DE10063070A1 - Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps - Google Patents
Flußsensor des WärmeerzeugungstypsInfo
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Abstract
Es wird ein Wärmeerzeugungstyp-Flußsensor mit verbesserter Empfindlichkeit vorgeschlagen, der beispielsweise als Luftflußsensor eingesetzt werden kann, der in einem Brennkraftmaschinenregelsystem eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Der Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps weist ein Siliziumsubstrat (20) auf, eine auf dem Siliziumsubstrat (20) angeordnete Membran (10), die in einer ihrer Oberflächen einen Hohlraum (11a) aufweist, ein auf der Membran (10) vorgesehenes Flußratenmeßelement (1), welches einen Wärmeerzeugungswiderstand (2) zur Ausgabe eines elektrischen Signals aufweist, welches einen Heizstrom angibt, der durch den Wärmeerzeugungswiderstand (2) fließt, ein Halterungsteil (12) zum Haltern des Flußratenmeßelements (1) auf der Membran (10) auf solche Weise, daß eine Oberfläche der Membran (10) einem Fluid zur Messung ausgesetzt ist, während das Fluid zur Messung nur schwer in den Hohlraum (11a) fließen kann, der in der anderen Oberfläche der Membran (10) vorgesehen ist, und eine Regeleinheit zur Durchführung einer derartigen Regelung, daß die Temperatur des Wärmeerzeugungswiderstands (2) um eine vorbestimmte Temperatur höher gehalten wird als die Temperatur des Fluids zur Messung, wobei der Wärmeerzeugungswiderstand (2) und die Membran (10) derartige Abmessungen aufweisen, daß das Verhältnis der Breite des Wärmeerzeugungswiderstands (2) zur Breite der Membran (10) im Bereich von 0,4 bis 0,06 liegt, und das Verhältnis der Länge (Yh) in Längsrichtung des ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Flußsensor
des Wärmeerzeugungstyps, der für solche Anwendungen ausgelegt
ist, bei denen die Messung einer Flußrate (nachstehend auch
einfach als "Fluß" bezeichnet) eines fluiden Mediums,
beispielsweise der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs, dazu erforderlich ist, beispielsweise die
Regelung oder Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses für
die Brennkraftmaschine durchzuführen. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung einen Flußsensor des
Wärmeerzeugungstyps, mit welchem eine verbesserte
Meßempfindlichkeit und eine hohe Verläßlichkeit erzielt
werden können.
Zum besseren Verständnis des grundlegenden Konzepts der
vorliegenden Erfindung erfolgt zunächst unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen die Beschreibung herkömmlicher, bekannter
Flußsensoren des Wärmeerzeugungstyps. Fig. 12 zeigt in
Aufsicht ein Flußmeßelement, das bei einem herkömmlichen
Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps verwendet wird, wie er
beispielsweise in der japanischen PCT-Anmeldung mit der
Veröffentlichungsnummer 500490/1998 beschrieben wird, und
Fig. 13 zeigt ein Schaltbild einer Flußraten-
Brückenmeßschaltung, bei welcher dieser Flußsensor des
Wärmeerzeugungstyps verwendet wird.
Wie in Fig. 12 gezeigt weist das Meßelement ein Substrat 120
und eine auf dem Substrat 120 vorgesehene Membran 110 auf.
Auf der Membran 110 sind ein Wärmeerzeugungswiderstand 112,
ein Paar aus einem ersten und einem zweiten
Temperaturmeßwiderstand 113 und 114, ein anderes Paar aus
einem dritten und vierten Temperaturmeßwiderstand 115 und
116, und ein Verbindungswiderstand 117 vorgesehen, welcher
den dritten und vierten Temperaturmeßwiderstand 115 bzw. 116
verbindet. Die Membran 110 wird durch den
Wärmeerzeugungswiderstand 112 auf eine vorbestimmte
Temperatur erwärmt. Unter der Annahme, daß ein fluides Medium
wie beispielsweise Luft in der durch einen Pfeil in Fig. 12
dargestellten Richtung fließt, wird die Membran 110 durch den
Fluß des fluiden Mediums abgekühlt. In diesem Zusammenhang
wird angemerkt, daß die Temperaturmeßwiderstände 113 und 114,
die sich stromaufwärts des Wärmeerzeugungswiderstands 112
befinden, stärker abgekühlt werden als die
Temperaturmeßwiderstände 114 und 116, die sich stromabwärts
des Wärmeerzeugungswiderstands 112 befinden. Durch
Feststellung der Temperaturdifferenz zwischen den
stromaufwärtigen und stromabwärtigen
Temperaturmeßwiderständen kann daher die Flußrate des fluiden
Mediums gemessen werden.
Nunmehr erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 13 eine
Beschreibung des grundlegenden Betriebsablaufs der
Flußratenmeßschaltung, in welcher der herkömmliche Flußsensor
des Wärmeerzeugungstyps eingesetzt wird. Wie aus Fig. 13
hervorgeht, arbeiten der erste und der zweite
Temperaturmeßwiderstand 113 bzw. 114 so zusammen, daß sie
einen ersten Meßbrückenarm bilden, der eine mittlere
Anzapfung 113 aufweist. Andererseits arbeiten der dritte und
vierte Temperaturmeßwiderstand 113 bzw. 116 sowie der
Meßwiderstand 117 so zusammen, daß sie einen zweiten
Meßbrückenarm ausbilden, der zwei Anzapfungen 134 und 135
aufweist. Die Anzapfungen 134 und 135 sind durch
Einstellwiderstände 145 und 146 in Reihe geschaltet, wobei
die Reihenschaltung parallel zum Verbindungswiderstand 117
geschaltet ist, und eine Anzapfung 147 aus einer
Verbindungsstelle zwischen den Einstellwiderständen 145 und
146 herausgeführt ist.
Eine Anzapfung 131, die von einer Verbindungsstelle zwischen
dem ersten Temperaturmeßwiderstand 113 und dem vierten
Temperaturmeßwiderstand 116 herausgeführt ist, ist an eine
Stromversorgungsquelle (Spannungsquelle) angeschlossen,
während eine Anzapfung 132, die von einer Verbindungsstelle
zwischen dem zweiten Temperaturmeßwiderstand 114 und dem
dritten Temperaturmeßwiderstand 115 herausgeführt ist, mit
Masse verbunden ist. Hierbei entsprechen die Anzapfungen 131,
132, 133, 134 und 135 Bondierungs-Anschlußflächen des in
Aufsicht in Fig. 14 gezeigten Meßelements, wie dies
nachstehend noch genauer erläutert wird. Durch Einstellung
der Widerstandswerte der Einstellwiderstände 145 und 146 kann
der Nullpunkt der Flußraten-Meßbrückenschaltung eingestellt
werden.
Bei dem voranstehend geschilderten Flußsensor, der auf der
Grundlage der Temperaturdifferenz arbeitet, ist die Absenkung
der Temperatur an der stromaufwärtigen Seite des
Wärmeerzeugungswiderstands 112 signifikant, wenn die Flußrate
des fluiden Mediums niedrig ist, und daher eine hohe
Empfindlichkeit für die Messung des Flusses vorhanden ist.
Wenn allerdings die Flußrate des fluiden Mediums zunimmt,
sinkt die Temperaturdifferenz zwischen der stromaufwärtigen
und der stromabwärtigen Seite des Wärmeerzeugungswiderstands
112 ab, was zu einer entsprechenden Verringerung der
Empfindlichkeit der Flußmessung führt. Normalerweise ist
keine starke Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Flußmessung
von den Abmessungen des Wärmeerzeugungswiderstands und der
Membran vorhanden. Normalerweise wird in der Praxis der
Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps so ausgelegt, daß die
Breite des streifenförmigen Wärmeerzeugungswiderstands nicht
ein Drittel der Breite der Membran überschreitet, um den
Stromverbrauch zu verringern.
Da eine derartige Rückkopplungsregelung normalerweise
eingesetzt wird, daß die Temperatur des
Wärmeerzeugungswiderstands 112 unabhängig von der Änderung
der Flußrate des fluiden Mediums konstant bleibt, führen die
Temperaturmeßwiderstände 113, 114, 115 und 116 zur Erzeugung
eines Fehlers in der festgestellten Flußrate, infolge einer
thermischen Verzögerung der Reaktion auf die Änderung der
Flußrate, selbst wenn ein hohes Reaktionsvermögen in Bezug
auf den Heizstrom sichergestellt werden kann.
Fig. 14 zeigt in Aufsicht ein Fluidflußmeßelement 201, das
bei einem anderen herkömmlichen Flußsensor des
Wärmeerzeugungstyps verwendet wird, der in der japanischen
offengelegten Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
311750/1998 (JP-A-H10-311750) beschrieben wird. In Fig. 14
weist das Meßelement 201 ein Substrat 220 und eine auf dem
Substrat 220 vorgesehene Membran 210 auf. Auf der Membran 210
sind Heizleiter 202a und 202b und ein Temperaturmeßwiderstand
204 vorgesehen. Zusätzlich ist ein
Fluidtemperaturmeßwiderstand 207 auf dem Substrat 220
abgelagert. Diese Widerstandselemente sind an eine externe
Schaltung 214 (sh. Fig. 15) über Bondierungsanschlußflächen
330a, 330b, 330c, 330d, 330e, 330f und 330g angeschlossen.
Wie in Fig. 15 gezeigt ist, weist das Meßelement 201 ein
Halteteil 213b auf, auf welchem der
Fluidtemperaturmeßwiderstand 207 so fest gehaltert wird, daß
beide Oberflächen des Fluidtemperaturmeßwiderstands 207
direkt dem Luftfluß ausgesetzt sind. Weiterhin ist fest auf
dem Halteteil 213b die externe Schaltung 215 angebracht, die
elektrisch mit dem Meßelement 207 über Bondierungsdrähte 216
verbunden ist. Die externe Schaltung 214 und der durch
Drahtbondierung verbundene Abschnitt (also der verbundene
Abschnitt der Bondierungsdrähte 216, des Meßelements 201 und
die externe Schaltung 214) sind hermetisch durch ein
Kappenteil 213a abgedeckt, um den Drahtbondierungsabschnitt
zu stützen.
Wie wiederum aus Fig. 14 hervorgeht, wird der Heizstrom den
Wärmeerzeugungswiderständen 202a und 202b zugeführt, um die
Temperatur des Temperaturmeßwiderstands 204 höher zu halten,
und zwar um eine vorbestimmte Temperatur, als die Temperatur
des Fluidtemperaturmeßwiderstands 207. Daher kann die
Flußrate eines fluiden Mediums wie beispielsweise Luft oder
dergleichen auf der Grundlage des Heizstroms festgestellt
werden, der durch die Wärmeerzeugungswiderstände 202a und
202b fließt. Die Wärmeerzeugungswiderstände 202a und 202b
sind in Reihe geschaltet, so daß derselbe Heizstrom durch die
beiden Wärmeerzeugungswiderstände 202a und 202b fließt. Durch
Vergleich der Spannungsdifferenz zwischen dem
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 202a und dem
Richtung des Flusses des Fluides oder der Luft festgestellt
werden.
Der Flußsensor des Typs mit Feststellung des Heizstroms mit
dem voranstehend geschilderten Aufbau zeigt sicherlich ein
erhöhtes Reaktionsvermögen auf die Änderung der Flußrate.
Allerdings tritt bei dieser Art von Sensor in der Hinsicht
ein Problem auf, daß die Empfindlichkeit bei niedrigen
Flußraten niedrig ist, infolge nicht vernachlässigbarer
Wärmeverluste infolge von Wärmeleitung zum Substrat 220 und
einem Hohlraum 211 über die Membran 210, verglichen mit dem
Wärmeverlust infolge der Wärmeübertragung an den Fluß des
fluiden Mediums von den Wärmeerzeugungswiderständen 202a und
202b.
Weiterhin ist das in Fig. 14 gezeigte Meßelement 201 so
aufgebaut, daß die Wärmeerzeugungswiderstände 202a und 202b
auf der Membran 210 vorgesehen sind, wobei der
Temperaturmeßwiderstand 204 zwischen diesen beiden
Wärmeerzeugungswiderständen 202a und 202b angeordnet ist,
wobei die Beziehung der Größen der Wärmeerzeugungswiderstände
202a und 202b und der Membran nicht berücksichtigt wird.
Daher bleibt der Wärmeverlust infolge der Wärmeübertragung an
den Fluß des fluiden Mediums niedrig, in Bezug auf die .
Wärmemenge, die von den Wärmeerzeugungswiderständen 202a und
202b erzeugt wird, wodurch die Empfindlichkeit der
Flußmessung absinkt, was zu Schwierigkeiten führt.
Wie aus den voranstehenden Ausführungen deutlich geworden
sein sollte, lassen sich die Flußsensoren des
Wärmeerzeugungstyps, bei denen die Membran dadurch
ausgebildet wird, daß ein Teil des Materials des Substrats
entfernt wird, und bei denen die Wärmeübertragung von den auf
entfernt wird, und bei denen die Wärmeübertragung von den auf
der Membran angeordneten Wärmeerzeugungswiderständen an den
Fluß des fluiden Mediums wie beispielsweise Luft genutzt
wird, in zwei Gruppen einteilen, nämlich einerseits Sensoren
des Typs mit Feststellung der Temperaturdifferenz, die so
ausgelegt sind, daß sie die Flußrate auf der Grundlage der
Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturmeßwiderständen
feststellen, die stromaufwärts bzw. stromabwärts des
Wärmeerzeugungswiderstands (Fig. 12, 13) angeordnet sind,
sowie Sensoren des Typs mit Feststellung des Heizstroms, die
so ausgelegt sind, daß sie die Flußrate auf der Grundlage des
Heizstroms feststellen, der durch die
Wärmeerzeugungswiderstände (Fig. 14, 15) fließt.
Bei den voranstehend geschilderten Flußsensoren ist bei dem
Flußsensor des Typs mit Feststellung der Temperaturdifferenz
das Problem vorhanden, daß die Temperaturdifferenz zwischen
den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Bereichen bei hoher
Flußrate niedrig wird, was zu einer Verringerung der
Empfindlichkeit führt, obwohl bei dem Flußsensor dieses Typs
eine hohe Empfindlichkeit im Bereich niedriger Flußraten
vorhanden ist. Da die Temperatur des
Wärmeerzeugungswiderstands so geregelt wird, daß sie
unabhängig von der Änderung der Flußrate konstant bleibt; mit
Hilfe einer Rückkopplungsregelung, wird ein nicht
vernachlässigbarer Fehler bei der Messung der Flußrate
hervorgerufen, infolge einer Verzögerung der Reaktion des
Temperaturmeßwiderstands, trotz des hohen Reaktionsvermögens
des Heizstroms, was daher zu einem Problem führt.
Andererseits weist der Flußsensor des Typs mit Messung des
Heizstroms im allgemeinen eine bevorzugte Empfindlichkeit auf
die Änderung der Flußrate auf. Im Bereich niedriger Flußraten
Typs niedrig, infolge nicht vernachlässigbarer Wärmeverluste
wegen der Wärmeleitung an den Membranhalterungsabschnitt und
den Hohlraumabschnitt, verglichen mit der Wärmemenge, die auf
den Fluß des fluiden Mediums von den
Wärmeerzeugungswiderständen übertragen wird, was es schwierig
macht, das Verhalten des Fluidflusses über einen großen
Bereich mit ausreichender Genauigkeit festzustellen. Zwar
kann die Empfindlichkeit des Flußsensors mit Messung des
Wärmestroms dadurch erhöht werden, daß die Dicke der Membran
verringert wird. Allerdings wird in diesem Fall die
mechanische Festigkeit der Membran beeinträchtigt, was
wiederum zu Schwierigkeiten führt. Anders ausgedrückt muß in
Bezug auf die Abmessungen der Membran ein Kompromiß zwischen
Meßempfindlichkeit für den Fluß und der mechanischen
Festigkeit getroffen werden.
Angesichts der voranstehend geschilderten Verhältnisse beim
Stand der Technik besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung
in der Bereitstellung eines Flußratenmeßelements des Typs mit
Heizstrommessung, welches dadurch optimal ausgelegt ist, daß
die beiden Faktoren der mechanischen Festigkeit und der
Empfindlichkeit berücksichtigt werden.
Angesichts dieser und weiterer Ziele, die im Verlaufe der,
weiteren Beschreibung noch deutlicher werden, wird gemäß
einer allgemeinen Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ein
Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps zur Verfügung gestellt,
der ein Siliziumsubstrat aufweist, eine auf dem
Siliziumsubstrat vorgesehene Membran, die eine Oberfläche
hat, in welcher ein Hohlraum vorgesehen ist, ein
Flußratenmeßelement, das auf der Membran angeordnet ist, und
einen Wärmeerzeugungswiderstand zur Ausgabe eines
elektrischen Signals aufweist, welches den Heizstrom angibt,
der durch den Wärmeerzeugungswiderstand fließt, ein Halteteil
zum Haltern des Flußratenmeßelements auf der Membran in einer
solchen Anordnung, daß eine Oberfläche der Membran einem
Fluid zur Messung ausgesetzt ist, wogegen es für das Fluid
zur Messung schwierig ist, in den Hohlraum zu fließen, der in
der anderen Oberfläche der Membran vorgesehen ist, und eine
Steuer- oder Regeleinheit zur Durchführung einer derartigen
Steuerung bzw. Regelung, daß die Temperatur des
Wärmeerzeugungswiderstands um eine vorbestimmte Temperatur
höher gehalten wird als jene des Fluids für die Messung,
wobei der Wärmeerzeugungswiderstand und die Membran solche
Abmessungen aufweisen, daß das Verhältnis der Breite des
Wärmeerzeugungswiderstands zur Breite der Membran im Bereich
von 0,4 bis 0,6 liegt, und das Verhältnis der Länge in
Längsrichtung des Wärmeerzeugungsteils zur Länge der Membran
im Bereich von 0,4 bis 0,6 liegt.
Infolge der voranstehend geschilderten Ausbildung des
Flußsensors des Wärmeerzeugungstyps kann dessen
Meßempfindlichkeit für die Flußrate vergrößert werden, ohne
die Abmessungen der Membran zu vergrößern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann die Länge in Längsrichtung der Membran so
gewählt sein, daß sie zumindest das Doppelte der Breite der
Membran beträgt.
Mit dieser Anordnung kann die Empfindlichkeit der Flußmessung
erhöht werden, während eine ausreichende mechanische
Festigkeit der Membran sichergestellt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement eines
Flußsensors des Wärmeerzeugungstyps gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie
A-A in Fig. 1;
Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Montageanordnung des
Flußratenmeßelements auf einem Halteteil gemäß der
ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie
B-B in Fig. 3;
Fig. 5 eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie
A-A in Fig. 3;
Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer Meßschaltung für
das Flußratenmeßelement gemäß der ersten
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
dem Wärmeverlust eines Wärmeerzeugungswiderstandes
einerseits und einem Verhältnis zwischen der Breite
des Wärmeerzeugungswiderstands und der Breite einer
Membran andererseits, bei dem Flußratenmeßelement
gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
einem Verhältnis zwischen einem
Wärmeübertragungsverlust und einem
Wärmeleitungsverlust einerseits und einem
Verhältnis zwischen der Breite des
Wärmeerzeugungswiderstands und der Breite der
Membran andererseits, bei dem Flußratenmeßelement
gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 eine graphische Darstellung der Eigenschaften des
Flußratenmeßelements gemäß der ersten
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 11 ein Schaltbild einer Meßschaltung gemäß der zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement, das in
einem herkömmlichen Flußsensor des
Wärmeerzeugungstyps verwendet;
Fig. 13 ein Schaltbild der Meßschaltung des herkömmlichen
Flußsensors des Wärmeerzeugungstyps;
Fig. 14 eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement, das bei
einem anderen herkömmlichen Flußsensor des
Wärmeerzeugungstyps verwendet wird; und
Fig. 15 eine Schnittansicht der Montageanordnung des
Flußratenmeßelements des herkömmlichen Flußsensors
des Wärmeerzeugungstyps.
Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen im Zusammenhang
damit beschrieben, was momentan als bevorzugte oder typische
Ausführungsformen der Erfindung angesehen wird, unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen. In der folgenden Beschreibung
bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende
Teile in den Figuren. Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß
Begriffe wie "oben", "unten", "vorn", "hinten" und
dergleichen nur zur Erleichterung der Beschreibung verwendet
werden, und nicht die Erfindung einschränken sollen.
Nunmehr erfolgt die Beschreibung des Flußsensors des
Wärmeerzeugungstyps gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1.
Fig. 1 ist eine Aufsicht, die ein Flußratenmeßelement 1 des
Wärmeerzeugungstyp-Flußsensors gemäß der ersten
Ausführungsform der Erfindung zeigt, und Fig. 2 ist eine
entsprechende Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig.
1. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird zuerst der
Aufbau des Flußratenmeßelements 1 beschrieben. Auf der oberen
Oberfläche eines Siliziumsubstrats 20 mit im wesentlichen
rechteckiger Form sind eine erste Isolierschicht 12a und
zweite Isolierschicht 12b in zusammenlaminierter Anordnung
vorgesehen. Jede dieser Schichten 12a und 12b besteht aus
einem dielektrischen Film, beispielsweise aus Siliziumoxid
(etwa SiO2), Siliziumnitrid (etwa SiN), oder dergleichen. Ein
Paar von Hohlräumen 11a und 11b ist auf der hinteren
Oberfläche des Siliziumsubstrats 20 vorgesehen, wobei die
Hohlräume einen vorbestimmten Abstand voneinander in
Längsrichtung aufweisen, wobei die Herstellung so erfolgt,
daß zum Teil oder lokal das Material von dem Siliziumsubstrat
20 durch einen Ätzvorgang so entfernt wird, daß eine erste
und eine zweite Membran 10a bzw. 10b, die aus der ersten bzw.
zweiten Isolierschicht 12a bzw. 12b bestehen, an der
Oberseite des Hohlraums 11a bzw. 11b angeordnet sind. In dem
Bereich der ersten Membran 10a ist ein
Wärmeerzeugungswiderstand 2, der aus Platin (Pt), Nickel (Ni)
oder dergleichen besteht, und einen Widerstandswert aufweist,
der eine Temperaturabhängigkeit zeigt, zwischen der ersten
und der zweiten Isolierschicht 12a bzw. 12b angeordnet.
Entsprechend ist im Bereich der zweiten Membran 10b ein
Fluidtemperaturmeßwiderstand 7, der aus dem Widerstandsfilm
aus demselben Material wie jenem des
Wärmeerzeugungswiderstands 2 besteht, und zur Messung der
Temperatur des Fluids dient, zwischen der ersten und zweiten
Isolierschicht 12a bzw. 12b angeordnet. Die Enden des
Wärmeerzeugungswiderstands 2 sind elektrisch mit
Bondierungsanschlußflächen 30a und 30g durch Drahtleiter 8
verbunden. Entsprechend sind beide Enden des
Fluidtemperaturmeßwiderstands 7 elektrisch mit einer
Bondierungsanschlußfläche 30b bzw. 30e verbunden.
Nunmehr erfolgt eine Beschreibung des Herstellungsverfahrens
für das Flußratenmeßelement 1. Zuerst wird ein metallischer
Widerstandsfilm auf der Isolierschicht 12a ausgebildet, die
als Basisschicht auf dem Siliziumsubstrat 20 abgelagert ist,
über einen Filmablagerungsvorgang wie beispielsweise
Sputtern, Dampfablagerung, Verdampfung oder dergleichen von
Platin (Pt), Nickel (Ni) oder dergleichen, deren
Widerstandswert temperaturabhängig ist. Dann wird auf dem
metallischen Widerstandsfilm eine Musterbildung über einen
photomechanischen Prozeß durchgeführt, so daß der metallische
Widerstandsfilm eine gewünschte Form oder ein gewünschtes
Muster aufweist, sowie den gewünschten Widerstandswert. Dann
wird die Isolierschicht 12b als Schutzfilm so ausgebildet,
daß sie die Isolierschicht 12a einschließlich des mit einem
Muster versehenen, metallischen Widerstandsfilm vollständig
abdeckt. Danach werden die Bondierungsanschlußflächen 30a,
30b, 30e und 30g ausgebildet. Schließlich werden die
Membranen 10a und 10b dadurch hergestellt, daß das
Siliziumsubstrat 20 von seiner Rückseite aus zum Teil geätzt
wird, unter Verwendung der Isolierschicht 12a als Maske, so
daß kein Teil des Substrats 20 an der rückwärtigen Oberfläche
des Wärmeerzeugungswiderstands 2 und dessen Umfangsabschnitts
übrigbleibt.
Fig. 3 ist eine Aufsicht, die eine Montage- oder
Gehäuseanordnung des Flußratenmeßelements 1 auf dem
Halterungsteil 13 zeigt, Fig. 4 ist eine entsprechende
Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 3, und Fig. 5
ist eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie A-A
in Fig. 3. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist das
Flußratenmeßelement 1 auf dem Halterungsteil 13 so
angebracht, daß die eine oder vordere Oberfläche der Membran
direkt in Kontakt mit dem Fluß eines fluiden Mediums steht,
das gemessen werden soll, jedoch das fluide Medium nur unter
erschwerten Bedingungen in einem Bereich fließen kann, der
neben der anderen oder rückwärtigen Oberfläche der Membran
verläuft.
Die Bondierungsanschlußflächen 30a, 30b, 30e und 30g des
Flußratenmeßelements 1 sind elektrisch an Leiterrahmen 17 mit
Hilfe von Bondierungsdrähten 16 angeschlossen. Die
Leiterrahmen 17 wiederum sind mit einer externen Schaltung
(nicht dargestellt) verbunden. Die Bondierungsdrähte 16 und
deren Umfangsabschnitt werden gegen äußere Einflüsse durch
ein Kappenteil 18 geschützt, wobei der durch das Kappenteil
18 gebildete Innenraum mit einem Gel 19 gefüllt ist, so daß
die Bondierungsstellen hierdurch abgedeckt werden.
Wie aus Fig. 5 hervorgeht, weist das Halterungsteil 13 eine
derartige Form im Schnitt auf, daß diese annähernd
stromlinienförmig ist, so daß keine Beeinträchtigung der
Schichten in der Schicht des Fluids auftritt, welches entlang
der Oberfläche des Halterungsteils 13 fließt. Darüber hinaus
ist das Flußratenmeßelement 1 so in das Halterungsteil 13
eingebettet, daß seine freiliegenden Oberflächen mit den
Oberflächen der Membranen 10a und 10b fluchten. Wie
voranstehend erwähnt sind die Hohlräume 11a und 11b in der
rückwärtigen Oberfläche der Membran 10a bzw. 10b vorgesehen,
so daß eine Wärmeisolierung zwischen dem Halterungsteil 13
einerseits und den Wärmeerzeugungswiderständen 2 der
Membranen 10a und 10b sowie dem Fluidtemperaturmeßwiderstand
7 andererseits erzielt werden kann.
Der Wärmeerzeugungswiderstand 2 wird konstant so geregelt,
daß er ständig eine Temperatur aufweist, die um einen
vorbestimmten Temperaturwert höher ist als die Temperatur des
fluiden Mediums oder der Luft, dessen bzw. deren Flußrate von
dem Fluidtemperaturmeßwiderstand 7 gemessen werden soll.
Anders ausgedrückt wird bei dem Wärmeerzeugungswiderstand 2
eine Regelung auf konstante Temperaturdifferenz durchgeführt.
Zu diesem Zweck ist eine Treiber- oder Meßschaltung
vorgesehen. Fig. 6 zeigt schematisch ein Schaltbild der
Treiber- oder Meßschaltung. In Fig. 6 wird eine
Brückenschaltung durch den Wärmeerzeugungswiderstand 2, den
Fluidtemperaturmeßwiderstand 7, und mehrere Festwiderstände
22 bis 25 gebildet, wobei diese Schaltungsbauteile mit
Differenzverstärkern 41 und 42 und einem Transistor 43 so
zusammengeschaltet sind, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Bei
dieser Brückenschaltung ergibt sich der Widerstandswert Rh
des Wärmeerzeugungswiderstands 2 aus den nachstehend
angegebenen Ausdrücken, wobei die Widerstandswerte der in
Fig. 6 dargestellten Widerstände so bezeichnet sind, daß dem
Bezugszeichen des entsprechenden Widerstands ein "R"
vorgestellt wird.
Rh = (R7 + R24)(R22 + R23)R21/{R23.R24 - R21(R7 + R24)} (1)
= (R7 + R24)(R22 + R23)R21/(R23.R5) (2)
= (R7 + R24)(R22 + R23)R21/(R23.R5) (2)
Wenn bei der Brückenschaltung infolge einer Änderung der
Temperatur des Wärmeerzeugungswiderstands 2 ein
Ungleichgewicht auftritt, hervorgerufen durch eine Änderung
der Flußrate des fluiden Mediums oder der Luft, und/oder eine
Änderung der Temperatur des Flußtemperaturmeßwiderstands 7
auftritt, hervorgerufen durch die Änderung der Temperatur der
Luft, wird der durch den Wärmeerzeugungswiderstand 2
fließende Heizstrom durch Zusammenwirken der
Differenzverstärker 41 und 42 und des Transistors 43 so
geregelt, daß das Gleichgewicht der Brückenschaltung wieder
hergestellt wird. Infolgedessen weist der
Wärmeerzeugungswiderstand 2 ständig den Widerstandswert auf,
der durch die voranstehenden Ausdrücke (1) und (2) gegeben
ist, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen dem
Wärmeerzeugungswiderstand 2 und dem
Fluidtemperaturmeßwiderstand 7 konstant gehalten wird.
In diesem Zustand ergibt sich die Größe oder Rate Hf der
Wärmeübertragung von dem Wärmeerzeugungswiderstand 2 an die
Luft aus folgendem Ausdruck:
Hf = h.S.ΔT (3)
wobei
h einen Wärmeübertragungskoeffizienten bezeichnet,
ΔT die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeerzeugungswiderstand 5 und dem Fluß des fluiden Mediums oder der Luft, und
S die Oberfläche des Wärmeerzeugungswiderstands.
h einen Wärmeübertragungskoeffizienten bezeichnet,
ΔT die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeerzeugungswiderstand 5 und dem Fluß des fluiden Mediums oder der Luft, und
S die Oberfläche des Wärmeerzeugungswiderstands.
Andererseits ergibt sich die Joul'sche Wärme W, die von dem
Wärmeerzeugungswiderstand 2 erzeugt wird, aus folgendem
Ausdruck:
W = Rh.Ih2 (4)
wobei
Rh den Widerstandswert des Wärmeerzeugungswiderstands 2 bezeichnet, und
Ih den elektrischen Strom, der durch den Wärmeerzeugungswiderstand 2 fließt.
Rh den Widerstandswert des Wärmeerzeugungswiderstands 2 bezeichnet, und
Ih den elektrischen Strom, der durch den Wärmeerzeugungswiderstand 2 fließt.
Im Gleichgewichtszustand sind die Wärmeübertragungsrate Hf
gemäß Ausdruck (3) und die Joul'sche Wärme W gemäß dem
Ausdruck (4) gleich. Daher gilt folgende Beziehung:
h.S.ΔT = Rh.Ih2 (5)
Daher ergibt sich
Ih = (h.S.ΔT/Rh)1/2 (6)
h = aQmn + b
h = aQmn + b
Da der Wärmeübertragungskoeffizient h in Abhängigkeit von der
Massenflußrate Qm der Luft ausgedrückt werden kann, kann
daher die Luftflußrate Q durch Messung des Heizstroms Ih
festgestellt werden.
In der Praxis ist allerdings die Wärmemenge, die von dem
Wärmeerzeugungswiderstand 2 an den Fluß des fluiden Mediums
oder der Luft übertragen wird, ein Teil der Joul'schen Wärme
W. Darüber hinaus treten Verluste infolge der Wärmeleitung
von dem Wärmeerzeugungswiderstand an das Siliziumsubstrat 20
und den Hohlraum 11a auf. Der tatsächliche Heizstrom ergibt
sich daher aus folgendem Ausdruck:
Ih = {(Pf + Ps + Pc)/Rh}1/2 (7)
wobei
Ps den Wärmeverlust infolge von Wärmeleitung an das Siliziumsubstrat 20 bezeichnet, und
Pc den Wärmeverlust infolge der Wärmeleitung an den Hohlraum 11a.
Ps den Wärmeverlust infolge von Wärmeleitung an das Siliziumsubstrat 20 bezeichnet, und
Pc den Wärmeverlust infolge der Wärmeleitung an den Hohlraum 11a.
Da die Anteile der Wärmeleitungsverluste Ps und Pc im
Vergleich zum Wärmeübertragungsverlust Pf (= h.S.ΔT)
zunehmen, nimmt die Flußabhängigkeit des Heizstroms Ih ab, so
daß die Empfindlichkeit des Flußsensors geringer wird. Um die
Flußempfindlichkeit zu erhöhen muß daher die Größe des
Wärmeerzeugungswiderstands 2, der auf der Membran 10a
vorgesehen ist, optimiert werden, wobei das Verhältnis
zwischen dem Wärmeübertragungsverlust Pf und dem
Wärmeleitungsverlust (Ps + Pc) so groß wie möglich gewählt
wird.
In Fig. 1 ist die Breite der Membran 10a mit Xd bezeichnet,
die Länge der Membran 10a in Längsrichtung orthogonal zur
Flußrichtung mit Yd, und die Dicke der Membran 10a mit t.
Mechanische Spannungen, die in der Membran 10a unter der
Einwirkung der Druckdifferenz zwischen der oberen
(freiliegenden) Oberfläche und der unteren (rückwärtigen)
Oberfläche hervorgerufen werden, werden maximal am
Randabschnitt der Membran. Unter der Bedingung, daß die Länge
Yd zumindest das Doppelte der Breite Xd beträgt, und Xd/t
konstant ist, werden derartige Eigenschaften erzielt, daß
sich die maximale Biegespannung kaum ändert, selbst wenn sich
die Abmessungen der Membran ändern.
Fig. 7 zeigt schematisch graphisch die Beziehungen zwischen
den Wärmeverlusten von dem Wärmeerzeugungswiderstand 2
einerseits und dem Verhältnis der Breite Xh des
Wärmeerzeugungswiderstands 2 zur Breite Xd der Membran 10a
(Xh/Xd) andererseits. In der Figur ist das Breitenverhältnis
Xh/Xd entlang der Abszisse aufgetragen, und der Wärmeverlust
des Wärmeerzeugungswiderstands 2 entlang der Ordinate, und
stellt eine durchgezogene Kurve 45 den Wärmeverlust infolge
der Wärmeleitung von dem Wärmeerzeugungswiderstand 2 an das
Siliziumsubstrat 20 dar, eine gestrichelte Kurve 45 die Summe
des Wärmeverlustes infolge der Wärmeübertragung von dem
Wärmeerzeugungswiderstand 2 an den Fluß des fluiden Mediums
wie beispielsweise Luft und des Wärmeverlustes infolge der
Wärmeleitung von dem Wärmeerzeugungswiderstand 2 an den
Hohlraum 11a. Sowohl der Wärmeverlust infolge der
Wärmeübertragung von dem Wärmeerzeugungswiderstand 2 an den
Fluß des fluiden Mediums als auch der Wärmeverlust infolge
der Wärmeleitung zum Hohlraum 11a vom
Wärmeerzeugungswiderstand 2 nehmen proportional zur Erhöhung
der Fläche des Wärmeerzeugungswiderstands 2 zu, wogegen der
Wärmeverlust infolge der Wärmeleitung an das Siliziumsubstrat
20 von dem Wärmeerzeugungswiderstand 2 steil ansteigt, wenn
das Verhältnis Xh/Xd zunimmt. Eine gepunktet-gestrichelte
Linie 47, welche das Verhältnis zwischen dem
Wärmeübertragungsverlust und dem Wärmeleitungsverlust zeigt,
verläuft daher so, daß dieses Verhältnis einen Maximalwert
bei dem Breitenverhältnis Xh/Xd von "0,5" annimmt.
Fig. 9 zeigt schematisch die Beziehung zwischen dem
Verhältnis des Wärmeübertragungsverlustes zum
Wärmeleitungsverlust einerseits und dem Verhältnis der Breite
des Wärmeerzeugungswiderstands zur Breite der Membran (Xh/Xd)
andererseits, als Funktion der Größe der Membran im Bereich
minimaler Flußraten. In der Figur gibt eine durchgezogene
Kurve 50 das Verhältnis der Wärmeverluste an, wenn die Breite
der Membran 300 µm (0,3 mm) beträgt. Entsprechend gibt eine
gestrichelte Kurve 41 das Verhältnis der Wärmeverluste in
einem Fall an, in welchem die Membranbreite 600 µm (0,6 mm)
beträgt, und gibt eine gepunktet-gestrichelte Kurve 52 das
Verhältnis der Wärmeverluste in jenem Fall, in welchem die
Membranbreite 900 µm (0,9 mm) beträgt. In jedem Fall ist
allerdings die Länge Yd der Membran 10a doppelt so groß wie
ihre Breite Xd, wobei das Verhältnis der Breite der Membran
zu ihrer Dicke den konstanten Wert von "100" aufweist. Die
maximale Empfindlichkeit kann daher dann erreicht werden,
wenn das Verhältnis der Breite des Wärmeerzeugungswiderstands
zur Breite der Membran auf einen Wert eingestellt wird, der
im Bereich von "0,4" bis "0,6" liegt, unter der
Voraussetzung, daß die mechanische Festigkeit der Membran so
aufrechterhalten wird, daß sie konstant ist. In diesem
Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Empfindlichkeit
sicherlich durch Erhöhung der Größe der Membran erhöht werden
kann. Dann wird allerdings das Reaktionsvermögen des Sensors
mehr oder weniger stark beeinträchtigt. Daher ist es
wesentlich, die Größe des Wärmeerzeugungswiderstands zu
optimieren, während die Größe der Membran so festgelegt wird,
daß sie in einem Bereich liegt, der unter dem Gesichtspunkt
der Reaktionseigenschaften des Flußratenmeßelements zulässig
ist.
Fig. 9 zeigt graphisch die Flußeigenschaften, wenn ein
Flußratenmeßelement eingesetzt wird, bei welchem die Membran
der Eigenschaftskurve 50, 51 bzw. 52 entspricht, und in Bezug
auf die Größe das Erfordernis erfüllt, daß Xh/Xd = 0,5 ist.
In Fig. 9 ist das Ausgangssignal des Flußratenmeßelements
auf der Ordinate aufgetragen und so normiert, daß das
Ausgangssignal für die minimale Flußrate gleich "1" ist. Wie
aus Fig. 9 hervorgeht, weist das Flußratenmeßelement eine
Flußempfindlichkeit auf, die zunimmt, wenn das Verhältnis des
Wärmeübertragungsverlusts zum Wärmeleitungsverlust zunimmt.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die
Beziehung zwischen dem Verhältnis der Länge Yh des
Wärmeerzeugungswiderstands zur Länge Yd der Membran sowie die
Flußempfindlichkeit Eigenschaften zeigen, die ähnlich der
Eigenschaft des Verhältnisses der Länge Yh des
Wärmeerzeugungswiderstands zur Breite der Membran sind. Es
wurde durch Versuche bestätigt, daß die maximale
Empfindlichkeit dann erhalten werden kann, wenn das
Verhältnis der Länge des Wärmeerzeugungswiderstands zur Länge
der Membran im Bereich von 0,4 bis 0,6 liegt.
Aus der voranstehenden Beschreibung sollte deutlich geworden
sein, daß mit dem Aufbau des Flußratenmeßelements gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei
welchem das Verhältnis der Breite der Membran 10a zu deren
Länge so gewählt ist, daß es zumindest "2" beträgt, und die
Verhältnisse der Breite und Länge des
Wärmeerzeugungswiderstands 2 zur Breite bzw. Länge der
Membran 10a so gewählt sind, daß sie innerhalb des Bereiches
von 0,4 bis 0,6 liegen, ein Flußratenmeßelement mit einem
Aufbau erzielt werden kann, das sowohl in Bezug auf die
mechanische Festigkeit als auch die Empfindlichkeit optimal
ausgebildet ist.
Fig. 10 ist eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement 1A
gemäße einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Aus dieser Figur wird deutlich, daß der Aufbau des
Flußratenmeßelements 1A gemäß der zweiten Ausführungsform der
Erfindung im wesentlichen ebenso ist wie bei dem
Flußratenmeßelement 1, das voranstehend im Zusammenhang mit
der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde,
mit Ausnahme der Tatsache, daß ein Meßwiderstand 4 zum Messen
der durch die erzeugte Wärme hervorgerufenen Temperatur
zusätzlich zu dem Zweck vorgesehen ist, die mittlere
Temperatur des Wärmeerzeugungswiderstands 2 in dem insgesamt
mit dem Bezugszeichen 1A bezeichneten Flußratenmeßelement
festzustellen. In Fig. 10 sind gleiche oder entsprechende
Bauteile wie jene, die voranstehend im Zusammenhang mit der
ersten Ausführungsform beschrieben wurde, mit gleichen oder
entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
Der Meßwiderstand 4 für die durch die erzeugte Wärme
hervorgerufene Temperatur ist in der Nähe des
Wärmeerzeugungswiderstands 2 angeordnet, und weist ein
derartiges Muster auf, das er im wesentlichen die gleiche
Temperatur hat wie der Wärmeerzeugungswiderstand 2, und ist
zwischen den Isolierschichten 12a und 12b angeordnet, welche
Teile der Membran 10a (sh. Fig. 2) bilden, wie im Falle des
Wärmeerzeugungswiderstands 2. Der Meßwiderstand 4 für die
durch die erzeugte Wärme hervorgerufene Temperatur ist
elektrisch mit einer Treiber- und Meßschaltung verbunden, die
gleich jener ist, die voranstehend geschildert wurde, und
zwar über Bondierungsanschlußflächen 30h und 30i. Die Breite
des Wärmeerzeugungswiderstands 2 ist so gewählt, daß sie etwa
die Hälfte (also 0,5) der Breite der Membran beträgt, wobei
die Länge des Wärmeerzeugungswiderstands 2 ebenfalls so
gewählt ist, daß sie etwa die Hälfte (0,5) der Länge der
Membran beträgt. Das Verfahren zur Herstellung des
Flußratenmeßelements 1A sowie das Verfahren der Anbringung
oder Verpackung des Flußratenmeßelements 1A ist das gleiche
wie jenes, welches voranstehend im Zusammenhang mit der
ersten Ausführungsform erläutert wurde.
Der Meßwiderstand 4 für die Temperatur infolge der erzeugten
Wärme wird so gesteuert oder geregelt, daß er sich immer auf
einer Temperatur befindet, die um einen vorbestimmten Wert
höher ist als die Temperatur des fluiden Mediums oder der
Luft, die von dem Fluidtemperaturmeßwiderstand 7 gemessen
wird. Anders ausgedrückt wird mit dem Meßwiderstand 4 für die
infolge der erzeugten Wärme hervorgerufene Temperatur eine
Regelung auf konstante Temperaturdifferenz durchgeführt. Zu
diesem Zweck ist eine Treiberschaltung vorgesehen. Fig. 11
zeigt schematisch ein Schaltbild der Treiberschaltung. Wie
aus Fig. 11 hervorgeht, weist die Treiberschaltung eine
Reihenschaltung des Fluidtemperaturmeßwiderstands 7 und der
festen Widerstände 24 und 25 auf, die zwischen die
Spannungsquelle und Masse eingefügt sind, sowie eine
Reihenschaltung des Meßwiderstands 4 für die durch die
erzeugte Wärme hervorgerufene Temperatur und des
Festwiderstands 22, der zwischen Spannungsquelle und Masse
eingefügt ist, wobei eine Verbindungsstelle zwischen den
Festwiderständen 24 und 25 mit einer Eingangsklemme eines
Differenzverstärkers 41 verbunden ist, während eine
Verbindungsstelle zwischen dem Meßwiderstand für die durch
die erzeugte Wärme hervorgerufene Temperatur und dem
Festwiderstand 22 an die andere Eingangsklemme des
Differenzverstärkers 41 angeschlossen ist. Die Ausgangsklemme
des Differenzverstärkers 41 ist mit der Basis eines
Transistors 43 verbunden, dessen Emitter an die
Spannungsquelle angeschlossen ist, und dessen Kollektor über
Widerstände 2 und 21 mit Masse verbunden ist, wobei eine
Anzapfung von der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen
2 und 21 herausgeführt ist. Infolge des Aufbaus des
voranstehend geschilderten Flußratenmeßelements wird der
Heizstrom, der durch den Wärmeerzeugungswiderstand 2 fließt,
als entsprechende Spannung festgestellt, die über den
Widerstand 21 abfällt. Auf diese Weise kann die Flußrate
gemessen werden.
Bei dem Flußratenmeßelement gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung sind die Beziehungen zwischen
einerseits der Empfindlichkeit und andererseits der Größe der
Membran und des Wärmeerzeugungswiderstands exakt die gleichen
wie jene, die voranstehend im Zusammenhang mit der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben
wurden. Wenn die Membran 10 eine solche Größe aufweist, daß
das Verhältnis ihrer Breite zu ihrer Länge zumindest "2"
beträgt, und das Verhältnis der Breite und der Länge des
Wärmeerzeugungswiderstands 2 zur Breite und Länge der Membran
im Bereich von 0,4 bis 0,6 liegt, kann ein Aufbau des
Flußratenmeßelements erzielt werden, der sowohl in Bezug auf
die mechanische Festigkeit als auch in Bezug auf die
Empfindlichkeit optimal ist.
Angesichts der voranstehend geschilderten technischen Lehren
sind zahlreiche Abänderungen und Variationen der vorliegenden
Erfindung möglich. Innerhalb des Umfangs der Erfindung, der
sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen
ergibt und von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein
soll, läßt sich daher die Erfindung auch anders
verwirklichen, als dies speziell voranstehend beschrieben
wurde.
Claims (2)
1. Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps, welcher aufweist:
ein Siliziumsubstrat (20);
eine auf dem Siliziumsubstrat (20) angeordnete Membran (10), in deren einer Oberfläche ein Hohlraum (11a) vorgesehen ist,
ein Flußratenmeßelement (1), das auf der Membran (10) vorgesehen ist, und einen Wärmeerzeugungswiderstand (2) aufweist, zur Ausgabe eines elektrischen Signals, welches einen Heizstrom angibt, der durch den Wärmeerzeugungswiderstand (2) fließt;
ein Halterungsteil (13) zum Haltern des Flußratenmeßelements (1) auf der Membran (10) auf solche Weise, daß eine Oberfläche der Membran (10) einem Fluid zur Messung ausgesetzt ist, während das Fluid zur Messung nur schwer in den Hohlraum (11a) fließen kann, der in der anderen Oberfläche der Membran (10) vorgesehen ist; und
eine Regeleinheit zur Durchführung einer derartigen Regelung, daß die Temperatur des Wärmeerzeugungswiderstands (2) um eine vorbestimmte Temperatur höher gehalten wird als die Temperatur des Fluids zur Messung,
wobei der Wärmeerzeugungswiderstand (2) und die Membran (10) derartige Abmessungen aufweisen, daß das Verhältnis der Breite des Wärmeerzeugungswiderstands (2) zur Breite der Membran (10) im Bereich von 0,4 bis 0,6 liegt, und das Verhältnis der Länge (Yh) in Längsrichtung des Wärmeerzeugungswiderstands (2) zur Länge (Yd) der Membran (10) im Bereich von 0,4 bis 0,6 liegt.
ein Siliziumsubstrat (20);
eine auf dem Siliziumsubstrat (20) angeordnete Membran (10), in deren einer Oberfläche ein Hohlraum (11a) vorgesehen ist,
ein Flußratenmeßelement (1), das auf der Membran (10) vorgesehen ist, und einen Wärmeerzeugungswiderstand (2) aufweist, zur Ausgabe eines elektrischen Signals, welches einen Heizstrom angibt, der durch den Wärmeerzeugungswiderstand (2) fließt;
ein Halterungsteil (13) zum Haltern des Flußratenmeßelements (1) auf der Membran (10) auf solche Weise, daß eine Oberfläche der Membran (10) einem Fluid zur Messung ausgesetzt ist, während das Fluid zur Messung nur schwer in den Hohlraum (11a) fließen kann, der in der anderen Oberfläche der Membran (10) vorgesehen ist; und
eine Regeleinheit zur Durchführung einer derartigen Regelung, daß die Temperatur des Wärmeerzeugungswiderstands (2) um eine vorbestimmte Temperatur höher gehalten wird als die Temperatur des Fluids zur Messung,
wobei der Wärmeerzeugungswiderstand (2) und die Membran (10) derartige Abmessungen aufweisen, daß das Verhältnis der Breite des Wärmeerzeugungswiderstands (2) zur Breite der Membran (10) im Bereich von 0,4 bis 0,6 liegt, und das Verhältnis der Länge (Yh) in Längsrichtung des Wärmeerzeugungswiderstands (2) zur Länge (Yd) der Membran (10) im Bereich von 0,4 bis 0,6 liegt.
2. Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge in
Längsrichtung der Membran (10) zumindest das Doppelte
von deren Breite beträgt.
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R006 | Appeal filed | ||
R008 | Case pending at federal patent court | ||
R019 | Grant decision by federal patent court | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20150408 |
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R071 | Expiry of right |