DE4228484C2 - Temperaturfühler - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Temperaturfühler nach der Gattung
des Hauptanspruchs. Aus der DE 23 02 615 C3 ist bereits ein Tempe
raturfühler mit einer dünnen, an einem Tragkörper aufgehängten Mem
bran bekannt, wobei auf der Membran ein Temperaturmeßelement ange
ordnet ist. Das Temperaturmeßelement ist als mäanderförmige Leiter
bahn mit einem temperaturabhängigen Widerstand ausgebildet. Als
Materialien für die Membran werden Kunststoffe, Glimmer und Quarz
genannt.
Aus der US 4 501 144 sind temperaturabhängige Widerstandselemente
auf Membranen bekannt, die jedoch in unmittelbarer Nähe eines
Heizers angeordnet sind und daher nicht die Temperatur des vorbei
strömenden Mediums, sondern den strömungsbedingten Wärmeübergang in
das Medium nachweisen. In der, gleichen Schrift werden auch Meß
elemente offenbart, die die Temperatur des Mediums messen, die sind
jedoch nicht auf Membranen angeordnet.
Aus der US 3 758 830 ist ein Temperaturfühler mit einem
Rahmen aus einkristallinem Silizium und eine Membran, auf
der Temperaturmeßelement eingeordnet ist, bekannt. Im
Unterschied zum erfindungsgemäßen Temperaturfühler besteht
jedoch die Membran im wesentlichen aus einkristallinem
Silizium.
In der WO 89/05963 wird ein Massenflußsensor beschrieben,
der ebenfalls eine Membran, die in einem Rahmen aus
einkristallinem Silizium aufgehängt ist, aufweist. Als
Materialien für diese Membran werden Siliziumoxid und
Siliziumnitrid offenbart. Die Membran wird durch einen
Heizer 3 erwärmt. Durch die gute thermische Isolation der
Membran kann dabei die benötigte Heizleistung gering
gehalten werden. Weiterhin sind auch Meßelemente 6 und 7
vorgesehen, die die Temperatur des strömenden Mediums messen
(Seite 10, Zeilen 19 bis 22). Wie aus den Fig. 1 und 2
entnehmbar ist, sind diese Temperaturmeßelemente 6, 7 für
die Messung der Temperatur des vorbeiströmenden Mediums
jedoch nicht auf der Membran, sondern auf dem Rahmen aus
einkristallinem Silizium gelegen, so daß die Geschwindigkeit
der Temperaturmessung des vorbeiströmenden Mediums durch die
thermische Trägheit des Siliziumrahmens verlangsamt wird.
Der erfindungsgemäße Temperaturfühler mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat
demgegenüber den Vorteil, daß der Temperaturfühler besonders
klein baut, durch Massenfertigungsverfahren besonders
einfach und kostengünstig herstellbar ist und durch das
Einbringen von Schlitzen in der Membran zwischen dem
Temperaturmeßelement und dem Rahmen die thermische Isolation
zwischen Temperaturmeßelement und Rahmen verbessert und
infolgedessen die Reaktionsgeschwindigkeit des
Temperaturfühlers auf Temperaturänderungen des strömenden
Mediums erhöht wird. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird auch
durch die Materialien der Membran vorteilhaft beeinflußt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im
Hauptanspruch angegebenen Temperaturfühlers möglich.
Einfachste Ausführungsformen des Temperaturmeßelementes
bestehen aus einem temperaturabhängigen Widerstand oder
einem Thermoelement. Temperaturfühler auf Membranen, die
durch rückseitige Ätzung aus einem Siliziumplättchen
herausstrukturiert sind, zeichnen sich vor allem durch die
einfache Herstellung in der Massenfertigung und somit
geringen Herstellungskosten aus.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen Fig. 1 einen Querschnitt. Fig. 2 eine Aufsicht und Fig. 3
die Herstellung eines Temperaturfühlers gemäß der Erfindung.
Ein Temperaturfühler gemäß der Erfindung ist in der Fig. 1 im Quer
schnitt und in der Fig. 2 in der Aufsicht gezeigt. Die Fig. 1 ent
spricht einem Schnitt durch die Fig. 2 entlang der Linie I-I. Der
Temperaturfühler weist eine Membran 2 und einen Rahmen 1 auf, wobei
die Membran 2 mit ihrem Randbereich mit dem Rahmen 1 verbunden ist.
Ungefähr auf der Mitte der Membran 2 ist ein Temperaturmeßelement 3,
4 angeordnet. Wie in der Fig. 1 im Schnitt zu sehen ist, ist der
Rahmen 1 wesentlich dicker als die Membran 2 oder das Temperaturmeß
element 3. Weiterhin kann die Membran 2 Schlitze 5 aufweisen, die so
angeordnet sind, daß sie zwischen dem Temperaturmeßelement 3, 4 und
dem Rahmen 1 angeordnet sind.
In der Fig. 2 sind in der Aufsicht zwei verschiedene Ausge
staltungen des Temperaturmeßelementes 3, 4 zu sehen. Beim Tempe
raturmeßelement 3 handelt es sich um einen temperaturabhängigen
Widerstand. Durch Kontaktierung der auf dem Rahmen 1 angeordneten
Anschlußbereiche 6 kann der elektrische Widerstand des Temperatur
meßelementes 3 gemessen werden, der eine Funktion der Temperatur
ist. Das Temperaturmeßelement 4 ist als Thermoelement
ausgebildet, d. h. an den Anschlußbereichen 6 liegt eine Spannung an,
die eine Funktion der Temperaturdifferenz zwischen Membranmitte und
Rahmen ist. Das Thermoelement 4 besteht aus Teilstücken 11, 10 die
aus verschiedenen Materialien bestehen. Wenn die Übergangsbereiche
zwischen den verschiedenen Materialien auf unterschiedlichen Tempe
raturen gehalten sind, liegt an den Anschlußbereichen 6 eine Thermo
spannung an. Die Membran 2 ist sehr dünn, so daß durch das vorbei
strömende Medium die Membran 2 sehr schnell die Temperatur des vor
beiströmenden Mediums annimmt. Durch die Temperaturmeßelemente 3, 4
wird somit die Temperatur des vorbeiströmenden Mediums fast ohne
Zeitverlust gemessen. Um die Zeit für die Temperaturanpassung der
Temperaturmeßelemente 3, 4 gering zu halten, sollte die Membran 2
aus einem Material mit geringer Wärmekapazität und einem geringen
Wärmeleitvermögen bestehen. Geeignet Materialien sind beispielsweise
Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, die sich zudem besonders leicht
auf der Oberfläche von Silizium erzeugen lassen. Weiterhin kann der
Wärmefluß vom Rahmen 1 zur Mitte der Membran 2 hin durch das Ein
bringen von Schlitzen 5 verringert werden. Auch durch diese Maßnahme
wird die Reaktionsgeschwindigkeit des Temperaturfühlers erhöht.
In der Fig. 3 wird gezeigt, wie der Temperaturfühler durch rück
seitiges Ätzen aus einer Siliziumplatte 20 herausstrukturiert wird.
Dazu ist auf der Rückseite der Siliziumplatte 20 eine Ätzmaskierung
21 aufgebracht, die durch die verwendete Ätzlösung nicht angegriffen
wird. Die Siliziumplatte 20 kann beispielsweise eine
1 0 0-Orientierung aufweisen und wird dann zweckmäßigerweise mit
einer basischen Atzlösung geätzt. Durch diese Ätzung wird der Rahmen
1 mit schrägen Seitenwänden, die einen Winkel von ca. 57° gegenüber
der Oberfläche aufweisen, herausstrukturiert. Zweckmäßigerweise sind
vor der Ätzung auf der Oberfläche bereits die Strukturen für die
Temperaturmeßelemente 3, 4 gelegen.
Claims (4)
1. Temperaturfühler zur Messung der Temperatur eines
strömenden Mediums, insbesondere zur Messung der Temperatur
einer Luftströmung, mit einer dünnen, in einem Rahmen (1)
aus einkristallinem Silizium aufgehängten Membran (2), auf
der ein Temperaturmeßelement (3, 4) angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Membran (2) aus Siliziumoxid,
Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid besteht, und daß die
Membran (2) Schlitze (5) aufweist, die zwischen
Temperaturmeßelement (3, 4) und Rahmen (1) angeordnet sind.
2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Temperaturmeßelement (3) als temperaturabhängiger
Widerstand ausgebildet ist.
3. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Temperaturmeßelement (4) als Thermoelement
ausgebildet ist.
4. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) als Tragkörper
der Membran (2) von der Rückseite einer Siliziumplatte (20)
durch Ätzen herausgebildet ist, wobei das Membranmaterial in
bezug auf das verwendete Ätzmittel eine Ätzrate aufweist,
die nur ein Bruchteil derer des Rahmens (1) ist.
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Also Published As
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