KR20130103323A - 공기 질량 계측기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 센서 칩을 포함하는 공기 질량 계측기에 관한 것으로, 센서 칩은 마이크로전자기계 시스템으로 구성되고, 센서 요소, 전자 평가 회로 및 전자 발진기를 포함하며, 접착제로 운반 요소에 고정된다. 특히 신뢰성 있고 정확한 방식으로 데이터를 평가할 수 있게 하는 공기 질량 계측기를 구체화하기 위해서 센서 칩(2)은 제 1 영역(10)과 제 2 영역(9)으로 나누어지고, 센서 칩(2)은 오로지 제 1 영역(10)에서만 접착제(6)로 운반 요소(7)에 고정되며, 센서 요소(4)와 발진기(3)는 제 2 영역(9)에 배치된다.

Description

공기 질량 계측기{AIR MASS METER}
본 발명은 센서 칩을 구비하는 공기 질량 계측기에 관한 것으로서, 상기 센서 칩은 마이크로전자기계 시스템으로 구성되고, 센서 요소, 전자 평가 회로, 및 전자 발진기를 포함하며, 여기서 상기 센서 칩은 접착제로 운반 요소에 부착되어 있다.
공기 질량 계측기는 유동 채널 내에서 유체의 질량 유량을 기록하기에 적합하다. 이러한 형태의 유동 채널은, 예를 들면, 내연기관의 흡입관일 수 있다. 공기 질량 계측기에 의해 기록된 질량 유량에 따라, 예를 들면, 내연기관의 운전에 대해 진단이, 수행될 수 있고, 또한 내연기관의 제어도 수행될 수 있다. 이러한 목적을 위해 현재의 질량 유량에 대한 신뢰성 있고 높은 정밀 기록은 다양한 운전 조건 하에서 또한 중요하다.
DE 197 24 659 A1은 센서 요소를 포함하는 질량 유량 센서 장치를 개시한다. 상기 센서 요소는 개별 칩 상에 배치되고 통합된다. 또한, 평가 전자장치도 개시되어 있는데, 이는 개별적으로 구성되지만, 센서 유닛에 전기적으로 결합된다.
DE 101 35 142 A1은 질량 유량 센서의 센서 요소가 그 내부에 배치되는 하우징 바디를 갖는 질량 유량 센서 장치를 개시한다. 상기 하우징 바디는 유입부를 포함하고, 이 유입부로부터 매체 유동이 상기 센서 요소가 안에 배치되는 측정 덕트 내로 유입된다. 또한, 상기 하우징 바디는 배출 개구를 포함하고, 이 배출 개구로부터 액체 입자와 고체 입자가 유동하여, 측정 도관을 통과하여 유동한다.
본 발명의 목적은 특히 신뢰성 있고 정확한 데이터 평가를 가능하게 하는 공기 질량 계측기를 개시하기 위한 것이다.
상기 목적은 독립항의 특징들을 통해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들에서 특징 지어져 있다.
본 발명은 센서 칩이 제 1 및 제 2 영역으로 나누어지고, 여기서 센서 칩을 운반 요소에 접착제로 부착한 것은 오로지 제 1 영역에서만 실행되며, 센서 요소와 발진기는 제 2 영역에 배치되지는 것을 특징으로 한다. 센서 칩을 운반 요소에 결합하는 것은 열 영향으로 인해 매우 큰 재료 응력이 발생할 수 있는 제 1 영역에서 이루어진다. 운반 요소와 센서 칩 재료의 상이한 열팽창 계수는 재료 응력을 발생시키는데, 이는 특히 특정 전자 회로에서 작용한다. 발진기와 센서 요소는 제 2 영역에 배치되어 있기 때문에 열 재료 응력에 영향을 받지 않는다. 따라서 발진기는 매우 안정적이 되어, 데이터 처리에 이용가능한 고품질의 시간표준을 결과시킨다. 또한, 센서 요소는 기계적인 하중에 대한 무응력(stress-free) 배치에 의해 보호되어, 한편으로는 그것의 서비스 수명을 증가시키고, 다른 한편으로는 특히 질량 유량의 정확한 측정을 허용한다.
유리한 실시예에서, 운반 요소는 스탬핑된 시트 금속 부품으로 구성된다. 스탬핑된 시트 금속 부품들은 리드 프레임으로 또한 공지되어 있고, 그것들은 유리한 생산 비용으로 인해 널리 사용되고 있다. 스탬핑된 시트 금속 부품들은 특히 센서 요소를 위한 운반체와 자동차 산업을 위한 전자 회로로서 특히 유리한 것으로 판명되었다.
또 다른 유리한 실시예에서 센서 요소는 박막(membrane)의 형태이다. 제 1 및 제 2 온도 센서와 가열 요소는 박막 위에 형성될 수 있다. 이러한 방법으로 설계된 센서 요소는 특히 양호한 센서 특성을 갖는다. 통과하여 유동하는 공기 질량은 이 센서 요소로 매우 정확하고 빠르게 감지될 수 있다.
본 발명은 특히 신뢰성 있고 정확한 데이터 평가를 가능하게 하는 공기 질량 계측기를 제공하는 효과가 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 도면을 사용하여 하기에 상세히 기술된다. 동일한 설계 또는 기능의 요소들은 동일한 참조 번호로 모든 도면에서 특징 지어져 있다. 도면에 있어서:
도 1은 공기 질량 계측기의 측면도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 공기 질량 계측기의 평면도를 도시한다.
도 3은 유동 채널 내의 설치 위치에 있는 도 1 및 2에 도시된 공기 질량 계측기를 도시한다.
도 1은 센서 칩(2)과 운반 요소(7)를 갖는 공기 질량 계측기(1)를 도시한다. 운반 요소(7)는 리드 프레임의 형태일 수 있다. 상기 센서 칩(2)은 평가 전자장치(5), 센서 요소(4), 및 발진기(3)를 포함한다. 상기 센서 요소(4)는 마이크로기계 가공법에 의해 센서 칩(2)에 박막형태로 장착될 수 있다. 상기 발진기(3)는 전자 회로의 형태이고, 정밀하고 정확한 데이터 처리에 필요하다. 여기서 상기 발진기(3)가 매우 정확하고 항상 일정한 주파수로 진동하는 것이 중요하다. 센서 칩(2)은 접착제(6)로 운반 요소(7) 상에 장착된다. 운반 요소(7)는, 예를 들면, 금속으로 만들어질 수 있고, 센서 칩(2)은 실리콘으로 이루어져 있다. 금속과 실리콘은 상이한 열팽창 계수를 가지며, 이는 제 1 영역(10)의 센서 칩(2) 상에서 기계적인 응력에 대한 온도 변화를 일으킬 수 있다. 이러한 기계적인 응력은 전자 회로의 작동에 교란 효과를 일으킬 수 있다. 센서 칩(2)은 무응력 상태인 제 2 영역(9)을 포함하는데, 이는 운반 요소(7)에 접착제 연결을 갖지 않기 때문이다. 상기 발진기(3)와 상기 센서 요소(4) 모두 제 2 영역에 형성된다. 무응력 상태인 제 2 영역(9)에 센서 요소(4)와 발진기(3)의 배치는 공기 질량 계측기(1)의 매우 정확한 측정 결과로 이어진다. 한편으로 발진기(3)는 정확하게 정해진 일정한 주파수로 진동할 수 있고, 다른 한편으로 센서 요소(4)에 장착된 전자 소자들은 기계적 하중을 받지 않고 그 결과 공기 질량 유량의 특히 정확한 감지가 이루어질 수 있다. 또한, 도 1에서는 본딩 와이어(8)를 볼 수 있는데, 센서 칩(2)을 운반 요소(7)에 전기적으로 연결한다. 예를 들면, 리드 프레임의 형태일 수 있는 운반 요소(7)를 경유하여, 자동차의 하류측 전자장치에 연결될 수 있다. 이것은, 예를 들면, 엔진 컨트롤러일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 공기 질량 계측기의 평면도를 도시한다. 이것은 발진기(3), 센서 요소(4), 및 평가 전자장치(5)를 포함하는 센서 칩(2)을 도시한다. 운반 요소(7)에 센서 칩(2)을 연결하는 접착제(6)는 평가 전자장치(5) 아래에 도시되어 있다. 접착제(6)로 센서 칩(2)과 운반 요소(7) 사이를 연결한 결과, 온도 변화로 인해 기계적인 응력이 가해지는 제 1 영역(10)이 존재한다. 발진기(3)와 센서 요소(4)는 완전 무응력 상태인 제 2 영역(9)에 배치된다. 또한, 센서 칩(2)을 운반 요소(7)에 전기적으로 연결하는 본딩 와이어(8)를 볼 수 있다.
공기 질량 계측기(1)는 도 3에 도시되고, 예를 들면, 자동차에 배치될 수 있다. 공기 질량 계측기(1)는 유체 유동, 예를 들면, 공기 유동이 배치될 수 있는 유동 채널(11)에 배치된다. 유동 채널(11)은, 예를 들면, 하우징 바디(13)의 바이패스 채널로서 형성되고, 바람직하게는 자동차의 내연기관의 흡입관 내에 있는 공기 필터의 하류에 배치된다. 유동 채널(11)은 바이패스 채널(13)의 상부 채널 벽(10)과 하류 채널 벽에 의해 경계가 정해진다. 하우징 바디(13)는 예를 들면 모래 입자 또는 먼지 입자와 같은 큰 입자는 운반하지 않고, 공기 질량 계측기(1)의 바이패스 채널의 기설정된 코스 상의 흡입관 내로 공기 유동의 일부를 공급하도록 대개 구성된다. 이러한 입자는 공기 질량 계측기(1)를 손상시켜 사용할 수 없게 만들 수 있다.
상기 유동 채널(11) 내에서 유체 유동의 기설정된 유동 방향(12)은 화살표에 의해 도 3에 도시되어 있다.
상기 공기 질량 계측기(1)의 센서 칩(2)은 바람직하게는 마이크로전자기계 시스템(MEMS)의 형태이다. 평가 전자장치(5), 센서 요소(4), 및 발진기(3)는 센서 칩(2) 상에 통합된다.
상기 센서 요소(4)는 자기지지형 박막을 포함하고, 자기지지형 박막은, 예를 들면, 실리콘 질화물 및/또는 실리콘 산화물 층의 형태이며, 예를 들면, 5 ㎛의 박막 두께를 갖는다. 박막은 센서 칩(2)의 프레임에 배치된다. 박막의 생산은, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼를 에칭하여 만들어지고, 실리콘 질화물 및/또는 실리콘 산화물 층으로 코팅된다. 제 1 및 제 2 온도 센서와 가열 요소는, 예를 들면, 박막에 장착된다. 제 1 및 제 2 온도 센서는, 예를 들면, 열전 소자의 형태로서, 각각은 제백효과(Seebeck effect)를 기초로 각각의 전압을 제공하고, 각각의 전압은 각각의 온도를 나타내며, 각각의 온도는 각각의 온도 센서에 의해 감지된다. 원칙적으로 전문가에게 알려진 제 1 및 제 2 온도 센서들의 다른 실시예들, 예를 들면, 온도 의존성 저항들 또한 가능하다. 가열 요소는, 예를 들면, 저항 요소의 형태이고, 바람직하게는, 공기 질량 계측기(1)의 중앙의 종축을 따라 박막 상에 배치된다. 저항 요소는 하나 이상의 전도 트랙(track)을 포함하고, 전도 트랙은 상기 하나 이상의 전도 트랙을 통과하는 전류 흐름으로 인해 박막을 가열시킨다. 바람직하게는, 제 1 및 제 2 온도 센서들은 상기 박막의 표면 상에 배치되고, 가열 요소 또한 그 위에 배치된다. 제 1 및 제 2 온도 센서들은 가열 요소로부터 가열 요소의 반대면 상에 측방향으로 배치된다.
상기 공기 질량 계측기(1)는 바람직하게는 상기 센서 요소(4)와 평가 전자장치(5)가 배치되는 센서 칩(2)의 표면이 유체 유동의 유동 방향과 본질적으로 평행하게 배향되는 방식으로 유동 채널(11) 내에 배치된다.
상기 평가 전자장치(5)는 제 1 및 제 2 온도 센서들의 각각의 허용 전압과 이들 센서에 의해 나타난 감지 온도에 따라 온도 차이를 결정하고, 그 결과에 따라 센서 신호를 센서 칩(2) 상에 통합된 출력측 상의 연결부로 제공하도록 설계된다. 센서 신호는 유동 채널(11)을 통과하는 유체 유동의 질량 유량을 나타낸다. 상기 연결부는, 예를 들면, 결합 패드의 형태일 수 있으며, 본딩 와이어(8)로 운반 요소(7)에 전기적으로 연결가능하게 하며, 하류측 자동차 전자장치에도 전기적으로 연결가능하게 한다.
상기 평가 전자장치(5)는 공기 유동 내의 먼지 입자에 의한 손상을 방지하기 위해서 적어도 부분적으로 센서 칩 S 상에 보호층 C으로 코팅될 수 있다. 바람직하게는 평가 전자장치(5) 일부만이 보호층으로 코팅되고, 보호층은 특히 자동차의 내연기관의 운전 중에 유동 채널 FC 내의 유체 유동에 직접적으로 노출되게 된다. 그러나 선택적으로, 센서 칩(2) 상의 평가 전자장치(5)의 전체부분이 보호층으로 코팅될 수 있다. 보호층은 센서 요소(4)가 코팅되지 않는 방식으로 센서 칩(2)에 적용된다.
보호층은 바람직하게는 폴리이미드층의 형태로서, 센서 칩(2)의 해당 부분 상에 MEMS 가공 단계들로 제조되는 질량 유량 센서 LMM의 생산 단계 동안 적용된다. 보호층이 적용되기 전에, 질량 유량 센서 LMM는 바람직하게는 질량 유동을 감지하기 위해 이미 설치 또는 제조되고/되거나 이미 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리이미드 수지는 용매에 용해될 수 있고 센서 칩(2)의 해당 부분 상에 분무될 수 있다. 그 후 용매는 증발하고 센서 칩 S의 가열에 의해 준비된 폴리이미드층에서 반응이 일어난다. 예를 들면, 유체 유동 내의 입자 및 수분으로부터 충분한 보호를 보장하기 위해서 5 ㎛ 두께의 층이 적용된다. 초기에는 전체 센서 칩 S이 폴리이미드층의 대상이 되고, 이후 생산 단계에서 폴리이미드층은 센서 요소 SU 부분과 센서 칩 S의 임의의 추가 부분으로부터 선택적으로 제거될 수 있다. 대안으로, 폴리이미드층은 단일 생산 단계에서 센서 칩 S에 선택적으로 적용될 수 있고, 여기서 적어도 센서 요소(2) 부분들은 생략될 수 있다.
1: 공기 질량 계측기 2: 센서 칩
3: 전자 발진기 4: 센서 요소
5: 전자 평가 회로 7: 운반요소
11: 유동 채널

Claims (4)

  1. 센서 칩(2)을 구비한 공기 질량 계측기(1)로서, 상기 센서 칩(2)은 마이크로전자기계 시스템으로 구성되고, 센서 요소(4), 전자 평가 회로(5) 및 전자 발진기(3)를 포함하며, 그리고 상기 센서 칩(2)은 접착제(6)로 운반 요소(7)에 부착되는, 센서 칩(2)을 구비한 공기 질량 계측기(1)에 있어서,
    상기 센서 칩(2)은 제 1 영역(10) 및 제 2 영역(9)으로 나누어지고, 여기서 상기 센서 칩(2)을 상기 운반 요소(7)에 상기 접착제(6)로 부착한 것은 오로지 상기 제 1 영역(10)에서만 실행되며, 상기 센서 요소(4)와 상기 발진기(3)는 상기 제 2 영역(9)에 배치되는 것을 특징으로 하는 공기 질량 계측기(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 운반 요소(7)는 스탬핑된 시트 금속 부품의 형태인 것을 특징으로 하는 공기 질량 계측기(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 요소(4)는 박막(membrane)의 형태인 것을 특징으로 하는 공기 질량 계측기(1).
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 온도 센서와 가열 요소는 상기 박막 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 공기 질량 계측기(1).
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