NL1015910C1

NL1015910C1 - Measuring device for volume, pressure and temperature of flowing gas or liquid, comprises resistor bridge type sensors on crystalline semiconductor substrate

Info

Publication number: NL1015910C1
Application number: NL1015910A
Authority: NL
Inventors: Pascal Ferdinandus Anto Putten; Antonius Ferdinandus Pe Putten; Michael Johannes Antoni Putten; Mauritius Hendrikus Pau Putten
Original assignee: Antonius Ferdinandus Petrus Va; Mauritius Hendrikus Paulus Mar; Michael Johannes Antonius Mari; Pascal Ferdinandus Antonius Ma
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2002-02-12

Abstract

The measuring device utilizes integrated sensors on a monocrystalline or polycrystalline semiconductor substrate, the sensors being in the form of resistor bridges. One bridge is used for measuring and another is used as a heating element. The bridges are partly or fully supported by a thin membrane. The diagonal of the measuring bridge is connected to a difference amplifier.

Description

Geïntegreerde elektrische opnemer voor het meten van stroming, druk, en temperatuur van gassen en vloeistoffenIntegrated electrical sensor for measuring the flow, pressure and temperature of gases and liquids

De uitvinding heeft betrekking op een elektrische opnemer met zeer kleine 5 afmetingen, van enkele microns tot enkele kwadraat mms, voorzien van detectoren in de vorm van geïntegreerde weerstanden en weerstandsbruggen die in zijn geheel in het te meten vloeibare of gasvormige medium, waarvan de temperatuur, de druk, en de stroomsnelheid moet worden gemeten, kan worden geplaatst, waarbij de meetdiagonaal van de meetweerstandsbrug is aangesloten op een versterker, waarvan 10 het uitgangssignaal de te meten stroomsnelheid, de druk of de temperatuur voorstelt en waarbij de tweede brug of delen daarvan gebruikt worden als verwarmingselement, waarmee een thermische terugkoppeling via het substraat wordt bewerkstelligd, dat de gewenste stroom en spanning in de meetbrug onder alle omstandigheden constant houdt en welke inrichting bij voorkeur met behulp van halfgeleider materiaal is vervaardigd.The invention relates to an electric sensor with very small dimensions, from a few microns to a few squared mms, provided with detectors in the form of integrated resistors and resistance bridges which are integrated in the liquid or gaseous medium to be measured, the temperature of which the pressure and the flow velocity to be measured can be placed, the measuring diagonal of the measuring resistance bridge being connected to an amplifier, the output signal of which represents the flow velocity, the pressure or the temperature to be measured, and wherein the second bridge or parts thereof use as a heating element with which a thermal feedback via the substrate is effected, which keeps the desired current and voltage in the measuring bridge constant under all circumstances and which device is preferably manufactured with the aid of semiconductor material.

15 Uit de overvloedige (octrooi) literatuur zijn vele inrichtingen bekend voor het afzonderlijk meten van temperatuur, druk en massaflow, zowel voor gassen als vloeistoffen, waarvan vele van deze inrichtingen tegenwoordig met voordeel vervaardigd worden met behulp van silicium halfgeleidertechnologie. Sinds 1974 (Van Putten) worden reeds thermische flowsensoren gemaakt met behulp van silicium 20 technologie. Dergelijke inrichtingen voor het meten van flow zijn bijvoorbeeld bekend uit octrooischriften US patenten 3996799,4548077 en 5426969, EP 0 642 000A2 en uit Sensors and Actuators 4 (1983) 387-396 en 13(1988)103-115.From the abundant (patent) literature many devices are known for separately measuring temperature, pressure and mass flow, both for gases and liquids, many of these devices nowadays being advantageously manufactured using silicon semiconductor technology. Since 1974 (Van Putten), thermal flow sensors have been made using silicon technology. Such flow measurement devices are known, for example, from U.S. Pat. Nos. 3,96799,4548077 and 5,426,969, EP 0 642 000A2 and from Sensors and Actuators 4 (1983) 387-396 and 13 (1988) 103-115.

Met deze uitvinding wordt beoogd de afzonderlijke bedoelde meetinrichtmgen voor stroomsnelheid, druk en temperatuur te integreren op één halfgeleider-substraat 25 met zeer kleine afmetingen, waarbij de van belang zijnde meetelementen gevoelig zijn gemaakt voor zowel stroomsnelheid, druk en temperatuur en waarbij door de juiste werktemperatuur en oriëntering van de verschillende opneemelementen op het substraat ten opzichte van de richting van het stromende medium, zorg gedragen wordt voor de benodigde discriminatie tussen de verschillende te meten fysische grootheden. 30 Teneinde met deze inrichting stroomsnelheid, druk en temperatuur te kunnen meten,The object of this invention is to integrate the individual intended measuring devices for flow rate, pressure and temperature on one semiconductor substrate with very small dimensions, wherein the measuring elements of interest are made sensitive to both flow rate, pressure and temperature and wherein the correct operating temperature and orientation of the various pick-up elements on the substrate relative to the direction of the flowing medium, the necessary discrimination between the various physical quantities to be measured is ensured. In order to be able to measure flow rate, pressure and temperature with this device,

i 1 5 Q 1 T1 5 Q 1 T

2 wordt een p of n dotering voor de weerstandselementen toegepast, die een voldoende grote positieve of negatieve temperatuur coëfficiënt voor de opneemelementen oplevert, waarmee op grond van het fysische principe van weerstandsverschillen tengevolge van een opgewekte temperatuurgradiënt door het langsstromende medium 5 over het verwarmde plaatje, of door het optreden van drukverschillen over membraan gedeelte van het plaatje mechanische vervormingen optreden, waarbij tevens tenminste één of meer van deze weerstandselementen op dit membraangedeelte van enkele micrometers dikte van de opnemer zijn ondergebracht. Doordat de opnemer bevestigd wordt op een drager ontstaat een afgesloten luchtkamer waarvan het membraan onder 10 invloed van drukveranderingen een mechanische vervorming kan ondergaan. Uit de literatuur is verder bekend dat p of n gedoteerd halfgeleider materiaal zoals silicium, piëzoresistiviteit met een grote “gauge” factor (tot 175 voor p- materiaal) vertoont, doordat de specifieke resistiviteit p, sterk verandert onder invloed van mechanische vervormingen.2, a p or n doping is used for the resistance elements, which produces a sufficiently large positive or negative temperature coefficient for the pick-up elements, with which, on the basis of the physical principle of resistance differences due to an generated temperature gradient through the flowing medium 5 over the heated plate, or due to the occurrence of pressure differences across the membrane portion of the plate, mechanical deformations occur, wherein at least one or more of these resistance elements are also accommodated on this membrane portion of a few micrometer thickness of the sensor. Because the sensor is mounted on a carrier, a sealed air chamber is created whose membrane can undergo mechanical deformation under the influence of pressure changes. It is further known from the literature that p or n doped semiconductor material such as silicon exhibits piezo-resistivity with a large “gauge” factor (up to 175 for p material), because the specific resistivity p, strongly changes under the influence of mechanical deformations.

15 De uitvinding wordt verder toegelicht aan de hand van de volgende figuren, Fig.The invention is further elucidated with reference to the following figures, FIG.

1 a, b, c en d en Fig. 2. In Figuur 1 a, b, c en d zijn vier verschillende mogelijke basis topologieën voorgesteld, waarmee deze inrichting kan worden gerealiseerd. Voor alle basisvormen geldt dat de meetelementen van de meetbrug zijn aangeduid met de cijfers 1 tot en met 4, de verwarmingslementen met de cijfers 5 tot en met 8, de 20 opneemelementen voor de temperatuur met 9 en 10 en het gedeelte van het substraat dat als membraan dienst doet met 11. Een of meer van de opneemelementen 1 tot en met 4 voor het meten van stroomsnelheid of druk en de verwarmingselementen 5 tot en met 8 zijn op het membraangedeelte van het halfgeleider substraat aangebracht.1 a, b, c and d and FIG. 2. Figures 1 a, b, c and d show four different possible basic topologies with which this device can be realized. For all basic forms it holds that the measuring elements of the measuring bridge are indicated with the numbers 1 to 4, the heating elements with the numbers 5 to 8, the temperature sensing elements with 9 and 10 and the part of the substrate that is membrane serves with 11. One or more of the pick-up elements 1 to 4 for measuring flow velocity or pressure and the heating elements 5 to 8 are arranged on the membrane portion of the semiconductor substrate.

Fig. 1 a geeft de topologie van de meetbrug weer, waarbij de sensorelementen 25 en de verwarmingselementen in een vierkant op het silicium zijn aangebracht. Fig. lb illustreert de topologie van de sensor waarbij de opneemelementen 1 en 3 op het substraat zijn ondergebracht en de opneemelementen 2 en 4 op het membraan gedeelte zijn aangebracht. Een verdere verbetering van de gevoeligheid wordt verkregen door een kruisverbinding van de parallel geplaatste sensorelementen toe te passen ten 30 opzichte van de richting van het langsstromende medium, waarbij de sensorelementen 1 en 3 aan de “loefzijde” worden geplaatst en de opneemelementen 2 en 4 aan de 3 “lijzijde” van het substraat, zoals in de volledig parallelle uitvoering volgens Fig. lc, is aangegeven.FIG. 1a shows the topology of the measuring bridge, the sensor elements 25 and the heating elements being arranged in a square on the silicon. FIG. 1b illustrates the topology of the sensor in which the pick-up elements 1 and 3 are accommodated on the substrate and the pick-up elements 2 and 4 are arranged on the membrane portion. A further improvement of the sensitivity is obtained by applying a cross connection of the parallel placed sensor elements with respect to the direction of the flowing medium, wherein the sensor elements 1 and 3 are placed on the "windward side" and the receiving elements 2 and 4 on the 3 "leeward side" of the substrate, as in the fully parallel embodiment according to FIG. 1c is indicated.

Fig 1 d, betreft een zgn “cantilever” uitvoering, waarbij voldoende ruimte is vrij gehouden om ook de benodigde signaalverwerkingselektronica op hetzelfde substraat 5 onder te kunnen brengen. De constante stroom en voedingsspanning van de meetbrug wordt verkregen doordat de flow / druk opneemelementen door de relatief goede warmtegeleiding van het halfgeleidermateriaal (λ Silicium 80 - 150 Wm^K'1) thermisch zeer sterk gekoppeld zijn met de verwarmingselementen 5-8. Dit principe van thermische terugkoppeling is in Figuur 2 geïllustreerd. De stroombron Icc, welke 10 gevoed wordt uit een spanningsbron Vss. verzorgt een constante stroom in de weerstandsmeetbrug, waarbij de spanning van de meetbrug, bestaande uit de elementen 1- 4, aan de bovenzijde van de meetbrug op punt Vcc vergeleken wordt met een nauwkeurige referentiespannningsbron Vrefi, waarvan het verschil tussen Vcc en genoemde referentiespanningsbron Vren versterkt wordt doorgegeven met behulp van 15 de verschilversterker Ai aan de tweede brug, dat als verwarmingselement dienst doet en beide bruggen zodanig sterk thermisch teruggëkoppeld zijn via het halfgeleider substraat, en doordat de weerstandselementen een positieve of negatieve temperatuur coëfficiënt hebben, zal ieder verschil tussen Vren en Vcc > ook onder wisselende omstandigheden, onmiddellijk worden vereffend, met als resultaat dat Vcc precies 20 gelijk gemaakt wordt aan Vref i. Op deze wijze wordt volgens de uitvinding onder alle meetomstandigheden voor de opnemer ook een gemiddelde constante werktemperatuur en een constant werkpunt verkregen, waarbij echter niet noodzakelijk het verwarmingselement een volledige brug moet vormen, maar ook met een enkel verwarmingselement kan worden volstaan.Fig. 1d relates to a so-called "cantilever" embodiment, in which sufficient space is kept free to also accommodate the required signal processing electronics on the same substrate. The constant current and supply voltage of the measuring bridge is obtained because the flow / pressure sensing elements are thermally very strongly coupled to the heating elements 5-8 due to the relatively good heat conductivity of the semiconductor material (λ Silicon 80 - 150 Wm ^ K'1). This principle of thermal feedback is illustrated in Figure 2. The current source Icc, which is supplied from a voltage source Vss. provides a constant current in the resistance measuring bridge, whereby the voltage of the measuring bridge consisting of the elements 1-4 on the upper side of the measuring bridge is compared at point Vcc with an accurate reference voltage source Vrefi, the difference between Vcc and said reference voltage source Vren amplifying is passed on by means of the differential amplifier Ai to the second bridge, which serves as a heating element and both bridges are so strongly thermally feedback via the semiconductor substrate, and because the resistance elements have a positive or negative temperature coefficient, any difference between Vren and Vcc> even under changing circumstances, be settled immediately, with the result that Vcc is made exactly equal to Vref i. In this way, according to the invention, an average constant operating temperature and a constant operating point are also obtained under all measuring conditions for the sensor, wherein, however, the heating element does not necessarily have to form a complete bridge, but a single heating element can also suffice.

25 Door nu de werktemperatuur van de opnemer voor stromingsmetingen, druk en temperatuur periodiek te wijzigen, door periodiek de referentiespanning Vref i te veranderen, of door twee van dezelfde opnemers met verschillende werktemperatuur op één gemeenschappelijke drager te plaatsen, kan onderscheid gemaakt worden tussen de te meten fysische grootheden stroomsnelheid, druk en temperatuur, waarbij het bekend 30 is, dat de inrichting bij een werktemperatuur van minder dan 30°C voornamelijk druk meet en geen stroomsnelheid.By now periodically changing the operating temperature of the sensor for flow measurements, pressure and temperature, by periodically changing the reference voltage Vref i, or by placing two of the same sensors with different working temperature on one common carrier, a distinction can be made between the physical quantities measure flow rate, pressure and temperature, it being known that the device, at an operating temperature of less than 30 ° C, mainly measures pressure and not a flow rate.

^ '· * ‘«V^ '· * "« V

» } % 4»}% 4

Het is verder van belang te vermelden dat alle vier uitvoeringen voor de stroomsnelheid een vectorieel karakter vertonen, waardoor niet alleen de grootte, maar ook de richting van de stroomsnelheid kan worden bepaald. De opneemelementen voor de temperatuur 9 en 10 zijn eveneens p of n gedoteerde weerstandselementen, maar 5 behoeven niet op het membraan zelf te worden geïntegreerd.It is furthermore important to mention that all four embodiments for the flow velocity have a vectorial character, whereby not only the magnitude but also the direction of the flow velocity can be determined. The temperature sensing elements 9 and 10 are also p or n doped resistance elements, but need not be integrated on the membrane itself.

Het is verder bekend dat de voor deze toepassingen vervaardigde inrichting met behulp van silicium technologie, de opneemelementen kunnen bestaan uit thermokoppels, dioden, transistoren en weerstanden, echter gezien de nauwkeurigheid en reproduceerbaaheid waarmee weerstanden in de halfgeleider technologie kunnen 10 worden gemaakt, verdienen weerstanden de voorkeur, waarbij zowel van monokristallijn, met een positieve temperatuur coëfficiënt als van polysilicium materiaal, met een negatieve temperatuur coefficient, gebruik kan worden gemaakt. De inrichting heeft verder als kenmerk dat zij op een drager 12 aangebracht wordt die kan bestaan uit keramiek, glas of een kunststofmateriaal, waardoor de gewenste luchtkamer 15 75 voor het verrichten van drukmetingen ontstaat.It is further known that the device manufactured for these applications using silicon technology, the pick-up elements may consist of thermocouples, diodes, transistors and resistors, but in view of the accuracy and reproducibility with which resistors can be made in semiconductor technology, resistors deserve the preferred, wherein both monocrystalline, with a positive temperature coefficient and of polysilicon material, with a negative temperature coefficient, can be used. The device is further characterized in that it is mounted on a support 12 which can consist of ceramic, glass or a plastic material, whereby the desired air chamber 75 for making pressure measurements is created.

Uit metingen is gebleken dat een zeer kleine stijgtijd tijd van minder dan 5 ms voor deze uitvoeringen verkregen wordt. Voor medische toepassingen, waarbij via de geforceerde uitademing de zgn. piekwaarde van de longcapaciteit gemeten wordt, is het verder van belang de ajvaltijd tot een minimum te beperken, hetgeen bereikt kan 20 worden door de opnemer zodanig op het substraat te bevestigen dat er geen gradiënten over het onderliggende substraat kunnen ontstaan. Dit kan bereikt worden door de drager onder de opnemer thermisch kort te sluiten met behulp van een thermische shunt van goed thermisch geleidend materiaal, 14, dat bij voorkeur alleen onder het verwarmingselement wordt aangebracht, waarbij de parallelle uitvoeringsvorm de 25 voorkeur verdient, of door een zogenaamde actieve terugkoppeling toe te passen, waarbij de optredende temperatuurgradiënt als functie van de stroomsnelheid geheel wordt opgeheven. Dit kan bereikt worden door de nulmethode toe te passen over de meetbrug, zoals in Figuur 2 is aangegeven met behulp van de versterker A2, of door delen van afzonderlijke aangebrachte verwarmingselementen zodanig aan te sturen via 30 uitgangsversterker Ai, dat de temperatuurgradiënt eveneens wordt opgeheven. In het hiervoor benodigde signaal is dan de informatie over de stroomsnelheid aanwezig.Measurements have shown that a very small rise time of less than 5 ms is obtained for these versions. For medical applications in which the so-called peak capacity of the lung capacity is measured via forced exhalation, it is further important to limit the fall time to a minimum, which can be achieved by fixing the sensor on the substrate in such a way that there are no gradients over the underlying substrate. This can be achieved by thermally short-circuiting the support under the sensor with the aid of a thermal shunt of good thermally conductive material, 14, which is preferably applied only under the heating element, the parallel embodiment being preferred, or by a to use so-called active feedback, whereby the occurring temperature gradient is completely eliminated as a function of the flow rate. This can be achieved by applying the zero method over the measuring bridge, as indicated in Figure 2 with the aid of the amplifier A2, or by controlling parts of separately applied heating elements via output amplifier Ai such that the temperature gradient is also canceled. The signal required for this then contains the information about the flow rate.

Claims

1. Device for measuring the amount of flow, pressure and temperature of gases and liquids by applying integrated detectors to monocrystalline or polycrystalline semiconductor material, consisting of resistance bridges of which one functions as a measuring bridge and another as a heating element, which entirely or are partially accommodated on a thin membrane and whose diagonal of the measuring bridge is connected to a differential amplifier.

2. Device as claimed in claim 1, wherein the information is obtained from the measuring amplifier by applying the zero method via the measuring bridge, or via the heating elements and the temperature gradient as a function of the flow velocity is canceled.

3. Device as claimed in claim 1, wherein the receiving elements and the heating elements are arranged wholly or partly on a membrane, wherein due to pressure differences a piezoresistive effect can occur in the elements.

Device as claimed in claims 1 and 2, characterized in that a constant voltage and current is obtained across the measuring bridge by applying thermal feedback between the measuring bridge and the heating elements.

5. Device as claimed in claims 1,2 and 3, wherein by operating the device at different substrate temperatures a distinction can be made between the flow speed and the pressure.

Device as claimed in claims 1 to 3, wherein the device is designed as a multimode sensor with more than one same sensor on one carrier substrate.

7. Device as claimed in claims 1,2,3 and 4, wherein with recording elements arranged separately on the same substrate, the ambient temperature and the temperature of the long-flowing medium can be measured.

8. Device as claimed in claims 1 to 5, wherein the sensor is mounted on a support of PCB, glass, ceramic or plastic, wherein a thermally conductive material is applied exclusively under the heating element of the sensor.