DE10124964A1 - Sensor zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und ein Verfahren zu dessen Betrieb. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, den Sensor so auszugestalten, dass von außen einwirkende Kräfte und Temperautränderungen nur noch in sehr geringem Maße Einfluss auf das Sensorsignal haben. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Trägermembran im Wesentlichen in Form einer Fahne und die nur zu einem kleinen Teil ihres Umfangs als Halteelement ausgebildet ist, wobei die Halteelemente so ausgebildet sind, dass nur ein Randbereich der Trägermembran mechanischen Spannungen ausgesetzt wird, und eine elektrische Leiterbahn mit Zuleitungen auf der Trägermembran.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Strömungsge­ schwindigkeiten und ein Verfahren zu dessen Betrieb.

In dem Artikel "Micro Fluid Sensors and Actuators" von G.

Stemme, der 1995 in den Proceedings zum 6. internationalen Sym­ posium an Micro Machine and Human Science auf den Seiten 45-52 erschienen ist, sind verschiedene Möglichkeiten dargestellt, wie Sensoren für die Messung von Strömungsgeschwindigkeiten aufge­ baut werden können. Unter anderem ist beschrieben, wie eine auf einer dünnen Membran angebrachte Leiterbahn durch einen elektri­ schen Strom auf einer konstanten Temperatur gehalten wird und die Energie zum Aufrechterhalten der Temperatur zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit dient. Nähere Beschreibungen dazu, wie ein solcher Sensor betrieben werden kann finden sich auf den Seiten 159-163 in dem Buch "Strömungs- und Durchfluß­ meßtechnik" von Otto Fiedler, das 1992 im Oldenbourg-Verlag er­ schienen ist.

In dem Artikel "AMANDA-surface micromachining, molding, and di­ aphragm transfer", der von W. K. Schomburg et. al. in der Zeit­ schrift Sensors and Actuators A, Band 76, auf den Seiten 343 bis 348 publiziert wurde, ist ein Sensor zur Messung von Strömungs­ geschwindigkeiten beschrieben, bei dem der Druckabfall über ei­ ner Kapillare mit einem Drucksensor gemessen wird. Der Druckab­ fall ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und kann deshalb zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit herangezogen werden. Der in diesem Sensor verwendete Drucksensor enthält Deh­ nungsmessstreifen, die auf einer dünnen Membran angebracht sind.

Nachteilig bei beiden hier beschriebenen Methoden zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten ist, dass von außen auf das Ge­ häuse des Sensors einwirkende Kräfte sowie thermische Dehnungen des Gehäuses aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur die Leiterbahn dehnen können, sodass sich deren elektrischer Widerstand verändert, wodurch eine veränderte Strömungsge­ schwindigkeit vorgetäuscht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zur Messung von Strö­ mungsgeschwindigkeiten zur Verfügung zu stellen, bei dem von außen einwirkende Kräfte und Temperaturänderungen nur noch in sehr geringem Maße Einfluss auf das Sensorsignal haben, und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentansprüche 1 und 8. Die übrigen An­ sprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von den Fig. 1 bis 5 und zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1, 2 4 und 5 schematisch den Aufbau von 2 Sensoren. Die Figuren sind nicht maßstäblich gezeichnet, um sehr dünne bzw. kleine Strukturen neben vergleichsweise großen Strukturen deut­ lich werden zu lassen. Die Fig. 3 zeigt Strom- und Spannungs­ verlauf bei einer Messung.

Die Anwendungsbeispiele beschreiben vorteilhafte Ausführungen der Sensoren.

Das erste Anwendungsbeispiel beschreibt eine zungenförmige Mem­ branstruktur, die in einem Hohlraum frei aufgehängt ist. In dem von einer Gehäuseoberhälfte 1 und einer Gehäuseunterhälfte 2 ge­ bildeten Hohlraum 7 wurde, wie in Fig. 1 dargestellt ist, eine Membranstruktur 3 angebracht. Diese Membranstruktur 3 besteht aus zwei Lagen 4 bzw. 5, zwischen denen eine Leiterbahn 6 ange­ bracht wurde, wie es in Fig. 2 in Aufsicht schematisch gezeigt ist. Die hier gezeigte mäanderförmige Leiterbahn kann auch an­ ders ausgeführt werden z. B. als bifilare Spirale. Dies hat den Vorteil, dass dies die Antenneneigenschaften der Leiterbahn 6 reduziert. Die Gehäuse wurden aus Polysulfon gefertigt und be­ sitzen den fluidischen Zulauf 8 und Ablauf 9. Zulauf und Ablauf können auch anders als hier dargestellt z. B. diametral angeord­ net sein. Die Membranlagen 4 und 5 wurden aus Polyimid und die Leiterbahn 6 aus Platin hergestellt. Die Dicke der Membranlagen 4 und 5 beträgt jeweils nur ca. 1 µm und die Dicke der Leiter­ bahn 6 nur ca. 100 nm. Dadurch ist die Wärmekapazität der Mem­ branstruktur 3 sehr gering und ihre Temperatur passt sich sehr schnell der Temperatur des Mediums an, das den Hohlraum 7 er­ füllt. Es wurden ca. 7 µm breite Leiterbahnen 6 mit Längen zwi­ schen 1,9 und 34,7 mm hergestellt, deren elektrischer Widerstand zwischen 100 Ω und 10 kΩ lag. Die Außenabmessungen des Gehäuses betrugen in diesem Fall 5,5.4,5.1,2 mm³.

Ein an der Leiterbahn 6 vorbeiströmendes Medium kühlt die Lei­ terbahn 6 ab, wobei die Kühlleistung von der Strömungsgeschwin­ digkeit abhängig ist. Der elektrische Widerstand der Leiter­ bahn 6 ist proportional zu ihrer Temperatur, deshalb ändert sich der Widerstand in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit.

Wegen der geringen Dicke der Membranstruktur 3 und ihrer damit verbundenen geringen Wärmekapazität kann sie sehr schnell durch einen elektrischen Strom durch die Leiterbahn 6 erwärmt und nach dessen Abschalten wieder auf die Temperatur des den Hohlraum 7 erfüllenden Mediums abgekühlt werden. Dies ermöglicht, wie wei­ ter unten beschrieben wird, eine temperaturunabhängige Strö­ mungsmessung mit nur einer Leiterbahn 6, hat aber den Nachteil, dass von außen auf das Gehäuse einwirkende mechanische Spannungen und Kräfte, wie sie z. B. durch Temperaturänderungen des Gehäuses 1 bzw. 2 auftreten können, zu Dehnungen der Membranstruktur 3 führen, die den Widerstand der Leiterbahn 6 ändern und so die Messung der Strömungsgeschwindigkeit beein­ trächtigen.

Deshalb ist die Membranstruktur 3 über Stege 3a mit dem Ge­ häuse 1 bzw. 2 verbunden. Dadurch können von außen auf das Ge­ häuse einwirkende mechanische Spannungen und Kräfte, nur zu sehr geringen Dehnungen des Teiles 3b der Membranstruktur 3 führen, der den sensitiven Teil der Leiterbahn 6 enthält. Dadurch wird vermieden, dass Dehnungen der Leiterbahnen zu einer Änderung ih­ res elektrischen Widerstandes und damit zu einer störenden Be­ einflussung des Sensorsignals führen.

Es ist auch möglich, statt der Stege 3a einen festen Bestandteil mindestens einer der Gehäusehälften 1 oder 2 vorzusehen, an dem der Teil 3b der Membranstruktur angebracht ist.

Die Polyimidschichten 4 und 5 werden soweit technisch möglich in der gleichen Dicke hergestellt, damit die Leiterbahn 6 in der Mitte der Membranstruktur 3 auf der sogenannten neutralen Faser zu liegen kommt, die durch Biegungen der Membranstruktur 3 nicht gedehnt wird. Solche Biegungen der Membranstruktur 3 können z. B. auftreten, wenn das den Hohlraum 7 durchströmende Medium zu ei­ ner Art Flatterbewegung der Membranstruktur 3 führt, wie sie von Flaggen bekannt ist.

Durch die Leiterbahn 6 wird, wie es in Fig. 3a gezeigt ist, mit einer Steuerspannung U einstellbare Stromquelle ein vorgegebener elektrischer Strom I₀ geschickt, der so klein ist, dass er zu keiner wesentlichen Erwärmung der Leiterbahn 6 führt. Der elekt­ rische Widerstand der Leiterbahn 6 ist von ihrer Temperatur - also der Temperatur des den Hohlraum 7 erfüllenden Mediums - abhängig. Deshalb stellt sich über der Leiterbahn 6 eine von der Medientemperatur abhängige Spannung u₀ ein (vgl. Fig. 3b), die nach Ablauf der Zeit Δt₁ gespeichert wird.

Nach dem Speichern von u₀ wird eine neue Steuerspannung U₁ be­ stimmt, mit deren Hilfe ein Strom I₁ durch die Leiterbahn 6 erzeugt wird. Die anfängliche Größe U₁ der Steuerspannung ist der gemessenen Spannung u₀ proportional. Der Proportionalitäts­ faktor wird bei der Kalibrierung des Sensors geeignet festge­ legt. Die Steuerspannung U und damit der Strom I durch die Lei­ terbahn 6 wird solange erhöht, bis die anfängliche Spannung u₁, die sich über der Leiterbahn 6 nach dem Einschalten des Stromes I₁ einstellt, um einen vorgegebenen Betrag Δu erhöht ist.

Das Mess-Ergebnis ergibt sich, wie es in Fig. 3c dargestellt ist, aus der Differenz ΔU der Regelspannungen U₂ und U₁, die den elektrischen Strömen I₂ und I₁ proportional sind.

Das dem Messverfahren zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass der Aufheizvorgang der Leiterahn 6 analysiert wird. Das Messergebnis wird ermittelt aus der elektrischen Energie, die benötigt wird, um die Temperatur und damit den davon abhängigen Widerstand der Leiterbahn 6 um einen vorgegebenen Betrag zu er­ höhen.

In der realisierten Schaltung wird dies dadurch erreicht, dass in einem Zeitintervall Δt₁ der von der Temperatur des den Hohl­ raum 7 erfüllenden Mediums abhängige Widerstand der Leiterbahn 6 mit einem kleinen Strom I₀ gemessen wird und in dem anschließen­ den Zeitintervall Δt₂ ermittelt wird, um wieviel der Strom I er­ höht werden muss, um den Widerstand um einen vorgegebenen Betrag zu erhöhen.

Wegen der geringen Wärmekapazität des sensitiven Teils 3b der Membranstruktur 3 brauchte das Zeitintervall Δt₂ nur 7 ms und das Zeitintervall, Δt₁ nur 20 bis 40 ms lang zu sein, um zuver­ lässige Messungen mit Luft als Medium ausführen zu können. Mit Hohlräumen 7 mit einem Querschnitt von 390..240 µm² wurden Flussmessungen zwischen 100 µl/min und 500 ml/min durchgeführt. Durch eine Anpassung des Querschnittes ist es möglich den Mess­ bereich zu verändern. Dabei ergibt sich für sehr kleine Flussra­ ten die Einschränkung, dass ein sehr kleiner Querschnitt des Hohlraumes 7 die Gefahr dafür erhöht, dass im Medium enthaltene Partikel oder Gasblasen den Hohlraum 7 ganz oder teilweise ver­ schließen und damit die Messergebnisse beeinträchtigen. Typi­ scherweise sind Querschnitte von 100.100 µm² noch geeignet. Es sind aber auch Querschnitte von 10.10 µm² möglich, wenn mit sehr reinen Medien gearbeitet wird, wie dies z. B. bei der Do­ sierung von Medikamenten der Fall sein kann. Die Flussrate von Wasser wurde mit dem hier beschriebenen Sensor zwischen 4 µl/min und 200 µl/min gemessen. Diese Messung wurde aufgrund einer Kalibrierung des Sensors mittels Wägung möglich. Die Kalibrierung für den Gasbetrieb wurde mit einem geeigneten Standardprüfmittel (Flusssensor der Firma MKS) durchgeführt. Bei gasförmigen Medien sind gegenüber flüssigen Medien um etwa einen Faktor 10 vermin­ derte elektrische Leistungen für die Ansteuerung der Leiterbahn 6 erforderlich.

Der zungenförmig ausgebildete Teil 3b der Membranstruktur 3 be­ hält auch dann seine Form bei, wenn die Strömungsrichtung nicht wie in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet, von der Aufhängung 3a der Membranstruktur 3 weggerichtet ist. Allerdings kann ein zun­ genförmig ausgebildeter Teil 3b der Membranstruktur 3 durch eine auf die Aufhängung zu gerichtete Strömung umgefaltet oder ge­ knickt werden, wenn die Strömungsgeschwindigkeit einen kriti­ schen Wert überschreitet. Ein umgefalteter oder umgeknickter Teil 3b der Membranstruktur 3 kann zu falschen Messwerten für die Strömungsgeschwindigkeit führen und sollte deshalb vermieden werden. Dies kann durch eine Begrenzung der möglichen Strömungs­ geschwindigkeit oder eine Festlegung der Strömungsrichtung z. B. durch ein passives Ventil erfolgen. Eine weitere Möglichkeit ist es, die Aufhängung der Membranstruktur 3 anders zu gestalten, wie es im zweiten Anwendungsbeispiel dargestellt ist.

Es ist auch möglich, zwei Sensorelemente in getrennten Hohlräu­ men 7 nebeneinander anzubringen und durch vorgeschaltete passive Ventile sicherzustellen, dass der eine Hohlraum immer nur in eine Richtung durchströmt wird, während der andere Hohlraum im­ mer in der entgegengesetzten Richtung durchströmt wird. Zungen­ förmige Teile 3b der Membranstruktur 3 können dann jeweils der Strömungsrichtung entsprechend ausgerichtet sein. Darüber hinaus ist es mit einer solchen Anordnung möglich, die Strömungsrich­ tung zu erfassen, indem festgestellt wird, welcher Sensor ange­ sprochen hat.

In einem zweiten Anwendungsbeispiel wird ein Sensor beschrieben, bei dem die Membranstruktur 3 an vier Stegen 3a aufgehängt ist.

In Fig. 4 ist eine Membranstruktur 3 mit Leiterbahnen 6 aus Gold gezeigt, die über vier Stege 3a mit dem Gehäuse 1 bzw. 2 verbunden ist. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, dass der Teil 3b der Membranstruktur 3 nicht umklappen oder umknicken kann, wenn sich die Strömungsrichtung umkehrt. Andererseits ist es bei dieser Ausgestaltung wichtig, dass die Stege 3a der Mem­ branstruktur 3 flexibel genug sind, um mechanische Spannungen, die vom Gehäuse ausgehen, nicht oder nur wenig auf den Teil 3b der Membranstruktur zu übertragen.

Eine andere Möglichkeit, die Übertragung von mechanischen Span­ nungen vom Gehäuse auf die Membranstruktur 3 zu übertragen, be­ steht darin, die Membranstruktur 3 im wesentlichen schlaff aus­ zubilden, sodass sie, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, im Hohl­ raum 7 etwas durchhängt. Wenn sich eine Dehnung des Gehäuses auf eine solche Membranstruktur 3 überträgt, ändert sich nur das Ausmaß, um das die Membranstruktur 3 durchhängt, ohne dass sich eine wesentliche Änderung der mechanischen Spannung der Membran einstellt.

Claims (8)

1. Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten, bestehend aus

• a) einer Trägermembran im wesentlichen in Form einer Fahne und die nur zu einem kleinen Teil ihres Umfangs als Hal­ teelement ausgebildet ist, wobei die Halteelemente so an­ geordnet sind, dass nur ein Randbereich der Trägermembran mechanischen Spannungen ausgesetzt wird, und
• b) einer elektrischen Leiterbahn (6) mit Zuleitungen auf der Trägermembran, wobei die elektrische Leiterbahn (6) durch einen elektrischen Strom gegenüber der Umgebung erwärmt werden kann.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus einem Polymer besteht.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leiterbahn (6) aus einem Metall besteht.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Trägermembran aus zwei Lagen (4, 5) auf­ gebaut ist, welche die elektrische Leiterbahn (6) - umschließen.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lagen (4, 5) der Trägermembran gleich dick sind.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Trägermembran in einem Gehäuse mit flui­ dischen Zu- und Ableitungen (8, 9) derart gehaltert ist, dass das Medium im wesentlichen parallel zur Ebene der Trä­ germembran fließt.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Trägermembran an vier Punkten fixiert ist und leicht durchhängt.

8. Verfahren zum Betrieb eines Sensors gemäß einem der Ansprü­ che 1 bis 7 mit folgenden Verfahrensschritten

• a) Beaufschlagen der elektrischen Leiterbahn 6 mit einem an­ wachsenden elektrischen Strom I solange, bis der Span­ nungsabfall über der Leiterbahn 6 sich um einen vorgege­ benen Wert Δ_u erhöht hat,
• b) Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit aus dem Δ_u mit Hilfe einer Kalibrierkurve und
• c) Abkühlen der Leiterbahn (6) durch Reduktion des Stromes und gegebenenfalls Durchführen weiterer Messungen gemäß den Schritten a) und b).