JP2005031078A - センサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、加熱構造体を有するセンサ素子の測定精度および測定感度を向上させることである。
【解決手段】前記課題は、抵抗を検出するための手段に、付加的な高抵抗の測定線路を設け、前記測定線路によって加熱構造体の個々の部分において電圧が直接取り出されるように構成することによって解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの加熱構造体を有する次のようなセンサ素子に関する。すなわち、少なくとも１つの第１の導体路が設けられており、該第１の導体路を介して電流が前記加熱構造体に供給され、少なくとも１つの第２の導体路が設けられており、該第２の導体路を介して電流が前記加熱構造体から出力結合され、前記加熱構造体の個々の部分の抵抗を検出するための手段が設けられているセンサ素子に関する。

この種のセンサ素子は実際には、たとえば、エアマス検出のためのエアマスセンサの枠内で流速および流動方向を検出するために使用される。この場合、加熱構造体は大抵、低伝熱性の薄いメンブレン上に配置されている。このメンブレンは、マイクロメカニカル製造法によって素子構造体に形成されている。この加熱構造体によって、メンブレン上の空気が加熱される。メンブレンに近接して流動すると、まず近接して流動した該加熱構造体の部分上の加熱されたこの空気は、該加熱構造体の別の部分の方向に移動する。このことによって、まず近接して流動した部分が冷却され、このことによってこの部分の抵抗が低減される。その次に近接して流動した該加熱構造体の部分は、加熱された空気によってさらに加熱され、この部分の抵抗が上昇する。この抵抗変化によって、運動するエアマス、流速および流動方向が推定される。

抵抗値Ｒ（Ｔ）の温度依存性は、次のように表される。
Ｒ（Ｔ）＝Ｒ_０（１＋ａＴ）
ここでは、Ｒ_０は室温時の接地抵抗であり、ａは抵抗の温度係数である。したがって、温度に起因する抵抗変化は、接地抵抗Ｒ_０の量に比例的に依存する。

これと関連して、低抵抗の導体路構造体を有する電気的な加熱器を実現しなければならないことが問題となる。加熱構造体の接地抵抗が低いことによって、温度に起因する検出すべき抵抗変化は、常に比較的低くなってしまう。このように小さい抵抗を測定する場合、すべての給電路およびボンディング接合が測定結果に少なからず影響してしまう。

本発明の課題は、加熱構造体を有するセンサ素子の測定精度および測定感度を向上させることである。

前記課題は、抵抗を検出するための手段に、付加的な高抵抗の測定線路を設け、前記測定線路によって加熱構造体の個々の部分において電圧が直接取り出されるように構成することによって解決される。

本発明によれば、加熱構造体の個々の部分の抵抗を検出する手段は、付加的に高抵抗の測定線路を有する。この測定線路によって、該加熱構造体の個々の部分にて電圧が直接取り出される。このようにして、しばしば温度にも依存する寄生抵抗の影響が非常に低く維持される。

基本的に、本発明によるセンサ素子を実現するために、とりわけ加熱構造体の特性および構成、ならびに電圧タップとして使用される付加的な高抵抗の測定線路の数および構成に関して、種々の手段が存在する。

本発明の有利な構成では、加熱構造体の個々の部分は、測定線路によってホイートストンブリッジの形態で接続されている。このような構成によって、特に高い測定感度が得られる。

択一的に、加熱構造体の個々の部分を測定線路によって、該加熱構造体の個々の部分が４点抵抗測定されるように接続すると、高い測定精度に関して有利である。このようにして、給電路の影響が簡単に消去される。周辺温度が測定結果に及ぼす影響も補償されることによって、測定精度はさらに上昇される。さらに、本発明によるセンサ素子は温度センサを有する。この温度センサは、加熱構造体から十分な間隔で配置されている。

上記のように、本発明の思想を有利に実現し、発展させるために、種々の手段が存在する。これらは、請求項１の従属請求項に記載されており、かつ本発明の複数の実施例の以下の説明に、図面に基づいて記載されている。

図１，２，４，５および６に示されたセンサ素子はすべて、流体の流れを検出するために、すなわち流動する流体の質量、速度および方向を検出するために使用され、エアマスセンサの枠内で、たとえば自動車分野において適用するために使用される。

図示された各センサ素子は、半導体技術およびマイクロメカニックの標準的な手法によって製造され、少なくとも１つの加熱構造体を有する。この加熱構造体は、素子構造体の低伝熱性の薄いメンブレン上に配置されている。このメンブレンは通常、複数の層から成り、この複数の層は、たとえばＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等から成る。加熱構造体および導体路は、たとえばＡｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、ポリシリコン等から成る１つまたは複数の層から形成されている。さらに、通常はカバー層が設けられており、このカバー層はＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等から成る。これらの層はすべて、シリコンウェハ上に沈殿され、機能に応じて構造化される。自己支持性のメンブレンは、シリコンウェハの裏面を構造化することによって形成され、その際、シリコンは形成すべきメンブレンの領域にて除去される。択一的に自己支持性のメンブレンは、予め設けられた空洞によって、公知の表面マイクロメカニカル技術を使用して実現することもできる。

図１および２に示されたセンサ素子は、それぞれ２つの二重加熱構造体１および２を有する。これらの２つの二重加熱構造体１および２は、直列接続された２つの抵抗Ｒ１およびＲ２ないしはＲ３およびＲ４を有する。これらの抵抗はヒーティングコンダクタ構成部分の形態で設けられており、相互に平行にメンブレン３上に配置されている。２つの二重加熱構造体１および２には、相互に独立して電流が供給される。こうするために、それぞれ第１の導体路４ないしは６および第２の導体路５ないしは７が設けられている。第１の導体路４ないしは６を介して、電流が二重加熱構造体１ないしは２に供給され、第２の導体路５ないしは７を介して、電流が該二重加熱構造体１ないしは２から出力結合される。導体路４〜７は比較的広幅すなわち低抵抗に形成されており、ヒーティングコンダクタ構成部分Ｒ１〜Ｒ４との接続領域において細くされている。こうすることによって、給電線抵抗が測定結果へ及ぼす影響が比較的低く維持される。

測定値を検出するため、２つの高抵抗の測定線路８および９が設けられている。これらの測定線路８および９によって、相互に平行に配置された２つの抵抗Ｒ１およびＲ２ないしはＲ３およびＲ４の接続領域において電圧が直接取り出される。図１に示された実施例では、測定線路端子はセンサ素子の「本土」上に配置されているのに対し、図２に示された実施例では、測定線路端子はメンブレン領域内に配置されている。

図１および２に示された測定線路８および９ないしは測定線路端子によって、ヒーティングコンダクタ構成部分Ｒ１〜Ｒ４がホイートストンブリッジと接続される。このことは図３に示されている。

図４に示されたセンサ素子は、共通の電流入力結合部ないしは電流出力結合部を有する２つの二重加熱構造体から成る加熱構造体１０を備えている。両二重加熱構造体のヒーティングコンダクタ構成部分１１〜１４は、相互に平行にメンブレン３上に配置されている。この実施例では、端部側に配置された２つの導体路１５および１６を介して給電を行わなければならない。電流出力結合は、中間に配置された導体路１７を介して行われる。この実施例では、測定値を検出するために全部で５つの高抵抗の測定線路が設けられている。２つの測定線路１８および１９によって、ヒーティングコンダクタ構成部分１１および１２ないしは１３および１４の接続領域において電圧が直接取り出される。その他に２つの測定線路２０および２１が設けられており、これらの測定線路によって給電場所において電圧が取り出される。また測定線路２２も設けられており、この測定線路によって電流出力結合場所において電圧が取り出される。すべての測定線路端子がメンブレン領域内に配置されているが、図１と同様に、該メンブレン領域外に設けることもできる。図４に示された実施例の測定線路端子では４点測定が可能である。この４点測定では、ヒーティングコンダクタ構成部分１１〜１４の抵抗が個別に検出される。

この手段は、図５に示された実施例にも適用されている。加熱構造体２３はここでは、直列接続された２つのヒーティングコンダクタ構成部分２４および２５のみを有し、これらのヒーティングコンダクタ構成部分２４および２５は、相互に平行にメンブレン３上に配置されている。電流は導体路２６を介して供給され、導体路２７を介して出力結合される。測定値は、３つの高抵抗の測定線路によって検出される。測定線路２８によって、ヒーティングコンダクタ構成部分２４および２５の接続領域において電圧が直接取り出される。他の２つの測定線路２９および３０によって、電流供給場所および電流出力結合場所において電圧が取り出される。ここでも、すべての測定線路端子は例として、メンブレン領域内に配置されている。

図６に示されたセンサ素子が、図５に示されたセンサ素子と異なる点は、２つのヒーティングコンダクタ構成部分２４および２５の共通の給電線ないしは逆の給電線３１である。この共通の給電線ないしは逆の給電線３１によって、両ヒーティングコンダクタ構成部分２４および２５に対して、それぞれ独立した温度適合を実施することができる。

図面に示された５つの実施例ではすべて、メンブレン領域外に温度センサ３２が配置されている。この温度センサ３２もまた、半導体技術の標準的な手法によって、加熱構造体とともに製造される。この温度センサは、測定結果に及ぼされる温度の影響を補償するために使用される。

図１および図２における図示と同様に、記載されたすべての実施例において、加熱構造体はメンブレン領域から本土領域まで到達し、そこで電圧を取り出すための測定線路が接続されている。

独立した２つの二重加熱構造体を有する本発明の第１のセンサ素子の平面図である。

独立した２つの二重加熱構造体を有する本発明の第２のセンサ素子の平面図である。

図１および２に示されたセンサ素子の抵抗のブリッジ接続を示している。

共通の電流入力結合部または電流出力結合部を有する２つの二重加熱構造体を備えた本発明の第３のセンサ素子の平面図である。

１つの二重加熱構造体を有する本発明の第４のセンサ素子の平面図である。

１つの二重加熱構造体を有する本発明の第５のセンサ素子の平面図である。

符号の説明

１ 二重加熱構造体（図１および２）
２ 二重加熱構造体（図１および２）
３ メンブレン
４ 導体路‐電流供給／電流出力結合
５ 導体路‐電流出力結合／電流供給
６ 導体路‐電流供給／電流出力結合
７ 導体路‐電流出力結合／電流供給
８ 測定線路
９ 測定線路
１０ 加熱構造体（図４）
１１ ヒーティングコンダクタ構成部分
１２ ヒーティングコンダクタ構成部分
１３ ヒーティングコンダクタ構成部分
１４ ヒーティングコンダクタ構成部分
１５ 導体路‐電流供給／電流出力結合
１６ 導体路‐電流供給／電流出力結合
１７ 導体路‐電流出力結合／電流供給
１８ 測定線路
１９ 測定線路
２０ 測定線路
２１ 測定線路
２２ 測定線路
２３ 加熱構造体（図５および６）
２４ ヒーティングコンダクタ構成部分
２５ ヒーティングコンダクタ構成部分
２６ 導体路‐電流供給／電流出力結合
２７ 導体路‐電流出力結合／電流供給
２８ 測定線路
２９ 測定線路
３０ 測定線路
３１ 電流給電路ないしは電流帰路
３２ 温度センサ

Claims (10)

1. 少なくとも１つの加熱構造体（１，２）を有するセンサ素子であって、
   少なくとも１つの第１の導体路（４，６）と、少なくとも１つの第２の導体路（５，７）と、該加熱構造体（１，２）の個々の部分の抵抗を検出するための手段とが設けられており、
   前記少なくとも１つの第１の導体路（４，６）を介して、電流が該加熱構造体（１，２）へ供給され、
   前記少なくとも１つの第２の導体路（５，７）を介して、電流が該加熱構造体（１，２）から出力結合される形式のものにおいて、
   抵抗を検出するための前記手段は、付加的な高抵抗の測定線路（８，９）を有し、
   前記測定線路（８，９）によって、該加熱構造体（１，２）の個々の部分において電圧が直接取り出されることを特徴とするセンサ素子。
2. 該加熱構造体（１，２）の個々の部分は、前記測定線路（８，９）によって接続され、ホイートストンブリッジとなっている、請求項１記載のセンサ素子。
3. 該加熱構造体（１０；２３）の個々の部分（１１〜１４；２４，２５）は、該加熱構造体（１０；２３）の個々の部分（１１〜１４；２４，２５）の電気的特性を検出するために４点抵抗測定が実施されるように、前記測定線路（１８〜２２；２８〜３０）によって接続されている、請求項１または２記載のセンサ素子。
4. 該加熱構造体の幾何的な寸法および該加熱構造体の個々の部分間の間隔は、最大感度に関連して最適化されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ素子。
5. 温度の影響を補償するため、少なくとも１つの温度センサ（３２）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ素子。
6. 該加熱構造体（１，２）は、良好に熱絶縁された領域に配置されており、
   前記良好に熱絶縁された領域は、たとえば低伝熱性の薄いメンブレン（３）である、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ素子。
7. 該加熱構造体は、自己支持性で基板上に構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ素子。
8. 前記高抵抗の測定線路（８，９）によって形成された電圧タップは、良好に熱絶縁された領域内、たとえばメンブレン（３）の領域内に配置されているか、または良好に熱絶縁された領域外、たとえばメンブレン（３）を包囲する本土の領域内に配置されている、請求項６または７記載のセンサ素子。
9. 流体の流れを検出するために使用する、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ素子の使用方法。
10. エアマスセンサ、熱的な加速度センサ、傾斜センサ、回転角センサまたは断熱的な圧力センサの枠内で使用する、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ素子の使用方法。

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