專利名稱：具有附設(shè)加熱器的傳感器芯片及避免傳感器芯片污染的方法以及附設(shè)加熱器在傳感器芯 ...的制作方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1，2及3所述類型的一種傳感器芯片、附設(shè)加熱器在傳感器芯片上的應(yīng)用及避免傳感器芯片污染的方法。
由DE 196 01 791 A1公知了一種具有傳感器區(qū)域的傳感器芯片，它例如由一個框件，一個凹槽及一個膜片組成。由于傳感器芯片遭受的污染如油的污染，總是會對傳感器區(qū)域范圍中傳感器芯片的測量信號帶來不希望有的影響。傳感器區(qū)域或傳感器區(qū)域周圍直接相鄰范圍中的油污染改變了傳感器芯片表面上的熱傳導(dǎo)值，及由此影響了測量信號。此外，沉淀在傳感器芯片上的油作為包含在流動介質(zhì)中的顆粒的粘附媒體。被捕獲的顆粒又額外地增強(qiáng)了不利的影響。
US-PS 5,705,745描述一種具有一個膜的傳感器芯片，在其上設(shè)有溫度元件及加熱電阻，其中膜被可具有U形的導(dǎo)熱元件包圍。該導(dǎo)熱元件不被加熱。導(dǎo)熱元件至少部分地設(shè)在膜的區(qū)域中。
US-PS 4,888,988描述一種具有一個膜的傳感器芯片，其中在膜四周設(shè)有金屬導(dǎo)體，它們不是設(shè)在膜的區(qū)域中。這些導(dǎo)體是傳感器芯片的測量部分的公共零電位導(dǎo)體。該零電位導(dǎo)體的橫截面可選擇地增大，以避免溫度的升高。零電位導(dǎo)體的溫度升高會對根據(jù)該方法的測量產(chǎn)生很不良的影響。
DE 198 01 484 A1描述一種具有一個膜的傳感器芯片，其中在膜的周圍設(shè)有電導(dǎo)體，通過它流過電流。這些導(dǎo)體條為溫度傳感器，它在測量方法或測量過程中被使用。
DE 2900210 A1或US-PS 4,294,114描述一種傳感器芯片，它在一個載體上具有一個與溫度相關(guān)的電阻，其中在該載體上設(shè)有另一電阻，后者直接地和與溫度相關(guān)的電阻相鄰。
DE 4219454 A1或US-PS 5,404,753描述一種傳感器芯片，它在離傳感器區(qū)一個距離上具有一個參考溫度傳感器。
DE 3135793 A1或US-PS 4,468,963描述一種傳感器芯片，它在傳感器電阻的上游和/或下游具有另一電阻，但它影響測量信號。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)相比之下，根據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求1，2及3特征部分特征的一種傳感器芯片，附設(shè)加熱器在傳感器芯片上的應(yīng)用及避免傳感器芯片污染的方法具有其優(yōu)點(diǎn)，即以簡單的方式及方法減少或避免了傳感器芯片的傳感器區(qū)的污染。
通過從屬權(quán)利要求中描述的特征可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1，2及3中所述傳感器芯片，所述應(yīng)用及所述方法的進(jìn)一步有利的構(gòu)型及改進(jìn)。
有利的是，附設(shè)加熱器相對膜具有達(dá)1mm的距離，由此在那里由污染形成的所述沉積足夠遠(yuǎn)地離開傳感器區(qū)，并且傳感器區(qū)的測量性能可不受影響。
附設(shè)加熱器有利地具有U形的形狀，該U形的形狀以有利方式包圍傳感器區(qū)。
圖3a，3b根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的傳感器芯片及控制電路，及圖4根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的傳感器芯片的附設(shè)加熱器及傳感器區(qū)域的溫度曲線圖。
該傳感器芯片具有一個框件3，它例如由硅構(gòu)成。框件3具有一個凹槽5。在該框件上設(shè)置了一個介電層21，例如由SiO2組成。該介電層21可伸展在整個框件3上，但也可僅伸展在凹槽5的區(qū)域上。該區(qū)域構(gòu)成一個膜區(qū)7，它在一側(cè)上部分地或整體地構(gòu)成凹槽5的邊界。
在膜區(qū)7的背離凹槽5的一側(cè)上，設(shè)置了至少一個例如三個金屬條19。這些金屬條19構(gòu)成電加熱器和/或測量電阻及與膜區(qū)7一起構(gòu)成一個傳感器區(qū)17。該傳感器區(qū)17上最好覆蓋一個保護(hù)層23。但保護(hù)層23也可僅延伸在金屬條19上。
膜區(qū)7則部分地由產(chǎn)生信號的介電層21、一個膜33以及部分地由保護(hù)層21構(gòu)成。傳感器芯片具有一個表面27，它直接與流動介質(zhì)形成接觸。
圖2a表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的傳感器芯片1的第一實(shí)施例的俯視圖。該傳感器芯片1具有一個橫向于主流動方向42的長度為1的傳感器區(qū)17。在傳感器區(qū)17上設(shè)有金屬條19，這些金屬條譬如構(gòu)成至少一個電加熱電阻35及至少一個溫度傳感器37。該溫度傳感器37譬如也可為一個電阻。在該例中為一個加熱電阻35及兩個溫度傳感器37。金屬條19的大部分布置在傳感器區(qū)17中并且是用于確定至少一個參數(shù)如流動介質(zhì)的溫度及流量的測量方法的先決條件。因此傳感器區(qū)17被連接在一個控制及調(diào)節(jié)電路上。傳感器區(qū)17例如可通過上述的膜33構(gòu)成。傳感器芯片1被安置在一個流動介質(zhì)中，用于確定至少一個參數(shù)，其中流動介質(zhì)將在主流動方向42上在傳感器芯片1或表面27的旁邊或上面流過。流動介質(zhì)可能包括污物，所述污物可導(dǎo)致傳感器芯片1被污染。這些污物例如為油或溶于水中的鹽。
為了避免這些污物沉積在傳感器區(qū)17的區(qū)域上，在譬如傳感器區(qū)17的上游至少部分地設(shè)置一個附設(shè)加熱器39，后者與一個未示出的電源相連接及通過一個歐姆電阻加熱。該附設(shè)加熱器39與傳感器區(qū)17隔開一個明顯的距離，該距離例如可達(dá)到1mm。
為了調(diào)節(jié)附設(shè)加熱器39的溫度，不需要控制電路，一個在結(jié)構(gòu)上即通過橫截面設(shè)計(jì)的電流強(qiáng)度就能滿足。附設(shè)加熱器39不用于確定流動介質(zhì)參數(shù)的測量方法，即它不是該測量區(qū)段的組成部分。
這里附設(shè)加熱器39例如具有直線的形狀，它橫向于或者說垂直于主流動方向42例如延伸超過傳感器區(qū)17的長度1。附設(shè)加熱器39也可具有蛇形線形狀。通過附設(shè)加熱器39使得附設(shè)加熱器39范圍中的傳感器芯片1被污物，而由于與傳感器區(qū)17隔開一個明顯的距離，因此對傳感器區(qū)17的測量性能無影響。污物因此從傳感器區(qū)17轉(zhuǎn)移到附設(shè)加熱器39周圍的區(qū)域上。
附設(shè)加熱器39的溫度是這樣設(shè)計(jì)的，它一方面在附設(shè)加熱器39的區(qū)域上產(chǎn)生一個尖銳的溫度過渡，由此產(chǎn)生熱梯度渦旋，它從流動介質(zhì)中類似過濾地濾出液體或油，即流動介質(zhì)中重的組分沉積在表面27上附設(shè)加熱器39的區(qū)域上，但不沉積在傳感器區(qū)17上。
圖2b表示根據(jù)本發(fā)明的傳感器芯片的另一實(shí)施例的俯視圖。與圖2a不同的是，附設(shè)加熱器39具有U形。該U形也在傳感器芯片1的上游與傳感器區(qū)17明顯隔開地布置，其中U形的兩個腿橫向于主流動方向42延伸。
圖2c表示根據(jù)本發(fā)明的傳感器芯片的又一實(shí)施例的俯視圖。附設(shè)加熱器39具有至少部分地包圍傳感器區(qū)17的U形。附設(shè)加熱器39明顯地離開傳感器區(qū)17地延伸在其下游側(cè)及上游側(cè)及膜33的一個端部側(cè)旁。
附設(shè)加熱器39例如這樣地構(gòu)成，它至少在傳感器區(qū)17的上游或下游具有大于傳感器區(qū)17的長度。由此使傳感器區(qū)17在其整個長度1上受到免于污物的保護(hù)。
電阻35，37和/或附設(shè)加熱器39最好被作成導(dǎo)體條。
傳感器芯片1例如被構(gòu)造成小平板狀，及具有表面27，流動介質(zhì)將在該表面旁邊流過。在此情況下，傳感器區(qū)17及附設(shè)加熱器39一起被設(shè)置在表面27上。
圖3a表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的具有一個傳感器區(qū)17及一個第一控制電路54的傳感器芯片1，所述控制電路通過電導(dǎo)線51、如焊接導(dǎo)線與傳感器區(qū)17形成電連接。第一控制電路54具有第一能源45、例如電流源或電壓源，或與這樣的電源連接，借助該電源使在傳感器區(qū)17中的至少一個加熱電阻35或至少一個溫度傳感器37電加熱。
附設(shè)加熱器39通過電導(dǎo)線51與一個例如單獨(dú)的第二能源48相連接。在第一控制電路54與第二能源48之間沒有電連接。第一控制電路54輸出一個測量信號，例如用于發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)；該測量信號與附設(shè)加熱器39的工作無關(guān)，即附設(shè)加熱器39的運(yùn)行對測量信號無影響。第一能源45也可對附設(shè)加熱器39加熱，-例如通過一個分壓器，但其中附設(shè)加熱器39上的第一能源45的控制信號也與傳感器區(qū)17上的測量方法或信號無關(guān)。
傳感器芯片1輸出一個測量信號，例如用于內(nèi)燃機(jī)調(diào)節(jié)的測量信號。例如僅當(dāng)內(nèi)燃機(jī)不工作時，附設(shè)加熱器39被加熱。因?yàn)閮H在內(nèi)燃機(jī)關(guān)機(jī)后通常會通過例如一個曲軸箱排氣的回流造成傳感器芯片1的污染，這些污物例如包含油。在此情況下，第一控制電路54例如輸出用于加熱運(yùn)行附設(shè)加熱器39的信號，例如閉合一個開關(guān)60，由此使第二能源48加熱附設(shè)加熱器39。
當(dāng)內(nèi)燃機(jī)不工作時，用于加熱附設(shè)加熱器39的該控制信號也可由第二控制電路57輸出。第二控制電路57例如為發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)部分(圖3b)。
圖4表示附設(shè)加熱器39及傳感器區(qū)17的溫度曲線圖。圖4表示一個X/Y坐標(biāo)圖，其中在X軸上記錄主流動方向42上的長度及在Y軸上記錄傳感器芯片1表面上的溫度。
附設(shè)加熱器39位于例如傳感器區(qū)17的上游。在附設(shè)加熱器39及傳感器區(qū)17之間具有不等于零的距離。在傳感器區(qū)17中的電阻例如產(chǎn)生出一個具有最大溫度值TM的梯形溫度曲線。
附設(shè)加熱器39具有一個最大溫度值TZ及具有例如拋物線形狀的溫度曲線，該最大溫度值大于或等于溫度值TM。
箭頭62表示介質(zhì)在表面27附近的流動方向。附設(shè)加熱器39在表面27上產(chǎn)生出一個或大或小的溫度突然上升，即產(chǎn)生一個不等于零的大溫度梯度。流動到表面27附近的顆粒在附設(shè)加熱器39的開始區(qū)域前或該區(qū)域上類似通過負(fù)壓被吸到該表面27上，以便在附設(shè)加熱器的區(qū)域中向上升，即離開表面27。通過這種流動變化在附設(shè)加熱器39的區(qū)域中產(chǎn)生出熱梯度渦旋65。因此污物或油顆粒將附著在傳感器芯片1的表面27上的附設(shè)加熱器39的區(qū)域中，由此使該表面附近區(qū)域中的流動介質(zhì)變得清潔及使傳感器區(qū)17不再或幾乎不被污染。
權(quán)利要求
1.用于測量流動介質(zhì)的至少一個參數(shù)的傳感器芯片，它具有用于至少一個測量方法的傳感器區(qū)，其特征在于在傳感器芯片(1)上設(shè)有至少一個附設(shè)加熱器(39)，它相對傳感器區(qū)(17)以一定距離設(shè)置，及傳感器區(qū)(17)與附設(shè)加熱器(39)無關(guān)地工作。
2.至少一個附設(shè)加熱器(39)的應(yīng)用，以便在附設(shè)加熱器(39)的區(qū)域中在流動介質(zhì)內(nèi)構(gòu)成熱梯度渦旋(65)，其中附設(shè)加熱器(39)被設(shè)置在一個傳感器芯片(1)上，用于確定流動介質(zhì)的至少一個參數(shù)，及它相對傳感器芯片(1)的傳感器區(qū)(17)以一定距離設(shè)置。
3.用于避免傳感器芯片(1)上污染的方法，該傳感器芯片具有一個傳感器區(qū)(17)及安置在一種流動介質(zhì)中，其特征在于至少一個附設(shè)加熱器(39)被通過它的歐姆電阻這樣電加熱，以使得在附設(shè)加熱器(39)區(qū)域中構(gòu)成熱梯度渦旋，后者導(dǎo)致流動介質(zhì)中的污物沉積在離開傳感器區(qū)(17)所在區(qū)域的附設(shè)加熱器(39)的區(qū)域中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器芯片，其特征在于傳感器區(qū)(17)與產(chǎn)生測量信號的第一控制電路(54)電連接，該測量信號與附設(shè)加熱器(39)的工作無關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的傳感器芯片，其特征在于第一控制電路(54)控制第一能源(45)；及附設(shè)加熱器(39)與一個單獨(dú)的第二能源(48)電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，4或5的傳感器芯片，其特征在于附設(shè)加熱器(39)相對傳感器區(qū)(17)至少部分地具有直到1mm的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中一項(xiàng)或多項(xiàng)的傳感器芯片，其特征在于附設(shè)加熱器(39)具有U形的形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的傳感器芯片，其特征在于該U形的形狀至少部分地包圍傳感器區(qū)(17)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器芯片，其特征在于流動介質(zhì)具有一個主流動方向(42)；及附設(shè)加熱器(39)在主流動方向(42)上至少部分地設(shè)置在傳感器區(qū)(17)的前面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器芯片，其特征在于傳感器區(qū)(17)具有一個膜(33)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器芯片，其特征在于在傳感器區(qū)(17)中設(shè)有至少一個加熱電阻(35)及至少一個溫度傳感器(37)，它們(35，37)設(shè)置在傳感器區(qū)(17)中的大部分上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器芯片，其特征在于流動介質(zhì)具有一個主流動方向(42)；及附設(shè)加熱器(39)在主流動方向(42)上至少部分地設(shè)置在傳感器區(qū)(17)的后面。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器芯片，其特征在于流動介質(zhì)具有一個主流動方向(42)；及傳感器區(qū)(17)具有橫向于主流動方向(42)的長度(1)；及附設(shè)加熱器(39)橫向于主流動方向(42)設(shè)置及其長度大于所述長度(1)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器芯片，其特征在于電阻(35)或溫度傳感器(37)被構(gòu)造成導(dǎo)體條。
15.根據(jù)權(quán)利要求1，6或7中一項(xiàng)或多項(xiàng)的傳感器芯片，其特征在于附設(shè)加熱器(39)被構(gòu)造成導(dǎo)體條。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器芯片，其特征在于傳感器芯片(1)具有至少一個表面(27)，流動介質(zhì)從該表面旁流過；及傳感器區(qū)(17)與附設(shè)加熱器(39)一起設(shè)置在所述表面(27)上。
17.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于傳感器芯片(1)輸出用于控制內(nèi)燃機(jī)的測量信號，及附設(shè)加熱器(39)僅當(dāng)內(nèi)燃機(jī)不工作時被加熱。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于用于附設(shè)加熱器(39)加熱工作的信號由傳感器芯片(1)的第一控制電路(54)提供。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于用于附設(shè)加熱器(39)加熱工作的信號由第二控制電路(57)提供。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于第二控制電路(57)是一個發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)部分。
全文摘要
在現(xiàn)有技術(shù)的傳感器芯片上傳感器區(qū)的范圍中會沉積流動介質(zhì)的污物并使該傳感器區(qū)持續(xù)污染，這導(dǎo)致對膜的測量性能的不良影響。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器芯片(1)上設(shè)有一個附設(shè)加熱器(39)，它在上游相對傳感器區(qū)(17)以一明顯的距離設(shè)置。這將導(dǎo)致流動介質(zhì)的污物沉積在附設(shè)加熱器(39)的區(qū)域中，即不再能到達(dá)傳感器區(qū)(17)。
文檔編號G01F1/696GK1459020SQ02800601
公開日2003年11月26日 申請日期2002年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月13日
發(fā)明者漢斯·黑希特, 烏韋·康策爾曼, 托爾斯騰·舒爾茨 申請人:羅伯特·博施有限公司