WO2003076878A1 - Membransensor mit einer verstärkungsschicht im randbereich der membran - Google Patents

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Rainer Schink
Winfried Bernhard
Matthias Fuertsch
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Definitions

  • the invention relates to a membrane sensor, in particular a sensor with direct media contact such as e.g. an air mass sensor or air quality sensor, according to the features of the preamble of the main claim.
  • membrane sensors are preferably carried out by depositing the membrane materials, for example of silicon oxide, silicon nitride, polysilicon or metals on a silicon wafer and subsequent local wet- or dry-chemical etching of the silicon from the back to the membrane. These sensors often have very thin membranes to reduce heat conduction into the substrate.
  • the membrane materials for example of silicon oxide, silicon nitride, polysilicon or metals on a silicon wafer and subsequent local wet- or dry-chemical etching of the silicon from the back to the membrane.
  • Such a sensor is known, for example, from DE 42 15 722 A1, in which the membrane to reduce the sensitivity to the notch stresses occurring on the membrane holder and to improve the pressure sensitivity is provided with an elastic border.
  • the elastic border is attached opposite the side of the membrane on which the measuring elements are located and which thus flows past the medium to be measured.
  • the membrane with a thickness in the micrometer range and lateral dimensions from a few 100 micrometers to several millimeters is therefore directly to the flowing medium, e.g. Air, exposed.
  • the particles contained in the media despite the use of filters, e.g. Dust can therefore damage the membrane at higher flow velocities.
  • the stability of the membranes against particle bombardment is determined by the statistical service life in an air flow with a defined amount of dust.
  • an increase in stability could be achieved by increasing the membrane thickness and / or by lowering the pretension of the membrane, increasing the thickness leads to an increase in thermal conductivity and thus to a deterioration in the characteristic curve.
  • the pretension cannot be lowered sufficiently, since the membrane must remain in the tensile stress range under all operating conditions in order to prevent bulging.
  • a membrane sensor with a border of the membrane in a holder on the sensor housing is further developed, in which the border advantageously has an additional layer or that this consists of an additional layer on: the side of the membrane facing the sensing medium is set, is attached at least to areas of the edge of the membrane and / or the adjacent bracket.
  • the additional layer can be applied all around as a narrow strip in the edge region of the membrane and the adjacent surface of the holder, or can also cover the edge area of the membrane and the remaining surface of the holder.
  • the additional layer can only cover two opposite edge regions of the membrane, preferably the shorter one, and the respectively adjacent surface of the holder. It is also advantageously possible for the additional layer to cover the edge area of the membrane without contact.
  • the locally applied additional layer is also less stressful than the membrane, it increases the stability both by locally increasing the thickness and by reducing the stress.
  • the central area of the membrane required for the function is not changed, so that there is only a very small and comparable influence on the characteristic curve.
  • the layer preferably has a thickness in the range from 10 nm to 100 ⁇ m, in particular from 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m, which has almost no influence on the flow of the medium to be sensed with an air mass or air quality sensor.
  • the additional layer according to the invention can consist of almost all materials that can be applied and structured using thin-film or thick-film technology, such as e.g. Silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, doped variants of the aforementioned layers, metals, polymers, organic / inorganic hybrid materials, elastic materials such as polymers having some advantages.
  • the additional layer can also be created by creating a thicker membrane and then Ran thinning the functional area in the middle of the membrane.
  • FIG. 1 and 1 a a schematic view of a membrane sensor in partial section with a narrow covering of the edge area of the membrane
  • FIG. 2 shows a schematic view of a membrane sensor in partial section with a covering of the edge region of the membrane and the remaining surface of the holder
  • Figure 3 is a schematic view of a membrane sensor in partial section with a cover of the shorter side of the edge areas of the membrane and
  • Figures 4 and 4a is a schematic view of a membrane sensor in partial section with a non-contact covering of the edge region of the membrane.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a holder 1 for a membrane 2 of a membrane sensor, for example an air mass sensor, which is not explained in more detail here.
  • a region of the border of the membrane 2 on the holder 1 is shown separately in the detail enlargement A of the cut edge of this region in FIG.
  • An additional layer 3 is also shown, which serves as a narrow cover for the edge region of the membrane 2.
  • the additional layer is here, for example, by an additional polymer layer of approx. 4 ⁇ m thickness, each of which extends 20 ⁇ m along the long edge and 40 ⁇ m along the short edge onto the membrane 2 and at least partially the solid surface of the holder, with the exception of the one not visible here Contact pads covered.
  • Diameter as a disturbing particle can be achieved by a factor of 6.5.
  • FIG. 2 shows an additional layer 5 which, in a modification of the arrangement according to FIG. 1, covers the entire surface of the holder 1 ′′ .
  • FIG. 3 shows an additional layer 6, in a modification of the arrangement according to FIG 2 only at least partially covers the short edges of the membrane 2 and the respectively adjacent surface of the holder 1.
  • an area of the border of the membrane 2 on the holder 1 is shown, in which, in a modification of the arrangement according to FIG. 2, an additional layer 7 brings about a contactless covering of the edge area of the membrane 2.
  • the contactless covering of the edge area with the additional layer 7 is shown separately according to FIG. 4a.

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Abstract

Es wird ein Membransensor mit einer Einfassung der Memb­ran (2) in einer Halterung (1) am Sensorgehäuse vorge­schlagen, bei dem die Einfassung aus einer zusätzlichen Schicht (3;5;6;7) besteht, die auf der Seite der Membran (2), die dem zu sensierenden Medium ausgesetzt ist, entlang der Kante auf die Membran (2) heraufreicht und zu­mindest teilweise die feste Oberfläche der angrenzenden Halterung (1) bedeckt. Die Schicht (3;5;6;7) weist vorzugsweise eine Dicke auf, die nahezu keinen Einfluss auf die Strömung des mit einem Luftmassen- oder Luftgütesensor zu sensierenden Mediums hat. Die zusätzliche Schicht (3;5;6;7) kann aus einem in Dünnschicht- oder in Dickschichttechnik strukturierbarem Material gebildet sein.

Description

Membransensor mit einer Verstärkungsschicht im Randbereich der Membran
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Membransensor, insbesondere einen Sensor mit direktem Medienkontakt wie z.B. einen Luftmassensensor oder Luftgütesensor, nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs .
Die Herstellung solcher'',Membransensoren erfolgt vorzugsweise durch Abscheidung der Membranmaterialien beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Polysilizium oder aus Metallen auf einem Silizium-Wafer und anschließende lokale nass- oder trockenchemische Ätzung des Siliziums von der Rückseite bis zur Membran. Diese Sensoren besitzen oft zur Reduzierung der Wärmeleitung ins Substrat sehr dünne Membranen.
Es ist beispielsweise aus der DE 42 15 722 AI ein solcher Sensor bekannt, bei dem die Membran zur Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber den auftretenden Kerbspanmαngen an der Membranhaiterung und zur Verbesserung der Druck- empfindlichkeit mit einer elastischen Einfassung versehen ist. Die elastische Einfassung ist der Seite der Membran gegenüberliegend angebracht, an der die Messelemente liegen und der damit das zu messenden Medium vorbeiströmt .
Bei diesen Sensortypen mit einem direktem Medienkontakt, wie dem eingangs erwähnten Luftmassensensor oder Lüftgütesensor ist die Membran mit einer Dicke im Mikrometer- Bereich und lateralen Dimensionen vom einigen 100 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern daher direkt dem strömenden Medium, z.B. Luft, ausgesetzt. Die trotz der Verwendung von Filtern in den Medien enthaltenen Partikel, wie z.B. Staub, können daher bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten zur Beschädigung der Membran führen.
Die Stabilität der Membranen gegen Partikelbeschuss wird durch die statistische Lebensdauer in einer Luftströmung mit einer definierten Staubmenge bestimmt. Dabei ließe sich zwar eine Erhöhung der Stabilität durch Erhöhung der Membrandicke und/oder durch Absenken der Vorspannung der Membran erreichen, jedoch führt eine Erhöhung der Dicke zur Zunahme der Wärmeleitf higkeit und damit zur Verschlechterung der Kennlinie . Die Vorspannung kann in der Regel nicht ausreichend abgesenkt werden, da die Membran unter allen Betriebsbedingungen im Zugspannungsbexeich bleiben uss, um ein Aufwölben zu verhindern.
Vorteile der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Membransensor mit einer Einfassung der Membran in einer Halterung am Sensorgeϊiäuse weitergebildet, bei dem in vorteilhafter Weise die Einfassung eine zusätzliche Schicht aufweist bzw. dass diese aus einer zusätzlichen Schicht besteht, die auf: der Seite der Membran, die dem zu sensierenden Medium ausge- setzt ist, zumindest an Bereichen des Randes der Membran und/oder der angrenzenden Halterung angebracht ist. Somit kann auf einfache Weise die Erhöhung der Stabilität der Membran gegen auftreffende Partikel ohne Einschränkung der Funktion, besonders hinsichtlich der thermischen Eigenschaften, erreicht werden.
Es hat sich gezeigt, dass besonders am Rand der Membran auftreffende Partikel leicht zu einer Zerstörung führen, während die Membranmitte relativ unempfindlich ist. Weiterhin zeigt sich auch eine höhere Zerstörungsempfindlichkeit entlang der kurzen Membrankante im Vergleich zur langen Kante. Daher kann die Stabilität der Membran gegen Partikelbeschuss durch eine lokale Verstärkung der Membran im Randbereich erhöht werden.
Die zusätzliche Schicht kann gemäß verschiedener Ausführungsformen als schmaler Streifen umlaufend im Kantenbereich der Membran und der angrenzenden Oberfläche der Halterung angebracht werden oder auch den Kantenbexeich der Membran und die restliche Oberfläche der Halterung bedecken. Andererseits kann die zusätzliche Schicht nur zwei gegenüberliegende Kantenbereiche der Membran, vorzugsweise die kürzere, und die jeweils angrenzende Oberfläche der Halterung bedecken. Es ist auch vorteilhaft möglich, dass die zusätzliche Schicht den Kantenbexeich der Membran berührungslos überdeckt .
Wenn die lokal aufgebrachte Zusatzschicht auch noch spannungsärmer ist als die Membran, erhöht sie die Stabilität sowohl durch die lokale Erhöhung der Dicke als auch durch die Absenkung der Spannung. Der für die Funktion benötigte Mittelbereich der Membran wird nicht verändert, so dass nur ein sehr geringer und abgleichbarer Einfluss auf die Kennlinie entsteht.
Die Schicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 nm bis 100 μm auf, insbesondere von 0,5 μm bis 10 μm, die nahezu keinen Einfluss auf die Strömung des mit einem Luftmassen- oder Luftgütesensor zu sensierenden Mediums hat .
Die erfindungsgemäße Zusatzschicht kann aus nahezu allen in Dünnschicht- oder Dickschichttechnik aufbringbaren und strukturierbaren Materialien bestehen, wie z.B. Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, dotierte Varianten der vorhergenannten Schichten, Metalle, Polymere, organisch/anorganische Hybridmaterialen, wobei elastische Materialien wie Polymere einige Vorteile aufweisen. Die Zusatzschicht kann darüber hinaus auch durch Erzeugung einer dickeren Membran und anschließenden Afodün- nung des funktionalen Bereiches in der Membranmitte erfolgen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Membransensors mit einer Zusatzschicht werden anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 und la eine schematische Ansicht auf einen Membransensor im Teilschnitt mit einer schmalen Abdeckung des Kantenbereichs der Membran,
Figur 2 eine schematische Ansicht auf einen Membransensor im Teilschnitt mit einer Abdeckung des Kantenbereichs der Membran und der restlichen Oberfläche der Halterung,
Figur 3 eine schematische Ansicht auf einen Membransensor im Teilschnitt mit einer Abdeckung der kürzeren Seite der Kantenbereiche der Membran und Figur 4 und 4a eine schematische Ansicht auf einen Membransensor im Teilschnitt mit einer berührungslosen Abdeckung des Kantenbereichs der Membran.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine schematische Ansicht auf eine Halterung 1 für eine Membran 2 eines hier nicht näher erläuterten Membransensors, beispielsweise einen Luftmassen- sensor, gezeigt. Ein Bereich der Einfassung der Membran 2 an der Halterung 1 ist in der Ausschnittsvergrößerung A der Schnittkante dieses Bereichs in Figur la separat dargestellt .
Es ist weiterhin eine Zusatzschicht 3 gezeigt, die als schmale Abdeckung des Kantenbereichs der Membran 2 dient. Die Zusatzschicht ist hier beispielsweise durch eine zusätzliche Polymerschicht von ca. 4 μm Dicke, die jeweils 20 μm entlang der langen Kante und 40 μm entlang der kurzen Kante auf die Membran 2 heraufreicht und zumindest teilweise die feste Oberfläche der Halterung mit Ausnahme der hier nicht ersichtlichen Kontaktpads bedeckt. Mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel konnte versuchsweise eine Erhöhung der mittleren Lebensdauer eines Luftmassensensors in strömender Luft mit Glaskugeln von ca. 70 μm
Durchmesser als störende Partikel um den Faktor 6,5 erreicht werden.
Ein Ausführungsbeispiel nach Figur 2 zeigt eine Zusatzschicht 5 , die in Abwandlung der Anordnung nach der Figur 1 die gesamte Oberfläche der Halterung 1 "überdeckt. Aus Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem eine Zusatzschicht 6, in Abwandlung der Anordnung nach der Figur 2 nur die kurzen Kanten der Membran 2 und die jeweils angrenzende Oberfläche der Halterung 1 zumindest teilweise überdeckt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist ein Bereich der Einfassung der Membran 2 an der Halterung 1 gezeigt, bei dem in Abwandlung der Anordnung nach der Figur 2 eine Zusatzschicht 7 eine berührungslose Abdeckung des Kantenbereichs der Membran 2 bewirkt. In der Ausschnittsvergrößerung B der Schnittkante dieses Bereichs ist gemäß Figur 4a die berührungslose Abdeckung des Kantenbereichs mit der Zusatzschicht 7 separat dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1) Membransensor mit einer Einfassung der Membran (2) in' einer Halterung (1) am Sensorgehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass
die Einfassung eine zusätzliche Schicht (3;5;6;7) aufweist, die auf der Seite der Membran (2), die dem zu sensierenden Medium ausgesetzt ist, zumindest an Bereichen des Randes der Membran (2) und/oder der angrenzenden Halterung (1) angebracht ist.
2) Membransensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (3; 5; 6; 7) eine Dicke aufweist, die nahezu keinen Einfluss auf die Strömung des mit einem Luftmassen- oder Luftgütesensor zu sensierenden Mediums hat. 3) Membransensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die zusätzliche Schicht (3;5;6;7) eine Dicke im Bereich von 10 nm bis 100 μm, insbesondere 0,5 μ bis 10 μm, aufweist.
4) Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die zusätzliche Schicht (3) als schmaler Streifen umlaufend im Kantenbereich der Membran (2) und der angrenzenden Oberfläche der Halterung (1) angebracht ist.
5) Membransensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die zusätzliche Schicht (5) den Kantenbereich der Membran (2) und die restliche Oberfläche der Halterung (1) bedeckt.
6) Membransensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die zusätzliche Schicht (6) nur zwei gegenüberliegende Kantenbereiche der Membran (2) und der jeweils angrenzenden Oberfläche der Halterung (1) bedeckt.
7) Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die' zusätzliche Schicht (7) den Kantenbereich -fa¬
der Membran (2) berührungslos überdeckt.
) Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die zusätzliche Schicht (3; 5; 6; 7) spannungsärmer als die Membran (2) ist.
9) Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die zusätzliche Schicht (3; 5; 6,-7) durch Afodün- nung der mittleren Bereiche der Membran (2) aus einer dickeren Schicht herstellbar ist.
10) Membransensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die zusätzliche Schicht (3; 5,-6,-7) aus einem in Dünnschicht- oder in Dickschichttechnik strukturierbarem Material ist, wie dotierte oder nichtdotierte Siliziumverbindungen, Metalle, Polymere oder organisch/anorganische Hybridmaterialien.
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