JPH0943018A - 質量流量センサ - Google Patents
質量流量センサInfo
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- JPH0943018A JPH0943018A JP8152573A JP15257396A JPH0943018A JP H0943018 A JPH0943018 A JP H0943018A JP 8152573 A JP8152573 A JP 8152573A JP 15257396 A JP15257396 A JP 15257396A JP H0943018 A JPH0943018 A JP H0943018A
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Abstract
フレーム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、同様に金属層より形成さ
れた熱伝動部材20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。 【効果】 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。
Description
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。
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。
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。
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動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。
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。
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。
示した実施例について説明する。
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。
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。
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。
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2
0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10
0μm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。
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。
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
動部材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。
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。
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。
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3
0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。
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。
る。
ある。
面図である。
面図である。
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)
- 【請求項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
成された熱伝動部材(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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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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