DE19730931C1

DE19730931C1 - Volumenstromsensor

Info

Publication number: DE19730931C1
Application number: DE1997130931
Authority: DE
Inventors: Joerg Martin
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2017-07-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Volumenstromsensor nach Anspruch 1.

Es existiert eine Vielzahl von Sensoren zur Durchfluß- bzw. Vo lumenstrommessung. Einige der Durchflußmesser arbeiten nach dem Wirkdruckverfahren (Normblende, Normventuridüse etc.), andere nach dem Stauscheibenprinzip, nach dem Prinzip der Hitzdraht anemometrie oder der Veränderung von Resonanzfrequenzen (H.-R. Tränkler, Taschenbuch der Meßtechnik mit Schwerpunkt Sensor technik, 3. Aufl., R. Oldenburg Verlag München, Wien 1992; Nam- Trung Nguyen, Wolfram Dötzel: "Mikromechanische Strömungssenso ren im Überblick", SENSORIK F 104 (1996) 9, N. T. Nguyen, R. Kiehnscherf: "Low-cost silicon sensors for mass flow measure ment of liquids and gases", Sensors and Actuators A49 (1995) 17- 20).

Ein Volumenstromsensor mit einer Meß- und Referenzkammer, die durch eine Lochblende oder ein Röhrchen miteinander verbunden sind und bei der jeweils ein Wandabschnitt in jeder Kammer als Membran ausgebildet ist, wird in der DE 88 04 698 U1 beschrieben.

Ein ähnlicher Volumenstromsensor ist auch aus der US 5,377,524 bekannt.

Aus dem Tagungsbericht der IEEE International Solid-State Circuits Conference 1969, Session IX: Solid-State Power Con trol, THPM 9.2: Subminiature Silicon Pressure Transducer von A. C. M. Gieles, S. 108-109, ist ein Differenzdrucksensor bekannt. Dieser Sensor enthält eine Siliciummembran, die einen Meßraum gasdicht von einem Referenzraum trennt und auf die ein radialer Dehnungsmeßstreifen aufgebracht ist.

Die Veröffentlichung von Werner K. Schomburg et al: "FABRICATION OF MICROFLUIDIC DEVICES BY THERMOPLASTIC MOLDING AND DIAPHRAGM TRANSFER" in den Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Division DSC-Vol. 57-2, 1995 IMCE be schreibt verschiedene mikrofluidische Vorrichtungen zur Fluß kontrolle kleiner Mengen von Gasen und Flüssigkeiten. Bei die sen Vorrichtungen trennen Diaphragmen verschiedene Hohlräume voneinander ab. Dehnungsmeßstreifen auf den Diaphragmen werden nicht erwähnt.

In K. Hoffmann: "Eine Einführung in die Technik des Messens mit Dehnungsmeßstreifen", Herausgeber Hottiger Baldwin Meßtechnik GmbH, Darmstadt, Erscheinungsjahr 1987, wird eine Folie be schrieben, bei der auf einem kreisförmigen Feld vier Dehnungs meßstreifen angebracht sind, von denen zwei in der Randzone des kreisförmigen Feldes und zwei in dessen zentraler Zone angeord net sind. Die randnahen Dehnungsmeßstreifen sind hier radial und die zentralen Dehnungsmeßstreifen tangential strukturiert. Die Folie mit den Dehnungsmeßstreifen wird in Druckaufnehmern eingesetzt. Ein Bezug zu Volumenstromsensoren ist nicht vorhan den.

Die beschriebenen mikromechanischen Sensoren besitzen den Nach teil, daß sie eine nichtlineare statische Übertragungskennlinie haben. Somit ist ihre Empfindlichkeit vom Arbeitspunkt abhän gig, in dessen Nähe der Sensor betrieben wird. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil, wenn z. B. der Volumenstromsensor zur Regelung eines fluidischen Mikrosystems eingesetzt wird, da sich der schaltungstechnische Aufwand unnötig erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Volumenstrom sensor vorzuschlagen, der eine lineare statische Übertragungs kennlinie haben und in andere Mikrosystemkomponenten wie z. B. Pumpen und Ventile monolithisch integrierbar sein soll.

Die Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen Volumen stromsensor gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevor zugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Volumenstromsensors angegeben.

Erfindungsgemäß wird ein Volumenstromsensor vorgeschlagen, der eine Meßkammer enthält, die aus zwei Teilkammern besteht. Die Teilkammern sind über eine Kapillare miteinander verbunden.

Eine Einlaßöffnung für das Meßgas befindet sich in der ersten Teilkammer. Das Meßgas durchströmt die erste Teilkammer und die Kapillare und gelangt in die zweite Teilkammer, wo es den Volu menstromsensor durch eine Gasauslaßöffnung verläßt. Der Quer schnitt der Kapillare ist so gewählt, daß sich eine laminare Strömung des Meßgases ausbildet.

Gegenüber der ersten und der zweiten Teilkammer befindet sich eine Referenzkammer, die im Gegensatz zur Meßkammer nicht un terteilt zu sein braucht. Die Referenzkammer ist gegen die bei den Teilkammern der Meßkammer durch eine Membran abgetrennt. Diese Membran weist im Bereich der ersten Teilkammer einen Durchbruch auf, dessen Querschnitt mindestens eine Größenord nung größer ist als der Querschnitt der Kapillare. Im Bereich der zweiten Teilkammer befindet sich mindestens ein Dehnungs meßstreifen auf der Membran. Der Dehnungsmeßstreifen ist auf einem kreisförmigen Feld angebracht, das vollständig von einer Meßplatte mit demselben Durchmesser abgedeckt ist. Auf diese Weise kann mit dem Dehnungsmeßstreifen eine elastische Verfor mung der Meßplatte detektiert werden. Die Dicke der Meßplatte ist so gewählt, daß sie sich bei den zu messenden Volumenströ men im Gegensatz zur Membran nur wenig durchbiegt und bei den auftretenden Druckdifferenzen nicht in Kontakt mit Gehäusewän den des Volumenstromsensors gerät.

Die geometrische Form der Meßkammer mit den beiden Teilkammern, der Referenzkammer und der Membran kann im wesentlichen frei gewählt werden. Beispielsweise können quaderförmige oder zylin derförmige Teilkammern und Referenzkammern vorgesehen werden. Aus fertigungstechnischen Gründen wird die Form der Referenz kammer vorzugsweise an die Form der beiden Teilkammern der Meß kammer angepaßt, wobei jedoch im Bereich gegenüber der Kapil lare ein Kanal vorgesehen wird, dessen Querschnitt so bemessen ist, daß kein Druckabfall auftritt. Hierdurch wird zugleich das Totvolumen des Volumenstromsensors verringert.

Die Membran kann entsprechend der Form der Meß- und Referenz kammer rechteckig, quadratisch oder rund sein oder die Form ei ner Acht aufweisen. Die Meßplatte soll wesentlich steifer sein als die Membran. Dies wird am einfachsten dadurch erreicht, daß sie in einer solchen Dicke gefertigt ist, die nur eine kleine elastische Durchbiegung zuläßt. Die Membran und die Meßplatte bestehen bevorzugt aus Kunststoff, während das Material für die Kammerwände keinen Einschränkungen unterliegt. Vorzugsweise wird jedoch der gesamte Volumenstromsensor aus Kunststoff hergestellt.

Beim Eintritt des Meßgases durch die Gaseinlaßöffnung in der ersten Teilkammer strömt anfangs ein Teil des Meßgases durch den Durchbruch in der Membran in die Referenzkammer und erzeugt hier einen Referenzdruck p_e, der beim Nachströmen des Meßgases aufrechterhalten wird. Beim Durchströmen der Meßkammer fällt der Druck p_e des Meßgases in der Kapillare ab, so daß infolge der laminaren Drosselwirkung der Kapillare in der zweiten Meß kammer ein geringerer Druck p_a aufgebaut wird. Der erfindungs gemäße Volumenstromsensor mißt daher über die vom Dehnungsmeß streifen detektierte elastische Verformung der Meßplatte eine Druckdifferenz, da auf die Meßplatte im Bereich der zweiten Teilkammer auf der Referenzgasseite ein Druck p_e und auf der Meßgasseite der kleinere Druck p_a einwirkt. Die elastische Ver formung der Meßplatte ist der wirkenden Druckdifferenz direkt proportional.

Da sich in der Kapillare eine laminare Rohrströmung ausbreitet, ergibt sich nach dem Hagen-Poiseuilleschen Gesetz eine direkte Proportionalität zwischen dem gemessenen Differenzdruck und dem zu messenden Volumenstrom. Die Proportionalitätskonstante ist der Kehrwert des Strömungswiderstands der Kapillare, der aus den Geometriedaten der Kapillare und der dynamischen Viskosität des Meßgases berechnet werden kann.

Der erfindungsgemäße Volumenstromsensor bietet eine Reihe von Vorteilen. Der wichtigste Vorteil ist, daß die Linearität der Übertragungskennlinie nicht nur dann gewahrt ist, wenn das kreisförmige Feld mit dem Dehnungsmeßstreifen und der darüber liegenden, vergleichsweise steifen Meßplatte exakt justiert ist, sondern auch dann, wenn das kreisförmige Feld infolge von Ungenauigkeiten beim Fertigungsprozeß gegen den Rand der Mem bran verschoben ist. Eine exakte Justage des kreisförmigen Fel des auf der Membran ist daher nicht erforderlich. Damit wird über den gesamten Meßbereich eine konstante Empfindlichkeit er zielt. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich der Volumenstromsen sor in andere mikromechanische Komponenten wie z. B. Pumpen und Ventile integieren und durch gemeinsame Verfahrensschritte aus einem Kunststoff herstellen läßt, so daß nur ein geringer Fer tigungsaufwand notwendig ist und die Fertigungskosten niedrig gehalten werden können.

Vorzugsweise werden beim erfindungsgemäßen Volumenstromsensor vier Dehnungsmeßstreifen vorgesehen, wobei sich zwei Dehnungs meßstreifen in der Randzone des kreisförmigen Feldes befinden und zumindest teilweise parallel zum Rand des kreisförmigen Feldes ausgerichtet sind, und zwei weitere Dehnungsmeßstreifen in der zentralen Zone des kreisförmigen Feldes in der Weise an geordnet sind, daß sie eine Rosettenform mit radial angeordne ten Ästen bilden.

Bei der Herstellung der Meßplatte wird in vielen Fällen keine ebene Oberfläche erzielt, sondern es bildet sich auf der freien Oberfläche der Meßplatte eine Vertiefung, so daß die vorgege bene Dicke der Meßplatte nur an ihrem Rand gegeben ist. In ih rem mittleren Bereich ist die Meßplatte weniger dick ("Crowning-Effekt). Durch die oben beschriebene Anordnung von vier Dehnungsmeßstreifen werden die negativen Folgen des "Crowning-Effekts" kompensiert, so daß eine Einbuchtung der freien Oberfläche der Meßplatte bei der Fertigung ohne nachtei lige Folgen toleriert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Figuren und ei nem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Volumenstromsensors;

Fig. 2 die Anordnung der bevorzugten Ausgestaltung von vier Dehnungsmeßstreifen und deren Verschaltung in einer Wheatstone sche Vollbrückenschaltung;

Fig. 3 die lineare Übertragungskennlinie des in Fig. 1 gezeig ten Volumenstromsensors.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des Volumenstromsensors besitzt eine Meßkammer 1 in einem Gehäuseoberteil 10 und eine Referenzkammer 3 in einem Gehäuseunterteil 11. Die Meßkammer 1 im Gehäuseoberteil 10 ist in zwei runde Teilkammern 1a und 1b unterteilt. Die beiden Teilkammern 1a, 1b besitzen einen Durch messer von 1120 µm und sind 120 µm hoch; sie stehen über eine Kapillare 6 miteinander in Verbindung. Die Kapillare 6 ist in der gezeigten Ausführungsform 3 mm lang und hat einen quadrati schen Querschnitt von 0,01 mm², so daß sich bis zu einem Luft strom von ca. 3500 mm³/s bei 20°C eine laminare Strömung aus bildet.

Die Meßkammer wird durch eine Membran 5 abgeschlossen. Die Mem bran 5 besteht aus Polyimid und ist 1,5 µm dick. Sie weist im Bereich der ersten Teilkammer 1a einen runden Durchbruch 9 mit einem Durchmesser von 1000 µm auf. Auf der der Meßkammer ge genüberliegenden Seite der Membran 5 ist die Referenzkammer 3 angeordnet, die im wesentlichen die Form der Meßkammer besitzt. Anstelle der Kapillare ist jedoch ein quadratischer Kanal mit 120 µm Seitenlänge vorgesehen. Die Referenzkammer ist 120 µm hoch. Das Gehäuseoberteil 10, die Membran 5 und das Gehäuseun terteil 11 sind an den äußeren Begrenzungswänden miteinander verklebt. Der Klebstoff ist dunkel angedeutet.

Die Membran 5 trägt in einem kreisrunden Feld mit dem Durchmes ser 820 µm vier Dehnungsmeßstreifen 7, die in Fig. 2 in Auf sicht dargestellt sind. Die äußeren Dehnungsmeßstreifen 7a sind einem Abstand von 20 µm vom Rand des kreisrunden Felds angeord net. Das kreisrunde Feld mit den Dehnungsmeßstreifen 7 ist mit einer Meßplatte 8 abgedeckt, deren Durchmesser dem Durchmesser des kreisrunden Feldes entspricht und die 25 µm hoch ist.

Durch die Gaseinlaßöffnung 2 tritt das Meßgas in den Volumen stromsensor ein. Es baut in der Referenzkammer den Druck p_e auf, der dem Druck in der ersten Teilkammer 1a entspricht. Im stationären Zustand strömt das Meßgas laminar durch die Kapil lare 6, in der der Druck auf p_a abfällt. Somit herrscht im sta tionären Zustand in der Referenzkammer der Druck p_e und in der zweiten Teilkammer 1b der Meßkammer 1 der kleinere Druck p_a. Infolge des Druckunterschieds biegt sich die Meßplatte im Bereich der zweiten Teilkammer 1b durch. Die dabei entstehenden elastischen Verformungen der Meßplatte 8 werden mit den Deh nungsmeßstreifen 7 detektiert, wobei jeweils die zwei äußeren Dehnungsmeßstreifen 7a (siehe Fig. 2) die tangentialen und die zwei inneren Dehnungsmeßstreifen 7b die radialen Dehnungen der Meßplatte 8 erfassen. Die Dehnungsmeßstreifen bestehen aus Gold und sind ca. 100 nm dick.

Fig. 2 zeigt die elektrische Verschaltung der Dehnungsmeßstrei fen. Die vier Dehnungsmeßstreifen werden zu einer Wheatstone schen Vollbrücke verschaltet, die bei konstanter Speisespannung im Ausschlagverfahren betrieben wird. Diese Schaltungsart be sitzt die Eigenschaft der Gleichtaktunterdrückung. Somit ist der Sensor temperaturkompensiert, da die isotropen thermischen Scheindehnungen, die aufgrund der unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gold (Dehnungsmeßstreifen) und Polyimid (Meßplatte) entstehen, auf alle Dehnungsmeßstrei fen gleichmäßig stark wirken. Durch das Aufbringen der Meß platte 8 wird erreicht, daß die in der Meßplatte 8 auftretenden radialen und tangentialen Dehnungen direkt proportional zum wirkenden Differenzdruck sind, der seinerseits nach dem Hagen- Poiseuilleschen Gesetz proportional zum Volumenstrom ist. Da der resistive Dehnungsmeßeffekt ebenfalls linear ist, entsteht ein Volumenstromsensor mit einer linearen statischen Übertra gungskennlinie.

Fig. 3 zeigt die lineare Übertragungskennlinie, die mit dem in Fig. 1 gezeigten Volumenstromsensor erhalten wird.

Beispiel: Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des Volumenstromsensors

Auf einem Silizium-Wafer wird eine 60 nm dünne Goldtrennschicht aufgedampft, wobei der Rand des Wafers auf einer Breite von ca. 5 mm nicht mit Gold bedeckt ist. Danach wird ein Polyimidlack (Negativ-Photoresist) aufgeschleudert, mit einer Chrommaske be lichtet (1. Belichtung) und im Vakuumofen ausgebacken. Die ver wendete Chrommaske besitzt an denjenigen Stellen Absorber, an denen die Trägermembran einen Durchbruch aufweist. Die Schicht dicke beträgt nach dem Ausbacken 1,5 µm.

Anschließend wird eine 100 nm dünne Golchicht aufgedampft, die eine gute Haftung zum Polyimid aufweist. Auf diese Goldschicht wird ein Positiv-Photoresist aufgeschleudert, der mit einer weiteren Chrommaske belichtet wird. Diese Chrommaske enthält die Informationen über die Fom und Anzahl der Dehnungsmeßstrei fen pro Sensor und die Anzahl der Sensoren pro Wafer. Die 2. Belichtung erfolgt positioniert zur 1. Belichtung. Nach dem Entwickeln des Photoresists wird die Goldschicht naßchemisch geätzt und der verbleibende Resist entfernt. Der Wafer mit den geätzten Dehnungsmeßstreifen wird anschließend im Vakuumofen getempert.

Nun wird auf den Wafer ein Polyimidlack zur Erzeugung von dic ken Schichten aufgeschleudert und mit Hilfe einer weiteren Chrommaske an den Stellen belichtet (3. Belichtung), wo die Meßplatte jedes einzelnen Sensors entstehen soll. Diese 3. Be lichtung muß positioniert zur 1. Belichtung erfolgen, damit sich die Dehnungsmeßstreifen zentrisch in der Meßplatte befin den. Die Positionierungenauigkeit beim positionierten Belichten beträgt ca. 1 bis 2 µm. Nach einem letzten Ausbackschritt im Vakuumofen ist der Schichtaufbau fertig. Bei diesem Fertigungs schritt ändert sich die ehemals ebene Oberfläche der Meßplatte dergestalt, daß sich der für dicke Schichten aus Polyimidlack typische "Crowning-Effekt" ergibt. Bei den bis jetzt erwähnten Fertigungsschritten wurden auf einem Wafer je nach Größe bis zu hundert oder mehr Sensoren im batch-Verfahren hergestellt. Die Sensoren sind auf dem Wafer in mehreren sogenannten "Nutzen", die bis zu 30 einzelne Sensoren enthalten können, zusammenge faßt. Die anschließende Einhäusung der Sensoren in die abge formten Kunststoffgehäuseteile findet im Nutzen in jeweils zwei Schritten statt:

Erster Schritt: Über einen Nutzen wird das Gehäuseoberteil ge legt, positioniert auf den Wafer gepreßt und bei 100°C in ei ner Verklebeapparatur unter Anwendung der Kammerklebetechnik mit dem Wafer verklebt. Bei diesem Fertigungsschritt ist es nicht möglich, jeden einzelnen Sensor eines Nutzens fehlerfrei, d. h. zentrisch mit seinem Gehäuseoberteil zu verkleben. Es treten Positionierungsfehler bis zu 60 µm bei einem Sensor auf, die seine Funktionsfähigkeit aber nicht beeinträchtigen.

Zweiter Schritt: Nachdem die Sensormembranen mit dem Gehäuse oberteil verklebt sind, wird die 1,5 µm dünne Polyimidmembran um das Gehäuseteil herum eingeschnitten und der verklebte Nut zen läßt sich vom Silizium-Wafer aufgrund der schlechten Haf tung zwischen Silicium und der Goldtrennschicht abheben. Die Goldtrennschicht verbleibt auf der Unterseite der Membranen und muß durch Reaktives Ionen-Ätzen entfernt werden.

Danach wird das Gehäuseunterteil mit der bereits erwähnten Technik auf die Trägermembranen bei einer Temperatur von 80°C geklebt. Anschließend findet eine Vereinzelung der Sensoren statt, indem der vollständig verklebte Nutzen zersägt wird.

Claims

1. Volumenstromsensor mit

a) einer Meßkammer (1), die aus zwei Teilkammern (1a) und (1b) besteht, die über eine Kapillare (6) miteinander verbunden sind,
b) einer Gaseinlaßöffnung (2) in der ersten Teilkammer (1a),
c) einer Gasauslaßöffnung (4) in der zweiten Teilkammer (1b),
d) einer Referenzkammer (3), die sowohl der ersten (1a) als auch der zweiten (1b) Teilkammer benachbart ist,
e) einer Membran (5), die zwischen der Meßkammer (1) und der Referenzkammer (3) angeordnet ist und im Bereich der ersten Teilkammer (1a) einen Durchbruch (9) auf weist, dessen Querschnitt um mindestens eine Größen ordnung größer ist als der Querschnitt der Kapillare (6),
f) mindestens einem Dehnungsmeßstreifen (7) in einem kreisförmigen Feld auf der Membran (5) im Bereich der zweiten Teilkammer (1b),
g) einer kreisförmigen Meßplatte (8), die das kreisförmige Feld mit dem mindestens einen Dehnungsmeßstreifen (7) vollständig abdeckt.

2. Volumenstromsensor nach Anspruch 1 mit vier Dehnungsmeß streifen (7), von denen zwei tangential in einer Randzone des kreisförmigen Feldes und zwei radial in einer zentralen Zone des kreisförmigen Feldes in der Weise angeordnet sind, daß sie eine Rosettenform bilden.

3. Volumenstromsensor nach Anspruch 2, bei dem die vier Deh nungsmeßstreifen (7) in einer Wheatstoneschen Vollbrücken schaltung verschaltet sind.