DD282513A5

DD282513A5 - Mikromechanischer elektrokalorischer durchflussmengenmesser

Info

Publication number: DD282513A5
Application number: DD32780089A
Authority: DD
Inventors: Frank Neumann; Martin Schulze; Frank Jungandreas; Gunthar Marquardt
Original assignee: Elektromat Veb
Priority date: 1989-04-20
Filing date: 1989-04-20
Publication date: 1990-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen elektrokalorischen Durchfluszmengenmesser fuer kleine Stroemungsgeschwindigkeiten bzw. geringe Gasmengen. Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Durchfluszmengenmesser zu schaffen, der einen einfachen mechanischen Aufbau besitzt, in seinen geometrischen Abmessungen klein ist und kleine thermische Zeitkonstanten aufweist. Erfindungsgemaesz besteht der Durchfluszmengenmesser aus zwei fest miteinander verbundenen plattenfoermigen Traegern (1, 2), von denen wenigstens einer der Traeger (1, 2) mit einer sich laengs erstreckenden grabenfoermigen, einen Stroemungskanal (8) bildenden Vertiefung mit trapezfoermigen, dreieckigen, runden oder halbrunden Querschnitt versehen ist und der zweite plattenfoermige Traeger (1, 2) den Stroemungskanal abdeckt. Dem Stroemungskanal (8) sind an sich bekannte Gaseintritts- und Gasaustrittsoeffnungen (3, 6) zugeordnet. Im Bereich des Stroemungskanales (8) sind vorzugsweise als Halbleiterwiderstaende, Dioden, Transistoren oder Duennfilmwiderstaende ausgebildete Mesz- und/bzw. Heizelemente (4 a, 4 b, 4 c) in Laengsrichtung des Stroemungskanales (8) nebeneinander angeordnet. Fig. 1{Durchfluszmengenmesser; Gas; Stroemungsgeschwindigkeit; Zeitkonstante; Traeger; Stroemungskanal; Meszelement; Heizelement; Halbleiterwiderstand; Transistor; Diode}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen mikromechanischen elektrokalorischen Durchflußmengenmesser für die Durcii/Iußmengenmessung von Gasen für kleine Strömungsgeschwindigkeiten bzw. geringe Gasmengen, zum Beispiel in der chemischen Industrie, der Verfahrenstechnik oder der Halbleiterfertigung.

-2- 282 513 Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Durchflußmengenmesser, die nach dem klassischen Anemometerprinzip arbeiten, sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt.

In der DE 3444347 A1 wird eine Vorrichtung zur Luftmengenmessung beschrieben, die nach diesem Prinzip arbeitet. In einem Rohr sind dazu Widerstände eingebracht, die zur Messung der strömenden Luftmenge verwendet werden, indem die Widerstandsänderung infolge der durch das strömende Gas bewirkten Temperaturänderung ausgewertet wird. Die Widerstände befinden sich bei dieser Vorrichtung auf eigenen Trägern.

In der US-PS 4677850 wird ein Gerät zur Bestimmung der Flußrate vorgestellt, bei dem in einem schaltkreisähnlichem Gehäuse ein Strömungskanal angeordnet ist, bei dem sich die Gasein- und -austrittsöffnungen jeweils an der Stirnseite des Gehäuses befinden. In diesem Gehäuse sind im Strömungskanal mehrere Halbleiterchips angeordnet, von denen der erste Halbleiterchip einen Temperatursensor, der zweite einen Temperatursensor und zusätzlich einen Heizer trägt.

Ein weiteres Gasflußmeßgerät wird in der US-PS 4409828 beschrieben, bei dem ein elektrischer Heizer zwischen zwei temperaturabhängigen Widerständen angeordnet ist. Diese Anordnung befindet sich in einem Rohr, durch das der zu messende Gasstrom fließt. Ein elektronischer Schaltkreis regelt die Heizleistung und bestimmt damit die Temperaturdifferenz zwischen den beiden temperaturabhängige Widerständen und stellt ein dem Durchfluß proportionales Ausgangssignal bereit. Dia verwendeten Widerstände bestehen aus Platindreht, der auf einen Träger aufgebracht ist.

In der Offenlegungsschrift DE 3638138 wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums vorgeschlagen, bei der auf einem zungenförmigen Träger, welcher durch das strömende Medium umströmt wird, Heiz- und Temperaturwiderstände aufgebracht sind. Die Heizleistung wird so geregelt, daß der Temperaturmeßwiderstand eine konstante Temperatur einhält. Die Größe der Heizleistung ist ein Maß für die Masse des strömenden Mediums.

In der EP-PS 0203622 wird ein thermischer K jssenflußmesser und Regler vorgestellt. In ein Siliziumsubstrat sind Strömungskanäle geätzt, die von freitragenden Brücken überspannt werden. Diese Brücken tragen die Meßelemente, die als Widerstände, Dioden oder Transistoren ausgebildet sein können. Mit Hilfe einer Brückenschaltung wird ein Signal gewonnen, das eine Aussage über den jeweiligen Massenfluß gibt. Dieses Signal steuert ein Ventil, das den Massenfluß regelt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen mikromechanischen elektrokalorischen Durchflußmengenmesser zu schaffen, der einen einfachen mechanischen Aufbau besitzt, in seinen geometrischen Abmessungen klein ist, kleine thermische Zeitkonstanten aufweist und sich technologisch einfach und rationell fertigen läßt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikromechanischen elektrokalorischen Durchflußmengenmesser für niedrige Strömungsgeschwindigkeiten bzw. geringe Gasmengen zu schaffen, der einen großen Meßbereich aufweist, eine optimale Anpassung an die konstruktiv-geometrischen Verhältnisse des Sensors als auch an die geforderten Strömungsverhältnisse ermöglicht und der eine geringe thermische Zeitkonstante der Meß- und/bzw. Heizelemente aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird von einem mikromechanischen elektrokalorischen Durchflußmengenmesser mit einem in einem Gehäuse angeordneten Strömungskanal mit Gasein- und Austrittsöffnungen, sowie dem Strömungskanal zugeordneten Meß- und Heizelementen, beispielsweise Widerständen, ausgegangen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Durchflußmengenmesser aus zwei fest miteinander verbundenen plattenförmigen Trägern besteht, von denen wenigstens einer der Träger mit einer sich längs erstreckenden grabenförmigen, einen Strömungskanal bildenden Vertiefung mit trapezförmigen, dreieckigen, runden oder halbrunden Querschnitt versehen ist und der zweite plattenförmige Träger den Strömungskanal abdeckt. Dem Strömungskanal sind an sich bekannte Gasein- und austrittsöffnungen zugeordnet. Im Bereich des Strömungskanales sind vorzugsweise als Halbleiterwiderstände, Dioden, Transistoren oder Dünnfilmwiderstände ausgebildete Meß- und/bzw. Heizelemente in Längsrichtung des Strömungskanales nebeneinander angeordnet.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Meß- und/bzw. Heizelemente auf der dem Strömungskanal abgewandten Seite unmittelbar an dessen Wand angeordnet, dener zur Vermeidung von Wärmeverlusten neben den Meß- und/bzw. Heizelementen parallel zum Strömungskanal Wärmeisolation.sgräben zugeordnet sein können.

Für die Verringerung von Wärmeverliisten können die Meß- und/bzw. Heizelemente mit einer Wärmeisolation abgedeckt bzw. in diese eingebettet werden.

Zur Verringerung der thermischen Zeitkonstante sind die Meß- und/bzw. Heizelemente in einer Ausgestaltung der Erfindung auf der dem Strömungskanal zugewandten Seite über die gesamte Wandbreite des Strömungskanales aufgebracht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Meß- und/bzw. Heizelemente zum Schutz vor aggressiven Gasen mit einer Passivierungsschicht versehen.

Die Gasein- und -austrittsöffnungen können senkrecht zum Strömungskanal an dessen Enden angebracht werden. Zur Parallelschaltung eines Bypasses kann gegenüber der Gasaustrittsöffnung eine weitere Gasaustrittsöffnung vorgesehen v/erden.

Es ist weiterhin möglich, beide plattenförmigen Träger mit Meß- und/bzw. Heizelementen zu versehen, oder lediglich insgesamt zwei Meß- und/bzw. Heizelementen verwenden.

Um den mikromechanischen elektrokalorischen Durchflußmengenmesser mit in der Halbleitertechnologie bekannten Verfahren herstellen zu können, ist es zweckmäßig, für die plattenförmigen Träger einkristallines Material, beispielsweise Halbleitermaterial, zu verwenden.

In einer weiteren Variante der Erfindung können für die plattenförmigen Träger keramische Werkstoffe oder Glas verwendet werden.

Die Strömungskanäle für den Durchflußmengenmesser werden in einen plattenförmigen Träger eingebracht, der von oinem zweiten plattenförmigen Träger abgedeckt wird. Die Oberfläche dieses zweiten Trägers kann plan sein oder deckungsgleich zum ersten Träger einen Strömungskanal enthalten. Die geometrische Gestalt des Durchflußmengenmessors wird durch die ihn aufnehmende Fassung bestimmt.

Die Größe des Strömungskanals bestimmt den durch den Durchflußmengenmesser strömenden Gasstrom. Durch geeignete Wahl der Größe des Strömungskanals kann eine Anpassung der Durchflußmenge an den jeweiligen Einsatzfall erfolgen. Die Strömungskanäle können sowohl parallel als auch senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Gases angeordnet sein. Bei paralleler Anordnung sind die Gaseintritts- und -austrittsöffnungen an den Stirnseiten des Durchflußmengenmessers angeordnet. Bei senkrechter Anordnung werden die Gasein- und -austrittsöffnungen in den senkrecht zu den Strömungskanälen befindlichen Trägern eingebracht.

In der Wand der Strömungskanäle befinden sich die eigentlichen Meß- und/bzw. Heizelemente. Diese können als Widerstände oder pn-Übergänge (Transistoren, Dioden) ausgebildet werden. Die in Strömungsrichtung des Gases gelegenen äußeren Meßund/bzw. Heizelemente dienen der Temperaturmessung und das in der Mitte befindliche Element dient zur Heizung. Aus der gemessenen Temperaturdifferenz und der zugeführten Heizleistung kann die Durchflußmenge des Gases bestimmt werden. Die Fertigung und Montage der einzelnen Elemente für den Durchflußmengenmesser ist mit den bekannten technologischen Verfahren der Mikromechanik sehr einfach und wirtschaftlich möglich.

Ausfuhrungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen mikromechanischen elektrokalorischen Durchflußmengenmesser; Fig. 2: eine Ausführung des Durchflußmengenmessers; und

Fig. 3: eine Ausführung des Durchflußmengenmessers mit senkrecht zum Strömungskanal angeordneten Ein- und Austrittsöffnungen.

Gemäß Fig. 1 wird der Durchflußmengenmesser aus 2 plattenförmigen Trägern 1,2 gebildet, in denen der Strömungskanal 8

eingearbeitet ist. Der Gasstrom tritt durch die Gaseintrittsöffnung 3 in den Strömungskanal ein und verläßt ihn durch die

Gasaustrittsöffnung 6. Auf der Rückseite des plattenförmigen Trägers 2 befinden sich genau auf der Wand des Strömungskanals

die Meß- und/bzw. Heizelemente 4a, 4b, 4c mit ihren Bondinseln 5a, 5b, 5c. Zur Erreichung einer kurzen thermischen

Zeitkonstanta wird die Wand des Strömungskanals an den Stellen, an denen sich die Meß- und/bzw. Heizelemente befinden, so

dünn wie möglich gehalten. Neben den Meß- und/bzw. Heizelementen 4a, 4b, 4c sind Wärmeisolationsgräben 7 angeordnet,die die Wärmeleitung zwischen Meßstelle und Träger einschränken. Mit den Meßelementen 4a und 4c wird die Temperatur des

Gases vor beziehungsweise hinter der Heizstelle 4 b gemessen. Die Meß- und/bzw. Heizelemente können als elektrische Dünnschichtmetallwiderstände, Halbleiterwiderstände, Dioden oder Ί ransistoren ausgebildet sein. Die Meß- und/bzw. Heizelemente 4 a, 4 b und 4c können rückseitig mit einer wärmeisolierenden Schicht abgedeckt werden, die

die Aufgabe besitzt, die auftretenden Wärmeverluste zu minimieren und die Meßanordnung gegen störende äußere

Wärmeströmungen zu isolieren. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß die Meß- und/bzw. Heizelemente und die Leitbahnen sich außerhalb des Strömungskanals befinden und somit vor korrosiven Fluiden geschützt sind. Eine weitere Ausführungsvariante wird in Fig. 2 gezeigt. Sie besteht aus 2 plattenförmigen Trägern 1,2, von denen nur der Träger 1 den Strömungskanal beinhaltet. Der Träger 2 deckt den Strömungskanal ab. Auf der dem Strömungskanal

zugewandten Seite des Trägers 2 befinden sich die Meß- und/bzw. Heizelemente 4. Ihre Abmessungen sind so gestaltet, daß die

Elemente voll im Strömungskanal liegen. Die Bondinseln 5 a, 5 b und 5c ragen seitlich über den Träger 1 hinaus. Der Träger 2 ist

in einen wärmeisolierenden Körper 10 eingebettet. Die in dem Strömungskanal befindlichen Meß- und/bzw. Heizelemente 4sind zum Schutz vor den strömenden Gasen mit einer Passivierungsschicht versehen.

Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die thermische Zeitkonstante sehr klein ist. Eine dritte Ausführungsvariante zeigt Fig.3. Die Gasein- und -austrittsöffnungen 3 und 6 sind senkrecht zum Strömungskanal 8

angeordnet. Zusätzlich kann in den Träger 1 gegenüber der Gaseintrittsöffnung 3 eine weitere Gasaustrittsöffnung 9 angebrachtsein. Diese Öffnung dient in Verbindung mit der Gasaustrittsöffnung 6 der Aufnahme von weiteren Strömungskanälen, die als

Bypässe zur Meßbereichserweiterung parallelgeschaltet werden können. Die Fertigung der einzelnen plattenförmigen Träger 1,2 kann aus Siliziumscheiben, wie sie in der Halbleitertechnologie

verwendet werden, erfolgen. Des weiteren sind Keramiken und Gläser als Grundmaterial denkbar. Die Herstellung erfolgt mit

Hilfe lithografischer Verfahren, Diffusions-, Beschichtungs- und Ätztechniken. Damit sind die Möglichkeiten gegeben, den Strömungskanal und die Meß- und/bzw. Heizelemente dem jeweiligen Einsatzfall anzupassen.

Claims

1. Mikromechanisch<}r elektrokalorischer Durchflußmengenmesser mit einem in einem Gehäuse angeordneten Sirömungskanal und diesem zugeordneten Gasein- und iiustrittsöffnungen, sowie üem Strömungskanal zugeordneten Meß- und/bzw. Heizelementen, beispielsweise Widerstände, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußmengenmesser aus zwei fest miteinander verbundenen plattenförmigen Trägern (1,2) besteht, von denen wenigstens einer der Träger (1,2) mit einer sich längs erstreckenden grabenförmigen, einen Strömungskanal (8) bildenden Vertiefung mit trapezförmigen, dreieckigen, runden oder halbrunden Querschnitt versehen ist und der zweite plattenförmige Träger (1,2) den Strömungskanal abdeckt, daß dem Strömungskanal (8) an sich bekannte Gasein- und austrittsöffnungen (3,6) zugeordnet sind und daß im Bereich des Strömungskanales (8) vorzugsweise als Halbleiterwiderstände, Dioden, Transistoren oder Dühnfilmwiderstände ausgebildete Meß- und/bzw. Heizelemente (4a, 4b, 4c) in Längsrichtung des Strömungskanales (8) nebeneinander angeordnet sind.

2. Mikromechanischor elektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Meß-und/bzw. Heizelemente (4a, 4b, 4c) auf der dem Strömungskanal (8) abgewandten Seite unmittelbar an dessen Wand angeordnet sind.

3. Mikromechanischerelektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Meß- und/bzw. Heizelementen (4a, 4b, 4c) parallel zum Strömungskanal (8) Wärmeisolationsgräben (7) eingebracht sind.

4. Mikromechanischer elektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Meß-und/bzw. Heizelemente (4a, 4b, 4c) mit einer Wärmeisolation (19) abgedeckt bzw. in diese eingebettet sind.

5. Mikromechanischer elektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und/bzw. Heizelemente (4a, 4b, 4c) auf der dem Strömungskanal (8) zugewandten Seite über die gesamte Wandbreite des Strömungskanales (8) aufgebracht sind.

6. Mikromechanischer elektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und/bzw. Heizelemente (4a, 4b, 4c) mit einer Passivierungsschicht versehen sind.

7. Mikromechanischer elektrokalorischer Durchflußmengenmesser entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasein- und -austrittsöffnungen (6,3) senkrecht zum Strömungskanal an dessen Enden angebracht sind.

8. Mikromechanischer elektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der Gasaustrittsöffnung (3) eine weitere Gasaustrittsöffnung (6) angeordnet ist.

9. Mikromechanischer elektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß beide plattenförmigen Träger (1, 2) Heiz- und/bzw. Meßelemente (4a, 4b, 4c) tragen.

10. Mikromechanischer elektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt zwei Meß- und/bzw. Heizelemente (4a, 4b) verwendet werden.

11. Mikromechanischer elektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die plattenförmigen Träger (1,2) aus einem einkristallinen Material, beispielsweise Halbleitermaterial, bestehen.

12. Mikromechanischer elektrokalorischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die plattenförmigen Träger (1,2) aus einem keramischem Werkstoff oder Glas bestehen.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen