EP1305578A1 - Luftdicht verschlossener sensorträger - Google Patents

Luftdicht verschlossener sensorträger

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Publication number
EP1305578A1
EP1305578A1 EP01956321A EP01956321A EP1305578A1 EP 1305578 A1 EP1305578 A1 EP 1305578A1 EP 01956321 A EP01956321 A EP 01956321A EP 01956321 A EP01956321 A EP 01956321A EP 1305578 A1 EP1305578 A1 EP 1305578A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
membrane
frame element
recess
sensor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01956321A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Konzelman
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1305578A1 publication Critical patent/EP1305578A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6842—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow with means for influencing the fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices

Definitions

  • the invention relates to a sensor according to the preamble of claim 1.
  • a sensor is known from US Pat. No. 4,934,190 in which a sensor is sealed airtight. However, the sensor does no membrane. It is also not shown how the sensor is installed in a device.
  • the sensor according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that an underflow of the sensor is prevented in a simple manner.
  • a recess of the sensor is closed by a support body or by a sensor carrier.
  • the support body or the sensor carrier is designed in such a way that a membrane cannot break when bent.
  • Figure 2, 3, 4 a first, second, third
  • FIG. 1 shows a sensor according to the prior art, which has been improved in accordance with the statements relating to FIGS. 2 to 4.
  • the sensor has a frame element 3, which consists, for example, of silicon.
  • the frame element 3 has a recess 5.
  • a dielectric layer 21, for example made of SiO 2 is applied to the frame element.
  • the layer 21 can extend over the entire frame element 3, but also only over a region of the recess 5. This region forms a membrane 7 which partially or completely delimits the recess 5 on one side.
  • At least one, for example three, metal tracks 19 are applied to the side of the membrane 7 facing away from the recess 5.
  • the metal tracks 19 form, for example, electrical heaters and / or measuring resistors.
  • the metal tracks 19 form a sensor area 17 with the membrane 7.
  • the sensor area 17 is preferably covered with a protective view 23.
  • the protective layer 23 can also extend only over the metal tracks 19.
  • the sensor 1 has a surface 27 which is in direct contact with the flowing medium.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a sensor 1 designed according to the invention.
  • a sensor 1 consists of the frame element 3, which has the recess 5 having.
  • the membrane 7 is formed on the outside of the frame element 3 facing away from the recess 5.
  • the recess 5 is closed airtight by a support body 10. This prevents heat transfer by means of heat conduction through an underflow of the sensor 1 through a flowing medium.
  • an intermediate space 12 which is formed by the closed recess 5, can be at least partially evacuated.
  • the support body 10 can be connected to the frame element 3 in various ways, for example by gluing, welding.
  • the sensor 1 is arranged, for example, in a sensor carrier 15 which is installed in a measuring device or is part of a measuring device.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the sensor 1 designed according to the invention.
  • the membrane 7 can bend and break due to pressure fluctuations in the flowing medium, for example due to pulsations. This can be prevented by reducing a distance a between the underside of the membrane and the support body 10 such that the membrane 7 comes to rest on the support body 10 at a certain degree of bending. This prevents further bending of the membrane 7, which would otherwise have resulted in the membrane 7 breaking or being damaged.
  • a heat transfer by heat conduction and possibly by convection-related uncontrolled air movements below the membrane are prevented by the underside of the membrane being closed by the support body 10. This results in a more stable and more reproducible measurement signal from the sensor. Also heat flows caused by the uncontrolled air movement under the underside of the membrane, which can influence the measurement signal, is reduced.
  • Support body 10 and frame element 3 can, for example, also be made in one piece. This is e.g. B. possible with methods of surface micromechanics.
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of the sensor 1 designed according to the invention.
  • the recess 5 is closed by the sensor carrier 15.
  • This closed space can also be evacuated or the sensor carrier 15 can be designed according to FIG. 3, so that excessive bending of the membrane is prevented.
  • the frame element 3 can be connected to the sensor carrier 15 in various ways, for example by gluing, welding.
  • the sensor 1 can also be encapsulated with plastic in an airtight manner or pressed into plastic that is still deformable if the sensor carrier 15 is molded from plastic.
  • Plastic or metal is preferably used as the material for the sensor carrier 15 and the frame element 3 and the support body 10 are made of silicon.
  • Such a sensor 1 is particularly suitable as an air mass sensor.

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Abstract

0ei einem Sensor nach dem Stand der Technik, insbesondere für eine Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines Parameters eines in einer Leitung strömenden Mediums, das ein Rahmenelement mit einer Ausnehmung hat, findet eine Unterströmung im Bereich der Ausnehmung statt. Dies führt zu einer Beeinflussung des Messsignals des Sensors. Bei einem erfindungsemäss ausgebildeten Sensor (1) ist die Ausnehmung (5) verschlossen, so dass eine Unterströmung nicht mehr stattfindet.

Description

Sensor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Anspruchs 1.
Aus der DE 196 01 791 AI ist ein Sensor mit einem Rahmenelement und einer Membran bekannt, das eine Ausnehmung hat. Jedoch ist diese Ausnehmung nicht verschlossen, so dass es aufgrund unerwünschter Luftbewegungen in der Ausnehmung zu Wärmeübertragung durch Wärmeleitung auf die Membran kommt, wodurch das Messsignal eines Messelements verfälscht wird.
Aus der DE 195 24 634 AI ist ein Sensor bekannt, das in eine Messvorrichtung eingebaut ist. Dabei kommt es zu ungewollten Unterströmungen des Sensors. Dies zu verhindern wird versucht, indem eine Abdichtung zwischen dem Sensor und einem Sensorträger aufgebracht wird. Dies geschieht beispielsweise durch einen Kleber, der jedoch verlaufen kann und die Messeigenschaften des Sensors beeinflusst.
Aus der US-PS 4,934,190 ist ein Sensor bekannt, bei dem ein Sensor luftdicht verschlossen ist. Jedoch hat der Sensor keine Membran. Es ist auch nicht gezeigt, wie der Sensor in eine Vorrichtung eingebaut ist.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine Unterströmung des Sensors verhindert wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 genannten Sensors möglich.
Es ist vorteilhaft, wenn eine Ausnehmung des Sensors durch einen Stützkörper oder dμrch einen Sensorträger verschlossen ist .
Dabei ist es vorteilhaft, das abgeschlossene Volumen zumindest teilweise zu evakuieren.
Besonders vorteilhaft ist es, dass der Stützkörper oder der Sensorträger so ausgebildet ist, dass eine Membran beim Verbiegen nicht zerbrechen kann.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Rahmenelement und der Stützkörper einteilig sind.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 ein Sensor nach dem Stand der Technik,
Figur 2, 3, 4 ein erstes, zweites, drittes
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Sensors .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt ein Sensor nach dem Stand der Technik, das gemäss der Ausführungen zu Figur 2 bis 4 verbessert ist. Ein solcher Sensor und ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung ist beispielsweise aus der DE 196 01 791 AI bekannt und soll ein Teil dieser Offenbarung sein. Der Sensor hat ein Rahmenelement 3, das bspw. aus Silizium besteht. Das Rahmenelement 3 hat eine Ausnehmung 5. Auf dem Rahmenelement ist eine dielektrische Schicht 21, bspw. aus Si02, aufgebracht. Die Schicht 21 kann sich über das ganze Rahmenelement 3 erstrecken, aber auch nur über einen Bereich der Ausnehmung 5. Dieser Bereich bildet eine Membran 7, die die Ausnehmung 5 auf einer Seite teilweise oder ganz begrenzt. Auf der der Ausnehmung 5 abgewandten Seite der Membran 7 sind zumindest ein, bspw. drei Metallbahnen 19 aufgebracht. Die Metallbahnen 19 bilden bspw. elektrische Heizer und/oder Messwiderstände. Die Metallbahnen 19 bilden mit der Membran 7 einen Sensorbereich 17. Der Sensorbereich 17 ist vorzugsweise mit einer Schutzsicht 23 überzogen. Die Schutzschicht 23 kann sich auch nur über die Metallbahnen 19 erstrecken. Der Sensor 1 hat eine Oberfläche 27, die im direkten Kontakt mit dem strömenden Medium steht .
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sensors 1 . Ein Sensor 1 besteht aus dem Rahmenelement 3, das die Ausnehmung 5 aufweist. Auf der der Ausnehmung 5 abgewandten Außenseite des Rahmenelements 3 ist die Membran 7 ausgebildet. Die Ausnehmung 5 wird durch einen Stützkörper 10 luftdicht verschlossen. Dadurch wird ein Wärmeübertrag mittels Wärmeleitung durch eine Unterströmung des Sensors 1 durch ein strömendes Medium verhindert. Um eine Wärmeleitung in der verschlossenen Ausnehmung 5 weiter zu verringern, kann ein Zwischenraum 12, der durch die verschlossene Ausnehmung 5 gebildet ist, zumindest teilweise evakuiert sein. Der Stützkörper 10 kann auf verschiedene Art und Weise mit dem Rahmenelement 3, bspw. durch Kleben, Verschweissen, verbunden sein.
Der Sensor 1 ist beispielsweise in einem Sensorträger 15 angeordnet, der in eine Messvorrichtung eingebaut ist oder Teil einer Messvorrichtung ist.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß ausgebildeten Sensors 1. Die Membran 7 kann sich bedingt durch Druckschwankungen im strömenden Medium, bspw. durch Pulsationen, verbiegen und dabei zerbrechen. Dies kann dadurch verhindert werden, dass ein Abstand a zwischen der Membranunterseite und dem Stützkörper 10 so verringert wird, dass die Membran 7 bei einem bestimmten Verbiegungsgrad zum Aufliegen auf dem Stützkörper 10 kommt. Dadurch wird ein weiteres Verbiegen der Membran 7 verhindert, was ansonsten zum Bruch oder Schädigung der Membran 7 geführt hätte . Eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und eventuell durch konvektionsbedingte unkontrollierte Luftbewegungen unterhalb der Membran werden verhindert, indem die Membranunterseite durch den Stützkörper 10 verschlossen ist. Dadurch ergibt sich ein stabileres und besser reproduzierbares Messsignal des Sensors. Auch Wärmeströme, bedingt durch die unkontrollierte Luftbewegung unter der Membranunterseite, die das Messsignal beeinflussen können, werden reduziert.
Stützkörper 10 und Rahmenelement 3 können bspw. auch einteilig ausgeführt sein. Dies ist z. B. mit Methoden der Oberflächenmikromechanik möglich.
Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß ausgebildeten Sensors 1. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Ausnehmung 5 durch den Sensorträger 15 verschlossen. Ebenso kann dieser so abgeschlossene Raum evakuiert sein oder der Sensorträger 15 kann gemäß Figur 3 ausgebildet sein, so dass ein zu grosses Verbiegen der Membran verhindert wird.
Das Rahmenelement 3 kann auf verschiedene Art und Weise mit dem Sensorträger 15, bspw. durch Kleben, Verschweissen, verbunden sein. Auch kann der Sensor 1 mit Kunststoff luftdicht umspritzt sein oder in noch verformbaren Kunststoff eingedrückt werden, wenn der Sensorträger 15 aus Kunststoff geformt ist.
Vorzugsweise wird als Material für den Sensorträger 15 Kunststoff oder Metall verwendet und das Rahmenelement 3 und der Stützkörper 10 besteht aus Silizium. Ein solcher Sensor 1 eignet sich besonders als Luftmassensensor .

Claims

Ansprüche
1. Sensor (1), insbesondere für eine Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines Parameters eines in einer Leitung strömenden Mediums, bestehend aus einem Rahmenelement (3) , das eine Ausnehmung (5) bildet, und auf einer Seite zumindest teilweise durch eine . embran (7) begrenzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausnehmung (5) auf der der Membran gegenüberliegenden Seite luftdicht verschlossen ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Stützkörper (10) an dem Rahmenelement (3) anliegt und die Ausnehmung (5) dadurch verschliesst .
3. Sensor nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zwischenraum (12) zwischen dem Stützkörper (10) und dem Rahmenelement (3) zumindest teilweise evakuiert ist.
4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (1) in einem Sensorträger (15) angeordnet ist, und der Sensorträger (15) an dem Rahmenelement (3) anliegt und die
Ausnehmung (5) dadurch verschliesst .
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Zwischenraum (12) zwischen dem Sensorträger (15) und dem Rahmenelement (3) zumindest teilweise evakuiert ist.
6. Sensor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor (1) einen Sensorbereich (17) hat, der zumindest eine metallische Leiterbahn (19) hat, die auf einem Dielektrikum (21) angeordnet ist, das auf dem Rahmenelement (3) angeordnet ist.
7. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 , 4 oder 6 , dadurch gekennzeichnet, dass
eine Oberfläche (27) des Sensors (1) eben ausgebildet ist.
8. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (1) einen Stützkörper (10) hat, dass der Sensor (1) eine biegsame Membran (7) hat, und dass ein Abstand zwischen der Membran (7) und dem Stützkörper (10) so gross ist, dass die Membran (7) zumindest teilweise auf dem Stützkörper (10) aufliegt, wenn sie verbogen ist.
9. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (1) in einem Sensorträger (15) angeordnet ist, dass der Sensor (1) eine biegsame Membran (7) hat, und dass ein Abstand zwischen der Membran (7) und dem Sensorträger (15) so gross ist, dass die Membran (7) zumindest teilweise auf dem Sensorträger (15) aufliegt, wenn sie verbogen ist.
10. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rahmenelement (3) und der Stützkörper (10) einteilig sind.
11. Sensor nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensorträger (15) aus Kunststoff ist,
12. Sensor nach Anspruch 4 oder 9 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensorträger (15) aus Metall ist.
13. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rahmenelement . (3 ) aus Silizium oder dotiertem Silizium besteht .
14. Sensor nach Anspruch einem oder mehreren der Ansprüche 1,4,6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor (1) in einem Sensorträger (15) angeordnet ist.
EP01956321A 2000-07-21 2001-07-20 Luftdicht verschlossener sensorträger Withdrawn EP1305578A1 (de)

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DE10035538A DE10035538A1 (de) 2000-07-21 2000-07-21 Sensor
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EP1305578A1 true EP1305578A1 (de) 2003-05-02

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KR (1) KR20020042839A (de)
CN (1) CN1386189A (de)
AU (1) AU7838201A (de)
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