DE4439222A1 - Massenflußsensor mit Druckkompensation - Google Patents
Massenflußsensor mit DruckkompensationInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Massenflußsensor für Gase
oder Flüssigkeiten nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es
ist schon bekannt, den Massenfluß nach dem Anemometerprinzip
zu messen, wobei ein temperaturgeregelter Widerstand bei
spielsweise auf der Oberfläche eines Hohlkörpers angeordnet
ist, durch den die Gase oder Flüssigkeiten fließen. Der
Heizwiderstand ändert durch die Kühlwirkung des durchflie
ßenden Mediums seinen Widerstand, so daß die Widerstandsän
derung oder die Änderung seiner Temperatur als Maß für den
Massenfluß auswertbar ist. Bei bekannten Massenflußsensoren
ergibt sich das Problem, daß insbesondere bei einem in einem
Siliciumchip eindiffundierten Heizwiderstand sich aufgrund
von Druckänderungen in dem Hohlkörper piezoresistive Effekte
auftreten, die zu erheblichen Widerstandsänderungen des
Heizwiderstandes oder des Temperatursensors führen. Diese
druckabhängigen Widerstandsänderungen verfälschen diejenigen
Widerstandsänderungen, die durch den Massenfluß erzeugt wer
den, in erheblichem Maße. Bei Druckänderungen in dem Medium
sind daher keine zuverlässigen Messungen des Massenflusses
möglich. Um dieses Problem zu lösen, wurde schon versucht,
den Siliciumchip mit dem Heizwiderstand entsprechend steif
auszubilden. Dieses führt jedoch dazu, daß durch die Ver
steifungen ein Teil der Wärme abgeführt wird, die von dem
Heizwiderstand erzeugt wurde. Dadurch ist die Empfindlich
keit des Sensors reduziert.
Der erfindungsgemäße Massenflußsensor mit den kennzeichnen
den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor
teil, daß die druckabhängigen Änderungen des Widerstandswer
tes sowohl beim Heizwiderstand als auch beim Temperatursen
sor weitgehend vermieden werden, so daß die Messung ledig
lich von der Druckdifferenz an der Meßstrecke und nicht vom
absoluten Druck abhängt, bei dem der Massenflußsensor be
trieben wird. Insbesondere können dabei vorteilhaft Ein
flüsse des statischen Druckes im Hohlkörper, der zu einer
Querschnittsänderung für den Massenstrom führt, sowie Län
genänderungen oder Piezoeffekte beim Heizwiderstand und/oder
dem Temperatursensor weitgehend vermieden werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnah
men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
im Hauptanspruch angegebenen Massenflußsensors möglich. Be
sonders vorteilhaft ist, wenn der Heizwiderstand und/oder
der Temperatursensor derart in einem Siliciumchip diffun
diert ist, daß seine Längsachse in Richtung der Kristallori
entierung <100< liegt. In dieser Kristallrichtung sind die
Piezoeffekte am geringsten, so daß Biegeeinflüsse des Si
liciumchips vorteilhaft weitgehend vermieden werden.
Um eine möglichst große Empfindlichkeit des Sensors zu er
reichen, ist das Längen-/Breitenverhältnis möglichst groß zu
wählen, insbesondere dann, wenn weitere Parameter wie eine
bestimmte Sensorfläche oder Heizleistung vorgegeben sind.
Durch die vorgegebenen Maßnahmen gelingt es, die mechani
schen, thermischen und elektrischen Größen weitgehend von
einander zu entkoppeln.
Durch eine Reihen- und/oder Parallelschaltung von Teilwider
ständen des Heizwiderstands und/oder des Temperatursensors
ergibt sich vorteilhaft ein kompakter Aufbau mit einer rela
tiv großen Wärmeübergangsfläche, so daß die Empfindlichkeit
recht hoch ist.
Um den Sensor vor Korrosion insbesondere der Gase oder Flüs
sigkeiten zu schützen, ist es vorteilhaft, ihn durch eine
entsprechende Membran von den Gasen oder Flüssigkeiten zu
trennen. Dabei kann vorteilhaft die Membran so dünn gewählt
werden, daß trotz ihrer Verbiegung durch Druckeinflüsse
keine Fehlmessung des Massenflußsensors auftritt.
Werden mehrere Temperatursensoren verwendet, die beispiels
weise am Anfang und Ende der Meßstrecke angeordnet sind,
dann kann durch Vergleich der gemessenen Temperaturen auch
die Strömungsrichtung des Gases bzw. der Flüssigkeit be
stimmt werden. Des weiteren ist eine Offsetkompensation der
Sensoren möglich, da nur die Differenzsignale ausgewertet
werden.
Zur Versteifung der Membran können Abstützungen oder Mate
rialien vorgesehen werden, die insbesondere eine geringe
Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dadurch wird die Ableitung der
Heizenergie weitgehend vermieden.
Um Piezoeffekte zu vermeiden, kann der Heizwiderstand
und/oder der Temperatursensor aus einem Metall gefertigt
sein, da Metalle zwar empfindlich für temperaturabhängige
Längenänderungen, nicht aber für piezoresistive Effekte
sind. Besonders vorteilhaft ist auch eine Anordnung, wenn
beispielsweise der Heizwiderstand im Silicium eindiffundiert
und der Temperatursensor aus Metall auf dem Silicium abge
schieden ist. Eine umgekehrte Variante ist ebenfalls durch
führbar. Durch diese Kombination gelingt es, die Dimensio
nierungen unter Einbezug des Materials zu optimieren, da in
der Regel der Heizwiderstand relativ niederohmig und der
Temperatursensor relativ hochohmig gewählt werden und da
durch unterschiedlich große Flächen für die Sensoren benö
tigt werden.
Eine besonders günstige Konstruktion ergibt sich durch eine
mäanderförmige Ausbildung des Heizwiderstandes, in den der
Temperatursensor hineingewickelt ist. Dadurch entsteht ein
guter Wärmekontakt des Temperatursensors zum Heizwiderstand.
Durch entsprechende Ausbildung der Querschnitte ergibt sich
eine günstige Lösung für die Realisierung der unterschiedli
chen Widerstände.
In den Figuren sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er
läutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel, Fig. 4 zeigt ein viertes
Ausführungsbeispiel, Fig. 5 zeigt eine erste Orientierung,
und Fig. 6 zeigt eine zweite Orientierung.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem als
Strömungskanal ein Hohlkörper 5 parallel zur Oberfläche ei
nes Halbleiterchips gebildet ist. Der Strömungskanal kann
beispielsweise durch zwei Halbleiterchips aus Silicium 2, 6
gebildet werden, die aufeinandergebondet wurden, nachdem in
ihnen jeweils ein Kanal freigeätzt wurde. Durch Aufeinander
legen der beiden Kanäle ergibt sich somit der Strömungskanal
für Gase oder Flüssigkeiten. Der Strömungskanal hat einen
Einlaß 7 und einen Auslaß 8, durch das das zu messende Medi
um strömt. Eine geeignete Stelle des Hohlkörpers 5 ist als
Membran 9 ausgebildet. Die Membran 9 ist vorzugsweise an der
Oberfläche eines der beiden Halbleiterchips 2, 6 ausgebil
det. In die Membran 9 ist ein Heizwiderstand 1 eindiffun
diert, der über nicht dargestellte Zuleitungen auf dem Halb
leiterchip 2 elektrisch heizbar ist. Das Freiätzen des Strö
mungskanals sowie das Bonden der beiden Siliciumchips oder -wafer
ist per se bekannt und muß daher nicht näher erläutert
werden. Da die Membran 9 relativ dünn ist und insbesondere
den statischen Druck im Strömungskanal aufnehmen muß, hat
sie an geeigneten Stellen Abstützungen 3. Die Abstützungen
können dadurch gebildet werden, daß über dem Siliciumchip
ganz oder teilweise eine mechanisch steife Platte mit mög
lichst schlechter Wärmeleitung (vgl. Position 3a) aufge
bracht ist. Eine derartige Platte kann beispielsweise ein
Pyrexglas sein. Diese Abdeckung 4 ist dabei direkt auf den
Aluminiumleiterbahnen des Halbleiterchips aufgebracht, die
in diesem Fall die Abstützungen 3 bilden.
Alternativ kann gemäß der Fig. 2 die Abdeckung 4 mit Ab
stützungen 3a strukturiert werden, so daß ein gewisser Ab
stand zwischen der Oberfläche des Siliciumchips 2 mit seinen
Aluminiumleiterbahnen und der Abdeckung 4 gebildet wird. Die
Strukturierung der Abdeckung 4 ist in einem weiteren Ar
beitsgang durchzuführen, bevor die Abdeckung 4 mit dem Si
liciumchip 2 kontaktiert wird. Der Hohlkörper 5 wird ent
sprechend der Fig. 1 hergestellt.
In den Fig. 1 und 2 wurden Ausführungsbeispiele im Quer
schnitt für den kompletten Sensor dargestellt. Die Fig. 3
zeigt dagegen nur den Teil eines dritten Ausführungsbei
spiels des Massenflußsensors, der die Anordnung des Heizwi
derstandes 1 und des Temperatursensors 11 betrifft. Der
Heizwiderstand 1 ist mäanderförmig ausgebildet und hat in
seinem unteren Teil zwei Anschlußlands 31, die zur Kontak
tierung dienen. Der Heizwiderstand 1 ist jedoch nicht in den
Siliciumchip eindiffundiert, sondern besteht aus Metall, das
beispielsweise auf dem Siliciumchip 2 durch Abscheidung,
Aufdampfen, Sputtern u. a. aufgebracht wurde. Vorzugsweise
besteht der Heizwiderstand 1 aus Platin, er kann jedoch auch
andere Materialien oder Materialkombinationen enthalten. Zum
Anschluß der elektrischen Versorgung sind Lands 31 vorgese
hen, die entweder ebenfalls aus Platin oder aus Aluminium
gebildet sein können. An beiden Seiten des mäanderförmigen
Bandes des Heizwiderstandes 1 ist jeweils ein Temperatursen
sor 11 angeordnet bzw. hineingewickelt, der über entspre
chende Anschlußlands 32 kontaktiert ist. Während der Heizwi
derstand 1 relativ niederohmig ist, ist der Temperatursensor
11 relativ hochohmig. Um bei der vorgegebenen Anordnung den
noch die unterschiedlichen Widerstände realisieren zu kön
nen, ist der Querschnitt der Leitungen sowohl des Heizwider
standes 1 als auch des Temperatursensors 11 abzustimmen. Das
kann dadurch erfolgen, daß entweder die Metallisierungs
schichten unterschiedlich dick aufgebracht sind oder daß bei
gleicher Metallisierungsdicke die Leitungen unterschiedlich
breit sind. Durch das Hineinwickeln der beiden Temperatur
sensoren 11 entsteht ein guter Wärmekontakt zum Heizwider
stand 1, so daß die Temperatursensoren 11 jede Temperaturän
derung des Heizwiderstandes 1 erfassen.
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Anordnung
eines Heizwiderstandes 1 und eines Temperatursensors 11. Bei
dieser Anordnung sind der Heizwiderstand 1 und die beiden
Temperatursensoren 11 im Silicium eindiffundiert. Der Heiz
widerstand 1 ist dabei aus einer Reihen- und Parallelschaltung
aufgebaut, wobei jeweils vier parallele Teilwiderstände
in drei Gruppen in Reihe geschaltet sind. Die Orientierung
dieser Teilwiderstände ist so gewählt, daß die Längsachse
der Teilwiderstände in der kristallographischen <100<-Rich
tung ausgerichtet sind. Bei zwei Gruppen ist jedoch die Aus
richtung in der äquivalenten Richtung <010< angeordnet.
Diese Richtungen werden bevorzugt für Anordnungen, bei denen
der Silicium-Halbleiter in der <100<-Ebene gesägt wurde.
Über entsprechende Aluminiumleitungen 41, 42 wird die Heiz
leistung zugeführt bzw. die Temperatur gemessen. Mit dieser
Anordnung können piezoresistive Effekte weitgehend beseitigt
werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, daß durch
die zwei Temperatursensoren 11 auch die Strömungsrichtung ge
messen werden kann, da sich die Absolutwerte der beiden Tem
peraturen der Temperatursensoren 11 je nach Strömungsrich
tung unterscheiden. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist
auch, daß durch die Differenzmessung ein Offsetabgleich
nicht erforderlich ist, da beispielsweise durch Vergleich
der beiden Temperaturen und Umpolen der Strömungsrichtung
auf einfache Weise der Offset bestimmt und eliminiert werden
kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die
Ausführungsbeipiele der Fig. 3 und 4 dahingehend zu kom
binieren, daß jeweils ein Teil, der Heizwiderstand 1 oder
der Temperatursensor 11 im Silicium diffundiert ist, während
der zweite Teil als Metallisierung aufgebracht ist. Dadurch
kann die Bauform noch weiter verringert werden und durch die
geringen Abstände ein noch besserer Wärmekontakt zum Heizwi
derstand erzeugt werden, so daß die Empfindlichkeit dieses
Sensors sehr groß wird.
Anhand der Fig. 5 und 6 werden schematisch Anordnungen
für den Heizwiderstand 1 gezeigt. In Fig. 5 wird eine stan
dardgemäße Anordnung gewählt, bei der die Längsachse des
Heizwiderstandes in der <110<-Richtung ausgerichtet ist.
Diese Richtung erzeugt in ungünstiger Weise einen großen
Piezoeffekt. Dieses Achsenkreuz ist dreidimensional darge
stellt, wobei die Achsen der Grundebene <100< in die Rich
tungen <110< und <100< zeigen.
In Fig. 6 wird eine erfindungsgemäße Anordnung für den
Heizwiderstand 1 bzw. den Temperatursensor 11 dargestellt,
bei dem die Längsachse des Widerstandes 1 in Richtung <100<
liegt. Diese Anordnung ist unempfindlich gegenüber piezore
sistiven Effekten, so daß Druckänderungen der Membran 9, in
die dieser Widerstand eindiffundiert ist, unberücksichtigt
bleiben. Es wird auch darauf hingewiesen, daß gute Ergebnis
se sich dann ergeben, wenn die Länge des Widerstandes ein
mehrfaches, beispielsweise mehr als das Fünffache der Breite
des Widerstandes entspricht.
Optimale Ergebnisse ergeben sich, wenn die vorgeschlagenen
Maßnahmen, die Ausrichtung der Widerstände nach der Orien
tierung des Silicium-Materials, Abstützungen der Membran und
Verwendung von Metallen als Widerstandsmaterial miteinander
kombiniert werden. Dadurch wird das Ausgangssignal des Mas
senflußsensors vom statischen und dynamischen Innendruck im
Strömungskanal des Hohlkörpers 5 praktisch unabhängig, so
daß im wesentlichen nur die durch die Temperaturänderung,
d. h. durch den Massenfluß verursachte Kühlung des Heizwi
derstandes 1 gemessen werden.
Bei einem alternativen Beispiel der Erfindung kann anstelle
der Temperaturmessung mit einem separaten Temperatursensor
die Spannung am Heizwiderstand 1 als Maß für die Wider
standsänderung oder auch die zugeführte Leistungsänderung,
die durch die Kühlwirkung der Strömung erforderlich ist, um
den Heizwiderstand 1 auf einen konstanten Wert zu halten,
gemessen werden. In diesem Fall erfolgt die Auswertung ent
weder über die Spannung am Heizwiderstand 1 oder über den
zugeführten Strom, wenn die Heizleistung konstant gehalten
wird.
Claims (11)
1. Massenflußsensor für Gase oder Flüssigkeiten nach dem
Anemometerprinzip, mit wenigstens einem temperatur- oder
leistungsgeregelten Heizwiderstand, dessen Widerstands- oder
Temperaturänderung beispielsweise mittels eines Temperatur
sensors erfaßbar und ein Maß für den Massen- oder Volumen
strom in einem Hohlkörper ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Heizwiderstand (1) und/oder der Temperatursensor (11)
korrosionsgeschützt und derart ausgebildet sind, daß das
Ausgangssignal des Massenflußsensors im wesentlichen von der
Druckdifferenz über der Meßstrecke im Bereich des Heizwider
standes (1), nicht aber vom absoluten Betriebsdruck des Mas
senflußsensors abhängt.
2. Massenflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Heizwiderstand (1) und/oder der Temperatursensor
(11) unter Berücksichtigung der Kristallorientierung in ei
nem Siliziumchip (2) diffundiert ist, wobei vorzugsweise bei
einer {100}-Orientierung die Längsachse des Heizwiderstandes
(1) und/oder des Temperatursensors (11) in einer
<100<-Richtung des Siliziumchips (2) liegt.
3. Massenflußsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge des Heizwiderstandes (1) wesentlich größer als
seine Breite ist.
4. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (1) aus einer
Reihen- und/oder einer Parallelschaltung von Teilwiderständen
gebildet ist.
5. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Heizwiderstand (1)
bzw. dem Temperatursensor (11) und dem zu messenden Gas bzw.
der Flüssigkeit eine Membran (9) angeordnet ist.
6. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils wenigstens ein Tempera
tursensor (11) rechts und links des Heizwiderstandes (1) an
geordnet ist und daß durch Vergleich der gemessenen Tempera
turen die Strömungsrichtung des Gases bzw. der Flüssigkeit
bestimmbar und/oder eine Offsetkompensation durchführbar
ist.
7. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (9) Mittel zur Ab
stützung (3; 3a) aufweist (Fig. 1).
8. Massenflußsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel eine geringe Wärmeleitfähigkeit (3a) aufwei
sen und beispielsweise aus Pyrexglas bestehen (Fig. 2).
9. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (1) und/oder
der Temperatursensor (11) aus einem Metall, vorzugsweise aus
Platin hergestellt ist.
10. Massenflußsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß der Heizwiderstand (1) vorzugsweise mäanderförmig
ausgebildet ist, in dem der Temperatursensor (11) hineinge
wickelt ist.
11. Massenflußsensor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (1) und der
Temperatursensor (11) unterschiedliche Materialien aufweisen
und/oder einen unterschiedlichen Querschnitt haben.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944439222 DE4439222C2 (de) | 1994-11-03 | 1994-11-03 | Massenflußsensor mit Druckkompensation |
Applications Claiming Priority (1)
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DE4439222C2 DE4439222C2 (de) | 1998-05-28 |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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