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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strömungssensor mit einem Heizelement und mit einem Temperatursensor mit einer elektrischen Widerstandsstruktur, wobei das Heizelement und der Temperatursensor auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sind, und wobei das Heizelement ein vorbeiströmendes Medium erhitzt und der Temperatursensor die Temperatur des vorbeiströmenden Mediums erfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer auf einen vorgegebenen Widerstandssollwert getrimmten elektrischen Widerstandsstruktur.
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Zur Bestimmung der Temperatur eines flüssigen oder gasförmigen Mediums sind in Dünn- oder Dickschichttechnologie hergestellte Temperatursensoren bekannt. Diese umfassen eine elektrische Widerstandsschicht, welche auf einem Substrat aufgebracht ist. Meist ist die Widerstandsschicht mäanderförmige strukturiert. Der elektrische Widerstand dieser Schicht ist temperaturabhängig, sodass aus der Messung des elektrischen Widerstands die Umgebungstemperatur bestimmt werden kann. In der Regel handelt es sich bei dem Material der Widerstandsschicht um Platin und bei dem Substrat um ein Glas oder eine Keramik. Derartige Temperatursensoren kommen häufig in Kombination mit einem Heizelement als Strömungssensor zum Einsatz.
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Auf Grund von fertigungsbedingten Varianzen ist es erforderlich, die aufgebrachte Widerstandsstruktur abzugleichen, sodass ein bestimmter Temperaturwert einem vorgegebenen Widerstandssollwert entspricht. Hierzu ist die Widerstandsstruktur mit so genannten Trimmbahnen versehen, welche Stege aufweisen, die z. B. mit einem Laser durchtrennt werden können. Je mehr Stege durchtrennt werden, desto weiter wird der elektrische Widerstand der Widerstandsstruktur in Richtung Widerstandssollwert erhöht. Meist sind die Trimmbahnen als Fortsatz einer nicht veränderbaren Mäanderstruktur ausgebildet. Eine derartige Trimmstruktur ist beispielsweise in der
WO 85/03570 gezeigt. Werden nun die Stege durchtrennt, verschiebt sich der Schwerpunkt des Widerstands, d. h. der Ort der Messung, vom Zentrum der unveränderbaren Struktur weg in Richtung dem Ort der Trimmbahnen.
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Die Verschiebung ist umso stärker ausgeprägt, je mehr Durchbrechungen bzw. Durchtrennungen vorgenommen werden. Insbesondere bei Strömungssensoren, bei welchen eine solche Widerstandsstruktur als Temperatursensor benachbart zu einem Heizelement angeordnet ist, ist eine Verschiebung des Schwerpunkts nachteilig, da das aufgenommene Strömungsprofil eine schlechtere Reproduzierbarkeit aufweist. In manchen Fällen können Sensoren mit einer zu großen Streuung des Schwerpunkts nicht zur Messung verwendet werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Strömungssensor mit einer elektrischen Widerstandsschicht bereit zu stellen, bei welchem sich der Schwerpunkt des Widerstands durch die Dimensionierung nicht verschiebt. Weiterhin ist ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer derartigen Widerstandsschicht anzugeben.
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Die Aufgabe wird von einem Strömungssensor dadurch gelöst, dass die elektrische Widerstandsstruktur eine zentrale Sensorstruktur und eine Trimmstruktur aufweist, wobei die Trimmstruktur in mindestens zwei miteinander verbundene Abschnitte unterteilt ist, und wobei die Abschnitte der Trimmstruktur im Wesentlichen symmetrisch zu einem Mittelpunkt oder einer Symmetrieachse der zentralen Sensorstruktur um diese herum angeordnet sind. Durch die Symmetrie der Anordnung ist es möglich, die Trimmstruktur so zu verändern, dass der gewünschte Widerstandssollwert eingestellt ist und der Schwerpunkt des Widerstands weiterhin im Wesentlichen unverändert im Zentrum der Widerstandsstruktur liegt.
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In einer ersten Ausgestaltung des Strömungssensors sind das Heizelement und der Temperatursensor in Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik auf dem Substrat aufgebracht.
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Eine Ausgestaltung des Strömungssensors sieht vor, dass die Widerstandsstruktur im Wesentlichen aus Platin besteht.
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Eine Ausgestaltung des Strömungssensors sieht vor, dass das Heizelement im Wesentlichen aus Nickel oder Platin besteht.
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das Heizelement und die Widerstandsstruktur im Wesentlichen die gleiche Linienbreite aufweisen. Durch die gleiche Linienbreite wird erreicht, dass eventuell auftretende Fehler oder Ungenauigkeiten bei der Erzeugung von Heizelement und Widerstandsstruktur für beide Strukturen gleich sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Strömungssensors sind drei Kontaktierungsflächen auf dem Substrat aufgebracht, und eine der Kontaktierungsflächen bildet eine gemeinsame Anschlussfläche für das Heizelement und den Temperatursensor.
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Eine weitere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Trimmstruktur in vier Abschnitte unterteilt ist, wobei jeweils zwei Abschnitte gegenüberliegend angeordnet sind, und dass die sich jeweils gegenüberliegenden Abschnitte eine im Wesentlichen gleiche Unterstruktur aufweisen. Eine hiermit verbundene Ausgestaltung sieht vor, dass die zentrale Sensorstruktur eine im Wesentlichen rechteckige Fläche ausfüllt, und dass die vier Abschnitte jeweils entlang einer Seite der rechteckigen Fläche ausgeführt sind. Die Unterstruktur weist Stege auf, deren Durchtrennen dem Gesamtwiderstand der Widerstandsstruktur jeweils einen bestimmten Betrag hinzufügt. Von insgesamt mindestens vier Abschnitten weisen bevorzugt zwei gegenüberliegende Abschnitte eine grobe Struktur und zwei weitere einander gegenüber liegende Abschnitte eine feine Struktur auf, sodass zuerst eine Grobeinstellung und dann eine Feineinstellung des Widerstandswertes vornehmbar ist. Hierbei bleibt der Schwerpunkt des Widerstands unverändert, sofern die Stege zweier gegenüberliegender Abschnitte jeweils abwechselnd durchtrennt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors besteht darin, dass das Heizelement eine Spiralstruktur aufweist, welche eine im Wesentlichen kreisrunde Fläche abdeckt. Die Ecken von rechtwinklig zueinander verlaufenden Linien sind in der Modellierung und in der Wärmeabgabe inhomogen oder undefiniert und in der Herstellung fehleranfällig. Durch die abgerundete Form der Linien werden Ungenauigkeiten vermindert. Bevorzugt verlaufen mehrere Linien im gleichen Abstand nebeneinander, d. h. die kreisrunde Fläche wird von mehreren spiralförmigen Linien bedeckt. Hierdurch können herstellungsbedingte Varianzen in der Breite der Linien nach dem Prinzip parallel geschalteter PTCs – Widerstände mit Positivem Temperatur Koeffizient – ausgeglichen werden, d. h. falls eine Linie in einem Bereich dünner ist und somit einen geringen Wärmebeitrag liefert, wird dies von einer benachbarten Linie kompensiert, indem diese mehr heizt.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Substrat zur thermischen Entkopplung einen Schlitz aufweist, welcher zwischen dem Heizelement und dem Temperatursensor angeordnet ist. Durch den Schlitz ist der Wärmefluss über das Substrat zwischen Heizelement und Temperatursensor unterbrochen, sodass der Temperatursensor von dem Heizelement ungestört messen kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Strömungssensors ist der Gesamtwiderstand der Widerstandsstruktur derart an den Gesamtwiderstand des Heizelements angepasst, dass der Gesamtwiderstand der Widerstandsstruktur einem ganzzahligen Vielfachen des Gesamtwiderstands des Heizelements entspricht.
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Weiter wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe von einem Verfahren zur Erzeugung einer auf einen vorgegebenen Widerstandssollwert getrimmten elektrischen Widerstandsstruktur gelöst. Das Verfahren löst die Aufgabe dadurch, dass die Widerstandsstruktur derart auf ein Substrat aufgebracht und strukturiert wird, dass sich eine zentrale Sensorstruktur und eine Trimmstruktur ausbilden, dass die Trimmstruktur derart strukturiert wird, dass sie in mindestens zwei Abschnitte unterteilt ist, welche im Wesentlichen symmetrisch zu einem Mittelpunkt oder einer Symmetrieachse der zentralen Sensorstruktur um die zentrale Sensorstruktur herum angeordnet sind, und dass in die mindestens zwei Abschnitte der Trimmstruktur abwechselnd Unterbrechungen eingebracht werden, bis der Gesamtwiderstand der Widerstandsstruktur bei einer Referenztemperatur im Wesentlichen einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
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Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Trimmstruktur derartig ausgestaltet, dass sie mindestens ein erstes Paar gegenüberliegende Abschnitte und ein zweites Paar gegenüberliegender Abschnitte aufweist, wobei das erste Paar gegenüberliegender Abschnitte eine grobe Unterstruktur und das zweite Paar gegenüberliegender Abschnitte eine feine Unterstruktur besitzt, und wird zur Einstellung des Gesamtwiderstands der Widerstandstruktur in einem ersten Schritt eine Grobeinstellung und in einem zweiten Schritt eine Feineinstellung vorgenommen, wobei zur Grobeinstellung in die beiden Abschnitte des ersten Paares abwechselnd Unterbrechungen eingebracht werden, und wobei zur Feineinstellung in die beiden Abschnitte des zweiten Paares abwechselnd Unterbrechungen eingebracht werden. Zuerst wird also eine symmetrische Grobeinstellung und darauf folgend eine symmetrische Feinabstimmung vorgenommen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt einen Strömungssensor mit einem Heizelement und einer symmetrisch trimmbaren Widerstandsstruktur;
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines abgeglichenen Sensors mittels symmetrischen Trimmens.
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1 offenbart einen Strömungssensor 1 mit einem Heizelement 3 zur Erwärmung eines vorbeiströmenden Mediums und mit einer elektrischen Widerstandsstruktur 21 als Temperatursensor 2, welcher die Temperatur des vorbeiströmenden Mediums bestimmt. Das Heizelement 3 wird beispielsweise mit einer variablen Heizleistung derart beheizt, dass der Temperatursensor 2 eine konstante Temperatur aufweist. Die Heizleistung ist somit ein Maß für den Massedurchfluss des Mediums. Derartige Strömungssensoren zur Bestimmung des Massedurchflusses kommen beispielsweise in der Automobilindustrie zur Anwendung.
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Heizelement 3 und Temperatursensor 2 sind in einem Dünnschichtverfahren auf einem gemeinsamen Substrat 4 erzeugt. Bevorzugt sind drei Kontaktflächen 5 zur Kontaktierung des Heizelements 3 und des Temperatursensors 2 auf dem Substrat 4 aufgebracht, welche über Zuleitungen 32, 25 mit der Widerstandsstruktur 21 des Temperatursensors 2 und der Spiralstruktur 31 des Heizelements 3 verbunden sind. Um eine thermische Kopplung zwischen Heizelement 3 und Temperatursensor 2 durch das Substrat 4 zu vermindern, ist zwischen diesen beiden Elementen ein Schlitz 41 in das Substrat 4 eingebracht. Bevorzugt sind die Bahnen des Heizelements 3 und der elektrischen Widerstandsstruktur 21 gleich stark, d. h. gleich breit und dick, ausgeführt. Dies bietet den Vorteil, dass sich Varianzen bei der Fertigung auf beide Elemente gleich auswirken. Dies wiederum wirkt sich vorteilhaft auf die Produktivität beim Einsatz des Sensors aus und führt darüber hinaus zu einer erhöhten Reproduzierbarkeit der Kennlinie.
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Das Heizelement 3 besitzt eine spiralartige Struktur ohne Ecken, die aus vier parallel geschalteten Bahnen besteht. Diese Ausgestaltung bringt mehrere Vorteile mit sich. Zum einen wird durch die parallel geschalteten Bahnen, welche gemeinsam die Spirale ausführen, eine Fläche abgedeckt, welche eine genügend große Wärmemenge abgibt um die Funktion der Strömungsmessung zu gewährleisten. Zum anderen führt die abgerundete Struktur zu einer homogenen Wärmeverteilung. Ecken und Kanten würden darüber hinaus die Gefahr mit sich bringen, stumpf und unsauber gefertigt zu sein. Dies würde zu einer undefinierten aktiven Heizfläche führen. Durch die runde Formgebung des Heizelements 3 werden diese Risiken vermieden. Das Heizelement 3 besteht bevorzugt hauptsächlich aus Nickel oder Platin.
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Bei dem Temperatursensor 2 handelt es sich um einen Dünnschichtwiderstandssensor, d. h. er besitzt eine elektrische Widerstandsstruktur 21, die in einem Dünnschichtverfahren auf das Substrat 4 aufgebracht und strukturiert ist. Das Material der Widerstandsstruktur 21 ist bevorzugt Platin; das Substrat 4 besteht bevorzugt aus Zirkonoxid Aluminiumoxid. Zwischen dem Substrat 4 und der Widerstandsstruktur 21 kann eine elektrisch oder thermisch isolierende Zwischenschicht aufgebracht sein.
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Die elektrische Widerstandsstruktur 21 besteht aus einer zentralen Sensorstruktur 22, die von Trimmbahnen umgeben ist. Die zentrale Sensorstruktur 22 ist mäanderförmig, enthält keine trimmbaren Stege und deckt eine rechteckige Fläche ab. Entlang der Seiten des durch die zentrale Sensorstruktur 22 definierten Rechtecks sind die Trimmbahnen ausgeführt. Hierbei sind jeweils die Unterstrukturen der beiden langen Abschnitte 24 entlang der beiden langen Seiten des Rechtecks, sowie der beiden kurzen Abschnitte 23 im Wesentlichen identisch, sodass zwei Paare gebildet werden. Die Paare, d. h. jeweils gegenüberliegende Abschnitte 23, 24, weisen also jeweils eine gleiche Anzahl an Stegen auf, deren Durchtrennen dem ohmschen Widerstand der elektrischen Widerstandsschicht jeweils einen gleichen Betrag hinzufügt. Dies ermöglicht ein symmetrisches Dimensionieren der elektrischen Widerstandsstruktur 21, bei welchem sich der Schwerpunkt des Widerstands gegenüber der ungetrimmten Struktur nicht verschiebt. In einer Ausgestaltung entspricht der einzustellende Sollwert des Gesamtwiderstands der Widerstandsstruktur 21 einem ganzzahligen Vielfachen des Gesamtwiderstands des Heizelements 3. Der einzustellende Sollwert des Gesamtwiderstands der Widerstandsstruktur 21 entspricht vorteilhafterweise mindestens einem Zehnfachen des Gesamtwiderstands des Heizelements 3.
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In einer Ausgestaltung sind die beiden Paare unterschiedlich strukturiert, sodass das Durchtrennen der Stege bei einem ersten Paar einen größeren Beitrag zum Gesamtwiderstand liefert, als bei dem zweiten Paar. Zum Trimmen der Widerstandsstruktur 21 wird dann über das erste Paar eine Grobeinstellung vorgenommen, indem immer abwechselnd Stege des einen und des anderen Abschnitts 23 durchtrennt werden. Zur Feineinstellung werden dann abwechselnd Stege der beiden Abschnitte 24 des zweiten Paares durchtrennt. Hierdurch verschiebt sich der Schwerpunkt des Widerstands nicht oder nur geringfügig, d. h. die Messung der Temperatur erfolgt unabhängig von der Anzahl an durchtrennten Stegen am Mittelpunkt der Widerstandsstruktur 21. Eine sehr geringfügige Verschiebung des Schwerpunkts kann vorkommen, falls der gewünschte Widerstandssollwert erreicht ist, wenn sich die Anzahl an durchtrennten Stegen auf gegenüberliegenden Abschnitten 23, 24 um eins unterscheiden.
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In alternativen Ausgestaltungen der elektrischen Widerstandsstruktur 21 nimmt diese keine rechteckige, sondern beispielsweise eine quadratische oder kreisförmige Grundform an. Bei einer quadratischen Grundform sind die Trimmbahnen beispielsweise in vier gleich große Abschnitte aufgeteilt, welche bevorzugt die gleiche Unterstruktur aufweisen. Bei einer kreisförmigen Grundform ist auch eine ungerade Anzahl an Abschnitten möglich, wobei die Abschnitte derart um die Kreisstruktur herum angeordnet sind, dass sie den gleichen Abstand zueinander und jeweils den gleichen Abstand zum Mittelpunkt der Kreisstruktur besitzen.
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2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Sensors mit einer trimmbaren elektrischen Widerstandsstruktur 21. Bei dem Sensor handelt es sich beispielsweise um einen Temperatursensor 2 oder um einen Strömungssensor mit mindestens einem Heizelement 3 und mindestens einem Temperatursensor 2, wobei die trimmbare elektrische Widerstandsstruktur zumindest einen Teil des Temperatursensors bildet. In einem ersten Schritt A wird ein Substrat 4 in einem Dünnschichtverfahren, z. B. Sputtern oder Laserabscheidung, mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet. In einem zweiten Schritt B wird die Schicht mit Hilfe einer Maske und einem Ätzverfahren strukturiert, sodass eine elektrische Widerstandsstruktur 21 entsteht. Erfindungsgemäß besteht diese Widerstandstruktur aus einer zentralen Sensorstruktur 22 und Trimmbahnen, welche die zentrale Sensorstruktur 22 umgeben, und über welche der ohmsche Widerstand der Widerstandsstruktur 21 einstellbar ist. Auf diese Weise können auch mehrere Widerstandsstrukturen 21 auf demselben Substrat 4 hergestellt werden. Beispielsweise wird für einen Strömungssensor 1 benachbart zu der trimmbaren Widerstandsstruktur 21 ein Heizelement 3 strukturiert, welches sich im Wesentlichen durch die Form der strukturierten Bahnen und die Anschlussbahnen von der trimmbaren Widerstandsstruktur 21 unterscheidet. Zudem weist ein Heizelement 3 keine Trimmstruktur auf.
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Zum Einstellen eines Widerstandssollwerts, den die Widerstandsstruktur 21 bei einer bestimmten Referenztemperatur aufweisen soll, wird die Struktur getrimmt. Hierzu wird in einem dritten Verfahrensschritt C das Substrat 4 mit der Widerstandsstruktur 21 der Referenztemperatur Tref ausgesetzt und der ohmsche Widerstand R(Tref) der Widerstandsstruktur 21 bestimmt. Dieser wird in einem vierten Schritt mit dem Widerstandssollwert Rsoll bei der Referenztemperatur Tref verglichen. Entspricht der gemessene Widerstand R(Tref) noch nicht dem Sollwert Rsoll, werden in einem fünften Schritt D z. B. mittels eines Lasers sukzessive Stege in den Trimmbahnen durchtrennt, wobei durch jeden durchtrennten Steg die effektive Länge der Widerstandsstruktur 21 und somit auch deren ohmscher Widerstand um einen bestimmten Betrag erhöht werden. Währenddessen oder nach jedem Schnitt wird erneut der Widerstandswert R(Tref) gemessen und mit dem Sollwert Rsoll verglichen. Ist der Widerstandssollwert erreicht, ist der Trimmvorgang beendet. Hierbei genügt das Erreichen eines Widerstandswerts, der innerhalb eines gewissen Toleranzbereichs um den Sollwert liegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich also insbesondere darin vom Stand der Technik, dass die Widerstandsstruktur 21 derart strukturiert wird, dass die Trimmbahnen eine symmetrische Struktur bezüglich dem nicht trimmbaren Mäander aufweisen und im Trimmverfahren nicht willkürlich Stege durchtrennt werden, sondern in einer bestimmten Reihenfolge. Die Trimmstruktur ist derart ausgestaltet, dass sie eine nicht trimmbare zentrale Sensorstruktur 22 umgibt und in mehrere Abschnitte 23, 24 unterteilt ist. Die Abschnitte 23, 24 sind derart strukturiert und angeordnet, dass die Stege bis zum Erreichen des vorgegebenen Widerstandssollwerts derart durchtrennbar sind, dass sich der Schwerpunkt des Widerstandes hierbei nicht verschiebt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungssensor
- 2
- Temperatursensor
- 21
- Elektrische Widerstandsstruktur
- 22
- Zentrale Sensorstruktur
- 23
- Kurzer Abschnitt der Trimmbahn
- 24
- Langer Abschnitt der Trimmbahn
- 25
- Zuleitung
- 3
- Heizelement
- 31
- Spiralstruktur
- 32
- Zuleitung
- 4
- Substrat
- 41
- Schlitz
- 5
- Kontaktflächen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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