DE4439222C2 - Massenflußsensor mit Druckkompensation - Google Patents

Description

Stand der Technik

Es ist schon bekannt, den Massenfluß nach dem Anemometerprinzip zu messen, wobei ein temperaturgeregelter Widerstand beispielsweise auf der Oberfläche eines Hohlkörpers angeordnet ist, durch den die Gase oder Flüssigkeiten fließen. Der Heizwiderstand ändert durch die Kühlwirkung des durchfließenden Mediums seinen Widerstand, so daß die Widerstandsänderung oder die Änderung seiner Temperatur als Maß für den Massenfluß auswertbar ist. Bei bekannten Massenflußsensoren ergibt sich das Problem, daß insbesondere bei einem in einem Siliciumchip eindiffundierten Heizwiderstand sich aufgrund von Druckänderungen in dem Hohlkörper piezoresistive Effekte auftreten, die zu erheblichen Widerstandsänderungen des Heizwiderstandes oder des Temperatursensors führen. Diese druckabhängigen Widerstandsänderungen verfälschen diejenigen Widerstandsänderungen, die durch den Massenfluß erzeugt wer­ den, in erheblichem Maße. Bei Druckänderungen in dem Medium sind daher keine zuverlässigen Messungen des Massenflusses möglich. Um dieses Problem zu lösen, wurde schon versucht, den Siliciumchip mit dem Heizwiderstand entsprechend steif auszubilden. Dieses führt jedoch dazu, daß durch die Ver­ steifungen ein Teil der Wärme abgeführt wird, die von dem Heizwiderstand erzeugt wurde. Dadurch ist die Empfindlich­ keit des Sensors reduziert.

Aus der US 4 683 159 ist bereits ein Massenflußsensor für Gas oder Flüssigkeiten bekannt, bei dem eine Membran einen Heizwiderstand und einen Temperatursensor aufweist. Die Abkühlung der Membran durch die vorbeiströmenden Gase oder Flüssigkeiten ist ein Maß für den Massen- oder Volumenstrom. Aus der DE 33 03 885 A1 ist bereits ein Massenflußsensor mit einer beheizten Einrichtung bekannt, deren Abkühlung durch einen vorbeistreifenden Mediumstrom ein Maß für die Strömung ist. Aus der DE 25 27 505 A1 ist bereits ein Massenfluß­ sensor bekannt, bei dem eine Membran durch strukturierte Abstützungen aus einem Material mit schlechter Wärmeleitung abgestürzt wird. Aus der DE 42 33 153 A1 ist ein Durchfluß­ sensor mit metallischen Widerstandselementen bekannt, deren Abkühlung ein Maß für den Durchfluß ist. Zwischen den Widerstandselementen und dem Medienstrom ist eine Membran angeordnet. Aus der US 5 205 170 ist ein Massenflußsensor bekannt, bei dem ein Heizwiderstand auf einer Membran angeordnet ist. Die Membran wird von einer Platte mit Abstützelementen unterstützt. Das Heizelement ist im Volumenstrom angeordnet. Aus der DE 35 16 794 ist ein Durchflußsensor bekannt, bei dem diffundierte Silizium­ widerstände verwendet werden. Die Abkühlung dieser Siliziumwiderstände ist ein Maß für den Durchfluß.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Massenflußsensor mit den jeweiligen Merkmalen nach den unabhängigen Patentansprüchen hat demgegenüber den Vorteil, daß die druckabhängigen Änderungen des Widerstandswertes sowohl beim Heizwiderstand als auch beim Temperatursensor weitgehend vermieden werden, so daß die Messung lediglich von der Druckdifferenz an der Meßstrecke und nicht vom absoluten Druck abhängt, bei dem der Massenflußsensor betrieben wird. Insbesondere können dabei vorteilhaft Einflüsse des statischen Druckes im Hohlkörper, der zu einer Querschnittsänderung für den Massenstrom führt, sowie Längenänderungen oder Piezoeffekte beim Heizwiderstand und/oder dem Temperatursensor weitgehend vermieden werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maß­ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweils in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Massenflußsensors möglich.

Um eine möglichst große Empfindlichkeit des Sensors zu erreichen, ist das Längen-/Breitenverhältnis möglichst groß zu wählen, insbesondere dann, wenn weitere Parameter wie eine bestimmte Sensorfläche oder Heizleistung vorgegeben sind. Durch die vorgegebenen Maßnahmen gelingt es die mechani­ schen, thermischen und elektrischen Größen weitgehend von­ einander zu entkoppeln.

Durch eine Reihen- und/oder Parallelschaltung von Teilwider­ ständen des Heizwiderstands und/oder des Temperatursensors ergibt sich vorteilhaft ein kompakter Aufbau mit einer rela­ tiv großen Wärmeübergangsfläche, so daß die Empfindlichkeit recht hoch ist.

Werden mehrere Temperatursensoren verwendet, die beispiels­ weise am Anfang und Ende der Meßstrecke angeordnet sind, dann kann durch Vergleich der gemessenen Temperaturen auch die Strömungsrichtung des Gases bzw. der Flüssigkeit be­ stimmt werden. Des weiteren ist eine Offsetkompensation der Sensoren möglich, da nur die Differenzsignale ausgewertet werden.

Um Piezoeffekte weiter zu vermeiden, kann der Heizwiderstand und/oder der Temperatursensor aus einem Metall gefertigt sein, da Metalle zwar empfindlich für temperaturabhängige Längenänderungen, nicht aber für piezoresistive Effekte sind. Besonders vorteilhaft ist auch eine Anordnung, wenn beispielsweise der Heizwiderstand im Silicium eindiffundiert und der Temperatursensor aus Metall auf dem Silicium abge­ schieden ist. Eine umgekehrte Variante ist ebenfalls durch­ führbar. Durch diese Kombination gelingt es, die Dimensio­ nierungen unter Einbezug des Materials zu optimieren, da in der Regel der Heizwiderstand relativ niederohmig und der Temperatursensor relativ hochohmig gewählt werden und da­ durch unterschiedlich große Flächen für die Sensoren benö­ tigt werden.

Eine besonders günstige Konstruktion ergibt sich durch eine mäanderförmige Ausbildung des Heizwiderstandes, in den der Temperatursensor hineingewickelt ist. Dadurch entsteht ein guter Wärmekontakt des Temperatursensors zum Heizwiderstand. Durch entsprechende Ausbildung der Querschnitte ergibt sich eine günstige Lösung für die Realisierung der unterschiedli­ chen Widerstände.

Zeichnung

In den Figuren sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 zeigt eine erste Orientierung, und

Fig. 5 zeigt eine zweite Orientierung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem als Strömungskanal ein Hohlkörper 5 parallel zur Oberfläche ei­ nes Halbleiterchips gebildet ist. Der Strömungskanal kann beispielsweise durch zwei Halbleiterchips aus Silicium 2, 6 gebildet werden, die aufeinandergebondet wurden, nachdem in ihnen jeweils ein Kanal freigeätzt wurde. Durch Aufeinander­ legen der beiden Kanäle ergibt sich somit der Strömungskanal für Gase oder Flüssigkeiten. Der Strömungskanal hat einen Einlaß 7 und einen Auslaß 8, durch das das zu messende Medi­ um strömt. Eine geeignete Stelle des Hohlkörpers 5 ist als Membran 9 ausgebildet. Die Membran 9 ist vorzugsweise an der Oberfläche eines der beiden Halbleiterchips 2, 6 ausgebil­ det. In die Membran 9 ist ein Heizwiderstand 1 eindiffun­ diert, der über nicht dargestellte Zuleitungen auf dem Halb­ leiterchip 2 elektrisch heizbar ist. Das Freiätzen des Strö­ mungskanals sowie das Bonden der beiden Siliciumchips oder - wafer ist per se bekannt und muß daher nicht näher erläutert werden. Da die Membran 9 relativ dünn ist und insbesondere den statischen Druck im Strömungskanal aufnehmen muß, hat sie an geeigneten Stellen Abstützungen 3. Die Abstützungen können dadurch gebildet werden, daß über dem Siliciumchip ganz oder teilweise eine mechanisch steife Platte mit mög­ lichst schlechter Wärmeleitung (vgl. Position 3a) aufge­ bracht ist. Eine derartige Platte kann beispielsweise ein Pyrexglas sein. Diese Abdeckung 4 ist dabei direkt auf den Aluminiumleiterbahnen des Halbleiterchips aufgebracht, die in diesem Fall die Abstützungen 3 bilden.

Alternativ kann gemäß der Fig. 2 die Abdeckung 4 mit Ab­ stützungen 3a strukturiert werden, so daß ein gewisser Ab­ stand zwischen der Oberfläche des Siliciumchips 2 mit seinen Aluminiumleiterbahnen und der Abdeckung 4 gebildet wird. Die Strukturierung der Abdeckung 4 ist in einem weiteren Ar­ beitsgang durchzuführen, bevor die Abdeckung 4 mit dem Si­ liciumchip 2 kontaktiert wird. Der Hohlkörper 5 wird ent­ sprechend der Fig. 1 hergestellt.

In den Fig. 1 und 2 wurden Ausführungsbeispiele im Quer­ schnitt für den kompletten Sensor dargestellt.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Heizwiderstandes 1 und eines Temperatursensors 11. Bei dieser Anordnung sind der Heizwiderstand 1 und die beiden Temperatursensoren 11 im Silicium eindiffundiert. Der Heiz­ widerstand 1 ist dabei aus einer Reihen- und Parallelschal­ tung aufgebaut, wobei jeweils vier parallele Teilwiderstände in drei Gruppen in Reihe geschaltet sind. Die Orientierung dieser Teilwiderstände ist so gewählt, daß die Längsachse der Teilwiderstände in der kristallographischen <100<-Rich­ tung ausgerichtet sind. Bei zwei Gruppen ist jedoch die Aus­ richtung in der äquivalenten Richtung <010< angeordnet.

Diese Richtungen werden bevorzugt für Anordnungen, bei denen der Silicium-Halbleiter in der <100<-Ebene gesägt wurde. Über entsprechende Aluminiumleitungen 41, 42 wird die Heiz­ leistung zugeführt bzw. die Temperatur gemessen. Mit dieser Anordnung können piezoresistive Effekte weitgehend beseitigt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, daß durch die zwei Temperatursensoren 11 auch die Strömungrichtung ge­ messen werden kann, da sich die Absolutwerte der beiden Tem­ peraturen der Temperatursensoren 11 je nach Strömungsrich­ tung unterscheiden. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist auch, daß durch die Differenzmessung ein Offsetabgleich nicht erforderlich ist, da beispielsweise durch Vergleich der beiden Temperaturen und Umpolen der Strömungsrichtung auf einfache Weise der Offset bestimmt und eliminiert werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dieses Ausführungsbeipiel der Fig. 3 dahingehend abzuändern, daß jeweils ein Teil, der Heizwiderstand 1 oder der Temperatursensor 11 im Silicium diffundiert ist, während der zweite Teil als Metallisierung aufgebracht ist. Dadurch kann die Bauform noch weiter verringert werden und durch die geringen Abstände ein noch besserer Wärmekontakt zum Heizwi­ derstand erzeugt werden, so daß die Empfindlichkeit dieses Sensors sehr groß wird.

Anhand der Fig. 4 und 5 werden schematisch Anordnungen für den Heizwiderstand 1 gezeigt. In Fig. 4 wird eine stan­ dardgemäße Anordnung gewählt, bei der die Längsachse des Heizwiderstandes in der <110<-Richtung ausgerichtet ist. Diese Richtung erzeugt in ungünstiger Weise einen großen Piezoeffekt. Dieses Achsenkreuz ist dreidimensional darge­ stellt, wobei die Achsen der Grundebene <100< in die Rich­ tungen <110< und <100< zeigen.

In Fig. 5 wird eine Anordnung für den Heizwiderstand 1 bzw. den Temperatursensor 11 dargestellt, bei dem die Längsachse des Widerstandes 1 in Richtung <100< liegt. Diese Anordnung ist unempfindlich gegenüber piezoresistiven Effekten, so daß Druckänderungen der Membran 9, in die dieser Widerstand eindiffundiert ist, unberücksichtigt bleiben. Es wird auch darauf hingewiesen, daß gute Ergebnisse sich dann ergeben, wenn die Länge des Widerstandes ein mehrfaches, beispielsweise mehr als das Fünffache der Breite des Widerstandes entspricht.

Optimale Ergebnisse ergeben sich, wenn die vorgeschlagenen Maßnahmen, die Ausrichtung der Widerstände nach der Orien­ tierung des Silicium-Materials, Abstützungen der Membran und Verwendung von Metallen als Widerstandsmaterial miteinander kombiniert werden. Dadurch wird das Ausgangssignal des Mas­ senflußsensors vom statischen und dynamischen Innendruck im Strömungskanal des Hohlkörpers 5 praktisch unabhängig, so daß im wesentlichen nur die durch die Temperaturänderung, d. h. die durch den Massenfluß verursachte Kühlung des Heizwiderstandes 1, gemessen wird.

Alternativ kann anstelle der Temperaturmessung mit einem separaten Temperatursensor die Spannung am Heizwiderstand 1 als Maß für die Widerstandsänderung oder auch die zugeführte Leistungsänderung, die durch die Kühlwirkung der Strömung erforderlich ist, um den Heizwiderstand 1 auf einen konstanten Wert zu halten, gemessen werden. In diesem Fall erfolgt die Auswertung entweder über die Spannung am Heizwiderstand 1 oder über den zugeführten Strom, wenn die Heizleistung konstant gehalten wird.

Claims (6)

1. Massenflußsensor für Gase oder Flüssigkeiten mit einer Membran auf der wenigstens ein Heizwiderstand oder wenigstens ein Heizwiderstand zusammen mit wenigstens einem Temperatursensor angeordnet ist, wobei die Abkühlung an der Membran durch daran vorbeiströmende Gase oder Flüssigkeiten ein Maß für den Massen- oder Volumenstrom ist, die Membran aus Silizium besteht, wenigstens einer der genannten Widerstände in die Membran eindiffundiert ist, und der wenigstens eine eindiffundierte Widerstand eine längliche Form aufweist, die sich der Länge nach größtenteils in eine <100<-Kristallrichtung erstreckt.

2. Massenflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizwiderstand (1) und ein Temperatursensor (11) vorgesehen sind, und daß der Heizwiderstand (1) und der Temperatursensor (11) unterschiedliche Materialien aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Querschnitt haben.

3. Massenflußsensor für Gase oder Flüssigkeiten mit einer Membran auf der wenigstens ein Heizwiderstand oder wenigstens ein Heizwiderstand zusammen mit wenigstens einem Temperatursensor angeordnet ist, wobei die Abkühlung an der Membran durch daran vorbeiströmende Gase oder Flüssigkeiten ein Maß für den Massen- oder Volumenstrom ist, die Membran zwischen den genannten Widerständen und dem Gas oder der Flüssigkeit angeordnet ist, und die Membran durch strukturierte Abstützungen (3a, 3) aus einem Material mit schlechter Wärmeleitung, die nur stellenweise mit der Membran verbunden sind, abgestützt ist.

4. Massenflußsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungen (3a) aus einer mechanisch steifen Platte (4), beispielsweise Pyrexglas, heraustrukturiert sind.

5. Massenflußsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanisch steife Platte (4), beispielsweise aus Pyrexglas, vorgesehen ist, und daß die Abstützungen (3) zwischen der Platte (4) und der Membran angeordnet sind.

6. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils wenigstens ein Tempera­ tursensor (11) rechts und links des Heizwiderstandes (1) an­ geordnet ist und daß durch Vergleich der gemessenen Tempera­ turen die Strömungsrichtung des Gases oder der Flüssigkeit bestimmbar und/oder eine Offsetkompensation durchführbar ist.