DE4439222A1 - Massenflußsensor mit Druckkompensation - Google Patents

Description

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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.