DE4005801A1

DE4005801A1 - Mikrobruecken-stroemungssensor

Info

Publication number: DE4005801A1
Application number: DE4005801A
Authority: DE
Inventors: Ikuo Nishimoto; Takashi Kurosawa; Tomoshige Yamamoto
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1991-08-29
Also published as: GB9003998D0; US5050429A; GB2241334A; GB2241334B

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrobrücken-Strömungssensor zum Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit einer sehr geringen Gasmenge.

Ein üblicher Mikrobrücken-Strömungssensor besteht, wie aus den Fig. 3(a) und 3(b) ersichtlich, aus einem Strömungssensorchip mit einem Dünnfilm-Brückenaufbau sehr geringer Wärmekapazität, der mit Hilfe der Dünnfilmtechnik und einer anisotropen Ätztechnik hergestellt wird. Dieser Sensor weist vorteilhafte Eigenschaften, wie z. B. eine sehr hohe Ansprechgeschwindigkeit, eine hohe Empfindlichkeit, einen niedrigen Energieverbrauch und eine gute Massenproduktivität auf.

Die Fig. 3(a) und 3(b) verdeutlichen den Aufbau eines Mikrobrücken-Strömungssensors, wobei Fig. 3(a) eine perspektivische Ansicht des Sensors und Fig. 3(b) eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 3(a) wiedergibt. Wie aus den Fig. 3(a) und 3(b) ersichtlich, ist in dem zentralen Teil eines Halbleitersubstrats 1 durch anisotropes Ätzen ein Durchgangsloch 4 ausgebildet, das mit einer linken und einer rechten Öffung 2 bzw. 3 in Verbindung steht. Über dem Durchgangsloch 4 ist integral ein Brückenteil 5 derart ausgebildet, daß dieses in Form einer Brücke räumlich vom Halbleitersubstrat 1 isoliert ist. Demzufolge ist das Brückenteil 5 bezüglich des Halbleitersubstrats 1 thermisch isoliert. Auf der Oberfläche des Brückenteils 5 sind ein Dünnfilm-Heizelement 7 und der Temperaturmessung dienende Dünnfilm-Widerstandselemente 8 und 9 angeordnet, wobei das Heizelement 7 zwischen den beiden Widerstandselementen 8 und 9 liegt. Diese Elemente 7, 8 und 9 sind mit einem Schutzfilm 6 abgedeckt. Außerdem ist auf einem Eckabschnitt des Halbleitersubstrats 1 ein peripheres der Temperaturmessung dienendes Dünnfilm-Widerstandselement 10 ausgebildet.

Wird bei diesem Aufbau das Dünnfilm-Heizelement 7 auf eine vorbestimmte Temperatur eingeregelt, die höher als die Umgebungstemperatur ist, so ergibt sich in der Nähe des Dünnfilm-Brückenteils 5 um das Heizelement 7 eine symmetrische Temperaturverteilung. Bewegt sich z. B. ein Gas in Richtung des in Fig. 3(a) dargestellten Pfeils 11, so wird das stromaufwärts gelegene Widerstandselement 8 gekühlt, während die Wärmeleitung vom Heizelement 7 zum stromabwärts gelegenen Widerstandselement 9 infolge der Gasströmung unterstützt wird. Demzufolge nimmt die Temperatur des Widerstandselements 9 zu, so daß eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandselementen 8 und 9 auftritt. Werden die zu beiden Seiten des Heizelements 7 ausgebildeten, der Temperaturmessung dienenden Dünnfilm-Widerstandselemente 8 und 9 in eine Wheatstone-Brückenschaltung eingeschaltet, so kann die vorstehend erwähnte Temperaturdifferenz in eine Spannung umgewandelt werden; das heißt, es kann eine der Strömungsgeschwindigkeit entsprechende Ausgangsspannung gewonnen werden. Somit kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, wie in Fig. 3(c) gezeigt, ermittelt werden.

Da bei dem vorstehend erläuterten konventionellen Mikrobrücken-Strömungssensor jedoch die der Temperaturmessung dienenden Widerstandselemente 8 und 9, wie aus Fig. 3(a) ersichtlich, auf beiden Seiten des Heizelements 7 angeordnet sind, stellt sich folgendes Problem, wenn die Strömungsgeschwindigkeit eines Gases gemessen werden soll, indem diese Widerstandselemente 8 und 9 in eine Wheatstone- Brückenschaltung eingeschaltet werden. Da die Ausgangsspannung mit einer Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit ansteigt, wie dies in Fig. 3(c) anhand der Kennlinie A verdeutlicht ist, kann ein ausreichender Spannungswert gewonnen werden, falls die Strömungsgeschwindigkeit hoch ist. Ist die Strömungsgeschwindigkeit jedoch niedrig, so ist die Spannung gering, so daß keine ausreichende Empfindlichkeit gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrobrücken- Strömungssensor vorzuschlagen, mit dessen Hilfe Messungen in einem weiten Strömungsgeschwindigkeitsbereich, nämlich bei niedrigen bis hohen Strömungsgeschwindigkeiten, durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Gemäß der Erfindung wird ein Mikrobrücken-Strömungssensor vorgeschlagen, der über einer Fläche eines Halbleitersubstrats ausgebildete integrale Brückenteile, die vom Halbleitersubstrat räumlich abgesetzt sind und ein Durchgangsloch ausbilden, das mit einer rechten und einer linken Öffnung in Verbindung steht, sowie ein Meßteil aufweist, das von einem Heizelement und Temperaturtmeßelementen gebildet wird, die gegen die Oberflächen der Brückenteile thermisch isoliert sind. Dieser Mikrobrücken-Strömungssensor erfaßt die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis von Widerstandsänderungen der Temperaturmeßelemente, wobei weitere Brückenteile über der rechten bzw. linken Öffnung integral ausgebildet und der Temperaturmessung dienende weitere Widerstandselemente entsprechend auf den Oberflächen dieser Brückenteile vorgesehen sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1(a) ein Ausführungsbeispiel eines Mikrobrücken- Strömungssensors in perspektivischer Ansicht;

Fig. 1(b) eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 1(a) und

Fig. 2 ein Diagramm, das Strömungsgeschwindigkeit/Ausgangsspannungs-Kennlinien von Sensoren für niedrige und hohe Strömungsgeschwindigkeiten wiedergibt.

Die Fig. 1(a) und 1(b) zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Mikrobrücken-Strömungssensors, wobei die den Fig. 3(a) und 3(b) entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Wie aus den Fig. 1(a) und 1(b) weiter ersichtlich, sind über den Öffnungen 2 und 3 des im Halbleitersubstrat 1 ausgebildeten Durchgangsloches 4 weitere Brückenteile 12 und 13 ausgebildet, so daß diese in Form einer Brücke räumlich vom Halbleitersubstrat 1 abgesetzt sind. Demzufolge sind die Brückenteile 12 und 13 gegen das Halbleitersubstrat 1 thermisch isoliert. Auf den Oberflächen der Brückenteile 12 und 13 sind der Temperaturmessung dienende Widerstandselemente 14 und 15 entsprechend ausgebildet, die jeweils von einem Schutzfilm 6 umgeben sind.

Bei diesem Aufbau sind die der Temperaturmessung dienenden Widerstandselemente 14 und 15 auf den Oberflächen der über den Öffnungen 2 und 3 gelegenen Brückenteile 12 und 13 ausgebildet, so daß diese gegenüber den Brückenteilen 5 thermisch isoliert sind, auf denen das Heizelement 7 ausgebildet ist. Demzufolge läßt sich aus der Ausgangsspannungsdifferenz aufgrund der Widerstandselemente 14 und 15 die in Fig. 2 gezeigte Kennlinie B ableiten. Da die Widerstandselemente 14 und 15 vom Heizelement 7 getrennt vorgesehen sind, werden diese kaum von der Wärme beeinflußt, die direkt vom Heizelement 7 über einen Festkörper, wie z. B. den Schutzfilm 6 zugeführt wird. Eine Wärmeleitung zu den Widerstandselementen 14 und 15 erfolgt lediglich über ein strömendes Gas. Demzufolge sind die der Temperaturmessung dienenden Widerstandselemente 14 und 15 empfindlich gegenüber der Strömung eines Gases, und die Meßempfindlichkeit in einem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit kann verbessert werden. Wie aus der Kennlinie B in Fig. 2 hervorgeht, ist die Empfindlichkeit in einem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit höher als die durch die Kennlinie A in Fig. 2 dargestellte Empfindlichkeit, und zwar aufgrund der Widerstandselemente 14 und 15. Bei Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit geht die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie B jedoch in die Sättigung über. Zum Beispiel wird die durch die Kennlinie dargestellte Ausgangsspannungsdifferenz ab einem Strömungsgeschwindigkeitswert C kleiner als die durch die Kennlinie A dargestellte Ausgangsspannungsdifferenz. Da die der Temperaturmessung dienenden Widerstandselemente 8 und 9 nahe am Heizelement 7 angeordnet sind, wird diesen über einen Festkörper, wie z. B. den Schutzfilm 6, etwas Wärme direkt zugeleitet. Im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeiten sind die Temperaturänderungen der beiden Widerstandselemente 8 und 9 gering und demnach auch die Meßempfindlichkeit gering.

Da jedoch eine ausreichende Wärmeleitung erfolgt, tritt, wie dies aus der Kennlinie A ersichtlich ist, keine Sättigung ein, und zwar selbst wenn die Strömungsgeschwindigkeit ansteigt. Oberhalb eines bestimmten Bereiches geht die Kennlinie A jedoch auch in die Sättigung über.

Werden somit die der Temperaturmessung dienenden Widerstandselemente 14 und 15 in dem unterhalb des Strömungsgeschwindigkeitswerts C liegenden Bereich und die der Temperaturmessung dienenden Widerstandselemente 8 und 9 in dem oberhalb des Strömungsgeschwindigkeitswerts C liegenden Bereich verwendet, so kann die Empfindlichkeit des Sensors selbst in dem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit verbessert werden. Somit können Strömungsgeschwindigkeitsmessungen in einem weiten Bereich durchgeführt werden.

Da gemäß der Erfindung, wie vorstehend beschrieben, die weiteren Brückenteile entsprechend über den Öffnungen des im Halbleitersubstrat ausgebildeten Durchgangsloches angeordnet und der Temperaturmessung dienende Widerstandselemente entsprechend auf den Oberflächen der Brückenteile ausgebildet sind, sind die Widerstandselemente gegenüber dem Heizelement thermisch isoliert, so daß eine Sättigung der Ausgangsspannungsdifferenz nicht leicht auftritt. Da die der Temperaturmessung dienenden Widerstandselemente entfernt vom Heizelement angeordnet sind, wird die Empfindlichkeit in einem Bereich mit einer niedrigen Gasströmungsgeschwindigkeit verbessert. Werden somit diese Widerstandselemente zusammen mit den in der Nähe des Heizelements liegenden, der Temperaturmessung dienenden Widerstandselementen verwendet, so kann eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung in einem weiten Bereich durchgeführt werden, der niedrige bis hohe Strömungsgeschwindigkeiten einschließt.

Claims

Mikrobrücken-Strömungssensor mit
- - integralen Brückenteilen (5, 5), die über einer Fläche eines Halbleitersubstrats (1) räumlich von diesem abgesondert ausgebildet sind und ein Durchgangsloch (4) bilden, das mit einer rechten und einer linken Öffnung (2, 3) in Verbindung steht, und
- - einem Meßteil, das aus einem Heizelement (7) und der Temperaturmessung dienenden Widerstandselementen (8, 9) besteht, die gegen die Flächen der Brückenteile (5, 5) thermisch isoliert sind,
- - wobei die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis der Widerstandsänderungen der der Temperaturmessung dienenden Widerstandselemente (8, 9) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet,
- - daß über der rechten und linken Öffnung (2, 3) jeweils ein weiteres Brückenteil (12, 13) integral ausgebildet ist und
- - daß auf den Flächen der weiteren Brückenteile (12, 13) weitere entsprechende, der Temperaturmessung dienende Widerstandselemente (14, 15) ausgebildet sind.