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Die
Erfindung betrifft einen Strömungssensor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Strömungssensoren
werden unter anderem in der Automobilindustrie zur Motorsteuerung
verwendet. Dabei kommen verschiedene Messprinzipien zum Einsatz.
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Bei
einer Art von Strömungssensoren
wird von einem Temperaturfühler
die Temperatur des Gases erfasst, dessen Gasmassenfluss gemessen
werden soll. Ein Heizelement wird dann auf eine Temperatur oberhalb
der Temperatur des strömenden
Gases aufgeheizt. Die dafür
erforderliche Heizleistung ist ein Maß für den Gasmassenfluss des strömenden Gases.
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Aus
der
DE 41 12 601 A1 ist
eine Vorrichtung zur Messung eines Gasstromes bekannt. Der hier
gezeigte thermosensitive Sensor umfasst einen thermosensitiven Dünnschichtwiderstand
und eine Versorgungsstromsteuerschaltung zum Steuern des dem thermosensitiven
Dünnschichtwiderstandes
zugeführten
Stromes, wobei beide auf einem gemeinsamen Trägermaterial ausgebildet und
durch dieselbe Herstellungstechnologie hergestellt sind. Die thermosensitive
Dünnschichtwiderstandseinheit
ist in Richtung der zu erfassenden Luftströmung angeordnet.
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Bei
einer anderen Art von Strömungssensor befindet
sich ein Heizelement in Strömungsrichtung zwischen
Temperaturfühlern.
Das Heizelement wird auf eine vorgegebene Temperatur oberhalb der
Temperatur des strömenden
Gases aufgeheizt. Mit Hilfe der Temperaturfühler wird dann der Temperaturunterschied
zwischen der Temperatur am Ort des ersten Temperaturfühlers und
der Temperatur am Ort des zweiten Temperaturfühlers erfasst. Der gemessene Temperaturunterschied
ist ein Maß für den Gasmassendurchsatz
des strömenden
Gases. Aus dem Vorzeichen der Temperaturdifferenz kann zudem auf
die Richtung der Gasströmung
geschlossen werden.
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Da
die Strömungssensoren
in großen
Stückzahlen
hergestellt werden, ist eine möglichst
kostengünstige
Fertigung von Vorteil. Darüber
hinaus sollen die Strömungssensoren
robust sein und eine möglichst
lange Lebensdauer aufweisen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen möglichst
kostengünstig
herstellbaren Strömungssensor zu
schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Strömungssensor
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Der
Strömungssensor
weist ein Heizelement und einen Temperaturfühler auf, die zusammen mit dem
Schaltungselement auf einem gemeinsamen keramischen Substrat angeordnet
sind. Da sich das Heizelement, der Temperaturfühler und das Schaltungselement
auf einem gemeinsamen keramischen Substrat befinden, können diese
in einem gemeinsamen Arbeitsgang, beispielsweise durch ein geeignetes
Druckverfahren, hergestellt werden. Ferner ersetzt das keramische
Substrat auch eine separate Halterung, da das keramische Substrat
unmittelbar in die Wand eines Strömungskanals einsetzbar ist.
Damit entfällt
die Notwendigkeit, den Träger
für das
Heizelement und den Temperaturfühler
in einer separaten Halterung zu montieren und eine elektrische Verbindung
zwischen der Halterung und dem Heizelement sowie dem Temperaturfühler herzustellen.
Zudem weist der Strömungssensor
auf entgegen gesetzten Seiten jeweils einen Temperaturmessarm und
einen Temperaturmessfühler
auf. Damit erfasst der Strömungssensor
in zwei dicht nebeneinander liegenden Strömungskanälen den im jeweiligen Strömungskanal
befindlichen Gasmassenstrom.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Substrat aus einem Material auf der Grundlage einer Mischung
aus Keramikpulver und organischem Bindermaterial hergestellt. Die
aus diesem Material hergestellten Rohkörper werden auch als Grünlinge bezeichnet.
Derartige Grünlinge
können
mit Dicken zwischen 25 μm
und 500 μm
hergestellt werden. Bei Bedarf können
auch mehrere Grünlinge
zu einem Substrat mit der gewünschten
Dicke aufeinander gestapelt werden. Nach Abschluss des Formprozesses kann
das Substrat einer Wärmebehandlung
unterzogen werden, die zu einem mechanisch festen Strömungssensor
mit langer Lebensdauer führt.
Aufgrund der geringen Dicke des aus einem derartigen Material hergestellten
Substrates, reagiert ein derartiger Strömungssensor auch auf kurzzeitige
Schwankungen des Gasmassenstromes. Ein weiterer Vorteil ist, dass
die Wärmeleitung
entlang dem Substrat nur schwach ausgeprägt ist. Bei einem ausreichend
großem
Abstand zwischen dem Heizelement und dem Schaltungselement wird
daher die Temperatur des Schaltungselements auch dann nicht die
zulässige Obergrenze überschreiten,
wenn das Heizelement auf mehrere hundert Grad aufgeheizt wird.
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Die
Dicke des Substrats kann auch lokal variieren. Beispielsweise ist
es möglich,
die Arme des Substrats, die das Heizelement und den Temperaturfühler tragen,
dünner
zu gestalten, als den Bereich des Substrates, auf dem die Gassensorschaltung
angeordnet ist. Aufgrund der geringen Masse des Temperaturmessarms
und des Heizarms ist ein derartiger Strömungssensor in der Lage, kurzzeitige
Schwankungen im Gasmassenstrom zu erfassen. Daneben ist das Substrat
aber noch ausreichend massiv, um unmittelbar in der Wand eines Strömungskanals
befestigt zu werden.
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Ferner
ist es möglich,
zwischen dem Temperaturmessarm und dem Heizarm des Strömungssensors
eine thermische Barriere auszubilden. Dadurch werden der Temperaturmessarm
und der Heizarm des Strömungssensors
gegeneinander thermisch isoliert, ohne dass die Festigkeit des Strömungssensors
beeinträchtigt
wird.
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Denn
eine entsprechend lange Ausführung des
Temperaturmessarms und des Heizarms würde zwar zu einer guten thermischen
Isolierung aber zu einem mechanisch schwachen Temperaturmessarm und
Heizarm führen.
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Die
thermische Barriere kann beispielsweise ausgebildet werden, indem
das Substrat selbst im Bereich der thermischen Barriere geschwächt wird. Gegebenenfalls
kann die thermische Barriere auch mit Hilfe einer Glasschicht bewerkstelligt
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
werden das Heizelement und der Temperaturfühler aus einer Widerstandspaste
hergestellt, deren Widerstand von der Temperatur abhängt. Derartige
Pasten können
beispielsweise auf der Basis von Platin und Rhutenium hergestellt
sein. Solche Widerstandspasten lassen sich in einem Druckverfahren
auf das Substrat aufdrucken.
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Um
das Heizelement und den Temperaturfühler vor Verunreinigungen zu
schützen,
können
der Temperaturfühler
und das Heizelement mit einer Schutzschicht bedeckt sein. Diese
Schutzschicht kann eine weitere keramische Schicht oder aus einem
Glas hergestellt sein.
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Zur
Messung der Flussrichtung können
neben einem Temperatursensor zwei weitere in Stromrichtung nebeneinander
angeordnete Heizelemente vorgesehen sein. Aus der Heizleistung,
die notwendig ist, um eine bestimmte Temperatur zu erreichen, kann
dann auf die Strömungsrichtung
geschlossen werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispie le
der Erfindung anhand der Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
Aufsicht auf das Substrat eines Strömungssensors;
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2 einen
Querschnitt durch einen Strömungssensor
von der Art des in 1 dargestellten Strömungssensors;
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3 einen
Querschnitt durch einen weiteren abgewandelten Strömungssensor;
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4 einen
Querschnitt durch einen dritten abgewandelten Strömungssensor;
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5 eine
Aufsicht auf einen Strömungssensor,
der mit zwei Heizelementen ausgestattet ist;
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6 einen
Strömungssensor,
der dazu eingerichtet ist, den Gasmassenfluss in zwei nebeneinander
liegenden Strömungskanälen zu messen;
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7 eine
Aufsicht auf einen Strömungssensor,
dessen Temperaturfühler
und Heizelemente in einem Strömungskanal
und dessen Gassensorschaltung in einem benachbarten Kühlkanal
liegen;
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8 eine
Aufsicht auf einen Strömungssensor,
der mit Sensorelementen zum Erfassen von Druck, Feuchtigkeit und
Gaskonzentration ausgestattet ist; und
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9 eine
Aufsicht auf einen Feuchtigkeitssensor, der für den Einsatz in einem Strömungssensor
gemäß 8 geeignet
ist.
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1 zeigt
einen Strömungssensor 1,
der teilweise in einen Strömungskanal 2 hineinragt.
Der Strömungskanal 2 ist
von Wänden 3 begrenzt,
die in 1 gestrichelt eingezeichnet sind. Im Strömungskanal 2 fließt Gas 4 in
eine Strömungsrichtung 5 am Strömungssensor 1 vorbei.
Das durch den Strömungskanal 2 fließende Gas
kann Luft oder ein von einem Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas sein.
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Zur
Messung des Gasmassenstroms des im Strömungskanal 2 strömenden Gases 4 verfügt der Strömungssensor 1 über einen
Temperaturmessarm 6, der mit einem Temperaturfühler 7 ausgestattet
ist, sowie über
einen Heizarm 8, auf dem sich ein Heizelement 9 befindet.
Vom Temperaturfühler 7 und
vom Heizelement 9 führen
Leiterbahnen 10 zu einer Gassensorschaltung 11,
die die zum Betrieb des Strömungssensors 1 erforderlichen
Schaltungselemente enthält.
Die Gassensorschaltung 11 kann beispielsweise in ein einzelnes
Bauelement integriert sein. Daneben kann die Gassensorschaltung 11 auch
eine Vielzahl von integrierten Bauelementen sowie weitere passive
Bauelemente umfassen oder eine Vielzahl von aktiven oder passiven
Bauelementen enthalten. Die verschiedenen Bauelemente sollen in
diesem Zusammenhang unter dem Oberbegriff Schaltungselemente zusammengefasst
werden.
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Der
Temperaturfühler 7 und
das Heizelement 9 sowie die Gassensorschaltung 11 sind
auf einem gemeinsamen Substrat 12 angeordnet. Das Substrat 12 bildet
dabei sowohl den Temperaturmessarm 6 als auch den Heizarm 8.
Am gegenüberliegenden
Ende des Substrats 12 befindet sich ein Schaltungsbereich 13,
der die Gassensorschaltung 11 trägt. Der Temperaturmessarm 6 sowie
der Heizarm 8 sind mit dem Schaltungsbereich 13 über einen
Zwischenbereich 14 verbunden, der durch eine sich vom Temperaturmessarm 6 oder
Heizarm 8 zum Schaltungsbereich 13 erstreckende
thermische Barriere 15 thermisch unterteilt ist. Die thermische
Barriere 15 dient dazu, den Zwischenbereich 14 entsprechend
dem Temperaturmessarm 6 und dem Heizarm 8 zu unterteilen, so
dass der Temperaturmessarm 6 gegenüber dem Heizarm 8 ausreichend
thermisch isoliert ist.
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Daneben
dient der Zwischenbereich 14 auch der thermischen Isolierung
des Schaltungsbereichs 13 vom Heizarm 8. Denn
die im Schaltungsbereich 13 angeordnete Gassensorschaltung 11 darf
auch dann nicht den zulässigen
oberen Grenzwert für
die Betriebstemperatur überschreiten,
wenn der Heizarm 8 auf Temperaturen von bis zu 500° C aufgeheizt wird.
Die Breite des Zwischenbereichs 14 ist daher so gewählt, dass
die Betriebstemperatur der Gassensorschaltung 11 auch dann
nicht den maximal zulässigen
Wert überschreitet,
wenn der Heizarm 8 auf die Solltemperatur aufgeheizt ist.
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Im
Substrat 12 können
auch Durchführungen 16 vorgesehen
sein, die der Befestigung des Strömungssensor 1 an einem
Träger
dienen. Ferner können
am Substrat 12 nicht dargestellte Ausnehmungen ausgebildet
sein, in die ein dazu vorgesehener Träger verrastet. Der Strömungssensor 1 kann schließlich an
Kontakten 17 kontaktiert werden.
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Typischerweise
ist ein Strömungssensor
von der in 1 dargestellten Art einige Millimeter
lang und weniger als ein Millimeter breit. Die Dicke des Substrats
liegt im Bereich von 500 μm.
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Beim
Betrieb des Strömungssensor 1 erfasst der
Temperaturfühler 7 die
Temperatur des anströmenden
Gases 4. Das Heizelement 9 wird dann auf eine
Temperatur oberhalb der Temperatur des Gases 4 aufgeheizt.
Die Temperatur des Heizelements 9 wird dabei über eine
Widerstandsmessung am Heizelement 9 erfasst. Der Strom
durch das Heizelement 9 wird nun so geregelt, dass die
eingestellte Temperatur oberhalb der Temperatur des Gases 4 gehalten wird.
Die dazu notwendige Leistung ist ein Maß für den Gasmassenstrom des Gases 4.
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Zur
Herstellung des Substrats 12 werden vorzugsweise so genannte
Grünlinge
verwendet, die aus einer Masse hergestellt sind, in der Keramikteilchen
in einem organischen Bindemittel eingebettet sind. Diese Grünlinge stehen
in Dicken ab 25μm
zur Verfügung.
Auf die Grünlinge
können
dann die Leiterbahnen 10 sowie das Heizelement 9 und
der Temperaturfühler 7 durch
ein Siebdruckverfahren aufgedruckt werden. Dabei kann auch die Gassensorschaltung 11 ausgebildet
werden. Zur Herstellung des Heizelements 9 und des Temperaturfühlers 7 wird
vorzugsweise eine Widerstandspaste verwendet, die auf der Basis
von Platin und Rhutenium hergestellt ist.
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Durch
eine nachfolgende Wärmebehandlung kann
der Grünling
in eine Keramik umgewandelt werden. Je nach der Höhe der Temperatur
während
der Wärmebehandlung
ergibt sich eine so genannte LTCC (= low temperature cofired ceramics)
oder eine HTCC (= high temperature cofired ceramics).
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Ein
Vorteil der für
die Herstellung des Substrats 12 verwendeten Grünlinge ist,
dass diese sich zu Stapeln aufeinander schichten lassen.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch einen weiteren Strömungssensor 18, dessen
Substrat 12 von einer Schutzschicht 19 abgedeckt
ist. Ansonsten entspricht der Aufbau des Strömungssensors 18 dem Aufbau
des Strömungssensor 1 aus 1.
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Zur
Herstellung des Strömungssensors 18 wird
zunächst
auf das Substrat 12 der Temperaturfühler 7 sowie das Heizelement 9 und
die Gassensorschaltung 11 aufgebracht. Anschließend wird
das Substrat 12 mit der Schutzschicht 19 abgedeckt.
Ferner werden Vias 20 ausgebildet, die die Schutzschicht 19 durchqueren.
Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung
entsteht ein von dem Substrat 12 und der Schutzschicht 19 gebildeter
Verbundkörper, in
den die Funktionselemente, wie der Temperaturfühler 7, das Heizelement 9 sowie
die Gassensorschaltung 11 gekapselt sind. Damit sind der
Temperaturfühler 7,
das Heizelement 9 und die Gassensorschaltung 11 vor
störenden
Umwelteinflüssen
geschützt.
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Nach
der Wärmebehandlung
können
auf der Schutzschicht 19 Kontakte 21 ausgebildet
werden, über
die der Strömungssensor 18 kontaktierbar
ist.
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3 zeigt
einen weiteren Strömungssensor 22,
bei dem das Substrat 12 von mehreren Substratschichten 23 gebildet
ist. Auf diese Weise kann die Festigkeit des Substrats 12 erhöht werden.
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Eine
weitere Besonderheit des Strömungssensors 22 ist,
dass der Strömungssensor 22 eine Schutzschicht 24 aufweist,
die den Schaltungsbereich 13 freilässt. Beim Strömungssensor 22 kann daher
im Schaltungsbereich 13 zum Beispiel ein integriertes Bauelement 25 angeordnet
werden, in das die Gassensorschaltung 11 integriert ist.
Bei dem in 3 dargestellten Strömungssensor
brauchen insbesondere keine Vias ausgebildet zu werden. Vielmehr
kann das integrierte Bauelement unmittelbar auf den auf dem Substrat 12 ausgebildeten
Leiterbahnen 10 abgebracht werden.
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Der
Strömungssensor 22 bietet
den Vorteil, dass die thermische Barriere 15 durch eine
Schwächung
des Substrats 12 realisiert werden kann. Zu diesem Zweck
wird beispielsweise in einer der beiden Substratschichten 23 und
in der Schutzschicht 24 im Bereich der thermischen Barriere 15 das
Material entfernt, so dass der Strömungssensor 22 im
Bereich der thermischen Barriere 15 nur noch die Dicke einer
einzigen Substratschicht 23 aufweist. Durch diese gezielte
Schwächung
des Strömungssensors 22 im
Bereich der thermischen Barriere 15 wird verhindert, dass
eine unzulässige
Menge an Wärme
unmittelbar vom Heizarm 8 zum Temperaturmessarm 6 gelangt
und die Temperaturmessung verfälscht.
Gegebenenfalls kann die Festigkeit der thermischen Barriere 15 erhöht werden,
indem im Bereich der thermischen Barriere 15 auf der verbleibenden Substratschicht 23 eine
Verstärkung
der Glasschicht ausgebildet wird.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch einen weiteren Strömungssensor 26, bei
dem das Substrat 12 unterschiedliche Dicken aufweist. Im
Bereich des Temperaturfühler 7 und
des Heizelement 9 weist das Substrat 12 lediglich
eine einzelne Substratschicht 27 auf. Im Zwischenbereich 14 sowie
im Schaltungsbereich 13 ist das Substrat 12 um
zwei weitere Substratschichten 28 verstärkt. Dadurch wird die Befestigung
des Strömungssensors 26 in
der Wand des Strömungskanals 2 erleichtert,
da das verstärkte Substrat 12 im
Bereich der Durchführungen 16 eine größere Festigkeit
aufweist als der Strömungssensor 1 aus 1.
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5 zeigt
eine Aufsicht auf einen weiteren Strömungssensor 29, der
einen weiteren Heizarm 30 mit einem weiteren Heizelement 31 aufweist.
Mit dem Strömungssensor 29 lässt sich
die Strömungsrichtung 5 des
Gases 4 im Strömungskanal 2 bestimmen. Bei
dem in 5 dargestellten Fall ist zum Erwärmen des
Heizelements 9 auf dem Heizarm 8 eine größere Heizleistung
erforderlich, als für
das Heizelement 31 auf dem Heizarm 30. Denn das
in Strömungsrichtung 5 strömende Gas 4 wird
durch das Heizelement 9 erwärmt, so dass auf das Heizelement 31 vorgewärmtes Gas
trifft. Dementsprechend geringer fällt die zum Erwärmen des
Heizelements 31 erforderliche Heizleistung aus.
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In 6 ist
ein weiterer Strömungssensor 32 dargestellt,
der in der Lage ist, neben dem Gasmassenfluss in einem Strömungskanal 2 einen
weiteren Gasmassenfluss in einem weiteren Strömungskanal 33 zu erfassen.
Zu diesem Zweck weist der Strömungssensor 32 auf
gegenüberliegenden
Seiten des Schaltungsbereichs 13 Zwischenbereiche 34 auf,
an denen die Temperaturmessarme 6 sowie die Heizarme 8 und 30 angesetzt
sind. Bei dem in 6 dargestellten Fall befindet
sich der Schaltungsbereich 13 im Bereich des Strömungskanals 2 und
des Strömungskanals 33.
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Es
ist jedoch auch denkbar, dass beispielsweise ein Strömungssensor
von der Art des Strömungssensors 29 so
an der Wand 3 des Strömungskanals 2 angebracht
wird, dass der Schaltungsbereich 13 strömendem Gas ausgesetzt ist.
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7 zeigt
einen solchen Fall, bei dem der Strömungssensor 29 in
eine Trennwand 35 zwischen dem Strömungskanal 2 und einem
Kühlkanal 36 angebracht
ist. In diesem Fall sind entsprechende Befestigungsvorrichtungen
im Zwischenbereich 14 des Substrats 12 vorzusehen.
Ferner muss die Gassensorschaltung 11 gegen ein im Strömungskanal 36 strömendes Gas 37 ausreichend
geschützt
sein. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Schutzschicht von
der Art der Schutzschicht 19 bewerkstelligt werden.
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8 zeigt
schließlich
eine Aufsicht auf einen weiteren Strömungssensor 38, dessen
Funktion durch zusätzliche
Sensoren erweitert worden ist. So befindet sich auf dem Substrat 12 des
Strömungssensors 38 ein
Gaszusammensetzungssensor 39. Derartige Gaszusammensetzungssensoren 39 sind dem
Fachmann bekannt und als solche nicht Gegenstand der Anmeldung.
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Ferner
sind ein Drucksensor 40 und ein Feuchtigkeitssensor 41 vorgesehen.
Als Drucksensor 40 kommt beispielsweise ein Drucksensor
mit der Bezeichnung KP 120 der Firma Infineon AG in Frage. Als Feuchtigkeitssensor 41 eignet
sich beispielsweise ein Sensor mit der Bezeichnung HC 103 von E&E Elektronik Ges.m.b.H,
Engerwitzdorf, Österreich.
Der Drucksensor 40 und der Feuchtigkeitssensor 41 sind jeweils
so auf dem Substrat 12 positioniert, dass sie im Bereich
einer Seitenkammer 42 des Strömungskanals 2 liegen.
Die Seitenkammer 42 ist durch eine Öffnung 43 mit dem
Strömungskanal 2 verbunden. Demnach
findet in der Seitenkammer 42 selbst keine wesentliche
Gasströmung
statt.
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9 zeigt
schließlich
der Vollständigkeit halber
eine Aufsicht auf den Feuchtigkeitssensor 41. Der Feuchtigkeitssensor 41 weist
zwei ineinander geschachtelte kammartige Elektroden 44 auf,
die von einer Feuchtigkeit absorbierenden Polymerschicht 45 abgedeckt
sind. Je nach Feuchtigkeitsgehalt der Polymerschicht 45 ändert sich
die Kapazität
der Elektroden 44, so dass durch eine Kapazitätsmessung
an den Elektroden 44 die Feuchtigkeit gemessen werden kann.
Falls erforderlich kann der Feuchtigkeitssensor 41 unmittelbar
auf dem Substrat 12 ausgebildet werden.
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Die
hier beschriebenen Strömungssensoren 1, 18, 22, 26, 29, 32 und 38 sind
besonders einfach herstellbar und können ohne weiteres in den Wänden 3 der
Strömungskanäle 2, 33 und 36 montiert
werden. Darüber
hinaus kann der Aufbau der Strömungssensoren 1, 18, 22, 26, 29, 32 und 38 flexibel an
die jeweiligen Anforderungen bezüglich
Festigkeit und Zeitverhalten angepasst werden.
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Es
sei angemerkt, dass die Reihenfolge des Temperaturmessarms 6 sowie
der Heizarme 8 und 30 bezüglich der Strömungsrichtung 5 je
nach Messprinzip verschieden sein kann. Beispielsweise kann ein
Temperaturmessarm in Strömungsrichtung
zwischen zwei Heizarmen angeordnet sein. Auch der umgekehrte Fall
ist denkbar, nämlich
dass ein Heizarm zwischen zwei Temperaturmessarmen angeordnet ist.
In letzterem Fall wird die Temperaturdifferenz der Temperaturen
ermittelt, die von den Temperaturfühlern auf den Temperaturmessarmen
ermittelt werden. Die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturfühlern ist
dann ein Maß für den Gasmassenstrom.