DE4228484A1

DE4228484A1 - Temperaturfühler

Info

Publication number: DE4228484A1
Application number: DE4228484A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Phys Dr Bantien; Eckart Dr Ing Reihlen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-08-27
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2012-08-28
Also published as: JPH06160203A; DE4228484C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Temperaturfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-PS 23 02 615 ist bereits ein Tempe raturfühler mit einer dünnen, an einem Tragkörper aufgehängten Mem bran bekannt, wobei auf der Membran ein Temperaturmeßelement ange ordnet ist. Das Temperaturmeßelement ist als mäanderförmige Leiter bahn mit einem temperaturabhängigen Widerstand ausgebildet. Als Materialien für die Membran werden Kunststoffe, Glimmer und Quarz genannt.

Aus der US 4 501 144 sind temperaturabhängige Widerstandselemente auf Membranen bekannt, die jedoch in unmittelbarer Nähe eines Heizers angeordnet sind und daher nicht die Temperatur des vorbei strömenden Mediums, sondern den strömungsbedingten Wärmeübergang in das Medium nachweisen. In der gleichen Schrift werden auch Meß elemente offenbart, die die Temperatur des Mediums messen, die sind jedoch nicht auf Membranen angeordnet.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Temperaturfühler mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Temperaturfühler besonders klein baut, durch Massenfertigungsver fahren besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist und be sonders schnell auf Temperaturänderungen des strömenden Mediums reagiert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Temperaturfühlers möglich. Die Materialien Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Siliziumoxinitrid weisen eine geringe thermische Leitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität auf, so daß die An sprechzeit des Temperaturfühlers besonders klein wird. Weiterhin lassen sich diese Materialien besonders einfach in Verbindung mit einem Rahmen aus einkristallinem Silizium verwenden. Einfachste Aus führungsformen des Temperaturmeßelementes bestehen aus einem tempe raturabhängigen Widerstand oder einem Thermoelement. Durch das Ein ringen von Schlitzen in der Membran zwischen dem Temperaturmeß element und dem Rahmen wird die thermische Isolation zwischen Tempe raturmeßelement und Rahmen verbessert und infolgedessen die Reaktionsgeschwindigkeit des Temperaturfühlers auf Temperatur änderungen des strömenden Mediums erhöht. Temperaturfühler auf Mem branen, die durch rückseitige Ätzung aus einem Siliziumplättchen heraus strukturiert sind, zeichnen sich vor allem durch die einfache Herstellung in der Massenfertigung und somit geringen Herstellungs kosten aus.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt, Fig. 2 eine Aufsicht und Fig. 3 die Herstellung eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein erfindungsgemäßen Temperaturfühler ist in der Fig. 1 im Quer schnitt und in der Fig. 2 in der Aufsicht gezeigt. Die Fig. 1 ent spricht einem Schnitt durch die Fig. 2 entlang der Linie I-I. Der Temperaturfühler weist eine Membran 2 und einen Rahmen 1 auf, wobei die Membran 2 mit ihrem Randbereich mit dem Rahmen 1 verbunden ist. Ungefähr auf der Mitte der Membran 2 ist ein Temperaturmeßelement 3, 4 angeordnet. Wie in der Fig. 2 im Schnitt zu sehen ist, ist der Rahmen 1 wesentlich dicker als die Membran 2 oder das Temperaturmeß element 3. Weiterhin kann die Membran 2 Schlitze 5 aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie zwischen dem Temperaturmeßelement 3, 4 und dem Rahmen 1 angeordnet sind.

In der Fig. 2 sind in der Aufsicht zwei verschiedene Ausge staltungen des Temperaturmeßelementes 3, 4 zu sehen. Beim Tempe raturmeßelement 3 handelt es sich um einen temperaturabhängigen Widerstand. Durch Kontaktierung der auf dem Rahmen 1 angeordneten Anschlußbereiche 6 kann der elektrische Widerstand des Temperatur meßelementes 3 gemessen werden, der eine Funktion der Temperatur ist. Das Temperaturmeßelement 4 ist als Thermoelement ausgebildet, d. h. an den Anschlußbereichen 6 liegt eine Spannung an, die eine Funktion der Temperaturdifferenz zwischen Membranmitte und Rahmen ist. Das Thermoelement 4 besteht aus Teilstücken 11, 10 die aus verschiedenen Materialien bestehen. Wenn die Übergangsbereiche zwischen den verschiedenen Materialien auf unterschiedlichen Tempe raturen gehalten sind, liegt an den Anschlußbereichen 6 eine Thermo spannung an. Die Membran 2 ist sehr dünn, so daß durch das vorbei strömende Medium die Membran 2 sehr schnell die Temperatur des vor beiströmenden Mediums annimmt. Durch die Temperaturmeßelemente 3, 4 wird somit die Temperatur des vorbeiströmenden Mediums fast ohne Zeitverlust gemessen. Um die Zeit für die Temperaturanpassung der Temperaturmeßelemente 3, 4 gering zu halten, sollte die Membran 2 aus einem Material mit geringer Wärmekapazität und einem geringen Wärmeleitvermögen bestehen. Geeignet Materialien sind beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, die sich zudem besonders leicht auf der Oberfläche von Silizium erzeugen lassen. Weiterhin kann der Wärmefluß vom Rahmen 1 zur Mitte der Membran 2 hin durch das Ein bringen von Schlitzen 5 verringert werden. Auch durch diese Maßnahme wird die Reaktionsgeschwindigkeit des Temperaturfühlers erhöht.

In der Fig. 3 wird gezeigt, wie der Temperaturfühler durch rück seitiges Ätzen aus einer Siliziumplatte 20 herausstrukturiert wird. Dazu ist auf der Rückseite der Siliziumplatte 20 eine Ätzmaskierung 21 aufgebracht, die durch die verwendete Ätzlosung nicht angegriffen wird. Die Siliziumplatte 20 kann beispielsweise eine 1 0 0-Orientierung aufweisen und wird dann zweckmäßigerweise mit einer basischen Ätzlösung geätzt. Durch diese Ätzung wird der Rahmen 1 mit schrägen Seitenwänden, die einen Winkel von ca. 57° gegenüber der Oberfläche aufweisen, herausstrukturiert. Zweckmäßigerweise sind vor der Ätzung auf der Oberfläche bereits die Strukturen für die Temperaturmeßelemente 3, 4 gelegen.

Claims

1. Temperaturfühler zur Messung der Temperatur eines strömenden Mediums, insbesondere zur Messung der Temperatur einer Luftströmung, mit einer dünnen, an einem Tragkörper aufgehängten Membran, auf der ein Temperaturmeßelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper als Rahmen (1) aus einkristallinem Silizium heraus strukturiert ist, auf dem die Membran (2) mit ihrem Randbereich auf liegt.

2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid besteht.

3. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturmeßelement als temperaturab hängiger Widerstand (3) ausgebildet ist.

4. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Temperaturmeßelement als Thermoelement (4) ausgebildet ist.

5. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) Schlitze (5) aufweist und daß die Schlitze (5) zwischen Temperaturmeßelement (31, 4) und dem Rahmen (1) gelegen sind.

6. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) als Tragkörper der Membran (2) von der Rückseite einer Siliziumplatte (20) durch Ätzen herausge bildet ist, wobei das Membranmaterial in bezug auf das verwendete Ätzmittel eine Ätzrate aufweist, die nur ein Bruchteil derer des Rahmens (1) ist.