DE10330253A1

DE10330253A1 - Sensorelement

Info

Publication number: DE10330253A1
Application number: DE10330253A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fuertsch; Heribert Weber; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-01-20
Also published as: US20050006235A1; JP2005031078A

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit zur Erhöhung der Messgenauigkeit und -empfindlichkeit von Sensorelementen mit Heizerstrukturen vorgeschlagen. DOLLAR A Das Sensorelement umfasst mindestens eine Heizerstruktur (1, 2), wobei mindestens eine erste Leiterbahn (4, 6) vorgesehen ist, über die Strom in die Heizerstruktur (1, 2) eingespeist wird, wobei mindestens eine zweite Leiterbahn (5, 7) vorgesehen ist, über die Strom aus der Heizerstruktur (1, 2) ausgekoppelt wird, und wobei Mittel zum Erfassen der Widerstände einzelner Abschnitte der Heizerstruktur (1, 2) vorgesehen sind. Erfindungsgemäß umfassen diese Mittel zum Erfassen der Widerstände zusätzliche hochohmige Messleitungen (8, 9), mit denen die Spannung direkt an den einzelnen Abschnitten der Heizerstruktur (1, 2) abgegriffen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement mit mindestens einer Heizerstruktur, wobei mindestens eine erste Leiterbahn vorgesehen ist, über die Strom in die Heizerstruktur eingespeist wird, wobei mindestens eine zweite Leiterbahn vorgesehen ist, über die der Strom aus der Heizerstruktur ausgekoppelt wird, und wobei Mittel zum Erfassen der Widerstände einzelner Abschnitte der Heizerstruktur vorgesehen sind.

Derartige Sensorelemente werden in der Praxis beispielsweise im Rahmen von Luftmassensensoren zur Luftmassenbestimmung, zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsrichtung eingesetzt. In diesem Fall ist die Heizerstruktur meist auf einer dünnen, schlecht wärmeleitenden Membran angeordnet, die mit mikromechanischen Fertigungsverfahren in der Bauelementstruktur erzeugt worden ist. Mit Hilfe der Heizerstruktur wird die Luft über der Membran erwärmt. Beim Anströmen der Membran wird die erwärmte Luft über dem zuerst angeströmten Abschnitt der Heizerstruktur in Richtung eines weiteren Abschnitts der Heizerstruktur verschoben. Dies führt zu einer Abkühlung und damit Widerstandsreduzierung des zuerst angeströmten Abschnitts. Der dann angeströmte Abschnitt der Heizleiterstruktur wird durch die erwärmte Luft zusätzlich erwärmt, wodurch sich der Widerstand dieses Abschnitts erhöht. Diese Widerstandsänderungen lassen Rückschlüsse auf die sich bewegende Luftmasse, die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung zu.

Die Temperaturabhängigkeit der Widerstandswerte R(T) lässt sich beschreiben als R(T) = R0(1 + aT), wobei R₀ der Grundwiderstand bei Raumtemperatur ist und a der Temperaturkoeffizient des Widerstands ist. Demnach hängen temperaturinduzierte Widerstandsänderungen proportional von der Größe des Grundwiderstands R₀ ab.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als problematisch, dass elektrische Heizer mit niederohmigen Leiterbahnstrukturen realisiert werden müssen. Aufgrund des geringen Grundwiderstands der Heizerstruktur sind die zu erfassenden temperaturinduzierten Widerstandsänderungen immer nur relativ gering. Bei der Messung derartig kleiner Widerstände haben sämtliche Zuleitungsbahnen und Bondverbindungen einen nicht unerheblichen Einfluss auf das Messergebnis.

Vorteile der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit zur Erhöhung der Messgenauigkeit und -empfindlichkeit von Sensorelementen mit Heizerstrukturen vorgeschlagen.

Dazu umfassen die Mittel zum Erfassen der Widerstände einzelner Abschnitte der Heizerstruktur erfindungsgemäß zusätzliche hochohmige Messleitungen, mit denen die Spannung direkt an den einzelnen Abschnitten der Heizerstruktur abgegriffen wird. Auf diese Weise kann der Einfluss von parasitären Widerständen, die oftmals auch temperaturabhängig sind, sehr gering gehalten werden.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung eines erfindungsgemäßen Sensorelements, insbesondere was die Art und die Anordnung der Heizerstrukturen betrifft und auch was die Anzahl und die Anordnung der zusätzlichen hochohmigen Messleitungen betrifft, die als Spannungsabgriffe dienen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Abschnitte der Heizerstruktur mit Hilfe der Messleitungen in Form einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet. Durch diese Maßnahme lässt sich eine besonders hohe Messempfindlichkeit erzielen.

Alternativ kann es sich im Hinblick auf eine hohe Messgenauigkeit als vorteilhaft erweisen, wenn die einzelnen Abschnitte der Heizerstruktur mit Hilfe der Messleitungen so verschaltet sind, dass eine 4-Punkt-Widerstandsmessung der einzelnen Abschnitte der Heizerstruktur durchgeführt werden kann. In diesem Fall können die Einflüsse der Zuleitungen einfach eliminiert werden. Die Messgenauigkeit kann zusätzlich noch dadurch gesteigert werden, dass auch Einflüsse der Umgebungstemperatur auf das Messergebnis kompensiert werden. Dazu kann das erfindungsgemäße Sensorelement einen Temperaturfühler umfassen, der in hinreichendem Abstand von der Heizerstruktur angeordnet ist.

Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
1 zeigt die Aufsicht auf ein erstes erfindungsgemäßes Sensorelement mit zwei unabhängigen Doppelheizerstrukturen,
2 zeigt die Aufsicht auf ein zweites erfindungsgemäßes Sensorelement mit zwei unabhängigen Doppelheizerstrukturen,
3 zeigt eine Brückenverschaltung der Widerstände der in den 1 und 2 dargestellten Sensorelemente,
4 zeigt die Aufsicht auf ein drittes erfindungsgemäßes Sensorelement mit zwei Doppelheizerstrukturen, die eine gemeinsame Stromein- oder Stromauskopplung haben,
5 zeigt die Aufsicht auf ein viertes erfindungsgemäßes Sensorelement mit einer Doppelheizerstruktur und
6 zeigt die Aufsicht auf ein fünftes erfindungsgemäßes Sensorelement mit einer Doppelheizerstruktur.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Alle in den 1 und 2 sowie 4, 5 und 6 dargestellten Sensorelemente dienen zum Erfassen von Fluidströmungen, d.h. der Masse, der Geschwindigkeit und Richtung eines strömenden Fluids, und können im Rahmen eines Luftmassensensors, beispielsweise für Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich, eingesetzt werden.
Jedes der dargestellten Sensorelemente ist mit Standardverfahren der Halbleitertechnik und der Mikromechanik hergestellt und umfasst mindestens eine Heizerstruktur, die auf einer dünnen, thermisch schlecht leitenden Membran der Bauelementstruktur angeordnet ist. Die Membran besteht üblicherweise aus mehreren Schichten beispielsweise aus SiO₂, Si₃N₄, SiC, etc.. Die Heizerstruktur sowie Leiterbahnen können aus einer oder auch aus mehreren Schichten beispielsweise aus Al, Pt, Ni, Polysilizium, etc. bestehen. Außerdem sind in der Regel noch Deckschichten, bestehend aus SiO₂, Si₃N₄, SiC, etc. vorgesehen. All diese Schichten werden auf einem Siliziumwafer abgeschieden und je nach Funktion strukturiert. Die freitragende Membran wird durch Strukturierung der Rückseite des Siliziumwafers erzeugt, wobei das Silizium im Bereich der zu erzeugenden Membran entfernt wird. Alternativ kann die freitragende Membran auch durch eine von vorne eingebrachte Kaverne mit Hilfe bekannter Oberflächenmikromechanik(OMM)-Techniken realisiert werden.
Die in den 1 und 2 dargestellten Sensorelemente umfassen jeweils zwei Doppelheizerstrukturen 1 und 2 mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen R1 und R2 bzw. R3 und R4 in Form von Heizleiterbahnabschnitten, die parallel zueinander auf der Membran 3 angeordnet sind. Die beiden Doppelheizerstrukturen 1 und 2 werden unabhängig voneinander mit Strom versorgt. Dazu ist jeweils eine erste Leiterbahn 4 bzw. 6 vorgesehen, über die Strom in die Doppelheizerstruktur 1 bzw. 2 eingespeist wird, und eine zweite Leiterbahn 5 bzw. 7, über die der Strom aus der Doppelheizerstruktur 1 bzw. 2 ausgekoppelt wird. Die Leiterbahnen 4 bis 7 sind vergleichsweise breit, also niederohmig, ausgeführt und verjüngen sich im Anschlussbereich zu den Heizleiterbahnabschnitten R1 bis R4, um den Einfluss der Zuleitungswiderstände auf die Messergebnisse möglichst gering zu halten.
Zur Messwerterfassung sind zwei hochohmige Messleitungen 8 und 9 vorgesehen, mit denen die Spannung direkt im Verbindungsbereich der beiden parallel zueinander angeordneten Widerstände R1 und R2 bzw. R3 und R4, abgegriffen wird. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Messleitungsanschlüsse auf dem „Festland" des Sensorelements angeordnet, während sie bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel im Membranbereich angeordnet sind.
Die in den 1 und 2 dargestellten Messleitungen 8 und 9 bzw. Messleitungsanschlüsse ermöglichen eine Verschaltung der Heizleiterbahnabschnitte R1 bis R4 zu einer Wheatstoneschen Brücke, wie sie in 3 dargestellt ist.
Das in 4 dargestellte Sensorelement umfasst eine Heizerstruktur 10, bestehend aus zwei Doppelheizerstrukturen die eine gemeinsame Stromein- bzw. Stromauskopplung aufweisen. Die Heizleiterbahnabschnitte 11 bis 14 der beiden Doppelheizerstrukturen sind parallel zueinander auf der Membran 3 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel soll die Stromeinspeisung über die beiden endseitig angeordneten Leiterbahnen 15 und 16 erfolgen. Die Stromauskopplung erfolgt über die mittig angeordnete Leiterbahn 17. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zur Messwerterfassung insgesamt fünf hochohmige Messleitungen vorgesehen. Mit zwei Messleitungen 18 und 19 wird die Spannung direkt im Verbindungsbereich der Heizleiterbahnabschnitte 11 und 12 bzw. 13 und 14 abgegriffen. Daneben sind zwei Messleitungen 20 und 21 vorgesehen, mit denen die Spannung an den Stromeinspeisungsstellen abgegriffen werden kann, und eine Messleitung 22, mit der die Spannung an der Stromauskopplungsstelle abgegriffen wird. Alle Messleitungsanschlüsse sind im Membranbereich angeordnet, können sich aber auch analog zu 1 außerhalb des Membranbereichs befinden. Die Messleitungsanschlüsse des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels lassen eine 4-Punkt-Messung zu, bei der die Widerstände der Heizleiterbahnabschnitte 11 bis 14 einzeln bestimmt werden können.
Diese Möglichkeit besteht auch bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Heizerstruktur 23 umfasst hier lediglich zwei in Reihe geschaltete Heizleiterbahnabschnitte 24 und 25, die parallel zueinander auf der Membran 3 angeordnet sind. Der Strom wird über eine Leiterbahn 26 eingespeist und über eine Leiterbahn 27 ausgekoppelt. Die Messwerterfassung erfolgt mit Hilfe von drei hochohmigen Messleitungen. Mit einer Messleitung 28 wird die Spannung direkt im Verbindungsbereich der Heizleiterbahnabschnitte 24 und 25 abgegriffen. Mit den anderen beiden Messleitungen 29 und 30 werden die Spannung an der Stromeinspeisungsstelle und an der Stromauskopplungsstelle abgegriffen. Auch hier sind alle Messleitungsanschlüsse beispielhaft im Membranbereich angeordnet.
Das in 6 dargestellte Sensorelement unterscheidet sich von dem in 5 dargestellten Sensorelement durch eine gemeinsame Stromzu- bzw. rückleitung 31 der beiden Heizleiterbahnanschnitte 24 und 25, die eine unabhängige Temperaturanpassung für jeden der beiden Heizleiterbahnabschnitte 24 und 25 ermöglicht.
Bei allen fünf in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ist außerhalb des Membranbereichs ein Temperaturfühler 32 angeordnet, der ebenfalls mit Standardverfahren der Halbleitertechnik zusammen mit der Heizerstruktur hergestellt werden kann. Dieser Temperaturfühler kann zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messergebnisse herangezogen werden.
Analog zu den Darstellungen in 1 und 2 können bei allen aufgeführten Beispielen die Heizleiterstrukturen vom Membranbereich bis auf den Festlandbereich reichen und dort Messleitungen für den bzw. die Spannungsabgriffe angeschlossen sein.

1: Doppelheizerstruktur (1 und 2)
2: Doppelheizerstruktur (1 und 2)
3: Membran
4: Leiterbahn – Stromeinspeisung/-auskopplung
5: Leiterbahn – Stromauskopplung/-einspeisung
6: Leiterbahn – Stromeinspeisung/-auskopplung
7: Leiterbahn – Stromauskopplung/-einspeisung
8: Messleitung
9: Messleitung
10: Heizerstruktur (4)
11: Heizleiterbahnabschnitt
12: Heizleiterbahnabschnitt
13: Heizleiterbahnabschnitt
14: Heizleiterbahnabschnitt
15: Leiterbahn – Stromeinspeisung/-auskopplung
16: Leiterbahn – Stromeinspeisung/-auskopplung
17: Leiterbahn – Stromauskopplung/-einspeisung
18: Messleitung
19: Messleitung
20: Messleitung
21: Messleitung
22: Messleitung
23: Heizerstruktur (5 und 6)
24: Heizleiterbahnabschnitt
25: Heizleiterbahnabschnitt
26: Leiterbahn – Stromeinspeisung/-auskopplung
27: Leiterbahn – Stromauskopplung/-einspeisung
28: Messleitung
29: Messleitung
30: Messleitung
31: Stromzu- bzw. -rückleitung
32: Temperaturfühler

Claims

Sensorelement mit mindestens einer Heizerstruktur (1, 2), wobei mindestens eine erste Leiterbahn (4, 6) vorgesehen ist, über die Strom in die Heizerstruktur (1, 2) eingespeist wird, wobei mindestens eine zweite Leiterbahn (5, 7) vorgesehen ist, über die der Strom aus der Heizerstruktur (1, 2) ausgekoppelt wird, und wobei Mittel zum Erfassen der Widerstände einzelner Abschnitte der Heizerstruktur (1, 2) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen der Widerstände zusätzliche hochohmige Messleitungen (8, 9) umfassen, mit denen die Spannung direkt an den einzelnen Abschnitten der Heizerstruktur (1, 2) abgegriffen wird.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Abschnitte der Heizerstruktur (1, 2) mit Hilfe der Messleitungen (8, 9) zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Abschnitte (11 bis 14; 24, 25) der Heizerstruktur (10; 23) mit Hilfe der Messleitungen (18 bis 22; 28 bis 30) so verschaltet sind, dass eine 4-Punkt-Widerstandsmessung zur elektrischen Charakterisierung der einzelnen Abschnitte (11 bis 14; 24, 25) der Heizerstruktur (10; 23) durchgeführt werden kann.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Abmessungen der Heizerstruktur und die Abstände zwischen den einzelnen Abschnitten der Heizerstruktur bzw. Heizerstrukturen hinsichtlich maximaler Empfindlichkeit optimiert sind.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperaturfühler (32) zur Kompensation von Temperatureinflüssen vorgesehen ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizerstruktur (1, 2) auf einem thermisch gut isolierten Bereich, insbesondere auf einer dünnen schlecht wärmeleitenden Membran (3), angeordnet ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizerstruktur freitragend über einem Substrat ausgeführt ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Hilfe der hochohmigen Messleitungen (8, 9) realisierten Spannungsabgriffe in dem thermisch gut isolierten Bereich, insbesondere im Bereich der Membran (3), oder außerhalb des thermisch gut isolierten Bereichs, insbesondere im Bereich des die Membran (3) umgebenden Festlandes, angeordnet sind.
Verwendung eines Sensorelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Erfassen von Fluidströmungen.
Verwendung eines Sensorelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 im Rahmen eines Luftmassensensors, eines thermischen Beschleunigungssensors, Neigungssensors, Drehwinkelsensors oder adiabatischen Drucksensors.