JP3889831B2 - 質量流量センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶の珪素より成るフレームと、該フレーム内に張設されたダイヤフラムとを備えた質量流量センサ（マスフローセンサ）であって、ダイヤフラム上に、金属層より形成された加熱体が配置されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＳ４８８８９８８号明細書によれば、単結晶の珪素より成るフレームを備え、該フレーム内に誘導性の材料より成るダイヤフラムが張設されている質量流量センサが公知である。ダイヤフラム上には１つの加熱体と多数の温度測定部材とが配置されており、これらの温度測定部材は金属層より形成されている。ダイヤフラムの正確な同品質性を得るために、強くドーピングされたエッチングによるフレームが設けられており、該フレームによって、ダイヤフラムの外側寸法が規定される。エッチングによるフレームに対する加熱部材の位置決めの精度は、金属層の写真平版による組織形成における位置決め精度に基づいている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、冒頭に述べた形式の質量流量センサを改良して、加熱部材を正確に位置決めすることができるようにすることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決した本発明によれば、ダイヤフラムの縁部に、同様に金属層より組織形成された熱伝導部材が配置されており、該熱伝導部材が、ダイヤフラムから、単結晶の珪素より成るフレームまで延びている。
【０００５】
【発明の効果】
本発明によれば、熱伝導部材を加熱部材に対して特に正確に位置決めすることができるという利点が得られた。これによって、加熱部材からダイヤフラムを通じての繰り返し可能な熱流が確実に得られる。またセンサの左右対称構造が得られる。
【０００６】
請求項２以下に記載した手段によって、請求項１に記載した質量流量センサの有利な実施例及び改良が可能である。特に簡単な構成によれば、ダイヤフラムは、フレームの上面に亙って延びるダイヤフラム層から形成される。この場合、開口を設けると有利である。この開口によって、熱伝導部材がフレームの珪素に熱的に直接接続される。これによって、珪素フレーム内への熱伝導部材の熱流が改善される。白金は、金属層のために特に適した材料である。別の金属層によって、熱伝導部材の熱伝導率が改善される。別の金属層が金属層の上側又は下側に直接配置されていれば、特に良好な改善が得られる。別の金属層を配置する別の可能性は、この別の金属層が誘電層によって金属層から分離されているという点にある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に示した実施例について説明する。
【０００８】
本発明による質量流量センサの、図１は平面図、図２は横断面図を示す。質量流量センサは、単結晶の珪素より成るフレーム１を有しており、該フレーム１内にダイヤフラム２が張設されている。このダイヤフラム２上に１つの加熱体３と２つの温度センサ４とが配置されている。加熱体３と温度センサ４とは、プリント基板５によって接触されていて、ボンドパッド６によって外部の運転及び評価回路に接続可能である。ダイヤフラム２の縁部領域内には条片状（ストリップ状）の熱伝導部材２０が設けられていて、該熱伝導部材２０は、ダイヤフラム２と珪素より成るフレーム１とを覆っている。
【０００９】
加熱体３によって、ダイヤフラム２は、周囲温度を下回る温度に加熱される。矢印７０によって示された媒体流特に空気流が、ダイヤフラム２の上側に沿って流れると、この媒体流によってダイヤフラム２は冷却される。ダイヤフラム２のこの冷却は、図示の実施例では２つの温度センサ４によって評価され、この際に上流側に配置された温度センサ４が、下流側に配置された温度センサ４よりも強く冷却される。また選択的に、加熱体３の抵抗を測定することによってダイヤフラムの冷却を規定することも可能である。さらにまた、その他の形状のすべての温度センサを個別で使用してもよい。加熱体３は、流体によって貫流される抵抗体である。流体の流れは加熱体３を加熱することによって生ぜしめられる。温度センサ４は同様に、抵抗が温度に基づいて変化する材料より成る抵抗体である。加熱体３及び温度センサ４のために特に適した材料は白金である。白金は、特に優れた化学的な耐久性及び、抵抗の高い温度依存性を有している。しかしながらこのようなセンサのために別の金属層を使用してもよい。
【００１０】
加熱体３及び温度センサ４の製造は、有利には完全に平面的な金属層が析出
(abscheiden)されることによって製造される。次いでこの完全に平面的な金属層から、加熱体３及び温度センサ４が、写真平版及びエッチングによって組織形成(herausstruktrieren)される。この時に同時に、プリント基板５及びボンドパッド(Bondpad)６が形成される。ダイヤフラム２のためには一般的にダイヤフラム層７が設けられており、このダイヤフラム層７はまず珪素基板の表面を全面的に覆う。次いで珪素基板に、裏側から切欠８がエッチングによって形成される。この切欠８は裏側からダイヤフラム層７まで達している。この切欠８を取ってフレーム１も形成される。これによって珪素より成るフレーム１が形成され、このフレーム１の表面にはダイヤフラム層７が延びている。切欠８の形成は、任意の精度で行われる。従って、ダイヤフラム層２の幾何学的な寸法若しくは、ダイヤフラム２上の加熱体３の正確な位置は、ある程度ばらつきがある。この場合に問題となるのは、質量流量センサの特性曲線つまりセンサ信号が、流れの機能として、ダイヤフラム２の寸法によって影響されるということである。このことは、加熱体３によって生ぜしめられた熱の大部分が、流過する媒体によって冷却されるのではなく、ダイヤフラム層７を介して若しくはセンサの上側面に設けられた不動態層(Pssivierungsschicht)９を介して、珪素より成るフレーム１に向かって流れることによる。この割合は、ダイヤフラム２の幾何学的な寸法が変化すると変わる。センサ信号の評価が温度センサ４によって行われると、センサ信号は、フレーム１に対する温度センサ４の相対位置にも関連する。この場合、いずれかの形状において、２つの温度センサ４によって信号差が形成される場合には妨げとなる。何故ならば、この場合には、フレーム１に対する温度センサ４の非対称的な配置が、センサの特性曲線の相応の非対称性において目立つようになるからである。従って、センサの質的に高価値の特性曲線を確実に得るために、熱の流れをダイヤフラム２によって正確に制御できるようにすることが望ましい。
【００１１】
このために、ダイヤフラム２の縁部領域内に熱伝導部材２０が設けられている。図１及び図２にストリップ状の熱伝導部材として構成された熱伝導部材２０は、ダイヤフラム２及びフレーム１の縁部領域を覆っている。熱伝導部材２０は、加熱体３及び温度センサ４を製造するのと同様の製造段階で、金属層から写真平版（photolithographisch)によってその組織が形成される。すべての組織は、各マスク(Mask)上に設けられているので、温度センサ４若しくは加熱体３に対する加熱部材２０の高い精度の相対位置が得られる。図２に示されているように、製造時に、切欠８に対する金属層の組織を形成するためのマスクの所定の調整ずれが生じても、ダイヤフラム内における熱導出のための条件は一定である。これは、ダイヤフラム層７の熱伝導率が、熱伝導部材２０の熱伝導率よりも低いからである。これは特に、材料の選択による。ダイヤフラム層７のためには、１．６若しくは１５kcal／mh℃の熱伝導率を有する珪素酸化物及び珪素窒化物より成る薄い層が使用される。ダイヤフラム層７の典型的な厚さは１〜２μｍ、また金属層の厚さは０．１〜０．３μｍ、フレーム１の厚さは数１００μｍである。従ってフレーム１の熱伝導率は、ダイヤフラム２若しくは金属層に対して任意の大きさである。金属層の厚さは薄いにも拘わらず、ダイヤフラムに比較して金属の熱伝導率が高いことによって良好な熱伝導率が得られる。加熱体３若しくは温度センサ４に対する、熱伝導部材２０の相対的な配置において得られる高い精度によって、特性曲線の改善が得られる。この場合特に、図１及び図２に示された加熱体が、センサを製造する際に付加的な費用を必要としないので有利である。
【００１２】
センサの製造は、まず珪素基板からはじまる。珪素より成る基板の表側に、珪素酸化物、珪素窒化物又はこれと類似の材料より成るダイヤフラム７が析出される。次いでダイヤフラム層７上に、全面的に金属層が塗布される。この金属層から、写真平版及びエッチングによって加熱体３、温度センサ４、プリント基板５、ボンドパッド及び熱伝導部材２０が組織形成される。プリント基板５とボンドパッド６とは別の材料から成っていてもよい。プリント基板５とボンドパッド６とは、金属層を形成する前又は後で、塗布され形成される。次いで選択的に、センサの表面が、誘電的な保護層９によって覆われる。別のプロセス段階において、切欠８が裏側からエッチングによって形成される。これによってフレーム１が得られ、ダイヤフラム２の寸法が確定される。この際に、切欠８の絶対寸法若しくは、加熱体３に対する位置を固定することは困難である。
【００１３】
図３には、センサの別の実施例が示されている。このセンサの構成は、ほぼ図１及び図２に示したものに相当するので、同じ作用を有する部分は、同じ符号を有している。しかしながらこの図３に示したセンサは、図１及び図２に示したセンサとは異なり、フレーム１の珪素に直接接触する熱伝導部材２１が設けられている。このために、ダイヤフラム層７にはフレーム１に開口が設けられており、この開口内に、熱伝導部材２１の金属層が珪素上に直接載っている。これらの開口は、熱伝導部材２１若しくは加熱体３及び温度センサ４が組織形成される金属層を析出される前に、製造される。熱伝導部材２１と珪素との間には、熱伝導率の悪いダイヤフラム層７が設けられているので、熱伝導部材２１の熱伝導率は改善され、これによってセンサの特性曲線も改善される。
【００１４】
図４には、熱伝導部材の別の構成の平面図が示されている。簡略化のために、加熱体３及び、該加熱体３を少なくとも３カ所で完全に取り囲むＵ字形の熱伝導部材２２だけが示されている。プリント基板５が加熱体３に近づけられる箇所だけに、熱伝導部材２２に隙間が設けられている。
【００１５】
図５〜図７には、別の実施例によるセンサの横断面図が示されている。これらのセンサは、単結晶の珪素より成るそれぞれ１つのフレーム１を有しており、該フレーム１内に、ダイヤフラム層７より成るダイヤフラム２が張設されている。さらにまた、それぞれ１つの加熱体３と２つの温度センサ４とが設けられている。図２に示した実施例と比較して、図５〜図７のセンサは、熱伝導部材の構成だけが示されている。
【００１６】
図５では、熱伝導部材２０上に別の金属層３０が設けられている。この金属層３０は、熱伝導部材２０を通って流れる熱流の一部を受容する。図６には、熱伝導部材２０が不動態層９によって覆われていて、不動態層９の上側で熱伝導部材２０の上には別の金属層３０が設けられている。図７では、別の金属層３０が、ダイヤフラム層７のすぐ下側で熱伝導部材２０の下に配置されている。
【００１７】
別の金属層３０は、熱伝導部材２０を通って流れる熱流の一部を受容することができる部材を成している。別の金属層３０が、熱伝導部材２０と同じ精度で形成することができれば、この別の金属層３０は、同じ程度で特性曲線を改善するために役立つ。しかしながら別の金属層３０は、一般的に別個の製造段階で製造されるので、この別の金属層３０の位置決め精度は一般に低い。この別の金属層の製造精度が、切欠８を形成することができる精度よりも高い限りにおいて、別の金属層３０によって、センサの特性曲線の改善が得られる。一般的に、製造段階において、いずれにしても、例えばプリント基板５、ボンドパッド６のために又はその他の理由により、別の金属層を使用する必要がある場合には、別の金属層が設けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例によるセンサの平面図である。
【図２】図１に示したセンサの横断面図である。
【図３】別の実施例によるセンサの横断面図である。
【図４】別の実施例によるセンサの平面図である。
【図５】本発明の別の実施例によるセンサの横断面図である。
【図６】本発明のさらに別の実施例によるセンサの横断面図である。
【図７】本発明のさらに別の実施例によるセンサの横断面図である。
【符号の説明】
１ フレーム、 ２ ダイヤフラム、 ３ 加熱体、 ４ 温度センサ、 ５プリント基板、 ６ ボンドパッド、 ７ ダイヤフラム層、 ８ 切欠、 ９ 不動態化層、 ２０，２１，２２ 熱伝導部材、 ３０ 金属層

Claims (9)

1. 単結晶の珪素より成るフレーム（１）と、該フレーム（１）内に張設されたダイヤフラム（２）とを備えた質量流量センサであって、ダイヤフラム（２）上に、金属層より形成された加熱体（３）が配置されている形式のものにおいて、
   ダイヤフラム（２）の縁部に、同様に金属層より組織形成された熱伝導部材（２０，２１，２２）が配置されており、該熱伝導部材が、ダイヤフラム（２）から、単結晶の珪素より成るフレーム（１）まで延びていることを特徴とする、質量流量センサ。
2. ダイヤフラム（２）がダイヤフラム層（７）より形成されていて、該ダイヤフラム層（７）がフレーム（１）の上側にも延びている、請求項１記載の質量流量センサ。
3. ダイヤフラム層（７）がフレーム（１）の領域内で開口を有しており、該開口を通して熱伝導部材（２１）がフレーム（１）の珪素に直接接触している、請求項２記載の質量流量センサ。
4. 金属層が白金より成っている、請求項１から３までのいづれか１項記載の質量流量センサ。
5. ダイヤフラムが珪素酸化物及び又は珪素窒化物より成っている、請求項１から４までのいづれか１項記載の質量流量センサ。
6. 熱伝導部材（２０，２１，２２）上に別の金属層（３０）が設けられている、請求項１から５までのいづれか１項記載の質量流量センサ。
7. 熱伝導部材（２０，２１，２２）上に、誘電性の不動態化層と、その上に別の金属層（３０）とが設けられている、請求項１から５までのいづれか１項記載の質量流量センサ。
8. 熱伝導部材（２０，２１，２２）の下側に別の金属層（３０）が設けられている、請求項１から５までのいづれか１項記載の質量流量センサ。
9. 加熱体（３）のそれぞれの側でダイヤフラムに温度センサ（４）が設けられており、該温度センサ（４）が同様に金属層より形成されている、請求項１から８までのいづれか１項記載の質量流量センサ。

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