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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.
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Zum besseren Verständnis des grundlegenden Konzepts der vorliegenden Erfindung erfolgt zunächst unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die Beschreibung herkömmlicher, bekannter Flußsensoren des Wärmeerzeugungstyps.
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
13 zeigt ein Schaltbild einer Flußraten-Brückenmeßschaltung, bei welcher dieser Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps verwendet wird.
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Wie in 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 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 115, 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.
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Nunmehr erfolgt unter Bezugnahme auf 13 eine Beschreibung des grundlegenden Betriebsablaufs der Flußratenmeßschaltung, in welcher der herkömmliche Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps eingesetzt wird. Wie aus 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.
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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 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.
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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.
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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.
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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
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.
15) über Bondierungsanschlußflächen
330a,
330b,
330c,
330d,
330e,
330f und
330g angeschlossen.
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Wie in 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 214 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.
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Wie wiederum aus 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.
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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.
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Weiterhin ist das in 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.
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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 (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 (14, 15) fließt.
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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.
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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.
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DE 197 51 101 A1 beschreibt ein wärmeempfindliches Flussratenmesselement, bei dem ein gitterförmiges Widerstandsheizelement auf einem Trägerfilm vorgesehen ist. Der Trägerfilm ist auf einem Substrat aufgebracht. Ebenfalls auf dem Trägerfilm sind zu beiden Seiten des Widerstandheizelements wärmeempfindliche Thermowiderstandselemente vorgesehen. Über allem befindet sich ein Schutzfilm, um eine Sensoreinheit zu bilden. Unterhalb der Sensoreinheit ist im Substrat ein Ätzloch vorgesehen. Die Sensoreinheit bildet dadurch eine Membran.
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Aus
DE 198 56 844 A1 ist ein Flussratenmesselement bekannt, bei dem zwei Heizwiderstandselemente direkt neben einander auf einer Membran vorgesehen sind, welche ihrerseits ein Ätzloch überspannt.
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DE 197 43 409 A1 betrifft eine Meßvorrichtung zum Messen der Masse eines entlang einer Strömungsrichtung strömenden Mediums, insbesondere der Ansaugluftmasse einer Brenn-Kraftmaschine. Die Messvorrichtung weist ein plattenförmiges Sensorelement auf, das in eine Ausnehmung eines Sensorträgers eingesetzt ist. Das Sensorelement umfasst eine ein Meßelement tragende Membran, die einen in dem Sensorelement ausgebildeten Hohlraum auf der dem Sensorträger abgewandten Seite verschließt. Das Sensorelement ist mittels einer Klebung zwischen einer dem Sensorträger zugewandten Bodenfläche des Sensorelements und dem Sensorträger in der Ausnehmung gehalten. Die Klebung umfasst eine Klebenaht, die sich zwischen der Bodenfläche des Sensorelements und dem Sensorträger um den Hohlraum des Sensorelements herum erstreckt und nur auf der der Strömungsrichtung abgewandten Seite durch zumindest eine Aussparung geöffnet ist, um den Hohlraum zu belüften.
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DE 199 19 398 A1 betrifft einen wärmeempfindlichen Flußratensensor. Der Flußratensensor weist ein plattenförmiges Substrat auf, von welchem ein Teil entfernt ist, so dass darin ein Raum zur Verfügung gestellt wird, einen Membranabschnitt, der wie eine Dünnschicht oberhalb des Raums so ausgebildet ist, dass er mit dem plattenförmigen Substrat vereinigt ist, und ein Heizelement, welches durch einen wärmeempfindlichen, einen elektrischen Widerstand aufweisenden und auf der Membran vorgesehenen Film gebildet wird. Mehrere Löcher, die durch den Membranabschnitt hindurchgehen, sind in einem Außenumfangsabschnitt des Heizelements vorgesehen. Jedes der mehreren Löcher ist so geformt, dass es stumpfe Eckabschnitte oder im Wesentlichen überhaupt keine Eckabschnitte aufweist. Der Flußratensensor misst die zu messende Flußrate eines Fluids auf der Grundlage der Wärmemenge, die auf das Fluid von einem Teil übertragen wird, welches durch die Stromversorgung des Heizelements erwärmt wird.
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Angesichts der voranstehend geschilderten Verhältnisse beim Stand der Technik besteht eine Aufgabe 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.
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Angesichts dieser und weiterer Aufgaben, die im Verlaufe der weiteren Beschreibung noch deutlicher werden, wird gemäß einer allgemeinen Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ein Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps zur Verfügung gestellt, welcher aufweist ein Siliziumsubstrat; eine auf dem Siliziumsubstrat angeordnete Membran, in deren einer Oberfläche ein Hohlraum vorgesehen ist, ein Flußratenmeßelement, das auf der Membran vorgesehen ist, und einen Wärmeerzeugungswiderstand aufweist, zur Ausgabe eines elektrischen Signals, welches einen Heizstrom angibt, der durch den Wärmeerzeugungswiderstand fließt; ein Halterungsteil zum Haltern des Flußratenmeßelements auf der Membran auf solche Weise, daß eine Oberfläche der Membran einem Fluid zur Messung ausgesetzt ist, während das Fluid zur Messung nur schwer in den Hohlraum fließen kann, der in der anderen Oberfläche der Membran vorgesehen ist; und eine Regeleinheit zur Durchführung einer derartigen Regelung, daß die Temperatur des Wärmeerzeugungswiderstands um eine vorbestimmte Temperatur höher gehalten wird als die Temperatur des Fluids zur Messung, wobei der Wärmeerzeugungswiderstand und die Membran derartige 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 Wärmeerzeugungswiderstands zur Länge der Membran im Bereich von 0,4 bis 0,6 liegt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist in dem abhängigen Anspruch angegeben.
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Infolge der voranstehend geschilderten Ausbildung des Flußsensors des Wärmeerzeugungstyps kann dessen Meßempfindlichkeit für die Flußrate vergrößert werden, ohne die Abmessungen der Membran zu vergrößern.
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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.
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Mit dieser Anordnung kann die Empfindlichkeit der Flußmessung erhöht werden, während eine ausreichende mechanische Festigkeit der Membran sichergestellt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
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1 eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement eines Flußsensors des Wärmeerzeugungstyps gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1;
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3 eine Aufsicht auf eine Montageanordnung des Flußratenmeßelements auf einem Halteteil gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie B-B in 3;
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5 eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie A-A in 3;
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6 ein schematisches Schaltbild einer Meßschaltung für das Flußratenmeßelement gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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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;
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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;
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9 eine graphische Darstellung der Eigenschaften des Flußratenmeßelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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10 eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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11 ein Schaltbild einer Meßschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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12 eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement, das in einem herkömmlichen Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps verwendet;
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13 ein Schaltbild der Meßschaltung des herkömmlichen Flußsensors des Wärmeerzeugungstyps;
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14 eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement, das bei einem anderen herkömmlichen Flußsensor des Wärmeerzeugungstyps verwendet wird; und
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15 eine Schnittansicht der Montageanordnung des Flußratenmeßelements des herkömmlichen Flußsensors des Wärmeerzeugungstyps.
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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.
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Ausführungsform 1
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Nunmehr erfolgt die Beschreibung des Flußsensors des Wärmeerzeugungstyps gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1.
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1 ist eine Aufsicht, die ein Flußratenmeßelement 1 des Wärmeerzeugungstyp-Flußsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und 2 ist eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1. Unter Bezugnahme auf die 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.
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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.
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3 ist eine Aufsicht, die eine Montage- oder Gehäuseanordnung des Flußratenmeßelements 1 auf dem Halterungsteil 13 zeigt, 4 ist eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie B-B in 3, und 5 ist eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie A-A in 3. Wie aus 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.
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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.
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Wie aus 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.
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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. 6 zeigt schematisch ein Schaltbild der Treiber- oder Meßschaltung. In 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 6 gezeigt ist. Bei dieser Brückenschaltung ergibt sich der Widerstandswert Rh des Wärmeerzeugungswiderstands 2 aus den nachstehend angegebenen Ausdrücken, wobei die Widerstandswerte der in 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)
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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, hervorgerufendurch 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.
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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 Wärmeübertragungskoeffizenten bezeichnet, ΔT die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeerzeugungswiderstand 5 und dem Fluß des fluiden Mediums oder der Luft, und S die Oberfläche des Wärmeerzeugungswiderstands.
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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.
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Im Gleichgewichtszustand sind die Wärmeübertragungsrate 11f gemäß Ausdruck (3) und die Joul'sche Wärme W gemäß dem Ausdruck (4) gleich. Daher gilt folgende Beziehung: h·S·ΔT = Rh·Ih2 (5)
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Daher ergibt sich Ih = (h·S·ΔT/Rh)1/2 (6) h = aQmn + b
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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.
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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.
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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.
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In 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.
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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 46 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.
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8 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.
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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 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 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.
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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.
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Ausführungsform 2
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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 10 sind gleiche oder entsprechende Bauteile wie jene, die voranstehend im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, mit gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
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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. 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.
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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. 11 zeigt schematisch ein Schaltbild der Treiberschaltung. Wie aus 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.
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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.
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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.
