DE3603010C2 - Direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine direkt beheizte Strömungsmeßvor­ richtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Ver­ fahren zum Herstellen einer solchen Strömungsmeßvorrichtung.

Eine derartige Strömungsmeßvorrichtung ist aus DE 32 08 096 A1 bekannt, wobei auf einer Metallfolie als Träger eine Isola­ tionsschicht und hierauf eine Widerstandsanordnung ausgebildet ist. Der Träger weist im Bereich der Gehäuseanlage Aussparun­ gen auf, so daß der Träger nur mit relativ geringen Flächen­ kontakten an den Gehäuseteilen anliegt und demzufolge nur wenig Wärme an das Gehäuse abgegeben wird.

Die nicht vorveröffentlichte DE 33 28 852 A1 beschreibt eine Strömungsmeßvorrichtung mit einem Träger, auf dem eine tempe­ raturabhängige Widerstandsschicht aufgebracht ist, wobei der Querschnitt des Trägers durch Ausnehmungen im widerstandfreien Bereich verringert ist, so daß sich eine entsprechend verrin­ gerte Wärmeleitung zu den Stirnflächen des Trägers ergibt. Der temperaturabhängige Schichtwiderstand und Verbindungsschichten sind bis auf je einen Kontaktabschnitt mit einer dünnen Glas­ schicht bedeckt.

Wenn die Drosselung der Wärmeübertragung durch einfache Querschnitts­ verringerung oder Ausnehmungen im schichtwiderstandsfreien Bereich des Trägers oder Substrats erfolgt, wird die mechani­ sche Festigkeit des die Wärmeübertragung drosselnden Teils des Substrats sehr gering, wodurch die Widerstandsfähigkeit der Strömungsmeßvorrichtung beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmeß­ vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß trotz Drosselung der Wärmeübertragung zwischen Substrat und Halterung dennoch eine gute mechanische Festigkeit der Vor­ richtung erreicht wird. Ferner soll ein Verfahren zur Herstel­ lung einer solchen Strömungsmeßvorrichtung angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale nach dem Anspruch 1 gelöst. Dadurch, daß das Sub­ strat im Bereich der Brückenteile eine größere Stärke aufweist als in der Heiz- und Temperaturdetektionszone, erhält man eine höhere Widerstandsfähigkeit dieser Brückenteile, während andererseits eine derartige Verstärkung nur einen minimalen Einfluß auf die Wärmeleiteigenschaften der Meßvorrichtung hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weite­ ren Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Ein Verfahren zur Herstellung der Strömungsmeßvorrichtung ist im Anspruch 8 angegeben.

Die Erfindung wird beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Anordnung einer Strömungsmeßvor­ richtung im Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 und 3 einen Querschnitt und einen Längsschnitt der in Fig. 1 wiedergegebenen Strömungsmeßvorrichtung,

Fig. 4A eine Draufsicht auf einen Schichtwiderstand gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4B, 4C und 4D Querschnittsansichten längs der Linien B-B, C-C und D-D jeweils in Fig. 4A,

Fig. 5A eine Draufsicht auf einen Schichtwiderstand gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5B und 5C Querschnittsansichten längs der Linien B-B und C-C jeweils in Fig. 5A,

Fig. 6 das Schaltbild der Sensorschaltung von Fig. 1 und

Fig. 7A bis 7G in Querschnittsansichten die Her­ stellungsschritte des Substrates von 4A bis 4D.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird in einer Brennkraft­ maschine 1 mit Funkenzündung zum Antreiben eines Kraftfahr­ zeuges Luft zur Verbrennung über ein Luftfilter 2, ein Richtgitter 3, das den Luftstrom gleichmäßig macht, und einen Luftansaugkanal 4 eingesaugt. Im Luftansaugkanal 4 befindet sich ein Drosselventil 4a, das willkürlich durch den Fahrer betätigt werden kann. Die Strömungsmeßvorrichtung ist im Luftansaugkanal 4 zwischen dem Richtgitter 3 und dem Drosselventil 4a vorgesehen.

Die Strömungsmeßvorrichtung (Fig. 1, 2, 3) weist einen Sensorteil im Inneren des Luftansaugkanals 4 und eine Sensorschaltung 9 außerhalb des Luftansaugkanals 4 auf. Der Sensorteil umfaßt ein Meß­ rohr oder eine Meßleitung 5, die über einen Steg 7 am Luftansaugkanal 4 befestigt ist. Ein Schichtwiderstand 6 ist im Inneren der Leitung 5 vorgesehen, während ein temperaturabhängiger Widerstand 8 zum Aufnehmen der Tem­ peratur der nicht erwärmten Luft außerhalb der Leitung 5 vorgesehen ist. Der Schichtwiderstand 6 und der temperatur­ abhängige Widerstand 8 sind mit der Sensorschaltung 9 ver­ bunden, die in eine Hybridplatte eingeschlossen ist. Der temperaturabhängige Widerstand 8 kann auch innerhalb der Leitung 5 unter der Bedingung vorgesehen sein, daß er im wesentlichen nicht durch die Wärme beeinflußt wird, die vom Schichtwiderstand 6 erzeugt wird. Die Sensorschal­ tung 9 steuert den Strom, der zum Schichtwiderstand 6 fließt, um Wärme für einen konstanten Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 6 und dem temperaturab­ hängigen Widerstand 8 zu erzeugen. Die Sensorschaltung 9 erzeugt auch eine Ausgangsspannung V_Q und überträgt diese Spannung auf eine Steuerschaltung 10, die beispielsweise einen Mikrocomputer enthält. An der Steuerschaltung 10 liegen auch verschiedene Arten von Detektorsignalen, wie beispielsweise ein Signal für die Maschinendrehzahl Ne und ein Signal für die Maschinenkühlmitteltemperatur THW, wobei die Steuerschaltung 10 das Ventilöffnungszeitintervall eines Kraftstoffeinspritzventils 11 oder ähnlicher Einrichtungen steuert.

Fig. 4A zeigt ein Beispiel des Schichtwiderstandes 6 von Fig. 1, während die Fig. 4B, 4C und 4D Querschnittsansichten längs der Linie B-B, C-C und D-D jeweils in Fig. 4A zeigen. In Fig. 4A ist auf ein einkristallines Siliziumsubstrat 61 ein temperaturabhängiger Schicht­ widerstand 62 aufgedampft und geätzt. Der Teil 62a des Widerstandes 62, der durch eine gestrichelte Linie umgeben ist, dient als Heiz- und Temperaturdetektionszone.

Außerhalb der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62a sind Öffnungen 63a und 63b ausgebildet, die die Wärmeübertragung zwischen Heiz- und Temperaturdetektionszone 62a und Halteteil 61 drosseln und somit den adiabatischen Wirkungsgrad erhöhen. Das Silizium­ substrat 61 an der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62a ist weiterhin sehr dünn ausgebildet, wie es in Fig. 4B und 4D dargestellt ist, um dadurch die Heizmasse herabzusetzen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind vier Brückenteile 61a, 61b, 61c und 61d des Substrates 61, die zwischen der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62a und dem Halteteil 64a und 64b des Substrates 61 verlaufen, mit einer effektiven Stärke vorgesehen, die größer als die in der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62a ist. Die Brückenteile 61a, 61b, 61c und 61d haben einen rippenartigen Aufbau, der durch anisotropes Ätzen erhalten werden kann.

Fig. 5A zeigt ein weiteres Beispiel des in Fig. 1 dargestell­ ten Schichtwiderstandes 6, während die Fig. 5B und 5C Quer­ schnittsansichten längs der Linien B-B und C-C jeweils in Fig. 5A zeigen. Auch bei dem in Fig. 5A bis 5C dargestellten Beispiel sind ein einkristallines Siliziumsubstrat 61′, ein temperaturabhängiges Widerstandsmuster 62′, das durch Auf­ dampfen und Ätzen ausgebildet ist und die Zone 62′a vorge­ sehen, die durch eine gestrichelte Linie umgeben ist und als Heiz- und Temperaturdetektionszone dient.

Die Substratbereiche 61′a und 61′b außerhalb der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62′a sind schmaler verglichen mit der Zone 62′a, so daß eine Drosselung der Wärme­ übertragung bewirkt wird, um dadurch den adiabatischen Wirkungsgrad der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62′a zu erhöhen. In derselben Weise, wie es in den Fig. 4A bis 4D dargestellt ist, ist das Siliziumsubstrat 61′ an der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62′a sehr dünn ausgebildet, wie es in den Fig. 5B und 5C ersichtlich ist, um dadurch die Heizmasse herabzusetzen. In ähnlicher Weise sind weiterhin zwei Brückenteile 61′a und 61′b des Substrates 61′, die zwischen der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62′a und dem Halte­ teil 64a und 64b des Substrats 61′ verlaufen, mit einer effektiven Stärke vorgesehen, die größer als die der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62′a ist. Die Brückenteile 61′a und 61′b haben gleichfalls einen rippenartigen Aufbau, der durch anisotropes Ätzen erreicht werden kann.

Im folgenden wird an Hand von Fig. 6 die in Fig. 1 darge­ stellte Sensorschaltung 9 beschrieben. Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, umfaßt die Sensorschaltung Widerstände 91 und 92, die mit dem Schichtwiderstand 6 und dem tem­ peraturabhängigen Widerstand 8 eine Brückenschaltung bilden, einen Komparator 93, einen Transistor 94, der vom Komparator 93 angesteuert wird, und einen Impedanzwandler 95. Die Sensorschaltung 9 arbeitet in der folgenden Weise. Wenn die Luftmenge zunimmt, die durch den Luftansaugkanal 4 strömt, so daß die Temperatur des Schichtwiderstandes 6 abfällt, der in diesem Fall als Thermistor arbeitet, nimmt sein Widerstandswert ab, so daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

V₁ ≦ωτ V_R,

wobei V₁ das Potential am Knotenpunkt zwischen dem Wider­ stand 91 und dem Schichtwiderstand 6 bezeichnet, während V_R das Potential am Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 92 und dem temperaturabhängigen Widerstand 8 ist. Das hat zur Folge, daß das Ausgangspotential des Komparators 93 abnimmt, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors 94 er­ höht wird. Daher nimmt die vom Schichtwiderstand 6 erzeugte Wärme zu und nimmt auch gleichzeitig das Kollektorpotential des Transistors 94 zu, so daß die Ausgangsspannung V_Q des Impedanzwandlers 95 gleichfalls ansteigt.

Wenn im Gegensatz dazu die Luftmenge abnimmt, die durch den Luftansaugkanal 4 strömt, so daß die Temperatur des Schicht­ widerstandes 6 ansteigt, dann nimmt sein Widerstandswert zu, so daß die Bedingung erfüllt ist:

V₁ ≦λτ V_R.

Als Folge davon nimmt das Ausgangspotential des Komparators 93 zu, um dadurch die Leitfähigkeit des Transistors 94 herabzusetzen. Die durch den Schichtwiderstand 6 erzeugte Wärme nimmt daher ab und es nimmt gleichzeitig das Kollektorpotential des Transistors 94 ab, so daß die Aus­ gangsspannung V_Q des Impedanzwandlers 95 gleichfalls kleiner wird.

In dieser Weise erfolgt eine Regelung mit Rückführung der Temperatur des Schichtwiderstandes 6 auf einen konstanten Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 6 und dem temperaturabhängigen Widerstand 8, der in diesem Fall die Temperatur der Umgebungsluft aufnimmt. Die Aus­ gangsspannung V_Q des Impedanzwandlers 95 gibt daher die Luft­ menge an, die durch den Luftansaugkanal 4 strömt.

Im folgenden werden an Hand der Fig. 7A bis 7G die Her­ stellungsschritte des in Fig. 4A bis 4D dargestellten Strömungs­ meßvorrichtung beschrieben. Jede Fig. 7A bis 7G entspricht einer Querschnittsansicht gemäß Fig. 4B.

Zunächst wird ein einkristallines Siliziumsubstrat 61 gebildet, wie es in Fig. 7A dargestellt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß ein nicht dargestelltes Schichtwiderstandsmuster 62 bereits auf der Rückseite des Siliziumsubstrates 61 auf­ gebracht ist. In diesem Fall ist die Fläche des Silizium­ substrates 61, auf die der Pfeil A gerichtet ist, die (100)- oder (110)-Fläche. Wie es in Fig. 7B dargestellt ist, wird dann zur Bildung des Halteteils ein Ätzpassivierungs­ film 71, beispielsweise aus SiO₂ oder Si₃N₄ aufgebracht und es erfolgt ein anisotropes Ätzen, um dadurch die in Fig. 7C dargestellte Form zu erhalten. Die Fläche, auf die der Pfeil B gerichtet ist, ist die (111)- Fläche. Das anisotrope Ätzen nutzt einen Unter­ schied in der Ätzgeschwindigkeit aus, da die Ätz­ geschwindigkeit an der (111)-Fläche des einkristallinen Siliziums sehr klein verglichen mit der an der (100)- oder (110)-Fläche ist.

Wie es in Fig. 7D dargestellt ist, wird anschließend der Ätzpassivierungsfilm 71 entfernt und es wird in der in Fig. 7E dargestellten Weise ein weiterer Ätzpassivierungsfilm 72 aufgebracht. Anschließend erfolgt ein weiteres anisotropes Ätzen, um die in Fig. 7F dargestellte Form mit rippenartiger Ausbildung der Brückenteile 61b und 61d (61a und 61c) zu erhalten. Dann wird der Ätzpassivierungsfilm 72 entfernt, so daß die endgültige Form erhalten wird, die in Fig. 7G dargestellt ist.

Der rippenartige Aufbau 61′a und 61′b, der in Fig. 5A bis 5C dargestellt ist, kann nach denselben Herstellungs­ schritten erhalten werden.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wurde vom anisotropen Ätzen Gebrauch gemacht, um dadurch die Brückenteile zwischen der Heiz- und Temperaturdetektionszone 62a (62′a) und dem Halteteil 64a und 64b (64′a und 64′b) zu verstärken.

Die temperaturabhängigen Widerstände bei den obigen Ausführungsbeispielen können auch Diffusionswiderstände im Substrat sein. Die Ausbildung der Brückenteile kann auch bei anderen Strömungssensoren als Luftdurchsatzsensoren, bei­ spielsweise bei Sensoren für den Flüssigkeitsdurchsatz, wie beschrieben erfolgen.

Dieselbe Ausbildung kann gleichfalls bei einem digitalen Strömungssensor angewandt werden, der über einen Auslöseimpuls gesteuert wird. Bei einem der­ artigen Sensor wird ein Auslöseimpuls gegeben, um mit dem Heizen eines Heizwiderstandes zu beginnen. Das Heizen des Heizwiderstandes setzt sich dann fort, bis ein konstanter Temperaturunterschied zwischen zwei temperatur­ abhängigen Widerständen erreicht ist oder bis der strom­ abwärts liegende temperaturabhängige Widerstand einen konstanten Wert erreicht. In diesem Fall wird die Heiz­ zeit als Mengenluftdurchsatz oder Volumenluftdurchsatz erfaßt. Eine derartige Auslöseimpulssteuerung hat den Vor­ teil, daß sich eine günstige Verlustleistung ergibt. Die Auslöseimpulssteuerung ist bei einem direkt beheizten Strömungssensor möglich.

Wie es oben beschrieben wurde, ergibt sich gemäß der Er­ findung eine höhere mechanische Festigkeit der die Wärme­ übertragung drosselnden Teile, wodurch der Strömungssensor widerstandsfähiger wird.

Claims (8)

1. Direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung zur Messung eines Fluiddurchsatzes in einem Strömungskanal, mit einem im Strömungskanal angeordneten Substrat (61), einem tempera­ turabhängigen Schichtwiderstand (62) auf dem Substrat mit einer Heiz- und Temperaturdetektionszone (62a), einer geometrischen Ausbildung des Substrats im Bereich außerhalb der Heiz- und Temperaturdetektionszone (62a) als Brückenteile (61a-61d), die eine geringe Wärmeübertragung vom Schichtwiderstand zum Halte­ teil des Substrats gewährleisten, und mit einer elektri­ schen Leistungsregeleinrichtung, die mit dem Schicht­ widerstand verbunden ist und die Wärme regelt, die durch den Schichtwiderstand erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (61) im Bereich der Brückenteile (61a-61d) eine größere Stärke aufweist als im Bereich der Heiz- und Temperaturdetektionszone (62a).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (61) aus einkristallinem Silizium be­ steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenteile (61a-61d) einen rippenartigen Aufbau haben, der durch anisotropes Ätzen des einkristallinen Siliziums gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Brückenteile im Substrat (61) Öffnungen (63a, 63b) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenteile (61′a, 61′b) durch Verlängerung des Substrates (61′) an gegenüberliegenden Seiten des Schichtwiderstandes ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwiderstand (62) einen Diffusionswiderstand umfaßt, der im einkristallinen Silizium ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturabhängiger Widerstand (8) zum Aufnehmen der Temperatur des nichterwärmten Fluids im Fluidstrom vorgesehen ist, wobei dieser Widerstand (8) so angeordnet ist, daß er von der Wärme unbeeinflußt ist, die vom Schichtwiderstand (62) erzeugt wird.

8. Verfahren zum Herstellen einer direkt beheizbaren Strö­ mungsmeßvorrichtung, umfassend die Schritte:

• - Ausbilden eines temperaturabhängigen Schichtwiderstandsmusters mit einer Heiz- und Temperaturdetektionszone auf einer ersten Fläche eines einkristalli­ nen Siliziumsubstrats,
• - Aufbringen eines Ätzpassivierungsfilms auf einer zweiten, gegenüberliegenden Fläche des Substrats im Bereich eines Halteteils,
• - Ausführen eines ersten anisotropen Ätzvorganges auf der zweiten Fläche des Substrats zur Verringerung seiner Stärke,
• - Entfernen des Ätzpassivierungsfilms nach dem anisotropen Ätz­ vorgang,
• - Aufbringen eines neuen Ätzpassivierungsfilms auf dem Halteteil und der bereits geätzten zweiten Fläche des Substrats im Bereich von Brückenteilen, die zwischen Halteteil und Heiz- und Temperaturdetektionszone des Schichtwiderstandsmusters verlaufen,
• - Ausführen eines weiteren anisotropen Ätzvorganges auf der zweiten Fläche des Substrats, und
• - Entfernen des Ätzpassivierungsfilms nach dem anisotropen Ätzvorgang.