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Hinweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der Schweizer Patentanmeldung
0871/00, die am 4. Mai 2000 eingereicht wurde und deren ganze Offenbarung
hiermit durch Bezug aufgenommen wird.
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Hintergrund
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Die
Erfindung betrifft einen Sensorbaustein, ein Verfahren zu dessen
Herstellung und einen Flussensor gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Es
gibt Sensorbausteine zum Messen eines Temperaturunterschieds, bei
denen ein Temperaturdifferenzsensor auf einem Halbleitersubstrat
integriert ist, wie dies z. B. in
DE 195 27 861 A1 offenbartist. Beispielsweise
kann auf dem Halbleitersubstrat eine Thermosäule integriert werden, die
eine Spannung abhängig
vom Temperaturunterschied zwischen ihren Kontaktreihen abgibt.
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Derartige
Bausteine eignen sich jedoch nur für Messungen, wo der Halbleiterbaustein
direkt in Kontakt mit dem zu messenden Substrat gebracht werden
kann. Liegen z. B. die Punkte, über
denen der Temperaturunterschied gemessen werden soll, weit auseinander,
so müssen
diskrete Temperaturdifferenzsensoren verwendet werden. Auch zur
Messung an besonders aggressiven Medien sind konventionelle Halbleiterbausteine
nicht gut geeignet.
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DE 42 41 333 A1 beschreibt
einen Flusssensor mit einem Heizelement und einem daneben angeordneten
Temperatursensor, die direkt in den zu messenden Gasstrom eingebracht
werden.
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DE 195 16 480 C1 beschreibt
einen Mirkosensor zur Bestimmung von Wärmestromdichten mittels Thermoelementen,
der direkt auf eine zu untersuchende Wand aufgesetzt wird.
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Darstellung der Erfindung
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Es
stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Sensorbaustein bereitzustellen,
der diese Probleme vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird vom Sensorbaustein gemäss Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäss ist also
ein Wärmeleitelement
vorgesehen, welches in thermischem Kontakt mit dem Temperaturdifferenzsensor
steht, und über den
der Sensorbaustein mit dem zu messenden Objekt verbunden wird. Dies
erlaubt es, die Temperatur vom zu Messenden Objekt an den Ort des
bzw. der Temperaturdifferenzsensoren zu führen. Somit können die
eigentlichen Messpunkte und der Sensorbaustein örtlich getrennt werden. Dennoch
bleiben die vorteilhaften Eigenschaften, wie z. B. geringe Störanfälligkeit,
eines Sensorbausteins mit integriertem Temperaturdifferenzsensor
erhalten.
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Vorzugsweise
ist das Wärmeleitelement
teilweise in ein Gehäuse
eingegossen, welches auch das Halbleitersubstrat umschliesst, so
dass sich ein mechanisch stabiler Aufbau ergibt.
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Vorzugsweise
ist der Temperaturdifferenzsensor eine Thermosäule, deren Kontaktreihen bzw. -enden
mit dem bzw. den Wärmeleitelementen
thermisch verbunden sind. Da eine derartige Thermosäule einen
hohen elektrischen Innenwiderstand besitzt, kann durch deren Integration
auf einem Halbleiterbaustein im Vergleich zu einem Aufbau aus diskreten Teilen
die Störempfindlichkeit
reduziert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
weist das Halbleitersubstrat zwischen den Punkten, mit denen das
bzw. die Wärmeleitelemente
verbunden sind, eine Vertiefung oder Öffnung auf. Dadurch wird der Wärmefluss
durch das Substrat reduziert und die Empfindlichkeit des Sensors
verbessert. Die Vertiefung bzw. Öffnung
kann mit ei ner Membran überzogen
sein, so dass es möglich
bleibt, direkte Leitungen zwischen den Kontaktorten zu ziehen.
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Der
Wärmefluss
durch das Halbleitersubstrat kann auch reduziert werden, indem dessen
Dicke sehr gering gewählt
wird. Hierzu kann die oben erwähnte
Vertiefung z. B. bis auf weniger als 200 μm an die Gegenseite des Substrats
herangeführt
werden, oder das Substrat kann generell eine Dicke von weniger als
200 μm besitzen.
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Auf
dem Halbleitersubstrat kann auch eine Wärmequelle integriert sein.
Diese kann ebenfalls mit einem geeigneten Wärmeleitelement, in den Ansprüchen Heizleistungs-Leitelement
genannt, verbunden sein, um die Heizwärme zum auszumessenden Objekt
zu führen.
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Vorzugsweise
wird auf dem Halbleitersubstrat eine Auswerteelektronik integriert.
Dank der kurzen Leitungswege zum Temperaturdifferenzsensor kann
eine sehr genaue und störungsfreie
Messung erreicht werden.
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Bei
der Herstellung des Sensorbausteins wird zuerst der Temperaturdifferenzsensor
auf dem Halbleitersubstrat integriert. Sodann kann er mit dem bzw.
den Wärmeleitelementen
verbunden werden. Vorzugsweise geschieht dies in einem Lead-Frame. In
diesem Fall werden das Wärmeleitelement
und Anschlussleitungen im Lead-Frame ausgeformt, dann mit dem Halbleitersubstrat
verbunden und in bekannter Technik in ein gemeinsamen Gehäuse eingegossen.
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Der
Sensorbaustein eignet sich besonders zur Anwendung in einem Flusssensor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen
und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat mit Thermosäule und
Auswerteelektronik,
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2 das
Halbleitersubstrat nach 1 mit Metallbumps,
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3 das
Halbleitersubstrat nach 2 mit Anschlussleitungen und
Wärmeleitelementen,
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4 der
Baustein nach 3 in einem Gehäuse,
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5 einen
Schnitt entlang Linie V-V von 3,
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6 ein
vergrössertes
Detail aus 5,
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7 eine
alternative Ausführung
zu 4,
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8 eine
dritte Ausführung
des Sensorbauteils,
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9 eine
vierte Ausführung
des Sensorbauteils,
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10 eine
fünfte
Ausführung
des Sensorbauteils,
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11 eine
Ausführung
des Sensorbausteins als Flusssensor,
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12 eine
Draufsicht auf den Sensorbaustein nach 11,
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13 eine
zweite Ausführung
eines Flusssensors,
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14 eine
dritte Ausführung
eines Flusssensors und
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15 eine
vierte Ausführung
eines Flusssensors.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Eine
erste Ausführung
der Erfindung in verschiedenen Stufen ihres Herstellungsprozesses
ist in 1–6 dargestellt.
Es handelt sich hierbei um einen Sensorbaustein, der auf einem Halbleitersubstrat 1 basiert,
wie es in 1 dargestellt ist. Auf dem Halbleitersubstrat 1 ist
als Temperaturdifferenzsensor eine Thermosäu le 2 integriert.
Diese weist zwei Kontaktreihen 3, 4 auf, die deren
thermische Kontaktorte bilden, und erzeugt eine Spannung abhängig vom
Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Kontaktreihen. Die
Thermosäule
ist über
Leiter 5 mit einer Auswerteelektronik 6 verbunden.
Die Auswerteelektronik 6 umfasst z. B. einen Vorverstärker, einen
Analog-Digital-Wandler und eine digitale Verarbeitungsstufe, z.
B. um das Signal der Thermosäule zu
linearisieren und zu skalieren. Zur elektrischen Verbindung mit
der Aussenwelt sind Anschlusspads 7 vorgesehen.
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Wie
in 2 gezeigt, werden auf dem fertigen Halbleitersubstrat 1 „Metallbumps” 8, 9 aufgebracht.
Dabei handelt es sich um Erhebungen aus Metall, vorzugsweise aus
Gold oder Kupfer, die über den
Kontaktreihen 3, 4 liegen und mit diesen einen thermischen
Kontakt bilden.
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Sodann
wird, wie in 3 dargestellt, das Halbleitersubstrat 1 mit
elektrischen Anschlussleitungen 10 und Wärmeleitelementen 11, 12 verbunden. Die
Anschlussleitungen 10 kontaktieren die Anschlusspads 7 und
stellen die elektrischen Anschlüsse
des Bausteins dar. Die Wärmeleitelemente 11, 12 sind
aus Metall mit hohem Wärmeleitwert,
stehen in thermischem und vorzugsweise auch physikalischem Kontakt
mit den Metallpumps 8, 9 und stellen die thermischen
Anschlüsse
des Bausteins dar.
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Die
Anschlussleitungen 10 und die Wärmeleitelemente 11, 12 sind
vorzugsweise gemeinsam in einem Lead-Frame angeordnet, so dass sie in einem Schritt
mit dem Halbleitersubstrat 1 in der in 3 dargestellten
Weise verbunden werden können.
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In
einem nächsten
Schritt wird die Anordnung nach 3 in ein
Kunststoffgehäuse 14 eingegossen,
wie dies in 4 dargestellt ist. Wie daraus ersichtlich
ist, wird ein erster Teil der Wärmeleitelemente 11, 12 in
das Gehäuse
eingegossen, während ein
zweiter Teil je eine Anschlusszunge 11a bzw. 12a bildet.
In der vorliegenden Ausführungen
sind diese mit Schraublöchern 16 ausgerü stet. Das
Gehäuse 14 vermittelt
den Wärmeleitelementen 11, 12 mechanischen
Halt.
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Es
ist auch denkbar, den Sensorbaustein in „Flip-Chip” Technologie aufzubauen.
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Der
fertige Baustein nach 4 erlaubt es, einen Temperaturunterschied
zwischen den Anschlusszungen 11a und 12a zu detektieren.
Hierzu werden die Anschlusszungen thermisch mit zwei Messstellen
eines auszumessenden Objekts verbunden. Ein Temperaturunterschied
zwischen diesen Messstellen erzeugt einen Temperaturunterschied über den
Kontaktreihen 3, 4 der Thermosäule und somit eine messbare
Spannung.
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Die über den
Kontaktreihen 3, 4 abfallende Spannung ist abhängig von
der Wärmeleitfähigkeit der
Wärmeleitelemente 11, 12 und
der Wärmeleitfähigkeit
von Substrat 1 und Gehäuse 14.
Während
das Gehäuse
aus Kunststoff ist und geringe Wärmeleitung
aufweist, ist die Wärmeleitung
des Substrats 1 relativ hoch. Vorzugsweise wird deshalb
im Substrat 1 zwischen den Kontaktreihen 3, 4 eine
Vertiefung oder eine durchgehende Öffnung vorgesehen.
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Dies
ist in 5 dargestellt. Hier ist zwischen den Kontaktreihen 3, 4 eine
sich durch das Substrat 1 erstreckende Öffnung 20 vorgesehen, über die
sich eine dünne
Membran 21 erstreckt. Eine derartige Struktur kann hergestellt
werden, indem das Substrat zuerst mit der Membran 21 beschichtet und
sodann die Öffnung 20 ausgeätzt wird.
Entsprechende Techniken sind dem Fachmann bekannt.
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Anstelle
der Öffnung 20 kann
von der Unterseite des Substrats auch eine Vertiefung ausgeätzt werden,
die oben von einer Substratschicht einer Dicke von höchsten 200 μm, vorzugsweise
ca. 50 μm, bedeckt
ist.
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Es
ist auch denkbar, ein Substrat zu verwenden, dessen Gesamtdicke
im Bereich von 200 μm oder
weniger (z. B. 50 μm)
liegt, um den Wärmefluss zwischen
den Kontaktreihen 3, 4 zu reduzieren.
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In 6 ist
ein Schnitt durch eine Kontaktreihe 3 in Vergrösserung
dargestellt. Wie daraus ersichtlich, bilden im Bereich der Kontaktreihe
die beiden Materialien 22, 23 der Thermosäule 2 eine
Kontaktstelle. Sie sind von einer Passivierungsschicht 24,
z. B. aus Siliziumnitrid, bedeckt, auf der der Metallbump 8 bzw. 9 aufgebracht
wird.
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Die
in 4 dargestellte Ausführung der Erfindung kann, wie
bereits erwähnt, über die
Schraublöcher 16 mit
einem zu messenden Objekt oder mit geeigneten Wärmeleitern verbunden werden.
Es ist jedoch auch denkbar, die Anschlusszungen 11a und 12a in
anderer Weise auszugestalten.
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So
zeigt 7 eine in Spitzen zulaufende Ausführung der
Anschlusszungen 11a, 12a, wie sie z. B. für ein Handmessgerät geeignet
wäre.
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Eine
weitere Ausführung
ist in 8 dargestellt. Hier ragen die Wärmeleitelemente
seitlich aus dem Gehäuse 14,
wobei ihr erster, vom Gehäuse 14 umschlossener
Teil gestrichelt dargestellt ist.
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Eine
weitere Ausführung
nach 9 für grosse
Temperaturdifferenzen ist aufgebaut wie jene nach 8,
wobei jedoch die beiden Wärmeleitelemente
miteinander verbunden sind, so dass ein einziges Wärmeleitelement 12' entsteht. Es
ist also ein gemeinsames Wärmeleitelement
für beide
Kontaktreihen 3, 4 der Thermosäule 2 vorgesehen,
das seitliche Anschlusszungen 12'a, 12'b besitzt. Im Bereich 12'c zwischen den
Kontaktreihen 3, 4 weist das Wärmeleitelement 12' einen kleineren
Querschnitt auf als im Bereich der Anschlusszungen 12'a, 12'b, so dass der
thermische Widerstand pro Länge
zwischen den Kontaktreihen 3, 4 grösser ist
als in den Anschlusszungen. Dadurch wird der Temperaturabfall zwischen den
Kontaktreihen 3, 4 erhöht.
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In
den bisher gezeigten Ausführungen
wurde der Sensorbaustein in ein Gehäuse 14 eingegossen und
die Wärmeleitelemente
ragten aus diesem Gehäuse
heraus. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Wärmeleitelemente nur bis zur
Oberfläche
des Gehäuses
führen,
falls die Messung direkt am Gehäuse durchgeführt werden
soll.
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Eine
weitere Ausführung
ist in 10 dargestellt. Hier ist das
Halbleitersubstrat 1 über
die Wärmeleitelemente 11, 12 direkt
an einer Leitung bzw. einem Rohr 25 befestigt. Die Wärmeleitelemente 11, 12 können in
diesem Fall z. B. von den oben erwähnten Metallbumps gebildet
werden. Mit dieser Anordnung ist es möglich, einen Temperaturgradienten
in dem im Rohr 25 fliessenden Medium festzustellen. Dennoch
ist das Halbleitersubstrat 1 gut vor dem Medium geschützt.
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Eine ähnliche
Ausführung
des Sensorbausteins ist in 11 dargestellt.
Hier ist auf dem Halbleitersubstrat 1 zusätzlich ein
Wärmequelle 26,
z. B. in Form eines integrierten Widerstands, angeordnet. Auf der
Wärmequelle 26 ist
ein Heizleistungs-Leitelement 27 angeordnet, das mit dieser
thermisch in Kontakt steht. Das Heizleistungs-Leitelement 27 kann ebenfalls
als Metallbump ausgestaltet sein. Es leitet die Wärme der
Wärmequelle 26 an
das Rohr 25 weiter, wo sie einen Temperaturgradienten im
zu messenden Medium zwischen den Wärmeleitelementen 11, 12 erzeugt.
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Der
Aufbau des Sensorbausteins nach 11 ist
aus 12 ersichtlich, wobei hier das Rohr 25 nicht
dargestellt ist und die Wärmeleitelemente 11, 12 und
das Heizleistungs-Leitelement 27 gestrichelt erscheinen.
Er besitzt zwei Thermosäulen 2a, 2b,
zwischen denen die Wärmequelle 26 angeordnet
ist. Die inneren Kontaktreihen der Thermosäulen 2a, 2b liegen
neben der Wärmequelle,
die äusseren
am Rand des Halbleitersubstrats 1.
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Um
die Empfindlichkeit jeder Thermosäule 2a bzw. 2b zu
erhöhen,
können
wiederum geeignete Vertiefungen bzw. Öffnungen zwischen ihren Kontaktreihen
vorgesehen sein, wie dies in 5 dargestellt ist.
Ebenso können
zwischen den inneren Kontaktreihen und der Wärmequelle 26 derartige
Vertiefungen oder Öffnungen
vorgesehen sein, um die Wärmequelle 26 von
den Thermosäulen 2a, 2b zu
trennen.
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Die
Auswerteelektronik 6 ist ausgestaltet, um die Wärmequelle
mit konstantem Strom, konstanter Temperatur oder konstanter Spannung
zu betreiben und enthält
die dazu notwendigen Schaltelemente. Ferner misst sie den Unterschied Δ der Temperaturdifferenzen über den
Thermosäulen 2a, 2b.
Da die mittleren Kontaktreihen der Thermosäulen 2a, 2b im wesentlichen
auf gleicher Temperatur liegen, entspricht der Unterschied Δ im wesentlichen
dem Temperaturunterschied an den äusseren Kontaktreihen.
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Mit
einer Anordnung nach 11 und 12 kann
also eine Asymmetrie in der durch die Wärmequelle 26 erzeugten
Wärmeverteilung
gemessen werden, woraus über
geeignete Eichung die Flussgeschwindigkeit des Mediums im Rohr 25 ermittelt
werden kann. Entsprechende Messtechniken sind dem Fachmann bekannt.
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Die
Wärmequelle 26 muss
nicht unbedingt auf dem Halbleitersubstrat 1 integriert
sein. Sie kann auch extern angeordnet werden, wie dies in den Ausführungen
nach 13 und 14 dargestellt
ist.
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In
der Ausführung
nach 13 ist die Wärmequelle
als resistive Wicklung 26' ausgeführt, die zwischen
den Wärmeleitelementen 11, 12 um
das Rohr 25 herum gewickelt ist. Es ist auch denkbar, zusätzlich oder
alternativ zur Wicklung 26' zwischen den
Wärmeleitelementen 11, 12 eine
Wicklung 26'' vor den Wärmeleitelementen 11, 12 vorzusehen.
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In
der Ausführung
nach 14 ist das Rohr 25 gebogen, um mehr Platz
für die
Wicklung 26' vorzusehen.
Wie gestrichelt angedeutet, kann die Wicklung 26' auch am Scheitel
des U-förmig
gebogenen Rohrs angeordnet werden oder sich sowohl über den Scheitel
als auch die beiden Schenkel erstrecken.
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Die
Steuerschaltungen zum Betreiben der Wärmequellen der Ausführungen
gemäss 13 und 14 können auf
dem Halbleitersubstrat 1 integriert werden, wobei ein Leistungstreiber
gegebenenfalls als externes Bauteil vorgesehen sein kann.
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Eine
Kombination der Ausführungen
nach 11 und 14 ist
in 15 dargestellt. Auch hier ist das Rohr 25 U-förmig gebogen,
wobei die Wärmeleitelemente 11, 12 mit
den Schenkeln des Rohrs 25 in Verbindung stehen. Zum Heizen
ist eine Wärmequelle
auf dem Halbleitersubstrat 1 integriert und steht über ein
Heizleistungs-Leitelement 27 mit dem
Scheitel des Rohrs 25 in Verbindung.
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Die
Ausführungen
gemäss 11–15 kann
der Temperaturunterschied jeweils auch nur von einer einzigen Thermosäule gemessen
werden.
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In
den soweit beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind jeweils Thermosäulen
als Temperaturdifferenzsensoren vorgesehen. Es können jedoch auch einfache Thermoelemente
verwendet werden. Auch der Einsatz von anderen Sensoren ist möglich, z.
B. von PTC-Widerständen.
Thermosäulen
sind jedoch bevorzugt, da sie es erlauben, Temperaturdifferenzen
im Bereich von mK aufzulösen
und im wesentlichen ohne Drift und Alterungseffekte zu messen.
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Während in
der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind,
ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese
Beschränkt
ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden
Ansprüche
ausgeführt
werden kann.