DE4219454C2 - Massenflußsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Massenflußsensor nach der WO 89/05963. Daraus ist schon ein Massenflußsensor bekannt, bei dem eine dielektrische Membran in einem Rahmen aus einkristallinem Silizium angeordnet ist. Auf der Membran sind Heizelemente und Temperaturmeßelemente angeordnet. Weitere Temperaturmeßelemente sind auf dem Siliziumrahmen angeordnet.

Aus der EP 0 094 497 A1 ist ein Massenflußsensor mit einem Meßchip, der in einem Anströmkanal eines Gehäuses eingebaut ist, bekannt. Weiterhin weist der Meßchip einen dielektrischen Träger an einem Rahmen aus einkristallinem Silizium auf, wobei der Träger als Brücke oder als Zunge ausgebildet ist. Auf diesem Träger ist ein Heizer angeordnet, der durch Leiterbahnen kontaktiert ist.

Aus der DE 29 00 220 C2 ist ein Massenflußsensor mit einem Heißschichtwiderstand in einem Anströmkanal bekannt. Der Anströmkanal weist dabei einen sich verjüngenden Querschnitt auf, wobei der kleinste Querschnitt in Strömungsrichtung nach dem Heißschichtwiderstand angeordnet ist. Durch diese Verjüngung wird eine laminare Strömung im Bereich des Heißschichtwiderstandes erzielt.

In der US 4 829 818 wird ein Gehäuse für einen Massenflußsensor beschrieben. Dieses Gehäuse weist einen Strömungskanal auf, wobei ein Meßchip in eine Vertiefung in der Wand des Strömungskanals eingelassen wird.

Aus der DE 38 44 354 A1 ist ein Massenflußsensor mit einem Gehäuse bekannt. Das Gehäuse weist einen Anströmkanal auf, wobei ein Keramiksubstrat mit einem Meßelement in diesen Anströmkanal hereinragt. Das Keramiksubstrat ist mittels Klebstoff mit dem Gehäuse verbunden. Weiterhin sind Maßnahmen vorgesehen, eine zu starke mechanische Verformung des Keramiksubstrats zu verhindern. Durch diese Maßnahmen wird die Bruchsicherheit des Keramiksubstrats verbessert.

In der US 4 685 331 wird ein Massenflußsensor beschrieben, bei dem ein Kanal durch die Verbindung von zwei Siliziumwafern geschaffen wird. In diesem Kanal sind Brücken aus Siliziumnitrid angeordnet, auf denen Heizelemente gelegen sind.

Der erfindungsgemäße Massenflußsensor mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß ein besonders glatt begrenzter Strömungskanal erzielt wird. Durch die Anordnung der Membran und der Bondpads auf verschiedenen Seiten der Dichtlippe wird eine klare Trennung des Meßbereiches vom elektrischen Anschlußbereich erreicht. Insbesondere ermöglicht diese Trennung die Verwendung von Schaltkreisen oder anderen empfindlichen Elementen in unmittelbarer Nähe der Membran, ohne daß diese durch den Medienstrom beeinflußt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserung des im Hauptanspruch angegebenen Massenflußsensors möglich. Wenn dabei die Dichtlippe auf dem Rahmen aufliegt, so ist der Zusammenbau von Meßchip und Gehäuse besonders einfach. Die mechanische Belastung des Meßchips wird verringert, indem die Dichtlippe einen geringen Spalt zum Rahmen aufweist und dieser Spalt durch Klebstoff verschlossen ist. Durch eine Beschleunigung des Massenflusses im Anströmkanal wird die Ablagerung von Schmutzpartikeln auf dem Meßchip verringert. Weiterhin wird die Ablösung von Wirbeln, die zu einem erhöhten Rauschen führen, unterdrückt und so die Messung verbessert. Besonders einfach wird diese Beschleunigung durch einen sich in Stromrichtung verjüngenden Querschnitt des Anströmkanals erreicht. In einer besonders günstigen Ausführung liegt dabei der kleinste Querschnitt in Strömungsrichtung nach dem Meßchip, da so sichergestellt wird, daß die Luft auch oberhalb des Sensors beschleunigt wird. Durch den bündigen Einbau des Meßchips in eine Wand des Anströmkanals werden Kanten im Strömungskanal vermieden, die zu besonders starker Schmutzablagerung führen. Durch die flächige Verbindung des Rahmens wird ein guter thermischer Kontakt mit dem Gehäuse sichergestellt. Mechanische Verspannungen in der Membran 3 werden verringert, wenn dazu eine flächige Klebung des Rahmens nur auf einer Umfangsseite der Membran erfolgt. Die Anpassung der Gehäusetemperatur an die Temperatur des Medienstromes wird durch einen Kühlkörper verbessert. Zum Schutz der dielektrischen Membran gegen einen plötzlichen Druckanstieg des Medienstromes und thermisch bedingter Ausdehnung des zwischen Meßchip und Gehäuse eingeschlossenen Gases weist das Gehäuse ein Lüftungsloch auf. Um dabei eine Strömung auf der Unterseite der Membran zu vermeiden, sollte der Querschnitt des Lüftungslochs kleiner als die Länge des Lüftungslochs sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a und Fig. 1b einen Meßchip im Querschnitt und in der Aufsicht,

Fig. 2 eine Aufsicht,

Fig. 3 einen Längsschnitt,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Aus­ führungsbeispiel des Massenflußsensors und

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des Massenflußsensors.

In Fig. 1a ist ein Meßchip 2 im Querschnitt und in Fig. 1b ist ein Meßchip 2 in der Aufsicht dargestellt. Mit 3 ist eine dielektrische Membran in einem Rahmen 4 aus einkristallinem Silizium bezeichnet. Auf der Membran 3 ist ein Heizer 5 und ein Temperaturfühler 6 angeordnet. Auf dem Rahmen 4 ist ein weiterer Referenztemperaturfühler 20 angeordnet. Der Heizer 5, der Temperaturfühler 6 und der Referenztemperaturfühler 20 sind durch Leiterbahnen 7 mit Bondpads 8 verbunden. Durch die Leiterbahnen 7 wird ein elektrischer Kontakt zwischen dem Heizer 5, dem Temperaturfühler 6, dem Referenztemperaturfühler 20 und der Außenwelt hergestellt. Durch Bonden von Drähten auf den Bondpads 8 kann eine elektrische Verbindung zu externen, hier nicht gezeigten Schaltkreisen, hergestellt werden. Die dielektrische Membran 3 besteht beispielsweise aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid. Diese Materialien haben ein geringes thermisches Leitvermögen und lassen sich besonders einfach auf der Oberfläche eines Silizium­ wafers erzeugen. Durch Ätzen eines auf der Oberseite mit einem di­ elektrischen Material beschichteten Siliziumwafers wird die frei­ tragende Membran 3 gebildet. Die entsprechenden Ätzmethoden sind dem Fachmann geläufig. Der Heizer 5 besteht aus einem Widerstands­ element, welches durch einen durch die Leiterbahnen 7 geschickten Stromfluß Wärme auf der Membran erzeugt. Das Widerstandselement kann beispielsweise aus einem Metall aber auch aus entsprechend dotiertem Silizium bestehen. Der Temperaturfühler 6 und der Referenz­ temperaturfühler 20 können beispielsweise aus einem Widerstands­ element bestehen, dessen Leitfähigkeit von der Temperatur abhängt. Geeignete Materialien fuhr dieses Widerstandselement sind Metalle oder entsprechend dotiertes Silizium. Fuhr den Temperaturfühler 6 kann auch ein Element verwendet werden, das den Temperaturunter­ schied zwischen der Membran und dem Rahmen über den Seebeck-Effekt nutzt.

Mit diesem Meßchip 2 kann die Größe eines Massenflusses bestimmt werden, wobei die Flußrichtung parallel zur Oberfläche des Meßchips 2 ist. Durch den Heizer 5 wird die Membran 3 auf einer Temperatur gehalten, die größer ist als die Temperatur des Massenflusses. Die vom Massenfluß von der Membran 3 abgeführte Wärme ist abhängig von der Intensität des Massenflusses. Durch Messung der Temperatur der Membran 3 kann so die Intensität des Massenflusses bestimmt werden. Die Messung der Membrantemperatur kann durch den Temperaturfühler 6 oder durch Messung des Widerstandes des Heizers 5 erfolgen. Der Referenztemperaturfühler 20 dient dazu, den Einfluß der Temperatur des vorbeiströmenden Mediums auszuschalten. Dabei wird davon ausge­ gangen, daß der Rahmen 4 auf der Temperatur des vorbeiströmenden Mediums ist. Erfahrungsgemäß ist ein solcher Meßchip sehr empfind­ lich gegen Verschmutzungen der Oberfläche, die beispielsweise durch Schmutzpartikel entstehen können.

In Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel des Massenflußsensors in der Auf­ sicht gezeigt. Der Meßchip 2 ist in den Anströmkanal 9 des Gehäuses 1 eingebaut. Durch den Pfeil wird die Richtung der Strömung durch den Anströmkanal 9 angedeutet. Bei der Darstellung des Meßchips 2 wurde zur Vereinfachung auf die Darstellung des Temperaturfühlers 6 und des Referenztemperaturfühlers 20 verzichtet. Der auf der Membran 3 angeordnete Heizer 5 ist durch Leiterbahnen 7 mit den Bondpads verbunden. Durch die Bonddrähte 21 ist ein elektrischer Kontakt zu hier nicht gezeigten Schaltkreisen hergestellt. Mit 14 sind schematisch direkt auf dem Meßchip angeordnete Schaltkreise darge­ stellt. Durch diese Schaltkreise 14 kann eine Verarbeitung der Signale des Temperaturfühlers 6 und des Referenztemperaturfühlers 20 und eine Ansteuerung des Heizers 5 vorgenommen werden. Durch die monolithische Integration der Schaltkreise mit dem Meßchip wird letzterer empfindlicher, die Störsicherheit wird erhöht und die Kosten potentiell verringert. Der Querschnitt des Anströmkanals 9 verringert sich entlang der Flußrichtung in der Ebene der Aufsicht. Der geringste Querschnitt ist dabei in Flußrichtung nach dem Meßchip gelegen. Durch diese Maß­ nahme wird die Ablagerung von Schmutzpartikeln auf dem Meßchip 2 verringert. Weiterhin wird die Ablösung von Wirbeln auf der Ober­ fläche des Meßchips unterdrückt, das dadurch verringerte Rauschen verbessert die Meßbarkeit des Sensorsignals. Die Dichtlippe ist in der Aufsicht nach Fig. 2 nicht erkennbar.

In Fig. 3 wird ein Längsschnitt durch den Massenflußsensor nach Fig. 2 entlang der Linie I-I gezeigt. Der Meßchip 2 ist so in das Gehäuse 1 eingebaut, daß die Membran 3 und der Rahmen 4 bündig mit einer Wand 10 des Anströmkanals 9 sind. Der Rahmen 4 ist durch Kleb­ stoff 22 flächig mit dem Gehäuse 1 verklebt. Der Querschnitt des Anströmkanals 9 verjüngt sich auch in der Ebene des Längsschnitts und weist den geringsten Querschnitt in Strömungsrichtung nach dem Meßchip 2 auf. Weiterhin weist das Gehäuse 1 einen Kühlkörper in der Form von Kühlrippen 11 auf. Die Kühlrippen 11 sind mit ihrer Längsseite parallel zum Medienstrom (siehe Pfeil) orientiert.

Durch den bündigen Einbau des Meßchips 2 werden im Anströmkanal 9 Kanten vermieden, an denen sich erfahrungsgemäß besonders viele Schmutzpartikel ansammeln. Da Schmutzpartikel, insbesondere in der Nähe der Membran 3, die Kennlinie des Meßchips verändert, wird durch diese Maßnahme die Langzeitstabilität des Ausgangssignals des Massenflußsensors verbessert. Um den Einfluß der Temperatur des Medienstromes zu verringern, muß der Referenztemperaturfühler 20 annähernd die Temperatur des Medienstromes aufweisen. Zu diesem Zweck ist der Meßchip 2 flächig, d. h. mit einem großen Teil seiner Fläche mit dem Gehäuse verklebt. Durch diese Maßnahme wird ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Meßchip und dem Gehäuse 1 sicherge­ stellt. Weiterhin muß der Kühlkörper 11 eine ausreichende Wärmemenge an das umgebene Medium abgegeben um die durch den Heizer 5 verursachte Erwärmung des Rahmens 4 auszugleichen. Dabei sollte auch bei einer Temperaturänderung des Mediums die Temperaturanpassung des Rahmens schnell erfolgen. Das Gehäuse 1 und der Kühlkörper 11 weisen daher eine geringe Masse auf und sind aus Materialien mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität gefertigt. Durch eine großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Kühlkörpers, beispielsweise durch die Ausgestaltung als Kühlrippen, wird wird eine große Wärmeabgabe an das Medium und eine schnelle Anpassung an eine Änderung der Tempe­ ratur gewährleistet.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch den Massenflußsensor entlang der Linie II-II von Fig. 2 gezeigt. Das Gehäuse 1 besteht aus einem oberen Teil 24 und einem unteren Teil 25. Der Meßchip 2 ist in unteren Teil 25 des Gehäuses 1 in einer Ausnehmung 26 eingebaut. Der Rahmen 4 ist durch Klebstoff 22 flächig mit dem unteren Teil 25 des Gehäuses 1 verklebt. Der Meßchip 2 weist weiterhin Schaltkreise 14 und einen Bondpad 8 auf. Durch einen Bonddraht 21 ist der Meßchip 2 mit anderen, hier nicht gezeigten, Schaltkreisen verbunden. Weiterhin weist der untere Teil des Gehäuses Kühlrippen 11 auf. Die Unterseite der Membran 3 ist durch ein Lüftungsloch 12 belüftet. Das obere Gehäuseteil 24 weist eine Dichtlippe 13 auf, die durch Kleb­ stoff 23 mit dem Meßchip 2 verbunden ist.

Durch das Lüftungsloch 12 wird ein Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite der Membran 3 vermieden. Da die Membran 3 sehr dünn ist, um das thermische Leitvermögen der Membran gering zu halten, besteht bei Druckunterschieden die Gefahr, daß die Membran zerstört wird. Dabei ist es jedoch unerwünscht, daß sich in dem von Mem­ bran 3, Rahmen 4 und Gehäuseunterteil 25 gebildeten Hohlraum eine Strömung ausbildet, da es sonst zur Ablagerung von Schmutzpartikeln kommen kann. Der Querschnitt des Lüftungsloches 12 sollte daher kleiner sein als seine Länge.

Durch die Dichtlippe 13 wird die Oberseite des Meßchips 2 in Bereiche unterteilt. Im einen Bereich ist die Membran 3 im An­ strömkanal 9 gelegen. Auf der anderen Seite der Dichtlippe 13 sind die Schaltkreise 14, die Bondpads 8 und Bonddrähte 21 gelegen. Dieser Bereich ist vom Anströmkanal getrennt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Schaltkreise 14, die Bondpads 8 und die Bonddrähte 21 vor störenden Einflüssen des Medienstromes geschützt sind. Die hermetische Trennung zwischen diesen beiden Bereichen wird durch Aufsetzen der Dichtlippe 13 auf den Rahmen 4 oder durch die Ver­ wendung einer Klebstoffschicht 23 zwischen der Dichtlippe 13 und dem Rahmen 4 erreicht.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführung des Massenflußsensors ge­ zeigt, bei der der Meßchip 2 durch den Klebstoff 22 nur auf einer Umfangsseite der Membran 3 mit dem unteren Gehäuseteil 25 verklebt ist, und die Aussparung 26 des unteren Gehäuseteils 25 für den Meßchip 2 etwas größer ist als der Meßchip 2. Durch diese Maßnahmen wird er­ reicht, daß sich der Meßchip 2 bei Erwärmung ausdehnen kann, ohne daß es dabei zu Verspannungen mit dem Gehäuse 1 kommt. Die aus dem oberen Gehäuseteil 24 ausgebildete Dichtlippe 13, die die Membran 3 und die Bonddrähte 21 trennt, ist elastisch und ohne Klebung auf den Meßchip 2 aufgesetzt. Die Abdichtung kann wieder durch eine Klebung verbessert werden. Bei dieser Ausführung des Massenflußsensors weist der untere Gehäuseteil 25 kein Lüftungsloch auf, da ein Druckaus­ gleich zwischen der Oberseite und der Unterseite der Membran 3 durch das von Meßchip 2 und unteren Gehäuseteil 25 gebildeten Lüftungsloch erfolgen kann.

Claims (8)

1. Massenflußsensor

• - mit einem Meßchip (2), der eine dielektrische Membran, die in einem Rahmen (4) aus einkristallinem Silizium aufgespannt ist, aufweist, wobei auf der Membran mindestens ein Heizwiderstand (5) angeordnet ist und auf dem Rahmen (4) Bondpads (8) für die Kontaktierung des Meßchips (2) gelegen sind,
• - mit einem Anströmkanal (9), in dessen Wand (10) der Meßchip (2) bündig eingelassen ist, und
• - mit einer Dichtlippe (13), die auf der Oberseite einen Bereich des Rahmens (4) mit der Membran im Anströmkanal von einem anderen Bereich des Rahmens mit den Bondpads (8) außerhalb des Anströmkanals unterteilt.

2. Massenflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippe (13) auf dem Rahmen (4) aufliegt.

3. Massenflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippe (13) einen geringen Spalt zum Rahmen (4) aufweist und dieser Spalt durch Klebstoff verschlossen ist.

4. Massenflußsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßchip (2) Schaltkreise (14) aufweist, die auf derselben Seite der Dichtlippe (13) gelegen sind wie die Bondpads (8).

5. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenfluß durch einen sich in Strömungsrichtung verjüngenden Querschnitt des Anströmkanals (9) beschleunigt wird und daß der kleinste Querschnitt dabei in Strömungsrichtung nach dem Meßchip (2) gelegen ist.

6. Massenflußsensor nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite der Membran (3) belüftet ist.

7. Massenflußsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftung durch ein Lüftungsloch (12) erfolgt, wobei der Querschnitt des Lüftungslochs (12) kleiner ist als die Länge des Lüftungslochs (12).

8. Massenflußsensor nach einem der vorhandenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (4) nur auf einer Umfangsseite der Membran (3) in der Wand des Anströmkanals verklebt ist.