingabe von einem Winkelpositionssensor 146, um Positionen und Bedingungen des Kraftmaschinenkolbens 114, des Einlassventils 116 und des Auslassventils 118 der Brennkraftmaschine und eine Drehzahl der Brennkraftmaschine zu bestimmen. Außerdem empfängt der Controller 200 eine Eingabe von einem Sauerstoffsensor 148, um aus einer Bedingung des Abgases 24 eine Bedingung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu bestimmen.
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Der Controller 200 berechnet auf der Grundlage des Durchflusses der Einlassluft als einer Ausgabe des thermischen Luftdurchflussmengensensors 300 und der von einer Ausgabe des Winkelpositionssensors 146 gemessenen Drehzahl der Brennkraftmaschine eine Kraftstoffeinspritzmenge und eine Zündungszeiteinstellung. Auf der Grundlage der Berechnungen werden die Kraftstoffzufuhrmenge von dem Kraftstoffeinspritzventil 152 und die Zündungszeiteinstellung, bei der die Zündung durch die Zündkerze 154 stattfindet, gesteuert. In der Praxis werden die Kraftstoffzufuhrmenge und die Zündungszeiteinstellung auf der Grundlage von Änderungen der durch den thermischen Luftdurchflussmengensensor 300 gemessenen Einlasstemperatur und durch den Drosselwinkel, von Änderungen der Kraftmaschinendrehzahl und von durch den Sauerstoffsensor 148 gemessenen Bedingungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses noch akribischer eingestellt. Während die Brennkraftmaschine in einem Leerlaufzustand ist, verwendet der Controller 200 ferner ein Leerlaufluftsteuerventil 156, um eine Menge der Luft zu steuern, die die Drosselklappe 132 umgeht, und um dadurch die Drehzahl der Brennkraftmaschine in dem Leerlaufzustand einzustellen.
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Die Kraftstoffzufuhrmenge und die Zündungszeiteinstellung, die Hauptsteuervariablen der Brennkraftmaschine annehmen, werden jeweils unter Verwendung der Ausgabe von dem thermischen Luftdurchflussmengensensor 300 als ein Hauptparameter berechnet. Somit sind die Verbesserung der Messgenauigkeit des thermischen Luftdurchflussmengensensors 300, die Verhinderung, dass die Messgenauigkeit im Zeitverlauf geändert wird, und die Erhöhung der Zuverlässigkeit des thermischen Luftdurchflussmengensensors 300 entscheidend für die Verbesserung der Steuergenauigkeit und Zuverlässigkeit des Fahrzeugs. Insbesondere gibt es in den letzten Jahren zunehmende Erfordernisse für die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und für die Abgasemissionsreinigung. Um diese Erfordernisse zu erfüllen, ist es äußerst wichtig, die Messgenauigkeit des Durchflusses des dosierten Gases 30 als die durch den thermischen Luftdurchflussmengensensor 300 gemessene Einlassluft zu verbessern. Außerdem ist es wichtig, dass der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 eine hohe Zuverlässigkeit aufrechterhält.
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Fahrzeuge, an denen der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 montiert ist, unterliegen der Verwendung in einer Umgebung, die einer beträchtlichen Änderung der Temperatur unterliegt, und in Wind, Regen oder Schnee. Wenn das Fahrzeug auf einer verschneiten Straße fährt, kann die Straße mit einem darauf gestreuten Frostschutzmittel bedeckt sein. Vorzugsweise sollte der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 dafür ausgelegt sein, auf Änderungen der Temperatur unter seiner Verwendungsumgebung und auf Staub, Schmutz und Verunreinigungen anzusprechen. Darüber hinaus ist der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 in einer Umgebung angeordnet, die Schwingungen von der Brennkraftmaschine unterliegt, und muss somit selbst in Bezug auf die Schwingungen eine hohe Zuverlässigkeit aufrechterhalten.
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Außerdem ist der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 an dem Einlassrohr montiert, das für durch die Brennkraftmaschine erzeugte Wärme empfindlich ist. Somit wird die Wärme von der Brennkraftmaschine mittels des Einlassrohrs, das als der Hauptdurchlass 124 dient, auf den thermischen Luftdurchflussmengensensor 300 übertragen. Der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 misst den Durchfluss des dosierten Gases durch Wärmeübertragung mit dem dosierten Gas. Somit ist es wichtig, so weit wie möglich zu verhindern, dass der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 von außen thermisch beeinflusst wird.
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Im Folgenden wird anhand von 9 ein beispielhafter thermischer Luftdurchflussmengensensor 300 beschrieben, an dem ein Messelement 301 montiert ist. Wie in 9 gezeigt ist, ist der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 in der Weise montiert, dass er von einer Wandoberfläche des Einlassrohrs 124 einzuführen ist. Somit wird angemerkt, dass ein Gehäuseorgan 302 in der Weise angeordnet ist, dass es von der Wandoberfläche des Einlassrohrs 124 vorsteht. Das Gehäuseorgan 302 enthält darin einen Unterdurchlass 304, in den ein Teil des dosierten Gases 30 als die durch das Einlassrohr 124 strömende Einlassluft angesaugt wird. Der Unterdurchlass 304 ist so geformt, dass er einen gekrümmten Abschnitt enthält, während er in einem Bereich in der Nähe des Messelements 301 linear geformt ist. Ein Stützorgan 306, das das Messelement 301 stützt, weist einen in dem Unterdurchlass 304 freiliegenden Abschnitt auf. Das Stützorgan 306 weist eine rechteckige Aussparung 308 auf, in der das Messelement 301 angeordnet ist. Der Unterdurchlass 304 ist in seinem Abschnitt, bei dem das Messelement 301 angeordnet ist, linear geformt und in Abschnitten einlassseitig und auslassseitig des linearen Abschnitts gekrümmt. An dem Stützorgan 306 sind ein Schaltungschip 310, an dem eine Treiber/Detektions-Schaltung des Messelements 301 montiert ist, und Chipkomponenten montiert. Das Messelement 301 ist z. B. über einen Aluminiumbonddraht mit dem Stützorgan 306 elektrisch verbunden. Außerdem ist das Stützorgan 306 z. B. über Aluminiumbonddrähte mit Verbinderanschlüssen zum Auskoppeln von Ausgangssignalen elektrisch verbunden. Das Stützorgan 306 ist z. B. ein plattenförmiges Substrat, das aus einem Harz, aus einer Keramik oder aus einem Metall gebildet ist.
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Im Folgenden wird anhand von 1 das Messelement 301 des thermischen Luftdurchflussmengensensors in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, enthält das Messelement 301 ein Siliciumsubstrat 1, einen Heizwiderstand 7, Temperaturmesswiderstände 8 und 9 zum Messen der Lufttemperatur, Dummy-Dünnfilme 10, Anschlusselektroden 11 und einen Membranabschnitt 5. Ein Rückseitenätzmasken-Endabschnitt 6 des Membranabschnitts 5 ist durch eine Strichlinie gezeigt.
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Im Folgenden wird anhand von 2 ein Verfahren zur Herstellung des Messelements 301 in Übereinstimmung mit der Ausführungsform beschrieben. Das Siliciumsubstrat 1 wird zunächst einer thermischen Oxidation ausgesetzt, um dadurch einen thermischen Oxidfilm 2 zu bilden, der einen unteren elektrisch isolierenden Film annimmt. Daraufhin werden über dem thermischen Oxidfilm 2 der Heizwiderstand 7 und die Temperaturmesswiderstände 8 und 9 gebildet. Der Heizwiderstand 7 und die Temperaturmesswiderstände 8 und 9 werden jeweils z. B. aus einem Stapel aus Platindünnfilmen (Pt-Dünnfilmen), Molybdändünnfilmen (Mo-Dünnfilmen) oder polykristallinen Siliciumdünnfilmen gebildet.
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Der Dünnfilm wird so gemustert, dass der Heizwiderstand 7 und die Temperaturmesswiderstände 8 und 9 in der Weise gebildet werden, dass ein Anteil einer Gesamtfläche des Dünnfilmmusters an einer Fläche des Messelements 301 (Dünnfilm-Belegungsanteil) 40 bis 60 % beträgt. Eine Breite der Widerstände des Heizwiderstands 7 und der Temperaturmesswiderstände 8 und 9 auf der Membran wird durch ihre elektrischen Eigenschaften bestimmt. Somit sollte vorzugsweise eine Breite der Drahtabschnitte dieser Widerstände (der > Drähte außerhalb eines Gebiets des Membranabschnitts 5) geändert werden, um die Dummy-Dünnfilme 10 zu bilden, die nicht elektrisch verbunden sind (aber geerdet sein können), um dadurch den Dünnfilm-Belegungsanteil auf 40 bis 60 % einzustellen.
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Es wird angemerkt, dass der untere elektrisch isolierende Film unter den Dünnfilmen nur den thermischen Oxidfilm 2 enthalten kann. Alternativ kann der untere elektrisch isolierende Film einen Stapel eines Siliciumnitridfilms (SiN-Films) oder eines Siliciumoxidfilms (SiO2) enthalten.
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Nachfolgend wird über dem Heizwiderstand 7 und den Temperaturmesswiderständen 8 und 9 mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens ein Siliciumoxidfilm 3 geschichtet, der einen oberen elektrisch isolierenden Film annimmt, bevor er danach mit Hilfe einer Verdichtung des Films einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 800 Grad Celsius oder höher ausgesetzt wird. Wie bei dem unteren elektrisch isolierenden Film kann der obere elektrisch isolierende Film nur den thermischen Oxidfilm 2 enthalten. Alternativ kann der obere elektrisch isolierende Film einen Stapel eines Siliciumnitridfilms (SiN-Films) oder eines Siliciumoxidfilms (SiO2) enthalten. Der Filmstapel wird mit Hilfe einer Verdichtung des Films einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 800 Grad Celsius oder höher ausgesetzt.
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Daraufhin wird durch Schichten und Mustern eines Harzfilms auf Polyimidgrundlage ein Polyimidfilm 4 gebildet. Nachdem der Siliciumoxidfilm 3 gebildet worden ist, werden in dem oberen elektrisch isolierenden Film Kontaktlöcher hergestellt. Die in 1 gezeigten Anschlusselektroden 11 werden z. B. im Ergebnis dessen gebildet, dass in den Kontaktlöchern Aluminium oder Gold (nicht gezeigt) geschichtet wird. Schließlich wird von der Rückseite unter Verwendung eines Siliciumoxidfilms und einer Ätzlösung wie etwa z. B. KOH als ein Maskierungsorgan (nicht gezeigt) der Membranabschnitt 5 gebildet. Der Membranabschnitt 5 kann mittels Trockenätzen gebildet werden. Das Bezugszeichen 6 in 2 bezeichnet die Position des Rückseitenätzmasken-Endabschnitts, der als das Maskierungsorgan dient. Eine Fläche außerhalb des Rückseitenätzmasken-Endabschnitts 6 wird mit einem Maskenelement 21 bedeckt und daraufhin das Ätzen ausgeführt. Diese Prozedur entfernt das Siliciumsubstrat 1 von dem Membranabschnitt 5.
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Im Folgenden werden nun Betriebsvorteile der Ausführungsform beschrieben.
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Wegen von der Messgenauigkeit des thermischen Luftdurchflussmengensensors 300 betroffenen Beschränkungen sollte eine Dimensionsschwankung ΔL des Dünnfilmmusters wie etwa des Platinfilms (Pt-Films), des Molybdänfilms (Mo-Films) und des polykristallinen Siliciumfilms in Bezug auf die Maskendimension vorzugsweise innerhalb von 10 % oder weniger gehalten werden. Wie aus 3 zu lernen ist, sollte der Dünnfilm-Belegungsanteil im Bereich zwischen 40 % und 60 % liegen, um die Dimensionsschwankung ΔL des Dünnfilmmusters innerhalb 10 % oder weniger zu halten. Wenn der Dünnfilm-Belegungsanteil in dem Bereich zwischen 40 % und 60 % gehalten wird, verringert dies die Dimensionsschwankung ΔL, so dass ein thermischer Luftdurchflussmengensensor geschaffen werden kann, der verhindert, dass die Durchflussmessgenauigkeit wegen der Dimensionsschwankung verschlechtert wird, und der eine hohe Durchflussmessgenauigkeit bietet.
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4 zeigt ein Messprinzip des Luftdurchflusses, wenn der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 genutzt wird. Der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 heizt den Heizwiderstand 7, um dadurch den Luftdurchfluss über dem Messelement 301 zu messen. Wie in 4 gezeigt ist, wird eine Temperaturverteilung wegen eines Wärmeaustauschs zwischen dem Heizwiderstand -7 und dem dosierten Gas 30 asymmetrisch, was dazu führt, dass zwischen einer Position, bei der der Temperaturmesswiderstand 8 gebildet worden ist, und einer Position, bei der der Temperaturmesswiderstand 9 gebildet worden ist, eine Temperaturdifferenz auftritt, falls das dosierte Gas 30 als die Einlassluft von der Einlassseite des Heizwiderstands 7 strömt. Diese Temperaturdifferenz hängt von dem Luftdurchfluss ab, was ermöglicht, dass der Luftdurchfluss aus der Temperaturdifferenz berechnet wird. Wie in 1 gezeigt ist, enthält der thermische Luftdurchflussmengensensor 300 den Heizwiderstand 7 und die Temperaturmesswiderstände 8 und 9, die über dem Membranabschnitt 5 gebildet sind. Diese Anordnung vermeidet die folgenden möglichen Probleme. Genauer führt das unter dem Heizwiderstand 7 und den Temperaturmesswiderständen 8 und 9 vorhandene Siliciumsubstrat 1 mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu einer erhöhten Wärmekapazität, zu einer niedrigeren Temperatur der Luft über dem Heizwiderstand 7 relativ zu einem Entwurfswert, zu einem höheren Messfehler der durch die Temperaturmesswiderstände 8 und 9 gemessenen Lufttemperatur und zu einer langsameren Messansprechgeschwindigkeit.
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Falls um den Heizwiderstand 7 und um die Temperaturmesswiderstände 8 und 9 über dem Membranabschnitt 5 die Dummy-Dünnfilme 10 gebildet wären, um zu veranlassen, dass der Dünnfilm-Belegungsanteil innerhalb des Bereichs von 40 bis 60 % liegt, würden die Dummy-Dünnfilme 10 veranlassen, dass die wegen der Wärmeleitfähigkeit der Dummy-Dünnfilme 10 zu entnehmende Wärme höher als eine Wärmeleitfähigkeit der umgebenden Filme wäre, was ähnliche Probleme wie die oben beschriebenen stellen könnte. Somit sollten die Dummy-Dünnfilme 10 vorzugsweise über dem Siliciumsubstrat 1 und nicht auf dem Membranabschnitt 5 gebildet werden, um dadurch zu veranlassen, dass der Dünnfilm-Belegungsanteil in dem Bereich zwischen 40 % und 60 % liegt. Diese Anordnung ermöglicht, dass ein thermischer Luftdurchflussmengensensor geschaffen wird, der eine hohe Durchflussmessgenauigkeit bietet.
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Falls das Muster der Dummy-Dünnfilme 10 über dem gesamten Messelement 301 gleichmäßig angeordnet ist, anstatt das Muster an mehreren Orten auf dem Messelement 301 zu konzentrieren, um zu veranlassen, dass der Dünnfilm-Belegungsanteil in dem Bereich zwischen 40 % und 60 % liegt, bewirkt das eine Verringerung der Dimensionsschwankung ΔL des Heizwiderstands 7 und der Temperaturmesswiderstände 8 und 9. Aus diesem Grund sind die wie in 1 gezeigten Dummy-Dünnfilme 10 in einem Zickzackmuster besonders wirksam. In 1 ist jeder der Dummy-Dünnfilme 10 ein Rechteck; wie in 5 und 6 gezeigt ist, kann dennoch jeder der Dummy-Dünnfilme 10 ein Kreis oder ein Viereck sein. Alternativ können die Dummy-Dünnfilme 10 sogar ein Kreuzmuster sein.
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Bei kleineren Dimensionen des Dünnfilms ist die Dimensionsschwankung ΔL des Dünnfilmmusters stärker betroffen. Besonders vorteilhaft ist die vorliegende Erfindung in einem Produkt mit einer minimalen Musterbreite von 1 µm oder weniger des Heizwiderstands 7 oder der Temperaturmesswiderstände 8 und 9. Es ist zu verstehen, dass die Dimensionsschwankung ΔL minimiert werden kann, solange jedes Muster der Dummy-Dünnfilme 10 in der Weise gebildet wird, dass es eine gleiche Breite wie eine minimale Breite (eine minimale Verarbeitungsdimension auf dem Chip) des Dünnfilmmusters des Heizwiderstands 7 und der Temperaturmesswiderstände 8 und 9 hat und solange die Muster der Dummy-Dünnfilme 10 wie in dem Dünnfilmmuster des Heizwiderstands 7 und der Temperaturmesswiderstände 8 und 9 voneinander beabstandet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Siliciumsubstrat
- 2
- thermischer Oxidfilm
- 3
- Siliciumoxidfilm
- 4
- Polyimidfilm
- 5
- Membranabschnitt
- 6
- Rückseitenätzmasken-Endabschnitt
- 7
- Heizwiderstand
- 8
- Temperaturmesswiderstand
- 9
- Temperaturmesswiderstand
- 10
- Dummy-Dünnfilm
- 11
- Anschlusselektrode
- 300
- thermischer Luftdurchflussmengensensor
- 301
- Messelement
