JP2007024897A - 熱伝導率センサ、熱伝導率センサを製作するための方法および熱伝導率センサを運転するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの熱伝導率を測定するためにダイヤフラムに供給したい熱量の低減と、これにより生ぜしめられる温度差の低減とを簡単な手段によって達成することができるようにする。
【解決手段】ダイヤフラム３０が、表面マイクロマシニング技術により形成されたダイヤフラム３０として設けられており、温度測定エレメント３２が、熱電対として設けられているようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱伝導率センサであって、基板材料とダイヤフラムとが設けられており、該ダイヤフラム内にまたは該ダイヤフラムに加熱エレメントと温度測定エレメントとが設けられている形式のものに関する。

さらに、本発明は、熱伝導率センサを製作するための方法に関する。

さらに、本発明は、熱伝導率センサを運転するための方法に関する。

熱伝導率センサは一般的に知られている。数年来、ガスの熱伝導率を測定するために、マイクロ構造化されたセンサエレメントが使用される。熱伝導率センサは、一般的に、シリコン基板によって取り囲まれたダイヤフラムを有している。このダイヤフラムには、金属製の構造体が被着されている。この構造体は電気的な抵抗として機能する。この温度依存性の抵抗は、ダイヤフラムを加熱するためにだけでなく、ダイヤフラム温度を測定するためにも（すなわちサーミスタとして）使用される。さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２２８４８４号明細書に基づき、空気流れの温度を測定するために働く温度測定フィーラが公知である。この場合、この公知の温度測定フィーラは、単結晶のシリコンから成るフレームを有している。このフレーム内には、ダイヤフラムが緊締されている。このダイヤフラムには、温度測定エレメントが配置されている。

マイクロマシニング型の構成エレメントをベースとした公知のセンサエレメントは、センサダイヤフラムの領域の少なくとも一時的な最大１５０ケルビンの温度上昇を生ぜしめるガスの熱伝導率を測定するために、比較的大きな温度パルスが必要となるかまたはセンサアッセンブリの、全寿命にわたって必要となる機能を大きな確率で保証することができるようにするために、センサアッセンブリの複雑なハウジング構成が必要となるという欠点を有している。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２２８４８４号明細書

したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式の熱伝導率センサ、熱伝導率センサを製作するための方法および熱伝導率センサを運転するための方法を改良して、ガスの熱伝導率を測定するためにダイヤフラムに供給したい熱量の低減と、これにより生ぜしめられる温度差の低減とを簡単な手段によって達成することができるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の熱伝導率センサでは、ダイヤフラムが、表面マイクロマシニング技術により形成されたダイヤフラムとして設けられており、温度測定エレメントが、熱電対として設けられているようにした。

さらに、前記課題を解決するために本発明の製作法では、ダイヤフラムを、表面マイクロマシニング技術による製作法によって基板材料に加工するかまたは基板材料に被着するようにした。

さらに、前記課題を解決するために本発明の運転法では、ダイヤフラムを少なくとも片側で取り囲む媒体の熱伝導率を測定するために、媒体の温度上昇が、約２５Ｋよりも少ない温度近辺に設定されているようにした。

独立請求項の特徴を備えた本発明による熱伝導率センサもしくは熱伝導率センサを製作するための方法もしくは熱伝導率センサを運転するための方法は従来のものに比べて、簡単な手段によって、ガスの熱伝導率を測定するためにダイヤフラムに供給したい熱量の低減だけでなく、これにより生ぜしめられる温度差の低減も達成可能であるという利点を有している。この場合、同時に、センサエレメントもしくは熱伝導率センサの構造を簡単にすることができると共に安価にすることができる。このことは、熱電対によって温度測定が、温度フィーラとして使用される電気的な抵抗（サーミスタ）による温度測定に比べて極めて正確であることによって可能となる。したがって、熱伝導率センサの同じ感度で、基板材料に供給したい加熱出力を本発明により比較的僅かにすることができる。さらに、本発明によれば、有利には、ダイヤフラムの下側における基板カバーまたはキャップ封止が、表面マイクロマシニング技術による製作プロセスによる製作に基づきもはや不要となり、この下側のカバーが、熱伝導率センサを製作するための半導体アッセンブリの基板材料によってすでに設けられていることも可能である。したがって、下側カバーを製作しかつ被着するための製作ステップを本発明により省略することができる。これによって、コスト低減およびプロセス確実性の向上が生ぜしめられる。さらに、ダイヤフラムと基板材料との間に第１のキャビティが設けられていると有利である。これによって、ダイヤフラムと、このダイヤフラムに位置するエレメント、たとえば加熱エレメントもしくは温度測定エレメントが比較的良好に断熱されて配置されていることが可能となる。このことは、高精度の測定に通じる。さらに、温度測定エレメントに対して空間的な近傍に、規定されたヒートシンクが設けられていると有利である。これによって、本発明によれば、熱伝導率センサの測定精度をさらに向上させることが可能となる。

さらに、熱伝導率センサが、ダイヤフラムの、基板材料と反対の側に第２のキャビティを形成するカバーを有していると有利である。これによって、本発明によれば、簡単な手段により、規定された相互作用周辺もしくは規定された相互作用空間を、熱伝導率センサもしくは熱伝導率センサアッセンブリの測定エレメントと、測定しなければならない熱伝導率を備えた媒体との間に製作することが可能となる。

さらに、カバーが、第２のキャビティを熱伝導率センサの外側に接続するための開口を有していると有利である。

熱伝導率センサが、モノリシックにダイヤフラムと共に統合されて処理回路を有していると特に有利である。これによって、電子的な評価回路または評価回路の一部、たとえば（熱伝導率センサのセンサアッセンブリの）前置増幅器を容易に統合することが可能となる。処理回路によって、熱伝導率センサが、標準化された出力信号にトリミングされて設けられていると特に有利であり、これによって、完全な熱伝導率センサモジュールを形成するためのさらなるトリミング過程もしくはさらなる生産ステップを省略することができ、これによって、このモジュールを本発明により一層迅速に簡単にかつ廉価に製作することができる。

本発明の別の対象は、本発明による熱伝導率センサを製作するための方法である。この場合、ダイヤフラムが、有利には、表面マイクロマシニング技術による製作法によって基板材料に加工されているかまたは基板材料に被着されている。これによって、本発明によれば、有利には、第１に、ダイヤフラムの下側における裏側エッチング部もしくは空間領域を閉鎖するための裏側ウェーハが不要となることが可能であり、第２に、これによって、本発明によれば、慣用のテクノロジでの評価回路もしくは少なくとも評価回路の一部の製作に適合した、ダイヤフラムを製作するためのプロセスを使用することが可能となる。このことは、本発明による熱伝導率センサの製作コストを低減するかもしくは熱伝導率センサをより廉価に組込み可能にする。このことは、評価システムへの熱伝導率センサの組込み可能性に関係している。

本発明の別の対象は、本発明による熱伝導率センサを運転するための方法である。この場合、有利には、ダイヤフラムを少なくとも片側で取り囲む媒体の熱伝導率を測定するために、媒体もしくは少なくとも媒体の一部の温度上昇が、約２５ケルビンよりも著しく少ない温度上昇に設定されているかもしくは多くとも約２５ケルビンの範囲内の温度上昇に設定されている。これによって、一方では、熱伝導率センサアッセンブリ全体の熱的な負荷もしくは熱伝導率センサアッセンブリに関与する材料の熱的な負荷が減少させられ、他方では、熱伝導率センサを運転するために必要となる電気的な出力が減少させられる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、慣用の熱伝導率センサが概略的に示してある。基板材料１２０はダイヤフラム領域１３０を有している。この場合、このダイヤフラム領域１３０は、慣用の形式で特に裏側プロセス、すなわち、エッチング法、たとえばＫＯＨエッチングまたはトレンチエッチングによって製作されている。この場合、慣用の熱伝導率センサでは、いわゆる「バルクマイクロマシニングテクノロジ」による製作法も考慮される。ダイヤフラム領域１３０には、たとえば加熱抵抗としての加熱エレメント１３２が設けられている。さらに、ダイヤフラム領域１３０には、抵抗エレメント（サーミスタ１３３）の形の温度測定エレメントが設けられている。加熱抵抗１３２だけでなく温度測定エレメント１３３も、基板１２０内にまたは基板２０に設けられたコンタクティング電極もしくは相応のコンタクト領域１４０によって接続されており、これによって、これらの部分がコンタクティング可能となる。

このような慣用のセンサエレメントによる熱伝導率測定のためには、ダイヤフラム１３０が、加熱抵抗１３２による電気的な出力によって加熱される。温度依存性の別の抵抗（サーミスタ１３３）によって、ダイヤフラムの温度が測定される。供給された電気的な加熱出力と、ダイヤフラム１３０の温度との比較を介して、ダイヤフラム１３０を取り囲む媒体（図１には図示せず）の熱伝導率に関する情報を得ることができる。特に液状のかつガス状の媒体をこの方法で測定することができる。公知の熱伝導率センサエレメントでは、サーミスタ（温度測定エレメント１３３）による温度測定が比較的不正確であることが不利な影響を与える。したがって、熱伝導率センサエレメントの十分な感度を得るために、５〜５０ｍＷの範囲内の加熱出力が発生させられなければならない。これによって、センサダイヤフラム１３０を少なくとも部分的に取り囲む媒体の熱伝導率の測定の十分な精度と分解能とが達成される。この場合に生ぜしめられる差温度は、周辺温度を上回る２５Ｋ〜最大１５０ケルビンの範囲内にある。

図２には、基板２０とダイヤフラム３０とを備えた本発明による熱伝導率センサ１０が概略的な側面図もしくは横断面図で示してある。ダイヤフラム３０の下方もしくはダイヤフラム３０と基板材料２０との間には、熱伝導率センサ１０が、本発明によれば、第１のキャビティ３５を有している。本発明によれば、特に基板材料２０が第１のキャビティ３５を下側に対して、すなわち、熱伝導率センサの裏側に対して閉鎖するようになっている。ダイヤフラム３０の上側、すなわち、ダイヤフラム３０の、基板材料２０と反対の側には、本発明によれば、特に第２のキャビティ５５が位置している。この第２のキャビティ５５は、特にいわゆる「キャップウェーハ５０」もしくは別の基板５０の形のカバーによって実現されている。第２のキャビティ５５は、本発明によれば、特に熱伝導率センサ１０の周辺から接近可能である。このためには、開口５２がキャップウェーハ５０もしくは第２の基板５０に熱伝導率センサ１０の外側と第２のキャビティ５５との間の出入口として図示してある。本発明によれば、さらに、第１のキャビティ３５も、たとえばダイヤフラム３０に設けられた切欠きまたはこれに類するものによって開放されている、すなわち、第１のキャビティ３５と第２のキャビティ５５との間に出入口が設けられていることも可能である。

本発明によれば、ダイヤフラム３０内にまたはダイヤフラム３０に加熱エレメント３１と温度測定エレメント３２とが設けられている。この温度測定エレメント３２は、本発明によれば、特に熱電対（熱電対列）として設けられている。

さらに、本発明による熱伝導率センサ１０の基板２０内または基板２０には、回路２１もしくは評価回路領域２１が設けられている。この評価回路領域２１は評価回路２１の少なくとも一部を有しており、これによって、温度測定エレメント３２の信号および／または加熱エレメント３１の信号または両エレメントの運転電圧も容易に発生させることができるかもしくは測定することができる。

本発明によれば、特に熱伝導率センサ１０が、規定されたヒートシンクを、特にセンサダイヤフラム３０の周辺に有していることが提案されている。なぜならば、さもないと、信号の強い変動が生ぜしめられるからである。慣用のセンサでは、このことは、チップのキャップ封止によって達成される。この場合、このためには、カバーウェーハだけでなくボトムウェーハも必要となる。このことは、本発明による熱伝導率センサでは不要である。なぜならば、従来必要な両ウェーハの少なくとも一方を節約することができるからである。

本発明によれば、熱伝導率センサは、たとえば空気中の水素を認知するために使用することができる。なぜならば、水素が空気に比べて比較的高い熱伝導率を有しているからである。これによって、本発明による熱伝導率センサは、水素原動機（内燃機関または燃料電池）を備えた車両におけるリークを認知するために適している。ＣＯ_２が空気に比べて僅かな熱伝導率を有しているという事実に基づき、本発明による熱伝導センサ１０によって、空気中の高められたＣＯ_２割合を測定することもできる。このことは、二酸化炭素を冷媒として使用する空調装置（Ｒ７４４空調装置）に関連した二酸化炭素センサとしての使用に対して極めて有利である。本発明による熱伝導率センサは、温度測定エレメント３２としての熱電対もしくは熱電対列の使用における温度差に対する比較的高い感度に基づき、周辺温度に対する高い温度差が、特にガス（または液体）の熱伝導率を測定するために不要となるという利点を有している。熱伝導率センサ１０の感度のさらなる改善は、本発明によれば、ダイヤフラム３０が、表面マイクロマシニングにより製作されたダイヤフラム３０として設けられていることによって得られ、これによって、このダイヤフラム３０の下方のこのダイヤフラム３０と基板材料２０との間の精密なかつ比較的僅かな間隔が調整可能となる。これによって、規定されたヒートシンクをセンサダイヤフラム３０の領域に本発明により実現することができる。表面マイクロマシニングにより製作されるこのようなダイヤフラム３０を製作するためには、たとえばエッチング法、たとえばＣＩＦ３エッチング法によって、複数の孔が基板にのちのダイヤフラム３０の領域で形成される。次いで、第１のキャビティ３５が、多孔質にエッチングされたシリコン領域の、空洞を形成するような熱的な取囲みによって形成されるかまたは多孔質にエッチングされた領域へのダイヤフラム材料の析出と、引き続き、第１のキャビティ３５の箇所に位置するシリコン材料の除去とによって形成される。これによって、本発明によれば、ダイヤフラム３０が一方の側でヒートシンク、特に基板材料２０から規定された間隔を置いて位置していることが可能となる。このことは、センサのよりコンスタントな信号を生ぜしめ、したがって、センサ感度を著しく改善する。さらに、本発明によれば、熱伝導率センサがキャップもしくはカバー５０、特にキャップウェーハまたはこれに類するものを有していると有利である。このカバー５０は、本発明によれば、特に孔５２または開口５２または切欠き５２を有している。この孔５２を通して、測定したい熱伝導率を備えたガスまたは一般的に流体がセンサエレメント１０内に拡散することができるかもしくは流入することができる。これによって、熱伝導率センサ１０が十分に周辺影響から絶縁され、一層コンスタントな信号を供給する。ダイヤフラム３０に設けられた温度測定エレメント３２としての熱電対列構造体（熱電対列）または熱電対の使用のさらなる利点は、この温度測定エレメント３２が、従来使用される電気的な抵抗としての温度測定エレメントよりも著しく感温性であり、他方では、純粋に受動的な抵抗変化の代わりに、能動的な出発電圧を供給することである。これによって、熱伝導率センサ１０もしくは熱伝導率センサ１０の測定エレメントのより高い感度により、熱伝導率センサ１０の、改善された分解能が達成され、また、電気的な加熱出力を最小限に抑えるという可能性が開かれる。このことは、場合により継続運転が所望されているリークセンサとしてのセンサ１０の使用時に利点を提供する。さらに、本発明によれば、表面マイクロマシニングによる製作形式での提案された熱伝導率センサ１０の構造に基づき、電子的な評価装置もしくは電子的な評価回路もしくは電子的な評価回路の一部、たとえば前置増幅器を熱伝導率センサに統合することが可能となる。これによって、たとえば熱伝導率センサ１０を、標準化された出発信号にトリミングすることができる。さらに、本発明によれ熱伝導率センサ１０では、有利には、センサ信号に対する周辺条件の極めて僅かな影響、センサ測定エレメントのより高い感度および能動的なセンサ信号に基づく一層良好な評価可能性が可能となる。さらに、より高い感度と同時により低い温度差に基づき測定することができる。これによって、より僅かな出力消費が生ぜしめられる。評価回路もしくは評価回路の一部の統合によって、チップ平面に対するトリミングと、センサエレメントもしくは熱伝導率センサ１０の測定エレメントの場所無関係な組付けとが、制御機器もしくは評価電子装置と無関係に可能となる。この制御機器には、トリミングされていない信号が、場合により、それほど良好にコントロールすることができない線路を介してもしくはより大きな距離を越えて搬送されなければならない恐れがある。さらに、本発明による熱伝導センサ１０は、その有利な構造技術に基づき、この熱伝導センサ１０を、たとえばチップオンボードまたはフリップチップエレメントとして容易に処理することができ、たとえば制御機器または空調装置もしくは完全な車両モジュールに組み込むことができるという利点を有している。

慣用の熱伝導率センサの概略的な平面図である。 本発明による熱伝導率センサの概略的な横断面図である。

符号の説明

１０ 熱伝導率センサ、 ２０ 基板、 ２１ 回路、 ３０ ダイヤフラム、 ３１ 加熱エレメント、 ３２ 温度測定エレメント、 ３５ キャビティ、 ５０ キャップウェーハ、 ５２ 開口、 ５５ キャビティ、 １２０ 基板、 １３０ ダイヤフラム、 １３２ 加熱エレメント、 １３３ 温度測定エレメント、 １４０ コンタクト領域

Claims (9)

1. 熱伝導率センサ（１０）であって、基板材料（２０）とダイヤフラム（３０）とが設けられており、該ダイヤフラム（３０）内にまたは該ダイヤフラム（３０）に加熱エレメント（３１）と温度測定エレメント（３２）とが設けられている形式のものにおいて、ダイヤフラム（３０）が、表面マイクロマシニング技術により形成されたダイヤフラム（３０）として設けられており、温度測定エレメント（３２）が、熱電対として設けられていることを特徴とする、熱伝導率センサ。
2. ダイヤフラム（３０）と基板材料（２０）との間に第１のキャビティ（３５）が設けられている、請求項１記載の熱伝導率センサ。
3. 温度測定エレメント（３２）に対して空間的な近傍に、規定されたヒートシンクが設けられている、請求項１または２記載の熱伝導率センサ。
4. 当該熱伝導率センサ（１０）が、ダイヤフラム（３０）の、基板材料（２０）と反対の側に第２のキャビティ（５５）を形成するカバー（５０）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の熱伝導率センサ。
5. カバー（５０）が、第２のキャビティ（５５）を当該熱伝導率センサの外側に接続するための開口（５２）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の熱伝導率センサ。
6. 当該熱伝導率センサ（１０）が、モノリシックにダイヤフラム（３０）と共に統合されて処理回路（２１）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の熱伝導率センサ。
7. 処理回路（２１）によって、当該熱伝導率センサ（１０）が、標準化された出力信号にトリミングされて設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の熱伝導率センサ。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の熱伝導率センサ（１０）を製作するための方法において、ダイヤフラム（３０）を、表面マイクロマシニング技術による製作法によって基板材料（２０）に加工するかまたは基板材料（２０）に被着することを特徴とする、熱伝導率センサを製作するための方法。
9. 請求項１から７までのいずれか１項記載の熱伝導率センサ（１０）を運転するための方法において、ダイヤフラム（３０）を少なくとも片側で取り囲む媒体の熱伝導率を測定するために、媒体の温度上昇が、約２５Ｋよりも少ない温度上昇に設定されていることを特徴とする、熱伝導率センサを運転するための方法。

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